PL173462B1

PL173462B1 - Urządzenie do mieszania gazu z płynem

Info

Publication number: PL173462B1
Application number: PL93308351A
Authority: PL
Inventors: Alan Patrick Casey
Original assignee: Alan Patrick Casey
Priority date: 1992-10-13
Filing date: 1993-10-07
Publication date: 1998-03-31
Also published as: EP0664734A1; NO951425L; US5735468A; FI951721A7; CZ283752B6; ATE190866T1; ES2143512T3; JPH08502203A; FI951721A0; RU2128087C1; BG99557A; DE69328185D1; CA2147008A1; AU5145493A; NZ256646A; DE69328185T2; KR950703409A; PL308351A1; JP3264930B2; CA2147008C

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do mieszania gazu z płynem, przeznaczone głównie do rozpylania płynu w strumieniu gazu.

Urządzenie według wynalazku jest szczególnie przydatne do zastosowania w układach wtryskiwania paliwa do silników spalinowych.

Ze stanu techniki są znane rozmaite urządzenia mieszające, takie jak gaźniki, dysze wtryskiwania paliwa, palniki strumieniowe i tym podobne, w których wytwarza się rozpylony natrysk kropelek paliwa poprzez kierowanie płynnego paliwa do strumienia ruchomego gazu takiego jak powietrze. Dotychczasowe znane urządzenia realizowały tę funkcję przez, kierowanie pojedynczego strumienia płynu do strumienia gazu.

Przykładowo, jest znane urządzenie mieszające do mieszania gazu z płynem, zawierające dyszę połączoną hydraulicznie ze źródłem płynu, oraz kanał gazowy bezpośrednio sąsiadujący z dyszą i wystający poza dyszę tak, że w trakcie użytkowania kieruje gaz za dyszę, przy czym dysza ma elementy kierujące płyn do tego kanału w postaci zasadniczo ciągłej, wychodzącej ogólnie promieniowo lub stożkowo warstwy tak, że gaz płynący przez kanał uderza o warstwę płynu dla wytworzenia zasadniczo jednolitej chmury drobno rozpylonych kropelek płynu za dyszą.

Jednakże tego rodzaju urządzenia są niewydajne, ponieważ nie mają zdolności do wytwarzania jednolitych kropelek o stałym i wystarczająco małym rozmiarze.

Przeprowadzano próby pokonania tych trudności przez stosowanie licznych strumieni i pompowanie płynu pod zwiększonym ciśnieniem. Jednakże prowadziło to do zwiększenia

173 462 kosztów, rozmiaru, ciężaru i/lub mechanicznej złożoności układu wtryskiwania, co jest szczególnie niepożądane w zastosowaniach związanych z motoryzacją. Ponadto, rozmiar kropelek był ciągle zbyt duży i nierównomierny, aby można było zapewnić całkowicie równomierne i wydajne spalanie, przez co tego rodzaju próby spotykały się z ograniczonym sukcesem.

Celem wynalazku jest opracowanie ulepszonego urządzenia mieszającego, które pokonuje lub zasadniczo unika przynajmniej niektórych wad stanu techniki.

Urządzenie do mieszania gazu z płynem, zawierające dyszę połączoną hydraulicznie ze źródłem płynu, oraz kanał gazowy bezpośrednio sąsiadujący z dyszą i wystający poza dyszę tak, że w trakcie użytkowania kieruje sprężony gaz w stronę dyszy i poza nią, przy czym dysza ma elementy kierujące płyn do tego kanału w postaci zasadniczo ciągłej, ogólnie promieniowo lub stożkowo wychodzącej warstwy tak, że gaz płynący przez kanał uderza o warstwę płynu dla wytworzenia zasadniczo jednolitej chmury drobno rozpylonych kropelek płynu za dyszą, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawór gazowy w kanale gazowym ma elementy otwierające i zamykające sprzężone z elementami otwierającymi i zamykającymi dyszy dla otwierania zaworu gazowego przed otworzeniem dyszy i zamykania zaworu gazowego po zamknięciu dyszy, przy czym przekrojowy obszar przepływowy kanału gazowego jest zmniejszony w sąsiedztwie dyszy, tworząc zwężkę Venturi.

Korzystnie kanał gazowy otacza dyszę. Kanał ten jest zasadniczo współosiowy z dyszą umieszczoną centralnie w tym kanale.

Dysza posiada obwodowy wylot otwierający się do kanału gazowego i biegnący zasadniczo obwodowo wokół dyszy, przy czym ten wylot jest utworzony przez przeciwległe powierzchnie, które wystają zasadniczo promieniowo pod kątem pomiędzy 5° i 175° w stosunku do osi kanału oporowego.

Korzystnie wspomniany kąt wynosi pomiędzy 20° i 160°, a zwłaszcza pomiędzy 30° i 150°. Obszar zwężki Venturi sięga przed dyszę. Przeciwległe powierzchnie tworzące wylot są utworzone przez odpowiednie współpracujące części zaworowe dyszy, które są selektywnie ruchome względem siebie.

Jedna z części zaworowych dyszy, tworzących wylot jest podłączona do trzpienia zaworowego dyszy, który przechodzi wzdłuż osi kanału gazowego i jest selektywnie przesuwna względem drugiej części zaworowej dyszy. Zawór gazowy znajduje się przed dyszą i jest umieszczony selektywnie ruchomo pomiędzy położeniem otwartym i położeniem zamkniętym.

Ruchome części zaworowe dyszy i zaworu gazowego są podłączone do mechanicznego i/lub elektrycznego zespołu uruchamiającego, selektywnie dosuwającego i odsuwającego je do i od ich położeń zamkniętych.

