ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА ДИЗЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК F02M47/00 

Изобретение относится к области двигателестроения и может применяться в дизельных двигателях для интенсификации процесса топливоподачи.

Современная тенденция увеличения литровой мощности дизелей требует интенсификации процесса подачи топлив, т.е. повышения давления и сокращения продолжительности процесса впрыскивания, что достигается путем форсирования скоростного режима кулачкового вала топливного насоса. Чрезвычайно важным является повышение равномерности и стабильности подачи топлива, что достигается за счет повышения уровня начального давления Р_нач в нагнетательном трубопроводе. В традиционной системе давление Р_нач в последующем цикле равно остаточному давлению Р_ост в предыдущем цикле (Р_ост=Р_нач). Р_нач и Р_ост изменяются в зависимости от конструктивных особенностей системы от режима ее работы. Регулирование Р_нач заключается в повышении его в межцикловый период ϕ_мц. Регулирование цикловой подачи топлива в традиционной системе осуществляется изменением активного хода плунжера-золотника за счет его поворота. Важным является предотвращение затягивания процесса впрыска при открытом отсечном отверстии, что достигается разделением процессов нагнетания и дозирования топлива с помощью дополнительных устройств, изменяющих активный ход плунжера топливного насоса.

Известна система, содержащая топливный насос высокого давления, аккумулятор давления, автоматическую форсунку, нагнетательных магистралей и дозирующего устройства с электронным клапаном. Устройство благодаря незначительному усовершенствованию традиционной конструкции обеспечивает возможность разделения процессов нагнетания и дозирования топлива за счет электронного регулирования процесса впрыска (Заявка JP №2-2464, кл. F02М 47/00, 55/02, 63/04, опубл. 90.01.18, №5-62).

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, являются следующие недостатки рассматриваемой конструкции: критичность к быстродействию электронного клапана, лишь немногие существующие клапаны обладают требуемыми частотными характеристиками, усложнение конструкции дозирующего устройства, отсутствие форсирования топливного насоса по частоте вращения, наличие электронного блока управления, отсутствие возможности регулирования начального давления в нагнетательной магистрали. Все это ограничивает возможности интенсификации процесса топливоподачи в условиях быстроходных дизелей и снижает надежность системы.

Известна система, содержащая топливный насос высокого давления, форсунку, распределительное устройство, перепускной клапан, магистраль для нагнетания топлива в форсунку, магистраль подпитки и линию низкого давления. Насос высокого давления форсирован по частоте вращения в два раза, и дополнительный ход плунжера используется для повышения начального давления в нагнетательном трубопроводе (Пат. RU 2247255 С1, кл. F02М 55/00, 45/00, опубл. 27.02.2005 Бюл. №6).

Рассматриваемая и предлагаемая системы идентичны с точки зрения интенсификации процесса подачи топлива путем регулирования уровня начального давления в нагнетательной магистрали и увеличения объемной скорости плунжера. Однако изменение цикловой подачи в рассматриваемой системе осуществляется изменением момента набегания отсечной кромки плунжера топливного насоса на отсечное окно в гильзе плунжера (традиционный способ дозирования цикловой подачи). Это обуславливает затягивание начала подачи топлива и протекание процесса в условиях, когда топливо из надплунжерной полости одновременно подается в форсунку и сливную магистраль, что ведет к уменьшению давления впрыскивания топлива и затягиванию процесса.

Наиболее близким к данному изобретению является топливная система для дизеля, содержащая секционный топливный насос высокого давления, распределитель с корпусом, имеющим выпускные каналы по числу канавок золотника, соединенные с форсунками нагнетательными трубопроводами, золотник, приводящийся во вращение зубчатыми колесами от кулачкового вала с передаточным отношением 2:1, где каждая секция насоса соединена с парой впускных каналов в корпусе распределителя трубопроводами (Авт.св. SU 1657714, кл. F02М 47/02, опубл. БИ №18, 1991).

