СТРУЙНО-ВИХРЕВОЙ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ
SWIRLED JET AIR-FUEL MIXER

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам для приготовления топливовоздушной смеси в инжекторном двигателе внутреннего сгорания (ДВС).
Известно устройство приготовления топливовоздушной смеси (ТВС) для инжекторных двигателей внутреннего сгорания (патент РФ на полезную модель №58382, В01F 13/02, 27.11.06 г.). Устройство содержит впускной коллектор, состоящий из нескольких цилиндрических трубопроводов по числу камер сгорания ДВС, и блок инжекторных форсунок, вставленных в рабочие отверстия этих трубопроводов, вихревые смесители топливовоздушной смеси, аэродинамически и конструктивно соединенные с атмосферой и с рабочими отверстиями этих трубопроводов впускного коллектора, размещенные непосредственно в зоне инжекторных форсунок и содержащие корпусы с кольцевыми смесительными камерами, размещенными непосредственно в корпусах вихревых смесителей коаксиально и внешне по отношению к их рабочим отверстиям, и выходные вихревые полые форсунки, вставленные плотно в корпусы вихревых смесителей, причем в качестве корпусов упомянутых вихревых смесителей использованы непосредственно сами внутренние расточные поверхности этих трубопроводов впускного коллектора, в которых плотно размещены кольцевые вихревые форсунки, с размерами и толщиной их стенок, достаточными для образования между внутренней расточенной внутренней поверхностью каждого из трубопроводов и внешней поверхностью каждой кольцевой вихревой форсунки упомянутых кольцевых смесительных камер, причем упомянутые трубопроводы соединены с атмосферой дополнительными боковыми отверстиями в их корпусах, тангенциальными к внутренним поверхностям этих кольцевых смесительных камер, причем диаметры рабочих отверстий вихревых форсунок одинаковы.
Недостатком данного устройства являются низкие динамические параметры движущихся потоков воздуха (окислителя) и топлива, недостаточная эффективность собственно вихревого смесителя (вихревой камеры), что не позволяет в полной мере обеспечивать высокое качество смешивания, приводящее к недостаточной степени сгорания топливовоздушной смеси, перерасходу топлива и повышенной концентрации токсичных веществ в выхлопных газах.
Известен вихревой смеситель (гомогенизатор) топливовоздушной смеси (ТВС) для инжекторных двигателей внутреннего сгорания Дудышева В.Д. (Дудышев В.Д. «Вихревые смесители (гомогенизаторы) топливовоздушной смеси для экономии бензина в инжекторных двигателях внутреннего сгорания, http: // www.ntpo.com./techno/techno23/23.shtml), принятый за прототип. В вихревом смесителе, рассмотренном в данной статье, развиты основные положения, заложенные в предыдущем устройстве, т.к. вихревой принцип смешения топливного и воздушного потоков неоспоримо приводит к более качественному и экономичному сгоранию топливовоздушной смеси, снижению токсичных выбросов в атмосферу.
Вихревой смеситель ТВС выполнен в виде вихревого смесителя компонентов топливной смеси (вихревой камеры), конструктивно совмещенного с впускным коллектором посредством его размещения внутри выходного отверстия впускного коллектора и плотного консольного закрепления части внешнего цилиндрического корпуса смесителя внутри него, причем наружная поверхность цилиндра этого вихревого смесителя имеет сквозную проточку от консоли по всей длине вихревого смесителя с диаметром проточки, меньшим диаметра внутреннего отверстия этого коллектора на величину, достаточную для образования цилиндрической полуоткрытой смесительной камеры между ней и и внутренней поверхностью впускного коллектора, причем внутренняя поверхность вихревого смесителя выполнена в виде модернизированного (упрощенного) сопла Лаваля с двумя усеченными конусами, развернутыми малыми отверстиями друг к другу, и цилиндрической проточкой между ними, в которой по периметру размещены наклонные отверстия в корпусе этого смесителя, тангенциально соединяющие через равные углы эту внутреннюю цилиндрическую полость в сопле Лаваля с упомянутой цилиндрической внешней полуоткрытой смесительной камерой, причем в корпусе впускного коллектора имеются дополнительные отверстия в зоне размещения смесителя, соединяющие упомянутую полуоткрытую смесительную камеру с атмосферным воздухом, причем выходной конус сопла Лаваля внутри вихревого смесителя имеет диаметр, равный диаметру отверстия впускного коллектора, а сумма диаметра входного конуса сопла Лаваля и двух высот полуоткрытой смесительной камеры также равна величине диаметра проходного отверстия впускного коллектора, причем диаметры и углы наклона всех этих отверстий во впускном коллекторе и вихревом смесителе, а также размеры отверстий и углы наклона всех этих отверстий и углы наклона конусов в модернизированном сопле Лаваля взаимосвязаны и выбираются из условия создания этим устройством вихревых потоков с направлением и скоростью, достаточными для получения на выходе гомогенизатора топливовоздушной смеси наилучшего качества.
