СИСТЕМА ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
FUEL SUPPLY SYSTEM FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания в условиях низких температур окружающей среды.
Известны системы подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, содержащие бак с топливом, соединенный через всасывающую магистраль с насосом низкого давления, нагнетательная магистраль которого подключена к устройству для создания топливовоздушной смеси в виде топливных форсунок или карбюратора (см., например, кн. Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. - М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2001. - 384 с., стр. 228, фиг. 7.14 и кн. А.П. Болштянский, Ю.А. Зензин, В.Е. Щерба. Основы конструкции автомобиля. М.: «Легион-Автодата», 2005. - 312 с., страницы 64-65, рисунки 16.1 и 17.1).
Известна также система подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, содержащая бак с топливом, соединенный через всасывающую магистраль с насосом низкого давления, нагнетательная магистраль которого подключена к устройству для создания добавочной топливовоздушной смеси в виде пусковой форсунки, причем последняя имеет впускное и выпускное отверстия (см. кн. А.П. Болштянский, Ю.А. Зензин, В.Е. Щерба. Основы конструкции автомобиля. М.: «Легион-Автодата», 2005. - 312 с., страницы 89, 94, 101, 102, рисунки 21.7, 21.12, 23.1, 23.2).
Известна также система подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, содержащая бак с топливом, соединенный через всасывающую магистраль с топливным насосом низкого давления, нагнетательная линия которого подключена к устройству для создания добавочной топливовоздушной смеси, содержащему пусковую форсунку, выпускное отверстие которой соединено с впускным трубопроводом двигателя, и содержащая устройство для испарения и смешивания топлива с воздухом (см. патент РФ № 2295057 «Система впрыска топлива», МПК F02M 53/00, опубл. 10.03.2007 в Б.И. № 7).
Недостатком перечисленных систем является низкое содержание паров топлива, поступающих во впускной трубопровод в процессе пуска ДВС при низких температурах (ниже минус 30-35 градусов Цельсия) окружающей среды, в связи с чем пуск ДВС при этих температурах становится затрудненным или вообще невозможным.
Технической задачей изобретения является обеспечение более надежного пуска ДВС при низкой температуре окружающей среды.
Указанная задача решается тем, что в известных системах подачи топлива устройство для создания добавочной топливовоздушной смеси выполнено в виде рабочей камеры компрессора объемного действия, рабочая камера которого размещена между выпускным отверстием пусковой форсунки и впускным трубопроводом. Рабочая камера компрессора может быть выполнена в виде цилиндра с поршнем, соединенным с механизмом привода, размещенным в картере компрессора и соединенным с электродвигателем, имеющим статор и ротор, и эта камера содержит всасывающие и нагнетательные клапаны, причем нагнетательный клапан соединен с впускным трубопроводом, всасывающий клапан соединен с атмосферой, а выпускное отверстие форсунки соединено с рабочей камерой в зоне между нижней и верхней мертвыми точками траектории движения поршня вдоль его оси. Всасывающий клапан компрессора может быть установлен в поршне и соединен с атмосферой через картер и зазоры между статором и ротором электродвигателя. Запорный орган нагнетательного клапана может иметь имеет элемент, выполненный, например, в виде стержня, выступающего в рабочую камеру компрессора. Всасывающий клапан компрессора может быть установлен в поршне и соединен с атмосферой через картер компрессора и зазоры между статором и ротором электродвигателя. Статор и или ротор электродвигателя могут быть сделаны из нешихтованной конструкционной стали, а обмотки статора и или ротора могут быть  изготовлены с минимально возможным электрическим сопротивлением. Цилиндр компрессора может содержать гильзу и или клапанную плиту из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, изготовленную из конструкционной керамики. На плоскости поршня, обращенной в сторону клапанной плиты, может быть закреплена пластина, изготовленная из материала с низкой теплопроводностью, например, из стеклотекстолита или конструкционной керамики.
