БЕНЗОНАСОС С ГОМОГЕНИЗАЦИЕЙ ТОПЛИВА
GASOLINE PUMP WITH FUEL HOMOGENISATION

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для подготовки топлива перед подачей его в камеру сгорания путем его энергонасыщения внешним комбинированным воздействием.
Известно устройство для энергонасыщения жидкого топлива [1], обеспечивающее обработку топлива за счет воздействия на его дипольные частицы магнитных полей, индуцируемых катушками индуктивности при подаче на них управляющих сигналов различных типов, а также за счет снижения коэффициента поверхностного натяжения топлива, достигаемого путем придания колебательного или вращательного движения постоянному магниту, занимающему - в зависимости от управляющих сигналов - определенное положение относительно векторов или результирующего вектора магнитной индукции катушек индуктивности.
Недостаток устройства заключается в том, что оно является пассивным и для обеспечения прохождения через него топлива необходимо использование дополнительного внешнего насоса.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является ультразвуковой гидродинамический излучатель [2], предназначенный для получения мелкодисперсных эмульсий. При работе такого устройства жидкость поступает в вихревую камеру излучателя через входные тангенциальные отверстия и под воздействием центробежных сил образует в вихревой камере закрученный жидкостный вихревой поток. При этом в вихревой камере образуется зона разряжения. В выходном сопле происходит дополнительная закрутка газожидкостного потока и еще более интенсивное диспергирование жидкости. Описанный гидродинамический излучатель позволяет проводить обработку жидкости в потоке.
Недостаток устройства состоит в том, что не достигается достаточно высокой степени гомогенизации и диспергирования жидкости во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя, поскольку эмульсирование топлива зависит от скорости подачи жидкости.
Существующие устройства топливоподачи двигателей, например топливные насосы типа 2101-1106010 [3], не осуществляют предварительную подготовку топлива с целью повышения эффективности его сгорания в двигателе, осуществляя только перекачку из топливного бака. Насос укреплен на боковой стенке картера двигателя двумя болтами. Наружный конец рычага привода упирается в эксцентрик распределительного вала. Вращающийся распределительный вал своим эксцентриком при каждом обороте нажимает на наружный конец рычага привода и отклоняет его. В это же время внутренний конец рычага привода, опускаясь, тянет шток и связанную с ним диафрагму вниз. Пружина, находящаяся под диафрагмой, сжимается, а над диафрагмой, зажатой между корпусом и крышкой, создается разрежение, под действием которого в камеру из бака через фильтр-отстойник и открывшийся впускной клапан всасывается топливо. Когда выступ эксцентрика сходит с наружного конца рычага привода, диафрагма со штоком под действием пружины перемещается вверх, в камере над диафрагмой создается давление, и топливо вытесняется через нагнетательный клапан в выпускной канал, а затем по трубке в поплавковую камеру карбюратора. Воздух, находящийся в камере над нагнетательным клапаном, сжимаясь, уменьшает резкость пульсации топлива. Упругость нагнетательной пружины подобрана с таким расчетом, чтобы при заполненной поплавковой камере напор топлива не мог принудительно открыть игольчатый клапан карбюратора, и подача топлива в поплавковую камеру при этом прекращается. Диафрагма со штоком и внутренним концом рычага привода в этом случае будет находиться в нижнем положении неподвижно, а наружный конец рычага привода качается вхолостую вследствие зазора между концами рычагов привода, установленных на оси.
Недостаток устройства заключается в том, что оно предназначено только для перекачки топлива без изменения его физико-механических свойств.
Предлагаемое изобретение направлено на непрерывную обработку топлива внешним комбинированным воздействием (электромагнитным и акустическим) с последующей его подачей в камеру сгорания двигателя.
Сущность: топливоподача регулируется электромагнитным способом за счет изменения частоты огибающей модулированного сигнала, несущая которого вызывает кавитационные процессы в топливе, протекающем через накопительную камеру топливного насоса.
Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство соответствует критерию «новизна», так как имеет существенные отличия от прототипа: механизм управления штоком состоит из электромагнита, соединенного с выходом преобразователя сигнала симметричный-асимметричный, на вход которого поступает сигнал с модулятора, один вход которого соединен с генератором ультразвуковых колебаний, а второй - с преобразователем напряжение-частота, при этом вход преобразователя напряжение-частота соединен с выходом датчика положения дроссельной заслонки.
