СИСТЕМА ТОПЛИВОПОДАЧИ ГАЗОДИЗЕЛЯ С ВНУТРЕННИМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕМ Российский патент 1999 года по МПК F02M43/00 

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, преимущественно дизелей, использующих газ сжиженный нефтяной (ГСН) в качестве компонента топлива, а именно к области газодизелей, имеющих внутреннее смесеобразование.

Применение газовых топлив в ДВС целесообразно для снижения дымности и токсичности выбросов (отработавших газов), для экономии все более дефицитных жидких нефтяных топлив, а также для решения проблем баланса энергоносителей, воздействия на ценообразование в региональном масштабе.

Для газодизелей организация процесса с внутренним смесеобразованием более целесообразна, чем со смешанным (внешним по газу и внутренним по запальному дизельному топливу) по следующим причинам:
- внутреннее смесеобразование обеспечивает более высокий термический, индикаторный и эффективный КПД;
- при внутреннем смесеобразовании отпадает необходимость применения смесителей, дроссельных заслонок, подогревателей газа, редукторов и т.д.;
- внутреннее смесеобразование не требует снижения степени сжатия (для устранения опасности детонации, как при смешанном) и проч.

Известны системы топливоподачи газодизелей с внутренним смесеобразованием, содержащие топливный насос высокого давления с нагнетательным клапаном, трубопровод высокого давления, форсунку закрытого типа с полостями надыгольной и подыгольной, источники дизельного топлива и нефтяного сжиженного газа, линии подвода и отсечки подачи, трубопровод подачи нефтяного сжиженного газа, причем топливный насос высокого давления через нагнетательный клапан трубопроводом высокого давления связан с подыгольной полостью форсунки (1).

В такой системе дизельное топливо и нефтяной сжиженный газ смешиваются до входа в насос высокого давления (при давлении, повышающем давление насыщенных паров нефтяного сжиженного газа) и затем обычным порядком подаются насосом по трубопроводу высокого давления в подыгольную полость форсунки. При подъеме иглы форсунки смесь дизельного топлива и нефтяного сжиженного газа впрыскивается в цилиндр дизеля, где происходит смесеобразование, самовоспламенение и сгорание смеси топлив. Форсунка в такой системе выполнена с надыгольной полостью негерметичной, связанной сливным трубопроводом с топливным баком или со всасывающим коллектором дизеля. При работе такой системы газ просачивается по зазору между иглой и корпусом форсунки и либо попадает в атмосферу, увеличивая токсичность двигателя, создавая пожароопасность, либо поступает в цилиндр, где, образуя бедную смесь с воздухом, также не сгорает полностью и увеличивает токсичность отработавших газов. При этом утечки газа растут по мере износа пары игла форсунка-корпус.

Другим недостатком системы является ввод смеси топлива в насос высокого давления, где при такте наполнения образуются парообразные пробки, снижающие эффективность работы дизеля (уменьшение мощности, неравномерность и нестабильность работы при попадании газовых пробок в трубопровод высокого давления).

Кроме того, из-за повышенной сжимаемости смеси дизельного топлива с нефтяным сжиженным газом в насосе и трубопроводе (линии) высокого давления нарушается процесс впрыска (увеличивается запаздывание начала впрыска, снижается давление впрыска и т.д.). Все это снижает эффективность работы дизеля.

Известны системы топливоподачи газодизеля с внутренним смесеобразованием, содержащие топливный насос высокого давления с нагнетательным клапаном, трубопровод высокого давления, форсунку закрытого типа с надыгольной и подыгольной полостями, источники дизельного топлива и нефтяного сжиженного газа, линии подвода и отсечки подачи дизельного топлива, трубопровод подачи нефтяного сжиженного газа и обратный клапан, причем с подыгольной полостью форсунки связан топливный насос высокого давления и трубопроводом подачи нефтяного сжиженного газа через обратный клапан - источник нефтяного сжиженного газа.

