УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГОМОГЕНИЗАЦИИ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F02M27/08 F02M29/06 

Изобретение относится к области двигателестроения, а более конкретно к системам питания двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Из уровня техники известны принципиальные направления развития и усовершенствования ДВС, приоритетными из которых можно считать следующие: по обеспечению полного сгорания топливной смеси, по снижению расхода топлива, по снижению токсичности выхлопных газов. Известен также и путь решения технической задачи по обеспечению полного сгорания топливной смеси (в результате чего снижается и расход топлива, и токсичность выхлопных газов), заключающийся в подготовке топливовоздушной смеси в виде тонкодисперсного, однородного по сечению канала системы питания ДВС потока.

Так, известно устройство для гомогенизации топливной смеси в ДВС, содержащее размещенные между карбюратором и впускным трубопроводом последовательно по потоку завихритель потока и гомогенизирующий элемент, выполненный в виде перфорированного конуса, обращенного своим основанием к карбюратору (патент СССР 968765, 1973). При прохождении закрученного потока топливовоздушной смеси через перфорированный конус происходит дробление потока на множество мелких струй, имеющих различную ориентацию в пространстве, а также дробление и частичное испарение частиц топлива. В результате происходит формирование мелкокапельной фракции, а также обеспечивается хорошая гомогенизация топливовоздушной смеси по всему сечению воздухопровода.

Недостаток этого устройства заключается в том, что оно не позволяет получить однородную топливовоздушную смесь, имеющую и однородный дисперсный состав жидкой фазы, поскольку перфорированный конус не обеспечивает полного распыления топлива.

Известно также устройство для гомогенизации топливной смеси, взятое в качестве прототипа и содержащее размещенные соосно в воздухопроводе кольцевой активный ультразвуковой вибратор и гомогенизирующий цилиндрический элемент, причем участок внешней поверхности гомогенизирующего элемента, упруго связанный с внутренней излучающей поверхностью активного ультразвукового вибратора выполнен перфорированным и с канавками, расположенными между перфорацией и образующими совместно с внутренней излучающей поверхностью активного ультразвукового вибратора каналы, сообщенные со средствами подачи топлива (патент РФ 2013634, 1994, фиг.5 и 6). При возбуждении в активном ультразвуковом вибраторе колебаний благодаря упругому контакту гомогенизирующий элемент также приходит в колебательное движение. Благодаря различным частотным свойствам активного ультразвукового вибратора и гомогенизирующего элемента в мостах их контакта возникают периодически изменяющиеся в пределах амплитуды механических колебаний зазоры, через которые топливо поступает в воздухопровод в мелкодисперсном виде. При этом обеспечивается однородный дисперсный состав жидкой фазы смеси.

Основным недостатком указанного выше устройства является неоднородное распределение жидкой фазы по сечению воздуховода. Кроме того, размещение активного ультразвукового вибратора (пьезоэлектрического электромеханического преобразователя) непосредственно в канале системы питания ДВС повышает пожароопасность, а следовательно, надежность работы устройства не может быть высокой.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по повышению эффективности работы ДВС путем обеспечения высокой однородности и степени диспергирования всего топлива, а также однородного распределения топлива по сечению качала системы питания ДВС.

Согласно первому варианту поставленная задача решена тем, что в устройстве для гомогенизации топливной смеси, содержащем связанный с ультразвуковым преобразователем перфорированный гомогенизирующий элемент, размещенный перед впускным трубопроводом и соосно соответствующему участку канала трубопровода системы питания двигателя внутреннего сгорания, согласно изобретению гомогенизирующий элемент выполнен в виде полого конуса, вершина которого обращена в сторону впускного трубопровода, на внешней поверхности конуса напротив каждого отверстия перфорации размещена соответствующая пластинка-заслонка, один конец которой жестко закреплен на конусе, при этом каждая пластинка-заслонка выполнена из упругодеформируемого материала и имеет массу и жесткость в направлении, перпендикулярном ее поверхности, обеспечивающую колебания ее свободного конца под действием упругих колебаний, возбуждаемых в конусе с помощью ультразвукового преобразователя, который установлен снаружи трубопровода системы питания и снабжен стержневым вибратором, конец которого жестко соединен с конусом.