Технический результат от использования устройства заключается в повышении экологической чистоты выхлопных газов двигателя за счет более полного сгорания топливовоздушной смеси и снижения расхода топлива.
Технический результат достигается тем, что подача топлива осуществляется за счет управления перемещением штока мембраны электромагнитом с одновременным наложением высокочастотных колебаний на его возвратно-поступательные движения. Перемещение сердечника электромагнита, жестко связанного со штоком мембраны, управляется преобразователем сигнала, который преобразует поступающий с модулятора симметричный сигнал в асимметричный - относительно оси времени - двухполярный. При этом на вход модулятора с генератора высокочастотных колебаний поступает несущая частота, достаточная для возникновения кавитационных процессов в топливе (8…44 кГц), а огибающая формируется преобразователем напряжение-частота, на вход которого поступает сигнал с датчика положения дроссельной заслонки. При нажатии на педаль акселератора напряжение на выходе датчика положения дроссельной заслонки увеличивается, что приводит к увеличению частоты, формируемой преобразователем напряжение-частота. Это, в свою очередь, приводит к увеличению частоты огибающей сигнала модулятора, и, следовательно, частоты низкочастотной составляющей сигнала на выходе преобразователя сигнала. В результате частота перемещения сердечника электромагнита и, следовательно, штока мембраны увеличивается, что приводит к увеличению объема поступления топлива в камеру сгорания двигателя, вызывая увеличение его оборотов. В течение всего процесса прохождения топлива через накопительную камеру насоса оно подвергается ультразвуковой обработке за счет воздействия несущей частоты модулированного сигнала, вызывающей высокочастотные колебания штока мембраны. При отпускании педали акселератора происходят обратные процессы: напряжение с выхода датчика положения дроссельной заслонки снижается, вызывая снижение частоты сигнала с выхода преобразователя напряжение-частота, что приводит к снижению частоты огибающей модулированного сигнала с выхода модулятора и, соответственно, с выхода преобразователя сигнала - частота перемещения штока мембраны снижается и уменьшается объем топлива, прокачиваемого насосом.
Благодаря используемому в устройстве эффекту кавитации, производится обработка жидкого топлива вязких и высоковязких типов, тем самым обеспечивая повышение экологической чистоты выхлопных газов двигателя за счет более полного сгорания топливовоздушной смеси и снижения расхода топлива.
Изобретение сопровождается поясняющим рисунком, на котором схематически изображена общая схема устройства (чертеж, стрелками показано движение топлива).
Устройство содержит:
1 - штуцер впускного канала;
2 - компенсационная камера;
3 - впускной клапан;
4 - накопительная камера;
5 - корпус;
6 - мембрана;
7 - шток;
8 - электромагнит;
9 - преобразователь сигнала симметричный-асимметричный (ПССА);
10 - модулятор;
11 - генератор ультразвуковых колебаний;
12 - преобразователь напряжение-частота;
13 - датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ);
14 - выпускной клапан;
15 - штуцер выпускного канала.
Устройство (бензонасос) состоит из штуцера 1 впускного канала, один конец которого закреплен в топливопроводе двигателя, а противоположный - в компенсационной камере 2, соединенной с входом впускного клапана 3, а его выход соединен с накопительной камерой 4, которую образуют корпус 5 и мембрана 6, закрепленная на штоке 7, являющимся сердечником электромагнита 8. Электромагнит 8 соединен с выходом преобразователя сигнала симметричный-асимметричный 9, на вход которого поступает сигнал с модулятора 10, один вход которого соединен с генератором ультразвуковых колебаний 11, второй - с преобразователем напряжение-частота 12. Вход преобразователя напряжение-частота 12 соединен с выходом датчика положения дроссельной заслонки 13. В свою очередь, накопительная камера 4 соединена с выпускным клапаном 14, через который обработанное топливо подается в штуцер 15 выпускного канала и далее в направлении камеры сгорания двигателя.
