Пристрій ультразвукової дообробки палива в двигунах внутрішнього згоряння

42827 Винахід відноситься до пристроїв ультразву-кового розпилення рідин. Найбільш доцільно використовувати винахід в двигунах внутрішнього зго-ряння для ультразвукової дообробки палива. Відомо, що економічність двигуна внутрішньо-го згоряння і токсичність його вихлопних газів в значній мірі залежать від повноти згоряння палива в двигуні, що в свою чергу залежить від якості під-готовки паливо-повітряної суміші, тобто від диспе-рсності розпилення палива і рівномірності його пе-ремішування з повітрям. Найближчим до пропонованого по сукупності ознак та технічного результату є пристрій гомоге-нізації паливо-повітряної суміші двигуна внутріш-нього згоряння (А.с. СРСР № 1460387, F02M27/04, 1989, Бюл. № 7), що вміщує порожнисту циліндри-чну вставку, встановлена співвісно з каналом змі-шувальної камери, розміщена в прокладці між змі-шувальною камерою та впускним трубопроводом двигуна і зв'язана через концентратор ультразву-кових коливань з п'єзоелектричним перетворюва-чем, підключеним до електричного генератора збудження. Цей пристрій вже здатен розпилювати паливну плівку, яка утворюється на стінках змішу-вальної камери, до його складу не входить громіз-дка і складна вставка. Вставка стала порожнистою циліндричною, одначе зберігся кільцевий п'єзо-електричний перетворювач з недоліками, розгля-нутими в попередній конструкції. П'єзоелемент, знов таки, знаходиться в зоні підвищеної темпера-тури, хоча й змістився в напрямку зниження тем-ператури. Концентратор ультразвукових коливань, що збільшує їх амплітуду, виконаний за рахунок прорізів на вставці. В умовах ультразвукових ко-ливань такі прорізи призводять до утворення мік-ротріщин та швидкого руйнування конструкції, ула-мки якої можуть безперешкодно потрапити у всмо-ктуючий колектор і пошкодити поверхні клапанів двигуна. Кріплення порожнистої циліндричної вставки до прокладки торцевою поверхнею призводить до зниження ефективності коливань, оскі-льки частина ультразвукової енергії йде в прокла-дку і розсіюється, а коливання демпфуються. В ре-зультаті коефіцієнт корисної дії пристрою, що роз-глядається, невисокий, В основу винаходу поставлено задачу розроб-ки пристрою ультразвукової дообробки палива двигуна внутрішнього згоряння шляхом встанов-лення порожнистої циліндричної вставки в про-кладку мій змішувальною камерою і впускним тру-бопроводом і її зв'язок через концентратор ультразвукових коливань з п'єзоелектричним перетво-рювачем для забезпечення високоефективного розпилення паливної плівки, високої надійності, довговічності, простоти й технологічності конст-рукції. Для рішення поставленої задачі в пристрої ультразвукової дообробки палива, що має порож-нисту циліндричну вставку, встановлену співвісно з каналом змішувальної камери, розміщену в про-кладці між змішувальною камерою і впускним тру-бопроводом двигуна і зв'язану через концентратор ультразвукових коливань з п'єзоелектричним пе-ретворювачем, що підключений до електричного генератора збудження, згідно винаходу, порожни-ста вставка розміщена із зазором в наскрізному отворі прокладки, який на верхній площині про-кладки має захисний поясок, що прикриває верхній торець циліндричної вставки, причому внутрішній діаметр циліндричної вставки менший за діаметр захисного пояска, а своєю зовнішньою боковою поверхнею циліндрична вставка за допомогою бо-лта, головка якого розміщена у внутрішній порож-нині вставки і під якою встановлена шайба, прикрі-плена до виконаного з потовщенням вихідного торця ультразвукового концентратора коливань, при-чому поверхні потовщення і шайби, що сполучені з циліндричною вставкою, виконані циліндричними, а ультразвуковий концентратор із п'єзоелектрич-ним перетворювачем