ГОМОГЕНИЗАТОР, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ДЛЯ ДВУХ ПОТОКОВ ТЕКУЧИХ СРЕД, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ ОДНОРОДНОГО СМЕШИВАНИЯ ГАЗА И ВОЗДУХА В ГАЗОВОМ ДВИГАТЕЛЕ
HOMOGENIZER FOR AT LEAST TWO FLUID MEDIA FLOWS, IN PARTICULAR FOR HOMOGENEOUS MIXING OF GAS AND AIR IN A GAS ENGINE

Изобретение относится к гомогенизатору, по меньшей мере, для двух потоков текучих сред, в частности для однородного смешивания газа и воздуха в газовом двигателе, в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы.
Общеизвестное принципиальное устройство такого гомогенизатора состоит из центральной гомогенизирующей камеры в качестве зоны смешивания, к которой присоединены две направляющие разные потоки текучих сред подающие магистрали и одна направляющая гомогенизированную текучую среду отводящая магистраль. В гомогенизирующей камере должно происходить как можно более интенсивное смешивание обоих потоков текучих сред.
Из ЕР 1908932 А1 известна система выпуска отработавших газов (ОГ) для дизельных автомобилей, содержащая первый и второй, соединяемые со стороны выпуска с двигателем параллельные тракты, причем они своими концами ниже по потоку соединены с SCR-катализатором. На одном параллельном тракте предусмотрен инжектор для восстановителя. В предвключенном катализатору гомогенизаторе поток ОГ с восстановителем смешивается с потоком ОГ без восстановителя. Для содействия перемешиванию в смесительной камере устанавливаются дефлекторы с перфорированными структурами и без них, и/или потоки ОГ отклоняются за счет извилистых сечений камеры. Подача потоков ОГ в зоне присоединения перед смесительной камерой происходит прямолинейно, и смесительной камере приданы устройства для содействия перемешиванию. Используемые здесь и другие общеизвестные меры по содействию перемешиванию, такие как дефлекторы, отражающие поверхности, перфорированные листы, диффузорные устройства и т.д., приводят к нежелательной в большинстве случаев, относительно большой потере давления.
Задачей изобретения является усовершенствование родового гомогенизатора так, чтобы интенсивное перемешивание двух потоков текучих сред достигалось при минимально возможной потере давления.
Эта задача решается посредством признаков независимых пунктов формулы. Предпочтительные варианты являются объектом подчиненных им зависимых пунктов.
Согласно изобретению, предусмотрено, что подающие магистрали для текучих сред в зоне присоединения гомогенизирующей камеры имеют соответственно участок с отклонением потока в одном направлении с последующим ниже по потоку отклонением потока в другом направлении и присоединены там так, что потоки текучих сред подаются в гомогенизирующую камеру тангенциально с принудительным, преимущественно противоповерхностным крутящим движением таким образом, что в гомогенизирующей камере образуется вращающееся, турбулентное поддерживающее процесс гомогенизации течение. Для создания способствующей перемешиванию турбулентности здесь используется, следовательно, гидродинамика потоков текучих сред. Согласно изобретению, поясненные выше известные комплексные сложные меры с отражательными пластинами, перфорированными структурами, сложными внутренними поверхностями камеры и т.д. могут, как правило, отпасть. Таким образом, согласно изобретению, эффективная гомогенизация достигается при относительно небольшой потере давления с помощью относительно простого и недорогого устройства при небольшой занимаемой площади.
В одном конкретном гомогенизаторе в трехколенной Y-образной системе магистралей для текучих сред средние линии подающих магистралей и, при необходимости, средняя линия отводящей магистрали образуют базовую плоскость. Непосредственно перед гомогенизирующей камерой и до объединения обоих смешиваемых потоков текучих сред первая подающая магистраль имеет изогнутую вверх относительно базовой плоскости дугу, а вторая - изогнутую вниз относительно базовой плоскости дугу и соответственно последующее ниже по потоку отклонение в другом направлении. За счет этой ориентации дуг S-образной формы достигается тангенциальное объединение обоих потоков текучих сред с дополнительно принудительным, способствующим перемешиванию в гомогенизирующей камере, противоповерхностным крутящим движением.
