СИСТЕМА ТОПЛИВОПОДАЧИ ДИЗЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК F02M45/02 F02N17/53 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано как при создании новых систем топливоподачи в НИИ топливной аппаратуры типа ЦНИТА, на моторостроительных заводах, так и в автотранспортных и авторемонтных предприятиях, на флоте нефтегазоразведке и прочих организациях, использующих дизели в качестве силовых установок.

Известна система топливоподачи дизеля, содержащая цилиндровые форсунки для впрыска топлива в камеру сгорания (цилиндр) двигателя, топливный насос высокого давления (ТНВД), топливные фильтры, топливоподкачивающий насос низкого давления (0,2-0,3 МПа), топливный бак и топливопроводы низкого и высокого давления (Двигатели внутреннего сгорания/Под ред. В.Н.Луканина. М. Высшая школа, 1985, с. 311).

Каждая секция ТНВД подает цикловую дозу топлива в один цилиндр дизеля в соответствии с рабочим режимом двигателя и порядком работы его цилиндров. При этом цикловая подача топлива насосом высокого давления производится в конце такта сжатия за очень короткое время (20.45^оп.к.в.).

Недостатком этой системы является не очень качественное смесеобразование при работе дизеля на малых и средних частотах вращения коленчатого вала, а также ухудшение смесеобразования и сгорания топлива на номинальной нагрузке, в связи с чем снижается экономичность работы двигателя, в выхлопных газах возрастает содержание сажистых частиц (дымность выхлопа), токсичных и канцерогенных веществ (оксидов азота, углерода, углеводорода, альдегидов, бензпирена и др.). Экологическая надежность дизеля невысокая.

Известна система двухстадийной (двухфазной, раздельной) топливоподачи дизеля, которая характеризуется тем, что повышение эффективности топливоподачи обеспечивается путем организации подачи жидкого топлива в цилиндр (цилиндры) через форсунку (форсунки), а часть в зону впускного (воздушного) клапана с помощью кольцевых канавок на направляющей втулке клапана и продольной выемки на стержне клапана.

Система топливоподачи обеспечивает во время всасывания (такт всасывания) подачу топлива на впускной клапан через специальный жиклер через сверление в головке цилиндра и трубопровод низкого давления топливоподкачивающего насоса, а затем в конце такта сжатия подачу основной дозы топлива через форсунку в цилиндр двигателя обычным путем. При этом количество предварительно подаваемого топлива определяется диаметром проходного сечения жиклера и временем соединения кольцевых канавок с топливной магистралью низкого давления.

Недостатком этой системы является сложность дозирования топлива в зависимости от режимов работы дизеля, а также недостаточно качественное распыливание предварительной части топлива, подаваемой на впускной клапан, ухудшение смесеобразования из-за попадания крупных капель топлива на днище поршня и стенки цилиндра (камера сгорания), что чревато дымным выхлопом из-за недогорания топлива на такте расширения, но даже в этом случае, например, на двигателе Д-120, система топливоподачи позволяет количественно снизить^*
оксидов азота почти на 40%
оксида углерода примерно на 20%
углеродов на 10%
(^*Тореев С.В. Владимиров Н.A. Снижение токсичности выхлопных газов двигателей ВТЗ при двухфазном способе подачи топлива в цилиндр двигателя. Тезисы докладов научно-технического семинара СИМСХ: Вып. 1, Саратов, СГУ, 1989,c. 15-16.)
Известна также система топливоподачи дизеля близкая к изобретению (прототип). Недостатком данной системы является снижение качества смесеобразования ввиду усложнения топливоподвода в цилиндры дизеля (трехходовый вентиль размещен в магистральном трубопроводе и т.д).

Целью изобретения является повышение качества смесеобразования путем установки на впускном трубопроводе (коллекторе), подводящем воздушный заряд в цилиндры двигателя одной дополнительной форсунки, связанной топливопроводами высокого давления с помощью вентилей со всеми основными цилиндровыми форсунками так, что общий поток топлива, направляемый в конкретный цилиндр от ТНВД, разделяется на два потока, при этом первый поток топлива подается (распыливается форсункой) во впускной трубопровод другого цилиндра на такте всасывания, а второй поток одновременно с первым потоком поступает в конкретный цилиндр в конце такта сжатия в соответствии с требуемым углом опережения впрыска, порядком работы цилиндров и фазами топливоподачи.

