Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, в том числе в установленных в эксплуатируемых в настоящее время автомобилях.
Существует большое количество технических решений по применению воды в виде жидкости или пара для повышения коэффициента полезного действия (КПД), двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и снижению токсичности их выброса в атмосферу.
Часть из этих решений посвящена способам и устройствам, которые позволяют увлажнять воздух, поступающий в карбюратор или топливно-воздушную смесь, образующуюся в последнем, например [1,2,3] в других вода подается непосредственно в цилиндры ДВС [4,5]
Недостатком решений, основанных на увлажнении топливно-воздушной смеси (ТВС) до подачи ее в цилиндр, является снижение массы кислородного заряда.
Заявляемое изобретение преследует задачу повышения КПД двигателя путем дозированной подачи воды непосредственно в камеру сгорания во время совершения рабочего такта.
Аналогом изобретения может служить поршневой двигатель [6] (авт.св. СССР N 1362862), в головке цилиндра которого создана накопительная камера для воды и находятся плунжер и клапаны. В крышке поршня располагается толкатель с обратным клапаном и пористая вставка. При подходе поршня к головке цилиндра толкатель нажимает на плунжер. В результате этого порция воды из накопительной камеры передавливается в толкатель. Затем вода по каналам поступает в пористую вставку в крышке поршня. Вода охлаждает цилиндр и присутствует в виде пара в камере сгорания во время рабочего такта. Следует подчеркнуть, что вода поступает в камеру сгорания всякий раз, когда поршень приближается к верхней мертвой точке: при впуске ТВС и при сжатии ее (компрессии). Наличие воды в смеси с топливом перед началом рабочего такта снижает снижает эффект, который мог быть получен, если бы конструкция двигателя позволяла подавать воду после воспламенения ТВС. В данном же случае роль воды сводиться главным образом к охлаждению цилиндров ДВС.
Вторым, более близким аналогом является устройство для подачи воды в цилиндры (авт. св. СССР N 870752 прототип [7]). В этом устройстве в камеру сгорания ДВС подается пар из специальной испарительной камеры после воспламенения ТВС. Моментом подачи пара управляет сам двигатель путем открытия клапана испарительной камеры давлением газов, создаваемом в цилиндре после воспламенения ТВС. Другие же факторы, например давление при компрессии, не могут преодолеть усилия пружины, связанной с клапаном.
В подаче пара во время рабочего такта заключается основное преимущество данного устройства перед аналогом (авт. св. N 1362862).
Недостатком же прототипа является то, что реализация его связана с существенной переделкой конструкции ДВС. Кроме того, пар в камеру сгорания из испарительной поступает путем естественной диффузии, что существенно ограничивает его количество, особенно на больших оборотах коленчатого вала. Поэтому выигрыш в повышении КПД не оправдывает затрат на переделку двигателя, что, возможно, и стало причиной отсутствия с 1981 г. широкого применения этого изобретения.
Сущностью изобретения является конструкция устройства, которая позволяет без какой-либо переделки двигателя подавать регулируемую порцию жидкости (главными образом чистой дистиллированной воды или с присадкой K2MnO4) в камеры сгорания его цилиндров после воспламенения ТВС.
Для реализации этого преимущества необходимо из головки цилиндра удалить свечу зажигания и на ее посадочное место установить заявляемое устройство, в корпус которого ввернуть свечу зажигания. Устройство трубопровода соединяется с насосом низкого давления и резервуаром воды на 3 -10 л. В корпусе устройства имеется накопительная камера, отделяемая от остального пространства плунжером. Системой каналов и клапанов камера соединяется с системой подачи воды и с камерой сгорания. Плунжер через шток с осевым отверстием и пружиной на штоке жестко связан с поршнем устройства, под которым образуется дополнительная камера сгорания. Подача с катушки зажигания на свечу высокого напряжения вызывает искру и воспламенение ТВС в дополнительной камере сгорания, распространяющееся на основную камеру цилиндра. Давление газов, возникшее в цилиндре и устройстве во время рабочего такта, приводит в движение шток и связанный с ним плунжер, под действием которых порция воды из накопительной камеры как бы выстреливается в камеру сгорания цилиндра. Отбирая тепло камеры сгорания вода испаряется, расширяясь и взаимодействуя с газовой фазой в камере. Результатом этого процесса является преобразование тепла в дополнительную механическую работу и снижение токсичности отработавших газов. Отличием заявляемого изобретения от прототипа является отсутствие испарительной камеры, малоэффективной и требующей изменения конструкции головки цилиндра. Кроме того, шток заявляемого устройства, несущий на своих концах поршень и плунжер, имеет в отличие от штока-прототипа сквозное отверстие, в котором располагается обратный клапан. Усилия на плунжер, возникающие от давления газов на поверхность поршня, приводят к открытию обратного клапана и канала, по которому порция воды под давлением подается в камеру сгорания ДВС. В прототипе же в отличие от заявляемого устройства давление газов на клапан испарительной камеры приводит к открытию последней, но канал, по которому подается вода, при этом перекрывается штоком, создавая камеру для воды и условия для ее наполнения. (В заявляемом же устройстве во время рассматриваемого акта движение поршня под давлением газов вызывает ликвидацию накопительной камеры).