Дуги могут иметь в зависимости от условий приблизительно вытянутую Z- или S-образную форму и промежуточные переходные формы. Дуга Z-образной формы заканчивается ниже по потоку у входного отверстия к гомогенизирующей камере приблизительно с параллельным смещением к базовой плоскости, так что оба входных отверстия подающих магистралей лежат со смещением с обеих сторон относительно базовой плоскости. В случае дуги S-образной формы она снова изгибается перед соответствующим входным отверстием к базовой плоскости, так что оба входных отверстия лежат в базовой плоскости или лишь с незначительным смещением к ней по отношению друг к другу.
В конкретном первом варианте гомогенизирующая камера выполнена в виде смесительного тракта, причем обе подающие магистрали расположены на входе смесительного тракта и присоединены друг над другом соответственно скрученными S-образной дугой. Эта скрученная структура на смесительном тракте продолжена трубчатой внутренней винтовой структурой в виде внутренней винтовой резьбы для дальнейшего принудительного крутящего движения объединенного потока текучей среды. Это способствует дальнейшему интенсивному перемешиванию на смесительном тракте с относительно небольшой потерей давления. Спиралеобразная ребристая структура внутренней винтовой резьбы используется здесь для закручивания при одновременном дальнейшем движении текучей среды в направлении отвода.
Особенно эффективное перемешивание при относительно небольшой потере давления достигается тогда, когда угол наклона внутренней винтовой резьбы, как и тангенциальный угол, составляет 15-20°. Внутренняя винтовая резьба смесительного тракта должна иметь для этого 2-6 витков, предпочтительно 3 витка.
Во втором, хорошо функционирующем варианте гомогенизатора гомогенизирующая камера выполнена в виде смесительной камеры с бочкообразным внутренним объемом, который с круглым сечением переходит в отводящую магистраль. Обе подающие магистрали присоединены к смесительной камере с дугой вытянутой Z-образной формы рядом друг с другом и со смещением по высоте друг к другу относительно базовой плоскости. За счет этого достигается тангенциальная и смещенная по высоте подача обоих потоков текучих сред в смесительную камеру с дополнительным принудительным встречным крутящим движением. Особенно хорошие результаты смешивания достигаются тогда, когда тангенциальный угол составляет 20-30°. Кроме того, смещение по высоте относительно базовой плоскости должно составлять соответственно 10-20 мм.
Третий вариант аналогичен второму варианту, причем, однако, бочкообразный внутренний объем смесительной камеры выполнен, в целом, сферическим, в основном, круглого сечения. Обе подающие магистрали дугообразно присоединены к смесительной камере таким образом, что тангенциальная подача обоих потоков текучей среды в смесительную камеру не происходит или происходит лишь с небольшим смещением по высоте относительно базовой плоскости. Также в третьем варианте особенно хороший результат смешивания с относительно небольшой потерей давления достигается тогда, когда тангенциальный угол составляет 20-30°.
В четвертом, хорошо функционирующем варианте гомогенизирующая камера выполнена в виде смесительной камеры приблизительно эллиптического сечения и уплощенной формы. Обе подающие магистрали присоединены к смесительной камере соответственно дугой таким образом, что обе дуги одной кривизны при виде сверху на смесительную камеру обращены друг к другу своими концами, причем дуги при этом виде сверху присоединены к смесительной камере на противоположных входных отверстиях. Кроме того, обе дуги соответственно другой кривизны присоединены к смесительной камере со смещением по высоте относительно средней плоскости противоположно уплощению, так что происходит тангенциальное, смещенное по высоте объединение обоих потоков текучей среды с принудительным встречным крутящим движением. Тангенциальный угол должен составлять здесь 5-15°.
За счет сужения выходной поверхности гомогенизирующей камеры, в частности в виде шейки отводящей магистрали, можно повысить скорость течения, что способствует равномерному распределению обеих смешиваемых текучих сред. Правда, вместе с этой мерой возрастает также потеря давления. Эта мера может применяться, в частности, во втором, третьем и четвертом вариантах. Улучшение соотношения смешивания с предотвращением слишком больших потерь давления достигается, тем самым, в частности, тогда, когда локальное сужение определенного сечения отводящей магистрали на коэффициент 0,8±0,1 меньше этого сечения.
