Двигатель внутреннего сгорания с подачей воды в рабочее тело

 

Сущность изобретения заключается в том, что двигатель снабжен водяным насосом высокого давления, совмещенным с топливным насосом высокого давления в одном корпусе, а радиатор вспышек в виде банка с упрощенной стальной сердцевиной. 4 ил.

Изобретение относится к двигателестроению по классам международного классификатора изобретений и служит для питания топливом, водой и охлаждения дизельного двигателя внутреннего сгорания с особым рабочим процессом.

Известны двигатели внутреннего сгорания с особым рабочим процессом и системы питания топливом, водой и охлаждения их.

Известен также особый способ работы двигателей внутреннего сгорания и система питания топливом, водой и охлаждения их.

В известных способах и системах питания топливом, водой и охлаждения дизельных двигателей эти системы разделены. При этом питание двигателя топливом и водой происходит самостоятельными однокомпонентными насосами высокого давления с отдельными приводами и двойными форсунками.

Такая конструкция систем требует реконструкцию существующих двигателей, усложняет системы, делает их трудоемкими в изготовлении, эксплуатации менее надежными и долговечными, более дорогими по стоимости.

Целью изобретения является осуществление особого рабочего процесса дизельного двигателя без реконструкции существующих двигателей, упрощение конструкции, изготовление, эксплуатации, повышение надежности, долговечности, снижение массы, стоимости системы, токсичности отработавших газов и жесткости работы, повышение эффективности, КПД экономичности двигателя, а также охлаждение двигателя с использованием теплоты охлаждающегося тела.

Указанная цель изобретения достигается тем, что система имеет двухкомпонентные насос и форсунки по числу цилиндров, а также водяной бак-радиатор с упрощенной конструкцией сердцевины из стали.

Такая конструкция системы позволяет без реконструкции существующих дизельных двигателей с помощью одного насоса и форсунок по числу цилиндров обеспечить последовательный впрыск топлива по известной схеме и воды в рабочие камеры цилиндров в точке Z индикатоpной диаграммы в такте расширения работы двигателя.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 изображена полная принципиальная схема системы; на фиг.2 - конструктивная схема двухкомпонентного насоса высокого давления в поперечном разрезе; на фиг.3 и 4 - конструктивная схема двухкомпонентной форсунки высокого давления в продольном и поперечном разрезах.

Система состоит из модернизованного водяного бака-радиатора 1, топливного бака 2, установленных известными способами на раме машины, двухкомпонентного насоса 3 высокого давления с приводом от вала двигателя известной конструкции, топливоподкачивающий насосом-помпой 4 и ручным насосом 5, а также всережимным регулятором скорости 6 с рычагом и тягой управления 7 известных конструкций, закрепленных на корпусах двигателя и насоса высокого давления известными способами, водяного насоса-помпы 8, вентилятора 9, установленных на едином валу и корпусе двигателя, а также имеющих привод от вала двигателя с помощью кинематической передачи 10 известной конструкции, двухкомпонентных форсунок 11 по числу цилиндров, установленных в гнездах на головке блока цилиндров двигателя известным способом и имеющих соединительные каналы с рабочими камерами цилиндров через распылители, фильтров грубой 12 и тонкой 13 очистки топлива и воды известных конструкций топливных фильтров и размещенных на раме машины и корпусе двигателя 14 известными способами, крана подключения и управления расходом воды 15, контрольного указателя уровня и температуры воды 16, размещенных на приборном щитке 17 в кабине водителя, а также шиберной заслонки-шторы 18 с тягой управления 19 перед баком-радиатором известных конструкций.

Водяной бак-радиатор 1 модернизирован в сторону увеличения его емкости за счет увеличения размеров или установки дополнительного бака, подпитывающего систему охлаждения при работе. Кроме этого, в отличие от известных радиатор имеет стальную сердцевину упрощенной конструкции. В остальном устройство бака-радиатора аналогично известным и имеет наливную горловину 20 с сетчатым фильтром, крышкой с трубкой и паровоздушным клапаном, сливной кран 21 известных конструкций. В верхнем баке на уровне термостата 24 размещен датчик 22 дистанционного указателя уровня и температуры воды 16. Бак-радиатор с помощью патрубков 23 соединен с водяным насосом-помпой 8, термостатом 24, а также рубашкой охлаждения двигателя.

