ВАКУУМНЫЙ НАСОС ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2007 года по МПК F02D9/02 F04B37/00 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к устройствам, создающим в определенных объемах разрежение газовых и парогазовых сред, преимущественно воздуха, и может быть использовано в различных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.

Известно использование двигателя внутреннего сгорания в качестве устройства, создающего вакуум. В частности, на автомобилях ГА3-51 А и ГА3-63 [Анохин В.И. Отечественные автомобили. - М.: Машиностроение, 1968. - 832 с.(стр.741)] использовался привод стеклоочистителя, работающий от вакуума, образующегося во впускном коллекторе автомобильного двигателя с искровым зажиганием. Признаками этого устройства, которые совпадают с признаками заявляемого, являются следующие. Двигатель внутреннего сгорания, используемый в качестве вакуумного насоса, имеет кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения, устройство для воспламенения свежего заряда в цилиндре, а также системы питания, смазки, охлаждения и пуска, кроме того, он имеет вакуумную магистраль. Вакуумная магистраль соединяет его впускной коллектор с полостью, в которой создается вакуум. Однако вакуум, создаваемый во впускном коллекторе автомобильного двигателя, неустойчивый и может иметь очень небольшое разрежение на режимах полного открытия дроссельной заслонки при пониженной частоте вращения коленчатого вала двигателя, то есть на режиме максимального крутящего момента. В таком исполнении двигатель внутреннего сгорания не может быть эффективно использован в качестве вакуумного насоса.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению, то есть прототипом, является двигатель внутреннего сгорания, используемый в качестве вакуумного насоса для гидровакуумного усилителя тормозов автомобиля ГА3-66 [Анохин В.И. Отечественные автомобили. - М.: Машиностроение, 1968. - 832 с.(стр.700)]. Признаками двигателя-прототипа, совпадающими с признаками заявляемого, являются следующие. Двигатель внутреннего сгорания, используемый в качестве вакуумного насоса, имеет кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения, устройство для воспламенения свежего заряда в цилиндре, а также системы питания, смазки, охлаждения и пуска, кроме того, он имеет вакуумную магистраль, причем вакуумная магистраль снабжена дроссельным устройством, которое выполнено с возможностью изменения проходного сечения. Здесь в качестве устройства для воспламенения заряда в цилиндре использована контактно-транзисторная система зажигания, а дроссельное устройство, выполненное с возможностью изменения проходного сечения, представляет собой самодействующий запорный клапан, обеспечивающий сохранения вакуума в полости гидровакуумного усилителя тормозов при уменьшении разрежения во впускном коллекторе двигателя. Двигателю-прототипу присущи те же недостатки, что и вышеописанному аналогу. Разрежение, создаваемое в вакуумной магистрали, практически не зависит от расхода откачиваемой среды через вакуумную магистраль, а зависит от степени открытия дроссельной заслонки системы питания и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Кроме того, создание таким двигателем более глубокого вакуума невозможно из-за его конструктивных особенностей, таких как перекрытие впускных и выпускных клапанов и большой объем вредного пространства, то есть в данном случае объем камеры сгорания, что обусловливается относительно низкой степенью сжатия, являющейся отношением суммы объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра к объему камеры сгорания. В связи с этим такой двигатель внутреннего сгорания не может быть эффективно использован в целях создания вакуума, так как его основное назначение иное.

Задачей предлагаемого изобретения является эффективное получение вакуума при откачивании вакуумным насосом внутреннего сгорания (ВНВС) газовых или парогазовых сред.

