СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТОПЛИВОПОДАЧЕЙ В ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2020 года по МПК F02D19/10 F02M59/34 

Область техники

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к построению системы управления топливоподачей в дизельный двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известна система подачи жидкого топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания, описана, например в документах:

- «Топливная аппаратура автомобильных дизелей: конструкция и параметры» / М.М. Вихерт, М.В. Мазинг. - Москва, Издательство Машиностроение, 1978. - стр. 176.

- «Руководство по эксплуатации и техническому обслуживанию двигателей К38, К50, QSK38, QSK50», компания Камминз, 2012.

Система состоит из насоса подачи жидкого топлива, насос имеет функцию управления давлением на его выходе в зависимости от потребной мощности двигателя, топливные форсунки, реализующие в соответствии с тактами цикловую подачу с распыливанием жидкого топлива в камеры сгорания двигателя, количество топливных форсунок, как правило, равно количеству цилиндров двигателя, и трубопроводной линией, соединяющей выход насоса с линией объединения входов топливных форсунок.

В систему входит преобразователь давления, входной порт которого присоединен к линии выхода топлива из насоса, по значению выходного сигнала преобразователя реализуется функция коррекции давления топлива в зависимости от режимов работы двигателя и функция аварийной защиты двигателя при возникновении отказов в нормальном функционировании элементов системы, а именно насоса и форсунок.

Система по прототипу функционирует следующим образом:

Жидкое топливо, преимущественно дизельное, поступает в подготовленном (отфильтрованном) виде на вход насоса 1, который имеет встроенный регулятор подачи с реализацией функции изменения давления на своем выходе, с заданным коэффициентом пропорциональности, в зависимости от величины отклонения между значением текущих оборотов коленчатого вала двигателя и текущего значения установки задатчика желаемых оборотов коленчатого вала (степени нажатия на педаль «газа»), и таким образом, насос 1 выполняет функцию изменения давления на выходе в зависимости от потребной мощности двигателя. При минимальном расхождении величины отклонения давление топливоподачи будет находиться на минимально допустимом значении (минимальная потребная мощность двигателя), при максимальном расхождении величин отклонения давление топливоподачи будет находиться на максимально допустимом значении (максимальная потребная мощность двигателя).

По трубопроводной линии 2 от выхода насоса 1 топливо с требуемым давлением поступает к форсункам высокого давления 9. Ввиду того, что для разных модификаций двигателей применяется различное количество форсунок (обычно по одной форсунке на каждый цилиндр), на схеме трубопроводные магистрали, объединяющие все входы форсунок условно обозначены линией 8.

Форсунка 9 высокого давления, установленная в головке, подаёт дозу топлива с распыливанием в камеру сгорания двигателя. Для синхронизации подачи топлива в камеру сгорания цилиндра в соответствии с тактами и требуемыми фазами системы газораспределения применяется насос-форсунка с приводом от распределительного вала двигателя. Сгорание распыленного топлива в камере сгорания происходит от теплоты сжатия воздуха, поступающего по системе впуска.

В случае применения насоса 1 с электроуправлением давления на выходе в зависимости от входного параметра (как описано выше), в системе применяется преобразователь давления 11, который используется для контроля (через микропроцессорный модуль, который для простоты описания на фиг.1. не показан) правильности формирования давления подачи жидкого топлива на линию 9 объединения входов насос-форсунок. В случае применения насоса 1 с механическим регулятором давления выдачи, преобразователь 11 в системе не применяется.

Таким образом, для работы двигателя давление в системе подачи топлива, в линии 2 и 8, изменяется по закону, обеспечивающему параметры протекания требуемого рабочего процесса во всём диапазоне оборотов и нагрузок, от холостого хода до номинальных и от нулевой нагрузки до номинальной. Ориентировочный диапазон изменения давления составляет от 0,5 до 10 Бар избыточного.

Недостатками известной системы подачи жидкого топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания по представленному прототипу являются:

- отсутствует функция регулирования запальной дозы дизельного топлива при эксплуатации двигателей данных модификаций в газодизельном режиме с частичным замещением дизельного топлива газовым.

