УСТРОЙСТВО ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ЦИЛИНДР ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
FUEL SUPPLY DEVICE TO CYLINDER OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Устройство относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), в частности, к устройствам впрыска топлива в цилиндр двигателя.
Известно устройство для подачи топлива в цилиндр дизельного двигателя с неразделенной камерой сгорания. Устройство содержит топливный насос высокого давления, снабженный плунжером, насос-форсунку со ступенчатым поршнем и перепускными клапанами. Топливо подают плунжером насоса высокого давления в насос-форсунку со ступенчатым поршнем, который перемещается, закрывает второй перепускной клапан на слив топлива, повышается давление в полости под ступенью поршня малого диаметра, впрыскивают топливо через распылитель форсунки в цилиндр дизельного двигателя (заявка Японии №63-259156, МПК F02V 47/00, опубл. 1988).
Наличие плунжера снижает эффективность работы устройства при износе плунжерной пары насоса высокого давления. При наполнении полости под ступенью поршня малого диаметра насоса-форсунки, когда перепускные клапаны открыты, большая часть топлива поступает на слив, что приводит к снижению подачи топлива в цилиндр двигателя, соответственно тягово-скоростных свойств и требует существенного увеличения активного хода и диаметра плунжера. Причем необходима большая точность изготовления плунжерной пары. При износе плунжерной пары снижается давление впрыска топлива, ухудшается полнота сгорания и увеличиваются сажистые остатки в составе выхлопных газов.
Известно устройство подачи топлива в цилиндр дизельного двигателя с неразделенной камерой сгорания по патенту РФ №2069787, МГЖ F02M 47/00. Устройство содержит дозирующий насос высокого давления, топливопровод и насос-форсунку со ступенчатым поршнем, включающую корпус форсунки с внутренней расточкой ступенчатого диаметра, размещенные во внутренней расточке ступенчатого диаметра упор, ступенчатый поршень со ступенью поршня большого диаметра и со ступенью поршня малого диаметра с возможностью возвратно-поступательного перемещения, систему каналов подвода-отвода топлива, возвратную пружину, отличающееся тем, что ступень поршня большого диаметра со стороны упора выполнена с дифференциальной поверхностью, площадь которой больше площади сечения ступени поршня малого диаметра, и запорной поверхностью с опорным диаметром. запорной поверхности, большим малого диаметра ступенчатого поршня.
Недостатком устройства является усложненная конструкция насоса-форсунки со ступенчатым поршнем и сложный процесс управления циклом впрыска, включающий подачу регулируемого по началу и концу и регулируемое по давлению количества топлива. Перемещают ступенчатый поршень возвратной пружиной в исходное положение. Подачу топлива в форсунку осуществляют плунжером дозирующего насоса. Наличие ступенчатого поршня, плунжера, возвратной пружины снижают надежность устройства, так как по мере износа этих элементов теряются жесткостные характеристики, снижается быстродействие впрыска топлива в цилиндр двигателя, удлиняется период подачи топлива, вызывающий изменение фазы газораспределения и жесткость работы двигателя.
Также известно устройство подачи топлива в цилиндр двигателя внутреннего сгорания по заявке РФ №2012148267, МПК F02M 31/02. Известное устройство подачи топлива в цилиндр двигателя содержит форсунку непосредственного впрыска, присоединенную к цилиндру; лазер, присоединенный к цилиндру; контроллер, имеющий несъемный машиночитаемый носитель данных, включающий в себя код для приведения в действие возбудителя лазерного излучения, присоединенного к лазеру, чтобы выдавать энергию лазерного излучения для испарения впрыскиваемого топлива, основываясь на температуре двигателя во время холодного запуска двигателя; при этом воспламенение испаряемого топлива осуществляют посредством системы искрового зажигания. Посредством контроллера выполняются команды для перемещения фокуса энергии лазерного излучения по направлению к форсунке по мере перемещения поршня цилиндра к верхней мертвой точке или к центру цилиндра; для увеличения или для уменьшения длительности испускаемой энергии лазерного излучения; при этом энергию лазерного излучения из лазерного нагревателя направляют на форсунку во время впрыска топлива, а воспламенение топлива осуществляют посредством искрового зажигания.
