насос-форсунка с приводом от давления газов в цилиндре двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. НАСОС-ФОРСУНКА С ПРИВОДОМ ОТ ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ В ЦИЛИНДРЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая корпус с каналом низкого давления, канал высокого давления, двухступенчатый подпружиненный плунжер с хвостовиком, размещенный в корпусе с возможностью осевого перемещения и образованием надпоршневой полости, нагнетательную полость, образованную меньшей ступенью плунжера и стенками корпуса, вход канала высокого давления сообщен с нагнетательной полостью, а выход - с цилиндром двигателя, причем выход канала низкого давления сообщен с нагнетательной полостью, отличающаяся тем, что, с целью повышения экономичности, насос-форсунка снабжена крышкой, соединенной с корпусом, регулятором опережения впрыска топлива, выполненным в виде фиксатора плунжера, размещенного в крышке с возможностью стопорения плунжера в нижнем положении.

2. Насос-форсунка по п.1, отличающаяся тем, что фиксатор выполнен в виде магнитной вставки, размещенной на хвостовике плунжера, электромагнита, установленного с возможностью взаимодействия с магнитной вставкой.

3. Насос-форсунка по п.1, отличающаяся тем, что фиксатор выполнен в виде синхронного электродвигателя, вал которого с одной стороны связан с двигателем внутреннего сгорания, а с другой через профилированный кулачок - с хвостовиком плунжера.

4. Насос-форсунка по п.1, отличающаяся тем, что в корпусе выполнен дополнительный канал низкого давления.

5. Насос-форсунка по п.1, отличающаяся тем, что насос-форсунка снабжена каналом отвода газов, выполненным в корпусе, причем вход канала сообщен с надпоршневой полостью, а выход - с всасывающим коллектором двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к топливоподающей аппаратуре двигателей внутреннего сгорания с эмульсионным впрыском топлива в цилиндры двигателя.

Известен способ работы двигателя путем впуска в цилиндр воздуха, сжатия его, впрыска топлива в виде порций, при этом первую порцию впрыскивают во второй половине такта сжатия при давлении в цилиндре 0,25...0,60 от давления конца сжатия, в количестве, равном 25...30% от суммы двух порций, в смеси со сжатым газом (воздухом), а вторую - в конце сжатия, сгорания его и выпуска продуктов сгорания (см. а.с. СССР N 861677, кл. F 02 В 3/12, 1981).

Этот способ работы двигателей осуществляется топливной системой РТ фирмы "Cummins" (см. Вихерт М.И. и др. Топливная аппаратура автомобильных дизелей. М., 1978, с. 58, 59), включающей в себя эмульсионные топливные форсунки с механическим приводом.

Достоинства данных насос-форсунок, реализующих этот способ, - в высоком давлении впрыска и хорошем перемешивании топлива с воздушным зарядом.

Недостатки состоят в том, что не все топливо впрыскивается в цилиндр двигателя в эмульсионном виде, только 25-30%, а также в наличии механического привода насос-форсунки, что усложняет конструкцию и требует значительных затрат мощности, и в том, что распылитель - открытый сопловый, что способствует закоксовыванию сопловых отверстий.

Известна система питания двигателей с искровым зажиганием, работающих на тяжелом топливе, с предварительной газификацией последнего, впрыск которого производится посредством гидравлически управляемых форсунок, через гидравлические полости которых проходит жидкое топливо от насоса-распределителя высокого давления перед поступлением его в газификатор, а газифицированное топливо поступает в цилиндр через газовые полости форсунки (см. Крутов В.И. и др. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. М., 1985, с. 23-25).

Достоинства данной системы питания - в хорошем перемешивании газообразного топлива с воздухом при достаточно высоком давлении впрыска.

Недостатки заключаются в запаздывании управляющего на впрыск топлива сигнала на один цикл (последующей порцией топлива), что вызывает неравномерность подачи топлива по цилиндрам, большие затраты энергии на привод и газификацию топлива, сложность конструкции.

Известен привод насос-форсунки, содержащий корпус с газовым поршнем, сочлененным при помощи толкателя и рычага с насос-форсункой, имеющий вспомогательный поршень, помещенный в полость, сообщенную с воздушным регулятором начала подачи (см. а.с. СССР N 314920, кл. F 02 М 49/02, 1971).

Достоинства данной насос-форсунки - в высоком давлении впрыска за счет многократной разности площадей газового поршня и топливного плунжера, в простоте регулирования опережения впрыска топлива.

Недостатки - в сложности конструкции, необходимости иметь в головке блока два отверстия: под газовый привод и насос-форсунку, неточности и инерционности системы угла опережения впрыска, особенно на высокооборотных двигателях с высокими степенями сжатия, сложной кинематике передачи усилий и движения при больших инерционных массах.

Известна также насос-форсунка для дизельного молота с приводом от давления газов в цилиндре двигателя (см. а.с. СССР N 1622604, кл. F 02 М 49/02, 1991), принятая за прототип, содержащая корпус, размещенный в нем подпружиненный ступенчатый поршень-плунжер, нагнетательную и дозировочную полости, подпружиненные разделяющий и запирающий клапаны, впускной и впрыскивающий каналы с устройством для регулирования подачи топлива.

