СПОСОБ ПОДАЧИ И ДОЗИРОВАНИЯ ТОПЛИВА В ГАЗОДИЗЕЛЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ И ДОЗИРОВАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 1999 года по МПК F02D19/02 F02M21/02 

Изобретение относится к области двигателестроения и предназначено для использования в газодизельных двигателях для автомобилей, тракторов, стационарных установок.

Известен способ подачи газа в газодизеле с внешним смесеобразованием, при котором газовое топливо подают во впускную систему, где оно смешивается с воздухом /Генкин К.И. Газовые двигатели. М., "Машиностроение", 1977, с.30. / Однако при использовании такого способа трудно обеспечить высокую степень гомогенности газовоздушной смеси, что приводит к появлению неравномерности подачи газового топлива по цилиндрам.

Известен способ дозирования газового топлива в газодизеле, при котором давление газового топлива перед подачей к смесителю поддерживают на некотором постоянном уровне, а количество газовоздушной смеси, регулируют дросселированием. /Генкин К.И. Газовые двигатели. М., "Машиностроение", 1977, с. 30/. Однако при использовании такого способа возникают трудности поддержания заданного режима, система регулирования существенно усложняется.

Известны устройства для осуществления способа подачи газового топлива во впускную систему газодизеля - смесители. Они изготавливаются в виде сопла Вентури с подачей газа через кольцевую щель или радиально расположенные отверстия. /Володин В. М., Лупачев П.Д., Корницкий В.В., Друзгальский В.В. Использование газа в качестве топлива для тракторов. Обзорная информация. - М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1989, с.16 (Сер.1. Тракторы и двигатели: Вып. 1)/. Однако подобные смесители достаточно трудоемки в изготовлении, не обеспечивают высокую степень гомогенности газовоздушной смеси, существенно уменьшают коэффициент наполнения цилиндров свежим зарядом.

Наиболее близким к заявляемому способу подачи и дозирования топлива и устройству, является способ подачи и дозирования топлива и устройство согласно авторскому свидетельству СССР N1784737, МПК F 02 D 19/08, 1992 г. на 8 страницах, опубл. 30.12.92, бюл. N48.

Устройство включает в себя газовый редуктор низкого давления, дозатор газа с газовой заслонкой, смеситель с дроссельной заслонкой, электродвигатели приводов заслонок, топливный насос высокого давления, электронные датчики положения рейки ТНВД, дроссельной и газовой заслонок, электронный блок управления, аппаратуру подачи газового топлива к газовому редуктору низкого давления. Привод управления подачей топлива имеет связь посредством телескопической тяги с рейкой ТНВД.

Подачу газа осуществляют во впускную систему при помощи смесителя: газовое топливо поступает в кольцевой коллектор смесителя и далее через радиально расположенные отверстия в канал диффузора.

Регулирование нагрузочного режима газодизеля осуществляют изменением подачи газового и жидкого топлив путем открытия и закрытия газовой заслонки дозатора газа, дроссельной заслонки смесителя, и изменением положения рейки ТНВД. При уменьшении нагрузки с максимальной P_emax до P_e = 75... 80% P_emax, регулирование мощности производят прикрытием газовой заслонки при постоянном положении дроссельной заслонки смесителя. При дальнейшем снижении нагрузки до P_e = 20...30% P_emax регулирование мощности осуществляют прикрыванием дроссельной заслонки смесителя. При этом регулирование осуществляется при постоянном значении запальной дозы топлива. При дальнейшем уменьшении нагрузки осуществляют прикрытие газовой заслонки и открытие дроссельной с одновременным увеличением подачи запального топлива.

Однако данному способу подачи газового топлива присущи следующие недостатки. Приготавливаемая пассивным смесителем газовоздушная смесь недостаточно однородна вследствие поступления газового топлива в воздушный поток не равномерно по его сечению, а лишь по периметру, что недостаточно эффективно и является причиной неравномерной подачи газового топлива по цилиндрам. Ухудшается наполнение цилиндров свежим зарядом вследствие частичной потери энергии воздушного потока из-за большого сопротивления дроссельной заслонки в смесителе.

Способ дозирования газового топлива в данном двигателе не обеспечивает всережимного регулирования частоты вращения коленвала при работе двигателя в газодизельном режиме. Использование качественного регулирования состава смеси сопровождается увеличением насосных потерь.

Устройству для реализации рассматриваемого способа подачи и дозирования газового топлива также присущи недостатки. Смесительное устройство с дроссельной заслонкой является недостаточно эффективным, сложным по конструкции, трудоемким в изготовлении и ухудшает наполнение цилиндра свежим зарядом. Устройство сложно по конструкции, применение электродвигателей для привода заслонок увеличивает потребление электроэнергии, электронные устройства в тяжелых эксплуатационных условиях не всегда обеспечивают достаточный уровень надежности. При использовании указанного устройства в газодизеле с наддувом прикрытие дроссельной заслонки в смесителе может приводить к появлению помпажных режимов работы компрессора и соответственно выходу компрессора из строя.

