Газовый дозирующий клапан двигателей внутреннего сгорания большой мощности Российский патент 2023 года по МПК F16K31/02 

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам подачи газа в газовых и газодизельных двигателях внутреннего сгорания большой мощности с электронным управлением топливоподачей, и может быть использовано в качестве системы дозированной подачи газообразного топлива для промышленных и автомобильных дизельных двигателей мощностью 500 – 9000 кВт.

Известно устройство электроуправляемого газового клапана для систем топливоподачи двигателей, описанное в патенте РФ на изобретение № 2217640, МПК F02M51/00, F16K31/02, опубл. 20.06.2009 г. Устройство содержит корпус с входным и выходным отверстиями для газа с размещенным в нем электроприводом с сердечником электромагнита, якорем электромагнита, затвором клапана с двумя плоскими круглыми пружинами с предварительным натягом и седлом клапана. Однако данное устройство характеризуется низкой стабильностью работы, т.к. клапан перестает стабильно открываться при перепаде давления ≥1,5 bar. Кроме того, здесь есть сложность регулировки клапана при сборке, так как необходимо определять оптимальное соотношение между усилием прижатия затвора к седлу, и сил от давления газа, стремящихся открыть клапан, при этом неизбежно нарушение работы двигателя.

Известно устройство электромагнитного клапана, описанное в патенте РФ на изобретение № 2200266, МПК F16K31/02, опубл. 10.03.2003г. Устройство содержит корпус клапана, входной и выходной каналы, катушку электромагнита, сердечник, седло, подвижный якорь, уплотняющий элемент, пружину, запорный орган в виде немагнитной втулки. Но этот клапан предназначен для регулирования подачи газа при больших давлениях и разнице температур. Клапан очень инертный и не подходит для регулирования рабочих процессов двигателя, требующих времени «отклика» клапана <3 ms.

Также известно устройство газового инжектора, описанное в патенте РФ на изобретение № 2341677, МПК F02M21/00, F02M51/06, F16K31/02, опубликованном 20.12.2008 г. Данное устройство содержит корпус с подводящим и отводящим каналами, расположенные вдоль продольной оси корпуса электромагнит и подвижный якорь, жестко соединенный с запорным органом, а также седло клапана, при этом между якорем и запорным органом расположена упругая перфорированная мембрана с большим соотношением жесткостей в радиальных направлениях к жесткости в радиальном направлении. Однако, недостатком этого устройство является большая площадь упругой мембраны, что при незначительном увеличении давления подающего газа может привести к самопроизвольному открытию клапана.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является устройство дозатора газа электромагнитного, описанное в патенте РФ на полезную модель № 129184, МПК F16K31/02, опубликованном 20.06.2013 г. Устройство содержит корпус с подводящим и отводящим каналами, электромагнит с сердечником, подвижный якорь, тарелку клапана, соединенную с подвижным якорем в единую деталь, седло клапана, уплотнительное кольцо седла клапана, упругую мембрану, расположенную между подвижным якорем и тарелкой клапана, кольцо, установленное между сердечником и упругой мембраной. Однако, в данном устройстве при увеличении давления топлива сила, прижимающая клапан к седлу, прямо пропорциональна увеличению давления, что требует значительного увеличения силы тока в электромагните и приводит к усложнению системы управления или к нестабильной работе клапана. Кроме того, подача газа в цилиндр двигателя происходит путем открытия клапана только на строго определенное время, т.е. отсутствует регулирование времени открытия клапана что, соответственно, снижает точность дозировки подаваемого газа. Помимо этого, в устройстве невозможно изменять рабочий ход клапана, что усложняет его регулировку.

Целью предлагаемого изобретения является создание газового дозирующего клапана двигателей внутреннего сгорания большой мощности с электронной системой управления с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками. Задачи, на решение которых направлено данное изобретение – повышение точности дозировки подачи газового топлива индивидуально для каждого цилиндра двигателя на всех режимах работы, исключение необходимости дополнительно регулировать давление газа при изменении режима работы двигателя, упрощение изготовления и сборки клапана и увеличение его общего рабочего ресурса.

