ТОПЛИВОПОДАЮЩАЯ СИСТЕМА ГАЗОДИЗЕЛЯ С ВНУТРЕННИМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕМ Российский патент 2002 года по МПК F02M43/00 

Изобретение относится к системам питания двигателей внутреннего сгорания и прежде всего дизелей, использующих газовые топлива.

Применение газовых топлив в дизелях целесообразно для снижения токсичности и дымности выбросов (отработавших газов), для экономии все более дефицитных жидких нефтяных топлив, а также для решения проблем баланса энергоносителей, воздействия на ценообразование на энергоносители 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 позволяет сохранять на двигателе повышенные степени сжатия без возникновения опасности детонационного сгорания, что обеспечивает повышение экономичности его работы;
- при внутреннем смесеобразовании отпадает необходимость использования смесителей газа и воздуха, дроссельных заслонок на входе в двигатель, что позволяет снизить механические (насосные) потери, повышает эксплуатационную топливную экономичность двигателя, т.е. экономичность работы на всех режимах, в том числе режимах частичных нагрузок;
- при внутреннем смесеобразовании не требуется ограничивать применение на дизеле наддува, что обеспечивает повышение его мощности, создает возможность корректирования его скоростных характеристик (регулированием наддува) с целью улучшения тягово-динамических характеристик автомобиля с таким двигателем, наддув также обеспечивает повышение топливной экономичности и снижение токсичности и дымности выбросов.

Известны топливоподающие системы газодизелей с внутренним смесеобразованием, содержащие топливный насос высокого давления (ТНВД) с нагнетательным клапаном, линию высокого давления, форсунку закрытого типа с подигольной полостью, бак жидкого дизельного топлива и баллоны для хранения и питания газом, линию низкого давления дизельного топлива, линию питания газовым топливом, питающий трубопровод и блок гидравлического управления, причем питающий трубопровод включен между баллоном питания газом и блоком гидравлического управления, линия питания газом связывает блок гидравлического управления с подигольной полостью форсунки, а линия высокого давления связывает топливный насос высокого давления с форсункой [1].

В таких системах может применяться сжиженный нефтяной газ в жидкой фазе. Газ подается в линии высокого давления через специальный обратный клапан, работа которого зависит от волнового процесса в линии высокого давления, который в свою очередь формируется нагнетательным клапаном топливного насоса высокого давления. Поступивший в линию высокого давления газ смешивается там с дизельным топливом и затем впрыскивается в цилиндр в виде смеси двух топлив. При применении в такой системе сжиженного нефтяного газа достигается замещение порядка 30% дизельного топлива, снижение вдвое дымности отработавших газов, на 30-40% снижение выбросов оксидов азота и проч.

Недостатком системы является то, что смесь двух углеводородных топлив, одно из которых имеет низкое цетановое число (сжиженный нефтяной газ имеет цетановое число на уровне 6-8 единиц) приводит к снижению воспламеняемости смеси, что и ограничивает количество газа, которое можно применять с помощью такой системы. Подача природного газа с помощью такой системы принципиально возможна, но лишь в количествах, которые можно рассматривать как присадку к топливу, но не как основное топливо, замещающее дизельное. Количество подаваемого природного газа в данном случае ограничивается величиной порядка 300% объемных или соответственно около 1%-2% массовых от величины цикловой подачи дизельного топлива.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является топливоподающая система газодизеля с внутренним смесеобразованием, содержащая топливный насос высокого давления (ТНВД) с нагнетательным клапаном, линию высокого давления, форсунку закрытого типа с подигольной полостью, бак жидкого дизельного топлива и баллоны для хранения и питания газом, линию низкого давления дизельного топлива, линию питания газовым топливом, питающий трубопровод, компрессор для сжатия газа и блок гидравлического управления, причем компрессор включен между баллонами хранения газа и баллоном питания газом, питающий трубопровод включен между баллоном питания газом и блоком гидравлического управления, линия питания газом связывает блок гидравлического управления с подигольной полостью форсунки, а линия высокого давления связывает топливный насос высокого давления с форсункой. [2].

