Смеситель дизельного топлива
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в топливной системе дизеля и в других областях машиностроения. Технический результат направлен на повышение надежности подачи топлива из бака к топливному насосу высокого давления в зимнее время года как перед пуском дизеля, так и при его работе на различных режимах, а также на упрощение операций, выполняемых водителем. Смеситель дизельного топлива содержит закрепленную внутри нижней части бака наружную трубу с подводящей дренажной магистралью нагретого топлива и установленную внутри наружной трубы внутреннюю трубу с конической воронкой для поступления топлива из бака, соединенную с заборным топливопроводом. Коническая воронка выполнена с возможностью перемещения вдоль оси внутренней трубы и снабжена соединенным с ней цилиндрическим патрубком. Поверхности конической воронки, внутренней и наружной труб покрыты теплоизоляцией, а в полости подогрева топлива, образованной между наружной трубой и теплоизоляцией конической воронки, размещены тепловые аккумуляторы, электрическая нагревательная спираль и автоматический выключатель с тепловым (биметаллическим) элементом. Электрическая нагревательная спираль и автоматический выключатель соединены с источником постоянного тока и включателем. Шток соединен с цилиндрическим патрубком и с поршнем, установленным в цилиндре термостата. Над поршнем установлена пружина, в заборном трубопроводе установлен гибкий проволочный волновод, соединенный с ультразвуковым генератором, включающийся в работу с помощью геркона и постоянного магнита, закрепленного на поршне термостата. 1 ил.
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано и в других областях машиностроения.
Известен смеситель нагретого и ненагретого топлива топливного бака (Авторское свидетельство СССР №1368469, МПК F02M 37/00, 1980), содержащий закрепленную внутри нижней части бака наружную трубу с подводящей дренажной магистралью нагретого топлива и установленную внутри нее внутреннюю трубу с конической воронкой для поступления топлива из бака, соединенную с заборным трубопроводом, при этом с целью повышения эффективности смешивания и улучшения стабильности подачи топлива из топливного бака при работе двигателя при низких и высоких температурах, коническая воронка выполнена таким образом, что обеспечивается возможность ее перемещения вдоль оси внутренней трубы и снабжена соединенным с ней цилиндрическим патрубком, размещенным во внутренней трубе и связанным с ним штоком, причем в патрубке и внутренней трубе выполнены отверстия, обеспечивающие возможность перепуска дренажного нагретого топлива непосредственно во внутреннюю трубу, а шток снабжен регулируемым упором.
Однако известный смеситель не обеспечивает подогрев топлива как перед пуском дизеля в зимнее время года, так и при его прогреве, так как в конструкции смесителя не предусмотрено устройство как для автономного подогрева топлива перед пуском дизеля и его прогреве, так и для аккумулирования тепловой энергии.
Кроме того, при работе в зимнее время при нахождении воронки в нижнем положении при вытекании подогретого топлива из дренажного топливопровода и из отверстий цилиндрического патрубка подогретое топливо будет подниматься вверх в топливный бак, а холодное топливо из бака будет только при сливе топлива из бака, выполнение всех перечисленных операций приводит к увеличению трудозатрат.
Технический результат направлен на повышение надежности подачи топлива из бака к топливному насосу высокого давления в зимнее время года как перед пуском дизеля, так и при его работе на различных режимах, а также на упрощение операций, выполняемых водителем.
Технический результат достигается тем, что смеситель дизельного топлива, содержащий закрепленную внутри нижней части бака наружную трубу с подводящей дренажной магистралью нагретого топлива и установленную внутри наружной трубы внутреннюю трубу с конической воронкой для поступления топлива из бака, соединенную с заборным топливопроводом, причем коническая воронка выполнена с возможностью перемещения вдоль оси внутренней трубы и снабжена соединенным с ней цилиндрическим патрубком со штоком, при этом поверхности конической воронки, внутренней и наружной труб покрыты теплоизоляцией, а в полости подогрева топлива, образованной между наружной трубой и теплоизоляцией конической воронки, размещены тепловые аккумуляторы, электрическая нагревательная спираль и автоматический выключатель с тепловым (биметаллическим) элементом, причем электрическая нагревательная спираль и автоматический выключатель соединены с источником постоянного тока и включателем, а шток соединен с цилиндрическим патрубком и с поршнем, установленным в цилиндре термостата, над поршнем установлена пружина, в заборном трубопроводе установлен гибкий проволочный волновод, соединенный с ультразвуковым генератором, включающийся в работу с помощью геркона и постоянного магнита, закрепленного на поршне термостата.
