FI106740B - Suutinpää polttoaineen suihkutussuutinta varten - Google Patents

Description

1 106740

Suutinpää polttoaineen suihkutussuutinta varten

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukai-5 nen suutinpää polttoaineen suihkutussuutinta varten.

Polttoaineen suihkutussuuttimia käytetään tavallisesti suihkutusvent-tiilien yhteydessä polttoaineen suihkuttamiseksi iskumäntäpolttomoottorin pa-lamiskammioon mahdollisesti myös yhdessä paineilman tai muiden kaasujen kanssa. Suihkutettaessa syntyvä polttoaineen suihkunmuodostus palotilassa 10 määräytyy tavallisesti polttoaineen suihkutussuuttimen geometristen ominaisuuksien perusteella.

CH-patenttijulkaisusta 645 699 tunnetaan suutin polttoaineen suih-kutusventtiiliä varten, jossa suuttimessa on suutinpään sisään kiinteästi järjestettyjä, kierteitä synnyttäviä pintoja, niin että polttoainesuihku tulee suutin-15 päästä ulos kierteisenä ja siten hajoaa helposti sumuksi.

Tämän tunnetun suuttimen suoritusmuodon haittapuolena on se, että polttoainesuihku tulee ulos tasaisena.

Esillä olevan keksinnön päämääränä on parantaa polttoaineen suihkutussuuttimen suutinpäätä siten, että suutinpäästä ulos tulevassa polttoai-20 neen suihkukuviossa on turbulenttisena pidetty virtaus.

Tämä päämäärä saavutetaan keksinnön mukaisesti keksinnön kohteen patenttivaatimuksessa 1 määritettyjen tunnusmerkkien avulla. Epäitsenäiset vaatimukset 2-6 koskevat muita keksinnön edullisia suoritusmuotoja.

Keksinnön mukaisessa suutinpäässä on sen sisään järjestettyjä, liik-25 kuvia virtausenergian sammutinkappaleita, jotka liikkuvat suutinpään läpi vir- • · · : V taavan polttoaineen vaikutuksesta, niin että virtaus suuttimen reikien läpi muuttuu jatkuvasti, mikä nostaa ulosvirtaavan polttoaineen turbulenttisuus-astetta voimakkaasti. Virtausenergian sammutinkappaleen liike muuntaa muun • muassa ulosvirtaavaa polttoainemäärää, ulostulonopeutta ja virtaussuuntaa • · · · 30 ajan funktiona.

Virtausenergian sammutinkappaleen muodostaminen on jaettavissa ... kahteen pohjimmiltaan erilaiseen suoritusmuotoon.

1. Kiinnitetty virtausenergian sammutinkappale • · ·;·’ Virtausenergian sammutinkappaleen suoritusmuoto käsittää kappa- 35 leen, joka on osittain kiinteästi yhdistetty suutinpäähän, jolloin kappale käsittää ·:··· osan, joka ulkonee suutinpään sisätilaan ja on vapaasti liikkuva. Sellaisen vir- • · ♦ • · · · • · · • · • · • · « 2 106740 tausenergian sammutinkappaleen suoritusmuotoesimerkki on esimerkiksi yksipuolisesti kiinnitetty pieni sauva, joka on toisaalta kiinnitetty kiinteästi suutin-päähän ja toisaalta voi liikkua värähtelevästi suutinpään sisätilassa. Sellainen virtausenergian sammutinkappale järjestetään suutinpään sisätilaan siten, että 5 läpivirtaava polttoaine panee virtausenergian sammutinkappaleen värähtele-mään. Erityisen edullisessa suoritusmuodossa on kiinnitetty, esimerkiksi sauvan muotoinen virtausenergian sammutinkappale muodostettu siten, että toinen pääty ulkonee suuttimen reikään ja on vapaasti liikkuva suuttimen reiän sisäpuolella. Virtaava polttoaine saa sauvan muotoisen virtausenergian sam-10 mutinkappaleen suuritaajuiseen värähtelyliikkeeseen. Tällöin suuttimen reiän rengasaukon geometria muuttuu ajan myötä jatkuvasti ja siten myös nopeus-vektorit suuttimen reiän ja sauvan muotoisten virtausenergian sammutinkap-paleiden väliin muodostuvassa rengasaukossa. Siten muodostuva nopeusja-kautuman epäsymmetria johtaa ulostulevan polttoaineen suureen turbulentti-15 suusasteeseen.