Работа устройства для энергонасыщения жидкого топлива осуществляется следующим образом. При включении двигателя ДПДЗ 13 вырабатывает сигнал, пропорциональный углу открытия дроссельной заслонки, и передает его на преобразователь напряжение-частота 12, который, в свою очередь, преобразовывает напряжение в низкочастотный гармонический сигнал, поступающий на один из входов модулятора 10. На второй вход модулятора 10 поступает высокочастотный сигнал с генератора ультразвуковых колебаний 11, начинающий вырабатывать сигнал при включении двигателя. Модулятор 10 модулирует низкочастотный сигнал (огибающая) высокочастотным сигналом (несущая). Модулированный сигнал поступает с выхода модулятора 10 на вход ПССА 9, который формирует асимметричный по отношению к оси «время» (в координатах «амплитуда-время») двухполярный сигнал и передает его на вход электромагнита 8. В отрицательный полупериод низкочастотной составляющей (огибающей) шток 7 электромагнита 8 с закрепленной на нем мембраной 6 перемещается в сторону, противоположную компенсационной камере 2, тем самым вызывая в ней разряжение. При этом впускной клапан 3 открывается и топливо через штуцер 1 впускного канала, соединенный с компенсационной камерой 2, попадает в накопительную камеру 4 корпуса 5 (в этот момент выпускной клапан 13 закрыт). В положительный полупериод низкочастотной составляющей (огибающей) шток 7 электромагнита 8 перемещается в сторону компенсационной камеры 2, создавая в накопительной камере 4 избыточное давление, при этом впускной клапан 3 закрывается, а выпускной клапан 14 открывается и обработанное топливо через штуцер 15 выпускного канала поступает в топливопровод - в направлении камеры сгорания двигателя.
Во время нахождения топлива в накопительной камере 4 - вследствие высокочастотных колебаний мембраны 6, закрепленной на штоке 7 электромагнита 8, вызываемых несущей модулированного сигнала, поступающего с ПССА 9, - в топливе происходят интенсивные кавитационные процессы (так называемый «разрыв сплошности жидкости»), снижающие коэффициент поверхностного натяжения.
Для увеличения оборотов двигателя необходимо увеличить угол открытия дроссельной заслонки, что вызовет увеличение напряжения с ДПДЗ 13. При этом преобразователь напряжение-частота 12 увеличит частоту выходного сигнала (огибающей) пропорционально увеличению напряжения. Это приведет к тому, что частота огибающей модулированного сигнала, формируемого модулятором 10, также увеличится. Соответственно, увеличится частота низкочастотной составляющей сигнала с выхода ПССА 9, что приведет к более частому изменению направления перемещения штока 7 электромагнита 8 с закрепленной на нем мембраной 6. В результате объем проходящего через устройство топлива увеличится, тем самым увеличивая обороты двигателя.
Чтобы снизить обороты двигателя, необходимо уменьшить угол открытия дроссельной заслонки, что вызовет уменьшение напряжения с ДПДЗ 13. Преобразователь напряжение-частота 12 уменьшит частоту выходного сигнала пропорционально снижению напряжения. Частота огибающей модулированного сигнала, формируемого модулятором 10, также уменьшится. Соответственно, снизится частота огибающей с выхода ПССА 9, что приведет к снижению частоты перемещения штока 7 электромагнита 8 с закрепленной на нем мембраной 6. В результате объем проходящего через устройство топлива уменьшится, и уменьшится частота вращения коленчатого вала двигателя.
При этом независимо от частоты вращения коленчатого вала двигателя, топливо, находящееся в накопительной камере, подвергается ультразвуковой обработке.
Эксперименты показали, что оптимальным диапазоном несущей частоты модулированного сигнала является 10…25 кГц. Экспериментальная установка была апробирована в лабораторных условиях и показала высокую эффективность (снижение часового расхода топлива на дизеле Д-240 до 9,2%).
Используемые источники
1. Патент Российской Федерации RU 2463472. Устройство для энергонасыщения жидкого топлива. Симдянкин А.А. Симдянкина Е.Е. Кайкацишвили Г.З. Опубликовано 10.10.2012.
2. СССР SU 1532083. Ультразвуковой гидродинамический излучатель. Мутовкин В.В. Шаповал И.Ф. Чижов В.И. Якубовский Е.П. Опубликовано 30.12.1989.
3. В. Вершигора, В. Зельцер. Каталог деталей автомобиля «Жигули» моделей ВАЗ-2101, ВАЗ-2102, ВАЗ-21011, ВАЗ-2103. – М.: Машиностроение, 1977. - 224 с.