Изобретение решает задачи всережимного регулирования частоты вращения коленчатого вала газодизеля при использовании штатного регулятора частоты вращения без использования дополнительных чувствительных элементов; исключения возможности подачи газового топлива в цилиндры двигателя и далее в выпускную систему при отключении регулятором подачи запального топлива; увеличения коэффициента наполнения цилиндров свежим зарядом; обеспечения высокой степени гомогенности газовоздушной смеси; уменьшения теплонапряженности элементов камеры сгорания газодизеля и исключения детонационного сгорания газового топлива.

Это достигается тем, что в способе подачи и дозирования топлива в газодизеле с комбинированным смесеобразованием, при котором осуществляют дозирование газового топлива регулированием его подачи редуктором низкого давления и дросселированием заслонкой, регулирование подачи газового топлива редуктором низкого давления производят пневматическим клапаном, открываемым воздействием регулирующего органа насоса высокого давления жидкого топлива, а внешнее смесеобразование газового топлива завершают принудительными перемешиванием ранее объединенных газового и воздушного потоков и охлаждением смеси.

Для этого в устройстве для подачи и дозирования топлива в газодизеле с комбинированным смесеобразованием, включающем диффузор, редуктор низкого давления, насос высокого давления жидкого топлива с регулятором, дроссельную заслонку и газоподающую арматуру, дополнительно имеется пневматический клапан, выполненный в виде перемещаемого упора регулирующего органа насоса высокого давления жидкого топлива, соединенный с разгрузочной полостью и полостью под диафрагмой второй ступени редуктора низкого давления, а также с полостью максимального разряжения в диффузоре, установленном перед компрессором наддува, выходной патрубок которого соединен с входным патрубком охладителя смеси, а выходной патрубок охладителя соединен с впускным коллектором газодизеля.

Наличие пневматического клапана позволяет осуществить всережимное регулирование газодизеля, герметично перекрывать подачу газового топлива при выключении подачи запального топлива, существенно упростить конструкцию системы дозирования газового топлива.

Перемешивание газового и воздушного потоков начинается в диффузоре, а завершается принудительным перемешиванием газовоздушной смеси в компрессоре наддува вследствие интенсивной турбулизации ее при движении по каналам рабочего колеса. Это позволяет исключить смеситель. Для предотвращения детонационного сгорания и снижения тепловой напряженности деталей, смесь принудительно охлаждают в охладителе.

Изобретение поясняется чертежом. Устройство содержит газовый редуктор низкого давления 1, в котором имеются полость первой ступени 2, полость над диафрагмой второй ступени 3, полость разгрузочного устройства 4 и полость под диафрагмой второй ступени 5. Полость 3 редуктора соединена магистралью подачи газа с дозатором газа, имеющим управляемую дроссельную заслонку 6, и далее с диффузором 7. Диффузор расположен на участке воздушной трассы перед компрессором наддува 8 двигателя. Система автоматического регулирования подачи газа включает в себя пневматический клапан 9, выполненный в виде перемещаемого упора тяги рейки ТНВД и установленный на торце топливного насоса высокого давления 10. Пневматический клапан соединен каналами с впускной системой, полостью наибольшего разряжения в диффузоре, полостью 4 разгрузочного устройства и полостью 5 под диафрагмой второй ступени редуктора низкого давления. На тяге рейки 11 ТНВД находится регулируемый упор 12 установки запальной порции. Рычаг механизма дистанционной установки подачи запальной порции топлива (МДУЗДТ), с которым взаимодействует упор, передвигается электромагнитом (это позволяет эксплуатировать двигатель как в газодизельном, так и в дизельном режимах). Орган управления двигателем через тяги и рычаги связан с дроссельной заслонкой 6 и наружным рычагом 13 регулятора частоты вращения двигателя. Вертикальному валику регулятора 14 сообщается вращение от вала, приводящего кулачковый вал ТНВД. На валике регулятора в проушинах шарнирно закреплены два груза 15, которые в верхней части воздействуют на подвижную муфту 16. Усилие с муфты через упорный подшипник и специальные ролики 17 передается на двуплечий рычаг 18. Одной стороной рычаг соединен с тягой 19 регулятора, задний конец которой соединен с тягой рейки ТНВД 11. Второй конец двуплечего рычага соединен с верхним концом пружины регулятора 20. Нижний конец пружины соединен с трехплечим рычагом 21, установленным на одной оси с наружным рычагом регулятора 13. Два крайних плеча трехплечего рычага - внешнее и внутреннее - являются упорными при работе двигателя с минимальной и максимальной частотой вращения. Внешнее плечо трехплечего рычага при его повороте вниз под воздействием рычага механизма управления подачей топлива для достижения максимальной частоты вращения упирается в регулируемый упор 22 максимальной подачи. Внутреннее плечо трехплечего рычага при повороте вверх под действием рычага механизма управления подачей топлива для получения минимальной частоты вращения холостого хода упирается в регулируемый упор 23 холостого хода.