Особенно предпочтительно один из описанных гомогенизаторов используется в качестве составной части системы впуска газового двигателя перед камерой сгорания для смешивания горючего газа и воздуха.
Варианты осуществления изобретения более подробно поясняются со ссылкой на чертежи, на которых изображают:
фиг. 1: первый вариант, причем на фиг. 1а-1d, 1f показаны виды с разных направлений, а на фиг. 1e, 1g - разрезы;
фиг. 2: второй вариант, причем на фиг. 2а-2d, 2f показаны виды с разных направлений, а на фиг. 2e, 2g - разрезы;
фиг. 3: третий вариант, причем на фиг. 3а-3d, 3f показаны виды с разных направлений, а на фиг. 3e, 3g - разрезы;
фиг. 4: четвертый вариант, причем на фиг. 4а-4d, 4f показаны виды с разных направлений, а на фиг. 4e, 4g - разрезы.
На фиг. 1 изображен первый вариант гомогенизатора 1. При виде сверху на фиг. 1а показана Y-образная трехколенная система магистралей для текучих сред с центральной гомогенизирующей камерой в виде смесительного тракта 2, к которой со стороны входа присоединены первая 3 и вторая 4 подающие магистрали для текучих сред, а со стороны выхода присоединена отводящая магистраль 5. В частности, из фиг. 1с при рассмотрении в направлении подающих магистралей 3, 4 видно, что средние линии 6', 6'', 6''' образуют базовую плоскость 7.
Подающая магистраль 3 имеет непосредственно перед смесительным трактом 2 изогнутую вверх относительно базовой плоскости 7 дугу в зоне 8 с последующим затем ниже по потоку отклонением в другом направлении в смесительный тракт 2. Соответственно подающая магистраль 4 имеет в зоне 9 изогнутую вниз относительно базовой плоскости 7 дугу с последующим затем ниже по потоку отклонением в другом направлении. Эти дуги подающих магистралей 3, 4 хорошо видны также из фиг. 1b при рассмотрении в направлении отводящей магистрали 5 и из разреза на фиг. 1g. Кроме того, на фиг. 1с обозначен тангенциальный угол 20°±5°.
На фиг. 1с обе подающие магистрали 3, 4 соответственно S-образным участком скручены друг над другом, причем эта скрученная структура продолжается на смесительном тракте 2 трубчатой внутренней винтовой структурой в виде внутренней винтовой резьбы 10 с тремя витками, как это видно из разреза на фиг. 1е.
За счет дугообразного выполнения подающих магистралей на входе или перед входом смесительного тракта 2 происходит тангенциальное объединение обоих протекающих по ним потоков текучих сред с дополнительно принудительным, способствующим перемешиванию крутящим движением. Это крутящее движение продолжается в спиралеобразной внутренней винтовой резьбе 10 для дальнейшего интенсивного перемешивания. Таким образом, существенной является винтовая структура на внутренней стенке смесительного тракта 2. Из фиг. 1а, 1d и при виде снизу на фиг. 1f видно, что смесительный тракт 2 выполнен скрученным с одинаковой толщиной стенок и, тем самым, также снаружи. Это может осуществляться, в частности, технологически в процессе литья или штамповки. Для скручивания существенной является, однако, винтовая структура внутренней стороны с тремя витками и углом наклона винтовой резьбы 20±5°.
На фиг. 2 изображен второй вариант гомогенизатора 11, причем также в этом случае имеет место трехколенная, Y-образной формы система магистралей для текучих сред, а к центральной гомогенизирующей камере в виде смесительной камеры 12 присоединены первая 13 и вторая 14 подающие магистрали, а также одна отводящая магистраль 15. Средние линии 16', 16'' подающих магистралей 13, 14 и средняя линия 16''' отводящей магистрали 15 образуют базовую плоскость 17.