При работе такой системы газ из баллонов для его хранения поступает через компрессор в баллон питания, где сжимается до 20-25 МПа, проходит теплообменник и подается к блоку гидравлического управления, который имеет привод от источника давления специальной управляющей жидкости (масло системы смазки и соответствующий масляный насос). Далее газ поступает в форсунку. Дизельное топливо от насоса высокого давления подводится к форсунке. При этом, начало впрыскивания дизельного топлива и газа определяется работой блока гидравлического управления форсункой, которая не имеет возвратной пружины, а выполнена по существу с гидравлическим управлением. По сигналу от блока игла форсунки поднимается и в цилиндр дизеля поступает сначала дизельное топливо, а затем с некоторой задержкой - газ, который служит как топливом, так и средой, распыливающей дизельное топливо (типа компрессорного распыливания). Благодаря более раннему поступлению в цилиндр дизельного топлива, период задержки воспламенения определяется лишь его цетановым числом и не зависит от показателей воспламеняемости газового топлива, которые низки (цетановые числа газовых топлив составляют 5-8 единиц). Давление впрыскивания дизельного топлива несколько превышает давление газа, благодаря чему и достигается опережающее впрыскивание жидкого топлива.

Недостатком такой системы является ее сложность, связанная с наличием дополнительного специального узла - привода блока гидравлического управления с рабочей жидкостью - маслом. Такая система применима в крупных, например, судовых дизелях, но нереальна для двигателей автомобильного назначения. Кроме того, управление форсункой от единого блока управления приводит к тому, что геометрические фазы начала подачи жидкого топлива и газа совпадают. А действительное смещение начала подачи газа по отношению к началу подачи дизельного топлива определяется лишь разницей в давлениях начала подачи этих топлив, что приводит к зависимости этих фаз от скоростного и нагрузочного режимов, от величины и нестабильности давлений топлив. Изменение фаз подачи топлив влияет на эффективность самовоспламенения, на оптимальность размещения процесса сгорания относительно верхней мертвой точки, а следовательно на экономичность, мощность, развиваемую двигателем, показатели его токсичности. Все это приводит к снижению эффективности применения таких систем на двигателях автотракторной размерности.

В основу изобретения поставлена задача создания топливоподающей системы газодизеля с внутренним смесеобразованием с более высокими эксплуатационными качествами за счет автономного управления форсункой подачи газа и дизельного топлива.

Сущность изобретения заключается в том, что в топливоподающей системе газодизеля с внутренним смесеобразованием, содержащей топливный насос высокого давления (ТНВД), линию высокого давления, форсунку закрытого типа с подигольной полостью и распылителем, бак жидкого дизельного топлива и баллоны для хранения и питания газом, линию низкого давления дизельного топлива, линию питания газовым топливом, питающий трубопровод, компрессор для сжатия газа и блок гидравлического управления, причем компрессор включен между баллонами хранения газа и баллоном питания газом, питающий трубопровод включен между баллоном питания газом и блоком гидравлического управления, линия питания газом связывает блок гидравлического управления с подигольной полостью форсунки, а линия высокого давления связывает топливный насос высокого давления с распылителем форсунки, блок гидравлического управления выполнен в виде проточки на плунжере, образующей регулирующую кромку и кромку окончания подачи газа, образующих канал для прохода газа между питающим трубопроводом и линией питания газом, а форсунка выполнена с управляющей полостью и ее игла имеет проточку, отверстие и канал впрыскивания, размещенные последовательно в связи линии высокого давления с распылителем форсунки.

На фиг.1 приведена общая принципиальная схема газодизеля с системой подачи топлив, а на фиг.2 - схема конструктивного выполнения форсунки и ТНВД.

Газодизель содержит баллоны 1 высокого давления для хранения сжатого газа (предпочтительно природного), газовые трубопроводы 2, компрессор 3, баллон питания 4 газом двигателя, питающий трубопровод 5, бак дизельного топлива 6, топливоподкачивающий насос 7, линию низкого давления 8 дизельного топлива, нагнетательный клапан 9 топливного насоса высокого давления (ТНВД), нагнетательную головку 10 плунжера ТНВД 11, вход питающего сжатого газа 12, регулирующую кромку 13 плунжера ТНВД, кромку окончания подачи газа 14, кулачек 15 привода ТНВД 11, линию высокого давления (ЛВД) 16, линию питания газом 17, обратный клапан 18 линии питания газом, двигатель 19 и форсунку 20 закрытого типа.

Форсунка 20 содержит иглу 21 (фиг. 2), в которой имеется канал 22 впрыскивания жидкого топлива, проточку 23, пружину 24, управляющую полость 25, отверстие 26 для связи проточки 23 с каналом 22 впрыскивания, подигольную полость 27, колодец 28 и сопловые отверстия 29 распылителя форсунки. Подигольная полость 27 связана через невозвратный клапан 18 с линией питания газом 17. Управляющая полость 25 соединена с линией высокого давления 16 подачи дизельного топлива.

