Система питания двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение предназначено для использования в двигателях внутреннего сгорания и позволяет снизить токсичность отработавших газов по СО, СН, NO_х и дымность. Система питания двигателя внутреннего сгорания содержит устройство питания топливом, устройство приготовления и подачи топливно-воздушной смеси в цилиндры двигателя, устройство подготовки атмосферного воздуха, выполненное в виде основной закрытой емкости с водой, соединенной выходным патрубком с воздушным входом устройства приготовления и подачи топливновоздушной смеси, и бачок с водой. Система снабжена регуляторами уровня воды и температуры подготовленного воздуха, расположенными в основной емкости. Дополнительная емкость соединена через распорную втулку с основной емкостью, образуя своей внутренней поверхностью и наружной поверхностью основной емкости, в дне которой выполнены отверстия, входной патрубок устройства подготовки воздуха, который соединен с атмосферой. Регулятор уровня воды выполнен в виде нормально открытого запорного клапана, состоящего из корпуса с седлом, поплавка, плунжера и соединенного входным каналом с бачком, а выходным - с основной емкостью. Регулятор температуры включен в электросеть и цепь нагревательного элемента, расположенного в воде. Технический результат заключается в повышении эффективности работы системы на всех режимах двигателя, упрощении конструкции, уменьшении габаритов, увеличении надежности работы и снижении стоимости, а также в снижении токсичности отработавших газов, расхода топлива не менее чем на 10%, повышении мощности двигателя на 6% и облегчении запуска двигателя. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания в качестве горючего, в которых используется топливно-воздушная смесь с добавлением частиц воды (водяного пара) в воздух.

Известно множество патентов и разработок систем питания двигателя внутреннего сгорания как в Российской Федерации, так и за рубежом, в которых к топливу или к топливно-воздушной смеси добавляется вода. Однако несмотря на большой положительный эффект, получаемый от добавления воды к топливу, данные разработки не нашли широкого практического применения из-за значительного различия по физическим параметрам топлива и воды (по поверхностному натяжению, по удельному весу и др.) Эти различия приводят к большому числу трудно и сложно разрешимых недостатков данных систем.

Хорошее совмещение имеется между частицами воды (водяным паром) с воздухом до точки его насыщения, что и стали в последнее время использовать в новых разработках систем питания двигателей внутреннего сгорания.

Известна система питания двигателя внутреннего сгорания (патент США 3557763, НКИ 123-119, 1971 г.).

Система содержит карбюратор, воздушный фильтр и устройство подготовки всасываемого из атмосферы воздуха путем насыщения его частицами воды (водяным паром) и кислородом при барботаже через водяной слой и подачи его во впускной коллектор двигателя.

При работе такой системы происходит более полное использование теплоты в цикле двигателя, а следовательно, и более полное сгорание топлива, в результате чего значительно снижается токсичность отработавших газов по СО, СН и NO_X и их дымность. Кроме того, повышаются экономичность и мощность двигателя. Экономия топлива происходит за счет подачи в камеру сгорания дополнительного рабочего тела - частиц воды, а повышение мощности двигателя - за счет увеличения коэффициента наполнения при охлаждении воздуха испаряющейся водой.

Однако данная система эффективна только при работе двигателя на холостом ходу, т.к. на других режимах работы двигателя основная масса воздуха не проходит через устройство его подготовки, а следовательно, не насыщается частицами воды и кислородом.

Система также не эффективна из-за непостоянства уровня воды в устройстве подготовки воздуха и температуры подготовленного воздуха, т.к. от их изменения изменяется и насыщенность воздуха частицами воды и кислородом. Эта неэффективность системы обусловлена отсутствием в ней регуляторов уровня воды и температуры подготовленного воздуха.

Кроме того, вода в зимний период в устройстве подготовки воздуха и в бачке при неработающем двигателе замерзает, что приводит к эксплуатационным неудобствам.

Известна система питания двигателя внутреннего сгорания (авторское свидетельство СССР 1060803, МПК F 02 M 25/02, 1981 г.), которая по совокупности признаков наиболее схожа с совокупностью существенных признаков предлагаемого изобретения. Эта система принята за прототип.

Система содержит карбюратор, устройство питания топливом, впускной и выпускной коллекторы, устройство подготовки всасываемого из атмосферы воздуха путем насыщения его частицами воды и кислородом при барботаже через водяной слой и подачи его во входной воздушный патрубок карбюратора, устройство снабжения и дозирования водой, испаритель воды, устройство вспенивания и нагревания воды, три крана, управляемые электронными устройствами, которые на чертеже не указаны.

