ВИХРЕВОЙ СМЕСИТЕЛЬ

Настоящая статья посвящена конструктивной проработке различных вариантов вихревых гомогенизаторов топливо- воздушной смеси (ТВС ) для инжекторных ДВС и обсуждению принципов их работы и эффективности для улучшения приемистости, топливной экономичности и экологии самых распространенных ДВС автотранспорта. Ранее в статьях /1,2/ автором уже рассмотрена ми решена эта актуальная проблема автотранспорта в самом широком научно техническом аспекте и даны теоретические предпосылки и математические модели с обоснованием полезности этого радикального технического новшества. В настоящей статье приведены результаты конструктивной разработки и испытаний таких вихревых гомогенизаторов Основные технические решения этих устройств запатентованы автором ранее /3,4/
Вихревое смешивание компонентов ТВС на срезе форсунки, путем тангенциального введения дополнительного воздуха и выхлопных очищенных газов, как показали наши опыты, позволяет существенно улучшить гомогенность ТВС и достичь поставленных целей указанных в начале статьи.

Схематическое изображение места установки завихрителя ТВС

Расход топлива , при правильном конструировании и изготовлении вихревого смесителя -снижается на 20-30%. Приемистость ДВС повышается на эту же величину а токсичность выхлопных газов снижается в разы
Где устанавливается вихревой смеситель ТВС ?

Размещение предлагаемого вихревого смесителя ТВС во впускном тракте инжекторного ДВС упрощенно показано в виде блок- схемы на рис. 1

Схематическое изображение места установки завихрителя ТВС
1 – Впускной коллектор; 2 – Форсунка; 3 – Головка блока; 4 – Впускной клапан; 5 – Завихритель; 6 – Внутренняя воздушная полость завихрителя; 7 – Зона действия вихревого потока .

КРИТИКА СУЩЕСТВУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТВС В СЕРИЙНОМ ИНЖЕКТОРНОМ ДВС

Известное устройство приготовления топливовоздушной смеси в инжекторных двигателях внутреннего сгорания (ДВС) содержат штатный впускной коллектор и блок топливных инжекторов, соединенных с этим впускным коллектором прототип (Руководство по техническому обслуживанию и ремонту инжекторных ДВС марки ВАЗ), М., Русьавтокнига, 2005г. с.16, рис.13-08).

При всех достоинствах прототипа, существующее устройство приготовления топливовоздушной смеси не обеспечивает эффективное смешивания компонентов топливной смеси, поскольку инжекторы размещены в непосредственной близости от впускных клапанов ДВС, и поэтому не обеспечивает ее высокое качество смешивания, и как следствие, не обеспечивает достаточную полноту ее сжигания в камерах сгорания тепловых двигателей, что приводит к перерасходу топлива и повышенной токсичности выхлопных газов инжекторного ДВС.

ЧТО ДАЕТ ВИХРЕВОЙ СМЕСИТЕЛЬ ТВС И КАК ОН УСТРОЕН ?

Технический результат предлагаемого устройства вихревого гомогенизатора состоит в конструктивном усовершенствовании известной системы приготовления топливовоздушной смеси для инжекторных ДВС, достаточным для получения гомогенной ТВС высокого качества. Указанный технический результат достигается тем, что известное устройство приготовления топливовоздушной смеси в инжекторном ДВС, (гомогенизатор), содержащий впускной коллектор с выходными отверстиями и инжекторы топлива, введенные через дополнительные отверстия внутри впускного коллектора, выполнен в виде вихревого смесителя компонентов топливной смеси , конструктивно совмещенного с впускным коллектором посредством его размещения внутри выходного отверстия впускного коллектора и плотного консольного закрепления части внешнего цилиндрического корпуса смесителя внутри него, причем наружная поверхность цилиндра этого вихревого смесителя имеет сквозную проточку от консоли по всей длине вихревого смесителя с диаметром проточки, меньшим диаметра внутреннего отверстия этого коллектора на величину, достаточную для образования цилиндрической полуоткрытой смесительной камеры между ней и внутренней поверхностью впускного коллектора , причем внутренняя поверхность этого вихревого смесителя выполнена в виде модернизированного сопла Лаваля с двумя усеченными конусами, развернутыми малыми отверстиями друг к другу и цилиндрической проточкой между ними , в которой по периметру размещены наклонные отверстия в корпусе этого смесителя , тангенциально соединяющие через равные углы эту внутреннюю цилиндрическую полость в сопле Лаваля со упомянутой цилиндрической внешней полуоткрытой смесительной камерой, причем в корпусе впускного коллектора имеются дополнительные отверстия в зоне размещения смесителя , соединяющие упомянутую полуоткрытую смесительную камеру с атмосферный воздухом , очищенными выхлопными газами и водяным паром, причем выходной конус сопла Лаваля внутри вихревого смесителя имеет диаметр, равный диаметру отверстия впускного коллектора, а сумма диаметра входного конуса сопла Лаваля и двух высот полуоткрытой смесительной камеры также равна величине диаметра проходного отверстия впускного коллектора , причем диаметры и углы наклона всех этих отверстий во впускном коллекторе и вихревом смесителе , а также размеры отверстий и углы наклона конусов в модернизированном сопле Лаваля взаимосвязаны и выбираются из условия создания этим устройством вихревых потоков с направлением и скоростью, достаточным для получения на выходе гомогенизатора топливовоздушной смеси наилучшего качества.

