УСТРОЙСТВО ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ЦИЛИНДР ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
DEVICE FOR FEEDING FUEL TO INTERNAL COMBUSTION ENGINE CYLINDER

Изобретение 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, МПК F02М 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.
Наиболее близким заявляемому устройству подачи топлива в цилиндр двигателя внутреннего сгорания является устройство по заявке на патент 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.
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения эффективности использования энергии лазерного излучения для достижения технических показателей, которые не могут быть достигнуты в системе по заявке на патент РФ №2012148267. Предлагаемое изобретение обеспечивает: повышение надежности впрыска топлива в цилиндр за счет создания устойчивого режима впрыска топлива; повышает быстродействие впрыска топлива в цилиндр ДВС за счет стабильного обеспечения давления топлива в распылителе форсунки независимо от степени износа подвижных элементов форсунки; существенное уменьшение (до полного отсутствия) сажистых остатков в цилиндре двигателя и в составе выхлопных газов.
Указанный технический результат достигается заявляемым устройством.
Устройство подачи топлива в цилиндр двигателя внутреннего сгорания содержит форсунку непосредственного впрыска, присоединенную к цилиндру; лазерный излучатель и систему управления работой лазерного излучателя. Особенностью является то, что корпус форсунки выполнен с внутренней расточкой, образующей первую гидравлическую полость с подводящим и отводящим топливо каналами и вторую гидравлическую полость, которая сообщается с первой гидравлической полостью посредством подпружиненного клапана через его центральный глухой канал и боковые сквозные отверстия, причем пружина частично экранирована боковыми кромками на торце клапана, нижняя часть корпуса форсунки, присоединяемая к цилиндру, выполнена в виде жестко скрепленной с корпусом втулки, внутри которой закреплен конический диффузор с отверстиями по периметру, имеющий цилиндрическую насадку, соосно с которой установлен конический клапан с возможностью периодического запирания отверстий и с обеспечением возвратного хода посредством пружины, размещенной между торцом цилиндрической насадки и тарелкой на верхнем торце конического клапана и частично экранированной боковыми кромками тарелки, причем нижняя часть втулки с коническим диффузором скреплена с распылителем в виде конической втулки с дренажными каналами для впрыска топлива; в корпусе форсунки закреплен световод, конец которого выходит во вторую гидравлическую полость в части, свободной от хода подпружиненных клапанов, второй конец световода соединен с выходом лазерного излучателя с изменяемой выходной мощностью через оптический коммутатор, выполненный с обеспечением подачи импульса лазерного излучения во вторую гидравлическую полость форсунки с заданной частотой впрыска топлива в цилиндр двигателя посредством блока управления. При этом рабочая длина волны лазерного излучателя равна или максимально близка длине волны поглощения излучения топливом.
Также устройство подачи топлива в цилиндр двигателя внутреннего сгорания характеризуется тем, что электронный блок управления лазерным излучателем и оптическим коммутатором считывает сигналы датчика частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, датчика давления в цилиндре двигателя, датчика положения педали и выполнен с возможностью формирования команд для:
- установления момента подачи топлива в полость форсунки,
- установления момента конца такта сжатия и соответствующего давления в цилиндре,
- установления момента нахождения поршня цилиндра в верхней мертвой точке,
- установления продолжительности подачи топлива в форсунку пропорционально положению педали управления,
- установления количества впрыскиваемого топлива в соответствии с продолжительностью подачи топлива,
- установления момента подключения световода оптическим коммутатором к излучателю и подачи лазерного импульса в конце такта сжатия,
- синхронизации работы форсунок всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания.
Устройство подачи топлива в цилиндр двигателя внутреннего сгорания показано на фиг. 1.
Устройство содержит форсунку непосредственного впрыска, присоединяемую к цилиндру. Корпус 1 форсунки выполнен с внутренней расточкой. В верхней части корпуса находится первая гидравлическая полость 2 с подводящим 3 и отводящим каналами 4 для подвода-отвода топлива. В нижней части гидравлической полости 2, как показано на фиг. 1, размещен подпружиненный клапан 5 с центральным глухим каналом 6, который через боковые сквозные отверстия 7 обеспечивает сообщение полости 2 с второй гидравлической полостью 8. Клапан 5 выполнен с кромками 9 для защиты пружины 10 от смещения в процессе повышения давления в полости. За счет действия пружины 10 клапан 5 находится в открытом состоянии для подачи топлива в полость 8. Гидравлическая полость 2 соединена с разгрузочным клапаном 11 в отводящем канале для слива топлива в момент закрытия клапана 5. С нижней частью корпуса 1 жестко соединена втулка 12, внутри которой закреплен конический диффузор 13 с отверстиями 14 по периметру и с цилиндрической насадкой 15. Соосно насадке 15 установлен конический клапан 16 с возможностью периодического запирания отверстий 14 и с обеспечением возвратного хода посредством пружины 17. Пружина 17 размещена между торцом цилиндрической насадки 15 и тарелкой 18 на верхнем торце конического клапана 16 и частично экранирована боковыми кромками тарелки 18 для защиты пружины 17 от смещения в процессе повышения давления в полости. Нижняя часть втулки 12 с коническим диффузором 13 жестко скреплена с распылителем в виде конической втулки 19 с дренажными каналами 20 для впрыска топлива в цилиндр двигателя. Коническая втулка 19 имеет наружную резьбу для закрепления форсунки в камере сгорания цилиндра.