Для охлаждения газовоздушной смеси по завершении ее образования в компрессоре 8 предусмотрен охладитель 24.

Способ при помощи устройства осуществляется следующим образом. В дизельном режиме работы двигателя система подачи и управления подачей жидкого топлива работает как в обычном дизеле /А.А. Лазарев, М.А. Ефимов. Двигатели Д-130 и Д-160. М. , "Машиностроение", 1974, с. 116/, упор 12 не взаимодействует с рычагом МДУЗДТ, рейка ТНВД перемещается под воздействием регулятора, изменяя подачу жидкого топлива от минимальных до максимальных величин. Подачу газового топлива к газовому редуктору низкого давления 1 перекрывают.

При переходе на газодизельный режим, открывают подачу газового топлива к газовому редуктору низкого давления 1, ход рейки ТНВД ограничивают рычагом МДУЗДТ, который устанавливают напротив упора 12, при этом топливный насос высокого давления 10 работает в режиме подачи запальной порции топлива.

Смесеобразование газового топлива начинают объединением газового и воздушного потоков в диффузоре 7 и завершают принудительным перемешиванием их компрессором 8.

В режиме холостого хода, внутреннее плечо трехплечего рычага 21 регулятора находится на упоре 23 холостого хода, тяга рейки ТНВД 11 своим свободным торцем упирается в хвостовик пневматического клапана 9 открывая его, в полость 5 редуктора низкого давления передается из диффузора 7 разряжение, в результате клапан второй ступени редуктора, открывающий подачу газа, закрыт. Двигатель работает только на жидком топливе.

При перемещении органа управления подачей топлива в сторону увеличения подачи топлива, усилие через тяги передается к дроссельной заслонке 6 дозатора (заслонка соответственно открывается) и через наружный рычаг 13 регулятора, трехплечий рычаг регулятора 21, пружину регулятора 20, двуплечий рычаг 18 и тягу 19 на тягу рейки ТНВД 11. Тяга 11 вместе с рейкой перемещается на увеличение подачи топлива до соприкосновения упором 12 с рычагом МДУЗДТ и останавливается, одновременно с этим рейка разворачивает плунжеры на увеличение подачи топлива до величины ЗДТ. При дальнейшем перемещении органа управления подачей топлива тяга рейки ТНВД 11 остается на упоре и происходит растяжение пружины регулятора 20. В процессе движения тяги рейки ТНВД 11 на увеличение подачи, она своим свободным торцем перестает воздействовать на хвостовик пневмомеханического клапана 9, клапан закрывается, давление в полости 5 редуктора низкого давления 1 становится больше чем в полости 3 (полость 3 сообщается с диффузором), диафрагма второй ступени редуктора низкого давления прогибается вверх и открывает клапан 2-ой ступени редуктора. Газ, выходя из полости 3 редуктора, проходит дозатор и поступает к диффузору 7. По мере увеличения частоты вращения двигателя, грузы 15 регулятора под воздействием центробежной силы начинают расходиться, и через заплечники толкать муфту 16 вверх, вдоль оси валика регулятора 14. Усилие через упорный подшипник и ролики 17 передается на двуплечий рычаг. После достижения двигателем частоты вращения, соответствующей степени натяжения пружины регулятора, рычаг 18 начнет поворачиваться по часовой стрелке и перемещать тягу рейки ТНВД 11 на уменьшение подачи топлива. При этом одновременно с уменьшением подачи жидкого топлива, свободный торец тяги рейки приближается к хвостовику пневматического клапана, и, когда зазор между торцом тяги рейки и хвостовиком клапана будет выбран, произойдет открытие клапана 9. Разряжение в полостях 4 и 5 редуктора низкого давления выровняется, диафрагма второй ступени под воздействием пружины прогнется вниз, клапан второй ступени закроется, подача газа прекратится, частота вращения вала двигателя начнет снижаться до момента, пока рейка ТНВД под воздействием регулятора не начнет перемещаться в сторону упора установки запальной порции и клапан не закроется. Таким образом поддерживается заданная частота вращения двигателя. Пневмомеханический клапан 9 работает в "звонковом режиме".