Система частично обеспечивает повышение эффективности своей работы на всех режимах двигателя за счет насыщения частицами воды и кислородом всего необходимого для сгорания топлива воздуха. Однако эта эффективность системы достигается значительным ее усложнением, увеличением габаритов, повышением стоимости и снижением надежности работы, за счет использования большого количества сложных электромеханических и электронных устройств.

Вместе с тем, система не обеспечивает эффективность своей работы при переменных уровне воды в устройстве подготовки воздуха и температуре подготовленного воздуха, т. к. при их изменении изменяется насыщенность воздуха частицами воды и кислородом. Эта неэффективность системы обусловлена отсутствием в ней регуляторов уровня воды и температуры подготовленного воздуха.

Кроме того, вода в зимний период в устройстве подготовки воздуха и в бачке замерзает при неработающем двигателе, что приводит к эксплуатационным неудобствам.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы системы, значительное упрощение своей конструкции, уменьшение габаритов, снижение стоимости и увеличение надежности работы.

Поставленная задача решается тем, что система питания двигателя внутреннего сгорания, содержащая устройство питания топливом, устройство приготовления и подачи топливно-воздушной смеси в цилиндры двигателя, устройство подготовки атмосферного воздуха, выполненное в виде основной закрытой емкости с водой, соединенной выходным патрубком с воздушным входом устройства приготовления и подачи топливно-воздушной смеси, и бачок с водой, согласно изобретению она снабжена регуляторами уровня воды и температуры подготовленного воздуха, расположенными в основной емкости, и дополнительной емкостью, соединенной через распорную втулку с основной емкостью, образуя своей внутренней поверхностью и наружной поверхностью основной емкости, в дне которой выполнены отверстия, входной патрубок устройства подготовки воздуха, который соединен с атмосферой, причем регулятор уровня воды выполнен в виде нормально открытого запорного клапана, состоящего из корпуса с седлом, поплавка, плунжера и соединенного входным каналом с бачком, а выходным - с основной емкостью, регулятор температуры включен в электросеть и в цепь нагревательного элемента, расположенного в воде.

При оптимальном уровне воды плунжер может быть поджат к седлу клапана поплавком.

Регулятор уровня воды может быть выполнен в виде нормально открытого электропневмоклапана, соединенного входным каналом с бачком, а выходным - с емкостью, который управляется от электроконтактов, замыкаемых и размыкаемых поплавком.

Электропневмоклапан может управляться по сигналу с датчика давления, подсоединенного в донной части емкости.

Электропневмоклапан может управляется от электроконтакта геркона, замыкаемого и размыкаемого постоянным магнитом, закрепленным на поплавке в месте контакта его с герконом.

Электропневмоклапан может управляется от электроконтакта, замыкаемого и размыкаемого проводимостью воды.

Регулятор температуры может быть выполнен в виде нормально закрытого биметаллического реле, расположенного около выходного патрубка устройства подготовки воздуха.

В электроцепь регулятора температуры может быть введен резистор и второй нагревательный элемент, включенные последовательно с биметаллическим реле и с нагревательным элементом через двухпозиционный переключатель.

Регулятор температуры может быть выполнен в виде преобразователя температуры, включенного через электронную схему в электросеть и в цепь нагревательного элемента.

Регулятор температуры может быть выполнен в виде термосистемы с наполнителем, изменяющим свой объем от температуры и воздействующим на мембранный переключатель, включенный в цепь нагревательного элемента.

Сумма площадей отверстий в дне основной емкости не менее чем в 5 раз может быть больше площади отверстия входного патрубка устройства подготовки воздуха.

Предлагаемое техническое решение существенно отличается от прототипа. Существенное отличие заключается в том, что в системе устройство подготовки атмосферного воздуха снабжено регуляторами уровня воды и температуры подготовленного воздуха, в котором чувствительный элемент (биметаллическое реле) расположен в зоне выходного канала устройства подготовки воздуха. В прототипе данные регуляторы отсутствуют, а следовательно, при работе системы происходят изменения уровня воды в устройстве подготовки воздуха и температуры подготовленного воздуха. Это приводит к изменению насыщенности воздуха частицами воды и кислородом, что снижает эффективность работы системы.

Другим существенным отличием является то, что в системе устройство подготовки воздуха снабжено дополнительной емкостью, которая своей внутренней поверхностью и наружной поверхностью основной емкости образует входной патрубок устройства подготовки воздуха. Такое выполнение устройства упрощает конструкцию системы и уменьшает габариты.