2. Vapaasti liikkuva virtausenergian sammutinkappale

Virtausenergian sammutinkappaleen toinen suoritusmuoto koostuu kappaleesta, joka on järjestetty vapaasti liikkuvaksi, esimerkiksi kiertyväksi suutinpään sisätilassa. Sellaista virtausenergian sammutinkappaletta liikuttaa, 20 esimerkiksi saattaa pyörimään, virtaava polttoaine. Tämän liikkeen avulla suuttimen reikien sisääntuloaukot sulkeutuvat osittain tai kokonaan ja jälleen avautuvat jatkuvasti virtausenergian sammutinkappaleen ansiosta, mikä sallii polttoaineen tulemisen suuttimen reiästä pulssimaisesti, turbulenttisesti. Vir-... tausenergian sammutinkappale on siten muodostettu, että virtaava polttoaine ];··' 25 saa virtausenergian sammutinkappaleen liikkeeseen, esimerkiksi siten, että • virtausenergian sammutinkappale on muodostettu vinohampaiseksi lieriö-hammaspyöräksi, jolloin hammastuksen kautta virtaava polttoaine saa aikaan : *.· virtausenergian sammutinkappaleen pyörimisen. On useita mahdollisuuksia vapaasti liikkuvan virtausenergian sammutinkappaleen muodostamiseksi, ku-30 ten esimerkiksi myös pallomaisen tai elliptiseksi muodostetun virtausenergian sammutinkappaleen muodostaminen.

.···. Keksinnöllä saavutetaan se etu, että palamisprosessi palotilassa ta- • · .·*.*, pahtuu turbulenttisen polttoainesuihkun muodostumisen ansiosta siten, että typpioksidien (NOx) emissio vähenee. Polttoainesuihkun reunaan muodostu- • · 35 vat pyörteet saavat aikaan sen, että palamisvyöhykkeeseen vedetään osittain ·:··: myös savukaasua, mikä merkitsee "sisäistä savukaasun uudelleenkierrätystä".

« • · · »»·* • · · • · • · ·»· 3 106740

Inertti savukaasu laskee hapen osapainetta ja siten liekin lämpötilaa, mikä jo pienillä uudelleenkierrätysmäärillä johtaa typpioksidiemissioiden vähenemiseen.

Keksinnön mukaisella suutinpäällä saavutetaan se lisäetu, että vir-5 tausenergian sammutinkappaleet voidaan yhdistää tunnettuihin suutinpäiden suoritusmuotoihin, niin että keksinnön mukainen suutinpää on ulkopuolisesti rakenteellisesti valmistettavissa jo tunnettujen suoritusmuotojen mukaiseksi, niin että olemassa olevat suutinpäät ovat ongelmitta vaihdettavissa keksinnön mukaisiin suutinpäihin.

10 Lisäetuna saavutetaan se, että virtausenergian sammutinkappaleen saa liikkeeseen virtaava polttoaine, niin ettei mikään kulumisaltis lisäkäyttölaite ole välttämätön virtausenergian sammutinkappaleen liikuttamiseksi.

Seuraavassa kuvataan keksintöä yksityiskohtaisesti piirustusten yhteydessä. Piirustukset esittävät: 15 Kuvio 1 pitkittäisleikkausta polttoaineen suihkutussuuttimesta, ha vainnollisuuden vuoksi ilman virtausenergian sammutinkappaleita;

Kuvio 2 pitkittäisleikkausta suutinpäästä virtausenergian sammutin-kappaleineen;

Kuvio 2a polttoaineen suihkumuodostuksen kehitystä ajan funktiona; 20 Kuviot 2b, 2d, 2f pitkittäisleikkausta suuttimen reiästä, jossa on sen sisällä oleva virtausenergian sammutinkappale;

Kuviot 2c, 2e, 2g suuttimen reiän kuvantoa suutinpään ulkopuolelta, jossa reiän sisällä on virtausenergian sammutinkappale; ... Kuvio 2h pitkittäisleikkausta suuttimen reiän sisääntuloalueesta; 25 Kuvio 3 pitkittäisleikkausta suutinpäästä, jossa on pyörivä virtaus- : ·’ energian sammutinkappale;

Kuvio 3a polttoaineen suihkunmuodostuksen kehitystä ajan funktio- fV na; : Kuvio 3b kuvantoa suuttimen reiästä suutinpään ulkopuolelta; 30 Kuvio 3c suuttimen reiän pitkittäisleikkausta.