Zespół uruchamiający ma postać solenoidu lub wyzwalacza mechanicznego. Trzpień zaworu dyszy jest umieszczony teleskopowo w prowadzącym trzpieniu zaworu gazowego i ma powiększoną część kontaktującą się z ogranicznikiem wewnątrz trzpienia zaworu gazowego.

W szczególnym ro/wią/aniu urządzenia według wynalazku płynem jest paliwo węglowodorowe, takie jak benzyna, zaś gazem jest powietrze. W zastosowaniach motoryzacyjnych przepływ paliwa do dyszy jest korzystnie odmierzany za pomocą konwencjonalnego układu wtryskiwania paliwa, zaś powietrze jest wciągane poprzez kanał w wyniku podciśnienia indukowanego przez suw ssania silnika spalinowego. W razie potrzeby, gaz może również być sprężany przed dyszą za pomocą turbiny doładowującej lub sprężarki doładowującej.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia podłużny przekrój przez pierwsze rozwiązanie urządzenia według wynalazku, fig. 2 - podłużny przekrój przez drugie rozwiązanie urządzenia według wynalazku, fig. 3 - podłużny przekrój przez część drugiego rozwiązania urządzenia według wynalazku, fig. 4 - podłużny przekrój przez trzpień zaworu gazowego z fig. 2, fig. 5 - przekrój wzdłuż linii A-A z fig. 4, fig. 6 - przekrój wzdłuż linii B-B z fig. 4, fig. 7 - podłużny przekrój pokazanej na fig. 3 części wylotowej urządzenia, fig. 8 - podłużny przekrój przez pokazaną na fig. 3 część dostarczającą paliwo, fig. 9 - widok z góry części pokazanej na fig. 3, fig. 10 - widok z boku części z fig. 3, fig. 11A - widok z boku trzpienia zaworowego dyszy pokazanej na fig. 3, fig. 11B - widok z góry trzpienia z fig. 11A, fig. 12 - podhiżny przekrój przez tylną część pokrywową urządzenia pokazanego na fig. 3, fig. 13A - widok z góry części, która tworzy tylny ogranicznik dla trzpienia

173 462 zaworu gazowego urządzenia pokazanego na fig. 3, fig. 13B - przekrój przez część 13A, a fig. 14 - podłużny przekrój przez główną część korpusową urządzenia pokazanego na fig. 2.

Pokazane na fig. 1 pierwsze rozwiązanie urządzenia mieszającego 1 zawiera dyszę 2, połączoną hydraulicznie ze źródłem płynnego paliwa i otaczającą zasadniczo współosiowy pierścieniowy kanał 3, który jest tak umieszczony, że kieruje strumień 4 powietrza lub innego gazu wokół dyszy 2.

Dysza 2 zawiera człon zaworowy 15, mający trzpień zaworowy 16, podparty dla osiowego ruchu ślizgowego poprzez otaczającą prowadnicę zaworową 17. Trzpień zaworowy 16 zawiera osiowy otwór 10 i promieniowe kanaliki 11 połączone płynowo z tym otworem. Otwór 10 i kanaliki 11 kierują płynne paliwo pod ciśnieniem zbiornika paliwowego 15, utworzonego pośrodku trzpienia zaworowego 16 i wewnętrznie przewierconego odcinka otaczającej prowadnicy zaworowej 7. Przed przeciekiem paliwa ze zbiornika 15 pomiędzy trzpieniem zaworowym 6 a prowadnicą zaworową 7 zabezpiecza pierścień 0-ring 16, który dostosowywuje się do względnego przemieszczenia osiowego.

W położeniu zamkniętym, obwodowa powierzchnia uszczelniająca 20 głowicy zaworowej 5 jest dociskana do szczelnego przylegania do odpowiedniego gniazda zaworowego 21, utworzonego w zakończeniu prowadnicy 7 dla uszczelnienia zbiornika paliwowego 15. W położeniu otwartym człon zaworowy 15 jest umieszczony ku dołowi (na rysunku) względem prowadnicy zaworowej dla tworzenia obwodowego wylotu 22 pośrodku powierzchni uszczelniającej 20 głowicy zaworowej 5 i gniazda zaworowego 21, umożliwiając w ten sposób wypływanie paliwa ze zbiornika 15. W trakcie normalnej pracy urządzenia z fig. 1, strumień powietrzajest kierowany poprzez pierścieniowy kanał 3, tak aby przepływał wokół dyszy 2 w kierunku zasadniczo osiowym. Gradient ciśnienia indukujący ten przepływ może powstawać w wyniku suwu ssania silnika spalinowego, turbiny doładowującej, sprężarki doładowującej, kompresora lub innego odpowiedniego urządzenia. Strumień ten może być ciągły lub też przerywany, w zależności od szczególnego zastosowania. Po pobudzeniu zespołu zaworowego, głowica zaworowa 5 zostaje przemieszczona w dół, otwierając tym samym wylot 22 pomiędzy powierzchnią uszczelniającą 20 i gniazdem zaworowym 21. W tej konfiguracji, sprężone paliwo ze zbiornika 15 jest kierowane do otaczającego strumienia powietrza w postaci jednolitej, zasadniczo promieniowej warstwy 23. Strumień gazu uderza o warstwę płynu, zaś uderzenie pomiędzy gazem i paliwem oddziela kropelki paliwa od warstwy 23, wytwarzając zasadniczo jednolitą chmurę 24 drobno rozpylonych kropelek płynu z prądem dyszy. Przekrojowa powierzchnia przepływu przez kanał 3 jest zredukowana w sąsiedztwie dyszy 2 tworząc zwężkę Venturi 25, zaś otrzymane w ten sposób zwiększenie prędkości gazu powoduje zwiększenie rozpylenia warstwy płynu.

