УСТРОЙСТВО ВПРЫСКА ВОДЫ В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к транспортному машиностроению, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), работающим с подачей жидкости (воды) в камеру сгорания.
Известен «Двигатель внутреннего сгорания с впрыском горючего и воды» (см. Патент JP, №3492338, ISHIDA HIROYUKI, IWANAGA KENICHI, ARAI TAKESHI, NAMEKAWA SHOJI, YOSHIZUMI HIROSHI, МПК F02B 47/02, F02D 19/12, F02M 25/022, F02M 43/00, F02M 59/34, F02B 3/06. 2007), содержащий клапан для впрыска горючего и воды в камеру сгорания через топливопровод, насос впрыска горючего для подачи под давлением горючего в топливопровод, насос подачи горючего, бак горючего к насосу впрыска горючего, насос подачи воды для доставки воды в водяной бак и к топливопроводу, соленоидный клапан горючего для прерывистого (нерегулярного) снабжения горючим из топливного бака к насосу впрыска горючего, а также устройство контроля для закрытия соленоидного клапана горючего в определенный период в такте всасывания горючего из бака инжекционным насосом горючего. При этом вода течет внутри топливопровода от бака с водой, утилизируя тем самым всасывающее действие инжекционного насоса горючего в определенный момент времени.
Недостатком данного технического решения является: сложность конструкции, применение специального насоса подачи воды, что требует энергетических затрат.
Известно «Устройство для подачи воды в двигатель внутреннего сгорания» (см. Патент RU №2260144, Бакланов Ю.Г., Чайкин П.И., Кирьянов А.П., Парфенов И.И., Иванов В.И., МПК F02M 25/022, 2005), содержащее емкость с водой, поплавковую камеру, трубопроводы подачи воды и распылители воды, присоединенные к карбюратору, при этом распылители воды инжекторного типа содержат сопло Лаваля с боковыми воздушными отверстиями и подключены по одному к горловинам диффузоров первичной и вторичной смесительных камер, два распылителя за дроссельной заслонкой первичной смесительной камеры карбюратора, трубопроводы которых содержат электромагнитные клапаны воды, причем один из клапанов электрически связан с топливным электромагнитным клапаном холостого хода, а другой - с концевым выключателем, приводимым в действие рычагом привода топливного ускорительного насоса карбюратора.
Недостатки этого технического решения: сложность конструкции, необходимость подачи электроэнергии, т.е прямая зависимость устройства от источника электрического тока.
Известны форсунки дизельных двигателей (см. Трусов В.И., Дмитренко В.П., Масляный Г.Д. Форсунки автотракторных дизелей. М.: Машиностроение, 1977. С. 12, С. 109-127), в частности, форсунка с иглой, которая содержит распылитель, иглу, корпус, гайку, пружину, штангу, винт, штуцер, фильтр, отверстия.
Недостаток данного технического решения: с ростом силы трения снижается подвижность иглы, что приводит к нарушению герметичности распылителя и исходных характеристик распыливания, из-за зависаний иглы может произойти отказ форсунки, а распылитель может выйти из строя. Поэтому применение иглы в конструкции форсунки создает дополнительные проблемы и может снижать уровень надежности.
Наиболее близким техническим решением из известных аналогов является изобретение «Двигатель внутреннего сгорания» (Дружинин A.M., Малков Г.В. Патент РФ №2023196, МПК F02M 47/02, 1994), который содержит корпус плунжерного насоса, поршневой канал, поршень, находящийся в контакте с плунжером, плунжерную камеру, входной канал, штуцеры, магистраль подвода воды к форсунке, регулировочный винт (для изменения объема и количества впрыскиваемой воды), головку цилиндра двигателя, корпус со специальным каналом для подвода воды в камеру, полость, к которой подводится вода по специальному каналу и через которую проходит запорная игла, имеющая ступенчатую форму. На запорную иглу действуют силы давления воды в полости и сила давления пружины, установленной в верхней части запорной иглы и удерживающей ее в режиме запирания. Игла перекрывает вход в форсунку для распыления воды. Форсунка расположена в верхней части рабочей полости камеры сгорания над поршнем двигателя. Регулировочный винт может быть соединен с акселератором газа и менять свое положение в зависимости от режима работы.
Недостатками данного изобретения являются: необходимость работы системы впрыска только при высоких давлениях и температурах в камере сгорания, ведущих к износу деталей и узлов, снижающих надежность устройства, а также к увеличению расхода топлива, причем постоянная необходимость поддержания внутреннего давления в системе подачи воды на входе в корпус плунжерного насоса, наличие запорной иглы, которая может перестать эффективно функционировать через некоторое число циклов работы, все это приводит к сложности конструкции и снижению эффективности устройства впрыска в целом.
В ходе работы ДВС возможны различные варианты эксплуатации, включая снижение уровня давления компрессии при длительной эксплуатации двигателя и износе колец, детонация топливной смеси и, как следствие, резкое повышение давления и температуры, при использовании разных горючих (например, бензина, природного газа и др.) возможно достижение разных давлений в камере сгорания.
Необходимо упрощение, уменьшение количества деталей и повышение надежности конструкции устройства подачи жидкости (воды) в цилиндр ДВС.
Решаемой задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности и эффективности устройства впрыска воды в камеру сгорания за счет упрощения конструкции, работающей в широком диапазоне давлений и температур в камере сгорания, снижающих износ деталей и узлов, и снижении расхода топлива, повышая экологичность и экономичность двигателя внутреннего сгорания.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является создание эффективного устройства впрыска воды непосредственно в камеру сгорания, за счет повышения надежности путем упрощения конструкции и снижении износа деталей и узлов, работающих в широком диапазоне давлений, а также повышения экологичности и экономичности.