Технический результат – исключение дополнительной прижимающей силы давления поступающего газа на открытие клапана благодаря перпендикулярному перекрытию подводящего канала относительно потока газа, повышение точности дозирования газа за счет регулирования времени открытия клапана через электронный блок управления, уменьшение расхода газа на всех режимах работы, включая переходные, увеличение общего ресурса работы двигателя внутреннего сгорания и упрощение изготовления и сборки клапанов различного проходного сечения путем замены только одного элемента клапана – кольца-ограничителя.

Это достигается тем, что в газовом дозирующем клапане двигателей внутреннего сгорания большой мощности, управляемом электронным блоком управления, содержащем корпус с подводящим и отводящим каналами, катушку электромагнита с сердечником, подвижный якорь, тарелку клапана, соединенную с подвижным якорем в единую деталь, седло клапана, уплотнительное кольцо седла клапана, упругую мембрану, расположенную между подвижным якорем и тарелкой клапана, кольцо-ограничитель, установленное между сердечником электромагнита и упругой мембраной, уплотнительное кольцо корпуса электромагнита, в отличие от известного, электронный блок управления выполнен с возможностью регулирования времени открытия клапана, подводящий канал клапана, входящий в радиальную подающую полость, расположен так, что его перекрытие перпендикулярно потоку газа, дополнительно в устройство введены газовые окна, расположенные на выходе подающего канала и равномерно распределенные вдоль всей радиальной подающей полости, возвратная пружина, установленная на продольной оси подвижного якоря электромагнита и обеспечивающая нормально закрытое положение клапана при снятии или отсутствии управляющего напряжения на электромагните, разгрузочные каналы, выполненные в подвижном якоре электромагнита, и внутренняя обойма клапана, установленная между корпусом клапана и электромагнитом, причем подвижный якорь, жестко соединенный с тарелкой клапана, выполнен цилиндрическим с возможностью притягивания, уплотнительное кольцо седла клапана выполнено с круглым сечением, упругая мембрана выполнена в виде шайбы из упругого материала, имеющего высокую степень растяжения, и по внутреннему ободу герметично зажата между подвижным якорем и тарелкой клапана, а по внешнему ободу – между кольцом-ограничителем и внутренней обоймой клапана, кольцо-ограничитель выполнено из стали с возможностью регулирования высоты подъема тарелки клапана над седлом так, что изменение высоты кольца-ограничителя прямо пропорционально изменению пропускной способности газового дозирующего клапана.

Кроме того, все уплотнительные кольца клапана могут быть выполнены резиновыми.

Кроме того, тарелка седла клапана может быть выполнена из высоколегированной стали с последующей закалкой и притиркой контактной поверхности.

Кроме того, подвижный якорь может быть выполнен из электротехнической стали.

Кроме того, упругая мембрана, выполненная в виде шайбы, может быть изготовлена из упругого материала, имеющего химическую стойкость к элементам, присутствующим в составе сжиженного и компримированного природного газа.

На фиг. 1 представлен схематичный рисунок газового дозирующего клапана двигателей внутреннего сгорания большой мощности в разрезе.

На фиг. 2 представлено схематичное изображение перекрытия подводящего канала, расположенное перпендикулярно потоку газа, где: 2а - с открытой тарелкой клапана; 2б - с закрытой тарелкой клапана соответственно.

На фиг. 3 представлен схематичный рисунок рабочего состояния газового дозирующего клапана двигателей внутреннего сгорания большой мощности.

Для лучшего понимания процесса работы в клапане на фиг. 2а, 2б, 3 отмечены три условные полости:

А – радиальная подающая полость,

В – отводящая полость,

С – надмембранная полость.

На фиг. 4 приведен график пропускной способности газового дозирующего клапана двигателей внутреннего сгорания большой мощности при различных проходных сечениях, регулируемой высотой кольца-ограничителя 11.