Достоинства данной насос-форсунки - в высоком давлении впрыска при отсутствии закоксовывания сопла и нагнетательного канала.

Недостатками являются сложность конструкции за счет большого количества деталей, изготовляемых с высокой точностью, неточность регулирования цикловой подачи топлива, колебания больших масс во впускном трубопроводе за счет возвратно-поступательного движения поршня с клапаном, что вызывает пропуски подачи топлива при малых цикловых подачах, отсутствие регулятора угла опережения впрыска топлива, что исключает применение насос-форсунки на ДВС с переменной нагрузкой и разным числом оборотов.

Указанные недостатки устраняются в предлагаемой насос-форсунке эмульсионного впрыска топлива с газовым приводом за счет снабжения ее регулятором угла опережения впрыска топлива, например, в виде электромагнита, взаимодействующего с поршнем-плунжером, который фиксирует (принудительно удерживает) поршень-плунжер во всасывающем (нижнем) положении до соответствующего повышения степени сжатия в цилиндре двигателя, а также за счет того, что объем топливной полости насос-форсунки в 2 и более раза больше объема порции топлива на максимальных цикловых подачах. Это позволяет применить электронную систему управления цикловой подачи и угла опережения впрыска топлива, что, в свою очередь, повышает топливную экономичность и литровую мощность двигателя. В связи с тем, что объем топливной полости больше объема максимальной цикловой подачи топлива, то топливо в топливной полости частично испаряется, частично перемешивается с газами, поступившими в нее из цилиндра двигателя по каналу высокого давления. Поэтому когда фиксатор (электромагнит), кулачок и т.п. освобождает поршень-плунжер и он начинает вытеснять топливо из топливной полости, то фактически происходит вытеснение (впрыск) эмульсионной жидкости, которая хорошо перемешивается с воздухом в цилиндре двигателя и полностью сгорает. За счет сжимаемости газотопливной смеси первоначальный впрыск (I этап впрыска) идет вяло, затем (II этап) жесткий впрыск и за счет резкого окончания (III этап) впрыска не происходит подвпрыска топлива и закоксовывания канала высокого давления, который перекрывается газовым клапаном (см. Вихерт М.М. и др. Топливная аппаратура автомобильных дизелей, с. 151-171).

Использование электромагнита для регулирования цикловой подачи и угла опережения впрыска топлива не ново.

Известна электромагнитная форсунка фирмы "Бош" (см. Будыко Ю.И. и др. Аппаратура впрыска легкого топлива автомобильных двигателей. Л., 1982), содержащая корпус с распылителем и запорной иглой, соединенной с втягивающим якорем электромагнита и топливного канала.

Данная и подобные типы электромагнитных форсунок, например форсунка ЦНИТА, не предназначены для впрыска топлива в цилиндры двигателя, а электромагнит работает на втягивание якоря, опускание которого происходит под действием пружины. Коренное отличие работы электромагнита известной форсунки от предлагаемой в том, что в первом случае электромагнит работает на втягивание (т. е. между электромагнитом и якорем имеется зазор, что отрицательно сказывается на его рабочем усилии), в то время как в предлагаемой насос-форсунке электромагнит работает на "залипание", т.е. в рабочем положении зазор между электромагнитом и якорем отсутствует и сила притяжения в этот момент максимальна. Рабочий ход поршня-плунжера начинается в момент обесточивания (или уменьшения силы тока) электромагнита. Это позволяет на порядок увеличить быстродействие электромагнита, так как не надо менять полярность тока, а достаточно уменьшить силу тока.

Регулирование угла опережения впрыска (фиксацию поршня-плунжера) предлагаемой насос-форсунки можно осуществить и при помощи кулачкового механизма с синхронным электроприводом (см. "Наука и жизнь", N 12, 1990, с. 24... 26). Кулачок принудительно удерживает поршень-плунжер в нижнем положении и отпускает его при заданном угле опережения впрыска в зависимости от числа оборотов вала двигателя, которые взаимосвязаны с числом оборотов синхронного электропривода кулачка.

Наличие топливной полости с объемом, большим в несколько раз объема максимальной порции топлива, позволяет впрыскивать предлагаемой насос-форсункой разные виды топлива (разные компоненты топливной смеси, например топливо и антидетонационную (или газонейтрализационную) жидкость (воду)), для чего топливная полость соединена (снабжена) минимум еще одним дополнительным каналом.

Это позволяет повысить термодинамический КПД двигателя (см. например, патент Великобритании N 1249110, кл. F 1 В, 1971) или нейтрализовать выхлопные газы.

С целью повышения надежности работы предлагаемой насос-форсунки на высокооборотных двигателях с четным количеством цилиндров, особенно двухтактных, штоки поршней-плунжеров попарно соединены кинематически между собой, при условии, что рабочие процессы в них (смещены) находятся в противофазе, т.е. в двухтактных двигателях - смещение на 180^о поворота вала двигателя, а в четырехтактных - на 360^о. При этом поршни-плунжеры могут быть соединены между собой гибким тросиком, гидравлически, шариковой связью и т. п.