Недостатком прототипа является низкая динамика воздушного и топливного потоков и, как следствие, низкая стабильность и качество перемешивания компонентов.
Предлагаемым изобретением решается задача: повышение эффективности и качества приготовления топливовоздушной смеси в инжекторном ДВС.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении динамических параметров движущихся потоков воздуха (окислителя) и топлива за счет повышения эффективности вихревой камеры, позволяющей получить высокое качество смешивания топливовоздушной смеси, высокую степень полноты ее сгорания, исключить перерасход топлива и повышенную концентрацию токсичных веществ в выхлопных газах.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом струйно-вихревом топливовоздушном смесителе, состоящем из впускного коллектора с внутренним отверстием, топливного инжектора, вихревой камеры, совмещенной с впускным коллектором, с внутренней поверхностью в виде модернизированного сопла Лаваля с двумя усеченными конусами, развернутыми малыми отверстиями друг к другу, и цилиндрической проточкой между ними, в которой по периметру размещены тангенциальные наклонные отверстия, и наружной поверхностью, образующей с внутренней поверхностью впускного коллектора полуоткрытую цилиндрическую смесительную камеру, причем в корпусе впускного коллектора имеются дополнительные отверстия в зоне размещения вихревой камеры, новым является то, что на входе в модернизированное сопло Лаваля установлен насадок с внутренней поверхностью, образованной коническим или коноидальным соплом и диффузором (диффузорный насадок), больший диаметр конического или коноидального сопла равен диаметру внутреннего отверстия впускного коллектора, наружная поверхность насадка и внутренняя поверхность впускного коллектора образуют дополнительную кольцевую смесительную камеру, на входе в насадок по периметру выполнены периферийные отверстия, параллельные оси смесителя, модернизированное сопло Лаваля на выходе оснащено дополнительным участком с цилиндрическим внутренним сечением.
На входе в модернизированное сопло Лаваля может быть установлена система насадок, связанных с воздушным и топливным трактом, с образованием трехвходовой камеры смешения на входе в сопло Лаваля.
Топливный инжектор может быть установлен с возможностью тангенциальной подачи топлива.
На выходе смесителя может быть установлена перфорированная решетка.
Установка на входе в модернизированное сопло Лаваля насадка с внутренней поверхностью, образованной коническим или коноидальным соплом и диффузором (диффузорный насадок), входной диаметр которого равен диаметру внутреннего отверстия впускного коллектора, позволяет:
- во-первых, инициировать поступление атмосферного воздуха из воздушного фильтра и ресивера во впускной коллектор с увеличенной скоростью и расходом;
- во-вторых, осуществить процесс эжектирования окислителя (воздуха) во впускной коллектор, что повышает качество смешения потоков и дальнейшего сгорания топлива;
- в-третьих, организовать первоначальный скачок давления при переходе воздушного потока из узкого места насадка в диффузор, сопровождающийся увеличением температуры потока;
- в-четвертых, интенсифицировать эффект «подхватывания и вовлечения» топливного потока из инжектора в воздушный поток на входе в модернизированное сопло Лаваля с дальнейшим полновесным смешиванием потоков;
- в-пятых, сформировать критический режим смешивания воздушного и топливного потоков, сопровождающийся нагревом смеси до перехода ее в двухфазное состояние уже на первоначальном этапе.
Образование между наружной поверхностью насадка и внутренней поверхностью впускного коллектора дополнительной кольцевой смесительной камеры позволяет:
- во-первых, сформировать эффективный процесс вовлечения топливного потока во вращательный процесс от частично поступающего на вход модернизированного сопла Лаваля вращающегося воздушного потока из дополнительных отверстий, расположенных в зоне вихревой камеры, и, таким образом, начать процесс смешивания на более раннем этапе движения потоков во впускном коллекторе;
- во-вторых, получить дополнительный нагрев смешиваемых потоков воздуха и топлива;
- в-третьих, получить дополнительную область смешивания и нагрева топливовоздушного потока, тем самым повышая качество процесса.
Выполнение на входе в насадок по периметру периферийных отверстий, параллельных оси смесителя, позволяет:
- во-первых, осуществить поступление воздушного потока в дополнительную кольцевую камеру;
- во-вторых, исключить появление застойной зоны в дополнительной кольцевой камере;
- в-третьих, осуществлять процесс смешивания воздуха и топлива с самого начала их продвижения во впускном коллекторе при одновременном вовлечении их во вращение от поступающего через периферийные отверстия воздуха.
