СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОЗДУШНО-ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ Российский патент 2006 года по МПК F02M27/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способам обработки ультразвуком воздушно-топливной горючей смеси, используемой в двигателях внутреннего сгорания.

Уровень техники

Известен способ обработки воздушно-топливной смеси ультразвуковым излучением, которое измельчает капельки топлива и способствует их испарению, см., например, патент US 4665877, опубл. 20.01.1990. Ультразвуковой излучатель устанавливают в трубке соединяющей инжектор с цилиндром двигателя внутреннего сгорания. Известен также способ, предусматривающий использование ультразвукового излучателя, устанавливаемого непосредственно в цилиндре, см. патент US 6450154, опубл. 17.09.2002.

Недостатком этих известных технических решений является то, что они не предусматривают использование ультразвукового излучения с различными частотами, что не позволяет одинаково эффективно измельчать капли топлива, имеющие различные размеры, и, соответственно, различные резонансные частоты, при которых разрушение капель происходит излучением с наименьшей мощностью.

Известен также способ обработки воздушно-топливной смеси ультразвуковым излучением, см. патент US 6732720, опубл. 11.05.2004. Этот способ предусматривает выбор частоты ультразвукового излучения в зависимости от вида используемого топлива. Этот способ также предусматривает одновременное использование ультразвуковых излучений с различными частотами.

Недостатком этого способа является использование излучения с дискретными частотами. Поскольку каждая из частот является резонансной, следовательно наиболее эффективной, для капель топлива определенного размера, то будет производиться измельчение капель только определенных размеров или потребует использования излучения повышенной мощности.

Известен способ обработки воздушно-топливной смеси ультразвуковым излучением, см. патент US 4563993, опубл. 14.01.1986. Этот способ предусматривает периодическое изменение частоты ультразвукового излучения в течение облучения одних и тех же капель топлива. Этот известный способ является ближайшим аналогом (прототипом) заявленного изобретения.

Недостатком этого известного способа является использование некоторого количества, а именно двух дискретных частот. Поскольку, как уже говорилось в отношении предыдущего известного способа, каждая из частот является резонансной для капель топлива определенного размера, то для разрушения капель, имеющих другой размер, потребуется использование излучения повышенной мощности.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на обеспечение полной сгораемости воздушно-топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания.

Техническим результатом использования изобретения является разрушение капель топлива, размер которых превышает заданный, и испарение капель, размер которых меньше заданного, при минимальной мощности ультразвукового излучения.

Указанный технический результат достигается при использовании способа обработки воздушно-топливной смеси, включающего ее облучение ультразвуковым излучением перед сжиганием в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с периодическим изменением частоты излучения, согласно изобретению частоту излучения изменяют во всем диапазоне резонансных частот капель топлива, диаметр которых превышает величину, при которой обеспечивается испарение капли топлива без ее разрушения. Частоту излучения изменяют непрерывно, облучают воздушно-бензиновую смесь и изменяют частоту излучения в диапазоне резонансных частот капель бензина, диаметр которых превышает 0,015 мм. Изменяют частоту излучения в диапазоне от 20 кГц до 2 МГц. Изменяют частоту излучения дискретно, с интервалом между соседними дискретными значениями от 1 кГц до 4 кГц. Непрерывно изменяют частоту излучения от самой низкой частоты до самой высокой, а от самой высокой частоты до самой низкой частоты излучения изменяют скачком, самая низкая частота излучения выбирается в диапазоне от 20 кГц до 500 МГц, а самая высокая частота - в диапазоне от 200 кГц до 2 МГц. Непрерывно изменяют частоту излучения от 200 кГц до 1МГц, а от 1 МГц до 200 кГц частоту излучения изменяют скачком, период изменения частоты излучения устанавливают в пределах от 0,5 мс до 1,5 мс. Для разрушения капель топлива используют наряду с первой и вторую гармонику ультразвукового излучения, непрерывно изменяют частоту излучения от 200 кГц до 0,5 МГц, а от 0,5 МГц до 200 кГц частоту изменяют скачком, облучают воздушно-топливную смесь с момента ее впрыскивания в цилиндр и до достижения значительной компрессии, а интервал времени облучения регулируют в соответствии с интервалом между двумя впрыскиваниями, облучают воздушно-топливную смесь до момента ее впрыскивания в цилиндр.