- отсутствует функция автоматического возврата на режим работы на жидком топливе при возникновении отказа (аварии) в газотопливной системе.

Указанные недостатки, приводят к невозможности применения газового топлива, как заменителя дизельного топлива, при эксплуатации двигателей данных модификаций в газодизельном режиме эксплуатации на режимах работы, больших 50% мощности.

Настоящее изобретение направлено на устранение вышеуказанных недостатков и на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной эффективности работы ДВС, в частности, Камминз серий K-19, K-38, K-50, QSK-38, QSK-50 (и их модификаций KTA / KTTA), в дизельном и газодизельном режимах работы с получением высоких показателей замещения дизельного топлива газовым.

Высокие показатели коэффициента замещения дизельного топлива газовым позволяют получать высокие показатели экономической топливной эффективности в процессе эксплуатации двигателей на газовом топливе ввиду более низкой его стоимости относительно стоимости дизельного топлива.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Указанный технический результат достигается тем, что система управления подачей жидкого топлива, состоящая из насоса подачи топлива, который обеспечивает функцию изменения давления на его выходе в зависимости от потребной мощности двигателя, и топливные форсунки, реализующие в соответствии с тактами цикловую подачу с распыливанием жидкого топлива в камеры сгорания двигателя, количество топливных форсунок не менее одной на каждый цилиндр двигателя, и трубопроводными линями, соединяющими выход насоса со входами топливных форсунок, дополнительно содержит нормально-открытый клапан, вход которого подсоединен к линии выдачи давления жидкого топлива от насоса, выход нормально-открытого клапана соединен с трубопроводной линией, объединяющей входы топливных форсунок и входом нормально-закрытого клапана, выход нормально-закрытого клапана соединен с входом регулятора поддержания давления до себя, выход регулятора соединен с линией слива жидкого топлива в бак, а параллельно входу и выходу нормально-открытого клапана организован байпасный канал с жиклером.

Преимущественно, нормально-открытый и нормально-закрытый клапаны выполнены с возможностью дистанционного синхронизированного управления закрытием и открытием.

Преимущественно, регулятор давления до себя выполнен с возможностью дистанционного управления функцией значения поддерживаемого давления.

Преимущественно, система содержит датчик давления, входной порт которого присоединен к линии объединения входов форсунок, а по значению выходного сигнала датчика реализуется функция аварийной защиты двигателя при возникновении отказов в нормальном функционировании нормально-открытого и нормально-закрытого клапанов, регулятора давления до себя, жиклера.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 представлена функциональная схема системы управления подачей жидкого топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания, согласно прототипу;

На фиг. 2 - представлена функциональная схема системы управления подачей жидкого топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания согласно формуле настоящего изобретения.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению, как показано на фиг. 2, система топливоподачи в дизельный двигатель внутреннего сгорания функционирует следующим образом:

Жидкое топливо, преимущественно дизельное, поступает в подготовленном (отфильтрованном) виде на вход насоса 1, который имеет встроенный регулятор подачи с реализацией функции изменения давления на своем выходе в зависимости от потребной мощности двигателя. По трубопроводной линии 2 от выхода насоса топливо с требуемым давлением поступает на вход автоматического двухпозиционного нормально-открытого клапана 3.

Для обеспечения работы на штатном жидком топливе автоматический двухпозиционный нормально-открытый клапан 3 находится в исходном, первом состоянии и, он открыт для свободного прохода топлива. Жиклер 4, который находится в байпасном канале, соединяющем вход и выход нормально-открытого клапана, не оказывает никакого влияния на проход топлива, т.к. сопротивление открытого клапана пренебрежимо мало относительно сопротивления жиклера потоку топлива.

В то же время, автоматический двухпозиционный нормально-закрытый клапан 5 так же находится в исходном, первом состоянии и он закрыт для прохода топлива к регулятору 6 и возможный слив топлива в бак по трубопроводной линии 7 не происходит.