При работе такой системы топливный насос высокого давления подает чистое дизельное топливо, которое заполняет почти всю линию высокого давления. А нефтяной сжиженный газ вводится лишь в подыгольную полость форсунки, где и образует смесь с дизельным топливом. Т.е. в этой системе отсутствует проблема с парообразованием газа в насосе и трубопроводе высокого давления, а объем, занятый высокосжимаемой смесью, сведен до минимума, что снижает потери от сжимаемости. Однако в такой системе сохраняются утечки газа по зазору между иглой форсунки и ее корпусом. Это снижает эффективность и повышает токсичность выбросов газодизеля.

Сущность изобретения заключается в том, что система топливоподачи газодизеля с внутренним смесеобразованием, содержащая топливный насос высокого давления с нагнетательным клапаном, трубопровод высокого давления, форсунку закрытого типа с надыгольной и подыгольной полостями, источники дизельного топлива и нефтяного сжиженного газа, линии подвода и отсечки подачи дизельного топлива, трубопровод подачи нефтяного сжиженного газа и обратный клапан, причем с подыгольной полостью форсунки связан топливный насос высокого давления и трубопроводом подачи нефтяного сжиженного газа через обратный клапан - источник нефтяного сжиженного газа, снабжена устройством для регулирования давления, источник нефтяного сжиженного газа трубопроводом подачи газа связан с подыгольной полостью форсунки через ее надыгольную полость, выполненную герметически замкнутой и содержащую вход трубопровода подачи нефтяного сжиженного газа и его выход к обратному клапану.

Устройство для регулирования давления выполнено в виде регулятора давления, трубопровода, дополнительного обратного клапана, подключенного к линии отсечки подачи дизельного топлива и гидронасоса, приводная полость которого содержит мембрану большого диаметра, а нагнетательная - малого.

Выполнение надыгольной полости герметически замкнутой и содержащей вход и выход сжиженного газа позволяет устранить утечки и потери газа, уменьшить токсичность выбросов и пожароопасность двигателя. В результате повышаются экономические и улучшаются экологические качества двигателя.

Сущность предложения разъясняется далее с использованием конструктивных схем и осциллограмм работы их элементов.

Принципиальная конструктивная схема системы приведена на фиг. 1. На фиг. 2 показаны осциллограммы изменения давления дизельного топлива у форсунки (P_ф), движения иглы форсунки (h_ф) и движения обратного клапана (h_о.к.) в зависимости от угла поворота (ϕ), разъясняющие работу системы. На фиг. 3 приведен вариант выполнения системы с компенсацией расхода сжиженного газа в емкости дизельным топливом, а на фиг. 4 - вариант такой системы с усилителем давления топлива.

Система топливоподачи газодизеля (фиг. 1) содержит топливный насос высокого давления (ТНВД) 1 с нагнетательным клапаном 2, связанный с трубопроводом высокого давления (ТВД) 3 с форсункой 4 закрытого типа. Дизельное топливо содержится в баке 5, откуда насосом 6 через фильтр 7 вводится в ТНВД 1. Слив топлива из ТНВД 1 происходит по линии отсечки подачи дизельного топлива 8. Система содержит источник 9 нефтяного сжижения газа, который трубопроводом 10 подачи газа через вентиль 11, фильтр 12 с аварийным электромагнитным клапаном и насос 13 подкачки сжиженного газа связан с надыгольной полостью 14 форсунки 4. Подыгольная полость 15 форсунки 4 дополнительным каналом 16 связана с надыгольной полостью 14. Причем в канале 16 размещен обратный (невозвратный) клапан 17. Игла 18 форсунки 4 в своем крайнем положении (на упоре 19) перекрывает окно 20, к которому подсоединен канал 16. Канал 16 может быть выполнен в корпусе форсунки 4. Там же может быть размещен обратный клапан 17. Последний может быть выполнен шариковым или, предпочтительно, грибковым, как показано сноской к позиции 17. Источник 9 нефтяного сжиженного газа может содержать источник 21 избыточного давления (например, N₂ или природный сжатый газ), связанный редукционным клапаном 22 с источником 9. В этом случае наличие подкачивающего насоса 13 не обязательно.