Поршень может быть выполнен дифференциальным с образованием жидкостной насосной полости, соединенной с выпускным отверстием форсунки и рабочей камерой с помощью канала и сопла, направленного в сторону рабочей камеры
Рабочая камера компрессора может быть выполнена в виде цилиндра с размещенным в нем эксцентрично ротором с высотой, равной высоте цилиндра, имеющим расположенные по наружной поверхности пазы с вложенными в них пластинами, ширина которых равна высоте цилиндра, соединенного с всасывающим и нагнетательным окном, причем выпускное отверстие пусковой форсунки размещено в зоне всасывающего окна, а нагнетательное окно соединено с впускным трубопроводом двигателя.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 – 7 показана система подачи топлива в двигатель со впрыском бензина и электронной системой управления, на фиг. 8 и 9 – карбюраторного двигателя, на фиг. 10 – ДВС, работающего по циклу Дизеля, на фиг. 11 и 12 показано пусковое устройство с компрессором роторного типа.
На фиг.1 изображена полная схема системы впрыска топлива, на фиг.2 - увеличенный фрагмент системы в зоне пусковой форсунки, на фиг.3 и 4 - устройство для испарения и смешивания топлива с воздухом в виде поршневого компрессора с пусковой форсункой, на фиг. 5 и 6 – соответственно фрагменты цилиндра устройства с поршнем и пусковой форсункой в процессе сжатия и нагнетания смеси воздуха и паров топлива во впускной трубопровод двигателя, на фиг. 7 – устройство для испарения и смешивания топлива с воздухом, содержащее дифференциальный поршень.
Система впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания (фиг.1) состоит из топливного бака 1, соединенного с топливным насосом низкого давления 2, который подает топливо в фильтр тонкой очистки 3.
Регулятор давления топлива 4 сбрасывает излишки давления топлива обратно в бак 1, поддерживая постоянным давление топлива, подаваемого по нагнетательной линии 5 на вход пусковой форсунки 6 с электромагнитным приводом и на вход топливных электромагнитных рабочих форсунок 7, впрыскивающих топливо в цилиндры 8 двигателя, на которых установлен общий датчик температуры охлаждающей жидкости 9.
Электронный блок управления (ЭБУ) 10 с блоком реле 11 служат для выработки и передачи команд в виде электрических импульсов на все управляемые элементы системы.
Датчик 12 служит для определения положения и частоты вращения коленчатого вала и сообщает эту информацию по линии электрической связи в ЭБУ 10.
Датчики 13 (выключатель), 14 (высотный корректор) и 15 (расходомер) служат соответственно для определения эффективного проходного сечения впускного тракта 16, давления окружающей среды (атмосферного давления) и расхода воздуха через впускной тракт 16.
Термореле 17 представляет собой датчик температуры, измеряющий температуру охлаждающей жидкости, циркулирующей в полостях цилиндров 8, и электрическое реле, соединяющее при низкой температуре охлаждающей жидкости электрическое питание через блок реле 11 с пусковой форсункой 6.
Винт качества (состава) смеси на холостом ходу 18, клапан добавочного воздуха 19 и винт 20 количества смеси на холостом ходу служат для регулировки работы двигателя на холостом ходу.
Выключатель зажигания 21 (показан в крайнем правом положении «выключено») соединяет в положении «включено» (среднее положение) источник электроэнергии (обозначен знаком «+») с блоком реле 11 и непосредственно с термореле 17 в положении «старт» (крайнее левое положение).
Канал 22 служит для подвода разрежения из впускного тракта 16 к регулятору давления топлива 4. Дроссельная заслонка 23 кинематически связана с датчиком 13 и служит для изменения проходного сечения впускного тракта 16, приводится в движение от педали акселератора (не показана).
Впускной коллектор 24 соединяет впускной тракт 16 с полостью цилиндра 8, в котором совершает возвратно-поступательное перемещение поршень 25. Клапан 26 служит для впуска рабочей смеси в цилиндр 8, выпускной клапан условно не показан.