Для лучшего распыливания топлива система может включать топливный подогреватель (теплообменник), рабочим телом которого может быть либо жидкость системы охлаждения двигателя, либо выхлопные газы.

На фиг. 1-3 представлены элементы системы разделенной топливоподачи дизеля; на фиг. 4 диаграмма тактов всасывания, сжатия и подачи топлива форсунками на примере шестицилиндрового рядного двигателя по схеме фиг. 1 (порядок работы цилиндров 1-5-3-6-2-4).

На дизеле1 установлены цилиндровые форсунки 2 (номера N1-N6 в один ряд), соединенные с помощью трубопровода высокого давления 3, вентиля 4 и тройника (переходника) 5 с секциями ТНВД 6.

На воздушном трубопроводе 7 (или патрубках) установлены форсунки 8 (обычные или центробежно-щелевые номера 1^'.6^'), которые в свою очередь гидравлически связаны топливопроводом высокого давления 9 и вентилем 10 с соответствующими цилиндровыми форсунками (через тройник 5) и секциями ТНВД (см. фиг. 1).

Однако такая система достаточно сложна и требует большого числа дополнительных форсунок. Схема на фиг. 1 приведена для иллюстрации альтернативы фиг. 3. Установка же на впускном трубопроводе одной общей дополнительной дизельной форсунки 8 в линии топливопроводов 9 с обратными клапанами 11 эффективнее. При этом клапаны 11 препятствуют передаче давления при впрыске топлива от форсунки 8 к форсункам N1-N6.

В общем случае ТНВД связан с топливным баком 12, в котором размещается топливо, или водотопливная эмульсия (ВТЭ) 13, вентилями 14, топливным фильтром грубой очистки 15, топливоподкачивающим насосом 16, топливным фильтром тонкой очистки 17 и подогревателем топлива (теплообменником) 18 с помощью топливопровода низкого давления 19 и топливопровода высокого давления 20. Излишки топлива из форсунок 2 и форсунок 8 стекают соответственно по трубопроводам 21 и 22 в бак 12. Каждая цилиндровая форсунка 2 расположена в полости камеры сгорания 23 поршня 24, находящегося в цилиндре 25.

На V-образном двигателе форсунки 8 (см. фиг. 1) объединяются в одну (см. фиг. 3) общую форсунку 8. Система топливоподачи с одной дополнительной форсункой 8 резко упрощается, т.е. экономически целесообразнее.

Но система разделенной топливоподачи дизеля работает практически одинаково как в предлагаемом (фиг. 3), так и в известном (см. фиг. 1) вариантах. Например, топливо 13 из бака 12 топливоподкачивающим насосом 16 подается через фильтры 15 и 17 при открытом вентиле 14 (при окружающей температуре ниже +5^оС топливо может подогреваться с помощью теплообменника 18, установленного в одной из магистралей системы топливоподачи) в ТНВД 6.

В соответствии с порядком работы цилиндров двигателя секции ТНВД (I.VI) подают по трубопроводу высокого давления 3 поток топлива, который после тройника 5 направляется к соответствующим форсункам, а именно к цилиндровым форсункам 2 с номерами N 1-N 6 и к дополнительным форсункам 8 с номерами 1^'-6^', установленными на впускном трубопроводе 7. Например, в первый цилиндр (см. фиг. 2) топливо поступает через форсунку 2 от секции 1 ТНВД в конце такта сжатия (поршень 24 находится вблизи ВМТ верхней мертвой точки), а во впускной трубопровод (патрубок) этого цилиндра разделенная цикловая доза (поток) топлива поступает из секции IV ТНВД. В цилиндры N 2-N 6 и их трубопроводы (патрубки) топливо поступает с помощью остальных форсунок в соответствии с диаграммой, изображенной на фиг. 4, т.е. в соответствии с порядком работы цилиндров двигателя.

