СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ ДЛЯ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И КАРБЮРАТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ
METHOD TO PRODUCE FUEL MIX FOR GASOLINE ICE AND CARB TO THIS END

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к приготовлению и подаче топливной смеси в цилиндры бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Известны способы получения и подачи топливной смеси, повышающие эффективность работы ДВС. Так в патенте США №4372275, кл. F02M 17/28 топливную смесь готовят путем барботирования жидкого топлива воздухом, при этом в жидкое топливо нагнетается воздух и пары пропускаются через пористый фильтрующий материал с последовательным уменьшением пор. В патенте RU №2084649, кл. F02B 15/00 предлагается жидкое горючее подавать в цилиндр ДВС в парообразном состоянии. При этом обеспечивается гомогенное горение, благодаря чему повышается КПД двигателя, снижаются вредные выбросы и нагарообразование. В этих случаях дополнительное перемешивание топливной смеси способствует более полному испарению топлива и более равномерному распределению его паров в объеме камеры сгорания, что содействует более полному сгоранию. Однако эффективность этих методов ограничивается действием законов химических реакций в газовой фазе.
По патенту RU №2009339, кл. F02B 47/02 для повышения параметров работы двигателя и снижения токсичности отработанных газов в цилиндр двигателя на такте расширения предлагается впрыскивать заряд воды с распылением в виде тумана через форсунки высокого давления. По патенту RU №2131982, кл. F02B 47/02 готовят водотопливную эмульсию путем смешивания жидкого топлива и озонированной воды. Полученная смесь содержит мельчайшие пузырьки озонированного воздуха, что способствует полноте сгорания топлива, влекущего уменьшение дымности и содержания СО и S в выхлопных газах. По авт. св. SU №1254191, кл. F02B 27/00 в процессе перемешивания жидкого топлива и воды снижают давление топлива до образования кавитационных пузырьков, а затем давление повышают до их схлопывания, при этом улучшается однородность состава смеси. Добавление воды к топливной смеси хотя и имеет положительные результаты, но не получило распространение по следующим основным причинам: снижая выброс с отработанными газами одних вредных веществ (в первую очередь окисла азота), увеличивается выброс других (в первую очередь CO, бенз(а)пирен и др.); ускоряются коррозионные явления, усложняется система двигателя, возможно замораживание воды в холодное время года.
Известен способ повышения стабильности суспензии путем подачи горючей смеси из топлива и воды в диспергатор и диспергирования воздействием на смесь электрическими зарядами (патент RU №2099575, кл. F02M 25/025). Полученная в результате суспензия является более устойчивой, капельки суспензии частично могут сохраняться до начала цикла горения топливного заряда. Однако реализация этого способа требует серьезной конструкторской переработки ДВС и может привести к ряду нежелательных побочных явлений.
Известен способ подачи топлива в ДВС, реализуемый устройством по авт. св. SU №1778348, кл. F02M 29/04, при котором гомогенизацию топлива проводят путем подачи суспензии из жидкого топлива и воздуха на сетки с макро- и микроотверстиями, установленные в карбюраторе после смесительной камеры. Сетки предназначены для дополнительного дробления горючей смеси. Недостаток способа заключается в том, что топливо за время его распыления в карбюраторе до начала горения практически полностью испаряется, в результате чего существенного ускорения и полноты сгорания топливного заряда не происходит.
Наиболее близким техническим решением является способ подачи топлива в цилиндры ДВС, при котором вначале производят двухстадийное вспенивание воздухом присадки, после чего подают ее и топливную смесь в карбюратор на предусмотренную в нем сетку для окончательного вспенивания (WO 03029640, опубл. 10.04.2003 г.). Подача топливной смеси в цилиндры ДВС в виде пены повышает эффективность работы двигателя благодаря более быстрому и полному ее сгоранию. Недостаток способа заключается в том, что вспенивание топливной смеси производится в несколько этапов, для чего в ДВС предусмотрены дополнительные устройства для промежуточных вспениваний, что существенно усложняет как способ приготовления топливной смеси, так и конструкцию устройства.
Техническим результатом изобретения является упрощение способа получения топливной смеси в пенообразном состоянии для подачи ее в цилиндры ДВС.