ТНВД 11 выполнен следующим образом. Нагнетательная головка 10 плунжера ТНВД имеет нагнетательную кромку 30, отсечную кромку 31, отсечное отверстие 32, уплотняющую образующую 33 и канал прохода газа 34. Причем при положении плунжера ТНВД 11 в нижней мертвой точке, полость над нагнетательной головкой 10 соединена с линией низкого давления 8. При этом уплотняющая образующая 33 перекрывает вход питающего сжатого газа в канал 34.

Газодизель работает следующим образом (фиг.1). Сжатый природный газ, хранящийся в баллонах 1 высокого давления, через запорные и невозвратные клапаны, а также необходимые фильтры и систему контроля за давлением газа (не показаны) поступает ко входу компрессора 3, который сжимает газ до уровня 20-25 МПа и нагнетает его в баллон питания 4. Газ из баллона 4 через систему редуцирования давления газа до порядка 15 МПа и соответствующий теплообменник (не показаны) по питающему трубопроводу 5 подводится на вход питающего сжатого газа 12 ТНВД 11. Дизельное топливо из бака дизельного топлива 6 подается топливоподкачивающим насосом 7 по линии низкого давления 8 к ТНВД 11. При работе ТНВД 11 кулачек 15 приводит плунжер ТНВД 11 в возвратно-поступательное движение. Пространство над нагнетательной головкой 10 ТНВД 11 заполняется дизельным топливом из линии низкого давления 8 и при очередном нагнетательном ходе плунжера ТНВД 11 топливо через нагнетательный клапан 9 по линии высокого давления 16 поступает в форсунку 20. В начале нагнетательного хода плунжера ТНВД 11 регулирующая кромка 13 плунжера открывает вход сжатого природного газа в проточку 34 и газ по линии питания 17 и через обратный клапан 18 также подводится в форсунку 20, в ее подигольную полость. Размеры иглы и давление затяга пружины 24 подобраны так, что давление газа не может открыть иглу форсунки. Подача газа возможна лишь при подъеме иглы форсунки. При этом площадь иглы, на которую воздействует давление газа, увеличивается и усилие газа на пружину превышает усилие затяга пружины.

Через форсунку 20 осуществляется впрыскивание в газодизель 19 дизельного топлива и сжатого газа. При этом жидкое дизельное топливо впрыскивается в цилиндр несколько раньше, чем газовое. А газ не только служит топливом, но и обеспечивает пневматическое распыливание дизельного топлива. Как показано на фиг. 2, при нагнетательном ходе плунжера после перекрытия его кромкой входа линии низкого давления 8 начинается нагнетание дизельного топлива по линии высокого давления 16 в управляющую полость 25 форсунки 20. Под действием высокого давления дизельного топлива игла 21 форсунки 20 поднимается, сжимая пружину 24, и полость проточки 23 соединяется с управляющей полостью 25. Дизельное топливо поступает через отверстие 26 в канал впрыскивания 22, затем в полость колодца 28 и впрыскивается через сопловые отверстия 29 в газодизель. Вскоре после начала нагнетательного хода плунжера ТНВД 11 его регулирующая кромка 13 открывает вход питающего сжатого газа 12, который по проточке 34 ТНВД 11 поступает в линию питания газом 17 и через невозвратный клапан - в подигольное пространство 27 форсунки 20. В это время игла уже открылась и дизельное топливо начало поступать в цилиндр газодизеля. Входящий газ поступает в колодец 28, затем в сопловые отверстия 29 и впрыскивается в цилиндр. При этом происходит также распыливание дизельного топлива газом. Когда отсечная кромка 31 плунжера ТНВД откроет отсечной канал (им может быть и вход линии низкого давления 8) произойдет отсечка подачи дизельного топлива, давление топлива в управляющей полости 25 упадет и пружина 24 форсунки будет стремиться закрыть иглу 21. Однако сжатый газ в подигольной полости 27 не позволяет этого сделать. Подача газа в цилиндр газодизеля продолжается. Когда кромка окончания подачи газа 14 плунжера ТНВД 11 перекроет вход питающего сжатого газа 12, газ перестанет поступать в подигольную полость 27 форсунки 20, его давление упадет и игла 21 закроется. Подача топлив прекратится.