Дополнительно предлагаемое техническое решение существенно отличается от прототипа тем, что сумма площадей отверстий в дне основной емкости не менее чем в пять раз больше площади отверстия входного патрубка устройства подготовки воздуха. В этом случае значительно снижается скорость течения подготавливаемого воздуха в устройстве, что позволяет уменьшить высоту столба воды, не уменьшая при этом насыщаемость воздуха частицами воды и кислородом, и высоту зоны ее бурления. Это также значительно уменьшает габариты устройства.

Повышение надежности работы системы и уменьшение ее стоимости достигается за счет исключения из нее электропневмоклапанов и электронных устройств.

Существо изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена блок-схема выполнения системы, на фиг.2 - пример конструктивного выполнения устройства подготовки атмосферного воздуха, на фиг. 3 - принципиальная электрическая схема регулятора температуры.

Предлагаемая система питания двигателя внутреннего сгорания (фиг.1) включает в себя двигатель 28, устройство питания топливом 29, устройство приготовления и подачи топливно-воздушной смеси в цилиндры двигателя 30, устройство подготовки атмосферного воздуха 31 и бачок 11 с водой.

Устройство подготовки атмосферного воздуха (фиг.2) включает в себя основную емкость 1 с водой, которая герметично закрыта крышкой 2, дополнительную емкость 3, емкости, соединенные между собой через распорную втулку 4 и с крышкой винтом 5, в дне основной емкости выполнены отверстия 6 диаметром 3-5 мм, в дне дополнительной емкости установлен сливной кран 7, а на боковой поверхности выполнено сливное отверстие 8 на высоте 100 мм, входной патрубок 9, соединенный с атмосферой, выходной патрубок 10, соединенный с воздушным входом устройства приготовления и подачи топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя, бачок с водой 11. В основной емкости размещены регуляторы уровня воды и температуры.

Регулятор уровня воды включает в себя нормально открытый запорный клапан, состоящий из корпуса 12 с седлом 13 и плунжера 14, который входным отверстием соединен через сетчатый фильтр 15 трубкой 16 с бачком. В рабочем состоянии при оптимальном уровне воды плунжер поджат к седлу поплавком 17, размещенным в защитном от бурлящей воды при барботаже через нее воздуха в стакане 18 с отверстиями 19 диаметром 1 мм на своей боковой поверхности. Клапан, поплавок и фильтр могут быть использованы от поплавковой камеры любого карбюратора.

Регулятор температуры включает в себя нормально замкнутое биметаллическое реле 20, расположенное около выходного патрубка, которое закреплено через изоляторы 21 на металлической стойке 22. Реле включено в электросеть и в цепь нагревательного элемента 23, расположенного в воде основной емкости, и в цепь нагревательного элемента 24, расположенного в воде бачка 11.

Электрическая схема регулятора температуры (фиг.3) включает в себя нагревательный элемент (Н. Э) 23, включенный последовательно с биметаллическим реле (Б. Р) 20, второй нагревательный элемент (Н.Э.б) 24, расположенный в бачке 11 с водой, резистор (R) 25, двухпозиционный переключатель (П) 26 и тумблер (Т) 27.

Система работает следующим образом.

В исходном положении двигатель не запущен. Все устройства, обеспечивающие его работу, находятся в своем обычном состоянии. В устройстве подготовки воздуха до сливного отверстия 8 и в бачке 11 налита обычная питьевая вода. Клапан регулятора уровня воды открыт, а поплавок лежит на дне стакана 18. Регулятор температуры тумблером (Т) 27 отключен от электрической сети, резистор (сопротивление) (R) 25 и нагревательный элемент (Н.Э.б) 24 отключены двухпозиционным переключателем (П) 26.

Запускается двигатель, устройства, обеспечивающие его работу, работают в обычном режиме. Весь забираемый из атмосферы воздух, необходимый для сжигания топлива, проходит путем барботажа через слой воды, насыщаясь ее частицами и кислородом. Насыщение воздуха частицами воды осуществляется до 15 г/м³. При этом вода из объема, образованного внутренней поверхностью дополнительной емкости 3 и наружной поверхностью основной емкости 1, вытесняется в основную емкость 1 за счет образовавшегося в ней разряжения. Поплавок 17 всплывает, поджимает плунжер 14 к седлу 13, запирая клапан.

Регулятор температуры включается замыканием контактов замка зажигания при пуске двигателя. Нагревательный элемент (Н.Э) 23 нагревает воду. Нагрев продолжается до температуры, при которой подготавливаемый воздух приобретает требуемую температуру около 50^oС. В этот момент биметаллическое реле 20 разомкнется, нагревательный элемент обесточится, нагрев воды и соответственно подогрев воздуха прекратится. При остывании воды температура воздуха уменьшится, срабатывает биметаллическое реле 20, подключается нагревательный элемент, нагревается вода и воздух до заданной температуры и т.д. происходит регулирование температуры воздуха.