В результате топливо с выхода нормально-открытого клапана по трубопроводной линии 8, объединяющей входы форсунок, подается к форсункам высокого давления 9.

Форсунка 9 высокого давления, установленная в головке, подаёт дозу топлива с распыливанием в камеру сгорания двигателя. Для синхронизации подачи топлива в камеру сгорания цилиндра в соответствии с тактами и требуемыми фазами системы газораспределения применяется насос-форсунка с приводом от распределительного вала двигателя. Сгорание распыленного топлива в камере сгорания происходит от теплоты сжатия воздуха, поступающего по системе впуска.

Таким образом, работа системы топливоподачи, в части функционирования насоса, трубопроводной линии с выхода насоса, линии объединения входов форсунок и самих форсунок соответствует описанной ранее логике по исходному алгоритму системы-прототипа.

При необходимости эксплуатации двигателя в газодизельном режиме, производится перевод системы в новое состояние, для этого выполняется синхронизированное переключение клапанов 3 и 5 во второе состояние, при этом клапан 3 закрывается, поток жидкого топлива проходит через жиклер 4, который ограничивает поток с заданным значением. Одновременно открывается клапан 5 и, давление топлива подводится на вход регулятора 6, который являясь регулятором давления до себя, осуществляет сброс топлива из трубопроводной линии 8, в случае превышения давления выше заданного, в топливный бак по магистрали линии 7.

В частном случае клапаны 3 и 5 могут быть с электромагнитным, пневматическим или с гидравлическим управлением, в зависимости от удобства реализации на конкретном двигателе транспортного средства или стационарной силовой установки.

Производительность жиклера 4 выбирается таким образом, что бы на максимальной нагрузке двигателя на газодизельном режиме значение максимального давления подачи жидкого топлива в линии 2 было, по возможности, аналогично давлению в режиме использования только дизельного топлива.

Давление срабатывания регулятора 6 выбирают таким образом, что бы обеспечивалась требуемая запальная доза жидкого топлива, при этом, чем выше давление открытия регулятора 6, тем больше величина запальной дозы жидкого топлива будет поступать в цилиндры, тем меньше потребуется подавать газовое топливо для обеспечения идентичной мощности (результирующий коэффициент замещения жидкого топлива меньше) и наоборот.

В случае применения регулятора 6 с возможностью оперативного изменения настройки давления открытия путем подачи управляющего сигнала, возможна реализация функции изменения запальной дозы в зависимости от режима работы двигателя (возможно осуществление динамической коррекции запальной дозы жидкого топлива).

Для повышения надежности работы двигателя система оснащается датчиком давления 10, по сигналу которого система управления (при этом в состав дополнительно входит электронный блок управления) осуществляет контроль за корректностью формирования запальной дозы жидкого топлива в линии 8. При неисправности узлов: насоса 1, клапана 3 и 5, жиклера 4, регулятора 6, давление в линии 8 топливоподачи будет отличаться от требуемого и, возможно произвести фиксацию кода ошибки.

Таким образом, функционирование системы в газодизельном режиме обеспечивает ограничение подачи запальной дозы жидкого топлива в цилиндры и не допускается превышение запальной дозы жидкого топлива относительно заданного уровня.

При эксплуатации системы на штатном жидком топливе (без использования газового топлива) реализуется принцип, при котором часть системы на фиг.2, обведенная пунктиром, не оказывает на систему подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания какого либо влияния.

Применение системы позволяет получить максимально возможное замещение дизельного топлива газовым, на режимах нагрузки двигателя, выше средних, без риска превышения суммарного циклового количества дизельного запального топлива и газового топлива. Увеличение коэффициента замещения дизельного топлива газовым приводит к увеличения экономического эффекта при эксплуатации ввиду значительной разницы стоимости единицы энергии газового топлива относительно дизельного.

