Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, использующим в качестве дополнительного топлива водород. Двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем и головку цилиндра, образующие камеру сгорания, установленную в ней свечу зажигания, систему подачи топлива в камеру сгорания, блок управления, связанные с блоком управления систему зажигания и датчики нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, а также источник водорода и связанную с ним форсунку. Форсунка установлена в камере сгорания, выполнена со сквозным осевым и боковым каналами в ее корпусе для подачи водорода и содержит размещенные в осевом канале пружину с тарелью и поджатый пружиной плунжер, снабженный боковой проточкой, на которой установлено уплотнительное кольцо, и каналом, сообщающим боковую проточку с камерой сгорания, причем боковая проточка выполнена с возможностью совмещения с боковым каналом для подачи водорода. В форсунке размещен связанный с блоком управления реверсивный электродвигатель со шлицевым выходным валом, в осевом канале корпуса форсунки и по периметру тарели пружины выполнена ходовая резьба, а тарель снабжена осевым шлицевым отверстием и установлена с образованием шлицевого соединения с валом электродвигателя и возможностью перемещения по резьбе в осевом канале корпуса форсунки. Технический результат заключается в обеспечении максимального облегчения воспламенения бедной смеси, обогащенной водородом, вблизи свечи зажигания. 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), использующим в качестве дополнительного топлива водород.

Один из путей повышения экономичности ДВС с искровым зажиганием - перевод его на работу на обедненных смесях. Однако существенно обеднить смесь не позволяет возрастающая при обеднении нестабильность воспламенения заряда. Повышение эффективности воспламенения обедненных топливовоздушных смесей возможно за счет введения в цилиндр двигателя дополнительных порций водорода. Наличие у электродов свечи зажигания в момент создания искрового разряда повышенной концентрации водорода, обладающего высокой химической активностью и теплотой сгорания, позволяет надежно воспламенять обедненные смеси.

Известен двигатель внутреннего сгорания (а.с. СССР N 1004663, 1983 г.), содержащий цилиндр с поршнем и головку со впускным и выпускным каналами, образующие камеру сгорания. Ко впускному каналу подключен карбюратор для подачи бензовоздушной смеси и воздуховод со смесительной камерой водорода и воздуха. В воздуховоде установлены воздушная заслонка и форсунка для подачи водорода. На такте впуска в цилиндр по впускному каналу под действием разрежения поступает бензовоздушная смесь из карбюратора и водородовоздушная смесь из смесительной камеры воздуховода. Бензоводородовоздушная смесь равномерно распределяется по цилиндру и в конце такта сжатия поджигается искрой.

Недостатком такого двигателя является то, что для создания повышенной концентрации водорода в зоне электродов свечи к моменту воспламенения необходимо создать высокую его концентрацию во всей камере сгорания, что требует больших количеств водорода.

Известен ДВС (а.с. СССР N 1329273, 1985 г.), содержащий камеру сгорания с установленной в ней свечой зажигания, систему подачи в камеру сгорания углеводородного топлива, блок управления и связанные с ним систему зажигания и датчики нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, источник водорода и связанную с ним форсунку, установленную в камере сгорания в непосредственной близости от свечи зажигания. Корпус форсунки имеет осевой и боковой каналы для подачи водорода в камеру сгорания. Боковой канал сообщен с источником водорода. В осевом канале размещен подпружиненный плунжер с боковой проточкой, на которой установлено уплотнительное кольцо, и каналом, сообщающим боковую проточку с камерой сгорания. На такте сжатия плунжер под действием давления газов из камеры сгорания преодолевает усилие пружины и перемещается в осевом канале корпуса форсунки. При совмещении боковой проточки плунжера с боковым каналом корпуса форсунки открывается доступ водорода в камеру сгорания в область электродов свечи зажигания. Блок управления на основании информации от датчиков нагрузки и частоты вращения в оптимальный момент времени, зависящий от режима работы ДВС, подает сигнал на систему зажигания, которая создает на свече искровой разряд. В обогащенной водородом смеси быстро развивается очаг пламени, и происходит стабильное от цикла к циклу и эффективное воспламенение заряда. Расход водорода в таком двигателе существенно сокращается вследствие его локализации вблизи электродов свечи зажигания.