Кроме того, поставленная задача решена тем, что каждая пластинка-заслонка выполнена, по крайней мере, с одной продольной прорезью, имеющей длину, меньшую чем длина пластинки-заслонки, и делящей пластинку-заслонку на равные части по ширине.

Согласно второму варианту поставленная задача решена тем, что в устройстве для гомогенизации топливной смеси, содержащем перфорированный гомогенизирующий элемент, размещенный перед впускным трубопроводом и соосно соответствующему участку канала системы питания двигателя внутреннего сгорания, согласно изобретению гомогенизирующий элемент выполнен в виде полого конуса, вершина которого обращена в строну впускного трубопровода, на внешней поверхности конуса напротив каждого отверстия перфорации размещен соответствующий пластинчатый обратный клапан, выполненный в виде пластинки из упругодеформируемого материала, один конец которой жестко закреплен на конусе.

Преимущество предложенного устройства перед известным заключается в том, что за счет выполнения гомогенизирующего элемента в виде полого перфорированного конуса, вершина которого обращена в сторону впускного трубопровода, обеспечивается однородное по сечению канала системы питания ДВС распределение топлива, которое (за счет указанного выше выполнения пластин-заслонок и наличия ультразвукового преобразователя, установленного снаружи трубопровода системы питания ДВС и снабженного стержневым вибратором, конец которого жестко соединен с конусом) имеет высокую степень дисперсности, а также достаточно высокую однородность дисперсного состава.

Аналогично, согласно второму варианту осуществления изобретения тот же технический результат достигается за счет выполнения гомогенизирующего элемента в виде полого перфорированного конуса, вершина которого обращена в строну впускного трубопровода, а также за счет наличия у каждого отверстия перфорации обратного пластинчатого клапана, размещенного на внешней поверхности корпуса и выполненного в виде пластинки из упругодеформированного материала, один конец которой жестко закреплен на конусе.

В дальнейшем изобретение поясняется чертежами и описанием к ним.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для гомогенизации топливной смеси (продольный разрез); на фиг.2 - вариант выполнения пластинки-заслонки (увеличено); на фиг. 3 - сечение по А-А фиг.2; на фиг.4 - другой вариант соединения стержневого вибратора с перфорированным конусом; на фиг.5 - другой вариант выполнения пластинки-заслонки; на фиг.6 - другой вариант выполнения устройства для гомогенизации топливной смеси (продольный разрез); на фиг.7 - пластинчатый обратный клапан (увеличено).

Устройство для гомогенизации топливной смеси содержит размещенный между карбюратором и впускным трубопроводом (на чертеже не показаны) соосно соответствующему участку канала 1 трубопровода 2 системы питания ДВС гомогенизирующий элемент, выполненный в виде полого конуса 3, вершина которого обращена в сторону впускного трубопровода (фиг.1, 4 и 6).

Полый конус 8 выполнен перфорированным, при этом в предпочтительном варианте выполнения устройства отверстия 4 перфорации имеют круглую или овальную форму. Снаружи трубопровода 2 системы питания ДВС закреплен ультразвуковой преобразователь 5, например магнитострикционный. В принципе, могут быть использованы также и пьезоэлектрические и электромагнитные ультразвуковые преобразователи. Ультразвуковой преобразователь 5 снабжен стержневым вибратором 6, конец которого жестко соединен либо с основанием полого перфорированного конуса 3 (фиг.1), либо с его вершиной (фиг.4), в последнем случае основание полого конуса 3 снабжено мембраной 3'. В предпочтительном варианте выполнения устройства стержневой вибратор 6 выполнен с конусообразным или клиновидным концом, который жестко соединен с полым конусом 3. На внешней поверхности полого конуса 3 напротив каждого отверстия 4 перфорации размещена соответствующая пластинка-заслонка 7, один конец которой жестко закреплен на конусе 3 (фиг.1, 2 и 3). Каждая пластинка-заслонка 7 выполнена из упругодеформируемого материала и имеет массу и жесткость в направлении, перпендикулярном ее поверхности, обеспечивающую колебания ее свободного конца под действием упругих колебаний, возбуждаемых в полом конусе 3 с помощью ультразвукового преобразователя 5. Иными словами, необходимо, чтобы собственная частота колебаний пластинки-заслонки 7 была близка или равна частоте упругих колебаний, возбуждаемых ультразвуковым преобразователем 5. Целесообразно, чтобы пластинки-заслонки 7 были закреплены консольно, т.е. в отсутствии внешних силовых воздействий между свободным концом каждой пластинки-заслонки 7 и внешней поверхностью полого конуса 3 был зазор порядка 0,1-0,3 мм (фиг.3), соответствующий их амплитуде колебаний.