Резонансная частота капли жидкости (топлива) определяется предварительно расчетным путем, исходя из ее размеров (как правило, диаметра) и физическими свойствами жидкости, а более точно экспериментально. При совпадении частоты излучения с резонансной частотой капли, разрушение капли можно достигнуть с наименьшей мощностью излучения. Величина диапазона резонансных частот капель топлива с диаметром, большим величины, при которой обеспечивается испарение капли топлива без ее разрушения, превышает, по крайней мере, 20 кГц. Дискретное изменение потребует несколько большую мощность излучения, соответственно, в 1,5-3 раза, для разрушения капель топлива с резонансной частотой, находящейся в промежутке между дискретными значениями частоты излучения. С другой стороны, период повторения облучения одной и той же порции воздушно-топливной смеси можно уменьшить в несколько раз. Тем самым будет увеличена надежность испарения всех капель.

Расчетным путем нетрудно определить, что верхний предел диапазона частот может быть установлен около 1 МГц, что подтверждается экспериментальными результатами. Нижний предел диапазона частот определяется, в частности, наибольшим размером капли топлива в воздушно-топливной смеси, образованной карбюратором или инжектором. Как правило, он не превышает 0,3 мм, что примерно соответствует резонансной частоте 20 кГц.

В данном способе могут изменять частоту излучения в диапазоне от 20 кГц до 2 МГц. Экспериментально обнаружено, что этот диапазон в большинстве случаев перекрывает диапазон резонансных частот, указанный выше для различных видов топлива.

Дополнительно в качестве резонансной частоты можно использовать вторую гармонику ультразвукового излучения. В этом случае самую высокую частоту первой гармоники можно уменьшить в два раза.

На чертеже, поясняющем изобретение, представлен график изменения частоты ультразвукового излучения.

Осуществление изобретения

Заявленный способ обработки воздушно-топливной смеси может быть реализован посредством устройства, включающего генератор высокой частоты и ультразвуковой излучатель. Генератор представляет собой блок размером 200×200×50 мм с крепежными отверстиями, позволяющими крепить его в автомобиле. Генератор подключается к аккумулятору автомобиля и соединен кабелем с ультразвуковым излучателем. Генератор снабжен светодиодным индикатором его работы и плавким предохранителем. Мощность потребления генератора от бортовой сети - 200 Вт. Генерируемая частота изменяется 1000 раз в секунду от 200 кГц до 1 МГц. Соответственно изменяется частота ультразвукового излучения. Мощность ультразвукового излучения - 40 Вт.

В результате использования инжектора получают воздушно бензиновую смесь с каплями бензина диаметром от 0,15 мм до 0,015 мм, которые имеют расчетные резонансные частоты от 200000 Гц до 1000000 Гц и разрушаются при указанной мощности излучения. Это полностью согласуется с полученными экспериментальными результатами. Если использовать вторые гармоники излучения, то диапазон изменения частоты может быть уменьшен в два раза от 200000 Гц до 500000 Гц, но мощность излучения должна быть увеличена в три раза.

Непрерывное изменение частоты излучения, как это показано на чертеже, обеспечивает разрушение всех капель диаметром от 0,15 мм до 0,015 мм. Многократное облучение капель топлива изменяющимся по частоте излучением обеспечивает последующее разрушение капель топлива, образовавшихся в результате разрушения более крупной капли.