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является следующий недостаток конструкции - использование традиционного способа дозирования цикловой подачи топлива с плунжером-золотником, что обуславливает затягивание процесса подачи топлива после открытия плунжером топливного насоса отсечного отверстия в гильзе. Это приводит к вытеснению топлива плунжером одновременно в нагнетательный трубопровод и сливную магистраль, что приводит к значительному увеличению доли цикловой подачи, впрыснутой через форсунку при открытом отсечном отверстии, т.е. при низком давлении. Отсутствие в рассматриваемой конструкции регулирования уровня начального давления в нагнетательной магистрали не исключает разрывов сплошности (образования газовых пузырьков) в нагнетательном трубопроводе на некоторых режимах работы. Наличие газовых пузырьков в нагнетательном трубопроводе приводит к тому, что часть топлива вытесненного из надплунжерной полости расходуется на заполнение этих пустот, что приводит к снижению цикловой подачи и давления впрыска.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение основных показателей процесса подачи топлива в цилиндр - повышение давления и снижение продолжительности впрыскивания, увеличение отношения значений среднего и максимального давлений подачи топлива, увеличение равномерности и стабильности подачи топлива традиционными системами топливоподачи с плунжерными насосами высокого давления.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является интенсификация процесса подачи топлива (повышение давления и сокращение продолжительности впрыскивания, приближение уровня среднего давления к максимальному давлению впрыскивания) путем скоростного форсирования вала топливного насоса, разделения процессов нагнетания и дозирования топлива, а также увеличение межцикловой стабильности и равномерности подачи топлива в цилиндры дизеля повышением уровня начального давления в нагнетательной магистрали в межцикловый период. Значение Р_макс увеличивается на 30%-35%, продолжительность впрыскивания сокращается на 10%-12%, значение отношения Р_сред/Р_макс увеличивается до 0,8-0,85.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что топливная система дизеля содержит секционный топливный насос высокого давления с кулачковым валом и распределителем, имеющим корпус с впускным и выпускными каналами, впускной канал сообщен с соответствующей секцией топливного насоса, золотник, размещенный в корпусе с возможностью вращения и снабженный распределительными каналами, имеющими возможность сообщения впускных и выпускных каналов корпуса, привод, жестко связывающий золотник с кулачковым валом, имеющий передаточное отношение 2:1, форсунку, линию высокого давления, сообщающую форсунку с выпускным каналом распределителя, причем распределитель выполнен с нагнетательным выпускным каналом и дросселирующим выпускным каналом, расположенными под углом 180 градусов друг относительно друга, причем в первой позиции, занимаемой золотником, имеющим возможность осевого перемещения относительно корпуса, глухой осевой канал золотника сообщен посредством третьего распределительного канала и дросселирующего выпускного канала с линией низкого давления и посредством второго распределительного канала и нагнетательного выпускного канала с форсункой через линию высокого давления, во второй позиции глухой осевой канал золотника посредством первого распределительного канала и нагнетательного канала сообщен с форсункой через линию высокого давления, причем распределительные каналы выполнены в виде радиальных отверстий, первое из которых имеет в сечении форму равнобедренного треугольника со сторонами, сопрягающимися по малому радиусу, а второе и третье - имеют в сечении форму овала, причем высота треугольника и длина большей оси овала равны, второй распределительный канал расположен диаметрально противоположно напротив первого распределительного канала, расстояние от первого распределительного канала до третьего распределительного канала не менее диаметра нагнетательного канала в корпусе, а распределительные каналы ориентированы так, что основание треугольника перпендикулярно продольной оси золотника, а продольные оси овалов параллельны продольной оси золотника.

Нагнетательный и дросселирующий выпускные каналы в корпусе распределителя расположены под углом 180 градусов друг относительно друга с целью осуществления работы регулятора в двух позициях за один цикл работы четырехтактного дизеля (за два оборота коленвала).

Первый распределительный канал золотника выполнен в сечении треугольным с целью плавного изменения времени сообщения этого канала с круглым нагнетательным каналом распределителя, при осевом перемещении золотника относительно корпуса. Каждому значению осевого перемещения золотника соответствует определенное значение «время-сечение» нагнетательного канала распределителя. Таким образом, изменение активного хода плунжера осуществляется с помощью распределителя, в котором вращающийся золотник разобщает форсунку и надплунжерную полость топливного насоса. Этим исключается характерная для традиционных систем ситуация, когда топливо из надплунжерной полости поступает одновременно в форсунку и в сливную магистраль, что в традиционных системах топливоподачи снижает давление впрыска топлива.

Овальная форма второго и третьего распределительных каналов золотника вызвана необходимостью сообщения круглых нагнетательного и дросселирующего каналов корпуса с глухим осевым каналом золотника через распределительные каналы при осевом перемещении золотника относительно корпуса распределителя. Этим достигается повышение уровня начального давления в нагнетательной магистрали, что приводит к уменьшению доли активного хода плунжера, затрачиваемого на догрузку магистрали, увеличению максимального давления впрыскивания, уменьшению неравномерности и увеличению стабильности подачи топлива.