В предлагаемом варианте при использовании одной дополнительной общей форсунки 8 на впускном трубопроводе 7 (см. фиг. 3) диаграмма тактов всасывания и сжатия должна быть откорректирована.

Таким образом, цикловая доза топлива, поступающая от каждой секции ТНВД, делится на два потока, количественное соотношение которых может меняться в зависимости от условий эксплуатации дизеля подбором форсунок 2 и одной форсунки 8 (см. фиг. 3) по производительности, выбором их конструктивных элементов, регулированием с помощью затяжки пружин (жесткость) в форсунках на схемах ввиду общеизвестности не показано) или с помощью дросселирующих вентилей 4 и 10 с электромагнитным или ручным приводом. При этом вентили устанавливают между основными форсунками N 1-N 6 и дополнительной форсункой 8 (см. фиг. 3).

В качестве топлива может быть использовано любое топливо или смеси топлив, а также водотопливная эмульсия (ВТЭ) с содержанием капель воды (размер 5-10 мкм и более) в топливе до 5-25% ВТЭ позволяет понизить максимальную температуру цикла (сгорания) Т_z, что способствует ухудшению условий образования оксидов азота NO_x на 40-70% Улучшенное смесеобразование и сгорание определяет снижение выбросов оксидов углерода на 20-40% и сажи на 10-50%
Предварительно поданная в трубопровод 7 дополнительной форсункой 8 (см. фиг. 3) первая часть цикловой дозы топлива на такте всасывания распыливается на мелкие капли, испаряется и интенсивно перемешивается с воздухом на тактах всасывания и сжатия, в связи с чем улучшается однородность (гомогенность) топливно-воздушной смеси (преждевременного самовоспламенения не допускается из-за большой величины коэффициента избытка воздуха α 3.10). В хорошо подготовленную топливно-воздушную смесь впрыскивается с помощью цилиндровых форсунок вторая часть цикловой дозы топлива при угле опережения впрыска θ_впр. В этом случае происходит полное сгорание топлива без существенного выброса с отработавшими газами сажи, а также токсичных и канцерогенных веществ, особенно при использовании ВТЭ.

Экономичность дизеля (эффективный КПД ζе) может возрасти на 5-10% например, на номинальном режиме.

Пример реализации системы разделенной топливоподачи дизеля.

В качестве исходных данных для расчета принимаем следующее:
тип двигателя четырехтактный шестицилиндровый рядный дизель с порядком работы цилиндров 1-5-3-6-2-4; топливо дизельное по ГОСТу 305-82; номинальная мощность дизеля Ne_н 120 кВт; номинальная частота вращения n_н 2100 мин^-1; степень сжатия ε 165;коэффициент тактности τ_ДВ 4; суммарный коэффициент избытка воздуха α= 1,7; удельный эффективный расход топлива g_e 232 г/кВт.ч; плотность топлива ρ_т 0,842 г/см³; температура в конце такта сжатия Т_с Т_а˙εⁿ1 ^-1 320 ˙ 16,5^1,36-1 878 К, часовой расход топлива G_т Ne ˙ g_e 120 ^.232/10³ 27,8 кг/ч.

В первый цилиндр впрыскивается топливо от секции 1 ТНВД (см. фиг. 1), а во впускной трубопровод впрыскивается топливо от секции IV ТНВД согласно порядку работы цилиндров дизеля через форсунку 8 (см.фиг. 3). Так как часовой расход воздуха G_в соnst(idem) для n_н, то коэффициент избытка воздуха по впускному трубопроводу можно легко найти из выражения
α_вт= , где α_ц коэффициент избытка воздуха по цилиндру, α_ВТ может принимать значения α_ВТ 3-10 в зависимости от вида топлива, смесей топлива или ВТЭ и конструктивных параметров дизеля.

Из условия Т_с 878 К примем величину α_ВТ 4, при которой температура зажигания (самовоспламенения) дизельного топлива Т_э меньше Т, т.е. Т_э< Т_с. Тогда при заданном общем α= 1,7 можно найти α_ц:
α_ц= 2,96.