Сущность изобретения заключается в том, что вакуумный насос внутреннего сгорания, имеющий кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения, устройство для воспламенения свежего заряда в цилиндре, а также системы питания, смазки, охлаждения и пуска, имеющий вакуумную магистраль, причем вакуумная магистраль снабжена дроссельным устройством, которое выполнено с возможностью изменения проходного сечения, при этом, согласно изобретению, он снабжен системой регулирования, которая выполнена с возможностью ограничения минимального и максимального разрежений в его впускном коллекторе при работе, для чего она снабжена датчиком разрежения, установленным во впускном коллекторе, или датчиком частоты вращения коленчатого вала. Кроме того, в качестве устройства для воспламенения заряда в цилиндре использована дизельная аппаратура подачи топлива. Узлы механизма газораспределения выполнены таким образом, что отсутствует перекрытие впускных и выпускных клапанов. Вакуумный насос внутреннего сгорания при откачивании воздуха имеет степень сжатия больше 15 при искровом зажигании и степень сжатия больше 30 при использовании дизельной аппаратуры подачи топлива. На вакуумной магистрали на участке впускной коллектор - полость, в которой создается вакуум, установлен фильтр. Вакуумный насос внутреннего сгорания содержит на вакуумной магистрали нагнетатель, который может быть выполнен, например, с турбинным приводом или с приводом от коленчатого вала. Вакуумный насос внутреннего сгорания имеет несколько ступеней сжатия, причем сгорание происходит в последней ступени.

Сравнение заявляемого устройства с устройством-прототипом показывает, что новым является то, что вакуумный насос внутреннего сгорания снабжен системой регулирования, которая выполнена с возможностью ограничения минимального и максимального разрежений в его впускном коллекторе при работе, для чего она снабжена датчиком разрежения, установленным во впускном коллекторе, или датчиком частоты вращения коленчатого вала. Кроме того, в качестве устройства для воспламенения заряда в цилиндре использована дизельная аппаратура подачи топлива. Узлы механизма газораспределения выполнены таким образом, что отсутствует перекрытие впускных и выпускных клапанов. Вакуумный насос внутреннего сгорания при откачивании воздуха имеет степень сжатия больше 15 при искровом зажигании и степень сжатия больше 30 при использовании дизельной аппаратуры подачи топлива. На вакуумной магистрали на участке впускной коллектор - полость, в которой создается вакуум, установлен фильтр. Вакуумный насос внутреннего сгорания содержит на вакуумной магистрали нагнетатель, который может быть выполнен, например, с турбинным приводом или с приводом от коленчатого вала. Вакуумный насос внутреннего сгорания имеет несколько ступеней сжатия, причем сгорание происходит в последней ступени.

Наличие в заявляемом устройстве новых элементов, их взаимосвязи и взаиморасположения с прочими элементами, а также новые конструктивные параметры заявляемого устройства обеспечивают получение следующих технических результатов. При использовании заявляемого вакуумного насоса внутреннего сгорания повышается стабильность создаваемого вакуума, уменьшаются энергозатраты на его создание, а также снижается металлоемкость агрегата приводной двигатель - вакуумный насос. Кроме того, при обеспечении в ВНВС степени сжатия больше 15 при искровом зажигании и степени сжатия больше 30 при использовании дизельной аппаратуры подачи топлива, а также при установке на вакуумной магистрали нагнетателя и устройства в ВНВС нескольких ступеней сжатия увеличивается создаваемое разрежение и повышается экономичность ВНВС.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена принципиальная схема ВНВС, а на фиг.2 - индикаторная диаграмма рабочего цикла ВНВС в координатах p-V (давление - объем).