Давление в источнике 21 целесообразно иметь таким, чтобы после редукционного клапана 22 поддерживать давление в источнике 9 ≈ 2,0 - 3,0 МПа. Нагнетательный клапан 2 ТНВД 1 должен иметь разгрузочный элемент 23 (например, разгрузочный поясок с ходом разгрузки h_раз.). В варианте выполнения (фиг. 3) система содержит источник нефтяного сжиженного газа, к которому через регулятор давления 24 и дополнительный обратный клапан 25 подключена линия отсечки 8 подачи дизельного топлива насосом ТНВД 1.

В варианте фиг. 4 регулятор 24 давления выполнен в виде двухполостного гидронасоса, содержащего нагнетательную 26 и приводную 27 полости. Последний может быть выполнен мембранным и включен в линию отсечки подачи 8 через соответствующие невозвратные клапаны. Диаметр мембраны 28 превышает диаметр поршня насоса 24, благодаря чему достигается увеличение давления топлива в линии 29 связи насоса 24 с источником.

Система может в своих отдельных элементах, трубопроводах подвода нефтяного сжиженного газа иметь элементы термоизоляции или охлаждения (на чертежах не показаны)
Работа системы разъясняется далее со ссылкой на осциллограммы (фиг. 2) изменения процессов в ее элементах.

При работе газодизеля насос (ТНВД) 1 обычным порядком подает дизельное топливо из бака 5 через подкачивающий насос 6 и фильтр 77 в трубопровод высокого давления 3 и через нагнетательный клапан 2 к форсунке 4 в ее подыгольную полость 15. При давлении начала впрыска игла 18 форсунки 4 поднимается и происходит впрыск топлива в цилиндр. При отсечке подачи топлива насосом 1 в трубопроводе 3 формируются волны давления и разрежения (последние в периоды ϕ1, ϕ2, ϕ3 (фиг. 2)). Когда волна разрежения подходит в подыгольную полость 15 и к обратному клапану 17, последний открывается и нефтяной сжиженный газ из надыгольной полости 14 через окно 20 по каналу 16 вводится в подыгольную полость 15. Здесь сжиженный газ смешивается с дизельным топливом благодаря тому, что волны разрежения (ϕ1, ϕ2, ϕ3) неоднократно открывают, а последующие волны давления закрывают клапан 17. При последующем нагнетательном ходе плунжера ТНВД 1, когда давление в подыгольной полости повышается выше давления затяга пружины иглы 18 форсунки 4 плюс усилие от давления нефтяного сжиженного газа на верхнюю часть иглы 18 форсунки 4, игла 18 поднимается и в цилиндр впрыскивается смесь дизельного топлива и нефтяного сжиженного газа.

Цикловой расход нефтяного сжиженного газа зависит от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя, а также от интенсивности волны разрежения, создаваемой разгрузочным пояском 23 нагнетательного клапана 2 ТНВД 1. Для увеличения расхода нефтяного сжиженного газа (доли газа в суммарной цикловой подаче смесевого топлива) необходимо увеличить объем разгрузки (ход разгрузки h_раз.) клапана 2.

Обратный клапан 17 может выполняться в виде шарика, нагруженного весьма слабой (не жесткой) пружиной. Однако для повышения надежности запирания предпочтительно использовать, например, грибковый клапан (как это показано на сноске к позиции 17).

Для двигателя типа Д-240 (4 Ч 110, 125) расход газа на номинальном режиме через клапан 17 составляет примерно 20% от всей подачи. Со снижением нагрузки доля сжиженного газа возрастает. На холостом ходу предпочтительно перейти на работу на чистом дизельном топливе, так как доля газа, вводимого через обратный клапан 17, слишком возрастает, а в результате снижается цетановое число смесевого топлива, ухудшается смесеобразование - сгорание.