Конструктивно газовый дозирующий клапан двигателей внутреннего сгорания большой мощности на фиг. 1-3 содержит:

1 – корпус;

2 – подводящий канал;

3 – отводящий канал;

4 – катушку электромагнита;

5 – сердечник;

6 – подвижный якорь;

7 – тарелку клапана;

8 – седло клапана;

9 – уплотнительное кольцо седла клапана;

10 – упругую мембрану клапана;

11 – кольцо-ограничитель;

12 – газовые окна;

13 – возвратную пружину;

14 – разгрузочные каналы;

15 – внутреннюю обойму клапана;

16 – уплотнительное кольцо корпуса электромагнита.

Газовый дозирующий клапан двигателей внутреннего сгорания большой мощности, управляемый электронным блоком управления (на фигурах не указан), содержит корпус 1 из алюминиевого сплава с подводящим каналом 2, входящим в радиальную подающую полость А, и отводящим каналом 3, входящим в отводящую полость В, причем перекрытие подводящего канала расположено перпендикулярно потоку газа, вследствие чего на клапан не действует дополнительная прижимающая сила давления поступающего газа и, следовательно, не требуется разгрузка клапана при изменении давления топливного газа в радиальной подающей полости А. В корпусе 1 вдоль продольной оси размещены катушка 4 электромагнита с сердечником 5, подвижный якорь 6, жестко соединенный с тарелкой 7 клапана, седло 8 клапана с уплотнительным кольцом седла клапана 9, упругая мембрана 10, кольцо-ограничитель 11, установленное между сердечником 5 и упругой мембраной 10, газовые окна 12, возвратная пружина 13, разгрузочные каналы 14, внутренняя обойма 15 клапана, уплотнительные кольца корпуса электромагнита 16.

При этом уплотнительное кольцо седла клапана 9 имеет круглое сечение, упругая мембрана 10, выполненная в виде шайбы, расположена по внутреннему своему ободу между подвижным якорем 6 и тарелкой 7 клапана, а по внешнему ободу зажата герметично между кольцом-ограничителем 11 и внутренней обоймой 15 клапана. Кольцо-ограничитель 11 установлено с возможностью регулирования высоты подъема клапана над седлом 8 так, что изменение высоты кольца-ограничителя 11 прямо пропорционально изменению пропускной способности газового дозирующего клапана. Газовые окна 12 выполнены в виде круглых отверстий и расположены равномерно вдоль всей радиальной подающей полости А. Возвратная пружина 13 установлена на продольной оси подвижного якоря 6 электромагнита и обеспечивает нормально закрытое положение тарелки 7 клапана при снятии или отсутствии управляющего напряжения на электромагните. Разгрузочные каналы 14 представляют собой отверстия, выполненные в подвижном якоре 6 электромагнита. жестко соединенного с тарелкой 7 клапана, и служат для выравнивания давления над и под тарелкой 7 клапана, что позволяет снять зависимость открывающей клапан электромагнитной силы от разницы давлений до и после газового дозирующего клапана, а также избежать демпфирования скорости открытия тарелки 7 клапана из-за сжатия воздушной прослойки между подвижным якорем 6 и сердечником 5 электромагнита. Внутренняя обойма 15 клапана установлена между корпусом 1 клапана и электромагнитом и представляет собой цилиндрическое изделие, предназначенное для центрирования и предварительной сборки элементов газового дозирующего клапана. Уплотнительные кольца корпуса электромагнита 16 выполнены в виде резинового кольца круглого сечения расположены между корпусом электромагнита (на фиг. не обозначен) и корпусом 1 клапана. Перед началом работы газовые дозирующие клапаны устанавливаются на входные патрубки подачи воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания до впускного клапана механизма системы газораспределения двигателя внутреннего сгорания.