Вакуумный насос внутреннего сгорания (фиг.1) содержит кривошипно-шатунный механизм, состоящий из цилиндра 15 с поршнем 14, который кинематически соединен с коленчатым валом 19 посредством шатуна 16. На коленчатом валу установлен маховик 17. Механизм газораспределения вакуумного насоса внутреннего сгорания включает цепную передачу 18, соединяющую коленчатый вал 19 с распределительным валом 11, на котором установлены кулачки 9, взаимодействующие с подпружиненными впускным и выпускным клапанами 10. Устройство для воспламенения заряда в цилиндре представляет собой систему зажигания, которая в определенный момент генерирует электрический импульс высокого напряжения на свече зажигания 13, расположенной в камере сгорания цилиндра 15. Система питания вакуумного насоса внутреннего сгорания включает устройство 6 дозирования топлива, а также дроссельную заслонку 8 системы питания и воздушный фильтр 7. В вакуумной магистрали 12, соединяющей впускной коллектор двигателя с полостью 1, в которой создается вакуум, установлены фильтр 2 и дроссельное устройство 3, которое выполнено с возможностью изменения проходного сечения и представляет собой поворотную заслонку. ВНВС снабжен системой регулирования 4 разрежения во впускном коллекторе, которая взаимодействует с дроссельным устройством 3, с дроссельной заслонкой 8 и с устройством 6 дозирования топлива. Система регулирования 4 разрежения во впускном коллекторе выполнена с возможностью ограничения минимального и максимального разрежения во впускном коллекторе, для чего она снабжена датчиком разрежения 5 во впускном коллекторе. Системы охлаждения, смазки и пуска на фиг.1 не показаны.

ВНВС работает следующим образом.

В начальный момент пуска дроссельное устройство 3 (фиг, 1) и дроссельная заслонка 8 системы питания закрыты. Когда разрежение во впускном коллекторе достигнет определенного минимального значения, которое ограничивает система регулирования 4 по датчику разрежения 5, она начинает открывать дроссельное устройство 3 и дроссельную заслонку 8, обеспечивая при этом требуемый состав горючей смеси, поступающей в цилиндр, посредством устройства 6 дозирования топлива. Это определенное минимальное разрежение во впускном коллекторе является для ВНВС разрежением, при котором осуществляется номинальный (основной) режим работы вакуумного насоса внутреннего сгорания. Ограничение определенного минимального разрежения во впускном коллекторе необходимо для надежной работы системы зажигания, так как при уменьшении разрежения во впускном коллекторе, в конце такта сжатия в цилиндре 15 может возникнуть недопустимо высокое давление, препятствующее надежному искрообразованию на свече 13. Воздух, поступающий в систему питания ВНВС, очищается фильтром 7. Откачиваемая среда из полости 1, в которой создается вакуум, по вакуумной магистрали 12 поступает через фильтр 2 во впускной коллектор. Из впускного коллектора откачиваемая среда, воздух и топливо попадают через впускной клапан в цилиндр, а отработавшие газы удаляются из цилиндра через выпускной клапан. По мере увеличения разрежения в полости 1 система регулирования 4 открывает дроссельное устройство 3, поддерживая при этом определенное минимальное разрежение во впускном коллекторе. Когда дроссельное устройство 3 будет полностью открыто, то дальнейшее откачивание среды из полости 1 будет приводить к увеличению разрежения во впускном коллекторе, а следовательно, к уменьшению частоты вращения коленчатого вала 19. Максимальное разрежение во впускном коллекторе, обеспечивающее минимальную устойчивую частоту вращения коленчатого вала, ограничивается системой регулирования 4 при ее воздействии на дроссельную заслонку 8 и на устройство 6 дозирования топлива. На этом режиме работы эффективность ВНВС наименьшая, как и у вакуумных насосов других типов, так как в предельном случае полезной работы по откачиванию среды из полости 1 ВНВС не совершает, а энергия топлива тратится на компенсацию диссипативных потерь. Степень сжатия ВНВС обеспечивают, по возможности, наибольшей. Так, для обеспечения эффективной работы вакуумного насоса внутреннего сгорания, оборудованного устройством для воспламенения заряда в цилиндре, выполненным в виде системы зажигания, необходимо обеспечить степень сжатия не менее 15. В этом случае происходит более полное расширение отработавших газов, а также увеличивается наполнение цилиндра свежим зарядом.