Недостатком такого двигателя является невозможность обеспечения согласованной работы форсунки и свечи зажигания на всех скоростных и нагрузочных режимах работы ДВС. Так, при уменьшении нагрузки наполнение цилиндра снижается, уменьшается давление в камере сгорания в конце сжатия, и усилие от давления газов на плунжер, превышающее усилие предварительного сжатия пружины, достигается позже по углу поворота коленчатого вала. Вследствие этого совмещение боковой проточки плунжера с боковым каналом корпуса форсунки, а значит и подача водорода в камеру сгорания, происходит позже. Однако известно, что с уменьшением нагрузки оптимальный угол опережения зажигания увеличивается, т. е. искрообразование происходит раньше по углу поворота коленчатого вала. В результате происходит рассогласование моментов подачи водорода и искрообразования. Обратная картина наблюдается при увеличении нагрузки: подача водорода в камеру сгорания в момент совмещения боковой проточки плунжера и бокового канала корпуса форсунки происходит раньше, а угол опережения зажигания уменьшается, т.е. искрообразование происходит позже. С изменением частоты вращения коленчатого вала при неизменной нагрузке момент искрообразования также изменяется, а момент подачи водорода, определяемый соотношением усилия сжатия пружины и силы давления газов из цилиндра на плунжер, остается неизменным, т. е. и в этом случае происходит рассогласование работы системы зажигания и системы подачи водорода. Создание же искрового разряда в смеси, где концентрация водорода уже снизилась по сравнению с оптимальной вследствие его диффузии из межэлектродного зазора после слишком ранней подачи, либо в смеси, где водород к моменту искрообразования вообще отсутствует вследствие слишком поздней его подачи, существенно снижает эффективность протекания рабочего процесса при использовании обедненных смесей.

Улучшение эксплуатационных характеристик путем согласования моментов искрообразования и подачи водорода достигается в предлагаемом изобретении тем, что в форсунке размещен связанный с блоком управления реверсивный электродвигатель со шлицевым выходным валом, в осевом канале корпуса форсунки и по периметру тарели пружины выполнена ходовая резьба, а тарель снабжена осевым шлицевым отверстием и установлена с образованием шлицевого соединения с валом электродвигателя и возможностью перемещения по резьбе в осевом канале корпуса форсунки. Это позволяет в процессе работы ДВС вращением тарели пружины менять ее положение относительно плунжера и таким образом изменять усилие предварительного сжатия пружины, обеспечивая тем самым возможность согласования момента трогания с места плунжера, а значит и момента совмещения боковой проточки плунжера с боковым каналом в корпусе форсунки для подачи водорода в камеру сгорания, с моментом искрообразования.

Существенными отличиями предлагаемого изобретения являются установка в корпусе форсунки реверсивного электродвигателя со шлицевым выходным валом с образованием шлицевого соединения с осевым шлицевым отверстием в тарели пружины, что позволяет осуществлять вращение тарели в том или ином направлении, и выполнение ходовой резьбы по периметру тарели пружины и в осевом канале корпуса форсунки, что позволяет вращением тарели изменять ее положение относительно плунжера в осевом канале корпуса форсунки, изменяя тем самым усилие предварительного сжатия пружины. Связь электродвигателя с блоком управления позволяет для любого скоростного и нагрузочного режима работы ДВС устанавливать такое положение тарели, при котором соответствующее усилие предварительного сжатия пружины обеспечивает совмещение боковой проточки плунжера с боковым каналом корпуса форсунки для подачи водорода в камеру сгорания согласованно по времени с изменяющимся от режима к режиму моментом искрообразования. Все это дает возможность для любого режима работы ДВС обеспечить оптимальное сочетание моментов подачи водорода и искрообразования с тем, чтобы максимально облегчить воспламенение бедной смеси, обогащенной водородом вблизи свечи зажигания.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены: на фиг.1 - схема описываемого двигателя; на фиг.2 - разрез форсунки для подачи водорода; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2.

Двигатель (фиг.1) содержит цилиндр 1 с поршнем 2 и головку 3, образующие камеру 4 сгорания. В головке 3 выполнен впускной канал 5, к которому подключена система 6 подачи топлива. Для создания искрового разряда в камере 4 сгорания установлена свеча 7 зажигания, связанная с системой 8 зажигания, управление которой осуществляется блоком 9 управления по сигналам датчиков 10 и 11 нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, установленных на двигателе. В камере 4 сгорания установлена форсунка 12 для подачи водорода, расположенная на минимальном расстоянии от свечи 7 зажигания, допустимом конструктивными размерами свечи и форсунки.