При облучении звуковой волной капель топлива их поверхность принимает форму, отличную от сферической. Это приводит к увеличению поверхности испарения и, следовательно, более быстрому испарению капли. Кроме того, ультразвуковые волны интенсивно перемешивают воздушно-топливную смесь, что снижает парциальное давление испарившегося топлива на границе капли и увеличивает скорость испарения капли. Все эти процессы, происходящие в воздушно-топливной смеси при ее облучении ультразвуковым излучением, обеспечивают испарение, по крайней мере, тех капель, размер которых не превосходит 0,015 мм.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам обработки воздушно-топливной смеси. Изобретение позволяет обеспечить полное сгорание воздушно-топливной смеси. В способе обработки воздушно-топливной смеси воздушно-топливную смесь облучают ультразвуковым излучением перед сжиганием в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с периодическим изменением частоты излучения. Частоту излучения изменяют во всем диапазоне резонансных частот капель топлива, диаметр которых превышает величину, при которой обеспечивается испарение капли топлива без ее разрушения. Облучают воздушно-бензиновую смесь и изменяют частоту излучения в диапазоне в диапазоне резонансных частот капель бензина, диаметр которых превышает 0,015 мм. Изменяют частоту излучения в диапазоне от 20 кГц до 2 МГц. Изменяют частоту излучения дискретно, с интервалом между соседними дискретными значениями от 1 кГц до 4 кГц. Непрерывно изменяют частоту излучения от самой низкой частоты до самой высокой, а от самой высокой частоты до самой низкой частоту излучения изменяют скачком. Самая низкая частота излучения выбирается в диапазоне от 20 кГц до 500 МГц, а самая высокая частота - в диапазоне от 200 кГц до 2 МГц. Непрерывно изменяют частоту излучения от 200 кГц до 1 МГц, а от 1 МГц до 200 кГц частоту излучения изменяют скачком. Период изменения частоты излучения устанавливают в пределах от 0,5 мс до 1,5 мс. Для разрушения капель топлива используют наряду с первой и вторую гармонику ультразвукового излучения. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обработки воздушно-топливной смеси, включающий облучение ультразвуковым излучением перед сжиганием в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с периодическим изменением частоты излучения, отличающийся тем, что частоту излучения изменяют во всем диапазоне резонансных частот капель топлива, диаметр которых превышает величину, при которой обеспечивается испарение капли топлива без ее разрушения.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту излучения изменяют непрерывно.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучают воздушно-бензиновую смесь и изменяют частоту излучения в диапазоне резонансных частот капель бензина, диаметр которых превышает 0,015 мм.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменяют частоту излучения в диапазоне от 20 кГц до 2 МГц.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что изменяют частоту излучения дискретно, с интервалом между соседними дискретными значениями от 1 до 4 кГц.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрерывно изменяют частоту излучения от самой низкой частоты до самой высокой, а от самой высокой частоты до самой низкой частоту излучения изменяют скачком.7. Способ по п.6, отличающийся тем, что самая низкая частота излучения выбирается в диапазоне от 20 кГц до 500 МГц, а самая высокая частота - в диапазоне от 200 кГц до 2 МГц.8. Способ по п.7, отличающийся тем, что непрерывно изменяют частоту излучения от 200 кГц до 1МГц, а от 1 МГц до 200 кГц частоту излучения изменяют скачком.9. Способ по п.7, отличающийся тем, что период изменения частоты излучения устанавливают в пределах от 0,5 до 1,5 мс.10. Способ по п.1, отличающийся тем, что для разрушения капель топлива используют наряду с первой и вторую гармонику ультразвукового излучения.11. Способ по п.10, отличающийся тем, что непрерывно изменяют частоту излучения от 200 кГц до 0,5 МГц, а от 0,5 МГц до 200 кГц частоту изменяют скачком.12. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучают воздушно-топливную смесь с момента ее впрыскивания в цилиндр и до достижения значительной компрессии, а интервал времени облучения регулируют в соответствии с интервалом между двумя впрыскиваниями.13. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучают воздушно-топливную смесь до момента ее впрыскивания в цилиндр.