На пусковой форсунке 6 (фиг. 2) установлен поршневой компрессор 27 с электродвигателем 28, подключенным вместе с форсункой 6 параллельно термореле 17, измеряющего температуру жидкости 29 в рубашке охлаждения двигателя.
Более подробно пусковая форсунка 6 и компрессор 27 изображены на фиг. 3. Форсунка содержит запорную иглу 30, прижатую пружиной 31 к седлу 32, соединенному с выпускным отверстием 33 и далее с впускным коллектором 24. Управление положением запорной иглы 30 осуществляется электрической обмоткой 34, подключенной через термореле 17 к ЭБУ 10 (см. фиг. 2 и 1). Впускное отверстие 35 форсунки через канал 36 в корпусе 37 соединено с каналом 5 нагнетания топлива (см. фиг. 1 и 2).
Между выпускным отверстием 33 пусковой форсунки и впускным трубопроводом 24 размещена рабочая камера 38 компрессора 27, выполненная в виде цилиндра 39 с поршнем 40, соединенным с механизмом привода, состоящим из шатуна 41 с кривошипом 42, размещенным в картере 43 компрессора и соединенным с асинхронным электродвигателем 44, имеющим статор 45 с обмотками 46 и короткозамкнутый ротор 47. Рабочая камера 38 содержит всасывающий 48 и нагнетательные 49 клапаны. Нагнетательный клапан 49 соединен с впускным трубопроводом 24 через отверстие 50, ограниченное втулкой 51 из теплоизоляционного материала.
Статор 45 и ротор 47 электродвигателя 44 изготовлены из нешихтованной конструкционной стали, например, марки «Сталь 30», обмотки статора 46 изготовлены с минимально возможным из условия работоспособности электрическим сопротивлением.
Всасывающий клапан 48 установлен в поршне 40 и соединен с атмосферой через картер 43 компрессора и зазоры между статором 45 и ротором 47 электродвигателя, для чего также служат отверстия 52 и 53.
Выпускное отверстие 33 форсунки соединено с рабочей камерой 38 в зоне между нижней НМТ и верхней ВМТ мертвыми точками траектории движения поршня 40 вдоль оси цилиндра.
Запорный орган нагнетательного клапана 49 имеет элемент, выполненный в виде стержня 54, выступающего в закрытом состоянии в рабочую камеру 38 компрессора.
Цилиндр 39 компрессора содержит гильзу 55 и клапанную плиту 56, изготовленные из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, гильза 55 изготовлена из конструкционной керамики на основе кремния, а клапанная плита 56 – из стеклотекстолита.
На плоскости поршня 40, обращенной в сторону клапанной плиты 56, закреплена пластина 57, изготовленная из материала с низкой теплопроводностью, например, из стеклотекстолита или конструкционной керамики на основе кремния.
Запорный орган нагнетательного клапана 49 поджат пружиной 58.
Мультивибратор 59 служит для преобразования постоянного тока в переменный.
На фиг. 7 показано устройство, в котором поршень 40 выполнен дифференциальным с образованием жидкостной насосной полости 60, соединенной с выпускным отверстием 33 форсунки 6 и рабочей камерой 38 каналом 61 и соплом 62, направленным в сторону рабочей камеры 38.
КН
АКБ
На фиг. 8 показана схема подачи топлива в бензиновый карбюраторный двигатель, состоящая из топливного бака 70 с топливным фильтром 71, подводящего топливопровода 72, мембранного топливного насоса 73, получающего движение от коленчатого вала ДВС (условно не показан), отводящего топливопровода 74, соединяющего насос 73 с карбюратором 75, имеющим воздушный фильтр 76 с входным отверстием 77 и крышкой 78, топливопровода 79, соединяющего отводящий топливопрод 74 с устройством 80 для создания добавочной топливовоздушной смеси, промежуточной вставки 81 между карбюратором 75 и фланцем 82 впускного трубопровода 24 (впускного коллектора ДВС) с отверстием 83, соединяющим отверстие 50 устройства 80 с впускным патрубком 24. Мультивибратор 59 установлен на устройстве 80. Отверстие 83 проделано в теплоизоляционной втулке 84 (см. также фиг. 9). Кнопка  служит для временного подключения водителем устройства пуска к аккумуляторной батарее .
