СИСТЕМА ТОПЛИВОПОДАЧИ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1996 года по МПК F02M51/00 

Изобретение относится к системам подачи топлива для различных силовых установок СУ, в частности к системам топливоподачи газотурбинных, роторных или поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) карбюраторным (бензиновым), газовым, дизельным и др. с подачей топлива в общем случае, либо непосредственно в камеру сгорания (КС), либо путем впрыска во впускной трубопровод, либо совместно, и может быть использовано на двигателестроительных заводах, конструкторских бюро двигателей, ассоциациях, фирмах и подобных организациях соответствующего профиля при проектировании топливоподающей аппаратуры для различных видов (моделей) и типов СУ (силовые установки по МКИ F 01 и F 02М), в которые требуется подавать оптимальное количество топлива под относительно низким (до 40 МПа), средним (40-60 МПа), высоким (60-150 МПа) и средневысоким (150-800 МПа и выше) давлением в мелкодисперсной фазе в соответствии с эксплуатационными режимами работы СУ или рабочей машины (мокрого и речного судна, тепловоза, танка, трактора, автомобиля, буровой установки и т.д.).

Известна система топливоподачи силовой установки [1] которая содержит следующие основные элементы: топливный бак, первичный (топливоподкачивающий) насос, топливный гидромультипликатор, дросселирующий гидрораспределитель с гидравлическим управлением, обратные клапаны, устройство контроля давления двигателя, топливные форсунки с гидравлическим управлением. Недостатком известной системы топливоподачи является сложная система раздельного привода и управления гидромультипликатором, приводящая к громоздкости (малая компактность), большому числу гидравлических элементов и в силу этого к снижению эффективности работы системы топливоподачи в целом.

Известна также система топливоподачи силовой установки [1] которая содержит следующие основные элементы: силовая установка (дизель), впрыскивающие устройства (форсунки), топливный аккумулятор с обратным клапаном, преобразователь давления с цилиндрами и поршнями малого и большого диаметров (фактически одноходовой, т. е. односторонний гидромультипликатор), а также клапан управления преобразователем с соленоидом, подключенным к топливному насосу.

Недостатком известной системы топливоподачи является малая эффективность преобразователя давления ввиду односторонности действия) поршней, замедленность обратного хода (нет эффективного возвратного действия). Таким образом, в целом система топливоподачи сложно управляемая и в итоге, малоэффективная по топливоподаче в зависимости от режимов работы дизеля (силовой установки).

Технической задачей является повышение эффективности топлиповодачи и компактности.

Поставленная задача достигается использованием комбинации в одном агрегате гидромультипликатора и линейного электродвигателя в качестве привода, т. е. топливного электромультипликатора (ТЭГМ) какого-либо типа (вида) одноходового (одностороннего), двухходового (двустороннего) сочлененного попеременного или двухходового (раздельного) оппозитного действия, при этом ТЭГМ в отдельных вариантах может компоноваться в одном агрегате с топливоподающим насосом; управление топливоподачей осуществляется единым блоком преобразования и управления (БПУ) ТЭГМ и электроуправляемой форсункой ЭГФ (электрогидроуправляемая форсунка) или ЭМФ (электромагнитная форсунка) от информации, получаемой от датчиков состояния (ДС) СУ и датчика давления (ДДа) на топливном аккумуляторе (АКК). При этом БПУ позволяет управлять цикловой подачей топлива в зависимости от таких параметров как θ, θ_впр, ω (n), давления газов в КС, продолжительности подачи топлива τ_впр (или θ_впр, Φ_впр), длительности переднего и заднего (отсечка) фронтов характеристики подачи топлива, состава рабочей топливоздушной смеси (α коэффициент избытка воздуха), концентрации вредных компонентов в отработавших газах (ОГ) СУ, жесткости работы, например, ДВС (параметр dP/dπ), детонации и температур поступающего в СУ воздуха, топлива, хладагента (система охлаждения СУ), смазочной жидкости (масла), расходов топлива и воздуха, температуры деталей и т.д.

На фиг. 1 представлена структурная схема система топливоподачи силовой установки; на фиг. 2 один из возможных вариантов принципиальной схемы указанной системы топливоподачи.