Отличительными признаками от прототипа является то, что при его прогреве поверхности конической воронки, внутренней и наружной труб покрыты теплоизоляцией, а в полости подогрева топлива, образованной между наружной трубой и теплоизоляцией конической воронки, размещены тепловые аккумуляторы, электрическая нагревательная спираль и автоматический выключатель с тепловым (биметаллическим) элементом, причем электрическая нагревательная спираль и автоматический выключатель соединены с источником постоянного тока и включателем, а шток соединен с цилиндрическим патрубком и с поршнем, установленным в цилиндре термостата, а над поршнем установлена пружина, в заборном трубопроводе установлен гибкий проволочный волновод, соединенный с ультразвуковым генератором, включающийся в работу с помощью геркона и постоянного магнита, закрепленного на поршне термостата.
На чертеже изображен поперечный разрез смесителя нагретого и ненагретого дизельного топлива. Смеситель топлива содержит дренажную магистраль 1, наружную трубу 2, коническую воронку 3 с цилиндрическим патрубком 4, входящим во внутреннюю трубу 5. К наружной трубе 2, к конической воронке 3 и к нижней части внутренней трубы 5 прикреплена теплоизоляция соответственно 6, 7 и 8. В цилиндрическом патрубке 4, внутренней трубе 5 и в теплоизоляции 8 выполнены отверстия 9, 10 и 11.
Между внутренней трубой 2 и теплоизоляцией 7, закрепленной на конической воронке 3, образована полость 12 подогрева топлива в зимнее время года. В полости 12 подогрева топлива установлена электрическая нагревательная спираль 13, соединенная с источником постоянного тока 14, с электрической лампой 15, с включателем 16 и с автоматическим выключателем 17 с тепловым (биметаллическим) элементом. Контакты автоматического выключателя 17 замыкаются при температуре +30°С, а размыкаются при температуре +50°С. Кроме того, в полости 12 установлены тепловые аккумуляторы 18, заполненные диэтиловым эфиром (С2Н5)2О, имеющим низкую температуру кипения, равную 35,6°С [1].
В верхней части цилиндрического патрубка 4 выполнено отверстие 19, закрываемое перепускным клапаном 20. Клапан 20 размещен на оси 21, закрепленной на цилиндрическом патрубке 4. К перепускному клапану 20 с помощью капроновой нити 22 крепится поплавок 23, выполненный из бензостойкой резины. Необходимость применения поплавка, обеспечивающего открытие или закрытие перепускного клапана 20, объясняется следующим. Известно, что подъемная сила Рп плавающего тела (в данном случае поплавка) определяется по формуле:
,
где Рп - подъемная сила поплавка, Н;
ρтопл - плотность дизельного топлива, кг/м3;
- ускорение свободного падения, м/с2;
V - объем топлива, вытесненного поплавком, м3.
Так как зимой плотность дизельного топлива выше, чем его плотность летом, то при одном и том же объеме дизельного топлива V, вытесненного поплавком, подъемная сила поплавка зимой будет больше, чем летом. Это явление можно использовать для ограничения подачи холодного топлива, находящегося в баке, к приборам системы питания дизеля.
В нижней части цилиндрического патрубка 4 выполнены отверстия 24 для перетекания топлива. К цилиндрическому патрубку 4 крепится шток 25, который уплотняется самоподжимным сальником 26, установленным в отверстие внутренней трубы 5. На нижнем конце штока 25 закреплен поршень 27 термостата. Поршень 27 установлен в цилиндре 28, пространство под поршнем 27 заполнено активной массой 29. Над поршнем 27 установлена пружина 30.
Заборный трубопровод 31 крепится к нижней части внутренней трубы 5. В заборном трубопроводе 31 установлен гибкий проволочный волновод 32, в который подаются ультразвуковые импульсы, вырабатываемые ультразвуковым генератором 33 [2]. Использование ультразвуковой энергии обеспечивает разогрев топлива, находящегося в заборном трубопроводе 31. Электрическая энергия в ультразвуковой генератор 33 поступает через контакты геркона 34 от источника постоянного тока 35. При нахождении геркона напротив постоянного магнита 36, закрепленного на поршне 27 термостата, подача электрического тока в ультразвуковой генератор 33 осуществляется при замыкании контактов выключателя 37.
