Система питания и охлаждения двигателя внутреннего сгорания цаголовых

 

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания с впрыском катализатора в рабочее тело. Техническая задача изобретения: упрощение конструкции, повышение надежности и долговечности. Для этого система питания снабжена насос-форсункой катализатора с сервоцилиндром, прецизионными парами в виде обратного клапана с седлом, плунжера с втулкой, клапана-штанги и распылителя с иглой. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с впрыском катализатора воды и ее катализирующих рабочий процесс двигателя растворов в рабочее тело.

Известны способ работы ДВС с впрыском катализатора воды в рабочее тело, а также системы питания и охлаждения их [1] Известны также двигатель внутреннего сгорания и система питания и охлаждения его катализатором газовой смесью паров раствора воды с щелочами [2] В известных ДВС и системах питания и охлаждения двигателя эти процессы разделены впрыск катализатора производится на такте впуска рабочего тела с помощью дополнительных форсунок, насосов, компрессоров конструкции системы питания дизельных двигателей. При этом топливные насосы высокого давления и компрессоры в применении для впрыска катализатора в рабочее тело приводятся от вала двигателя с помощью сложной механической передачи известных конструкций систем топливоподачи дизелей.

Такая конструкция систем значительно усложняет их и двигатель, делает их трудоемкими в изготовлении и эксплуатации, ненадежными в работе, дорогими по стоимости. Следует дополнительно отметить, что двигатель по схеме прототипа практически неприемлем из-за конструктивной непроработанности и сложности. Если же допустить его практическое воплощение, то из анализа схемы легко заметить ряд дополнительных существенных недостатков его. К ним относятся снижение экономичности двигателя из-за потерь заряда в нейтрализаторе, ограниченность области применения только дизелями, а также сложность управления и эксплуатации системы из-за наличия большего числа дополнительных агрегатов и устройств.

Принципиальным недостатком известных способов и систем является то, что впрыск катализатора в них производится в такте впуска рабочего тела заряда. Это приводит к снижению температуры рабочего заряда в конце такта сжатия из-за потери тепла на парообразование и разогрев заряда катализатора и, как следствие, к снижению качества процессов воспламенения и сгорания заряда. По этой причине ухудшаются параметры работы двигателя.

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции, изготовления и эксплуатации, повышение показателей работы, надежности и долговечности, снижение токсичности отработавших газов, массы и стоимости системы питания и охлаждения и двигателя в целом, а также охлаждение двигателя с использованием тепла охлаждающего тела на получение указанных положительных эффектов.

Это достигается тем, что система питания и охлаждения двигателя снабжена насос форсункой катализатора с сервоцилиндром с возможностью его задействования в такте расширения рабочих газов двигателя, а также прецизионными парами в виде обратного клапана с седлом, плунжера со втулкой, клапана штанги и распылителя с иглой. Притом насос форсунка снабжена плунжерной парой с маслоподводящими каналами, а прецизионные пары выполнены с плоскости и цилиндрическими рабочими поверхностями, притом бак радиатор катализатора снабжен сердцевиной из стали.

Такая конструкция системы позволяет осуществить изобретение на базе существующих серийных двигателей без их существенной реконструкции, т.е. с минимальными затратами и обеспечивает указанные в технической задачи изобретения преимущества и положительный эффект, так как система не имеет сложных насоса высокого давления и компрессора с приводом от вала двигателя, а также других дополнительных устройств в виде воздушного ресивера, смесителя, регуляторов перепуска катализатора и др. при том прецизионные пары насос форсунки смазываются при работе, чем дополнительно герметизируются, проще в изготовлении, более надежны в работе, бак радиатор катализатора также более надежен и дешевле, так как снабжен сердцевиной, выполненной из стали, и имеет упрощенную конструкцию. Кроме того, насос-форсунки обеспечивают впрыск катализатора в камеру сгорания двигателя в такте расширения рабочих газов в точке z индикаторной диаграммы рабочего цикла двигателя при давлениях газов 2,5-4,5 МПа для карбюраторных и газовых двигателей и 5,0-9,0 МПа для дизелей, когда основная масса рабочего заряда воспламенится и сгорит в нормальных условиях, а также автоматическую регулировку величины цикловой подачи катализатора и качества его распыла в виде дисперсного тумана в зависимости от режима работы и типа двигателя, так как приводится в работу от давления рабочих газов камеры сгорания в указанной точке индикаторной диаграммы, которое меняется в зависимости от указанных условий.