В корпусе 1 закреплен световод 21, конец которого выходит во вторую гидравлическую полость 8 в части, свободной от хода подпружиненных клапанов 5 и 16. Второй конец световода 21 соединен с выходом лазерного излучателя 23, работающим по командам электронного блока управления (ЭБУ) 24. Применение лазерного излучателя с изменяемой выходной мощностью позволит осуществлять настройку работы форсунки в оптимальном режиме. По формируемым командам ЭБУ 24 оптический коммутатор 22 обеспечивает подачу импульса лазерного излучения во вторую гидравлическую полость 8 форсунки с заданной частотой впрыска топлива в цилиндр двигателя.
Рабочая длина волны лазерного излучателя равна или максимально близка длине волны поглощения излучения топливом. Длина волны поглощения определяется по известным методикам. Если она не указана в паспортной характеристике топлива и в справочниках, то известны лабораторные методы исследования углеводородов, например ГОСТ Р 51930-2002 «Бензины автомобильные и авиационные. Определение бензола методом инфракрасной спектроскопии». Источник лазерного излучения целесообразно применять с подстраиваемой длиной волны излучения для обеспечения наиболее эффективного воздействия на топливо в форсунке. При совпадении длины волны поглощения излучения топливом и длины волны лазерного излучения энергетическое воздействие на топливо в замкнутом объеме гидравлической полости 8 максимально.
Управление работой устройства подачи топлива в цилиндр ДВС  обеспечивает электронный блок управления 24, который формирует управляющие команды на основе сигналов датчика 25 частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, датчика 26 давления в цилиндре, датчика 27 положения педали, выходы которых соединены с его входами. ЭБУ 24 выполнен с возможностью формирования команд для:
- установления момента подачи топлива в полость форсунки,
- установления момента конца такта сжатия и соответствующего давления в цилиндре,
- установления момента нахождения поршня цилиндра в верхней мертвой точке,
- установления продолжительности подачи топлива в форсунку пропорционально положению педали управления,
- установления количества впрыскиваемого топлива в соответствии с продолжительностью подачи топлива,
- установления момента подключения световода оптическим коммутатором к излучателю и подачи лазерного импульса в конце такта сжатия,
- синхронизации работы форсунок всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания.
Устройство работает следующим образом. При запуске двигателя внутреннего сгорания стартером начинают вращаться коленчатый вал двигателя, связанный датчиком 25 частоты вращения вала, и вал топливного насоса. При этом положение педали управления находится на максимальную подачу топлива, сигналы с датчика положения педали 27 поступают в ЭБУ 24.
В исходном состоянии впускной клапан 5 под действием пружины 10 открыт, а конический клапан 16 закрыт под действием пружины 17. Топливо под некоторым давлением через подводящий канал 3 поступает в полость 2 и далее через центральный канал 6 и отверстия 7 клапана 5 поступает в полость 8.
В момент конца такта сжатия в цилиндре ДВС (фиксируемые программой ЭБУ 24), когда поршень цилиндра находится в верхней мертвой точке, лазерное излучение по световоду 21, по команде ЭБУ на оптический коммутатор 22, подается в полость 8 впускного устройства. Программой ЭБУ задается продолжительность подачи топлива в форсунку по сигналу датчика положения педали 27 и соответственно количество топлива в форсунке, что определяет количество впрыскиваемого топлива в цилиндр.
Под воздействием лазерного излучения возникает светогидравлический эффект (открытие СССР №65),  происходит мгновенный нагрев и расширение топлива, вызывающие появление в нем мощного импульса давления, и происходит мгновенный впрыск топлива в цилиндр двигателя. Под воздействием импульса давления закрывается впускной клапан 5 с центральным каналом 6 и перекрываются боковые отверстия 7, препятствуя подаче топлива из полости 2 в полость 8 и обратно. Кромки 9 служат для упора и устойчивости работы пружины 10 и ее защиты от смещения в процессе повышения давления в полости. За счет давления топлива, поступающего по подводящему каналу 3, открывается разгрузочный клапан 11 для слива топлива в магистраль. Одновременно открывается конический клапан 16, разъемная тарелка 18 которого служит для крепления пружины 17 и ее защиты от смещения в процессе повышения давления в полости. Через отверстия 14 конического диффузора 13 и дренажные каналы 20 распылителя топливо впрыскивается в цилиндр двигателя.
Ввиду мгновенного нагрева и расширения топлива, сравнимого с взрывообразным процессом, уменьшается время подачи топлива в цилиндр. С уменьшением времени подачи топлива в цилиндр фаза горения сокращается и достигается большая полнота горения, что снижает выход отравляющих соединений в выхлопных газах.
Изобретение может быть осуществлено с применением известных материалов и оборудования. Программируемые электронные блоки управления широко известны в автомобильных системах впрыска топлива. Также промышленностью освоены лазеры с перестраиваемой длиной волны излучения. Кроме того, отпадает необходимость в использовании насоса высокого давления.