При работе двигателя на смесевом топливе в газодизельном цикле на нагрузках дизельного двигателя внутреннего сгорания, выше некоторого, экспериментально определяемого значения (обычно выше 30-40% от номинальной мощности), описанная система выполняет ограничение подачи цикловой дозы запального жидкого топлива. При этом подача замещающего газового топлива осуществляется с помощью дополнительной системы, например, известной из уровня развития техники по патенту №RU154478U (Устройство управления подачей смесевого топлива в дизельный двигатель внутреннего сгорания).

Указанные выше признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что в настоящем изобретении возможны разнообразные модификации и изменения. Соответственно, предполагается, что настоящее изобретение охватывает указанные модификации и изменения, а также их эквиваленты, без отступления от сущности и объема изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение может быть использовано в топливных системах дизельных двигателей. Система управления топливоподачей в дизельный двигатель внутреннего сгорания содержит насос (1) подачи жидкого топлива, топливные форсунки (9), трубопроводную линию (2), нормально-открытый клапан (3), линию (8) объединения входов топливных форсунок (9), нормально-закрытого клапана (5), регулятор (6), линию (7) слива жидкого топлива в бак и байпасный канал с жиклером (4). Насос (1) подачи жидкого топлива выполнен с возможностью изменения давления на его выходе в зависимости от потребной мощности двигателя. Топливные форсунки (9) обеспечивают в соответствии с тактами цикловую подачу с распыливанием жидкого топлива в камеры сгорания двигателя. Количество топливных форсунок составляет не менее одной на каждый цилиндр двигателя. Трубопроводная линия (2) соединяет выход насоса (1) с линией (8) объединения входов топливных форсунок (9). Вход нормально-открытого клапана (3) подсоединен к линии (2) выдачи давления жидкого топлива. Выход нормально-открытого клапана (3) соединен с линией (8) объединения входов топливных форсунок и входом нормально-закрытого клапана (5). Выход нормально-закрытого клапана (5) соединен с входом регулятора (6). Регулятор (6) выполнен с возможностью поддержания давления до себя. Выход регулятора (6) соединен с линией (7) слива жидкого топлива в бак. Байпасный канал с жиклером (4) выполнен параллельно входу и выходу нормально-открытого клапана (3). Технический результат заключается в обеспечении регулирования запальной дозы дизельного топлива при эксплуатации двигателей в газодизельном режиме с частичным замещением дизельного топлива газовым. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система управления топливоподачей в дизельный двигатель внутреннего сгорания, содержащая насос (1) подачи жидкого топлива, реализованный с функцией изменения давления на его выходе в зависимости от потребной мощности двигателя, топливные форсунки (9), реализующие в соответствии с тактами цикловую подачу с распыливанием жидкого топлива в камеры сгорания двигателя, с количеством топливных форсунок не менее одной на каждый цилиндр двигателя и трубопроводной линией (2), соединяющей выход насоса (1) с линией (8) объединения входов топливных форсунок (9), отличающаяся тем, что содержит нормально-открытый клапан (3), вход которого подсоединен к линии (2) выдачи давления жидкого топлива, выход нормально-открытого клапана (3) соединен с линией (8) объединения входов топливных форсунок и входом нормально-закрытого клапана (5), выход нормально-закрытого клапана (5) соединен с входом регулятора (6), реализованного с функцией поддержания давления до себя, выход регулятора (6) соединен с линией (7) слива жидкого топлива в бак, а параллельно входу и выходу нормально-открытого клапана (3) организован байпасный канал с жиклером (4).

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что нормально-открытый клапан (3) и нормально-закрытый клапан (5) реализованы с функцией дистанционного синхронизированного управления закрытием и открытием.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что регулятор (6) реализован с возможностью дистанционного управления функцией значения поддерживаемого давления до себя.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что содержит датчик (10) давления, входной порт которого присоединен к линии (8), и по значению выходного сигнала датчика реализуется функция аварийной защиты двигателя при возникновении отказов в нормальном функционировании нормально-открытого клапана (3), нормально-закрытого клапана (5), регулятора (6), жиклера (4).