На фиг.1 показана принципиальная схема системы; на фиг.2 схема насос-форсунки в описываемом варианте; на фиг. 3 вид по стрелке А в увеличенном масштабе на отверстия в распылителе.

Система состоит из модернизированного бака-радиатора катализатора 1, соединенного с насосом-помпой 2 и рубашкой охлаждения двигателя с помощью патрубка 3 и термостата 4. Бак-радиатор 1 модернизирован в сторону увеличения ее емкости за счет увеличения размеров или установки дополнительного бачка для подпитки системы охлаждения при работе. Кроме того, бак-радиатор имеет сердцевину упрощенной конструкции и выполненной из стали, так как потребная площадь теплоизлучения уменьшена из-за охлаждения двигателя за счет испарения катализатора в рабочей камере при работе двигателя по предлагаемому способу.

В остальном бак-радиатор 1 аналогичен известным и содержит верхний и нижний бачки, сердцевину, присоединительные патрубки. Верхний бачок имеет заливную горловину 5 с сетчатым фильтром, переливной трубкой и крышкой с паровоздушным клапаном известных конструкций. На уровне патрубка термостата в бачке установлен датчик дистанционного указателя уровня катализатора и температуры 6. Такая установка датчика указателя уровня и температуры предотвращает критическое опорожнение системы и перегрев двигателя, а также сигнализирует водителю о необходимости доливки катализатора в систему, автоматически отключает питание рабочего тела катализатора. В нижнем бачке установлен кран 7 для слива отстоя и опорожнения радиатора. Для обеспечения циркуляции катализатора в системе на корпусе двигателя размещен насос-помпа 2, соединенный с валами вентилятора и двигателя кинематической передачей известных конструкций 8.

На головке блока цилиндров в камере клапанного механизма или в другом месте с учетом подачи в них катализатора и смазки установлены насос-форсунки 9 по числу камер сгорания и цилиндров двигателя. Распылители насос-форсунок, а также их сервоцилиндры сообщаются через сопловые отверстия П и зазор Г с камерами сгорания рабочего тела 10 цилиндров двигателя. Двигатель снабжен системами впуска, выпуска и регулировки рабочего заряда и отработавших газов известных конструкций. Насос-форсунки в посадочных гнездах фиксируются с помощью резьбового соединения или другим способом. При этом корпусы их омываются охлаждающим катализатором из рубашки двигателя, а соединительные стыки герметизируются с помощью фланца 11 и уплотнительного кольца 12, а также медной шайбы-прокладки 13.

Насос-форсунки соединены между собой и системой с помощью болтов-штуцеров 14, штуцеров 15, трубок 16 через фильтры грубой 17 и тонкой 18 очистки катализатора с регулятором-краном управления 19, а также штуцером 20 забора катализатора в систему, установленного за термостатом с учетом автоматического отключения системы при критическом снижении уровня катализатора. Соединения штуцеров герметизированы шайбами 21 с уплотнительным кольцом, установленных на колпаке головки блока цилиндров.

Стрелкой В показано направление потока катализатора в системе при ее работе. Конструкция фильтров очистки катализатора аналогичны конструкции известных топливных фильтров систем питания двигателей внутреннего сгорания.

