НАСАДОК-ГОМОГЕНИЗАТОР НА ГАЗОВУЮ ФОРСУНКУ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Модель представляет собой устройство для гомогенизации газовоздушной смеси для двигателей внутреннего сгорания, способствующее более полному сгоранию топлива.
Известно гомогенизирующее устройство для карбюраторных двигателей - патент RU №94037898 [дата подачи заявки 31.10.1994 г., дата опубликования 20.08.1996 г.] МПК F02M 29/00, представляющее собой, установленный в распределительном коллекторе цилиндрический корпус, на выходном торце которого закреплена ось с обтекателем, на которой свободно насажена многолопастная крыльчатка.
Недостатком данного устройства является повышение сопротивления для впуска топливовоздушной смеси в цилиндры ДВС.
Известно гомогенизирующее устройство для карбюраторных двигателей - патент JP 19810168522 [дата подачи заявки 21.12.1981 г. дата опубликования 01.07.1982 г.] МПК F02M 29/06, представляющее собой, вихревую камеру, установленную между карбюратором и ДВС. За счет тангенциального вихря, образующегося в камере, частицы топлива и воздуха лучше смешиваются, образуя более однородную смесь.
Однако, при неоспоримых достоинствах устройства, недостатком данного устройства является повышение сопротивления движению воздуха во впускном коллекторе ДВС.
Наиболее близким по технической сущности аналогом заявляемой полезной модели (прототипом) является насадок-гомогенизатор на газовую форсунку - свидетельство на полезную модель RU №121307 [дата подачи заявки 26.04.2012 г., дата опубликования 20.10.2012 г.] МПК F02M 29/06, устанавливающийся на сопло газовой форсунки, состоящий из корпуса и эллиптического отражателя, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде конического расходящегося насадка.
Недостатком данного устройства является невозможность точного направления струй газового топлива для формирования необходимых зон турбулентного возмущения.
Целью полезной модели является улучшение эксплуатационных показателей ДВС путем создания гомогенной газовоздушной смеси, подаваемой в цилиндры ДВС, за счет придания впрыскиваемому в воздушный поток газовому топливу турбулентного возмущения, без увеличения сопротивления во впускном коллекторе ДВС.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Насадок-гомогенизатор на газовую форсунку, состоящий из корпуса и эллиптического отражателя, устанавливаемый на сопло газовой форсунки, отличающийся тем, что отражатель представляет собой раскрытый на угол γ эллипсоид, имеющий фокусные окружности F1-F1 и F2-F2, для формирования турбулентного возмущения газовых струй в конструкции используется оптическое свойство эллипса, в сопле газовой форсунки установлен направляющий элемент, кромка которого совпадает с первой фокусной окружностью раскрытого эллипсоида, изменение угла γ позволяет реализовать возможность выбора параметров турбулентного возмущения впрыскиваемому газовому топливу.
Повысить однородность подаваемой в цилиндры двигателя газовоздушной смеси можно в специальном устройстве - насадке-гомогенизаторе, устанавливаемом на газовую форсунку. Это устройство не создает сопротивления на впуске, придает турбулентное возмущение потоку газового топлива и, как следствие, повышает однородность газовоздушной смеси. Насадок может устанавливаться на форсунку как при внешнем, так и при внутреннем смесеобразовании.
1
1
2
2
1
1
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан насадок-гомогенизатор, установленный на сопло газовой форсунки в головке блока двигателя 1, конструктивно представляющий собой раскрытый на угол γ эллипсоид, имеющий фокусные окружности F-F и F-F и эллиптическую отражающую поверхность 3. Направляющий элемент 2 располагается в сопле газовой форсунки так, что его кромка совпадает с фокусной окружностью F-F. Насадок-гомогенизатор формирует конус OAA истечения газовых струй из форсунки высотой h и радиусом основания r между головкой блока двигателя 1 и поршнем 4. Обеспечив выбор угла γ, можно реализовать возможность выбора параметров турбулентного возмущения впрыскиваемому газовому топливу.
1
1
2
2
Насадок реализует оптическое свойство эллипса (свет от источника, находящегося в одном из фокусов, отражается эллипсом так, что отраженные лучи пересекутся во втором фокусе), применяемое для потока газовых струй, подаваемых через форсунку в камеру сгорания или во впускной коллектор. Струи проходят через сопло форсунки и направляются от фокусной окружности F-F на всю внутреннюю поверхность раскрытого эллипсоида и, отразившись от которой, проходят через фокусную окружность F-F. При этом образуются вихри, смешивающие поступивший в цилиндр воздух со струями газа.
Количественную оценку вихревого процесса, создающего однородную газовоздушную смесь в любой точке внутреннего пространства камеры сгорания двигателя при внутреннем смесеобразовании позволяет дать определение дивергенции и модуля ротора векторного поля газовых струй, характеризующих вихревую составляющую поля, через определение градиента gradU и потока векторного поля П газовых струй:
а модуль градиента определяется [1-5] выражением:
Единичный орт-вектор  нормали к конусу OAA равен:
Поток векторного поля, создаваемый насадком-гомогенизатором:
где  - вектор функции: , а S - боковая площадь поверхности конуса OAA.
Вектор функции  определяет пространственную ортогональную систему координат OXYZ, т.е. определяет положение любой точки, находящейся внутри конуса насадка-гомогенизатора OAA.
Поскольку поток П векторного поля обладает свойством аддитивности для кусочно-гладких поверхностей [4, 5], то
1
2
1
2
где П - поток векторного поля через боковую коническую часть пирамиды OAA площадью ; П - поток векторного поля через основание конуса площадью S=πr.
Так как поток векторного поля через основание конуса OAA , а ,
то
а
где
Формулы, представленные в выражениях (8)-(10), минимум один раз дифференцируемы [1-5]. Следовательно, можно применить при определении дивергенции векторного поля теорему Остроградского-Гаусса:
Продифференцировав формулы (8)-(10) по x, y, z, получаем:
Преобразовав через (12)-(14) формулу (11), мы определим дивергенцию векторного потока газовых струй, под которой понимается максимальное завихрение потока струй в каждой точке внутри конуса OAA. Дивергенция описывает плотность потока газа в любой точке камеры сгорания:
Наличие вихревого потока в насадке-гомогенизаторе, определяется ротором функции [1-5] в виде:
Продифференцировав формулы (8)-(10) по соответствующим параметрам ортогональной пространственной системы координат, получим:
Поскольку ротор функции есть вектор, можно определить его модуль, представив формулу (17) в следующем виде:
Обеспечив турбулентное возмущение впрыскиваемому газовому топливу за счет реализации насадка-гомогенизатора в головке блока цилиндров двигателя, можно повысить однородность сжигаемой газовоздушной смеси, тем самым улучшив эксплуатационные показатели транспортных двигателей. Количественную оценку вихревого процесса создающего однородную газовоздушную смесь, можно получить, определив дивергенцию и модуль ротора векторного поля газовых струй.