Силовая установка 1, представленная на фиг. 2 в варианте ДВС (дизель), имеет систему подачи топлива и обслуживающие ее элементы: система управления топливоподачей, включающая ТЭГМ топливный электрогидромультипликатор 2, выполненный в качестве варианта в виде единого агрегата, т.е. двухходового (двустороннего) сочлененного линейного электродвигателя ЛЭД) и гидромультипликатора с расположенными в едином корпусе жестко связанными (сочлененными) между собой якорем 3 в виде псевдопоршня и двумя малыми поршнями (штоками) 4 и 5.

При этом якорь 3 разделяет внутреннюю полость ТЭГМ на левую и правую полости, связанные со сливной магистралью 6 (слив топлива, просочившегося через уплотнение поршней 4 и 5, в ТБ топливный бак), а поршни 4 и 5 образуют с цилиндрами 7 и 8 полости высокого (сверхвысокого) давления, заполняемые поочередно топливом. ТЭГМ электрически связан с блоком преобразования и управления (БПУ) 9, питаемого от источника электрического питания (ИП) 10, а также с помощью топливопроводов связан с топливным баком (ИБ) 11, в общем случае с подкачивающим топливным насосом (ПТН) 12, перепускным клапаном 13, топливным гидроаккумулятором или для упрощения, аккумулятором (АКК) 14, выполняющим одновременно функции гидроаккумулятора и успокоителя (гасителя) колебаний давления топлива. ТЭГМ гидравлически с помощью клапанов 15 и 16 соединен с топливным фильтром 17 и манометром 18. Топливный аккумулятор 14 представляет собой емкость для размещения топлива высокого (до 150 МПа) и сверхвысокого (до 800 МПа и более) давления, которая сообщается через трубопровод (топливопроводы) 19 и перепускной клапан 20 с топливным баком 11 для сброса излишков топлива, а также связана трубопроводом (трубопроводами) 21 с форсункой (форсунками) 22 через дополнительный фильтр 23 (в других вариантах фильтр 23 может отсутствовать). Кроме того, в гидравлической цепи высокого (сверхвысокого) давления может быть установлен также манометр (датчик давления с показывающим или регистрирующим прибором) 24 и клапан 25, предназначенный в данном варианте для предохранения фильтра 23 от гидроудара (обратной волны давления) при резкой отсечке топлива форсункой 22. Возможен также вариант и с установкой в этой цепи с той же целью демпфера (ресивера малого объема) 26. В систему управления, как указывалось, входит БПУ, который электрически связан с датчиками параметров силовой установки 27, 28 и др. (на фиг. 2 не показаны). СУ и датчиком давления топлива (ДДа 29 на АКК. При этом, например, датчик давления газов (ДГ) 28 установлен на головке блока 1-го цилиндра (или всех цилиндров дизеля, а датчик частоты (ДЧ) вращения коленчатого вала 27 вблизи коленчатого вала (индуктивного емкостного или др. типов). БПУ может быть также связан (на фиг. 1 и 2 не показано) электрически с механизмом ручного или ножного (педаль акселератора, сектор газа и т.п.) управления подачей топлива в КС, автоматом угла опережения впрыска топлива θ_впр и др. узлами (на фиг. 1 и фиг. 2 не показаны), ТЭГМ имеет левую 30 и правую 31 обмотки (фиг. 2).

Система топливоподачи силовой установки работает следующим образом.

На электрическую силовую обмотку 31 ТЭГМ 2 от источника питания (ИП) 10 подается через ВПУ 9 электрическое питание в виде импульсов тока (тиристорное управление), в результате чего якорь 3 перемещается влево (по стрелке на фиг. 2) вместе с жестко связанными с ним поршнями 4 и 5. В силу этого топливо, находящееся в цилиндре 7 высокого (сверхвысокого) давления, поступает через обратный клапан 16 (давление при этом регистрируется манометром 18), аккумулятор 14, трубопровод высокого (сверхвысокого) давления 21, фильтр тонкой очистки топлива 23, ресивер 26 и электроуправляемую форсунку (ЭМФ или ЭГФ) 22, которая распыливает топливо внутри КС.