встановлені з зазором в роз'ємному в поперечній площині корпусі і закріп-лені в передній частині корпуса, яка герметично зафіксована в каналі, що з'єднує наскрізний отвір прокладки з її боковою поверхнею. Розміщення порожнистої циліндричної вставки в прокладці з зазором дозволяє ліквідувати кон-такт його поверхні з прокладкою, що виключає втрати ультразвукової енергії. Захисний поясок прокладки захищає верхній торець вставки від ко-нтакту з патрубком змішувальної камери під час монтажу пристрою на двигуні і, окрім того, запобі-гає витіканню паливної плівки в зазор між зовніш-ньою боковою поверхнею вставки та наскрізним отвором прокладки, крім того усуває гідравлічний тиск потоку паливо-повітряної суміші на вставку. Кріпиться циліндрична вставка тільки до вихідного утовщеного торця ультразвукового концентратора коливань. При цьому виконання сполучених пове-рхонь утовщення торця концентратора і шайби під головкою болта, циліндричними забезпечує най-більш якісну передачу ультразвукової енергії від концентратора до циліндричної вставки і простоту виготовлення. Тій же цілі служить і утовщення на вихідному кінці концентратора. Розміщення п'єзо-елементів поза прокладкою дозволяє повністю ви-нести їх із зони підвищеної температури і полег-шити їх підключення до електричного генератора збудження. Для фіксації концентратора ультразву-кових коливань з п'єзоелектричним перетворюва-чем і циліндричною вставкою відносно прокладки він встановлений з зазором в роз'ємному в попе-речній площині корпусі і закріплений в його перед-ній частині, яка герметично зафіксована в каналі прокладки. Герметичність при фіксуванні корпуса виключає підсмоктування повітря в область каме-ри сумішоутворення, що призвело б до порушення процентного співвідношення палива і повітря. При цьому концентратор ультразвукових коли-вань може бути виконаний ступінчатим, а довжина його уступа більшої площі разом з п'єзоелектрич-ним перетворювачем - дорівнює одній чверті дов-жини хвилі резонансних поздовжніх коливань, час-тота яких дорівнює резонансній частоті радіально-згинаючих коливань циліндричної вставки. При цьому закріплення концентратора в корпусі вико-нано в місці переходу уступу більшої площі в уступ меншої площі. Це дозволяє забезпечувати мініма-льні габарити конструкції, врівноважувати його ві-бруючу частину і добитися максимального к.к.д. при передачі ультразвукової енергії до циліндрич-ної вставки без втрат в місці закріплення, так як при такій конструкції в місці переходу уступа біль-шої площі в уступ меншої площі знаходиться вуз-лова точка коливань, закріплення в якій робить найменший вплив на роботу ультразвукового кон-центратора. 42827 Закріплення ультразвукового концентратора в корпусі може бути реалізовано, як варіант, за допомогою полімерного ущільнення, розміщеного в зазорі між концентратором і корпусом або за до-помогою фланця, створеного на концентраторі і зафіксованого в корпусі. В прокладці під циліндричною вставкою мо-жуть бути виконані виступи, що прикривають ниж-ній торець циліндричної вставки. Ці виступи фік-сують вставку в площині прокладки, спрощують технологію складання. Крім того в прокладці по осі циліндричної вставки може бути закріплений конусоподібний направляючий апарат, який розміщений вище цилін-дричної вставки, а його гостра вершина направле-на назустріч потоку паливо-повітряної суміші. На-правляючий апарат дозволяє направити потік па-ливоповітряної суміші від центру на поверхню ци-ліндричної вставки і, тим самим, забезпечити до-даткове розпилення основного потоку паливо-повітряної суміші, що приведе до підвищення ефе-ктивності пристрою. В верхньому захисному пояску прокладки мо-же бути встановлене кільце з еластичним фарту-хом, що покриває верхню частину циліндричної