Патент на изобретение №2313000

(54) СМЕСИТЕЛЬ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

(57) Реферат:

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 Р_п плавающего тела (в данном случае поплавка) определяется по формуле:

,

где Р_п – подъемная сила поплавка, Н;

_топл – 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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