В это время в другой цилиндр 8 высокого давления от топливоподкачивающего насоса 12 через топливный фильтр грубой очистки 17 и обратный клапан поступает топливо. Возвратно-поступательное перемещение поршней 4 и 5 влево и вправо осуществляется вместе с якорем 3 при попеременной подаче напряжения на обмотки 30 и 31 от БПУ (и ИП) с учетом сигналов от датчиков и/или команды оператора машины (водителя) или специальной программы, заложенной в БПУ (процессор или ЭВМ). В момент реверса поршней ТЭГМ давление топлива в цилиндрах 7 и 8 поочередно падает до нуля, а затем быстро восстанавливается до максимального (заданного) давления, но АКК не позволяет давлению колебаться в больших пределах. Тем не менее для снижения пульсаций топлива могут применяться в принципе, успокоители или гасители (демпферы и др.) типа ресивера малого объема 26 в гидроцепи перед форсункой 22. В камеру сгорания СУ с целью снижения токсичных и канцерогенных компонентов ОГ может подаваться в качестве топлива водотопливная эмульсия (ВТЭ), заливаемая непосредственно в готовом виде в топливный бак 11, либо приготавливается на борту машины в соответствующей пропорции "топливо-вода" автоматически в зависимости от режима работы конкретной СУ. При этом фильтры 17 и 23 либо отключают, либо принимают меры к очистке ВТЭ от механических примесей другим способом.

В других вариантах (на фиг. 1 и 2 не представлены) исполнения ТЭГМ может быть выполнен в виде одноходового (подача топлива осуществляется при ходе единственного поршня 4 и только с рабочим ходом нагнетания в одну сторону с возможным возвратом якоря "назад" пружиной), в виде двухходового раздельного, когда существует в одном корпусе раздельных 2 якоря со своими поршнями, движущимися одновременно в разные стороны, т.е. друг от друга при нагнетании топлива в АКК 14 (оппозитное движение). При этом возможны варианты совмещения ЭТГМ и ПТН для большей компактности в виде одного агрегата: в одноходовом ТЭГМ вместо возвратной пружины, в оппозитном ТЭГМ при сближении двух якорей друг к другу происходит "выдавливание" топлива, т.е. подкачка. В качестве линейного электропривода предусматриваются варианты применения линейного электродвигателя (ЛЭД) в виде линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД), линейного индукционного двигателя (ЛИД), линейного электродинамического двигателя (ЛЭДД), линейного индукционно-динамического двигателя (ЛИДД), линейного магнитоэлектрического двигателя (ЛМЭД), линейного магнитострикционного двигателя (ЛМСД или линейного электрострикционного двигателя (ЛЭСД). Цикловая подача топлива в КС СУ, например, в цилиндр дизеля 1 (фиг. 2) регулируется электроуправляемой форсункой 22 типа ЭМФ или ЭГФ изменением длительности открытого состояния запорной иглы (открытия проходного сечения распылителя) от электрического сигнала БПУ. Эти сигналы (импульсы) соответствующей длительности, амплитуды, скважности, характеристик их переднего и заднего фронтов вырабатывается следующим образом. БПУ по соответствующему алгоритму (программе) обрабатывают информацию, поступающую к нему от ДС-датчиков СУ (ДЧ, ДД и др.), а также от механизмов положения рычага (педали) управления подачей топлива оператором (водителем, машинистом, механиком-рулевым и т. п.) рабочей машины, например автомобиля, тепловоза, судна и т.д. В результате быстрой обработки всей поступающей в БПУ оперативной информации он (БПУ) выдает оптимальный для каждого (заданного) эксплуатационного режима работы СУ (рабочей машины) интегральный сигнал (импульс) в виде тока или напряжения, подаваемого к управляющей обмотке форсунки 22.

При этом в идеале указанный оптимальный сигнал аккумулирует, т.е. содержит информацию, включающую требуемую для конкретного режима СУ длительность впрыска топлива, давление впрыска, давление топлива в АКК 14, угол опережения подачи топлива θ до верхней мертвой точки (ВМТ), длительность переднего и особенно заднего фронта характеристики (закона) одиночного циклового впрыска топлива, количество (дозу) топлива в соответствии с углом Φ поворота коленчатого вала, частотой его вращения ω (или n), порядком работы цилиндров двигателя и т.д. Синхронизация импульса (импульсов) производится по первому цилиндру (концу такта сжатия в первом цилиндре) или иным способом. Датчик давления газов 28 позволяет регистрировать текущее давление газов внутри цилиндра и в преобразованном виде (электрический сигнал-импульс) подавать его в БПУ (фиг. 1 и фиг. 2), где после интегрирования или компанирования получают величину среднего индикаторного давления (или только Рz), максимальное значение которого является определяющим критерием эффективности и экономичности работы дизеля или другого двигателя, т.е. СУ (мощности, экономическим, а также экологическим показателям). БПУ в конечном итоге оперативно управляет выходными сигналами, поступающими в него от ДС, ДДа и воздействует на ТЭГМ 24 и форсунку 22 (фиг. 1). Пуск СУ производится электростартером от аккумуляторной электрической батареи или иного известного пускового устройства (на фиг. 1 и 2 не показаны).