Регулирование мощности газодизеля происходит изменением количества подаваемого газа. Это делается поворотом плунжера ТНВД 11 с помощью регулирующей рейки, как в обычных ТНВД золотникового типа (не показано). При повороте плунжера вокруг своей оси меняется положение кромки окончания подачи 14 относительно входа питающего сжатого газа 12, так что меняется время, в течение которого газ может поступать к форсунке 20, а значит и количество поступающего в газодизель газа. В представленной схеме системы не предусмотрено изменение количества подаваемого в газодизель запального дизельного топлива, так как нагнетательная головка 10 плунжера ТНВД 11 выполнена с постоянной образующей. Очевидно, что в вариантах выполнения эта образующая может быть переменной и поворотом плунжера вокруг оси с помощью рейки можно будет изменять величину запальной порции топлива. При этом одновременно будет меняться величина подачи газового топлива (в соответствии с положением кромок управления подачей газом). Очевидно, что выполнением кромок на плунжере можно ограничить режим минимальной подачи газа. Например, на режимах частичной нагрузки можно с помощью соответствующего размещения кромки на плунжере перекрыть подачу газа, сохраняя лишь подачу дизельного топлива.

В связи с тем, что подача дизельного топлива начинается раньше, чем газа, период задержки воспламенения горючей смеси определяется цетановым числом дизельного топлива, т.е. после начала впрыскивания дизельного топлива происходит его самовоспламенение, а подача сжатого газа происходит уже в образовавшийся факел горящего топлива, что обеспечивает надежное воспламенение образующейся газовоздушной смеси.

В вариантах выполнения игла 21 форсунки 20 может быть выполнена не с коническим, а с плоским уплотнительным элементом. А канал впрыска 22 может быть подведен в зону конического или плоского уплотнения. Предложенная система подачи топлива обеспечивает возможность иметь весьма малой дозу запального топлива, так как проблемы с охлаждением форсунки не возникает, благодаря подаче через нее сжатого газа, который при расширении охлаждает распылитель форсунки.

Источники информации
1. Патент РФ на изобретение 2126908, МПК 6 F 02 М 43/00, 1999.

2. Применение газовых топлив в двигателях внутреннего сгорания. /Л.В. Виноградов, В. В. Горбунов, Н.Н. Патрахальцев и др. М.: ИРУ ГАЗПРОМ, 1996, 187 с.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам питания двигателей внутреннего сгорания и прежде всего дизелей, использующих газовые топлива. Изобретение позволяет повысить эксплуатационные качества за счет автономного управления форсункой подачи газа и дизельного топлива. Топливоподающая система газодизеля с внутренним смесеобразованием содержит топливный насос высокого давления, линию высокого давления, форсунку закрытого типа с подыгольной полостью и распылителем, бак жидкого дизельного топлива и баллоны для хранения и питания газом, линию низкого давления дизельного топлива, линию питания газовым топливом, питающий трубопровод, компрессор для сжатия газа и блок гидравлического управления. Компрессор включен между баллонами хранения и баллонами питания газом. Питающий трубопровод включен между баллоном питания газом и блоком гидравлического управления. Линия питания газом связывает блок гидравлического управления с подыгольной полостью форсунки. Линия высокого давления связывает топливный насос высокого давления с распылителем форсунки. Блок гидравлического управления выполнен в виде проточки на плунжере, образующей регулирующую кромку и кромку окончания подачи газа, образующих канал для прохода газа между питающим трубопроводом и линией питания газом. Форсунка выполнена с управляющей полостью и ее игла имеет проточку, отверстие и канал впрыскивания, размещенные последовательно в связи линии высокого давления с распылителем форсунки. 2 ил.

Топливоподающая система газодизеля с внутренним смесеобразованием, содержащая топливный насос высокого давления, линию высокого давления, форсунку закрытого типа с подыгольной полостью и распылителем, бак жидкого дизельного топлива и баллоны для хранения и питания газом, линию низкого давления дизельного топлива, линию питания газовым топливом, питающий трубопровод, компрессор для сжатия газа и блок гидравлического управления, причем компрессор включен между баллонами хранения газа и баллоном питания газом, питающий трубопровод включен между баллоном питания газом и блоком гидравлического управления, линия питания газом связывает блок гидравлического управления с подыгольной полостью форсунки, а линия высокого давления связывает топливный насос высокого давления с распылителем форсунки, отличающаяся тем, что блок гидравлического управления выполнен в виде проточки на плунжере топливного насоса, образующей регулирующую кромку и кромку окончания подачи газа, образующих канал для прохода газа между питающим трубопроводом и линией питания газом, а форсунка выполнена с управляющей полостью, и ее игла имеет проточку, отверстие и канал впрыскивания, размещенные последовательно в связи линии высокого давления с распылителем форсунки.