W rozwiązaniu pokazanym na fig. 1, strumień powietrza uderza o warstwę płynu pod kątem około 90°. Jednakże warstwa płynu może być kierowana pod dowolnym kątem pomiędzy 5° i 175° względem osi A kanału 3 w zależności od licznych czynników takich jak lepkość płynu, pożądany optymalny rozmiar kropelek dla szczególnych warunków spalania, liczba Reynoldsa otaczającego strumienia gazu i tym podobne.

W pokazanym na fig. 2 drugim rozwiązaniu urządzenia mieszającego 100 według wynalazku występuje podłużny korpus 101 z usytuowanym podłużnie pierścieniowym kanałem 103. Kanał 103 łączy się z kanalikiem wlotowym 108 gazu, który jest podłączony do źródła gazu. Dysza 102 jest połączona hydraulicznie ze źródłem płynnego paliwa i w trakcie pracy jest przystosowana do wytwarzania wychodzącej zasadniczo promieniowo zewnętrznie warstwy paliwa z wylotu 109 dyszy 102 do otaczającego kanału 103. Warstwa paliwa ulega rozpyleniu przez zderzenie z gazem wypływającym przez kanał 103, powodującym oddzielanie kropelek paliwa od warstwy. Mieszanina paliwa i gazu jest dodatkowo mieszana w wirowej komorze mieszającej 114 za wylotem 109 dyszy 102 przed wyładowaniem z urządzenia mieszającego 100 poprzez wylot 112.

Urządzenie mieszające 100jest utworzone zasadniczo z podłużnego korpusu 101 mającego środkowy podłużny otwór 111. Otwór 111 jest połączony z kanalikiem wlotowym 108 gazu. Za kanalikiem wlotowym 108 gazu, otwór 111 zbiega się do wąskiego obszaru gardzielowego 113, następnie rozszerza się do wirowej komory mieszającej 114 i ponownie zbiega do otworu wylotowego 112.

173 462

Pierwszy trzpień zaworowy 116 z umieszczonym najednym końcu członem zaworowym 117 jest prowadzony ślizgowo w pierwszym odcinku otworu 111 w sąsiedztwie otworu wlotowego 112. Człon zaworowy 117 jest wykonany ze sprężystego tworzywa sztucznego takiego jak Vesconite^TH, otrzymywanego od Accura Engineering Pty Ltd, Short Street, Chatswood, Nowa Południowa Walia, Australia.

Jak pokazano na fig. 2, pierwszy trzpień zaworowy 116 ma mniejszą średnicę zewnętrzną niż wewnętrzna średnica otworu 111 i jest prowadzony wzdłuż otworu 111 za pomocą dwóch rozstawionych części nośnikowych 115a i 115b, przy czym część nośnikowa 115ajest w postaci rozstawionych w równych odległościach kątowych, czterech promieniowych występów 118, które mają skuteczną średnicę zewnętrzną dopasowaną do wewnętrznej średnicy otworu 111. Występy 118 lokują trzpień zaworowy 116 środkowo wewnątrz otworu 111, tworząc w ten sposób część pierścieniowego kanału 103, przepływ gazu w przestrzeni pomiędzy wewnętrzną powierzchnią otworu 111 i trzpieniem zaworowym 116.

Pierwszy człon zaworowy 117 jest umieszczony ślizgowo wzdłuż otworu 111 pomiędzy położeniem otwartym (patrz fig. 3), w którym człon zaworowy 117 jest oddalony od zbieżnej ściany otworu 111 (to jest od tej, która tworzy pierwsze gniazdo 120), umożliwiając tym samym przechodzenie gazu z otworu wlotowego 108 do wąskiego obszaru gardzielowego 113, a położeniem zamkniętym (nie pokazanym), w którym człon zaworowy 117 opiera się o gniazdo zaworowe 120, zamykając pierścieniowy kanał 103 przepływu gazu.

Pierwszy trzpień zaworowy 116 jest odchylony do położenia zamkniętego za pomocą pierwszej sprężyny zwojowej 121. Pierwszy trzpień zaworowy 116 posiada środkowy, biegnący podłużnie otwór 122, który ślizgowo prowadzi drugi trzpień zaworowy 123. Drugi trzpień zaworowy 123 wystaje poprzez zakończenie pierwszego trzpienia zaworowego 116 tak, aby był umieszczony środkowo wewnątrz wąskiego obszaru gardzielowego 113 dla dodatkowego tworzenia pierścieniowego kanału 103. Drugi człon zaworowy 130 znajduje się na odległym końcu drugiego trzpienia zaworowego 123 i jest wykonany ze sprężystego tworzywa sztucznego takiego jak Vesconite³ . Otwór 122 w pierwszym trzpieniu zaworowym 116 ma odcinek 124 o powiększonej średnicy, oddalony wewnętrznie od końca pierwszego członu zaworowego. Odcinek 124 zawiera odpowiednio powiększone, rozstawione części 125 drugiego trzpienia zaworowego 123. Odcinek 124 otworu 122 o powiększonej średnicy w pierwszym trzpieniu zaworowym 116 wyznacza promieniową ścianę końcową 126, która oddziaływuje jako zderzak końcowy dla względnego ruchu ślizgowego drugiego trzpienia zaworowego 123. Pierwszy i drugi trzpień zaworowy 116, 123 są umieszczone zasadniczo teleskopowo. Wewnątrz wirowej komory mieszającej 114 otworu 111 w korpusie 101 jest zamontowana część 128 dostarczająca paliwo. Część 128 dostarczająca paliwo posiada drugie gniazdo zaworowe 129, które łączy się z drugim członem zaworowym 130 drugiego trzpienia zaworowego 123, tworząc dyszę 1θ2 dostarczającą paliwo.