С целью увеличения собственной частоты колебаний пластинки-заслонки 7 выполнены с продольными прорезями 8 (по крайней мере одной), имеющими длину, меньшую, чем длина пластинки-заслонки 7, и делящими каждую пластинку-заслонку 7 на равные части (фиг.5) по ширине.

В варианте выполнения устройства, показанном на фиг.6, на внешней поверхности полого конуса 3, основание которого соединено посредством фланцев с трубопроводом 2 системы питания ДВС, напротив каждого отверстия 4 перфорации установлен пластинчатый обратный клапан, выполненный в виде пластинки 9 из упругодеформированного материала, один конец которой жестко закреплен на полом конусе 3.

Устройство для гомогенизации топливной смеси (фиг.1-5) работает следующим образом. Подготовленная, например, с помощью карбюратора топливная смесь (смесь горючего с окислителем, например смесь бензина и воздуха) по каналу 1 трубопровода 2 системы питания ДВС проходит сначала устройство для гомогенизации топливной смеси, а затем направляется в цилиндры ДВС. С помощью ультразвукового преобразователя 5 в стержневом вибраторе 6 возбуждаются продольные колебания на частоте, соответствующей частоте одной из его гармоник (второй или третьей), при этом за счет жесткой связи конца стержневого вибратора 6 с полым конусом 3 в колебательное движение приходят также и закрепленные на его внешней поверхности пластинки-заслонки 7, собственная частота колебаний которых близка или равна частоте колебаний, возбуждаемых в стержневом вибраторе. Для увеличения амплитуды колебаний, передаваемых полому конусу 3, конец стержневого вибратора 6 имеет конусообразную или клиновидную форму. (Здесь следует отметить, что амплитуда колебаний в каждом поперечном сечении обратно пропорциональна соответствующему поперечному размеру стержневого вибратора 6). При прохождении потока топливной смеси через полый перфорированный конус 3 ее капельная фракция при взаимодействии с колеблющимися пластинками-заслонками 7 подвергается распыливанию в направлении, противоположном направлению потока топливной смеси, а сам поток топливной смеси при истечении из отверстий 4 дробится на соответствующее число струй, имеющих различное направление в пространстве. В результате обеспечивается высокая степень диспергирования всего топлива, а также однородность дисперсного состава жидкой фазы, поскольку пластинки-заслонки 7 выполняют, по существу, роль "фильтра", не пропускающего частицы жидкости, имеющие размер, превышающий заданный и зависящий от частоты и амплитуды их колебаний. Взаимодействие же струй топливной смеси, истекающих из отверстий 4 и имеющих различное направление в пространстве, обеспечивает хорошую гомогенизацию топливной смеси по всему ее объему.

Использование пластинок-заслонок 7 с продольными прорезями 8 (фиг.5) позволяет увеличить частоту колебаний их свободных концов, а следовательно, повысить степень диспергирования топлива. Консольное закрепление пластинок-заслонок 7 обеспечивает колебания их концов по гармоническому закону.