Анализ конструкции прототипа и предлагаемого смесителя показывает, что заявляемое изобретение отличается наличием новых элементов:
электрической нагревательной спирали 13, обеспечивающей подогрев дизельного топлива в системе в зимний период с ограничением температуры нагрева автоматическим выключателем 17 с тепловым (биметаллическим) элементом;
теплоизоляции 6, 7 и 8, закрепленной на конической воронке 3, наружной 2 и внутренней 5 трубах, снижающей отвод теплоты от дизельного топлива, находящегося в смесителе как при работающем, так и при неработающем дизеле;
термостата, обеспечивающего автоматический забор топлива из бака летом или из полости подогрева топлива в смесителе зимой;
перепускного клапана 20 и поплавка 23, обеспечивающих ограничение подачи холодного топлива из бака к подогретому в смесителе топливу, текущего в заборный трубопровод;
ультразвукового генератора 33 и гибкого проволочного волновода 32, установленного в заборном трубопроводе 31 для разогрева в зимний период находящегося в нем дизельного топлива. Ультразвуковой генератор 33 включается в работу с помощью геркона 34 и постоянного магнита 36, закрепленного на поршне.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна».
Сравнение предлагаемого технического решения с техническим решением прототипа показывает, что введение указанных элементов обеспечивает улучшение пусковых качеств дизеля, надежность подачи топлива в зимний период, увеличение мощности и экономичности двигателя. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».
Смеситель дизельного топлива работает следующим образом.
При эксплуатации дизеля в летнее время года подогрев топлива не требуется, контакты включателя 16 и 37 должны быть разомкнуты и электрический ток в нагревательную спираль 13 и в гибкий волновод 32 поступать не будет.
При эксплуатации дизеля в летнее время года подогрев топлива не требуется, поэтому контакты включателей 16 и 37 должны быть разомкнуты. Следовательно, электрический ток в нагревательную спираль 13 поступать не будет и ультразвуковой генератор 33 не будет вырабатывать ультразвуковые импульсы.
В летнее время активная масса 29 будет находиться в расплавленном состоянии, ее объем увеличится по сравнению с зимним временем. Поэтому поршень 27 термостата переместится вверх, сжимая пружину 30 под действием силы, передаваемой от поршня 27 термостата, шток 25, цилиндрический патрубок 4 и коническая воронка 3 переместятся вверх, а между конической воронкой 3 и наружной трубой 2 образуется кольцевой зазор. При этом отверстия 9 в цилиндрическом патрубке 4 и отверстия 11 в теплоизоляции 7 конической воронки не будут совпадать с отверстиями 10 внутренней трубы 5.
Подогретое топливо из дренажной магистрали 1 будет вытекать в полость 12 и далее через кольцевой зазор между наружной трубой 2 и конической воронкой 3 в топливный бак. Из топливного бака топливо поступает через коническую воронку 3 и открытый перепускной клапан 20 в цилиндрический патрубок 4, а из него в заборный трубопровод 31.
Так как дизельное топливо в летнее время имеет меньшую плотность, то подъемная сила поплавка будет незначительна и перепускной клапан 20 под действием собственного веса будет открыт и повернут относительно оси 21, закрепленной на цилиндрическом патрубке 4.
Поскольку топливо поступает в заборный трубопровод 31 из топливного бака не подогретое, то опасности возникновения паровых пробок в приборах системы питания не возникает.
При эксплуатации дизеля зимой необходим подогрев дизельного топлива, поступающего из топливного бака в топливопроводы, топливные фильтры, топливные насосы низкого и высокого давления и форсунки, так как многие нарушения в системе питания дизеля связаны с наличием в дизельном топливе парафиновых углеводородов. При понижении температуры эти углеводороды кристаллизуются и возникает опасность засорения элементов топливной аппаратуры кристаллами парафинов. При дальнейшем охлаждении выпавшие кристаллы образуют твердую пространственную решетку, что и определяет необходимость подогрева топлива в полости 12 и в заборном трубопроводе 31.