На чертеже представлена конструкция заявляемого устройства.
На чертеже изображен один из вариантов конструкции устройства, позволяющего вводить дозированную порцию воды или любой другой жидкости в цилиндр ДВС во время рабочего такта.
Устройство имеет корпус, состоящий из цилиндрических деталей 1 и 2, втулки 3 и головки 4. Соединение корпусных деталей 1 и 2 между собой и головкой 4 резьбовые. В корпусе располагается перегородка 5, снабженная центральным отверстием и делящая объем корпуса на две части. В верхней части головки 4 находится резьбовое отверстие, в которое вворачивается подпружиненный винт 6, и резиновая прокладка 7. Их назначение будет дано ниже. В головке 4 располагается глухой радиальный канал 8, в который через штуцер 9 насосом низкого давления из резервуара (на чертеже не показаны) подается вода.
В противоположном от штуцера конце канала имеется клапан 10 с пружиной 11. Осевым каналом 12 радиальный канал связан с накопительной камерой 13, отделенной от внутрикорпусного пространства плунжером 14 и прокладками 15 и 16. Плунжер 14 резьбовым соединением жестко связан с штоком 17, на котором находится пружина 18. Шток заканчивается поршнем 19, который также как и плунжер жестко соединен с штоком. Вдоль оси штока проходит сквозное отверстие 20, образующее вместе со сквозными отверстиями в плунжере и поршне единый канал, в котором размещаются пробка 21 с осевым каналом и обратный клапан 22 с пружиной 23. Под поршнем 19 в нижней части корпуса образуется камера 24. Сюда, через резьбовое отверстие в корпусной детали 1 подсоединяется свеча зажигания 25, электроды 26 которой располагаются в камере 24, превращая ее в камеру сгорания, дополнительную по отношению к основной камере сгорания ДВС. Часть пространства основной камеры показано на фиг.1 под головкой цилиндра 27. Дополнительная камера сгорания сообщается с основной через отверстие в цилиндрической втулке 28, являющейся частью корпуса устройства. Втулкой 28 устройство соединяется с головкой цилиндра 27. При этом соединение осуществляется через резьбовое отверстие в головке цилиндра, предназначенное для свечи зажигания (которая, как уже было отмечено, перенесена в корпус устройства). Заканчивается втулка 28 решеткой 29 с отверстиями. В боковой поверхности втулки располагаются окна 30.
В нижней части корпуса устройства снаружи имеется рубашка 31, создающая камеру 32, в которую для охлаждения устройства подается по трубопроводу вода (на чертеже не показано).
Все корпусные и внутрикорпусные детали устройства, за исключением пружин, клапанов и втулки 3, изготавливаются из нержавеющей стали. Втулка 3 из углеродистой. Объем накопительной камеры 13 выбран равным ≈1/10 от объема камеры сгорания. Скорость поступления в нее воды и соответственно величина порции ее, впрыскиваемой в цилиндр ДВС, регулируется с помощью винта 6.
Эффективная работа устройства для впрыскивания воды в камеру сгорания ДВС возможна, если при изготовлении устройства в отношении пружины были выполнены следующие условия:
1) Fпр.11 <Pн•S10, где
Fпр.11 усилие пружины 11;
Pн давление в магистрали, создаваемое насосом;
S10 поверхность клапана 10, перекрывающая канал 8.
2) Fпр.23 >> Pн•S22, где
Fпр.23 усилие пружины 23;
S22 поверхность клапана 22, перекрывающая канал в пробке 21.
максимальное давление газов, создаваемое в камере сгорания при воспламенении топливной смеси;
Fпр18 усилие пружины 18;
S19 площадь наружной поверхности поршня 19, обращенной в дополнительную камеру сгорания;
максимальное давление, возникающее в дополнительной камере сгорания при сжатии горючей смеси.
Выполнение последнего условия означает, что поршень 19 не может преодолеть усилие пружины 18 в процессе сжатия топливной смеси и тем более во время тактов работы цилиндра ДВС на всасывание и выброс отработавших газов.
Если расчет пружины выполнен правильно и ее усилия удовлетворяют указанным условиям, то работа ДВС с заявляемым устройством схематично сводится к следующему:
в течение 3-х тактов работы цилиндра: выброса, всасывания и сжатия вода заполняет камеру 13, а топливная смесь при сжатии дополнительную камеру сгорания 24;
во время рабочего такта порция воды из накопительной камеры 13 под давлением инжектируется в основную камеру сгорания цилиндра.
До запуска двигателя каналы 8 и 20 перекрыты соответственно клапанами 10 и 22.
Включается двигатель, ставится на малые обороты и осуществляется его прогрев.
Включается насос водоподающей системы. Вода по штуцеру 9 начинает поступать в устройство.