Работа устройства для гомогенизации топливной смеси согласно второму варианту (фиг.6 и 7) отличается от описанной выше только тем, что пластинчатые обратные клапаны, расположенные напротив отверстий 4 перфорации полого конуса 8, обеспечивают на фазе впуска, во-первых, модуляцию скорости потока топливной смеси с частотой их автоколебаний, а во-вторых, за счет автоколебаний диспергирование жидкой фазы потока, как описано выше. Действительно, в начале фазы впуска под действием разрежения топливная смесь, преодолевая сопротивление пластинчатых обратных клапанов, проходит через отверстия 4 перфорации полого конуса 8. Это приводит к падению давления в полости конуса 3, и пластинчатые обратные клапаны под действием сил упругости материала пластинок 9 приближаются к отверстиям 4. Однако это приводит вновь к увеличению перепада давления на пластинчатых обратных клапанах, а следовательно, к увеличению зазора между ними и внешней поверхностью полого конуса 3. В результате пластинчатые обратные клапаны переходят в режим автоколебаний.

Устройство для гомогенизации топливной смеси может быть промышленно применимо в различных типах ДВС с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением. Таким же образом можно осуществлять подготовку топлива для дизельных ДВС.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Устройство для гомогенизации топливной смеси содержит связанный с ультразвуковым преобразователем перфорированный гомогенизирующий элемент, размещенный перед впускным трубопроводом и соосно соответствующему участку канала трубопровода системы питания двигателя внутреннего сгорания. Гомогенизирующий элемент выполнен в виде полого конуса, вершина которого обращена в сторону впускного трубопровода. На внешней поверхности конуса напротив каждого отверстия перфорации размещена соответствующая пластинка-заслонка, один конец которой жестко закреплен на конусе. Каждая пластинка-заслонка выполнена из упругодеформируемого материала и имеет массу и жесткость в направлении, перпендикулярном ее поверхностности, обеспечивающую колебания ее свободного конца под действием упругих колебаний, возбуждаемых в конусе с помощью ультразвукового преобразователя. Ультразвуковой преобразователь установлен снаружи трубопровода системы питания и снабжен стержневым вибратором, конец которого жестко соединен с конусом. Раскрыт второй вариант выполнения устройства. Технический результат заключается в повышении эффективности работы двигателя путем обеспечения высокой однородности и степени диспергирования всего топлива и однородного распределения топлива по сечению канала системы питания двигателя. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для гомогенизации топливной смеси, содержащее связанный с ультразвуковым преобразователем перфорированный гомогенизирующий элемент, размещенный перед впускным трубопроводом и соосно соответствующему участку канала трубопровода системы питания двигателя внутреннего сгорания, отличающееся тем, что гомогенизирующий элемент выполнен в виде полого конуса, вершина которого обращена в сторону впускного трубопровода, на внешней поверхности конуса напротив каждого отверстия перфорации размещена соответствующая пластинка-заслонка, один конец которой жестко закреплен на конусе, при этом каждая пластинка-заслонка выполнена из упругодеформируемого материала и имеет массу и жесткость в направлении, перпендикулярном ее поверхности, обеспечивающую колебания ее свободного конца под действием упругих колебаний, возбуждаемых в конусе с помощью ультразвукового преобразователя, который установлен снаружи трубопровода системы питания и снабжен стержневым вибратором, конец которого жестко соединен с конусом. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждая пластинка-заслонка выполнена, по крайней мере, с одной продольной прорезью, имеющей длину, меньшую, чем длина пластинки-заслонки, и делящей пластинку-заслонку на равные части по ширине. 3. Устройство для гомогенизации топливной смеси, содержащее перфорированный гомогенизирующий элемент, размещенный перед впускным трубопроводом и соосно соответствующему участку канала системы питания двигателя внутреннего сгорания, отличающееся тем, что гомогенизирующей момент выполнен в виде полого конуса, вершина которого обращена в сторону впускного трубопровода, на внешней поверхности конуса напротив каждого отверстия перфорации размещен соответствующий пластинчатый обратный клапан, выполненный в виде пластинки из упругодеформируемого материала, один конец которой жестко закреплен на конусе.