Технический результат достигается тем, что в способе получения топливной смеси для бензинового двигателя внутреннего сгорания, включающем перемешивание жидкого топлива с воздухом для подачи полученной смеси в цилиндры двигателя, причем перемешивание жидкого топлива с воздухом проводят до образования из них пены, перемешивание жидкого топлива с воздухом до пенообразования осуществляют путем подачи жидкого топлива и воздуха на перфорированную площадку, при этом скорость подачи воздуха составляет 0,8-3,0 м/с.
В качестве пенообразователя могут служить углеродные вещества, имеющиеся в жидком топливе, но для повышения устойчивости пены в жидкое топливо дополнительно могут быть введены пенообразующие вещества в количестве до 0,1% массы топлива.
Способ подготовки горючей смеси заключается в том, что жидкое топливо и воздух со скорость 0,8-3,0 м/с подают на какую-либо перфорированную поверхность - площадку, на которой компоненты смеси, соударяясь друг с другом и с поверхностью, образуют пену. В качестве перфорированной поверхности для соударения можно использовать сетку, пористую со сквозной пористостью пластину, например пористый фильтрующий материал и т.п. Скорость воздуха, равная 0,8-3,0 м/с, обеспечивает образование пены. Уменьшение скорости потока воздуха на перфорированной поверхности возможно лишь за счет существенного ограничения количества подаваемого на эту поверхность воздуха, что нарушит дозирующую функцию карбюратора. Более высокие скорости потока воздуха не способны образовывать пену в данной системе, т.к. превышают критическую скорость пенообразования.
8
38
Как известно, в бензине содержатся углеводородные вещества с углеродной цепочкой от C до С парафинового ряда, олефиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды с различными вариантами изомеров. Указанные вещества с максимально длинной углеродной цепочкой являются пенообразователями мягкого действия и способствуют образованию и устойчивости пен. При необходимости более устойчивых пен в бензин могут быть добавлены более сильные пенообразователи в количестве до 0,1% массы топлива. Такого количества достаточно для получения более устойчивых пен, но не оказывают отрицательного влияния на свойства бензинов.
Полученная пена состоит из пузырьков, представляющих собой трехслойную пленку, где внешний и внутренний слои состоят из высокомолекулярной составляющей бензина (поверхностно-активных веществ), между которыми заключен слой фракций с низким углеродным числом (легкие фракции). Таким образом, в структуре пены наиболее тяжелые фракции бензина с высокой температурой кипения защищают легкие фракции от испарения, что способствует сохранению устойчивости пены в цилиндре двигателя. В камере сгорания под действием возрастающего давления и нагревания от стенок камеры сгорания пена разрушается, образуя капельки топлива, необходимые для обеспечения объемного горения, что обеспечивает наиболее полное и эффективное сгорание топливной смеси.
Известен карбюратор для получения гомогенной смеси жидкого топлива и воздуха, содержащий проточный канал с большим диффузором, на поверхности которого выполнены наклонные пазы, и малым диффузором с топливоподающим каналом - распылителем и прорезями, выполненными на его выходной расширяющейся части (патент RU №2078239, кл. F02M 17/00, 1997 г.). Снабжение большого диффузора наклонными пазами, а малого диффузора прорезями обеспечивает эффективную гомогенизацию смеси и тем самым повышает полноту сгорания смеси.
Данное устройство способствует получению гомогенной топливной смеси, что, как сказано выше, содействует более полному его сгоранию. Однако более высокая эффективность работы ДВС от использования гомогенной смеси ограничивается действием законов химических реакций в газовой фазе. Повышение эффективности работы двигателей внутреннего сгорания предлагается достичь путем образования из составляющих топливной смеси пены. Однако известное устройство не позволяет получить топливную смесь в пенообразном состоянии.
Таким образом, техническим результатом является создание устройства, способствующего получению топливной смеси, содержащей жидкое топливо (бензин) и воздух в виде пены..
Для получения смеси жидкого топлива и воздуха в виде пены в карбюраторе для ДВС, включающем корпус с проточным каналом, имеющим большой диффузор и малый диффузор с распылителем, малый диффузор снабжен воздухоограничительной втулкой, установленной в горловине диффузора с выходом в выходную расширяющуюся часть малого диффузора и имеющей сообщение с распылителем, при этом на выходном диаметре выходной расширяющейся части малого диффузора установлена перфорированная площадка.