Увеличение давления сжиженного газа для предотвращения испарения газа и образования газовых пробок в элементах системы может достигаться использованием источника 21 давления природного сжатого или нейтрального газа (N₂), либо с помощью подкачивающего насоса 13 (фиг. 1). В другом варианте выполнения (фиг. 3) системы дизельное топливо по трубопроводу 8 отсечки подачи из ТНВД 1 может подаваться в источник 9. Так как расход газа всегда меньше расхода топлива, то в источнике 9 создается избыточное давление. При его чрезмерном повышении может быть выполнено байпасирование дизельного топлива по линии отсечки в емкость 5 дизельного топлива (на чертеже не показана).

В другом варианте выполнения (фиг. 4) трубопровод 8 отсечки подачи дизельного топлива связан с приводной полостью 27, а благодаря мембране, связанной с поршнем нагнетательной полости 26, происходит подача дизельного топлива с повышенным давлением по трубопроводу 29 в источник 9.

После расходования всего нефтяного сжиженного газа из источника 9 и заполнения его дизельным топливом система не теряет работоспособности, так как дизельное топливо из источника 9 будет поступать в подыгольную полость форсунки, создавая в линии высокого давления повышенное начальное давление, что улучшает характеристики впрыска.

Так как эксплуатационный расход нефтяного сжиженного газа составляет 25 - 30% от расхода дизельного топлива, причем после израсходования всего газа и всего дизельного топлива из емкости 5, в источнике 9 остается 25 - 30% дизельного топлива, то емкость 5 должна составлять 100% расхода топлива на двигатель. В системе может быть предусмотрен трубопровод с вентилем для подачи дизельного топлива из источника 9 к ТНВД 1 после израсходования нефтяного сжиженного газа.

Источники информации:
1. Мамедов М. Д. Работа дизеля на сжиженном газе. М.: Машиностроение. 1980. - С. 60.

2. А.С. N 193835 МПК F 02 B 69/04, 1970.

Изобретение относится к системам питания двигателей внутреннего сгорания. Система топливоподачи газодизеля с внутренним смесеобразованием содержит топливный насос высокого давления с нагнетательным клапаном, трубопровод высокого давления, форсунку закрытого типа с полостями надыгольной и подыгольной, источник дизельного топлива, источник нефтяного сжиженного газа и связанное с ним устройство для регулирования давления, линии подвода и отсечки подачи дизельного топлива, трубопровод подачи нефтяного сжиженного газа, а также обратный клапан. С подыгольной полостью форсунки связан топливный насос высокого давления, а трубопроводом подачи нефтяного сжиженного газа - через обратный клапан-источник нефтяного сжиженного газа. Источник нефтяного сжиженного газа трубопроводом подачи газа связан с подигольной полостью форсунки через ее надигольную полость, выполненную герметически замкнутой и содержащую вход трубопровода подачи нефтяного сжиженного газа и его выход к обратному клапану. Технический результат заключается в устранении утечек и потерь газа, уменьшении токсичности выбросов и пожароопасности двигателя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система топливоподачи газодизеля с внутренним смесеобразованием, содержащая топливный насос высокого давления с нагнетательным клапаном, трубопровод высокого давления, форсунку закрытого типа с надыгольной и подыгольной полостями, источники дизельного топлива и нефтяного сжиженного газа, линии подвода и отсечки подачи дизельного топлива, трубопровод подачи нефтяного сжиженного газа и обратный клапан, причем с подыгольной полостью форсунки связан топливный насос высокого давления и трубопроводом подачи нефтяного сжиженного газа через обратный клапан - источник нефтяного сжиженного газа, отличающаяся тем, что она снабжена устройством для регулирования давления, источник нефтяного сжиженного газа трубопроводом подачи газа связан с подыгольной полостью форсунки через ее надыгольную полость, выполненную герметически замкнутой и содержащую вход трубопровода подачи нефтяного сжиженного газа и его выход к обратному клапану. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство для регулирования давления выполнено в виде регулятора давления, трубопровода, дополнительного обратного клапана, подключенных к линии отсечки подачи дизельного топлива и гидронасоса, приводная полость которого содержит мембрану большого диаметра, а нагнетательная - малого.