Część 128 dostarczającą paliwo tworzy również część wirowej komory mieszającej 114, ponieważ posiada przechodzące przez nią liczne spiralne szczeliny 139.

Część 128 dostarczająca paliwo łączy płynowo biegnący podłużnie otwór 131 dostarczający paliwo w korpusie 101 z wylotem 109 dyszy 102 poprzez usytuowany promieniowo otwór 134 i usytuowany osiowo otwór 135.

Wylot 109 dyszy 100 jest umieszczony wewnątrz wąskiego obszaru gardzielowego 113 otworu 111, zaś część 128 dostarczająca paliwo posiada wystającą osiowo część 132, której odległy koniec tworzy drugie gniazdo zaworowe 129.

Drugie gniazdo zaworowe 129 posiada wklęsłą powierzchnię w postaci stożka ściętego, którajest współosiowa z otworem 111. Drugie gniazdo zaworowe 129 współpracuje ze stożkowo ukształtowanym drugim członem zaworowym 130 dla selektywnego zamykania dyszy 102. W położeniu otwartym dyszy 102, gniazdo zaworowe 129 i człon zaworowy 130 tworzą wylot 109 dyszy. Drugi trzpień zaworowy 123 jest odchylony za pomocą drugiej sprężyny zwojowej 133 do położenia zamkniętego.

Pierwszy i drugi trzpień zaworowy 116, 123 są tym samym wzajemnie połączone tak, że gdy pierwszy i drugi człon zaworowy 117, 130 znajdują się w swych położeniach zamkniętych, wówczas ogranicznik końcowy 126 wewnątrz pierwszego trzpienia zaworowego 116 jest

173 462 oddalony o wstępnie określoną odległość od przeciwległej powierzchni najbliższej powiększonej części 125 drugiego trzpienia zaworowego 123. Pierwszy człon zaworowy 117 może wówczas być odsunięty od pierwszego gniazda zaworowego 120 dla otworzenia gazowego kanału 103 bez bezpośredniego otwarcia dyszy 102. Gdy tylko pierwszy człon zaworowy 116 przemieści się o wstępnie określoną odległość, wówczas przeciwległa powierzchnia powiększonej części 125 drugiego trzpienia zaworowego 130 dotyka ogranicznika końcowego 126 tak, że dalszy ruch pierwszego trzpienia zaworowego 116 powoduje ruch drugiego trzpienia zaworowego 123 wraz z pierwszym trzpieniem zaworowym 116 wbrew oddziaływaniu siły odchylającej odpowiednich sprężyn zwojowych 121, 133. Ten mch powoduje odsuwanie się drugiego członu zaworowego 123 od drugiego gniazda zaworowego 129, przez co powstaje wylot 109 dyszy. Stopień rozwarcia wylotu 109 dyszy paliwowej jest ograniczony przez następny ogranicznik końcowy 137 w otworze 111 korpusu 101, któiy zapobiega dalszemu ruchowi pierwszego trzpienia zaworowego 116. Ponieważ właśnie pierwszy trzpień zaworowy 116 uruchamia drugi trzpień zaworowy 130, zatem drugi trzpień zaworowy 130 również w tym momencie ulega zatrzymaniu. Ponadto, należy zauważyć, że suw (tj. ruch) drugiego trzpienia zaworowego 123 jest znacznie mniejszy niż ruch pierwszego trzpienia zaworowego 116. Przykładowo suw drugiego trzpienia zaworowego 123 może wynosić około 0,05 mm, zaś suw pierwszego trzpienia zaworowego 116 będzie wynosił około 0,5 mm.

W położeniach otwartych, drugi człon zaworowy 130 i drugie gniazdo zaworowe 129 tworzą wylot 109 dyszy 102, który stanowi pierścieniowy przepust lub kanał. Kanał ten jest utworzony pomiędzy stożkową powierzchnią drugiego członu zaworowego 130 i powierzchnią drugiego gniazda zaworowego 130 w kształcie stożka ściętego, tak więc jest usytuowany zarówno promieniowo jak i osiowo względem podłużnej osi A kanału 103. Oznacza to, że kanał 103 jest usytuowany pod kątem α do podłużnej osi A. Tym samym warstwa paliwa płynnego, wydobywająca się z otwartego wylotu 109 dyszy paliwowej jest kierowana pod kątem β do kierunku osiowego. Pokazany na fig. 2 kąt α wynosi około 35°. W ten sposób warstwa paliwa jest kierowana na zewnątrz i wbrew kierunkowi przepływu gazu. Jednakże uważa się, że kąt α może stanowić dowolny kąt w zakresie 5° do 175° względem kierunku osiowego (tj. osi 1 urządzenia 100).