Для работы двигателя на номинальной частоте вращения, орган управления подачей топлива устанавливается в соответствующее положение, трехплечий рычаг 21 своим внешним плечом упирается в упор максимальной подачи 22, задавая пружине регулятора 20 соответствующую степень натяжения. Поддержание заданной частоты вращения осуществляется также, как было описано выше.

При разгрузке двигателя, орган управления подачей топлива перемещается оператором на уменьшение подачи топлива, дроссельная заслонка 6 дозатора прикрывается, трехплечий рычаг 21 поворачивается, уменьшая затяжку пружины регулятора 20, при этом двуплечий рычаг 18 поворачивается по часовой стрелке, уменьшается подача жидкого топлива (вплоть до полного выключения), пневматический клапан 9 открывается, клапан второй ступени газового редуктора перекрывает подачу газового топлива. Частота вращения двигателя начинает уменьшаться, грузы регулятора 15 сходятся, усилие на двуплечий рычаг 18 регулятора уменьшается. При уменьшении частоты вращения двигателя ниже величины, соответствующей степени затяжки пружины регулятора 20, двуплечий рычаг 18 начнет поворачиваться против часовой стрелки, перемещая тягу рейки ТНВД 11 на увеличение подачи до упора в рычаг МДУЗДТ. Пневматический клапан 9 закроется, редуктор низкого давления откроет подачу газового топлива. Далее поддержание частоты вращения будет происходить как описано выше.

Осуществление способа посредством устройства позволяет производить всережимное регулирование частоты вращения коленчатого вала газодизеля при использовании штатного регулятора частоты вращения, исключает возможность попадания газового топлива в цилиндры двигателя и далее в выпускную систему при отключении регулятором подачи запального топлива, уменьшает теплонапряженность элементов камеры сгорания газодизеля и исключает детонационное сгорание газового топлива за счет охлаждения топливовоздушной смеси. Отсутствие смесителя на входе в компрессор позволяет увеличить коэффициент наполнения цилиндров свежим зарядом, а принудительное ее перемешивание компрессором наддува обеспечивает высокую степень гомогенности воздушной смеси.

Рассмотренное устройство обладает некоторыми другими положительными особенностями. Устройство хорошо вписывается в компоновочную схему базового дизеля, возможно переоборудование дизеля в газодизель на месте эксплуатации в течение непродолжительного времени; при необходимости может быть проведено обратное переоборудование. Не требуется внесения существенных изменений в конструкцию ТНВД и регулятора ТНВД. Сохраняется возможность работы газодизеля в дизельном режиме, при этом система управления подачей топлива работает как в базовом дизеле. Исключается, в сравнении с прототипом, телескопическое звено из тяги, соединяющей рычаг управления подачей топлива с рычагом управления ТНВД.

Изобретение может быть использовано в газодизельных установках для автомобилей, тракторов и стационарных установок. Способ подачи и дозирования топлива осуществляется регулированием его подачи редуктором низкого давления и дросселированием заслонкой. Регулирование подачи газового топлива редуктором низкого давления осуществляют пневматическим клапаном, открываемым под воздействием регулирующего органа насоса высокого давления жидкого топлива. Внешнее смесеобразование газового топлива завершают перемешиванием ранее объединенных газового и воздушного потоков и охлаждением смеси. Технический результат заключается в увеличении коэффициента наполнения цилиндров, обеспечении высокой степени гомогенности газовоздушной смеси и исключении возможности подачи газового топлива при отключении подачи запального топлива. Раскрыто устройство, реализующее заявленный способ. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ подачи и дозирования топлива в газодизеле с комбинированным смесеобразованием, при котором осуществляют дозирование газового топлива регулированием его подачи редуктором низкого давления и дросселированием заслонкой, отличающийся тем, что регулирование подачи газового топлива редуктором низкого давления производят пневматическим клапаном, открываемым воздействием регулирующего органа насоса высокого давления жидкого топлива, а внешнее смесеобразование газового топлива завершают принудительным перемешиванием ранее объединенных газового и воздушного потоков и охлаждением смеси. 2. Устройство для подачи и дозирования топлива в газодизеле с комбинированным смесеобразованием, содержащее диффузор, редуктор низкого давления, насос высокого давления жидкого топлива с регулятором, дроссельную заслонку и газоподающую арматуру, отличающееся тем, что устройство содержит пневматический клапан, выполненный в виде перемещаемого упора регулирующего органа насоса высокого давления жидкого топлива, соединенный с разгрузочной полостью и полостью под диафрагмой второй ступени редуктора низкого давления, а также с полостью максимального разряжения в диффузоре, установленном перед компрессором наддува, выходной патрубок которого соединен с входным патрубком охладителя смеси, а выходной патрубок охладителя соединен с впускным коллектором газодизеля.