Расстояние между первым и третьим распределительными каналами золотника, не менее диаметра нагнетательного канала в корпусе распределителя, обусловлено необходимостью обеспечения нулевой цикловой подачи во время останова двигателя путем перекрытия нагнетательного выпускного канала распределителя телом золотника.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

фиг.1 - общий вид топливной системы дизеля;

на фиг.2 - фрагмент продольного разреза распределителя при дополнительном ходе плунжера (в первой позиции);

на фиг.3 - продольный разрез золотника;

на фиг.4 - схема распределителя при дополнительном ходе плунжера (в первой позиции);

на фиг.5 - фрагмент продольного разреза распределителя при основном ходе плунжера (во второй позиции);

на фиг.6 - схема распределителя при основном ходе плунжера (во второй позиции);

на фиг.7 - форма и расположение распределительных каналов золотника.

Предлагаемая система (фиг.1) содержит секционный топливный насос высокого давления 1 с кулачковым валом 2, нагнетательным клапаном 3, отсечным отверстием 4, распределителем 5. Привод кулачкового вала 2 насоса 1 осуществляется от коленчатого вала 6 дизеля с передаточным отношением 1:1, что обеспечивает два нагнетательных хода плунжера 7 - рабочий и дополнительный - за два оборота коленчатого вала 6. Удвоение скорости вращения кулачкового вала 2 приводит к увеличению объемной скорости плунжера 7, что повышает давление и сокращает продолжительность впрыска топлива.

Насос 1 через впускную магистраль 8 связан с впускным каналом 9 корпуса 10 (фиг.2) распределителя 5, который, в свою очередь, через линию высокого давления 11 связан с форсункой 12 закрытого типа. В корпусе 10 распределителя 5 имеются нагнетательный 13 и дросселирующий 14 выпускные каналы, выполненные радиально и расположенные под углом 180 градусов друг относительно друга. Внутри корпуса 10 установлен с возможностью вращения и осевого перемещения золотник 15 (фиг.3) с глухим осевым каналом 16 и распределительными каналами 17, 18, 19, которые последовательно совмещаются с выпускными каналами корпуса 10, сообщая их с впускным каналом 9. Распределитель 5 имеет привод, жестко связывающий золотник 15 с кулачковым валом 2, имеющий передаточное отношение 2:1, и механизм осевого перемещения 20 золотника 15 относительно корпуса 10. В первой позиции (фиг.2, фиг.4), занимаемой золотником 15 относительно корпуса 10, глухой осевой канал 16 сообщается посредством третьего распределительного канала 17 золотника 15 и дросселирующего выпускного канала 14 с полостью низкого давления 21 через линию низкого давления 22 и посредством второго распределительного канала 18 и нагнетательного выпускного канала 13 с форсункой 12 через линию высокого давления 11. Во второй позиции (фиг.5, фиг.6) тот же глухой осевой канал 16 золотника 15 посредством первого распределительного канала 19 золотника 15 и нагнетательного канала 13 сообщается с форсункой 12 через линию высокого давления 11.

Распределительные каналы выполнены в виде радиальных отверстий (фиг.7), первое из отверстий 19 имеет в сечении форму равнобедренного треугольника со сторонами, сопрягающимися по малому радиусу, а второе 18 и третье 17 - имеют в сечении форму овала, причем высота треугольника и длина большей оси овала равны. Второй распределительный канал 18 расположен диаметрально противоположно напротив первого распределительного канала 19, расстояние от первого распределительного канала 19 до третьего распределительного канала 17 не менее диаметра нагнетательного канала 13 (фиг.2) в корпусе 10. Распределительные каналы ориентированы так, что основание треугольника перпендикулярно продольной оси золотника 15, а продольные оси овалов параллельны продольной оси золотника 15.

Дополнительный нагнетательный ход плунжера 7 (фиг.1) используется для формирования заданного уровня начального давления в линии высокого давления 11 (с целью увеличения межцикловой стабильности и равномерности подачи топлива) путем перепуска части топлива через третий распределительный канал 17 (фиг.2) и нагнетательный канал 13 в линию высокого давления 11 в момент, когда золотник 15 распределителя 5 занимает первую позицию относительно корпуса 10.