Идеализированный рабочий цикл вакуумного насоса внутреннего сгорания при определенном минимальном разрежении (номинальном режиме работы) следующий (фиг.2). Во время такта всасывания поршень движется в цилиндре от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). Причем в начале этого такта (впускной и выпускной клапаны закрыты, то есть перекрытие клапанов у ВНВС отсутствует. Это необходимо для увеличения разрежения во впускном коллекторе и уменьшения отрицательной работы всасывания. В результате давление в цилиндре падает с давления выпуска p_r до давления p_r' (политропный процесс r-r'). В момент достижения давления в цилиндре величины давления p_r' во впускном коллекторе или несколько раньше открывается впускной клапан, в результате чего начинает происходить всасывание смеси откачиваемой среды, воздуха и топлива (изобарный процесс r'-а). В НМТ впускной клапан закрывается и при движении поршня от НМТ к ВМТ происходит сжатие свежего заряда до давления p_c (политропный процесс а-с). Несколько ранее ВМТ свежий заряд зажигается свечой зажигания, в результате чего свежий заряд сгорает и его давление в ВМТ увеличивается до значения p_z (изохорный процесс c-z). Далее при движении поршня от ВМТ к НМТ происходит расширение продуктов сгорания до давления p_b (политропный процесс z-b), которое при правильно подобранной степени сжатия будет практически равно давлению выпуска p_r. В области НМТ открывается выпускной клапан, и при дальнейшем движении поршня происходит выпуск отработавших газов при давлении p_r, которое несколько превышает атмосферное давление p_o (изобарный процесс b-r). Как видно из фиг.2, рабочий цикл ВНВС состоит из двух циклов, один из которых обратный, а другой - прямой. Для установившегося режима в идеализированном цикле ВНВС работы прямого и обратного циклов равны, то есть равны площади фигур, ограниченных линиями процессов обратного и прямого циклов. В действительности же работа прямого цикла больше, так как в ВНВС затрачивается дополнительная работа на привод вспомогательных агрегатов систем смазки и охлаждения, а также затрачивается работа для компенсации работ сил трения в узлах ВНВС. Работа, совершаемая в прямом цикле, сначала затрачивается на разгон маховика 17, установленного на коленчатом валу 19 (фиг.1), а затем идет на совершение обратного цикла того же цилиндра. Если же ВНВС имеет несколько цилиндров, то работа, совершаемая в прямом цикле одного цилиндра, одновременно затрачивается на совершение обратного цикла в другом цилиндре посредством кривошипно-шатунного механизма.

При реализации вакуумного насоса внутреннего сгорания с искровым зажиганием возможно регулирование разрежения во впускном коллекторе не по сигналу датчика разрежения 5, а по сигналу датчика частоты вращения коленчатого вала, так как частота вращения коленчатого вала зависит от количества свежего заряда определенного состава, а следовательно, от разрежения во впускном коллекторе.

ВНВС может работать по дизельному циклу. В этом случае, в качестве устройства для воспламенения заряда в цилиндре используется дизельная аппаратура подачи топлива. При этом величина минимального разрежения во впускном коллекторе ограничена механическими нагрузками на кривошипно-шатунный механизм на такте рабочего хода, а величина максимального разрежения - давлением, а следовательно, температурой свежего заряда в конце такта сжатия, которая обеспечивает надежное самовоспламенение топлива в цилиндре. Для обеспечения эффективной работы ВНВС при использовании дизельной аппаратуры подачи топлива необходимо обеспечить степень сжатия не менее 30.

Наибольший эффект достигается при работе ВНВС в том случае, когда в качестве откачиваемой среды используется воздух. В этом случае дроссельная заслонка 8 может быть закрыта на всех режимах работы ВНВС, за исключением режима холостого хода, когда в полости 1, в которой создается вакуум, устанавливается определенное максимальное разрежение. В зависимости от технологического процесса, который обеспечивает ВНВС, заслонка 8 может быть заглушена в случае достаточного поступления кислорода, содержащегося в откачиваемой среде, через дроссельное устройство 3 на всех возможных режимах работы ВНВС.

Ограничение минимального разрежения во впускном коллекторе при работе ВНВС может быть обеспечено жестким механическим ограничением максимального открытия дроссельного устройства. То есть максимальная величина проходного сечения дроссельного устройства в этом случае имеет определенное значение. Кроме того, для исключения аварийных ситуаций возможна установка во впускном коллекторе ВНВС дополнительного дроссельного устройства с неизменным проходным сечением, ограничивающего минимальное разрежение во впускном коллекторе при работе ВНВС.