На фиг. 10 показана схема подачи топлива в двигатель 90, работающий по циклу Дизеля.
Схема помимо самого ДВС 90 содержит топливный бак 91 с фильтром 92, подводящий топливопровод 93, подкачивающий топливный насос низкого давления 94, отводящего топливного шланга 95, подающего топливо в топливный насос 96 высокого давления (ТНВД), соединенный с форсунками четырехцилиндрового двигателя 97, 98, 99 и 100, и топливного шланга 101, подающего топливо под низким давлением в устройство 80, изображенное ранее на фиг. 9. Это устройство закреплено на впускном трубопроводе 24 кронштейнами 102 и соединено с ним трубкой 103. В начале трубопровода 24 установлен воздушный фильтр 104.
На фиг. 11 и 12 показано пусковое устройство, камера компрессора которого выполнена в виде цилиндра 105 с размещенным в нем эксцентрично ротором 106 с высотой, равной высоте цилиндра 105, имеющим расположенные по наружной поверхности пазы 107 с вложенными в них пластинами 108, ширина которых равна высоте цилиндра 105. Цилиндр 105 соединен с всасывающим 109 и нагнетательным 110 окном, выпускное отверстие 33 пусковой форсунки размещено в зоне всасывающего окна 109 с использованием отверстия 111, а нагнетательное окно 110 соединено через отверстие 83 с впускным трубопроводом 24 двигателя. Выточка 112 в цилиндре 105 соединяет цилиндр с нагнетательным окном 110. Между наружной поверхностью ротора 106 и внутренней поверхностью цилиндра 105 образована серповидная рабочая полость 113, разбитая пластинами108 на отдельные объемы переменной величины.
Система впрыска топлива работает следующим образом (фиг. 1). При работающем двигателе топливо из бака 1 топливным насосом 2 через фильтр тонкой очистки 3 подается к рабочим форсункам 7 и впрыскивается во впускной патрубок 24 в зоне впускного клапана 26. Далее топливо смешивается с воздухом, образуя горючую смесь, которая сгорает в цилиндре 8 после сжатия поршнем 25. Количество поступающего в патрубок воздуха регулируется водителем с помощью дроссельной заслонки 23 и контролируется датчиком 15. Количество впрыскиваемого топлива регулируется временем открытого и  закрытого состояния электромагнитных рабочих форсунок 7, которое оптимизируется ЭБУ 10, получающим информацию от датчика (выключателя) 13 положения дроссельной заслонки 23, датчика 14 (высотного корректора), контролирующего величину атмосферного давления, датчика-распределителя зажигания 12, следящего за положением и частотой вращения коленчатого вала, датчика 15 (расходомера) и датчика 9 температуры охлаждающей жидкости. Включение и выключение (открытие и закрытие) электромагнитных рабочих форсунок 7 осуществляется блоком реле 11 по командам ЭБУ 10.
При пуске холодного двигателя выключатель зажигания 21 находится в крайнем левом (по чертежу) положении (при этом двигатель вращается стартером, который на чертеже не показан), температура охлаждающей жидкости 29 (фиг. 2) низкая, и термореле 17 по команде ЭБУ 10 через блок реле 11 подключает пусковую форсунку 6, которая при этом открывается, т.е. магнитное поле, создаваемое обмоткой 34 (фиг. 4), сдвигает запорную иглу 30 влево от седла 32, и топливо начинает впрыскиваться через отверстие 33 в рабочую полость 38.
При включении пусковой форсунки 6 (см. также фиг. 2) одновременно включается электродвигатель 44 и приводит во вращение кривошип 42, в результате чего поршень 40 начинает совершать возвратно-поступательное движение, что приводит к изменению объема полости 38. При движении поршня 40 вниз объем этой полости сокращается, и происходит сжатие в ней воздуха вместе с каплями впрыснутого топлива. При сжатии воздуха его температура повышается, что приводит к испарению капель топлива и превращению их в пар.
