Способ приготовления топливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания

 

Способ приготовления топливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания предназначен для двигателя внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием для повышения точности дозирования топлива и снижения токсичности отработавших газов путем введения в впускную воздушную систему двигателя ультразвуковой форсунки, распыливающей топливо навстречу скоростному потоку воздуха за счет акустического давления развиваемого фокусирующим пьезоизлучателем в распыливающем канале форсунки. 5 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к устройствам системы питания топливом и может быть использовано в карбюраторах для приготовления топливовоздушной смеси.

Известно устройство - карбюратор для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с внешним смесеобразованием. Однако данному устройству присущи недостатки, приводящие к значительному перерасходу топлива, а именно, низкое качество распыла топлива в воздушном потоке, а именно, низкое качество распыла топлива в воздушном потоке и недостаточная точность его дозирования на различных режимах работы ДВС. Указанные недостатки существуют в связи с аэродинамическим способом подачи и дозирования топлива.

Наиболее близким по своей технической сущности является устройство описанное в [2].

Однако дозирование топлива, находящегося в кавитационном состоянии осложнено тем, что степень кавитации топлива, а значит и его массовый расход в капиллярном канале распылителя, нелинейно зависят не только от излучаемой мощности ультразвукового вибратора, но и в большой мере от значений температуры и вязкости топлива, а также от воздушного давления в проточном канале, которое нелинейно изменяется от угла положения дроссельной заслонки; все это требует дополнительных поправок по давлению и температуре в закон регулирования подачи топлива. Поэтому при указанном способе приготовления топливовоздушной смеси степень сложности системы автоматического регулирования становится малоприемлемой для широкого использования в ДВС. Время пребывания топлива в проточном канале и впускной воздушной системе в целом не зависит от начальной скорости распыливаемого топлива, так как оно подается перпендикулярно вектору скорости воздушного потока, т.е. по отношению к нему с нулевой составляющей.

Заявленное техническое решение направлено на снижение удельного расхода топлива и токсичности отработавших газов путем улучшения распыла топлива и повышения точности его дозирования, достигается это тем, что способ приготовления топливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания осуществляют путем смешения дозированного количества топлива с воздухом и воздействия ультразвуковыми колебаниями от вибратора, питаемого электрическим током от генератора импульсов, на топливо, направляемое в поток воздуха, всасываемого в двигатель, причем топливо подают навстречу движению воздушного потока с помощью ультразвуковой форсунки под действием акустического давления, развиваемого вогнутым пьезоизлучателем в распыливающем канале форсунки, а интенсивность звука в топливе не превышает для него порога кавитации, дозирование топлива осуществляют широтно-импульсной модуляцией сигналов от генератора импульсов к пьезоизлучателю, при этом устройство имеет ультразвуковую форсунку, установленную в главном воздушном канале карбюратора и распыливающую топливо навстречу скоростному потоку воздуха за счет акустического давления, развиваемого фокусирующим пьезоизлучателем в распыливающем канале форсунки.

Поскольку указанные отличительные признаки отсутствуют у прототипа, предлагаемое техническое решение отвечает критерию "новизна".

Отличительные признаки.

1. Применение ультразвука большой интенсивности для приготовления топливовоздушных смесей известно [1 и 2], однако в них ультразвуковые волны используются для создания кавитации внутри топлива перед его подачей в воздушный поток впускного коллектора ДВС с целью ускорения процесса перевода топлива в газовую фазу для создания рабочей смеси.

В предлагаемом способе при заданной рабочей частоте излучателя амплитуда его механических колебаний не превышает критического порога возникновения в топливе кавитационных эффектов.

2. Топливо из ультразвуковой форсунки распыливается против движения воздушного потока, поступающего в впускной коллектор ДВС, что значительно уменьшает долю неиспарившейся части топлива, попадающей в цилиндры, в отличие от известных устройств, где топливо подается в воздушный поток с нулевой составляющей скорости по ходу его движения. С целью снижения потерь на преобразование электрической энергии в энергию акустических волн пьезоизлучатель выполняется вогнутой (сферической, параболической, гиперболической или эллипсоидальной) формы в отличие от линзовой фокусировки ультразвука от плоского излучателя.

4. Устройство работает в импульсном режиме, регулирование расхода топлива форсункой осуществляется за счет широтно-импульсной модуляции переменного напряжения, поступающего на электроды излучателя.

Благодаря такому выполнению карбюратора обеспечивается совершенное приготовление топливовоздушной смеси и дозировка топлива на всех режимах работы ДВС.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого способа приготовления топливовоздушной смеси для ДВС.

Устройство ультразвукового карбюратора состоит из корпуса 1 внутри которого имеются воздушный диффузор 8 и смесительная камера 2, в которой находятся приемник воздушного давления 9 и ультразвуковая форсунка 3, внутри которой установлен пьезоизлучатель 4 с акустической заглушкой 5. Через полые держатели форсунки (2 - 4 ребра) 6 в последнюю поступает топливо 13 из поплавковой камеры 12 и рабочее напряжение, управляющее расходом ультразвуковой форсунки.

Поплавковая камера имеет запорный механизм 10 с поплавком 11 с помощью которых в распыливающем канале форсунки поддерживается постоянный уровень топлива. Дроссельная заслонка 7 выполнена поворотной при помощи приводного рычага 12, причем последний снабжен датчиком угла поворота 14 дроссельной заслонки, выход которого соединен с входом блока управления 16. К последнему подключены блок синхронизации 18 и блок датчиков коррекции 17. Вход генератора 15 подключен к блоку управления, а выход - к пьезоизлучателю.