В корпусе 13 (фиг. 2) форсунки 12 выполнены сквозной осевой и боковой каналы 14 и 15 соответственно. В осевом канале 14 размещены плунжер 16 и поджимающая его пружина 17 с тарелью 18. В тарели 18 выполнено осевое шлицевое отверстие 19, а по ее периметру - ходовая резьба, сопрягающаяся с ходовой резьбой 20, выполненной в верхней части осевого канала 14. В форсунке размещен реверсивный электродвигатель 21, управление которым осуществляется блоком 9 управления по сигналам датчиков 10 нагрузки и 11 частоты вращения коленчатого вала. На выходном валу 22 электродвигателя 21 выполнены шлицы, которые в сопряжении со шлицевым отверстием 19 тарели 18 образуют шлицевое соединение. Плунжер 16 имеет боковую проточку 23, на которой установлено уплотнительное кольцо 24, и канал 25, сообщающий боковую проточку 23 с камерой 4 сгорания. Проточка 23 выполнена с возможностью совмещения с боковым каналом 15, который сообщен с источником водорода (не показан). Для предотвращения вращения плунжера 16 служат направляющие 26 (фиг. 3).

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

Блок 9 управления на основании информации о нагрузке ДВС и частоте вращения коленчатого вала от датчиков 10 и 11 подает управляющий сигнал на электродвигатель 21. Вращение выходного вала 22 электродвигателя 21 через шлицы в осевом отверстии 19 передается тарели 18, которая, перемещаясь по резьбе 20, в верхней части осевого канала 14 корпуса 13 форсунки 12 сжимает (ослабляет) пружину 17, устанавливая усилие ее предварительного сжатия в соответствии с режимом работы ДВС.

На такте впуска обедненная топливовоздушная смесь от карбюратора 6 по впускному каналу 5 поступает в цилиндр 1 и заполняет камеру 4 сгорания. Боковой канал 15 подачи водорода перекрыт цилиндрической поверхностью плунжера 16, поджатого пружиной 17, упирающейся в тарель 18.

На такте сжатия под действием повышающегося в цилиндре давления плунжер 16, преодолевая усилие сжатия пружины 17, перемещается по схеме вверх. В конце сжатия перед искрообразованием проточка 23 плунжера 16 совмещается с каналом 15 и открывает доступ водорода через канал 25 в камеру 4 сгорания. Происходит подача водорода. Момент совмещения проточки 23 с каналом 15 определяется усилием предварительного сжатия пружины 17 и обеспечивает гарантированное поступление водорода в межэлектродный зазор к моменту искрообразования.

Под действием повышающегося в камере 4 сгорания давления плунжер 16 продолжает перемещаться вверх, и каналы 15 и 25 разобщаются. На основании информации о нагрузке ДВС и частоте вращения коленчатого вала от датчиков 10 и 11 блок 9 управления в необходимый момент времени подает сигнал на систему 8 зажигания, которая создает на свече 7 искровой разряд. Смесь в камере 4 сгорания, обогащенная водородом вблизи электродов свечи 7, воспламеняется. Происходит сгорание заряда, за которым следует такт выпуска.

Непроизводительная подача водорода на такте расширения, когда давление в цилиндре вновь снижается, исключается смещением уплотнительного кольца 24 под действием его повышенного трения о корпус 13 в верхнюю часть проточки 23. В результате при возвращении плунжера 16 в исходное положение (по схеме вниз) каналы 15 и 25 разобщаются уплотнительным кольцом 24.

Указанный порядок работы двигателя циклично повторяется.

Таким образом, в предлагаемом двигателе обеспечивается возможность согласованной работы форсунки для подачи водорода и свечи зажигания на всех скоростных и нагрузочных режимах работы ДВС. Это позволяет для любого режима работы ДВС обеспечить оптимальное сочетание моментов подачи водорода и искрообразования с тем, чтобы максимально облегчить воспламенение бедной смеси, обогащенной водородом вблизи свечи зажигания.

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с поршнем и головку цилиндра, образующие камеру сгорания, установленную в ней свечу зажигания, систему подачи топлива в камеру сгорания, блок управления, связанные с блоком управления систему зажигания и датчики нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, источник водорода и связанную с ним форсунку, установленную в камере сгорания и выполненную со сквозным осевым и боковым каналами в ее корпусе для подачи водорода и содержащую размещенные в осевом канале пружину с тарелью и поджатый пружиной плунжер, снабженный боковой проточкой, на которой установлено уплотнительное кольцо, и каналом, сообщающим боковую проточку с камерой сгорания, причем боковая проточка выполнена с возможностью совмещения с боковым каналом для подачи водорода, отличающаяся тем, что в форсунке размещен связанный с блоком управления реверсивный электродвигатель со шлицевым выходным валом, в осевом канале корпуса форсунки и по периметру тарели пружины выполнена ходовая резьба, а тарель снабжена осевым шлицевым отверстием и установлена с образованием шлицевого соединения с валом электродвигателя и возможностью перемещения по резьбе в осевом канале корпуса форсунки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3