Привод кулачкового вала 2 (фиг.1) топливного насоса 1 от коленчатого вала 6 дизеля с передаточным отношением 1:1, а также распределитель 5 позволяют выполнить указанный технический результат, а именно - интенсифицировать процесс впрыска топлива (повысить давление и сократить продолжительность впрыскивания, увеличить отношение значений среднего и максимального давлений за период впрыскивания), а также увеличить межцикловую стабильность и равномерность подачи топлива в цилиндры дизеля.

С целью ограничения максимальных нагрузок на кулачковый вал 2 топливного насоса 1 во время останова двигателя во впускной магистрали 8 имеется предохранительный клапан 23.

Работа системы происходит следующим образом.

Повышение уровня начального давления осуществляется путем перепуска определенной части топлива посредством распределительного канала 17 и нагнетательного канала 13 в линию высокого давления 11 во время дополнительного хода плунжера 7, предшествующего основному ходу.

В первой позиции распределителя 5 (фиг.2, фиг.4) при дополнительном ходе плунжера 7 (режим повышения начального давления) насос 1 подает топливо во впускной канал 9 корпуса 10. Глухой осевой канал 16 золотника 15 заполняется топливом, при этом распределительный канал 17 оказывается совмещен с дросселирующим каналом 14 корпуса 10, а распределительный канал 18 оказывается сообщенным с нагнетательным каналом 13 корпуса 10. Топливо через нагнетательный канал 13 заполняет линию высокого давления 11 и одновременно перепускается в полость низкого давления 21 через дросселирующий канал 14 по линии низкого давления 22.

Изменением сечения дросселирующего канала 14 формируются различные значения начального давления Р_нач в линии высокого давления 11.

Таким образом, во время дополнительного хода плунжера 7 происходит перепуск определенной части топлива из глухого осевого канала 16 золотника 15 распределителя 5 в линию высокого давления 11 через нагнетательный канал 13. Количество перепускаемого топлива должно соответствовать определенному уровню давления в линии высокого давления 11, при котором форсунка 12 не открывается, т.е. исключается впрыск топлива в цилиндр при дополнительном ходе плунжера 7.

Цикл впрыска происходит следующим образом. Незадолго до перекрытия распределительного канала 19 (фиг.5, фиг.6) и нагнетательного канала 13 в корпусе 10 распределителя 5 плунжер 7 при ходе вверх начнет сжимать топливо в надплунжерной полости. По мере продвижения плунжера 7 вверх поднимется нагнетательный клапан 3 насоса 1, но топливо не начнет поступать в форсунку 12, а продолжит сжиматься во впускной магистрали 8 распределителя 5. Как только давление достигнет определенной величины, откроется предохранительный клапан 23 и излишек топлива будет перепущен в полость низкого давления 21. Только после этого золотник 15 распределителя 5 займет второе положение относительно корпуса 10 и начнется совмещение распределительного канала 19 с нагнетательным каналом 13 и топливо под предельным давлением начнет поступать в форсунку 12. При осевом смещении золотника 15 относительно корпуса 10 происходит плавное изменение времени, в течение которого форсунка 12 и надплунжерная полость оказываются сообщенными. Еще до начала открытия плунжером 7 отсечного отверстия 4 форсунка 12 и надплунжерная полость оказываются разобщенными из-за перекрытия нагнетательного канала 13. Таким образом, волна возмущения, вызванная посадкой нагнетательного клапана 3, не дойдет до форсунки 12 и не сможет вызвать повторное открытие форсунки. Таким образом, обеспечиваются динамичное начало и конец впрыска. Снижение давления в надплунжерной полости по мере распыливания топлива компенсируется движением плунжера 7 вверх. Во время останова двигателя, когда золотник 15 перемещается в положение, при котором каналы распределительный 19 и нагнетательный 13 разобщены, все топливо, вытесненное плунжером 7, будет слито в полость низкого давления 21 через предохранительный клапан 23 (за исключением топлива, накопленного во впускной магистрали 8 распределителя 5 за счет сжатия до давления открытия предохранительного клапана 23). Разгрузка впускной магистрали 8 распределителя 5 (фиг.1) после завершения цикла впрыска или повышения уровня начального давления происходит через отсечное отверстие 4.