Оснащение модернизированного сопла Лаваля на выходе дополнительным участком с цилиндрическим внутренним сечением позволяет:
- во-первых, получить дополнительный прирост давления топливовоздушной смеси, сопровождающийся ростом ее температуры;
- во-вторых, увеличить степень дисперсизации ТВС перед подачей ее в камеру сгорания.
Установка на входе в модернизированное сопло Лаваля системы насадок, связанных с воздушным и топливным трактом, с образованием трехвходовой камеры смешения на входе в сопло Лаваля позволяет:
- во-первых, сформировать более организованный обмен как тепловой, так и кинетической энергией между поступающими топливным и воздушным потоками;
- во-вторых, получить за счет этого более качественную топливовоздушную смесь;
- в-третьих, добиться снижения потребления топлива за счет упорядоченного смешения потоков при более высокой эффективности процесса;
- в-четвертых, получать топливовоздушную смесь с оптимальным соотношением топлива и окислителя (воздуха) перед подачей в камеру сгорания.
Установка топливного инжектора с возможностью тангенциальной подачи топлива позволяет:
- во-первых, получить полноценный вихревой (вращающийся) поток топлива;
- во-вторых, активизировать за счет этого процесс смешения и получить все преимущества получаемой топливовоздушной смеси, указанные выше.
Установка на выходе смесителя перфорированной решетки позволяет:
- во-первых, дополнительно дросселировать поток топливовоздушной смеси: разгонять его, а затем тормозить до получения однородной парогазовой смеси;
- во-вторых, повысить температуру топливовоздушной смеси с одновременным получением высоких качественных показателей, способствующих полному сгоранию.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема струйно-вихревого топливовоздушного смесителя; на фиг.2 - схема струйно-вихревого топливовоздушного смесителя, оснащенного системой насадок; на фиг.3 - схема тангенциальной установки топливного инжектора; на фиг.4 - схема струйно-вихревого топливовоздушного смесителя с перфорированной решеткой на выходе.
Струйно-вихревой топливовоздушный смеситель, совмещенный с впускным коллектором инжекторного ДВС, содержит впускной коллектор 1 с внутренним отверстием 2, вихревую камеру 3, образованную цилиндрическим корпусом 4 с установочной консолью 5, плотно вставленной в отверстие 2, и внутренним отверстием в виде упрощенного сопла Лаваля 6, имеющего входной конус 7, выходной конус 8 и соединяющий их цилиндр 9, соединенный наклонными отверстиями 10 с полуоткрытой цилиндрической смесительной камерой 11, ограниченной стенкой внутреннего отверстия 2 впускного коллектора 1, наружной поверхностью корпуса 4 и торцевой поверхностью консоли 5. Выходной конус 8 переходит в дополнительный цилиндрический участок 12, образованный внутренним отверстием 2 коллектора 1. Во впускном коллекторе 1 размещены топливный инжектор 13 и штуцера 14 и 15, расположенные ближе к открытому краю смесительной камеры 11 и соединенные с атмосферой. Штуцера 14 и 15 размещены тангенциально относительно внутренней поверхности коллектора 1. На входе в модернизированное сопло Лаваля 6 установлен насадок 16 с внутренней поверхностью, образованной коническим 17 или коноидальным соплом и диффузором 18 (диффузорный насадок), причем больший диаметр которого равен диаметру внутреннего отверстия 2 впускного коллектора 1. Наружная поверхность насадка 16 и внутренняя поверхность впускного коллектора 1 образуют дополнительную кольцевую смесительную камеру 19. На входе в насадок 16 по периметру размещены периферийные отверстия 20, параллельные оси смесителя.
В варианте исполнения на входе в упрощенное сопло Лаваля может быть установлена система насадок, связанных как с воздушным, так и с топливным трактом, с образованием трехвходовой камеры смешения на входе в сопло Лаваля. Для этого на входе во впускной коллектор 1 установлен диффузорный насадок 21 меньшего диаметра по сравнению с предыдущей схемой, оснащенный аналогичными периферийными отверстиями 20. Ближе к топливному инжектору 13 размещен дополнительный насадок 22 большего диаметра, что позволяет сформировать на входе в упрощенное сопло Лаваля 6 трехвходовую камеру смешения 23.
Топливный инжектор 13 может быть установлен тангенциально относительно стенки внутреннего отверстия 2 впускного коллектора 1.