Kuvio 1 esittää sellaisen polttoaineen suihkutussuuttimen 20 pitkit- .···, täisleikkausta, jota käytetään esimerkiksi suurdieselmoottoreissa. Suutinpää 2 • · on yhdistetty suuttimen runkoon 1 ja siinä on ontto tila 9, aukko 5 tai tulokohta 5 polttoaineen sisäänjohtamiseksi ja ainakin yksi läpimenokohta 6 polttoaineen • · 35 syöttämiseksi. Ontto tila 9 on muodostettu sylinterin muotoiseksi ja siinä on akseli B. Suuttimen reiässä 6 on sisääntuloaukko 6a sekä ulostuloaukko 6b.

« • · · »»·· ♦ · ♦ • ♦ « · • · · , 106740 4

Paineenalaisena oleva polttoaine johdetaan aukon 5 porauksen 4 kautta, jolloin syöttövirtausmäärää voidaan säätää jousikuormitteisen kärkiosan 3 avulla. Suuttimen reiät 6 on muodostettu riippuvaisiksi suuttimien asemasta palotilas-sa. Ulkokehäsuihkutuksessa, mikä on tavallista 2-tahtimoottoreissa, on suutti-5 men reiät kerätty yhteen ja muodostettu yhteen suuntaan osoittaviksi. Neli-tahtimoottoreissa suihkutetaan enimmäkseen keskeisen suuttimen avulla, minkä vuoksi suuttimen reiät 6 on järjestetty yhtenäisesti suutinpään 2 ympärykselle. Havainnollisuuden vuoksi virtausenergian sammutinkappaleita ei ole esitetty kuviossa 1.

10 Kuviossa 2 on esitetty suutinpään 2 ala-alue, jossa on suuttimen reiät 6 ja ontto tila 9. Onton tilan 9 sisään on järjestetty sauvan muotoisia virtausenergian sammutinkappaleita 7, jotka on kiinnitetty yhdeltä onton tilan 9 sivulta kiinnityksellä 8 suutinpäähän 2 ja jotka toiselta onton tilan 9 sivulta ulkonevat suuttimen reikään 6. Suuttimen reiän 6 poikkileikkaus on valittu suu-15 remmaksi kuin virtausenergian sammutinkappaleen 7 poikkileikkaus, jolloin virtausenergian sammutinkappale 7 ei ole lepotilassaan missään kosketuksessa suuttimen reiän 6 seinämiin. Sauvan muotoiset virtausenergian sammutin-kappaleet 7 voidaan viedä valmistettaessa suuttimen reiän 6 kautta suutinpäähän 2. Virtausenergian sammutinkappaleiden 7 kiinnittämiseksi voidaan 20 suuttimen reiän 6 akselin pidennyksen takapuolelle tehdä poraus 8, johon sauvan muotoinen virtausenergian sammutinkappale on pistettävissä ja kiinnitettävissä kovajuotoksella. Sauvan muotoiset virtausenergian sammutinkap-paleet 7 mitoitetaan ja asetetaan onteloillaan 9 edullisesti siten, että ne saa-... daan polttoaineen virtauksen avulla suuritaajuiseen värähtelyliikkeeseen umpi- 25 pohjaisen reiän muodostavassa ontelotilassa 9, mikä saa aikaan sen, että • · · : ·* ulosvirtaavan polttoaineen käytettävissä oleva rengasmaisen aukon poikkileik- kauksen geometria suuttimen reiässä 6 vastaavasti muuttuu tai muuntuu ajan • · · : *.·* mukana, mikä vaikuttaa myös ulosvirtaavan polttoaineen nopeusvektoreihin rengasmaisen aukon alueella. Värähtelevä virtausenergian sammutinkappale 30 7 saa aikaan epäsymmetriaa ulosvirtaavan polttoaineen nopeusjakautumassa, mikä suutinpään 2 ulkopuolella johtaa sellaiseen turbuienssirakenteeseen kuin ,···. kuviossa 2a on esitetty. Kuvio 2a esittää ulospurkautuvan polttoainesuihkun ,···. 22 kehitystä ylhäältä alas ajan funktiona, paloillaan tunkeutuvana rintamana 22a. On huomattava, että vastaavassa reunapyörteessä syntyy vuonomaisia • · ·*.'·: 35 kanavia, jotka vetävät mukaan savukaasua, mikä johtaa palamisessa typpi- *i*‘! oksidimuodostuksen estämiseen. Esitetyn virtauskuvan ylläpitämiseen riittävät « · · • · · » « · « • · • · · 5 106740 jo sauvan muotoisten virtausenergian sammutinkappaleiden 7 pienimmät vä-rähtelyamplitudit. Suuret värähtelyamplitudit voivat suuttimen reiän 6 sisällä osoittautua mahdollisesti virtauskuvalle epäedullisiksi, niin että voi osoittautua edulliseksi, että rajoitetaan virtausenergian sammutinkappaleen 7 värähtely-5 amplitudeja, kuten kuvioissa 2b ja 2c on esitetty, virtausenergian sammutin-kappaleeseen 7 järjestettyjen porrastusten 10 avulla. Esitetyn suoritusmuodon mukaisesti on virtausenergian sammutinkappaleen ympärykseen 7 jaettu kolme porrastusta 10 ja ne kulkevat virtausenergian sammutinkappaleen 7 akselin suuntaisina.