Сжатие воздуха продолжается до тех пор, пока поршень не приблизится к положению ВМТ и не нажмет на стержень 54, в результате чего пружина 58 сжимается, и клапан 49 открывается, пропуская горячую смесь паров топлива и воздуха в коллектор 24.
В коллекторе 24 горячие пары топлива смешиваются с холодным всасываемым в ДВС воздухом и частично конденсируются в мельчайшие капли топлива, а частично остаются в виде пара, после чего через открытый клапан 26 попадают в цилиндр 8 ДВС.
Таким образом, в процессе сжатия топливовоздушной смеси в цилиндре 8 оказывается практически не испарившееся из-за очень низкой температуры топливо, впрыснутое в виде крупных капель через топливную форсунку 7, и поступившие через отверстие 51 пары топлива вместе с мельчайшими сконденсировавшимися каплями топлива, которые успешно испаряются в процессе сжатия в цилиндре 8 благодаря своей маленьком массе. Наличие готовых к успешному воспламенению паров топлива в цилиндре 8 чрезвычайно способствуют успешному пуску ДВС.
Усилие пружины 58 подбирается таким образом, что клапан 49 остается закрытым в течение всего хода сжатия воздуха в камере 38. Это позволяет однозначно лимитировать степень сжатия воздуха в камере 38 в пределах, не позволяющих воздуху нагреться до температуры вспышки паров топлива с одной стороны, и в то же время создать температуру, при которой происходит максимально возможное испарение капель топлива. Кроме того, таким образом исключается влияние сил инерции, препятствующих своевременному открытию и закрытию клапана, которое происходит в начале движения поршня 40 назад от положения ВМТ к  положению НМТ.
Несмотря на то, что всасываемый воздух и детали пускового устройства имеют очень низкую температуру окружающей среды, при которой производится пуск ДВС, получению достаточной для активного испарения топлива высокой температуры сжимаемого в цилиндре 38 воздуха способствует тот факт, что гильза 55 цилиндра, плита 56 поршня 40 и клапанная плита 57 изготовлены из нетеплопроводного материала, и теплоотдача от воздуха в процессе его сжатия и нагнетания к окружающим его стенкам минимальна.
В процессе сжатия и нагнетания, когда поршень 40 движется от НМТ к ВМТ, объем картера 43 увеличивается, давление  в нем падает, и холодный атмосферный воздух поступает в него через отверстия 53, зазор между статором 45 и ротором 47 и отверстие 52.
В связи с тем, что статор и ротор изготовлены из сплошного металла, при прохождении переменного тока через обмотки 46 статора 45 и обмотки ротора 47, возникающие в металле индукционные вихревые тока велики, статор и ротор из-за этого при работе электродвигателя 44 быстро нагреваются. Этому же способствует тот факт, что обмотки 46 имеют низкое электрическое сопротивление, протекающий через них ток велик, и они так же быстро нагреваются.
Пуск ДВС при очень низкой температуре, как правило, продолжается до 10-ти -  15-ти секунд, и за это время температура статора и ротора к концу процесса пуска может достигать 100-120-ти градусов Цельсия, в связи с чем в конце пуска происходит заметный первичный подогрев воздуха, поступающего в увеличивающийся объем картера 43 из атмосферы. При движении поршня 40 вверх подогретый в картере воздух через клапан 48 поступает в увеличивающуюся камеру 38 через клапан 48. Это обстоятельство увеличивает вероятность пуска ДВС.
В том случае, если первый пуск ДВС оказался неудачным, второй пуск производят через 30-40 секунд, давая возможность аккумулятору автомобиля восстановить свои свойства. При этом следующий пуск производится при прохождении атмосферного воздуха через зазоры уже полностью прогретого электродвигателя 44, что способствует лучшему подогреву всасываемого в камеру 38 воздуха и успеху пуска ДВС.