Газовый дозирующий клапан двигателей внутреннего сгорания большой мощности работает следующим образом. Топливный газ через подводящий канал 2 поступает в радиальную подающую полость А, а из нее через газовые окна 12 проходит к герметичному узлу клапана, состоящему из тарелки 7 и седла 8 с уплотнительным кольцом седла клапана 9. Электронный блок управления, установленный на двигателе, либо в непосредственной близости от него, получает от датчиков данные о скорости вращения двигателя, угле поворота коленчатого вала и распредвала, температуры выхлопных газов, температуры поступающего газа и воздуха, внешние задающие параметры и прочие данные, необходимые для точного расчета потребного количества подаваемого газа в цилиндр двигателя для создания топливной смеси, соответствующей заданным параметрам работы двигателя. Дозирование количества газа осуществляется путем изменения времени открытия тарелки 7 клапана, задаваемого электронным блоком управления.

При обесточенной катушке 4 электромагнита, тарелка 7 клапана прижата к седлу 8 усилием возвратной пружины 13 и не позволяет газу поступать в отводящую полость В, которая соединена с входным патрубком подачи воздуха в цилиндр двигателя внутреннего сгорания (на фиг. не указана). Между сердечником 5 и упругой мембраной 10 расположено кольцо-ограничитель 11, позволяющее путём изменения его высоты регулировать высоту подъема тарелки 7 клапана над седлом 8, причем изменение высоты кольца-ограничителя 11 прямо пропорционально изменению пропускной способности газового дозирующего клапана. Это значительно упрощает процесс изготовления и сборки газовых дозирующих клапанов различного проходного сечения путем замены только одного элемента – кольца-ограничителя 11.

Упругая мембрана 10 препятствует поступлению газа из радиальной подающей полости А в надмембранную полость С. Это исключает возникновение дополнительной силы давления поступающего газа, прижимающей тарелку 7 к седлу 8 клапана, пропорциональной разнице давлений газа между подводящим каналом 2 и отводящим каналом 3, умноженной на площадь поверхности тарелки 7 клапана. Данное решение обеспечивает работоспособность клапана при перепаде давлений между входом и выходом газа более 3 bar. Далее через разгрузочные каналы 14 избыточное давление на выходе газа в отводящей полости В выравнивается с давлением надмембранной полости С, что позволяет исключить влияние колебаний давления в патрубках подачи воздуха в цилиндры двигателей внутреннего сгорания на усилия, необходимые для открытия тарелки 7 клапана.

При подаче напряжения на катушку 4 электромагнита подвижный якорь 6 перемещается к сердечнику 5, деформируя возвратную пружину 13, происходит преодоление усилия возвратной пружины 13 и притягивание подвижного якоря 6 с жестко соединенной с ним тарелкой 7 клапана к сердечнику 5 электромагнита. Топливный газ начинает поступать из радиальной подающей области А через образовавшийся канал между тарелкой 7 и седлом 8 в отводящую полость В и далее – во входные патрубки подачи воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, где происходит перемешивание с поступающим воздухом, подготовка топливной смеси и дальнейшее ее поступление через впускные клапаны механизма системы газораспределения в цилиндры двигателя. Это способствует устойчивой работе двигателя на всех режимах. Снятие питающего напряжения приводит к посадке тарелки 7 на седло 8 клапана и прекращению подачи газа в двигатель. Внутренняя обойма 15 клапана, установленная в корпусе 1 газового дозирующего клапана, фиксируется в нем корпусом электромагнита, и служит для центрирования и предварительной сборки элементов газового дозирующего клапана. Уплотнительные кольца корпуса электромагнита 16, служат для уплотнения внутренних полостей газового дозирующего клапана.

Ниже представлен пример конкретного осуществления предлагаемого изобретения.

Пример 1.

Примером использования данного клапана может служить газовый двигатель Г98М2 (6ГЧН36/45) производства ОАО «РУМО» мощностью
1 МВт с электронной системой управления.

Указанный двигатель внутреннего сгорания, работает на природном газе, но также, в качестве топлива может быть использован сжиженный природный газ, сжиженный нефтяной газ или свалочные газы с содержанием метана более 40%. Заявляемый двигатель имеет классический, традиционный блок цилиндров, а конструкция клапана может быть изготовлена на обычном технологическом оборудовании посредством обычных инструментов из известных материалов с использованием известных технологий. В качестве электромагнита, сердечника, якоря могут быть использованы стандартные изделия, все элементы рассматриваемого устройства являются известными – типовые узлы.