Предлагаемая система топливоподачи с компактным и эффективным ТЭГМ для различных видов, типов и назначений СУ позволяет снизить расход топлива (ge) практически на всех эксплуатационных режимах работы любого вида СУ (поршневого ДВС, газотурбинного, роторного типа Ванкеля и др.) за счет повышения мелкости распыливания топлива и улучшения дозировки на холостом ходу, малых частотах (оборотах) вращения вала СУ, а также средних и максимальных нагрузках. При этом предлагаемая система топливоподачи может работать в автоматическом (полуавтоматическом и ручном) режиме по заданной программе (алгоритму) в зависимости от сигналов датчика давления газов в КС, датчика положения вала СУ, а также (на фиг. 1 и 2 не показаны) датчиков концентрации токсичных и канцерогенных компонентов в ОГ, датчика детонации (жесткости), датчиков температуры масла, охлаждающей СУ жидкости (вода, антифриз, воздух), воздуха, деталей двигателя, газов (ОГ) и т.д. коэффициента избытка воздуха, расхода топлива и др. т.е. оптимизацию рабочего процесса СУ можно производить по следующим факторам (параметрам) на переходных и установившихся режимах работы СУ:
а) максимальная экономичность (g_eмин, η_емакс,);
б) максимальная эффективность (N_eмакс, М_макс,);
в) минимальная токсичность (NO_xмин, СО_мин, С-_{сажамин});
г) максимальный моторесурс (орt*: температура воды, масла, деталей,).

Изобретение иллюстрируется следующим примером. Рассмотрим некоторые показатели предлагаемой системы топливоподачи для СУ типа четырехтактного шестицилиндрового тракторного дизеля (номинальная мощность, N_eн 120 кВт, частота вращения коленчатого вала nн 2100 мин^-1, плотность топлива ρ_т 0,84 г/см³, удельный расход топлива g_e 232 г/(кВт ч).

Определим цикловую подачу топлива ΔV_ц в один цилиндр по формуле
ΔV_ц g_e · N_eн · τ_дв · 10³/(120 · n_н x
x i · Р_т), где τ_д,в тактность двигателя (число ходов поршня), τ_дв 4;
i число цилиндров, i 6.

Тогда
ΔV= 88 мм³/цикл.

Объемная подача (для всех цилиндров) при частоте nн 2100 мин-1:
V_ц ΔV_ц · i · n_н;
V_ц= 66,5 л/ч. opt* оптимальные значения параметров,
Для данной цикловой подачи с учетом продолжительности впрыскивания Φ_впр 15^о ПКВ время истечения топлива
Δτ= Φ_впр/(6 · n_н); Δτ= 15/(6 · 2100) 0,0012 с (1,2 мс).

При степени сжатия ε= 18 максимальное давление газов в цилиндре P_z= 7,74 МПа и давление в конце сжатия Р_с 4,3 МПа, а с учетом влияния на процесс сжатия воспламенения рабочей смеси до прихода поршня в ВМТ Р_с'' 1,2 · 4,3 5,16 МПа, среднее давление газа в цилиндре в период впрыскивания топлива составит
Р_ц (Р_с'' + Р_z)/2; P_ц (5,16 + 7,74)/2 6,45 МПа.

В ТЭГМ (фиг. 2) топливо поступает от насоса 12 под давлением до 10.30 МПа с производительностью, соответствующей подаче V_ц 66,5 л/ч и с учетом объема топливного аккумулятора (АКК) 14. При этом, как известно, коэффициент давления отношение давления топлива на выходе из ТЭГМ к давлению на входе может изменяться до 5-50 и более. Общая емкость АКК рассчитывается исходя из значений V_ц при получении N_eн(N_емакс), а также с учетом сжимаемости топлива (при давлениях топлива Р_т 400-600 МПа объем топлива при сжатии может снижаться до 8-12% от первоначального объема).