В изображенном на фиг. 7 устройстве в режиме пуска ДВС топливо из форсунки 6 попадает сначала в полость 60, где при ходе поршня 40 вниз дожимается до высокого давления (до 50-ти – 70-ти бар и выше) и впрыскивается через сопло 62 в камеру 38 уже в виде мелкодисперсных капель, что способствует его более полному испарению. Кроме того, наличие промежуточной полости 60, имеющей определенный объем, позволяет лимитировать количество топлива, подаваемого в полость 38 и создавать оптимальное количество добавочного топлива, подаваемого в цилиндр 8 ДВС в процессе пуска. В таком варианте конструкции форсунка 6 начинает выполнять функцию обычного электромагнитного клапана.
После успешного пуска ДВС добавочное топливо продолжает поступать до тех пор, пока двигатель не прогреется, и термореле 17 не отключит питание от форсунки 6 и электродвигателя 44.
КН
КН
На фиг. 8 и 9 показана схема устройства для пуска карбюраторного ДВС, не снабженного электронной системой управления двигателем. Между фланцем 82 впускного трубопровода 24 и карбюратором 75 имеется вставка 81, на которой и закреплено устройство 80, связанное с первичной камерой карбюратора отверстием 83. При пуске двигателя начинает работать штатный топливный насос 73, который подает бензин в карбюратор и в устройство 80. Одновременно с включением стартера водитель нажимает на кнопку , вводя в работу устройство 80, которое изображено на фиг. 9 и ничем не отличается от устройства, изображенного на фиг. 3 и 4.  После успешного пуска двигателя водитель еще некоторое время удерживает кнопку  в нажатом состоянии, пока не поймет, что двигатель работает устойчиво. Это, например, станет ясно, когда стрелка прибора, показывающего температуру охлаждающей жидкости, сдвинется с нулевой отметки, показывая, что ДВС прогрелся до плюсовой температуры.
Аналогично происходит и пуск дизельного ДВС (фиг. 10). При пуске двигателя начинает работать топливоподкачивающий насос низкого давления 94, который подает топливо к ТНВД 96 и в устройство 80 с ручным подключением, аналогичным изображенному на фиг. 9, которое установлено на впускном коллекторе 24.
На фиг. 11 и 12 показано пусковое устройство в случае его работы с карбюраторным ДВС без электронного управления. При вращении ротора 106 пластины 107 под действием центробежных сил прижимаются к зеркалу цилиндра 105, и между пластинами образуются межпластинчатые полости, которые вращаются по  окружности с одновременным изменением их объема. В зоне всасывающего окна 109 межпластинчатые объем увеличивается, и происходит всасывание воздуха через это окно, затем этот объем уменьшается, происходит сжатие воздуха с его одновременным нагревом, и потом сжатый горячий воздух через выточку 112 и отверстия 110 и 83 поступает во всасывающий коллектор ДВС.
Пусковая форсунка 6 установлена в зоне всасывания, и во время пуска ДВС впрыскивает струю топлива в цилиндр 105. Эта струя, состоящая из крупных капель, разбивается быстро вращающимися пластинами 108 на более мелкие капли, которые успешно испаряются в сжатом горячем воздухе уже в зоне нагнетания, и в отверстие 83 попадает уже смесь паров топлива и горячего воздуха.
Данное устройство может также успешно работать и в системе пуска ДВС с электронным управлением. К его достоинствам следует отнести простоту механизма сжатия воздуха, хорошую уравновешенность и высокую производительность (относительно массогабаритных характеристик), к недостатку – неэкономичность сжатия воздуха до сравнительно большого давления (более 5-6 бар) из-за существенных торцевых перетечек воздуха в зоне сжатия-нагнетания.
Таким образом, в предложенной конструкции в отличие от известных при пуске двигателя внутреннего сгорания при низкой температуре окружающей среды на первых же ходах поршней в цилиндрах за счет лучших условия для испарения создается большее количество паров топлива, способного к надежному воспламенению, обеспечивающему уверенный пуск двигателя. Это позволяет считать техническую задачу полностью выполненной.