Как видно на фиг. 2с, подающая магистраль 13 изогнута (вверх) относительно базовой плоскости 17 и проходит дальше в вытянутой Z-образной форме в другом направлении, так что средняя линия 20 лежит на входном отверстии смесительной камеры 12 со смещением на обозначенное расстояние 15±5 мм относительно базовой плоскости 17. Подающая магистраль 14 изогнута в зоне 19 в другом направлении и присоединена к смесительной камере соответственно с отклонением в другом направлении для тангенциальной и смещенной по высоте подачи обоих потоков текучих сред с дополнительно принудительным встречным крутящим движением. Подходящий тангенциальный угол обозначен здесь 25±5°. Как видно из фиг. 2b в сочетании с разрезом на фиг. 2g, смесительная камера 12 имеет бочкообразный, однако не сферический внутренний контур, который, однако, с круглым сечением переходит в отводящую магистраль 15.
На фиг. 3 изображен третий вариант гомогенизатора 21, в основном, соответствующий второму варианту гомогенизатора 11 на фиг. 2, так что на фиг. 3 и соответствующих подробных видах использованы те же ссылочные позиции и ниже поясняются только отличия от второго варианта. Как видно, в частности, из фиг. 3b, 3c, 3g, изгиб выполнен менее крутым, а внутреннее пространство смесительной камеры 12 выполнено, в целом, более сферическим, в основном, круглого сечения. За счет этого на фиг. 3с эксцентриситет и показанное на фиг. 2с смещение по высоте отсутствуют или лишь небольшие. Это говорит о том, что, в частности, при изменении геометрических признаков возможна подгонка к индивидуальным условиям.
На фиг. 4 изображен четвертый вариант гомогенизатора 22 с центральной смесительной камерой 23, к которой в виде трехколенной системы присоединены первая 24 и вторая 25 подающие магистрали для текучих сред и одна отводящая магистраль 26. Смесительная камера 23 выполнена в виде уплощенной банки приблизительно эллиптического сечения. Обе подающие магистрали 24, 25 присоединены к смесительной камере 23 дугой 27, 28 соответственно. Как видно, в частности, из фиг. 4а, 4f, обе дуги 27, 28 при виде сверху на смесительную камеру 23 обращены концами друг к другу, причем дуги 27, 28 при этом виде сверху присоединены к ней на приблизительно противоположных друг другу входных отверстиях.
Как видно, в частности, из фиг. 4b, 4с, обе дуги соответственно дальнейшей кривизной присоединены к смесительной камере 23 со смещением по высоте относительно средней плоскости 29 уплощения или эллиптического сечения. Кривизна дуг изогнута относительно средней плоскости 29 соответственно вверх и вниз с последующим отклонением в смесительную камеру 23, так что за счет этих дуг происходит тангенциальное, смещенное по высоте объединение обоих потоков текучих сред из подающих магистралей 24, 25 с принудительным встречным крутящим движением. Подходящий тангенциальный угол обозначен на фиг. 4b 10±5°.
Кроме того, здесь на выходе смесительной камеры 23 напротив отводящей магистрали 26 выполнено локальное сужение выходной поверхности в виде огибающей шейки 30. Диаметр здесь на коэффициент 0,8±0,1 меньше сечения отводящей магистрали и используется для способствующего перемешиванию локального повышения скорости течения.
Перечень ссылочных позиций
1 - гомогенизатор, 1-й вариант.
2 - смесительный тракт.
3 - первая подающая магистраль для текучей среды.
4 - вторая подающая магистраль для текучей среды.
5 - отводящая магистраль для текучей среды.
6', 6'', 6''' - средние линии.
7 - базовая плоскость.
8 - зона.
9 - зона.
10 - внутренняя винтовая резьба.
11 - гомогенизатор, 2-й вариант.
12 - смесительная камера.
13 - первая подающая магистраль для текучей среды.
14 - вторая подающая магистраль для текучей среды.
15 - отводящая магистраль для текучей среды.
16', 16'', 16''' - средние линии.
17 - базовая плоскость.
18 - зона.
19 - зона.
20 - средняя линия.
21 - гомогенизатор, 3-й вариант.
22 - гомогенизатор, 4-й вариант.
23 - смесительная камера.
24 - первая подающая магистраль для текучей среды.
25 - вторая подающая магистраль для текучей среды.
26 - отводящая магистраль для текучей среды.
27 - дуга.
28 - дуга.
29 - средняя плоскость.
30 - шейка.