Для циркуляции воды по малому кругу водяной насос и термостат соединены трубкой 25 по известной схеме.

Топливный бак известной конструкции имеет наливную горловину 26 с сетчатым фильтром и крышкой с паровоздушным клапаном, магистральный кран 27 и сливной кран 21, а также дистанционный или ручной указатель уровня топлива - щуп 28. Бак с помощью трубопроводов низкого давления 29 и 30 соединен с фильтром грубой очистки топлива, топливоподкачивающей помпой, а также с колпаком форсунок.

Топливоподкачивающая помпа соединена с фильтром тонкой очистки топлива и с отводящим каналом топливных секций высокого давления головки насоса высокого давления трубопроводами низкого давления 29 и 31 по известной схеме. Фильтр тонкой очистки топлива соединен с подводящим каналом топливных секций насоса высокого давления. Нагнетательные штуцеры топливных секций соединены штуцерами 59 Т с соответствующими штуцерами 79 Т форсунок трубопроводом 32 известной конструкции.

Подводящий и отводящий каналы водоподкачивающих секций насоса высокого давления с помощью трубопроводов низкого давления 29 и 31 соединены с системой охлаждения через фильтр тонкой очистки 13, фильтр грубой очистки воды 12, крана управления 15 и штуцера 33 на патрубке термостата 24, а также патрубком 23 на входе в водяной насос-помпу 8. Штуцеры 59 В на выходе водоподкачивающих секций высокого давления также соединены с соответствующими штуцерами 79 В форсунок трубопроводами высокого давления 32 известных конструкций топливопроводов высокого давления.

Фильтры имеют краны 21 для слива отстоя, а фильтры тонкой очистки еще имеют краны 34 с трубками для выпуска воздуха из системы.

Двухкомпонентный насос высокого давления отличается от известных, например, насоса УТН-5 и др. наличием двухкомпонентных насосных секций высокого давления, одинаковых по устройству с плунжерными насосными секциями указанных насосов. В остальном насосы одинаковы и имеют взаимозаменяемые детали и узлы.

Насос состоит из корпуса 35, на котором размещены регулятор скорости, топливоподкачивающая помпа, сапун 36. В корпусе под углом α - запаздывания впрыска воды размещены плунжерные насосные секции 37 известных конструкций. В картере насоса в подшипниках качения размещен вал 38 с кулачками 39, соединенный с регулятором скорости и валом двигателя известным способом кинематическими передачами.

Для управления режимом работы насоса и двигателя в корпусе имеется рейка 40, соединенная с регулятором скорости известным способом, а с плунжерами зубчатыми планками 41 и венцами 42, стянутыми винтами 43 с шайбами, с поворотными гильзами 44, соединенными с плунжерами известными способами.

Плунжеры 37 размещены во втулках 45 и снизу упираются в регулировочные винты 46 с контргайками 47, установленными в корпусах толкателей 48, которые размещены в отверстиях корпуса насоса и с помощью роликов 49 с осями вращения 50 контактируются с кулачками кулачкового вала. От разворота толкатели и втулки плунжеров фиксированы штифтами 54 и винтами 55. При работе плунжеры совершают возвратно-поступательное движение под действием кулачков при нагнетательном ходе и пружин 51 при ходе всасывания. Пружины установлены между неподвижными шайбами-тарелками 52 на поворотных гильзах и подвижными шайбами-тарелками на нижних частях плунжеров и контактируются с регулировочными винтами 46.

Сверху над втулками плунжеров установлены седла нагнетательных клапанов 56 с нагнетательными клапанами 57, упирающимися сверху в пружины 58. Укрепляются и герметизируются седла нагнетательных клапанов в корпусе насоса с помощью штуцеров 59 и шайб 60. Штуцера насосных секций с помощью накидных гаек и трубопроводов высокого давления соединены с соответствующими штуцерами 79 Т или В форсунок. От самопроизвольного развинчивания штуцеры фиксированы зажимами 61, стянутыми винтами 62 с шайбами 63.

Картеры кулачкового вала и насосных секций имеют маслосливную пробку 64 с уплотнительной шайбой 65, маслозаливное отверстие с пробкой-крышкой, маслопереливную трубку 66, закрепленным на корпусе винтом-штуцером 67 с шайбами 68, крышки 69 с прокладками, закрепленными на корпусе насоса винтами 70 с шайбами 71. Насос-помпа к насосу высокого давления присоединяется по фланцу 72 с помощью шпилек 73 с гайками и шайбами.