Для подогрева топлива в полости 12 смесителя необходимо замкнуть контакты включателя 16. При этом электрический ток от источника постоянного тока 14 будет поступать в электрическую нагревательную спираль 13 и автоматический выключатель 17 с тепловым (биметаллическим) элементом. Электрический ток будет проходить и через электрическую лампу 15, которая сигнализирует водителю о работе нагревательной спирали 13. Теплота, выделяемая спиралью 13, будет передаваться топливу, нагревая его, и диэтиловому эфиру (С2H5)2О, которым заполнены тепловые аккумуляторы. При температуре топлива свыше 50°С контакты автоматического выключателя 17 с тепловым (биметаллическим) элементом разомкнутся, электрическая лампа 15 погаснет, электрический ток в нагревательную спираль 13 поступать не будет. Дизельное топливо будет остывать, при этом тепловые аккумуляторы будут отдавать тепловую энергию топливу, так как при конденсации паров эфира в жидкость выделяется значительное количество теплоты [1]. При охлаждении топлива до 30°С контакты автоматического выключателя замкнутся и процесс нагрева топлива и зарядки тепловых аккумуляторов будет повторяться.
Активная масса 29, находящаяся в цилиндре 28 термостата, будет находиться в твердом состоянии и занимать незначительный объем. Усилие от пружины 30 будет передаваться на поршень 27, который в цилиндре 28 термостата опустится вниз. При перемещении поршня 27 вниз в этом же направлении опустятся шток 25, цилиндрический патрубок 4 и коническая воронка 3 с теплоизоляцией 7. Отверстия 9, 10 и 11 цилиндрического патрубка, внутренней трубы 5 и теплоизоляции 7 будут совмещены, а коническая воронка 3 своей поверхностью будет соприкасаться с наружной трубой 2. Кольцевой зазор между конической воронкой 3 и наружной трубой 2 будет отсутствовать.
При нахождении поршня 27 термостата в нижнем положении постоянный магнит 36, закрепленный на поршне 27, будет находиться напротив контактов геркона 34, которые замкнутся, и электрический ток будет поступать от источника постоянного тока 35 в ультразвуковой генератор 33.
Дизельное топливо из дренажной магистрали 1 поступает в полость 12 подогрева топлива смесителя нагретого и ненагретого топлива, где нагревается и поддерживается в температурном диапазоне от +30 до +50°С. Так как полость 12 подогрева топлива изолирована от окружающего воздуха и топлива в баке слоями изоляции 6, 7 и 8, то температура в указанных пределах сохраняется некоторое время даже после остановки дизеля за счет передачи теплоты топливу от тепловых аккумуляторов 18.
Топливо из полости 12 смесителя вытекает через отверстия 9, 10 и 11 цилиндрического патрубка 4, внутренней трубы 5 и теплоизоляции 7 конической воронки 3 в цилиндрический патрубок 4 и из него в заборный трубопровод 31. При этом перепускной клапан 20 закрыт, так как на него действуют подъемная сила поплавка 21 и давление топлива со стороны цилиндрического патрубка 4. Подъемная сила поплавка 21 имеет значительную величину вследствие увеличенной плотности охлажденного топлива, находящегося в топливном баке.
В том случае, если дизель работает на режимах с увеличенным расходом топлива (средние и полные нагрузки), то уровень топлива в цилиндрическом патрубке 4 под перепускным клапаном 21 будет уменьшаться. Это приведет к понижению давления, действующего на нижнюю часть перепускного клапана 21. Вследствие этого перепускной клапан 21 откроется и через отверстие 19 в цилиндрический патрубок 4 будет поступать топливо до тех пор, пока действием подъемной силы поплавка 23 и силы давления топлива со стороны цилиндрического патрубка 4 перепускной клапан не закроется. Применение поплавка 23 и перепускного клапана 20 обеспечивает дозированную подачу охлажденного топлива из бака в дополнение к нагретому топливу, поступающему из полости подогрева топлива. Таким образом, в заборный трубопровод будет поступать охлажденное топливо из бака в ограниченном количестве.
