СИСТЕМА РАЗДЕЛЕННОЙ ТОПЛИВОПОДАЧИ ДИЗЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F02M45/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано как при создании новых систем топлиовоподачи, на моторостроительных заводах, так и в различных 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 ("Топливная аппаратура автотракторных дизелей": Справочник, - 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990 - 352 с.).

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 "короткий" промежуток "времени" (20...45^o п.к.в. ).

Недостатком этой системы является недостаточно качественное смесеобразование при работе 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 (оксиды азота, углерода, углеводороды, альдегиды, бенз(а)пирен и др.), экологическая надежность дизеля невысока.

Известна система двухфазной (раздельной) топливоподачи дизеля, являющаяся прототипом, которая характеризуется тем, что повышение эффективности топливоподачи обеспечивается путем организации подачи жидкого топлива в цилиндр (цилиндры) через форсунку (форсунки) (I ступень), а частью 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 от 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 (а.с. СССР N 953249, МКИ F 02 M 45/00, 1980, прототип).

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-240, система топливоподачи позволяет количественно снизить¹:
- оксидов азота - почти на 40%;
- оксидов углерода - примерно на 20%;
- углеродов - на 10%.

Известна также система топливоподачи дизеля по патенту СССР N 990087, МКИ F 02 N 17/04, F 02 17/53, 1978, близкая к заявленной (прототип).

Недостатком данной системы является снижение качества смесеобразования ввиду усложнения топливоподвода в цилиндры дизеля (трехходовой вентиль размещен в магистральном трубопроводе и т.д.).

Технической задачей изобретения является повышение качества смесеобразования путем установки во II-й ступени разделенной системы топливоподачи (РСТ) топливного аккумулятора, выполняющего роль демпфера-успокоителя, и блока управления, позволяющего автоматически или принудительно отсекать подачу топлива в В.Т. при пуске двигателя, а также при работе двигателя на малых частотах вращения коленчатого вала двигателя (n≤1000 мин^-1).

Задача достигается тем, что система топливоподачи дизеля, содержащая топливный насос высокого давления, топливопроводы высокого давления, основные форсунки, установленные в цилиндрах, дополнительную форсунку (Тареев С. В. , Владимиров Н.А. "Снижение токсичности выхлопных газов двигателей ВТЗ при двухфазном способе подачи топлива в цилиндр двигателя". Тезисы докладов научно-технического семинара СИМСХ. Вып. 1, Саратов, изд-во СГУ, 1989, с. 15-16), установленную на впускном трубопроводе (коллекторе), согласно изобретению снабжена блоком обратных клапанов, топливным аккумулятором и блоком управления.

Кроме того, блок управления выполнен в виде электромагнитного или электрогидравлического клапана.

Кроме того в топливном аккумуляторе установлена пружина и поршень.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема "Система разделенной топливоподачи дизеля" на примере дизеля Д-240. На фиг. 2 показана принципиальная схема топливного аккумулятора.

На дизеле 1 установлены основные форсунки 2 (номера N 1...N 4 в один ряд), соединенные с помощью топливопровода высокого давления 3, тройника (переходника) 4, с секциями топливного насоса высокого давления 5.

На воздушном трубопроводе 6 установлена дополнительная форсунка 7, которая в свою очередь гидравлически связана топливопроводом высокого давления 8, блоком обратных клапанов 9, топливным аккумулятором 10 и блоком управления 11 с секциями топливного насоса высокого давления (ТНВД) (через тройники 4).

ТНВД связан с топливным баком 12, в котором размещается топливо, вентилем 13, топливным фильтром грубой очистки 14, топливоподкачивающим насосом 15, топливным фильтром тонкой очистки 16 и подогревателем топлива (теплообменником) 17, с помощью топливопровода низкого давления 18 и топливопровода высокого давления 19. Излишки топлива из форсунок 2 и форсунки 7 стекают, соответственно, по трубопроводам 20 и 21 в бак 12.

В топливном аккумуляторе 10 установлены пружина 22 и поршень 23.

Система разделенной топливоподачи дизеля работает следующим образом.

Топливо из топливного бака 12 топливоподкачивающим насосом 15 подается через фильтры 14 и 16 при открытом вентиле 13 (при температуре окружающей среды ниже +5^oC топливо может подогреваться с помощью подогревателя 17, установленного в одной из магистралей системы топливоподачи) в ТНВД 5.

В соответствии с порядком работы цилиндров двигателя (1-3-4-2) секции ТНВД (I...IV) подают по трубопроводу высокого давления 3 поток топлива, который после тройников 4 поступает к соответствующим основным форсункам с номерами N 1...N 4 (I ступень) и по трубопроводам высокого давления 8 к дополнительной форсунке 7, установленной на воздушном трубопроводе 6 (II ступень).

В линии топливопроводов высокого давления 8, подающих топливо к дополнительной форсунке 7, устанавливается блок обратных клапанов 9, топливный аккумулятор 10, блок управления 11.

Топливный поток от секций ТНВД 5, блок обратных клапанов 9 через трубопроводы высокого давления поступает в топливный аккумулятор 10 и, взаимодействуя с поршнем 23, сжимает пружину 22.

Пружина 22, в свою очередь, воздействует на поршень 23 и тем самым колебания давления топлива, подаваемого каждой секцией ТНВД к форсункам 2 и 7, уменьшаются.

Блок управления 11, представляющий собой электромагнитный клапан, связан электрической цепью с датчиком установленным на маховике коленчатого вала двигателя. При частоте вращения коленчатого вала двигателя n≤1000 мин^-1 электрический сигнал от датчика установленного на маховике поступает к электромагнитному клапану и магистраль высокого давления топлива 8 перекрывается, подача топлива через форсунку 7 в воздушный трубопровод 6 прекращается.