Według wynalazku stwierdzono, że najbardziej zalecanym kątem a dla uzyskania efektu rozpylania jest kąt około 90°. Im mniejszy kąt α, tym bardziej bezpośrednie będzie zderzenie pomiędzy warstwą płynu i gazem przepływającym przez kanał 103. Będzie to powodowało zmniejszanie oddziaływania oddzielającego kropelki płynu od warstwy. Ponadto, jeżeli kąt α jest duży tj. jeżeli α zbliża się do 180°, wówczas warstwa płynu będzie miała tendencję do przepływania razem ze strumieniem gazu i ponownie będzie zredukowanie oddziaływanie oddzielające. Tak więc, według wynalazku stwierdzono, że urządzenie mieszające 100 zapewnia nowatorski efekt oddzielania, wywierany na warstwy płynu wówczas, gdy kąt α mieści się w zakresie 5° do 175°. Korzystnie, kąt α wynosi pomiędzy 20° i 60° a najkorzystniej jest w zakresie 30° do 150°

Gdy zostaje zwolniony pierwszy trzpień zaworowy 116, wówczas zarówno pierwszy 116 jak i drugi trzpień zaworowy 130 poruszają się razem za pomocą odpowiednich sprężyn zwojowych 121, 133 dopóki drugi człon zaworowy 130 nie dotknie drugiego gniazda zaworowego 129 dla zamknięcia dyszy 102. W tym momencie gaz stale przepływa przez pierścieniowy kanał 103. Pierwszy trzpień zaworowy 116, mający dłuższy suw, kontynuuje przesuw wzdłuż otworu 111, dopóki pierwszy człon zaworowy 117 nie dotknie pierwszego gniazda zaworowego 120, zamykając zasilanie gazem. W ten sposób jest zawsze otwarty przepływ gazu ze źródła zasilania gazem, zanim paliwo zostanie dostarczone poprzez wylot 109 dyszy 102 i jest zamknięty tylko po zaniknięciu wylotu 109 dyszy.

Część 128 podająca paliwo wewnątrz wirowej komory mieszającej 114 posiada cztery spiralne kanały 139, które tworzą tory przepływu spiralnego. W wyniku tego mieszanina paliwa z gazem wyprowadzana z wąskiego obszaru gardzielowego 113 przepływa przez spiralne tory przepływu 139, co powoduje jej zawirowanie i dodatkowe wymieszanie. Następnie mieszanka paliwa z gazem jest wyładowywana z urządzenia mieszającego 100 poprzez wylot 112.

173 462

Urządzenie mieszające 100 pokazane na fig. 2 zawiera również obwód przelewania zwrotnego, zawierający wlot 139 paliwa i wylot 140 paliwa, za pomocą którego paliwo jest w sposób ciągły pompowane do zbiornika 141 wewnątrz urządzenia mieszającego 1, 100 i kierowane z powrotem do odległego zbiornika paliwowego lub zbiornika rezerwowego za pomocą zaworu zwalniającego ciśnienie (nie pokazanego). Rozwiązanie to dopomaga w utrzymaniu stałego ciśnienia paliwa w dyszy 102 podczas jej otwierania i zamykania. Ponadto, zwiększony przepływ paliwa powoduje chłodzenie solonoidu 142, który jest wykorzystywany do uruchamiania pierwszego trzpienia zaworowego 116, który jest obudowany w tylnej części urządzenia mieszającego 100, i zapobiega odparowaniu lub krakowaniu paliwa w zbiorniku i wokół niego.

Jakkolwiek w rozwiązaniu zalecanym opisano zastosowanie członu zaworowego 130 wykonanego ze sprężystego tworzywa sztucznego, to jednak należy uwzględnić, że część ta również może być wykonana z metalu lub dowolnego innego odpowiedniego materiału. Dla uzyskania najbardziej skutecznego uszczelnienia metalowego członu zaworowego 130 i metalowego gniazda zaworowego 129 w zamkniętym położeniu dyszy 102, kąt α korzystnie wynosi około 45° (lub 135°). Oznacza to, że kąt 45° daje skuteczne oddziaływanie klinujące pomiędzy stożkowo ukształtowanym członem zaworowym 130 i wklęsłym gniazdem zaworowym 129 w kształcie stożka ściętego, jeżeli obydwie te części są wykonane z metalu. Jeżeli człon zaworowy 130 jest wykonany ze sprężystego tworzywa sztucznego, takiego jak przykładowo Vesconite¹ , zaś gniazdo zaworowe 129 jest wykonane z metalu, wówczas optymalne uszczelnienie można uzyskać przy kącie w zakresie 15 ⁰ do 75° lub 105° do 165°.

Podczas stosowania urządzenia mieszającego 100, warstwa płynu nie będzie zawierała całego paliwa opuszczającego wylot 109 dyszy. Część paliwa będzie miała tendencję do przyklejania się do wylotu 109 dyszy 102 i spływania w dół na zewnątrz dyszy 102. Występuje to głównie w momencie otwierania lub zamykania dyszy 102. Dla przeciwdziałania temu powoduje się otwarcie zaworu powietrznego przed dyszą 102 i zamknięcie go po zamknięciu dyszy 102. Ten dodatkowy przepływ gazu powoduje wyparcie lub odparowanie jakiegokolwiek nierozpuszczalnego paliwa, znajdującego się na zewnętrznej powierzchni dyszy 102.

Ważna cecha wynalazku polega na tym, że dysza 102 jest przystosowana do dostarczania zasadniczo ciągłej, ogólnie promieniowo wychodzącej warstwy płynu. Należy uwzględnić, że określenie ogólnie promieniowo wychodząca warstwa w kontekście obecnego wynalazku ma oznaczać warstwę płynu, która jest tak kierowana, że posiada dużą składową promieniową względem środkowej osi kanału gazowego 3, 103.

Określenie to nie jest ograniczone do wychodzącej na zewnątrz warstwy płynu, ponieważ inna postać dyszy (nie pokazana) może kierować taką ogólnie promieniowo wychodzącą warstwę wewnątrz do środkowego kanału gazowego. W takim przypadku dysza może być umieszczona wokół zewnętrznej ściany i może otaczać kanał gazowy tak, aby kierować warstwę płynu zasadniczo promieniowo do wewnątrz. Ta warstwa płynu może być kierowana pod dowolnym kątem w zakresie 5° do 175° względem środkowej osi kanału gazowego.