На выходе смесителя может быть установлена перфорированная решетка 24.
Струйно-вихревой топливовоздушный смеситель работает следующим образом. Во внутреннее отверстие 2 впускного коллектора 1 инжекторного ДВС подается воздух В1 из атмосферы через воздушный фильтр и ресивер (на чертежах не показаны). Далее воздух В1 движется через насадок 16 с внутренней поверхностью, образованной коническим 17 или коноидальным соплом и диффузором 18 (диффузорный насадок). Комбинация сопла и диффузора влечет за собой снижение давления в узком месте насадка, а следовательно, увеличение скорости и расхода воздуха при увеличении его температуры. Другая часть воздуха В2 через периферийные отверстия 20, параллельные оси смесителя, поступает в дополнительную кольцевую смесительную камеру 19, в которую одновременно поступает топливо Т1 из топливного инжектора 13. Через тангенциальные штуцера 14 и 15 подается дополнительный воздух из атмосферы В3, который закручивается в полуоткрытой цилиндрической смесительной камере 11. Топливо Т1, воздух В2 и В3 вращаются в камере 11 и на выходе камеры 19, перемешиваясь между собой до получения топливовоздушной смеси ТВС1, которая с уже повышенной температурой, вращаясь, устремляется вдоль входного конуса 7 сопла Лаваля 6, где подхватывается потоком из насадка 16, также смешиваясь с ним до получения топливовоздушной смеси ТВС2, имеющей еще более высокую температуру и глубину смешения. Таким образом, во внутреннем цилиндре 9 оказывается уже достаточно хорошо подготовленная смесь топлива и воздуха, подвергнутая скачкообразному изменению давления, которая на данном участке смешивается с топливовоздушной смесью, поступающей через наклонные тангенциальные каналы 10, работающие как вихревая форсунка. Процесс вихреобразования во внутреннем цилиндре 9 протекает при высокой скорости центрального потока и низком давлении и сопровождается вскипанием топливной составляющей топливовоздушной смеси ТВС3. Далее при переходе топливовоздушной смеси в выходной конус (диффузор) 8 осуществляется второй скачок давления, приводящий к ее нагреву и дисперсизации и получению высококачественного потока топливовоздушной смеси ТВС4. На выходе диффузора 8 устанавливается давление, превышающее давление на входе в модернизированное сопло Лаваля 6. На дополнительном цилиндрическом участке 12 достигается дополнительный прирост давления, сопровождающийся дальнейшим ростом температуры топливовоздушной смеси ТВС5. Таким образом, в результате многоступенчатого вихревого перемешивания топлива и воздуха, формирования пульсирующего процесса изменения давления и в конечном итоге его повышения на выход смесителя поступает высококачественная, однородная, двухфазная, высокотемпературная топливовоздушная смесь ТВС5, готовая к применению в камере сгорания инжекторного ДВС. Кроме того, за счет калибровки насадков 21 и 22 оптимизируется соотношение топливного и воздушного потоков.
В варианте исполнения струйно-вихревого топливовоздушного смесителя с системой насадок, связанных как с воздушным, так и с топливным трактом, поток атмосферного воздуха В1 перемещается внутри диффузорного насадка 21, а поток В2 через периферийные отверстия 20 поступает в зазор между внешней поверхностью насадка 21 меньшего диаметра и внутренней поверхностью дополнительного насадка 22 большего диаметра. Это позволяет сформировать на входе в модернизированное сопло Лаваля 6 трехвходовую камеру смешения 23. В данном случае повышаются динамические характеристики воздушного и топливного потоков, что является важной предпосылкой для дальнейшего эффективного смешивания топлива и воздуха в модернизированном сопле Лаваля 6, что в конечном итоге приводит к повышению экономичности ДВС.
При тангенциальной установке топливного инжектора 13 относительно стенки внутреннего отверстия 2 впускного коллектора 1 поступающее топливо закручивается в дополнительной кольцевой смесительной камере 19, что приводит к интенсификации процесса смешения топлива и воздуха и их дополнительному нагреву за счет появления дополнительной центробежной составляющей.
При установке на выходе смесителя перфорированной решетки 24 происходит дополнительный нагрев и дисперсизация топливовоздушного потока.
Таким образом, в струйно-вихревом топливовоздушном смесителе осуществлен процесс приготовления высококачественной ТВС за счет повышения динамических параметров движущихся потоков воздуха (окислителя) и топлива за счет повышения эффективности вихревой камеры, позволяющей получить высокое качество смешивания топливовоздушной смеси, высокую степень полноты ее сгорания, исключить перерасход топлива и повышенную концентрацию токсичных веществ в выхлопных газах.