Примем давление распыливания топлива форсункой 22 Р_ф 400 МПа при ρ_т 0,84 г/см³. В этом случае средняя скорость истечения топлива через сопловое отверстие форсунки составит
ω_ф= ;
ω_ф= 970 м/с
Цикловая подача ΔV_ц 88 мм³/цикл в I-й цилиндр дозируется форсункой 22 (ЭМФ и ЭГФ) на основе суммарного (интегрального) сигнала, поступающего из БПУ, который, как указывалось, обрабатывает информацию, поступающую к нему от всех датчиков состояния ЭСУ.

В качестве привода ТЭГМ используем цилиндрический линейный электромагнитный двигатель (ЛЭМД) двустороннего действия с гиперболически возрастающей характеристикой усилия, требуемой для ТЭГМ.

При частоте срабатываний двухстороннего якоря 3 ЛЭМД f 2 Гц определим требуемую подачу V' топлива за один ход поршня 4 (фиг. 2) при V_ц 66,5 л/ч
V′= 4,6 см³/ход.

Причем ход якоря 3 ЛЭМД или поршня 4 (или поршня 5) δ= 60 мм и диаметр этого поршня d_n 10 мм; при этом реальная геометрическая подача топлива составит
V 4,71 см³/ход
Работа, совершаемая якорем 3 за один ход при давлении Р_ф 400 МПа в форсунке 22, составит
L P_ф•δ; L= •4•10⁵•0,06 1200 Нм
Мощность ЛЭМД с учетом КПД η= 0,6 и времени t 1 с получится равной
P P 8 квт
что составит ≈7% от номинальной мощности дизеля N_ен 120 кВт; на привод ТНВД различных дизелей на номинальном режиме их работы требуется до 10% от N_ен.

Использование: системы для подачи топлива силовых установок. Сущность изобретения: система теплоподачи силовой установки содержит силовую установку 1, топливный гидромультипликатор 2 с приводом в виде линейного электрического двигателя, электроуправляемые форсунки 22, топливный гидроаккумулятор 14, подкачивающий насос 12 и блок преобразования и управления 9. Между топливным гидроаккумулятором 14 и форсунками 22 установлен топливный ресивер 26. Линейный электрический двигатель размещен в одном агрегате с гидромультипликатором 2 и связан с выходом блока преобразования и управления 9. Последний входом связан с датчиками параметров силовой установки и датчиком давления. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. СИСТЕМА ТОПЛИВОПОДАЧИ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ, содержащая топливный бак, гидромультипликатор с приводом, с цилиндрами низкого и высокого давления и парой связанных между собой поршней большего и меньшего диаметров, размещенных соответственно в цилиндрах низкого и высокого давления, топливоподкачивающий насос с подающим топливопроводом и фильтром, сообщающий топливный бак с входом цилиндра высокого давления, топливопровод высокого давления, сообщающий выход цилиндра высокого давления с электроуправляемыми форсунками силовой установки, топливный гидроаккумулятор с датчиками давления, установленный в топливопроводе высокого давления перед электроуправляемыми форсунками, блок преобразования и управления, входы которого электрически связаны с датчиками параметров силовой установки и датчиком давления, клапаны, размещенные на входе и выходе цилиндра высокого давления, причем цилиндр низкого давления сообщен с топливным баком через сливной трубопровод, а выход блока преобразования и управления электрически связан с электроуправляемыми форсунками, отличающаяся тем, что система снабжена топливным ресивером, размещенным в топливопроводе высокого давления между топливным гидроаккумулятором и электроуправляемыми форсунками, причем привод гидромультипликатора выполнен в виде линейного электрического двигателя, связанного с выходом блока преобразования и управления, а электрический двигатель размещен в одном агрегате с гидромультипликатором. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что гидромультипликатор выполнен с оппозитно расположенными цилиндрами высокого давления. 3. Система по п.2, отличающаяся тем, что она снабжена второй парой поршней большего и меньшего диаметра, установленной с возможностью перемещения в противоположном направлении относительно первой пары поршней. 4. Система по пп.1 4, отличающаяся тем, что гидромультипликатор выполнен в одном агрегате с топливоподкачивающим насосом.