Tego rodzaju alternatywne rozwiązanie obecnego wynalazku jest korzystne z tego względu, że również powoduje oddzielanie kropelek płynu od warstwy. Jednakże stwierdza się, że tego rodzaju rozwiązanie alternatywne może być mniej skuteczne niż urządzenie mieszające 1,100 pokazane na rysunku, ponieważ oddziaływanie oddzielające będzie powodowało odchylanie rozpylonych kropelek płynu z powrotem w kierunku wklęsłej powierzchni zewnętrznej kanału, zaś urządzenie mieszające 1, 100 pokazane na rysunku będzie powodowało odchylanie rozpylonych kropelek z powrotem w kierunku stosunkowo mniejszej, wypukłej powierzchni zewnętrznej dyszy 102. Większa powierzchnia wklęsła dyszy będzie wykazywała większą tendencję do przechowywania rozpylonych kropelek płynu, które będą następnie gromadzić się i będą odprowadzane w dół powierzchni zewnętrznej kanału gazowego. Ponadto, stosunkowo większy obwód dyszy będzie prawdopodobnie powodował przyklejanie proporcjonalnie większej ilości płynu do wylotu dyszy, zamiast kierowania go wraz z warstwą płynu.

Jakkolwiek oddziaływanie wypierające, wywierane za pomocą dodatkowego przepływu gazu przed i po otworzeniu dyszy, powinno usuwać lub powodować odparowanie większości, jeżeli nie całości, płynu na powierzchni zewnętrznej kanału gazowego, to jednak należy

173 462 uwzględnić, że tego rodzaju rozwiązanie alternatywne prawdopodobnie pracuje mniej skutecznie niż rozwiązanie pokazane na rysunkach.

Urządzenie mieszające 100 pokazane na fig. 2 jest szczególnie przystosowane do wykorzystywania w silnikach spalinowych, w których konieczne jest, by urządzenie mieszające 100 doprowadziło mieszaninę paliwa z powietrzem w sposób przerywany dla dopasowania się do cyklu silnika. Rozwiązanie pierwszego i drugiego zaworu umożliwia otwieranie i zamykanie urządzenia mieszającego 100, albo poprzez pobudzanie solenoidem (patrz fig. 2), lub poprzez wyzwalanie mechaniczne (nie pokazane) dla doprowadzania w sposób przerywany mieszaniny paliwa z powietrzem w postaci zasadniczo jednorodnej chmury drobno rozpylonych kropelek płynnego paliwa o stałym i wystarczająco małym rozmiarze.

Należy uwzględnić, że pożądana zasadniczo jednorodna chmura rozpylonych kropelek płynnego paliwa powstaje głównie w wyniku wytwarzania przez 2, 102 zasadniczo ciągłej, wychodzącej promieniowo na zewnątrz warstwy płynnego paliwa do pierścieniowego kanału gazowego 3, 103, przy czym warstwa paliwa zostaje rozpylona poprzez zderzenie z gazem przepływającym przez kanał gazowy 3, 103.

Płynna warstwa wytwarzana przez dyszę 2, 102 jest istotna z tego względu, że przyczynia się do właściwej pracy urządzenia mieszającego 1,101. Warstwa płynu wytwarzana przez dyszę 2,102 wykorzystuje napięcie powierzchniowe płynu dla utrzymywania cząstek płynu zasadniczo razem w warstwie, dopóki kropelki płynu nie zostaną odcinane z warstwy przez oddziaływanie gazu przepływającego przez kanał gazowy 3, 103.

Uważa się, że to oddziaływanie odcinające odpycha kropelki płynu od cienkiej warstwy płynu dla otrzymania zasadniczo jednorodnej chmury drobno rozpylonych kropelek płynu za dyszą 2, 102. Oddziaływanie odcinające na warstwę płynu stanowi przeciwieństwo rozwiązań znanych ze stanu techniki, w których występuje tendencja do rozdzielania płynu na kropelki przed zmieszaniem z gazem.

W szczególności, znane urządzenia rozpylające paliwo generalnie wykorzystują ciśnienie doprowadzania płynnego paliwa, które to paliwo jest wtłaczane przez jeden lub więcej wylotów dla spowodowania rozpylania. Wadą wykorzystywania ciśnienia zasilania płynnego paliwa jest to, że w praktyce przez zwiększenie ciśnienia podawania paliwa nie ulega istotnemu zmniejszeniu średni rozmiar rozpylonych kropelek paliwa, a nawet przy nadzwyczaj wysokich ciśnieniach występuje ograniczenie minimalnego średniego rozmiaru rozpylonych kropelek.

W przeciwieństwie do tego, w wynalazku wykorzystano energię kinetyczną gazu płynącego przez kanał gazowy 3, 103, zamiast ciśnienia zasilania płynem. Jedynym wymaganiem odnośnie ciśnienia zasilania płynem w urządzeniu według wynalazku jest to, aby było ono wyższe niż ciśnienie gazu wewnątrz kanału gazowego 3, 103 w sąsiedztwie dyszy 2, 102 tak, aby dysza 2, 102 wytwarzała warstwę paliwa. Gdy tylko warstwa paliwa znajdzie się wewnątrz kanału gazowego 3,103, wówczas gaz uderza o tę warstwę paliwa i powoduje odcinanie kropelek paliwa od warstwy. To oddziaływanie odcinające będzie występowało w położeniu środkowym dyszy 2,102 na zewnątrz kanału 3,103, przy czym rzeczywiste położenie znajdzie się w miejscu, w którym występuje równowaga lub wyrównanie pomiędzy licznymi czynnikami, na które składa się prędkość gazu przepływającego przez kanał, ciśnienie zasilania płynu, lepkość paliwa, grubość warstwy paliwa, liczba Reynoldsa otaczającego strumienia gazu itp. Uważa się, że miejsce równowagi jest zwykle bliższe wylotu 9,109 dyszy 2,102 i, że gaz przepływający przez kanał gazowy 3, 103, skierowany w stronę zewnętrzną tego kanału, może nie odgrywać roli w oddzielającym lub zderzeniowym rozpylaniu płynu. W drugim rozwiązaniu pokazanym na fig. 2-14, ta zewnętrzna część gazu przepływającego przez kanał gazowy 103 jest jednakże wykorzystywana w wirowej komorze mieszalnikowej 114, znajdującej się za dyszą 102.