Указанное известное устройство недостаточно эффективно ввиду ограниченной задачи холодного запуска двигателя, основываясь на температуре двигателя. Эта задача решается путем использования энергии лазерного излучения для нагрева топлива в цилиндре и улучшения условий воспламенения топлива посредством искрового зажигания. Неэффективность системы состоит также в том, что нагрев осуществляют в цилиндре распыленного топлива в моменты его наименьшей теплопроводности. Поэтому в системе предусмотрены средства для увеличения или для уменьшения длительности испускаемой энергии лазерного излучения, что усложняет систему.
Наиболее близким заявляемому устройству подачи топлива в цилиндр двигателя является устройство по патенту РФ №2621445, МПК F02M 61/16. Известное устройство подачи топлива в цилиндр двигателя содержит форсунку непосредственного впрыска, включающую корпус, в котором выполнены две гидравлические полости с подпружиненным клапаном между ними. Нижняя часть корпуса форсунки выполнена в виде втулки с отверстиями для впрыска, внутри которой закреплен конический диффузор с отверстиями по периметру, имеющий цилиндрическую насадку, соосно с которой установлен конический клапан с возможностью периодического запирания отверстий. В корпусе форсунки закреплен световод, соединенный с выходом лазерного излучателя через оптический коммутатор, выполненный с обеспечением подачи импульса лазерного излучения в полость форсунки с заданной частотой впрыска топлива в цилиндр ДВС по сигналам электронного блока управления. Рабочая длина волны лазерного излучателя равна или максимально близка длине волны поглощения излучения топливом.
Основным недостатком прототипа является постоянный объем второй гидравлической емкости, что ограничивает область применения данного устройства только работой при постоянной мощности ДВС, т.к. в цилиндр впрыскивается постоянное количество топлива за каждый цикл, а также сложность устройства, так как оно содержит две гидравлические полости.
Технический результат - расширение функциональных возможностей и упрощения конструкции устройства, которое не может быть достигнуто в устройстве по патенту РФ №2621445. Заявляемое изобретение обеспечивает изменение объема подаваемого в цилиндр ДВС топлива за счет того, что гидравлическая полость, из которой и происходит непосредственно подача топлива, имеет переменный объем. Величина этого объема зависит от заданной в данный момент мощности двигателя и, соответственно, объем впрыскиваемого топлива зависит от профиля кулачка, определяемого положением педали подачи топлива. Кроме того, отпадает необходимость в первой гидравлической полости и отводящем клапане.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство подачи топлива в цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащее корпус с внутренней расточкой, в котором размещена гидравлическая полость, нижняя часть корпуса жестко соединена со втулкой, которая внутри также жестко соединена с конической частью диффузора, а с его цилиндрической частью соосно установлен подпружиненный конический клапан с возможностью периодического запирания отверстий диффузора, с втулкой жестко соединена коническая втулка с дренажными каналами для впрыска топлива в цилиндр ДВС, в нижней части гидравлической полости закреплен световод, соединенный с лазерным, излучателем, электрически управляемым командами электронного блока управления, при этом рабочая частота излучения лазерного излучателя равна или максимально близка частоте поглощения этого излучения топливом,
Особенностью является то, что гидравлическая полость состоит из неподвижной и подвижной частей, причем подвижная часть выполнена в виде сильфона и жестко соединена с верхом неподвижной части, а с левой стороны неподвижной части установлен посредством резьбового соединения корпус конического клапана, в котором размещен конический клапан, снабженный у основания цилиндрическим выступом для свободного прохождения топлива в гидравлическую полость и с отверстием по центру для свободного перемещения вдоль направляющего стержня, закрепленного с помощью резьбового соединения с крышкой корпуса клапана, в которой выполнены отверстия для подачи топлива в гидравлическую полость, верхняя сторона подвижной части гидравлической полости жестко соединена со штоком, причем положение штока зависит от положения роликовой опоры по поверхности профилированного паза кулачкового механизма, а положение кулачкового механизма определяет положение педали подачи топлива.