Технический результат достигается тем, что в устройстве впрыска воды в двигатель внутреннего сгорания, содержащем поршень, каналы, корпус форсунки, расположенной в головке цилиндра, пружину, введены жидкостная камера, клапаны, которые установлены с возможностью регулирования подачи воды при разных давлениях в камере сгорания, при этом поршень с пружиной расположен в жидкостной камере, которая выполнена в виде поршневого цилиндра и корпуса, жидкостная камера сообщена с каналом подвода жидкости, где установлен клапан для подачи или отключения подачи воды в жидкостную камеру, и с полостью в корпусе другого клапана, которая соединена с форсункой и распылителем.
Для пояснения технической сущности полезной модели рассмотрим чертеж - общий вид устройства впрыска воды в двигатель внутреннего сгорания, где: 1 - поршень, 2 - корпус жидкостной камеры, 3 - поршневой цилиндр, 4 - пружина, 5 - канал подвода жидкости, 6 - жидкостная камера, 7, 8 - каналы, 9 - шарик, 10 - отверстие, 11 - канал подвода жидкости, 12 - шарик, 13 - грибок, 14 - пружина, 15 - полость клапана, 16 - корпус клапана, 17 - корпус форсунки, 18 - распылитель, 19 - головка цилиндра, 20 - камера сгорания, 21 - стенка цилиндра, 22 - поршень двигателя.
Устройство впрыска воды устанавливается на головку цилиндра 19 двигателя внутреннего сгорания с камерой сгорания 20, образованной поршнем 22, головкой цилиндра 19 и стенкой цилиндра 21.
Устройство состоит из:
- жидкостной камеры 6, образованной корпусом 2, в котором расположена пружина 4, поршневой цилиндр 3 и поршень 1;
- форсунки подачи жидкости, образованной корпусом форсунки 17 и распылителем 18;
- клапана для подачи воды в форсунку, расположенного в корпусе клапана 16 и состоящего из пружины 14, шарика 12 и грибка 13;
- клапана подачи воды в жидкостную камеру 6, расположенного в канале подвода жидкости 11 и включающего в себя отверстие 10, шарик 9 и каналы 7, 8.
Устройство функционирует следующим образом:
Под действием сил давления от продуктов сгорания в камере сгорания 20 поршень 1, сдавливая пружину 4, перемещается вверх, создавая избыточное давление воды в жидкостной камере 6, поступающую через канал подвода жидкости 11 под небольшим давлением (1…1,5 ати). При этом из-за увеличения давления воды в жидкостной камере 6, которое превысило давление в канале подвода жидкости 11, срабатывают оба клапана, тогда:
1. Шарик 9 перемещается влево, закрывая отверстие 10, и вода не может пройти из жидкостной камеры 6 в канал подвода жидкости 11;
2. Шарик 12, а также грибок 13, сжимая пружину 14, перемещается вниз, открывая отверстие канала 5. Объем воды устремляется из жидкостной камеры 6 в полость 15, попадает внутрь корпуса форсунки 17 и через распылитель 18 подается в камеру сгорания 20 в распыленном виде.
Как только давление в камере сгорания 20 спадет, поршень 1 движется обратно под действием силы пружины 4, шарик 9 увлекается потоком воды и сдвигается вправо (чертеж), открывая отверстие 10. Таким образом, в жидкостную камеру 6 нагнетается вода. Из-за снижения давления в жидкостной камере 6 срабатывает пружина 14, грибок 13 и шарик 12 движутся вверх (чертеж), в итоге шарик 12 полностью закрывает отверстие канала 5.
Далее работа устройства повторяется.
Пружина 4 может быть рассчитана на диапазон давлений от минимального до определенного максимального давления в камере сгорания 20, т.к. возможны случаи, когда давление в камере сгорания 20 будет предельно большим и может произойти детонация топливной смеси.
Также известно, что во многих ДВС давление компрессии постепенно снижается в ходе эксплуатации двигателя. В данном случае пружина 4 рассчитана на среднее давление в камере сгорания 20, т.е. при малых давлениях поршень 1 не будет двигаться. Однако, чем больше давление в камере сгорания 20, тем на большее расстояние пройдет поршень 1 и в камеру сгорания 20 будет подан больший объем жидкости (воды).
Преимуществом по сравнению с известными аналогами является то, что заявляемое техническое решение позволяет повысить надежность и эффективность «Устройства впрыска воды в двигатель внутреннего сгорания» за счет предложенных конструктивных особенностей, благодаря которым клапаны установлены с возможностью перемещения и регулирования подачи воды при разных давлениях в камере сгорания, при которых целесообразно осуществлять впрыск воды, что снижает износ деталей и узлов, повышает надежность. Также отсутствие множества элементов, включая запорную иглу, упрощает конструкцию, что также повышает надежность системы. Конструктивные особенности заявляемого устройства впрыска воды позволяют снизить потребление (расход) топлива при невысоких давлениях и температуры в камере сгорания.
Представленная система впрыска может быть установлена как на дизельных, так и на бензиновых двигателях, она также не зависит от состава рабочей смеси и может быть использована как для впрыска воды с различными компонентами, так и для впрыска топлива и всевозможных жидких смесей. При впрыске воды возможно произвести дожигание остатков топлива в цилиндре, осуществить эффективное охлаждение и снизить температуру газов за счет затраты тепла на испарение воды, очистить стенки камеры от нагара (например, с помощью смеси воды с присадками), снизить количество вредных продуктов сгорания, тем самым повысить экологичность ДВС, а также увеличить экономичность его за счет снижения потребления топлива, что в целом повышает эффективность устройства впрыска воды.