вставки і звисає в її внутрішню порожнину. Фартух повністю виключає протікання паливної плівки в зазор між наскрізним отвором прокладки і зовніш-ньою поверхнею циліндричної вставки, а його еластичність не знижує ефективності коливань вставки. При цьому в прокладці може бути виконано декілька наскрізних отворів, що розміщені під змішувальними камерами, а циліндрична вставка розміщена в наскрізному отворі тільки під голо-вною змішувальною камерою. Так як головна (пер-винна) змішувальна камера, наприклад, двохка-мерного карбюратора, працює при низьких обер-тах двигуна, що найбільш характерно для міського циклу їзди, і саме в головній змішувальній камері найгірші умови для розпилення палива, то й вста-новлювати циліндричну вставку доцільно в голо-вній змішувальній камері, чим забезпечується його максимальна ефективність. Сутність винаходу пояснюється рисунками, де на фіг. 1 пристрій, що встановлений в наскрізному отворі прокладки під первинною камерою карбю-ратора; фіг. 2 - вид А з фіг. 1 на вузол закріплення циліндричної вставки до потовщеного кінця ульт-развукового концентратора; фіг. 3 - пристрій із сту-пінчатим концентратором, що додатково забезпе-чений направляючим апаратом, еластичним фар-тухом і виступами під циліндричною вставкою; фіг. 4 - вид В з фіг. 3 на варіант закріплення кону-соподібного направляючого апарату до прокладки; фіг. 5 - вид Б із фіг. 3 на варіант виконання висту-пів, що прикривають торець циліндричної вставки. Пристрій ультразвукової дообробкипалива складається (фіг. 1) із прокладки 1, що встановле-на між змішувальною камерою 2 і всмоктуючим колектором 3. В наскрізному отворі прокладки 1 співвісно з каналом змішувальної камери 2 встановлена по-рожниста циліндрична вставка 4. Наскрізний отвір прокладки 1 на верхній своїй площині має захис-ний поясок, що прикриває верхній торець цилінд-ричної вставки 4. При цьому вставка 4 встановле-на в наскрізному отворі прокладки 1 з зазором, а її внутрішній діаметр dв менший за внутрішній діа-метр dЗ захисного пояска. Вставка 4 своєю зовні-шньою боковою поверхнею з допомогою болта 5 закріплена до виконаного з потовщенням вихідно-го торця 6 ультразвукового концентратора коли-вань 7. При цьому головка болта 5 розміщена у внутрішній порожнині вставки 4 і під нею встанов-лена шайба 8. Сполучені із вставкою 4 поверхні потовщення 6 і шайби 8 виконані циліндричними (фіг. 2). Ультразвуковий концентратор 7 з п'єзоелект-ричним перетворювачем, що має п'єзокерамічні шайби 9, встановлений з зазором в корпусі, який виконаний роз'ємним в поперечній площині і скла-дається із передньої 10 і задньої 11 частин. За до-помогою проводів 12 п'єзоелектричний перетво-рювач підключений до електричного генератора збудження (на рисунку умовно не показаний). Ультразвуковий концентратор 7 закріплений в передній частині 10 корпусу, а вона, в свою чергу, герметично зафіксована в каналі, що з'єднує на-скрізний отвір прокладки 1 з її боковою поверхнею. Канал може бути виконаний, наприклад, в виді па-за, в якому передня частина корпусу 10 фіксується за допомогою вставки 13. Це дозволяє збирати і регулювати ультразвуковий концентратор з встав-кою без прокладки 1, потім по потребі вклеїти в прокладку необхідної конфігурації. При виконанні каналу в виді циліндричного отвору (фіг. 3) вида-ляється вставка 13, але складання і налагодження приходиться проводити разом із прокладкою 1. Концентратор ультразвукових, коливань 7 мо-же бути виконаний ступінчатим (фіг. 1, фіг. 3), при чому довжина уступа більшої площі разом з п'єзо-електричним перетворювачем дорівнює одній чве-рті довжини хвилі 14 (фіг. 3) резонансних поздов-жніх коливань. При цьому частоту резонансних по-здовжніх коливань вибирають рівною резонансній частоті радіально-згинальних