Давление создаваемое насосом в магистрали открывает клапан 10 (т.к. выполняется условие 1 для пружины 11) и происходит заполнение камеры 13, а также части канала 20 до клапана 22. Канал 20 перекрыт пружиной 22, т.к. выполняется условие 2 для пружины 23.
Как только двигатель войдет в режим и давление в цилиндре во время рабочего такта достигнет значений, удовлетворяющих условию 3 для пружины 18, то поршень 19 под действием силы возникающей от давления газов, начинает скользить во втулке 3 в корпусе устройства.
Начало скольжения поршня 19 и связанных с ним штока 17 и плунжера 14 вызывает увеличение давления воды в камере 13 и перекрытие клапаном 10 канала 8.
Дальнейшее скольжение поршня 19 приводит (принимая во внимание величину давления газов в камере сгорания 30+40 атм.) к такому стремительному росту давления в камере 13, что открывается клапан 22 и порция воды как бы выстреливается по каналу 20. Через отверстие в цилиндрической втулке 28 и отверстия в решетке 29 вода инжектируется в камеру сгорания двигателя. Попадая в горячую зону, капли воды испаряются, отнимая тепло от стенок камеры и неполностью сгоревших продуктов топливной смеси. При этом не исключается возможность реакции соединения паров воды с последними.
К концу рабочего такта, когда давление в цилиндре двигателя снижается, пружина 18 возвращает поршень 19, шток 17 и плунжер 14 в исходное состояние, а клапан 22 в отсутствии воды в камере 13 под действием пружины 23 перекрывает канал 20.
После рабочего такта поршень цилиндра (на чертеже не показан) совершает выбрасывание отработавших газов и осуществляется подготовка цилиндра к приему новой порции ТВС. Во время этих процессов:
камера 13 начинает заполняться водой, скорость поступления которой в камеру регулируется винтом 6 с конусным окончанием. Заполнение может происходить в течение 3-х тактов (до рабочего);
камера 24 освобождается частично от газа и продуктов неполностью сгоревшего в ней топлива (через отверстие во втулке 28 и окна 30).
Следующие такты: впуск ТВС и сжатие ее.
Во время впуска ТВС в условиях пониженного давления в цилиндре дополнительная камера сгорания окончательно освобождается от газовой среды, продукты которой смешиваются с парами ТВС, заполняющими цилиндр. Так как количество их небольшое, то это снижает степень заполнения цилиндра полезной ТВС в значительно меньших размерах, чем выигрыш от впрыскивания воды с помощью заявляемого устройства.
Такт "сжатие" в двигателе осуществляется обычным способом. В ходе его выполнения топливной смесью заполняется дополнительная камера сгорания (через окна 30 и отверстие во втулке 28).
После такта сжатия на свечу зажигания от катушки подается высокое напряжение и топливная смесь воспламеняется в дополнительной камере сгорания.
Воспламенение ТВС в камере 24 детонаций вызывает воспламенение ее в основной камере сгорания цилиндра. Другими словами в камере сгорания начинает выполняться рабочий такт. Воспламенение ТВС инициирует рост давления в цилиндре и дополнительной камере сгорания с соответствующим давлением на поршень 19 и вводом порции воды в цилиндр, как это было описано выше. Таким образом, мы приходим к повторению цикла.
Использование: в двигателестроении, в частности в топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: конструктивно устройство выполнено следующим образом: оно имеет корпус цилиндрической формы, внутри которого располагается перегородка с отверстием, позволяющая перемещаться в ней штоку. Шток на концах несет жестко связанные с ним плунжер, над поверхностью которого образуется накопительная камера для воды, и поршень, под которым образуется дополнительная камера сгорания. Шток, поршень и плунжер имеют сквозные осевые отверстия, образующие единой канал, в котором размещается обратный клапан. Свободному перемещению поршня и связанным с ним штоку и плунжеру препятствует пружина, надетая на шток. Дополнительная камера сгорания сообщается с основной через отверстие, закрытой решеткой, и окна во втулке, которой заканчивается корпус. С помощью этой втулки устройство монтируется в крышку цилиндра. Резьбовое отверстие расположено в корпусе устройства в районе дополнительной камеры сгорания. 1 ил.
Устройство для подачи жидкости, преимущественно воды, в цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащее систему подачи жидкости с регулятором скорости ее подачи, корпус и камеры в нем, сообщенные с камерой сгорания двигателя, шток и подпружиненные клапаны, отличающееся тем, что в корпусе устройства расположена перегородка с возможностью перемещения в ней штока, имеющего сквозное отверстие и несущего на концах жестко связанные со штоком плунжер с образованием над ним камеры для жидкости и подпружиненный поршень с образованием под ним дополнительной камеры сгорания, при этом поршень и плунжер имеют сквозные отверстия, образующие со сквозным отверстием штока единый канал, в котором располагается обратный клапан, а дополнительная камера сгорания снабжена свечой и решетчатым окном, сообщающим ее с основной камерой сгорания двигателя.