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВИХРЕВОГО СМЕСИТЕЛЯ ТВС, СОВМЕЩЕННОГО
С ВПУСКНЫМ КОЛЛЕКТОРОМ ИНЖЕКТОРНОГО ДВС

Предлагаемый вихревой смеситель ТВС, конструктивно совмещенный с впускным коллектором показан на рис.2 (фронтальный вид в разрезе).

Дополнительные буквенные обозначения на фиг.2:

Т1 – топливо (подача через инжектор 12 ДВС
Т2 – часть топлива в режиме закрутки через отверстия смесителя
В1 – главный поток воздуха (из ресивера ДВС– не показан на рисунке)
В2 – дополнительный поток воздуха для закрутки и смешивания ТВС (из ресивера)
В3 – часть главного потока воздуха В1, поступающая в полуоткрытую смесительную камеру 11 для закрутки через отверстия 9 этого смесителя
ТВС – топливо-воздушная смесь.
ТВС1, ТВС2 – зоны вихревого смешивания Т+В в сопле Лаваля внутри вихревой камеры 4
ТВС3 – готовая вихревая гомогенная топливная смесь перед подачей в ДВС Стрелками показано направления вращения ТВС

Рис.2 Конструкция вихревого смесителя ТВС, совмещенного с впускным коллектором инжекторного ДВС

Вихревой совмещенный гомогенизатор топливовоздушной смеси (ТВС) для инжекторного ДВС (сам блок цилиндров ДВС не показан) содержит впускной коллектор 1 с внутренним отверстием 2, вихревой гомогенизатор 3, конструктивно совмещенный с корпусом впускного коллектора1 и выполненный в виде вихревого смесителя 4 компонент топливовоздушной смеси (перечень их обозначений ниже), с его цилиндрическим корпусом, имеющим внешнюю консоль 10, и внутренним отверстием в виде модернизированного сопла Лаваля 5, имеющем входной конус 6, выходной конус 7, и соединяющих их внутренний цилиндр 8, соединенный наклонными отверстиями 9 на его внутренней боковой поверхности с полуоткрытой цилиндрической смесительной камерой 11, образованной между внутренней боковой поверхностью отверстия 2 впускного коллектора 1 и проточкой снаружи вихревого смесителя 4 причем вихревой смеситель 4 размещен внутри впускного коллектора 1 со стороны его выхода на внешней консоли 10 его корпуса 10, плотно вставленной внутрь отверстия 2 впускного коллектора 1 с его выходной стороны. Во впускном коллекторе 1 размещены также топливный инжектор 12 и два штуцера 13, 14 вставленные в его дополнительные отверстия, в зоне размещения внутри него вихревого смесителя 4 соединяющие атмосферу и полуоткрытую смесительную камеру 11, причем эти отверстия выполнены тангенциальными по отношению к внутренней поверхности впускного коллектора 1.