На чертеже схематично изображен предлагаемый карбюратор для ДВС.
Карбюратор содержит корпус 1 с проточным каналом 2 и большим диффузором 3. В проточном канале 2 большого диффузора установлен малый диффузор 4. В горловине 5 малого диффузора размещена воздухоограничительная втулка 6 с цилиндрическим каналом 7. Воздухоограничительная втулка 6 предназначена для отбора необходимого количества воздуха, которое обеспечивает пенообразование топливной смеси в карбюраторе, не нарушая его дозирующую функцию. Воздухоограничительная втулка 6 нижним концом выходит в выходную расширяющуюся часть 8 малого диффузора. Распылитель жидкого топлива 9 своим концом выходит в канал 7 воздухоограничительной втулки 6. На выходном диаметре D 10 расширяющейся выходной части 8 малого диффузора смонтирована перфорированная площадка 11. В качестве перфорированной площадки может служить любая пористая со сквозной пористостью пластина, например пористый фильтрующий материал, или сетка, имеющие возможность пропускать через свою перфорацию или пористость топливную смесь и обеспечивать пенообразование.
Стабильное пенообразование из жидкого топлива и воздуха на перфорированной площадке происходит при скорости воздуха на площадке, равной 0,8-3,0 м/сек. Зная выходной диаметр D выходной расширяющейся части малого диффузора, диаметр канала d воздухоограничительной втулки 6, которая установлена в малом диффузоре с возможностью осевого перемещения, может быть рассчитан или определен опытным путем для получения указанной скорости воздуха на перфорированной площадке. Так, например, в автомобиле «Москвич» 2141 для получения необходимой скорости воздуха для пенообразования диаметр канала d воздухоограничительной втулки, установленной в малом диффузоре карбюратора, имеющем выходной диаметр D=12 мм, должен быть равен d=3,5 мм, при этом диаметр перфорированной площадки должен быть равен выходному диаметру малого диффузора. Обычно, скорость воздуха в малом диффузоре серийного карбюратора без воздухоотборной втулки и перфорированной площадки составляет более 50 м/с, что значительно превышает критическую скорость пенообразования.
Для выравнивания скорости топливной смеси, после прохождения через перфорированную площадку, до скорости, при которой горючая смесь должна поступать в цилиндры двигателя, на выходной расширяющейся части малого диффузора установлена насадка 12, выполненная в виде конической втулки. При этом насадка установлена большим основанием в сторону выходной части малого диффузора.
Устройство работает следующим образом. При подаче воздуха в проточный канал 2 незначительная часть его отбирается воздухоограничительной втулкой 6. Из воздухоограничительной втулки воздух вместе с жидким топливом, поступающим в канал воздухоограничительной втулки из распылителя 9, попадает на перфорированную площадку 11, установленную в выходной части малого диффузора. Воздух вместе с жидким топливом, выходя из канала воздухоограничительной втулки, за счет увеличения площади сечения в сторону перфорированной площадки резко снижает скорость и у поверхности площадки она становится равной 0,8-3,0 м/с. От соударения струй жидкого топлива и воздуха на перфорированной площадке при вышеназванной скорости происходит образование пены. Полученная пена, проходя через перфорацию перфорированной площадки, поступает в цилиндры ДВС.
Данный карбюратор может быть использован как при непрерывной системе впрыска, так и при дискретной ижекторной системе подачи топлива, за исключением систем с непосредственным впрыском топлива в цилиндры, которые в настоящее время не получили широкого применения в бензиновых двигателях.
х
у
х
у
0
Были проведены испытания способа и карбюратора для осуществления способа при эксплуатации автомобиля «Москвич» 2141. В карбюратор устанавливали воздухоограничительную втулку с диаметром канала, равным d=3,5 мм. Общий диаметр сетки был равен выходному диаметру малого диффузора и равнялся D=12 мм. В процессе эксплуатации измеряли средний расход бензина на 100 км пути и содержание СО и СН в отходящих газах до установки воздухоограничительной втулки и насадки и после их установки. Испытания показали, что расход бензина сократился на 6,0%, содержание СО и СН в отходящих газах на ~21,0% на режимах нормальной и повышенной нагрузках (n=2000-3000 об/мин) и показатели практически не изменились на режиме холостого хода.