Предлагаемая насос-форсунка является многотопливной, универсальной. Позволяет работать сразу на нескольких сортах топлива (жидкостей), уменьшает токсичность продуктов сгорания за счет улучшения смесеобразования и полного сгорания топлива, повышает степень сжатия двигателя.

На фиг. 1 изображена насос-форсунка в нижнем (открытом) положении; на фиг. 2 - спаренные насос-форсунки при работе на двухцилиндровом двигателе; на фиг. 3 - вариант выполнения корпуса насос-форсунки при питании двумя разными видами топлив; на фиг. 4 - вариант выполнения насос-форсунки с кулачковым регулятором опережении угла впрыска топлива; на фиг. 5 - вид А на фиг. 4.

Насос-форсунка содержит корпус 1 с размещенным в нем ступенчатым поршнем-плунжером 2, который соединен штоком 3 с постоянным магнитом 4. В крышке 5 помещен электромагнит 6. В корпусе 1 имеется канал 7 низкого давления, в котором размещены обратный клапан 8 и жиклер 9. В крышке 5 помещена пружина 10, взаимодействующая с магнитом 4 и регулировочной втулкой 11.

Насос-форсунка работает следующим образом.

Во время такта всасывания в цилиндре двигателя поршень-плунжер 2 под действием пружины 10 опускается в нижнее положение. Электромагнит в это время запитан, и он притягивает постоянный магнит 4. Топливо из топливного бака 12 топливоподкачивающим насосом 13, давление которого регулируется электронным блоком 14 управления через редукционный клапан 15 при помощи сервопривода 16, поступает в канал 7 низкого давления и через обратный клапан 8 и жиклер 9 - в топливную полость 17. Одновременно туда же поступают газы из цилиндра двигателя по каналу 18 высокого давления. Так как объем топливной полости больше объема порции топлива, то последнее частично испаряется, а частично перемешивается с поступившими туда газами. Цикловая подача топлива в зависимости от нагрузки и оборотов двигателя регулируется давлением топлива с помощью редукционного клапана 15 в зависимости от проходного сечения жиклера 8. При такте сжатия и повышении давления газов в цилиндре двигателя электромагнит 6, взаимодействуя с магнитом 4, через шток 3 удерживает поршень-плунжер 2 в нижнем положении. В связи с тем, что в топливной полости 16 давление также повышается, обратный клапан 9 перекрывает канал 7 низкого давления. При определенном угле опережения впрыска топлива блок 14 управления обесточивает электромагнит 6 и под действием давления газов поршень-плунжер 2, преодолевая сопротивление пружины 10 и остаточное усилие магнита 4, сжимает газожидкостную смесь, которая по каналу 18 высокого давления впрыскивается в цилиндр. Смазка прецизионных поверхностей поршня-плунжера 2 и корпуса 1 осуществляется по каналу 19. Газы, просочившиеся через прецизионную поверхность, по каналу 20 отводятся во всасывающий коллектор двигателя.

В случае использования кулачкового механизма привода угла опережения впрыска работа последнего происходит следующим образом. Синхронный электродвигатель 20 (фиг. 4), синхронизированный по числу оборотов и углу поворота с валом двигателя, на валу которого находится кулачок 21, опускает поршень-плунжер 2 и удерживает его в таком положении согласно профилю кулачка и его повороту. При заданном угле начала впрыска кулачок освобождает поршень-плунжер 2 и тот под действием давления газов в цилиндре двигателя совершает рабочий ход, впрыскивая топливо по каналу 18 в цилиндр двигателя.

При использовании данных насос-форсунок на двигателях с четным количеством цилиндров, имеющих высокие обороты, особенно на двухтактных, для более четкой и надежной работы насос-форсунок они кинематически соединяются попарно, при условии работы каждой из них в противофазе друг к другу. При этом работа их происходит следующим образом.

При такте сжатия в цилиндре двигателя (левом) (см. фиг. 2) поршень-плунжер 2 соответствующей насос-форсунки поднимается и манжетой 23, соединенной с магнитом 4, вытесняет жидкость из манжетной полости 24 в трубопровод 25, который соединен с манжетной полостью 24 правой насос-форсунки, и манжета 23 которой опускает соединенный с ней поршень-плунжер 2. Затем цикл повторяется в обратном направлении.

На фиг. 3 изображен вариант изготовления корпуса 1 насос-форсунки с двумя каналами низкого давления, канал 7 которой служит для подачи топлива, а канал 22 - для подачи антидетонационной жидкости (например, воды) или другого вида топлива. При этом регулирование цикловой подачи по каждому каналу осуществляется индивидуальными (и аналогичными) топливоподающими системами низкого давления.

Таким образом предлагаемая насос-форсунка за счет улучшения смесеобразования (газоэмульсионного), точной дозировки цикловой подачи и правильного подбора угла опережения впрыска и высокого давления впрыска позволяет повысить экономичность и мощность двигателя.