РАБОТА УСТРОЙСТВА ВИХРЕВОГО ГОМОГЕНИЗАТОРА ТВС

Устройство (рис.2) работает следующим образом. Во входное рабочее отверстии 2 впускного коллектора 1 инжекторного ДВС подают воздух В1 из атмосферы через главный воздушный фильтр и ресивер(не показаны на рис.). Далее этот воздух В1 и топливо Т1 из отверстия топливного инжектора 12 движутся по впускному коллектору 1, частично перемешиваются и поступают в гомогенизатор 3, конкретно, в вихревой смеситель 3, причем одновременно в его входной конус 6 сопла Лаваля 5 и частично в полуоткрытую смесительную цилиндрическую камеру 11 вихревого смесителя 4. Одновременно в эту камеру 11 подают и дополнительный воздух из атмосферы через штуцер 13, вставленный в отверстие во впускном коллекторе.1. В результате, данные компоненты ТВС начинают вращаться в этой смесительной камере 11 поступающим тангенциально в нее дополнительным воздухом В2 Посредством образованного вихревого потока воздуха В2, подаваемого тангенциально в полуоткрытую кольцевую смесительную камеру 11, воздушные вихри В1, В2 и В3 и частично и топливо Т2 перемешивают внутри нее и подготовленная, хорошо перемешанная топливовоздушная смесь поступает далее через наклонные тангенциальные каналы 9, образующие в корпусе вихревого смесителя 4 вихревую форсунку , формирующая в рабочем цилиндрическом отверстии 8 вихревого смесителя 4, аэродинамический вихрь в котором топливная смесь ТВС1 дополнительно закручивается и интенсивно перемешивается также с главным воздушным потоком В1 .Модернизированное сопло Лаваля 5, введенное в вихревой смеситель обеспечивают также дополнительное эффективное дробление капель топлива благодаря двойному скачку давления потока ТВС при его входе и выходе из него. В результате многоступенчатого вихревого перемешивания топлива с воздухом в описанном устройстве гомогенизатора 3 посредством вихревого смесителя 4 с модернизированным соплом Лаваля 5 –капли топлива активно дробятся и перемешиваются с главным потоком воздуха В1 и добавочным потоками воздуха В2, 3 причем основная гомогенизация ТВС протекает двухступенчато – сначала начинается вихревое перемешивание ТВС 1 в полом цилиндре 8 сопла Лаваля внутри смесителя 4 , потом перемешивание ТВС2 продолжается в выходном конусе 7 сопла Лаваля 5.

К чему это приводит?

В итоге интенсивного вихревого смешивания компонентов ТВС на выходе вихревого гомогенизатора 3 на его выходе получается практически однородная гомогенная топливная смесь ТВС 3, причем практически идеального качества на любых режимах работы ДВС. Этому весьма способствует и введенное в конструкцию сопло Лаваля которое создает дополнительный эффект дробления капель топлива из- за скачка давления в нем…

Как следствие, благодаря данной конструкции вихревого смесителя с соплом Лаваля, достигается существенное повышение полноты сгорания такой гомогенной топливной смеси внутри камер сгорания ДВС и, как следствие, существенно (на 20-30%)снижается расход топлива , повышается приемистость автомотора и в разы снижается токсичность выхлопных газов инжекторного ДВС.

РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИИ ВИХРЕВОГО СМЕСИТЕЛЯ – «РУССКИЙ ТУРБОНАДДДУВ»

Блок-схема этого модернизированного вихревого смесителя показана на рис. 3.

Как видно из блок –схемы (рис.3), в модернизированном его варианте в вихревой смеситель инжекторного ДВС подаются через раздельные штуцеры и топливо от инжекторов ,и дополнительный воздух их атмосферы и выхлопные газы и водяной пар- под давлением причем в нужных пропорциях и в итоге образуется новая синтетическая гомогенная ТВС..
Выхлопные газы для русского турбонаддува вначале очищают путем барбатирования воды горячими ВГ ( температура ВГ на выпускном срезе ДВС порядка 500 град)в специальной емкости типа скороварки.

И в ней же заодно увлажняют ВГ и получают на ее выходе в дозированном количестве перегретый водяной пар насыщенный ВГ-в специальной теплостойкой емкости с водой с двумя штуцерами входным- для ввода в воду –ближе к дну -первичных горячих ВГ и выходным штуцером – ближе к верхней герметичной крышке данной испарительно фильтрационной емкости для выпуска под давлением водяного пара, насыщенного очищенными ВГ И затем заводят эту полученную парогазовую смесь в вихревой смеситель наряду с топливом и дополнительным воздухом (рис.3).

В результате такой существенной модернизации конструкции вихревого смесителя(русский турбонаддув) согласно рис.3 в инжекторном ДВС может быть реализованы, как показывают расчеты и первичные опыты, еще более существенная экономия бензина (до 50-70%) при повышении приемистости на 40-50%.