Насос к корпусу двигателя присоединяется с помощью фланца 74 и крепежа.

Нагнетающие рабочие поверхности деталей насосных секций уплотнены за счет высокой чистоты обработки-притирки и селективной сборки.

Двухкомпонентная форсунка по конструкции аналогична известным однокомпонентным серийно выпускаемым для автотракторных двигателей-дизелей.

Она имеет взаимозаменяемые детали, например, с форсункой двигателя Д37М. Принцип действия ее приемлем также и для всех других форсунок. Отличается предлагаемая форсунка от серийных соответствующим изменением корпуса и распылителя путем введения в конструкцию перепускных клапанов и добавочных каналов для поочередной подачи к распылителю топлива и воды.

Форсунка имеет корпус 75, на котором смонтированы корпус распылителя 76 с иглой распылителя 77, закрепленных на корпусе с помощью гайки 73, штуцеры 79 для подсоединения с помощью накидных гаек трубопроводов высокого давления от насосных секций соответствующего компонента, например, по стрелке В - воды и по стрелке Т - топлива.

Внутри штуцеров размещены индивидуальные фильтры 80 с установочными шайбами-втулками 81 и уплотнительными шайбами 82.

Внутри корпуса форсунки размещается штанга 83, передающая усилия прижима от пружины 84 к игле распылителя. Пружина размещается в резьбовом стакане-втулке 85, соединенном резьбой с корпусом форсунки.

Для регулирования давления впрыска в резьбовом стакане-втулке имеется регулировочный винт 86, контактирующийся с пружиной и фиксирующейся контргайкой 87. Сверху на стакане-втулке установлен колпак 88 с уплотнением 89. К колпаку с помощью винта-штуцера, прокладок подсоединяется трубопровод низкого давления, идущий к топливному баку для отвода просачивающей части компонентов в бак.

Внутри корпусов форсунки и распылителя имеются каналы для поочередного пропуска топлива или воды: К_в - для подачи воды и К_т - для подачи топлива. При этом переключение каналов происходит с помощью клапанов 90, размещенных в соответствующих выточках указанных каналов корпуса форсунки и соединенных между собой для перетекания компонентов секторной канавкой Л.

Относительное положение корпусов форсунки и распылителя фиксируется двумя штифтами 91 по известной схеме.

В гнездах в головки блока цилиндров форсунка укрепляется с помощью гаек 92 или другим известным способом. В гнезде форсунка герметизируется медной шайбой-прокладкой 93.

Рабочие поверхности прецизионных пар форсунки герметизированы за счет высокой чистоты обработки-притирки и селективной сборки.

На чертеже стрелками показаны: В - направление движения воды, Т - направление движения топлива, Т, В - направление движения топлива и воды поочередно или в смеси. В_з - направление выпуска воздуха из системы, К - направление вращения кулачкового вала, Q - слив отстоя из фильтров, РК - рабочие камеры цилиндров двигателя, Ш - направления движения тяги управления шиберной заслонкой-шторой радиатора, Р - то же, тяги регулятора и топливоподачи.

Работа системы происходит следующим образом.

После заполнения бака-радиатора 1, его дополнительного бака, водяной рубашки двигателя чистой водой известных качеств, топливного бака 2 топливом открывают магистральный кран топливного бака 27 и, отвинтив маховичок ручного насоса 5, открыв краники 34 на фильтре тонкой очистки топлива 13, прокачивают систему, выпускают воздух и заполняют ее топливом.

После этого фиксируют поршень и маховичок ручного насоса в закрытом состоянии, навинтив маховичок на корпус насоса, и запускают двигатель.