Устройство подачи топлива в цилиндр двигателя внутреннего сгорания показано на фиг. 1.
Корпус 1 выполнен с внутренней расточкой. Сверху корпус 1 закрыт крышкой 2, которая крепится к корпусу 1 посредством резьбового соединения. В верхней части корпуса 1 находится подвижная часть 3 гидравлической полости 4. Подвижная часть 3 выполнена в виде сильфона с возможностью перемещения внутри корпуса 1. С верхней подвижной частью 3 жестко соединен шток 5, который может свободно перемещаться через отверстие в крышке 2. Низ подвижной части 3 жестко соединен с верхом неподвижной части гидравлической полости 4. С левой стороны неподвижной части полости 4 установлен с помощью резьбового соединения корпус 6 конического впускного клапана, в котором размещен конический клапан 7 с выполненным отверстием по центру для свободного перемещения вдоль направляющего стержня 8, закрепленного с помощью резьбового соединения с корпусом гидравлической полости 4, в которой выполнены отверстия 9 для подачи топлива в нижнюю неподвижную часть гидравлической полости 4. Снизу на подвижной конической части клапана 7 расположен цилиндрический упор 10 для обеспечения свободного поступления топлива в гидравлическую полость 4 при открытом клапане.
С нижней частью корпуса 1 жестко соединена втулка 11, которая жестко соединена с конической частью диффузора 12 с отверстиями 13 по периметру, а соосно его цилиндрической части диффузора 14 установлен подпружиненный конический клапан 15 с возможностью периодического запирания отверстий 13 и с обеспечением возвратного хода посредством пружины 16. Пружина 16 размещена между торцом цилиндрической части диффузора 14 и тарелкой 17 на верхнем торце конического клапана 15 и частично экранирована боковыми кромками тарелки 17, что защищает пружину 16 от смещения в процессе повышения давления в полости 4. Нижняя часть втулки 11 и коническая часть диффузора 12 жестко соединены в виде конической части диффузора 14 с дренажными каналами 18 для подачи топлива в диффузор 12 в цилиндр двигателя. Коническая втулка 12 имеет наружную резьбу для закрепления устройства в камере сгорания (на фиг. резьбы не показаны).
Перемещение штока 5 будет приводить к сжатию или растяжению подвижной части 3 гидравлической полости 4, а это, в свою очередь, будет приводить к изменению ее объема. При этом переменное положение штока 5 выполнено с обеспечением прямой зависимости от положения педали подачи топлива. При использовании механической передачи управление может быть выполнено по следующей схеме. В верхней части штока 5 находится шаровая или роликовая опора 19 с возможностью свободного качения по поверхности профилированного паза кулачкового механизма с ограничителями хода 20, положение которого определяет, соответственно, положение педали подачи топлива. На фиг. 1 условно показана возможность хода кулачкового механизма с ограничителями хода толкателя 5 посредством тяги 21 и пружины 22. Кривизна профиля кулачка выбирается в соответствии с законом управления мощностной характеристики двигателя в зависимости от положения педали подачи топлива.