Rozpylanie płynnego paliwa jest wzmagane poprzez redukcję przekrojowego obszaru pierścieniowego obszaru kanału gazowego 3, 103 w sąsiedztwie dyszy 2, 102, co powoduje zwiększoną prędkość gazu, ponadto przez fakt, że przepływ gazu jest wytwarzany w pierścieniowym kanale gazowym 103 przed otwarciem dyszy 102 i przez zastosowanie spiralnych kanałów 139 poprzez część 128 doprowadzania paliwa za strefę początkowego zderzeniowego mieszania gazu i paliwa w obrębie wąskiego obszaru gardzielowego kanału gazowego 113.

173 462

Należy również uwzględnić, że zastosowanie zasadniczo ciągłej o zakresie 360°, skierowanej promieniowo warstwy płynu wychodzącej jednolicie z dyszy 2, 102 umożliwia maksymalne wykorzystanie energii kinetycznej otaczającego strumienia gazu dla rozpylenia paliwa. Stwierdzono, że powstaje w ten sposób bardziej trwałe rozpylenie i mniejszy rozmiar średniej kropelki. Bardziej skuteczne rozpylenie umożliwiają również wyższe stężenia paliwa i szybkości przepływu. Czynniki te łączą się ze sobą dla minimalizacji emisji wynikających z obecności niespalonego paliwa i optymalizacji wydajności spalania. Tak więc wynalazek stanowi istotne przemysłowo ulepszone w stosunku do stanu techniki. Wynalazek ma szczególne zastosowanie do dysz wtryskiwaczy w układach wtryskiwania paliwa. W szczególnie zalecanym zastosowaniu w silnikach spalinowych, paliwo zostaje rozpylone przed wtryśnięciem do komory spalania. W tym przypadku, zamiast umieszczenia odpowiedniego do wtryskiwania paliwa bezpośrednio do cylindra, dysza jest umieszczona nad konwencjonalnym przewodem wlotowym i zespołem zaworowym. Zawór wlotowy cylindra może następnie być dołączony do układu zaworowego dyszy 2,102 wtryskiwacza tak, że tuż przed otwarciem zaworu wlotowego do komory spalania, zawór dyszowy zostaje otwarty dla wytworzenia chmury rozpylonego paliwa w przewodzie wlotowym. Ta mieszanka paliwa z powietrzem jest następnie wciągana do komory spalania w sposób konwencjonalny. Wstępne badania wykazały, że powoduje to znaczące polepszenie jakości i wydajności spalania, w porównaniu z układami, w których paliwo jest wtryskiwane bezpośrednio do komory spalania.

Należy również uwzględnić, że niecały przepływ powietrza potrzebnego do spalania musi przechodzić poprzez pierścieniowy kanał gazowy 3, 103 otaczający dyszę 2, 102. Oznacza to, że wokół lub z dala od urządzenia mieszającego 1, 100 można w konwencjonalny sposób umieścić uzupełniające kanały zasilania powietrzem lub zawory, gdy jest to potrzebne do szczególnych zastosowań. W zastosowaniach motoryzacyjnych uważa się, że proporcja powietrza przepływającego przez urządzenie mieszające 1, 100 zwykle powinna wynosić nawet 30% i do 8% a nawet do 5% całkowitej objętości powietrza potrzebnego do spalania w zależności od prędkości pracy silnika.

Jakkolwiek wynalazek opisano w odniesieniu do przykładów szczególnych, to jednak oczywiste jest dla fachowców z tej dziedziny, że wynalazek może być zastosowany w wielu innych wykonaniach. W szczególności należy uwzględnić, że wynalazek nie jest ograniczony do zastosowania w silnikach spalinowych. Jest on przydatny do stosowania w dowolnych rozwiązaniach, w których potrzebne jest rozpylanie płynu w strumieniu gazu. W tej postaci jest on również szczególnie przydatny do palników olejowych i tym podobnych. Ponadto, nie jest konieczne, aby we wszystkich zastosowaniach dysza zawierała zawór dla selektywnego odcinania zasilania płynem i/lub zasilania gazem. W zastosowaniach takich jak palniki olejowe, gdzie potrzebny jest zasadniczo ciągły przepływ, można znacznie uprościć lub wyeliminować konstrukcję zaworu. W zastosowaniach do wtryskiwania paliwa można również zastosować zdalny układ odmierzający.