Топливный аккумулятор позволяет получить равномерную подачу топлива от секций ТНВД к дополнительной форсунке 7, что обеспечивает качественное распыливание топлива в воздушном трубопроводе, повышение экономических и экологических показателей работы двигателя. Блок управления 11 позволяет производить как автоматическое при n≤1000 мин^-1, так и принудительное отключение (включение) II-й ступени, что позволяет улучшить экономические показатели работы заявленной системы.

Предварительно поданная в трубопровод 5 дополнительной форсункой 7 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) топливовоздушной смеси (преждевременного самовоспламенения не допускается из-за большой величины коэффициента избытка воздуха α = 3...10). В хорошо подготовленную топливовоздушную смесь впрыскивается с помощью цилиндровых форсунок вторая часть цикловой дозы при угле опережения впрыска Θ_впp. В этом случае происходит полное сгорание топлива без существенного выброса с отработавшими газами сажи, а также токсичных и канцерогенных веществ.

Пример реализации "Системы разделенной топливоподачи".

В качестве исходных данных для расчета принимаем следующие:
тип двигателя - четырехтактный четырехцилиндровый рядный дизель с порядком работы цилиндров 1-3-4-2;
топливо - дизельное по ГОСТ 305-82;
номинальная мощность дизеля N_ен = 55,2 кВт;
номинальная частота вращения n_н = 2100 мин^-1;
степень сжатия ε = 16; коэффициент тактности τ_дв = 4; суммарный коэффициент избытка воздуха α = 1,7;
удельный эффективный расход топлива g_е = (220...280) г/кВтч; плотность топлива ρ_т = 0,842 г/см³.

Температура в конце такта сжатия
T_с = T_а • = 320•16^1.37-1 = 892 K.

При этом часовой расход топлива
G_Т = N_еg_е = 55.2(220...280)/10³ = 15,3 кг/ч.

Из условия T_с = 892 K, принимаем величину коэффициента избытка воздуха во впускном трубопроводе α_вт = 5, при котором температура зажигания (самовоспламенения) дизельного топлива T_з меньше T_с, т.е. T_з < T_с. Тогда при заданном общем α = 1,7 можно найти α_ц.

где α_ц - коэффициент избытка воздуха в цилиндре
При этом соотношение топлива, впрыскиваемого в цилиндр (G_тц) и во впускной трубопровод (G_твт), составляет
.

Таким образом, во впускной трубопровод впрыскивается меньшее количество топлива или от общего (G_т = 15,3) эта доля составит:

Общая цикловая подача топлива:

где i - число цилиндров.

.

Принимаем ΔV_ц = 72 мм³.

Из данного потока топлива во впускной трубопровод впрыскивается
ΔV_цвт = 72/2,94 = 24,5 мм³.

В цилиндр впрыскивается
ΔV_цц = 72-24,5 = 47,5 мм³.

Применение разделенной подачи топлива по предлагаемому способу позволит при относительно небольшой и несложной доработке топливной аппаратуры значительно улучшить процессы смесеобразования и сгорания, в результате чего снижается токсичность выхлопа и выброс сажистых частиц (сажа), адгезирующих в канцерогенные вещества (бенз(а)пирен и др.), на:
- оксидов азота - 60...80%;
- сажи - 10...50%.

За счет указанного достигается экологический эффект. Наиболее значимым является снижение концентрации оксидов азота в ОГ при эксплуатации мобильной с.-х. техники, работающей в непосредственном контакте с людьми и животными.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано как при создании новых систем топливоподачи на моторостроительных заводах, так и в различных организациях, использующих дизели в качестве силовых установок, в частности к способам подачи бензиновоздушной смеси и устройствам для их осуществления. Изобретение позволяет повысить качество смесеобразования в дизеле. Система разделенной топливоподачи дизеля включает дизель с установленными основными форсунками, соединенными с помощью топливопроводов высокого давления и тройников. На воздушном трубопроводе установлена дополнительная форсунка, которая в свою очередь гидравлически связана топливопроводом высокого давления, блоком обратных клапанов, топливным аккумулятором и блоком управления с секциями топливного насоса высокого давления (ТНВД) (через тройники). ТНВД связан с топливным баком вентилем, топливным фильтром грубой очистки, топливоподкачивающим насосом, топливным фильтром тонкой очистки и подогревателем топлива - топливообменником, с помощью топливопровода низкого давления и топливопровода высокого давления. Излишки топлива из форсунок и дополнительной форсунки стекают, соответственно, по трубопроводам в бак. В топливном аккумуляторе установлены пружина и поршень. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Система топливоподачи дизеля, содержащая топливный насос высокого давления, топливопроводы высокого давления, основные форсунки, установленные в цилиндрах, дополнительную форсунку, установленную на воздушном (впускном) трубопроводе (коллекторе), связанную с топливным насосом высокого давления через блок обратных клапанов, отличающаяся тем, что во второй ступени разделенной системы топливоподачи установлен топливный аккумулятор, выполняющий роль демпфера-успокоителя, и блок управления автоматически или вручную, отключающий подачу топлива в воздушный трубопровод при пуске двигателя, а также при работе двигателя на малых частотах вращения коленчатого вала двигателя (n ≤ 1000 мин^-1). 2. Система топливоподачи дизеля по п.1, отличающаяся тем, что блок управления выполнен в виде электромагнитного клапана. 3. Система топливоподачи дизеля по п.1, отличающаяся тем, что в топливном гидроаккумуляторе установлена пружина и поршень.