В корпусе 1 закреплен световод 23, один конец которого выходит в гидравлическую полость 4. Второй конец световода 23 соединен с выходом регулируемого лазерного излучателя 24, работающего по командам электронного блока управления (ЭБУ) 25. По формируемым командам ЭБУ 25 лазерный излучатель 24 обеспечивает подачу оптического импульса заданной частоты и мощности в гидравлическую полость 4 с заданной частотой впрыска топлива в цилиндр двигателя. Электронный блок управления 25 выполнен с возможностью формирования команд для:
- установления момента подачи топлива в гидравлическую полость 4 устройства;
- установления момента, когда поршень не доходит до верхней мертвой точки на расстояние, соответствующее нескольким градусам поворота коленчатого вала в такт конца сжатия;
- установления момента подключения световода 23 к лазерному излучателю 24 и подачи лазерного импульса в соответствующий момент такта сжатия.
Рабочая частота лазерного излучения равна или максимально близка частоте поглощения этого излучения топливом, что является необходимым условием функционирования устройства.
Устройство работает следующим образом.
При запуске ДВС орган управления (например, педали подачи топлива) находится в положении максимальной подачи топлива и через тягу 21 кулачковый механизм 20 с ограничителями хода штока 5 перемещается в крайнее положение, при котором шток 5 через роликовую опору 19 вместе с подвижной частью 3 перемещается в верхнюю часть корпуса 1 и объем гидравлической полости 4 становится максимальным.
В исходном состоянии конический клапан 7 под действием некоторого давления топлива из подводящего канала перемещается в крайнее правое положение, открывая путь для поступления топлива через отверстия 9 в гидравлическую полость 4, при этом цилиндрический упор 10 препятствует перекрытию клапаном 7 отверстий 9. Направляющий стержень 8 служит для центровки клапана 7. В то же время конический клапан 15 под действием пружины 16 закрыт.
В момент такта сжатия в цилиндре ДВС (этот момент фиксируется устройством ЭБУ 26), когда поршень в цилиндре находится в положении, не доходя до верхней мертвой точки на расстояние, соответствующее нескольким градусам поворота коленчатого вала в такт сжатия, лазерное излучение от лазера 24 по световоду 23 по команде от ЭБУ 25 подается в гидравлическую полость 4. устройства. Под воздействием лазерного излучения в топливе возникает светогидравлический эффект (открытие СССР №65), который приводит к мгновенному нагреву и, соответственно к расширению топлива, которое в свою очередь приводит к появления в нем мощного импульса давления. При этом максимальный эффект возникает при совпадении частоты излучения лазера 24 с частотой поглощения этого изучения топливом.
Под воздействием импульса давления, которое через отверстия 9 приводит к закрытию впускного конического клапана 7, открывается подпружиненный клапан 15 с тарелкой 17. Чрез отверстия 13 конического диффузора 12 и дренажные каналы 18 распылителя топливо впрыскивается в цилиндр двигателя.
Количество впрыскиваемого топлива определяется положением профильного кулачкового механизма 20 с ограничителями хода штока 5 и, соответственно, положениями верхней части 3 гидравлической полости 4 и объемом последней. В зависимости от положения педали подачи топлива через тягу 21 меняется положение кулачкового механизма 20 и, соответственно, объем гидравлической полости 4, поэтому количество впрыскиваемого топлива напрямую зависит от положения регулятора подачи топлива. Пружина 22 служит для возврата кулачкового механизма 20 в исходное состояние при холостом ходе двигателя, подача топлива минимальное.
Устройство позволяет обеспечить управление мощностью двигателя за счет изменения количества подаваемого топлива в цилиндр двигателя, которое, в свою очередь, зависит от положения педали подачи топлива. В то же время при периодическом изменении объема подаваемого топлива устройство сохраняет, как и в прототипе, полноту сгорания топлива, сокращается фаза его нагрева, расширения и распыления, что приводит к сокращению времени впрыска топлива в цилиндр, а это приводит к повышению мощности двигателя и к снижению содержания вредных веществ в выхлопных газах.
Кроме того, отпадает необходимость в первой гидравлической полости и отводящем клапане, что приводит к упрощению конструкции устройства.
Устройство может быть реализовано с использованием известных материалов и оборудования.