Впускной клапан вакуумного насоса внутреннего сгорания может быть самодействующим, что может в определенных случаях улучшить экономические показатели ВНВС. В целях увеличения максимально возможного разрежения, создаваемого ВНВС, он может содержать на вакуумной магистрали нагнетатель любого типа, который может быть выполнен, например, с турбинным приводом или с приводом от коленчатого вала. Кроме того, в тех же целях возможна организация в вакуумном насосе внутреннего сгорания нескольких ступеней сжатия, причем для обеспечения работоспособности ВНВС сгорание должно происходить в последней ступени сжатия.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам, создающим в определенных объемах разрежение газовых и парогазовых сред. Изобретение позволяет получать вакуум при откачивании вакуумным насосом газовых или парогазовых сред. Вакуумный насос содержит кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения, устройство для воспламенения свежего заряда в цилиндре, системы питания, смазки, охлаждения и пуска, дроссельную заслонку системы питания, устройство дозирования топлива, вакуумную магистраль, снабженную дроссельным устройством, выполненным с возможностью изменения проходного сечения. Насос снабжен системой регулирования разрежения во впускном коллекторе, взаимодействующей с дроссельным устройством, дроссельной заслонкой и устройством дозирования топлива и выполненной с возможностью ограничения минимального и максимального разрежения при работе. Система выполнена с возможностью регулирования разрежения или по частоте вращения коленчатого вала или по сигналу датчика разрежения во впускном коллекторе. В качестве устройства для воспламенения заряда в цилиндре может быть использована дизельная аппаратура подачи топлива. Узлы механизма газораспределения выполнены таким образом, что отсутствует перекрытие впускных и выпускных клапанов. При откачивании воздуха он имеет степень сжатия больше 15 при искровом зажигании и степень сжатия больше 30 при использовании дизельной аппаратуры подачи топлива. На вакуумной магистрали на участке впускной коллектор - полость, в которой создается вакуум, установлен фильтр. На вакуумной магистрали установлен нагнетатель, который может быть выполнен, например, с турбинным приводом или с приводом от коленчатого вала. Насос имеет несколько ступеней сжатия, причем сгорание происходит в последней ступени. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вакуумный насос, содержащий кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения, устройство для воспламенения свежего заряда в цилиндре, системы питания, смазки, охлаждения и пуска, дроссельную заслонку системы питания, устройство дозирования топлива, вакуумную магистраль, снабженную дроссельным устройством, выполненным с возможностью изменения проходного сечения, отличающийся тем, что снабжен системой регулирования разрежения во впускном коллекторе, взаимодействующей с дроссельным устройством, дроссельной заслонкой и устройством дозирования топлива и выполненной с возможностью ограничения минимального и максимального разрежения при работе, причем система выполнена с возможностью регулирования разрежения или по частоте вращения коленчатого вала или по сигналу датчика разрежения во впускном коллекторе.2. Вакуумный насос по п.1, отличающийся тем, что в качестве устройства для воспламенения заряда в цилиндре использована дизельная аппаратура подачи топлива.3. Вакуумный насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что узлы механизма газораспределения выполнены таким образом, что отсутствует перекрытие впускных и выпускных клапанов.4. Вакуумный насос по п.1, отличающийся тем, что при откачивании воздуха он имеет степень сжатия больше 15 при искровом зажигании и степень сжатия больше 30 при использовании дизельной аппаратуры подачи топлива.5. Вакуумный насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что на вакуумной магистрали на участке впускной коллектор - полость, в которой создается вакуум, установлен фильтр.6. Вакуумный насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержит на вакуумной магистрали нагнетатель, который может быть выполнен, например, с турбинным приводом или с приводом от коленчатого вала.7. Вакуумный насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что имеет несколько ступеней сжатия, причем сгорание происходит в последней ступени.