При течении топлива в заборном трубопроводе 31 в топливо через гибкий проволочный волновод 32 испускаются ультразвуковые волны с частотой колебаний от 20 до 1 кГц. Если топливо замерзло, то по мере разогрева проволочного волновода 32 вокруг него возникает кольцевой микроканал, обеспечивающий перетекание топлива от смесителя дизельного топлива к топливному насосу высокого давления. При этом в топливе возникают кавитационные явления, которые разрушают его кристаллизационную фазу, переводя ее в жидкую. Ширина проходного сечения канала постепенно увеличивается, и топливо будет свободно перетекать по топливопроводу. При температуре топлива -36°С для восстановления истечения топлива по топливопроводу требуется не более 30 секунд работы ультразвукового генератора. При этом потребляемая мощность ультразвукового генератора составляет не более 130 Вт [2].
Перед пуском дизеля в зимний период водитель должен обеспечить подачу электрической энергии в электрическую нагревательную спираль 13 для разогрева топлива в полости 12 путем замыкания контактов включателя 16. При этом электрическая лампа 15 будет гореть. При достижении в полости 12 температуры топлива +50°С контакты автоматического выключателя 17 с тепловым (биметаллическим) элементом разомкнутся, электрическая лампа 15 погаснет, что будет свидетельствовать о готовности смесителя к работе.
Для разогрева топлива в заборном трубопроводе 31 необходимо обеспечить питание ультразвукового генератора 33 электрической энергией. Для этого необходимо замкнуть контакты включателя 37 и через 30 секунд произвести пуск дизеля. После остановки дизеля необходимо выключить включатели 16 и 37. При этом электрический ток в электрическую нагревательную спираль 13 и в ультразвуковой генератор 33 поступать не будет. Дизельное топливо, находящееся в полости смесителя, получает дополнительную теплоту от тепловых аккумуляторов 18. При температуре +35,6°С диэтиловый эфир (C2H5)2O, находящийся в тепловых аккумуляторах 18 в парообразном состоянии, будет конденсироваться, и при этом дизельному топливу будет передано дополнительное количество теплоты. Потери тепла от смесителя в окружающую среду будут минимальны в связи с тем, что его поверхности покрыты слоями теплоизоляции 6, 7 и 8. Это обеспечивает текучесть топлива и надежный пуск дизеля после остановки при низких температурах окружающего воздуха. В случае замерзания дизельного топлива в топливном баке разрушения поплавка 23 не произойдет, так как он выполнен из резины, которая будет деформироваться.
Таким образом, использование предлагаемой конструкции смесителя обеспечивает надежную подачу дизельного топлива в цилиндры дизеля как летом, так и зимой, повышение мощности и экономичности двигателя, снижение износа трущихся деталей топливной аппаратуры, снижение трудозатрат при переходе с одного сезона эксплуатации на другой. Применение предлагаемого смесителя даст возможность применения летнего дизельного топлива и в зимний период эксплуатации при условии подогрева других элементов системы питания дизеля различными способами подогрева. Использование летнего дизельного топлива в зимний период эксплуатации позволит упростить снабжение потребителей дизельным топливом.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Енохович А.С. Справочник по физике и технике. - М.: Просвещение, 1989, 224 с.
2. Журнал «Автомобильная промышленность» №4, 2003 г., - М.: Машиностроение, 40 с.
Смеситель дизельного топлива, содержащий закрепленную внутри нижней части бака наружную трубу с подводящей дренажной магистралью нагретого топлива и установленную внутри наружной трубы внутреннюю трубу с конической воронкой для поступления топлива из бака, соединенную с заборным топливопроводом, при этом коническая воронка выполнена с возможностью перемещения вдоль оси внутренней трубы и снабжена соединенным с ней цилиндрическим патрубком со штоком, отличающийся тем, что поверхности конической воронки, внутренней и наружной труб покрыты теплоизоляцией, а в полости подогрева топлива, образованной между наружной трубой и теплоизоляцией конической воронки, размещены тепловые аккумуляторы, электрическая нагревательная спираль и автоматический выключатель с тепловым (биметаллическим) элементом, причем электрическая нагревательная спираль и автоматический выключатель соединены с источником постоянного тока и включателем, а шток соединен с цилиндрическим патрубком и с поршнем, установленным в цилиндре термостата, над поршнем установлена пружина, в заборном трубопроводе установлен гибкий проволочный волновод, соединенный с ультразвуковым генератором, включающийся в работу с помощью геркона и постоянного магнита, закрепленного на поршне термостата.