Насос-форсунка (фиг.2 и 3) состоит из корпуса 22 и закрепленного на нем стакана 23. Внутри корпуса размещены корпус распылителя 24, игла распылителя 25, соединенного с помощью резьбы с клапаном-штангой 26, или изготовленного с ним за одно целое. Корпус распылителя, клапан-штанга установлены в отверстии плунжера-сервопоршня 27 и закреплены на нем с помощью резьбового соединения. Клапан-штанга с иглой распылителя в нерабочем состоянии под действием пружин 28 подняты и прижаты к поверхности дна отверстия установки. В результате этого закрыты канал в плунжере и сопловые отверстия в распылителе Р. Таким образом насос-форсунка, его распылитель отключаются от камеры сгорания цилиндра двигателя. При этом рабочие газы в камере сгорания дополнительно поджимают иглу распылителя и штангу вверх уплотняя соединения. Пружины на стенде должны быть отрегулированы на давление впрыска катализатора 12,5-20,0 МПа в зависимости от типа двигателя и способа смесеобразования. Регулировку производят изменением количества и установки пружин.

Для герметизации рабочих соединений в сервоцилиндре на сервопоршне размещены спаренные компрессионные кольца 29.

Плунжерная часть сервопоршня размещается во втулке 30, установленной в стакане 23. Над втулкой плунжера расположен обратный клапан 31, установленный в отверстии вытачке седла клапана 32 и вместе с ним в стакане 23. Втулка и седло клапана в установочном отверстии стакана закреплены резьбовой втулкой-винтом 33, фиксированной контргайкой 34. Рабочие поверхности прецизионных пар герметизированы высокой чистотой обработки-притирки, селективной сборкой, а также схемой их работы, рабочей средой.

Внутри втулки-винта размещена индивидуальный фильтр 35 насос-форсунки дополнительно очищающий катализатор. Для возврата плунжер-сервопоршня вниз на такте всасывания катализатора в полость плунжерной втулки, а также поддержания насос-форсунки и системы в отключенном состоянии в тактах двигателя: впуск, сжатие, выпуск в сервоцилиндре размещена с действием на сервопоршень пружина 36. Пружина сервопоршня с помощью шайб 37, а также тарировкой при изготовлении регулируется на давление срабатывание насос-форсунки в точке Z индикаторной диаграммы цикла рабочего процесса двигателя: 2,5-4,5 МПа для карбюраторных и газовых двигателей и 5,0-9,0 МПа для дизелей. Соединение болт-штуцера 14 с штуцерами 15 герметизируется шайбой 38. Для выпуска газопарового конденсата катализатора и прокачки системы, а также слива отстоя фильтры 17 и 18 снабжены кранами 39 и 40. Сервоцилиндр, а также плунжерная пара при работе для смазки контактируются с маслом пространства клапанного механизма через дренажные отверстия-каналы М, винтовой проточки-риске на плунжере и радиальных отверстий во втулке плунжера.

Для изменения потока воздуха и регулирования режимом работы бака радиатора перед ним установлена шиберная заслонка-штора 41 с тягой управления 42.

Работа системы происходит следующим образом.