При использовании ВТЭ (до 20% воды) можно принять α_ВТ < 4. При этом соотношение топлива, впрыскиваемого во впускной трубопровод (G_твт) и в цилиндр (G_тц), составит
(G_тц= 1,35·G_твт).

Таким образом, во впускной трубопровод впрыскивается меньшее количество топлива или от общего G_т 27,8 кг/ч эта доля составит 11,8 кг/ч
G_твт= 11,8кг/ч.

Общая цикловая подача топлива выглядит следующим образом:
ΔV_ц= g_e·Ne_н·τ_дв·10³/(120·n_нi·ρ_т) 87,5 мм³.

Из данного потока топлива во впускной трубопровод впрыскивается, например, с помощью центробежно-щелевой форсунки следующее количество топлива: Δ V_цвт87,5/2,35 37,5 мм³, а в цилиндр с помощью, например, обычной форсунки типа ФД-22 (4 распыливающих отверстия диаметром 0,34 мм, давление начала впрыска 17,5 МПа) следующее:
Δ V_цц 87,5 37,2 50,3 мм³.

Применение разделенной подачи топлива по предлагаемому способу позволит при относительно небольшой и несложной доработке топливной аппаратуры резко улучшить процессы смесеобразования и сгорания и в итоге повысить эффективный КПД ζe на 5-10% понизить токсичность выхлопа и выброс сажистых частиц (сажи), адгезирующих канцерогенные вещества, типа бензпирен и другие оксидов азота на 40.70% оксидов углерода на 20.40% сажи на 10.50%
За счет указанного достигается, таким образом, социально-экологический эффект, особенно при эксплуатации дизелей автомобилей в условиях города и населенных пунктов, а также экономия топлива, в этом плане очень эффективно использование ВТЭ.

Расчет экономического эффекта от реализации системы разделенной топливоподачи в дизель.

Исходные данные расчета экономического эффекта возьмем из приведенного выше примера
g_e 232 г/кВт.ч; Ne_н 120 кВт; G_т1 27,8 кг/ч.

При условии разностей эффективных КПД Δ ζ е дизеля с обычной системой топливоподачи (базовый объект) ζе₁ и предлагаемой разделенной ζе₂
Δ ζ е= ζе₂ ζ е₁ 0,05 (или 5%) и часовых расходах топлива G_т2 < G_т1, т.е. Δ G_т G_т1 G_т2; расчет экономии топлива можно вести по следующей зависимости:
ΔG_т= 4,58 кг/ч.

При цене 1 т дизельного топлива Ц_т140 руб. (по ценам 1990 года) экономический эффект от реализации предлагаемого технического решения составит за одну смену ( τ_см 8 ч) работы дизеля
Э 5,13 руб.

Таким образом, за счет внедрения предложенного изобретения в народном хозяйстве экономический эффект на один дизель, установленный на тракторе (судне, тепловозе, буровой установке и т.п.), составит порядка 5,13 руб за одну смену при номинальном режиме работы дизеля.

Использование: двигателестроение, в частности дизельная топливная аппаратура. Сущность изобретения: система топливоподачи дизеля содержит топливный насос высокого давления, основные форсунки, установленные в цилиндрах и средство предварительной подачи топлива во впускной коллектор, выполненное в виде дополнительной форсунки. Дополнительная форсунка связана топливопроводами с насосом высокого давления и основными форсунками. Система снабжена дросселирующими вентилями с электромагнитным или ручным приводом, которые установлены между основными форсунками и дополнительной форсункой. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. СИСТЕМА ТОПЛИВОПОДАЧИ ДИЗЕЛЯ, содержащая топливный насос высокого давления, топливопроводы высокого давления, основные форсунки, установленные в цилиндрах, и средство предварительной подачи топлива во впускной коллектор, связанное топливопроводами с насосом высокого давления и основной форсункой, отличающаяся тем, что средство предварительной подачи топлива выполнено в виде одной дополнительной форсунки, связанной со всеми основными форсунками. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена дросселирующими вентилями с электромагнитным или ручным приводом, установленными между основными форсунками и дополнительной форсункой.