173 462

A—) ΊΙ2173 462

173 462

OśJiB

173 462

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 4.00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe znamienne tym, że wspomniany kąt wynosi pomiędzy znamienne tym, że obszar zwężki Venturi sięga przed

1. Urządzenie do mieszania gazu z płynem, zawierające dyszę połączoną hydraulicznie ze źródłem płynu, oraz kanał gazowy bezpośrednio sąsiadujący z dyszą i wystający poza dyszę tak, że w trakcie użytkowania kieruje sprężony gaz w stronę dyszy i poza nią, przy czym dysza ma elementy kierujące płyn do tego kanału w postaci zasadniczo ciągłej, ogólnie promieniowo lub stożkowo wychodzącej warstwy tak, że gaz płynący przez kanał uderza o warstwę płynu dla wytworzenia zasadniczo jednolitej chmury drobno rozpylonych kropelek płynu za dyszą, zaś zawór gazowy w kanale gazowym ma elementy otwierające i zamykające, sprzężone z elementami otwierającymi i zamykającymi dyszy dla otwierania zaworu gazowego przed otworzeniem dyszy i zamykania zaworu gazowego po zamknięciu dyszy, znamienne tym, że przekrojowy obszar przepływowy kanału gazowego (3) jest zmniejszony w sąsiedztwie dyszy (2), tworząc zwężkę Venturi.
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kanał gazowy (3) otacza dyszę (2).
3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że kanał gazowy (3) jest zasadniczo współosiowy z dyszą (2) umieszczoną centralnie w kanale gazowym (3).
4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że dysza (2) posiada obwodowy wylot (22) otwierający się do kanału gazowego (3) i biegnący zasadniczo obwodowo wokół dyszy (2), przy czym ten wylot (22) jest utworzony przez przeciwległe powierzchnie (20, 21), które wystają zasadniczo promieniowo pod kątem pomiędzy 5° i 175° w stosunku do osi kanału gazowego (3).
5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że wspomniany kąt wynosi pomiędzy 20° i 160°.
6. Urządzenie według zastrz. 5,

30° i 150°.
7. Urządzenie według zastrz. 1, dyszę (2).
8. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że przeciwległe powierzchnie (20, 21) tworzące wylot (22) są utworzone przez odpowiednie współpracujące dwie części zaworowe dyszy (2), które są selektywnie ruchome względem siebie.
9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że jedna z części zaworowych dyszy (2), tworzących wylot (22), jest podłączona do trzpienia zaworowego (16) dyszy (2), który przechodzi wzdłuż osi kanału gazowego (3) i jest selektywnie przesuwna względem drugiej części zaworowej dyszy (2).
10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że przed dyszą (2) znajduje się zawór gazowy (5, 21), który jest umieszczony selektywnie ruchomo pomiędzy położeniem otwartym i położeniem zamkniętym.
11. Urządzenie do mieszania gazu z płynem, zawierające dyszę połączoną hydraulicznie ze źródłem płynu, oraz kanał gazowy bezpośrednio sąsiadujący z dyszą i wystający poza dyszę tak, że w trakcie użytkowania kieruje sprężony gaz w stronę dyszy i poza nią, przy czym dysza ma elementy kierujące płyn do tego kanału w postaci zasadniczo ciągłej, ogólnie promieniowo lub stożkowo wychodzącej warstwy tak, że gaz płynący przez kanał uderza o warstwę płynu dla wytworzenia zasadniczo jednolitej chmury drobno rozpylonych kropelek płynu za dyszą, zaś zawór gazowy w kanale gazowym ma elementy otwierające i zamykające, sprzężone z elementami otwierającymi i zamykającymi dyszy, dla otwierania zaworu gazowego przez otworzeniem dyszy i zamykania zaworu gazowego po zamknięciu dyszy, znamienne tym, że przekrojowy obszar przepływowy kanału gazowego (113) jest zmniejszony w sąsiedztwie dyszy (102), tworząc zwężkę Venturi.
12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że kanał gazowy (113) otacza dyszę (102).
13. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że kanał gazowy (113) jest zasadniczo współosiowy z dyszą (102) umieszczoną centralnie w kanale gazowym (113).

173 462
14. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że dysza (102) posiada obwodowy wylot (109) otwierający się do kanału gazowego (113) i biegnący zasadniczo obwodowo wokół dyszy (102), przy czym ten wylot (109) jest utworzony przez przeciwległe powierzchnie (129,130), które wystają zasadniczo promieniowo pod kątem pomiędzy 5° i 175° w stosunku do osi kanału gazowego (113).
15. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że wspomniany kąt wynosi pomiędzy 20° i 160°.
16. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że wspomniany kąt wynosi pomiędzy 30° i 150°.
17. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że obszar zwężki Venturi sięga przed dyszę (102).
18. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że przeciwległe powierzchnie (129, 130) tworzące wylot (109) są utworzone przez odpowiednie dwie współpracujące części zaworowe dyszy, które są selektywnie ruchome względem siebie.
19. Urządzenie według zastrz. 18, znamienne tym, że jedna z części zaworowych dyszy (102), tworzących wylot (109), jest podłączona do trzpienia zaworowego (123) dyszy (102), który przechodzi wzdłuż osi kanału gazowego (113) i jest selektywnie przesuwna względem drugiej części zaworowej dyszy (102).
20. Urządzenie według zastrz. 19, znamienne tym, że przed dyszą (102) znajduje się zawór gazowy (117,120), który jest umieszczony selektywnie ruchomo pomiędzy położeniem otwartym i położeniem zamkniętym.
21. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, że ruchome części zaworowe dyszy (102) i zaworu gazowego (117, 120) są podłączone do mechanicznego i/lub elektrycznego zespołu uruchamiającego, selektywnie dosuwającego i odsuwającegoje do i od ich położeń zamkniętych.
22. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że zespół uruchamiający jest w postaci solenoidu (142) lub wyzwalacza mechanicznego (121,133).
23. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że w prowadzącym trzpieniu (116) zaworu gazowego (117,120) jest umieszczony teleskopowo trzpień (130) zaworu dyszy (102), który ma powiększoną część (125), kontaktującą się z ogranicznikiem (126) wewnątrz tego trzpienia (116).