После пуска двигателя и проработки его и разогрева до номинальной температуры (80-90^оС) поворотом маховичка регулятора-крана 19 включают систему подачи катализатора. При этом под действием напора насос-помпы 2 катализатор из бака-радиатора 1 начинает циркулировать в рубашке охлаждения двигателя по системе патрубков и трубопроводов 3 по известной схеме. Из рубашки охлаждения головки блока цилиндров катализатор попадает в термостат 4, далее возвращается в насос-помпу по отводящей трубке малого круга или попадает снова в бак-радиатор. Одновременно из патрубка термостата через штуцер 20, трубопроводы 16, кран 19, фильтры грубой 17 и тонкой 18 очистки катализатора, болтов-штуцеров 14, штуцеров 15, индивидуальные фильтры 35, отверстия в седлах клапанов 32 и обратные клапаны 31 катализатор в нижнем положении обратного клапана и плунжер-сервопоршня 27 всасывается в рабочую камеру втулки плунжера 30. Далее, когда в соответствии с порядком в камере сгорания двигателя возникает такт расширения и давление рабочих газов достигает значений 2,5-4,5 МПа для карбюраторных и газовых двигателей и 5,0-9,0 МПа для дизелей, плунжер-сервопоршень 27 под действием этих газов преодолеет сопротивление пружин 28 и 36, а также напор катализатора сверху поднимается, т.е. совершает рабочий ход. При этом обратный клапан под действием напора катализатора снизу прижимается к прецизионной поверхности дна седла клапана 32 и закрывает впускное отверстие в седло клапана, чем закрывает обратный ток катализатора. Цикловая порция катализатора, достигнув давления впрыска 12,5-20,0 МПа, вытесняется плунжером через отверстия в нем, отжимает клапан-шток 26 с иглой распылителя 25 вниз, преодолев при этом сопротивление пружин 28, на ход иглы и через отвеpстия в клапан-штоке, зазоров в соединении, щели между иглой распылителя и отверстия в корпусе распылителя 24, а также кромкой отсечного цилиндра иглы и рисками Р распылителя впрыскивается в камеру сгорания цилиндра двигателя с высоким туманным распылом по заданной форме П и под действием высокой температуры среды 2300-2700^оК мгновенно испаряется с выделением растворенного и частично молекулярного кислорода. Рабочие газы в сервоцилиндр попадают через зазор Г между корпусами и распылителя и форсунки.

После впрыска в рабочую камеру катализатора под действием выделившегося кислорода интенсифицируется процесс догорания заряда, повышение давления газов, эффективности КПД, экономичности работы двигателя, а также охлаждение его с использованием теплоты охлаждающего тела на полезную работу.

После впрыска катализатора давление в насос-форсунке падает и под действием указанных пружин плунжер-сервопоршень возвращается в исходное положение. При этом обратный клапан 31 под собственным весом и напором катализатора сверху, а также вакуума в камере втулки плунжера снизу опускается, открыв при этом впускное отверстие в седле клапана 32 для нового такта впрыска заряда катализатора, а клапан-штанга с иглой распылителя под действием пружин 28 и давления рабочих газов в камере сгорания 10 цилиндра двигателя поднимается и запирает отверстие в плунжере и распылителе. Кроме того, цилиндрическая отсечная часть иглы разъединяет сопловые отверстия от пространства камеры сгорания двигателя. Таким образом отключается форсунка и цикл повторяется. Управляют системой с помощью регулятора-крана 19, размещенного на переднем щитке кабины водителя. При этом поворотом его маховика изменяют цикловую подачу катализатора, включают или отключают систему. Дополнительно цикловая подача катализатора автоматически изменяется в зависимости от изменения давления газов в рабочей камере в точке Z индикаторной диаграммы цикла при работе двигателя на различных режимах топливоподачи и нагрузки. При этом с повышением давления газов подача катализатора увеличивается. При снижении уровня катализатора в системе она автоматически отключается. Этот уровень определяется указателем 6 и установкой штуцера 20. Система охлаждения при этом начинает работать по известной схеме. Однако продолжительная работа в этом режиме нежелательна, так как модернизированный радиатор имеет пониженный коэффициент теплоизлучения, и двигатель может перегреться особенно в летнее время. Поэтому необходимо долить в систему катализатор и работать с включенной системой питания катализатором.

Значительно улучшает работу двигателя применение в качестве катализатора обогащенная кислородом, например, путем аэрации или другим способом вода.

Формула изобретения

1. Система питания и охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая впускную систему, регулятор подачи газовой смеси, регулятор уровня, рабочие цилиндры, отличающаяся тем, что она снабжена насос-форсункой катализатора с сервоцилиндром с возможностью его задействования в такте расширения рабочих газов двигателя, а также прецизионными парами в виде обратного клапана с седлом, плунжера с втулкой, клапана-штанги и распылителя с иглой.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что форсунка снабжена плунжерной парой с маслоподводящими каналами, а прецизионные пары выполнены с плоскими и цилиндрическими рабочими поверхностями.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена бак-радиатором с сердцевиной, выполненной из стали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3