10 Kuten kuvioissa 2d ja 2e on esitetty, voi osoittautua edulliseksi, että porrastukset 10 muodostetaan ruuvimaisen muotoisesti virtausenergian sam-mutinkappaleessa 7 kulkeviksi, niin että suuttimen reiän 6 läpi virtaava polttoaine pakotetaan kierreliikkeeseen, mikä aiheuttaa suuttimen reiän 6 ulkopuolella esimerkiksi suihkun avautumiskulman laajenemisen. Suuttimen reiän 6 li-15 säsuoritusmuoto on esitetty kuvioissa 2f ja 2g. Liikkuva virtausenergian sam-mutinkappale 7 on muodostettu suuttimen reiän 6 sisällä kartiomaiseksi, niin että suuttimen reiän 6 ja virtausenergian sammutinkappaleen 7 väliin muodostuvassa rengasmaisessa aukossa 6c on sisääntuloaukosta 6a ulostulo-aukkoon 6b päin kartiomainen laajennus. Siten muodostettu rengasmainen 20 aukko 6c voi olla edullinen siten, että juoksettuvien polttoainepisaroiden muodostus suuttimen reiän akselin 6d läheisyydessä voidaan estää. Kuviossa 2h on esitetty suuttimen reiän 6 sisääntuloaukon 6a edullinen suoritusmuoto. Si-sääntuloaukossa 6a on pyöristetty aukko, joka on esimerkiksi elektrokemialli-sesti ainetta poistamalla muodostettu. Sellainen pyöristetty aukko varmistaa, !;';' 25 että virtausolosuhteet suuttimen reiässä 6 pysyvät vakioina pitkän käyttöajan.

• · · : ;* Keksinnön lisäsuoritusmuodossa, joka on esitetty kuviossa 3, joh- ··**·* detaan onttoon tilaan 9, joka on muodostettu umpipohjaiseksi reiäksi, jonka • · · : V symmetria-akseli on B, vinohampainen lieriöhammaspyörä 12, jonka polttoai- • · :.· ; nevirtaus saattaa pyörivään liikkeeseen sisäänsuihkutusvaiheen aikana, niin :T: 30 että suuttimen reikien 6 sisääntuloaukot 6a peittyvät aika ajoin. Hammaspyörä 12 on muodostettu pyöriväksi virtausenergian sammutinkappaleeksi 12.

.···. Hammaspyörä 12 on muodostettu sylinterin muotoiseksi ja siinä on pyörimi- .···. sakseli A, joka esillä olevassa suoritusmuotoesimerkissä on järjestetty kättä- « maan symmetria-akselin B. Vinohammastetussa lieriöhammaspyörässä 12 on :.‘*i 35 koverruksia 12a, jotka kulkevat koko hammaspyörän 12 leveyden yli, ja joiden suunta on vinossa pyörimisakseliin A nähden siten, että sisäänvirtaava poltto- «·« •««· • · · • · • · • · · e 106740 aine saa hammaspyörän 12 pyörivään liikkeeseen. Umpipohjaisen reiän 11 päätyyn 9a on järjestetty kuula 14, joka toimii pyörivän virtausenergian sam-mutinkappaleen 12 laakerointina kitkan pitämiseksi vähäisenä.