коливань циліндрич-ної вставки 4. Закріплення такого концентратора в передній частині 10 корпуса виконують у вузловій точці коливань, тобто в місці переходу ступені бі-льшої площі в ступінь меншої площі. Закріплення може бути виконано, наприклад, за допомогою по-лімерного утовщення 15 (фіг. 1), поміщеного в за-зор між корпусом 10 і концентратором, або за до-помогою фланця 16 (фіг. 3), який фіксується в пе-редній частині 10 корпуса. В прокладці 1 під циліндричною вставкою 4 виконують виступи, що частково прикривають ни-жній торець вставки 4 (фіг. 5). Це може бути вико-нано за допомогою встановленого в прокладці 1 кільця 17 (фіг. 3, фіг. 5), що має виступи 18 на вну-трішньому діаметрі. В прокладці 1 по осі циліндричної вставки 4 закріплений конусоподібний направляючий апа-рат 19, при чому він розміщений вище вставки 4 і його гостра вершина направлена назустріч потоку паливо-повітряної суміші. Кріплення направляючо-го апарату 19 може бути виконане на кільці 20 (фіг. 4) з допомогою радіальних перемичок. Кіль-це 20 встановлюють в захисному пояску про-кладки 1. 42827 В захисному пояску прокладки 1 встановлено також кільце 21 (фіг. 3) з еластичним фартухом, що покриває верхню частину циліндричної встав-ки 4 і звисає в її внутрішню порожнину. В прокладці 1 може бути виконано декілька на-скрізних отворів, що розміщені під змішувальними камерами. Наприклад, у випадку двохкамерного карбюратора в прокладці і виконують два наскріз-них отвори. При цьому циліндричну вставку роз-міщують тільки в наскрізному отворі під головною змішувальною камерою. Працює пристрій ультразвукової дообробки наступним чином. Від електричного генератора збудження синусоїдна напруга поступає на п'єзо-електричний перетворювач, що приводить до ви-никнення періодичних пружних деформацій п'єзо-елементів 9. Деформації підсилюються по амплітуді з до-помогою концентратора 7 ультразвукових коли-вань. В п'єзоелектричному перетворювачі з конце-нтратором встановлюється стояча хвиля 14 по-здовжніх пружних деформацій. Максимальна амп-літуда деформацій знаходиться в площині вихід-ного торця 6 концентратора 7. В цьому місці про-ходить передача ультразвукової енергії в цилінд-ричну вставку 4. В результаті у вставці 4 виника-ють радіально-згинальні пружні коливання. Мак-симальна ефективність такої акустичної системи досягається у випадку, коли вибором геометрич-них розмірів вдається досягнути акустичного узго-дження всіх частин системи. Утримується акустич-на система, що коливається в корпусі з допомогою фланця 16 або полімерного ущільнення 15. Потік паливо-повітряної суміші, коли проходить через заслінку змішувальної камери, то притискується до стінок змішувальної камери. В результаті конденсації на стінках змішувальної камери осідають ве-ликі краплі палива і з'являється паливна плівка, що стікає вниз через захисний поясок прокладки 1 на внутрішню поверхню вставки 4. В результаті ультразвукових резонансних коливань вставки па-ливо з поверхні вставки розпилюється у вигляді дрібнодисперсного аерозолю, що захоплюється потоком паливо-повітряної суміші і відноситься у впускний трубопровід 3. Так як розпилення палив-ної плівки проходить в напрямі нормальному до поверхні вставки 4 і потоку паливоповітряної су-міші, то при цьому досягається і висока ступінь го-могенізації, тобто перемішування паливоповітря-ної суміші, а також активація її. Використання конусоподібного направляючого апарату 19 дозволяє направити на вібруючу розпилюючу поверхню основну масу потоку паливо-повітряної суміші. При цьому підвищується якість підготовки паливо-повітряної суміші. Кільце 21 з еластичним фартухом не дозволяє паливній плівці попадати в зазор між наскрізним отвором прокла-дки 1 і вставкою 4. 42827 Фіг. 1 Фіг. 2 42827 Фіг. 3 Фіг. 4 Фіг. 5