Итак, создание заданного повышенного начального давления в линии высокого давления 11 происходит при дополнительном ходе плунжера 7 путем перепуска части топлива из глухого осевого канала 16 посредством распределительного канала 17 в линию высокого давления 11. Учитывая это, а также то, что система имеет привод вала насоса от коленчатого вала дизеля с передаточным отношением 1:1, выполняется указанный технический результат, а именно - повышение давления и сокращение продолжительности впрыска топлива (за счет увеличения объемной скорости плунжера), увеличение межцикловой стабильности и равномерности подачи топлива в цилиндры дизеля путем создания начальных условий в линии высокого давления 11, увеличение отношения значений среднего и максимального давлений впрыска. Преимущественно система может применяться для быстроходных транспортных дизелей.

Изобретение относится к области двигателестроения и может применяться в дизельных двигателях для интенсификации процесса топливоподачи. Техническим результатом предлагаемого изобретения является интенсификация процесса подачи топлива (повышение давления и сокращение продолжительности впрыскивания, приближение уровня среднего давления к максимальному давлению впрыскивания) путем скоростного форсирования вала топливного насоса, разделения процессов нагнетания и дозирования топлива, а также увеличение межцикловой стабильности и равномерности подачи топлива в цилиндры дизеля повышением уровня начального давления в нагнетательной магистрали в межцикловой период. Топливная система дизеля содержит секционный топливный насос высокого давления с распределителем, имеющим корпус с впускным и выпускными каналами, впускной канал сообщен с соответствующей секцией топливного насоса, золотник, размещенный в корпусе с возможностью вращения и осевого перемещения и снабженный распределительными каналами, имеющими возможность сообщения впускных и выпускных каналов корпуса, привод, жестко связывающий золотник с кулачковым валом, имеющий передаточное отношение 2:1, форсунку, линию высокого давления, сообщающую форсунку с выпускным каналом распределителя, причем распределитель выполнен с нагнетательным выпускным каналом и дросселирующим выпускным каналом, расположенными под углом 180 градусов друг относительно друга. В первой позиции, занимаемой золотником, глухой осевой канал золотника сообщен посредством третьего распределительного канала и дросселирующего выпускного канала с линией низкого давления и посредством второго распределительного канала и нагнетательного выпускного канала с форсункой через линию высокого давления. Во второй позиции глухой осевой канал золотника посредством первого распределительного канала и нагнетательного канала сообщен с форсункой через линию высокого давления. Распределительные каналы выполнены в виде радиальных отверстий, первое из которых имеет в сечении форму равнобедренного треугольника со сторонами, сопрягающимися по малому радиусу, а второе и третье - имеют в сечении форму овала, причем высота треугольника и длина большей оси овала равны. 7 ил.

Топливная система дизеля, содержащая секционный топливный насос высокого давления с кулачковым валом и распределителем, имеющим корпус с впускными и выпускными каналами, каждый впускной канал сообщен с соответствующей секцией топливного насоса высокого давления, золотник, размещенный в корпусе с возможностью вращения и снабженный распределительными каналами, имеющими возможность сообщения впускных и выпускных каналов, привод, жестко связывающий золотник с кулачковым валом, имеющий передаточное отношение 2:1, форсунку, линию высокого давления, сообщающую форсунку с выпускным каналом распределителя, отличающаяся тем, что в распределителе нагнетательный выпускной канал и дросселирующий выпускной канал расположены под углом 180° относительно друг друга, причем в первой позиции, занимаемой золотником, имеющим возможность осевого перемещения относительно корпуса, глухой осевой канал золотника сообщен посредством третьего распределительного канала и дросселирующего выпускного канала, с линией низкого давления, и, посредством второго распределительного канала и нагнетательного выпускного канала, с форсункой через линию высокого давления, во второй позиции - глухой осевой канал золотника посредством первого распределительного канала и нагнетательного канала, сообщен с форсункой через линию высокого давления, причем распределительные каналы выполнены в виде радиальных отверстий, первое из которых имеет в сечении форму равнобедренного треугольника со сторонами, сопрягающимися по малому радиусу, а второе и третье имеют в сечении форму овала, причем высота треугольника и длина большей оси овала равны, второй распределительный канал расположен диаметрально противоположно напротив первого распределительного канала, расстояние от первого распределительного канала до третьего распределительного канала не менее диаметра нагнетательного канала в корпусе, а распределительные каналы ориентированы так, что основание треугольника перпендикулярно продольной оси золотника, а продольные оси овалов параллельны продольной оси золотника.