Suutinpään 2 ja pyörivän virtausenergian sammutinkappaleen 12 vä-5 linen aukon leveys 15 mitoitetaan edullisesti siten, että aiheutuu vähäinen kitka. Pyörivä virtausenergian sammutinkappale 12 peittää suuttimen reiän 6 si-sääntuloaukon 6a aika ajoin, niin että, kuten kuviossa 3a on esitetty, syntyy ulostuleva polttoainesuihku 21, jossa on pulssimaisesti ja turbulenttisesti palo-tilaan levittäytyvät rintamat 21a, 21b, 21c. Polttoaineen ulostulo häiriytyy siten 10 aika ajoin voimakkaasti, mistä on tuloksena useita suihkurintamia 21a, 21b, 21c, niin että siinä vallitsevan turbulenssin voimakkuuden vuoksi palamistuot-teita vedetään mukaan polttoainesuihkuun, mikä johtaa toivottuun typpioksidi-muodostuksen estämiseen.

Pyörivän virtausenergian sammutinkappaleen 12 yhteydessä voi-15 daan suuttimen reikä 6 muodostaa sylinterin muotoiseksi, jolloin sillä on tasainen sisäseinä, tai kuten kuvioissa 3b ja 3c on esitetty, kierteitä aiheuttavaksi, jolloin suuttimen reiässä 6 on spiraalin muotoinen sisäseinässä kulkeva uurre 16. Suuttimen reikä 6 ja sen sisäseinä voidaan muodostaa mielivaltaisen muotoiseksi, kunhan synnytetään polttoaineen läpivirtauksen pulssimainen pi-20 dätys sisääntuloaukossa 6a.

•«· « « · «· · • · · • · 1 • · • · • · t • · · · ·· · • · · • · • · • · • · · • · ·

··· I

··· • · · • · ♦ • · · • · « · ··♦ • « · • · • 1 ♦ · • · · • 1 · t · • · • · · • · · · M· • · • · • · ·

Claims (6)

7 106740

1. Suutinpää (2) polttoaineen suihkutussuutinta (20) varten, joka suutinpää (2) on varustettu ontolla tilalla (9) ja sisääntuloaukolla (5) polttoai-5 neen syöttämiseksi ja vähintään yhdellä kanavan muotoisella läpimenevällä reiällä (6) polttoaineen antamiseksi, jolloin suutinpään (2) onttoon tilaan (9) on sovitettu pyörivä sammutinkappale (12), pyörivässä sammutinkappaleessa (12) on sylinterin muotoinen pinta (12b) sekä pyörimisakseli (A), sylinterin muotoisella pinnalla (12b) on vähintään yksi koverrus (12a), joka kulkee kalte-10 vasti pyörimisakseliin (A) nähden, ja koverruksen (12a) läpivirtaava polttoaine saattaa pyörivän sammutinkappaleen (12) pyörimisliikkeeseen, tunnettu siitä, että sylinterin muotoinen pinta (12b) on sovitettu kanavan muotoisen läpimenevän reiän (6) tuloaukon (6a) eteen siten, että pyörivä sammutinkappale (12) suojaa periodisesti kanavan muotoisen läpimenevän reiän (6) tuloaukon 15 (6a) saadakseen siten aikaan turbulenttisen virtauksen ulostulevalle polttoai neelle.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suutinpää (2), tunnettu siitä, että ontossa tilassa (9) on ainakin kanavanmuotoisen läpimenevän reiän (6) alueella sylinterin muotoinen osa, jolla on symmetria-akseli (B), että kover- 20 rus (12a) kulkee pyörimisakselin (A) suhteen koko pyörivän sammutinkappaleen (12) leveydellä, ja että pyörivä sammutinkappale (12) on järjestetty onttoon tilaan (9) siten, että symmetria-akseli (B) ja pyörimisakseli (A) yhtyvät.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen suutinpää (2), tunnettu siitä, että pyörivä sammutinkappale (12) on muodostettu vinohammastetuksi • 0 • Γ.* 25 hammaspyöräksi. • f

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen suutinpää (2), • · · tunnettu umpipohjaisestä reiästä (11), jonka päädyssä (9a) on kuula (14), • V jonka päällä pyörivä sammutinkappale (12) lepää.

• · : 5. Patenttivaatimuksen 1-4 mukainen suutinpää (2), tunnettu •X· 30 siitä, että kanavanmuotoisessa läpimenevässä reiässä (6) on ainakin yksi sen pituussuunnassa kulkeva uurre (16).

6. Patenttivaatimuksen 1-5 mukainen suutinpää (2), tunnettu ·»» .···. siitä, että uurre (16) kulkee spiraalin muotoisesti. • · ♦ « ♦ ♦ · · • »I • * • · « • · · • « « « • · · • · • * • · » 8 106740