При этом с помощью механического насоса-помпы 4 топливо по трубопроводам низкого давления 29 подается из топливного бака через фильтр грубой очистки топлива 12 в фильтр тонкой очистки 13 и впускной канал головки топливоподкачивающих секций насоса высокого давления 3, отводящий канал которых соединен с насосом-помпой для отвода излишнего топлива из головки насоса и поддержания в ней постоянства давления топливопроводом низкого давления 31. Далее под действием кулачков 39 кулачкового вала 38 и пружин 51 плунжеры 37 подают в заданном количестве и порядке порции топлива в форсунки 11 через нагнетательные клапаны 57, штуцеры 59, трубопроводы высокого давления 32 и штуцеры форсунок 79 Т. Далее, воздействуя на клапаны 90, топливо открывает каналы К_т подачи топлива и запирает каналы К_в подачи воды, попадает в распылитель, поднимает иглу и, открыв отверстия распылителя, впрыскивается в рабочие камеры цилиндров двигателя в конце такта сжатия в порядке работы цилиндров, заданный кулачковым валом.

После устойчивой проработки двигателя краном 15 включают подачу воды.

При этом под напором, создаваемым водяным насосом-помпой 10, вода подается в впускной канал головки водоподкачивающих секций насоса высокого давления 3 через штуцер 33, трубопроводы низкого давления 29, кран 15, фильтр грубой очистки воды 12, фильтр тонкой очистки воды 13. При этом с помощью краника 34 выпускают воздух из системы подачи воды, лишняя вода из головки насосных секций возвращается в патрубок 23 водяного насоса по трубопроводу 31, чем поддерживается постоянство заданного давления в головке насосных секций. Вода порциями с заданным углом запаздывания α - 30-60^о поворота коленчатого вала двигателя от момента впрыска топлива насосной секцией подается в штуцер 79 В форсунки. Работа насосных секций происходит аналогично работе топливоподкачивающих секций. Далее порции воды, пройдя дополнительные фильтры 80, попадают в каналы К_в и действуют на клапаны 90 за счет разности давлений над и под клапанами и разности соответствующих площадей. Каналы К_в подачи воды открываются, а каналы К_т подачи топлива закрываются, т. к. в них в этот момент давления падает из-за ухода плунжеров топливных секций в такт всасывания топлива. И вода впрыскивается через тот же распылитель 76 в рабочие камеры двигателя.

Давление впрыска топлива и воды устанавливается регулировочным винтом 86 на величину 1,5-2,0 МПа на стенде регулировки форсунок.

При работе форсунок клапаны 90 совершают возвратно-поступательные движения. При этом топливо и вода перетекают из полости одного клапана в полость другого по секторной канавке Л, чем и обеспечивается соответствующая работа клапанов и перекрытие каналов.

Угол впрыска топлива регулируется приводной муфтой кулачкового вала и регулировочными винтами 46 толкателей 48 насосных секций известным способом.

Угол запаздывания впрыска воды получается автоматически установкой угла α при конструировании корпуса насоса и дополнительно подрегулируется регулировочными винтами толкателей водоподкачивающих насосных секций.

Управление насосом и режимом работы двигателя происходит регулятором скорости 6 и рычагом с тягой топливоподачи 7, имеющего орган воздействия известной конструкции в кабине водителя.

Уровень и температуру воды в системе контролируют дистанционным указателем 16. Температуру воды и режим работы бака-радиатора регулируют положением шиберной заслонки-шторы 18, воздействуя на нее органом управления 19 известным способом.

В связи с тем, что бак-радиатор имеет уменьшенные поверхность и коэффициент теплоотдачи, работа в режиме без подачи воды в цилиндры нежелательна из-за возможности перегрева двигателя, особенно в летнее время.

Учитывая это, следует следить за полнотой водяных баков.

Критический уровень воды в системе охлаждения контролируется и блокируется уровнем установки водозаборного штуцера 33 и датчика 22 указателя 16 на уровне термостата 24.

Привод насосы получают от вала двигателя известными способами.

Формула изобретения

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПОДАЧЕЙ ВОДЫ В РАБОЧЕЕ ТЕЛО, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, головку цилиндра с двухкомпонентной форсункой для подачи топлива и воды, топливный насос высокого давления и радиатор системы охлаждения, отличающийся тем, что он снабжен водяным насосом высокого давления, размещенным в одном корпусе с топливным насосом высокого давления с углом запаздывания срабатывания между ними в соответствии с рабочим циклом двигателя, причем двухкомпонентная форсунка имеет обратные клапаны в корпусе и отверстия в корпусе распылителя с возможностью поочередного запирания топливных и водяных каналов и соединения их с сопловыми отверстиями, а радиатор выполнен в виде бака с упрощенной сердцевиной из стали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4