В процессе работы системы уровень воды в емкости уменьшается, поплавок 17 опускается, клапан открывается и вода из бачка 11 за счет разряжения в основной емкости поступает в нее. Она поступает до тех пор, пока поплавок 17 не закроет клапан и т.д. происходит поддержание заданного уровня воды.

В процессе изменения режимов работы двигателя изменяется объемный расход подготавливаемого воздуха, но его влажность и температура изменяются мало, т. к. уровень воды в устройстве подготовки воздуха и температура подготавливаемого воздуха поддерживаются регуляторами в заданном диапазоне. При этом система работает эффективно на всех режимах, сохраняя малую токсичность отработавших газов по СО, СН, NO_x и дымность.

При остановке двигателя все системы, обеспечивающие его работу, возвращаются в свое исходное состояние.

При эксплуатации системы в зимний период, когда система в неработающем режиме находится на холоде, для того чтобы вода в бачке и устройстве подготовки воздуха не замерзала, включается тумблер (Т) 27 и переключается двухпозиционный переключатель (П) 26 на резистор (R) 25. Благодаря подогреву вода не замерзает.

Создан опытный образец предлагаемой системы на автомобиле ГАЗ-24 с двигателем 24Д и проведены его испытания.

Испытание системы показало, что значительно снизилась токсичность по СО, СН, NO_x и дымность отработавших газов. Так, например, токсичность по окиси углерода (СО) уменьшилась в 30 раз и составила 0,08%, уменьшился расход топлива ~ на 10% и повысилась мощность двигателя ~ на 6%. При этом запуск двигателя облегчился, а его работа стала мягче, четче, без перебоев.

В настоящее время ведутся работы по серийному освоению предложенной системы через Наукоград г. Королев, Московской области.

Формула изобретения

1. Система питания двигателя внутреннего сгорания, содержащая устройство питания топливом, устройство приготовления и подачи топливно-воздушной смеси в цилиндры двигателя, устройство подготовки атмосферного воздуха, выполненное в виде основной закрытой емкости с водой, соединенной выходным патрубком с воздушным входом устройства приготовления и подачи топливно-воздушной смеси, и бачок с водой, отличающаяся тем, что она снабжена регуляторами уровня воды и температуры подготовленного воздуха, расположенными в основной емкости, и дополнительной емкостью, соединенной через распорную втулку с основной емкостью, образуя своей внутренней поверхностью и наружной поверхностью основной емкости, в дне которой выполнены отверстия, входной патрубок устройства подготовки воздуха, который соединен с атмосферой, причем регулятор уровня воды выполнен в виде нормально открытого запорного клапана, состоящего из корпуса с седлом, поплавка, плунжера и соединенного входным каналом с бачком, а выходным - с основной емкостью, регулятор температуры включен в электросеть и цепь нагревательного элемента, расположенного в воде.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что при оптимальном уровне воды плунжер поджат к седлу клапана поплавком.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что регулятор уровня воды выполнен в виде нормально открытого электропневмоклапана, соединенного входным каналом с бачком, а выходным - с емкостью, который управляется от электроконтактов, замыкаемых и размыкаемых поплавком.

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что электропневмоклапан управляется по сигналу с датчика давления, подсоединенного в донной части емкости.

5. Система по п. 3, отличающаяся тем, что электропневмоклапан управляется от электроконтакта геркона, замыкаемого и размыкаемого постоянным магнитом, закрепленным на поплавке в месте контакта его с герконом.

6. Система по п. 3, отличающаяся тем, что электропневмоклапан управляется от электроконтакта замыкаемого и размыкаемого проводимостью воды.

7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что регулятор температуры выполнен в виде нормально закрытого биметаллического реле, расположенного около выходного патрубка устройства подготовки воздуха.

8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что в электроцепь регулятора температуры введен резистор и второй нагревательный элемент, включенные последовательно с биметаллическим реле и нагревательным элементом через двухпозиционный переключатель.

9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что регулятор температуры выполнен в виде преобразователя температуры, включенного через электронную схему в электросеть и цепь нагревательного элемента.

10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что регулятор температуры выполнен в виде термосистемы с наполнителем, изменяющим свой объем от температуры и воздействующим на мембранный переключатель, включенный в цепь нагревательного элемента.

11. Система по п. 1, отличающаяся тем, что сумма площадей отверстий в дне основной емкости не менее чем в 5 раз больше площади отверстия входного патрубка устройства подготовки воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3