Реальная конструкция ультразвукового карбюратора может иметь любое необходимое число форсунок, смесительных камер и дроссельных заслонок.

Способ приготовления топливовоздушной смеси осуществляется следующим образом.

Устройство синхронизации 18 вырабатывает синхроимпульсы пропорционально частоте вращения коленчатого вала ДВС. Под воздействием каждого импульса синхронизации блок управления 16 выдает управляющий импульс заданной длительности в зависимости от угла положения дроссельной заслонки 7, поступающего от датчика угла поворота 14 и требуемого качества рабочей смеси при текущих оборотах двигателя. На время длительности управляющего импульса к электродам пьезоизлучателя 4 подводится переменное напряжение от генератора 15 с частотой порядка 0,1 - 140 МГц, под воздействием которого вблизи фокальной плоскости пьезоизлучателя, расположенной в распыливающем канале форсунки 3, развивается акустическое давление порядка 0,1 - 10 МПа, под действием которого топливо впрыскивается в смесительную камеру 2 навстречу движению воздушного потока.

Блок датчиков коррекции 17 передает блоку управления 16 дополнительную информацию об изменении внешних условий работы ДВС (температуры и давления воздуха и др. ) для внесения в закон регулирования подачи топлива дополнительных поправок, например, высотная коррекция состава рабочей смеси с изменением плотности воздуха.

В качестве блока управления 16 может быть использовано микропроцессорное устройство.

Приемник воздушного давления 9 служит для компенсации давления скоростного напора воздушного потока, действующего на уровень топлива в форсунке 3, пропорциональным его изменениям в поплавковой камере 12. Таким образом производительность форсунки становится независимой от скорости воздушного потока в смесительной камере 2 карбюратора и определяется атмосферным давлением и действующим значением звукового давления, развиваемого излучателем 4 внутри распыливающего канала ультразвуковой форсунки 3.

Давление, развиваемое фокусирующим излучателем ультразвука (фиг. 2) вблизи фокальной плоскости согласно литературе [1] определяется формулой где k=2·π/λ - волновое число; λ - длина ультразвуковой волны в среде (топливе); η и r - цилиндрические координаты; F - фокусное расстояние (радиус кривизны) излучателя; J₀ - функция Бесселя нулевого порядка; P₀ - звуковое давление на поверхности излучателя; При η=0 и r= 0 в центре фокальной плоскости звуковое давление имеет максимальное значение, которое определяется формулой
где ρ - плотность среды (топливо);
U - скорость звука в среде;
W - излучаемая мощность пьезоэлемента;
λ - длина волны в среде;
Трансформация волнового фронта при переходе через фокальную плоскость изображена на фиг. 3. Видно, что с приближением к фокальной плоскости интенсивность волнового фронта изменяется согласно законам геометрической оптики, которые, однако, нарушаются вблизи фокальной плоскости вследствие проявления волновых свойств у продольных звуковых волн и возникающих в этой связи дифракционных эффектов. Поэтому вблизи фокальной плоскости интенсивность ультразвука достигает конечного значения, причем распределение звукового давления носит волновой характер. Рядом с фокальной плоскостью (см. фиг. 3) образуется область диаметром порядка первого дифракционного максимума d₀ протяженностью Δ , в которой звуковое давление вдоль оптической оси имеет примерно постоянную величину. Распыливающий канал ультразвуковой форсунки находится как раз в данной области, причем его длина и диаметр не должны превышать значений d₀ и Δ соответственно.

Распределение относительных значений звукового давления вблизи фокальной плоскости перпендикулярно и вдоль главной оптической оси излучателя представлены соответственно на фиг. 4 и 5, из которых следует, что производительность топливной форсунки будет определяться перепадом давлений между действующим значением звукового давления в распыливающем канале и атмосферным давлением воздуха, а именно

где m" - секундный расход форсунки;
μ - коэффициент расхода;
S - площадь поперечного сечения распыливающего канала;
ρ - плотность топлива;
ΔP - перепад давления в распыливающем канале форсунки; на границе раздела "топливо - воздух";
ΔP = P_д-P_а [1.4]
где P_a - атмосферное давление;
P_g - действующее значение звукового давления, определяемое геометрией распыливающего канала форсунки;

причем
где d₁ - диаметр первого дифракционного максимума звуковой волны в фокальной плоскости (так называемый диаметр Эри);

где λ - длина волны в среде;
R - радиус излучателя (фиг. 2);
F - радиус кривизны излучателя;

Формула изобретения

Способ приготовления тепливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания путем смешивания дозированного количества топлива с воздухом и воздействия ультразвуковыми колебаниями от вибратора, питаемого электрическим током от генератора импульсов, на топливо, направляемое в поток воздуха, всасываемого в двигатель, отличающийся тем, что топливо подают навстречу движению воздушного потока с помощью ультразвуковой форсунки под действием акустического давления, развиваемого вогнутым пьезоизлучателем в распыливающем канале форсунки, причем интенсивность звука в топливе не превышает для него порога кавитации, дозирование топлива осуществляют широтно-импульсной модуляцией сигналов от генератора импульсов к пьезоизлучателю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5