Для реализации этого продвинутого варианта конструкции вихревого смесителя синтетической он снабжается дополнительными вводными отверстиями и дополнительными штуцерами (см. рис.3) через раздельные штуцеры вставленные в отверстия в каждом впускном коллекторе, соединенным с рабочей полостью собственного вихревого смесителя следует подавать в эти полости в дозированном количестве и соотношении топливо с инжектора и водяной пар (ВП) и очищенные выхлопные газы (ВГ) требуемой дозировки. Поскольку в этом варианте приготовления и подачи ТВС возникает эффект «русского турбонаддува» – т.е. значительно увеличения величины удельного гомогенного топливного заряда, подаваемого в камеры сгорания ДВС при одновременном снижении расхода топлива. (режим квазитурбонаддува) И в итоге реализации данного форсированного режима подачи, и завихрения вместе с традиционными компонентами ТВС, еше и части очищенных выхлопных газов и водяного пара через этот гомогенизатор и интенсивного перемешивания новой обедненной синтезированной новой топливной смеси ТВС3 =В1+Т1+ВП+ВГ и ее последующего введения в камеры сгорания эффективность работы вихревого гомогенизатора усиливается еще на 20-30% по сравнению с первым режимом исходно без введения ВП+ВГ) одновременно эффекты экономии топлива и повышения приемистости ДВС при дополнительном снижении токсичности ВГ.

В пусковых и нештатных ситуациях вводные штуцеры 14 могут быть заглушены. Важным достоинством предлагаемого гомогенизатора ТВС является его работоспособность практически на всех режимах ДВС.

Вихревой карбюратор Дудышева

Рис. 3. Вихревой карбюратор Дудышева

МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ ВИХРЕВОЙ СМЕСИТЕЛЬ ТИПА «РУССКИЙ ТУРБОНАДДУВ»

Пояснения к рис.3.
Модернизированный вихревой смеситель ТВС может быть выполнен в виде отдельного узла и должен быть потом установлен на выходе впускного коллектора ДВС. Во втором совмещенном варианте он может быть выполнен в совмещенном варианте в единой композиции с конструкцией впускного коллектора инжекторного ДВС (д.б.вставлен в выходные отверстия впускного коллектора инжекторного ДВС).

Фото опытного образца вихревого смесителя ТВС для инжекторных ДВС

Фото опытного образца вихревого смесителя ТВС для инжекторных ДВС

Фото опытного образца вихревого смесителя ТВС для инжекторных ДВС

ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ ВИХРЕВЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ ТВС

Изготовлены опытные образцы таких вихревых смесителей ТВС различных конструкций и проведены их сравнительные стендовые и натурные ездовые испытания.

Как проводились эти испытания вихревого гомогенизатора инжекторного ДВС?. Естественно, сначала были замерены посредством бортового компьютера основные параметры исправного инжекторного ДВС с обычным впускным коллекторомв ездовом цикле на определенной трассе и потом те же параметры с модернизированным, совмещенным с вихревым смесителем на той же трассе. Были проведены замеры расхода топлива, приемистости мотора и токсичности выхлопных газов ДВС в обоих случаях с вихревым экотопом во впускном коллекторе такого ДВС на авто ВАЗ 21110 и без него посредством бортового РС.

Токсичность ВГ ДВС измерялась прибором «Автотест»

Испытания вихревого смесителя инжекторного ДВС проводились на авто ВАЗ 211110 два месяца при ежедневной езде на расстояния от 50 до 400 км по различным ездовым режимам, включая городской цикл. Замеры записывались в бортовой журнал и потом обобщались и усреднялись в зависимости от качества бензина, типа трассы, режима езды вида ездового цикла , и даже ,от погодных условий. Ходовые испытания вихревого смесителя на серийном инжекторном ДВС показали, что усредненная экономия бензина в городском цикле езды авто с таким вихревым устройством приготовления ТВС во впускном коллекторе ДВС составляет среднем 20-30% при одновременном повышении приемистости автомотора примерно на столько же процентов. При этом токсичность ВГ в ДВС с этим вихревым экотопом снижается в 3-5 и более раз в зависимости от состояния ДВС, режима работы мотора и от качества бензина.

На трассе экономия топлива инжекторного ДВС с вихревым смесителем составила в среднем 15-20% при одновременном повышении приемистости на эту же величину по сравнению с тем же ДВС с обычным впускным коллектором.

Испытания о инжекторного ДВС в введением во впускной коллектор модернизированного вихревого смесителя типа» русский турбонаддув» пока в ездовом цикле не проводились , а только на стенде. Результаты этих стендовых испытаний модернизированного варианта вихревого смесителя тоже обнадеживающие. Но требуется доработка этой конструкции и перепрошивка программы работы бортового РС.

аренда конференц-зала в Москве