Управление газовым дозирующим клапаном осуществляется типовым электронным блоком управления напряжением 24 – 48 В, в котором встроена функция регулирования времени открытия тарелки 7 клапана. Сердечник 5 выполнен броневого типа, что позволяет эффективно отводить тепло от катушки 4 электромагнита. Тарелка 7 седла 8 клапана выполнена из высоколегированной стали с последующей закалкой и притиркой контактной поверхности, что значительно увеличивает рабочий ресурс. Тарелка 7 клапана и подвижный якорь 6 могут изготавливаться из электротехнической стали. В настоящее время изготовлены опытные образцы описанного клапана.

Проведенные предварительные испытания данного клапана и снятие основных характеристик при различных модификациях, позволяют сделать выводы о возможности применения данного изделия в газовых и газодизельных промышленных двигателях с цилиндровой мощностью от 100 до 450 кВт на цилиндр без установки дополнительного контура регулировки входного давления топливного газа во всем диапазоне работы двигателя (фиг. 4). При этом, изменение давления наддува двигателя не влияет на работоспособность данного изделия во всем рабочем диапазоне, а только на время открытия тарелки 7 клапана для создания топливной смеси необходимого качества.

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: исключена дополнительная прижимающая силы давления поступающего газа на открытие клапана благодаря перпендикулярному перекрытию подводящего канала относительно потока газа, повышена точность дозирования газа за счет регулирования времени открытия клапана через электронный блок управления, уменьшен расхода газа на всех режимах работы, включая переходные, увеличен общий ресурс работы двигателя внутреннего сгорания и упрощено изготовление и сборка клапанов различного проходного сечения путем замены только одного элемента клапана – кольца-ограничителя.

В описании и пунктах формулы изобретения настоящей заявки каждый из глаголов «состоит из», «включает», «содержит» и «имеет», а также их изменяемые формы используются в инклюзивном смысле, указывая на наличие заявляемого элемента, но не исключая наличия дополнительных элементов.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам подачи газа в газовых и газодизельных двигателях внутреннего сгорания большой мощности с электронным управлением топливоподачей. В изобретении электронный блок управления выполнен с возможностью регулирования времени открытия клапана, подводящий канал клапана, входящий в радиальную подающую полость, расположен так, что его перекрытие перпендикулярно потоку газа, дополнительно в устройство введены газовые окна, расположенные на выходе подающего канала и равномерно распределенные вдоль всей радиальной подающей полости, возвратная пружина, установленная на продольной оси подвижного якоря электромагнита и обеспечивающая нормально закрытое положение клапана при снятии или отсутствии управляющего напряжения на электромагните, разгрузочные каналы, выполненные в подвижном якоре электромагнита, и внутренняя обойма клапана, установленная между корпусом клапана и электромагнитом, причем подвижный якорь, жестко соединенный с тарелкой клапана, выполнен цилиндрическим с возможностью притягивания, уплотнительное кольцо седла клапана выполнено с круглым сечением, упругая мембрана выполнена в виде шайбы из упругого материала, имеющего высокую степень растяжения, и по внутреннему ободу герметично зажата между подвижным якорем и тарелкой клапана, а по внешнему ободу – между кольцом-ограничителем и внутренней обоймой клапана, кольцо-ограничитель выполнено из стали с возможностью регулирования высоты подъема тарелки клапана над седлом так, что изменение высоты кольца-ограничителя прямо пропорционально изменению пропускной способности газового дозирующего клапана. Технический результат – исключение дополнительной прижимающей силы давления поступающего газа на открытие клапана, повышение точности дозирования газа, уменьшение расхода газа на всех режимах работы, увеличение общего ресурса работы двигателя внутреннего сгорания и упрощение изготовления и сборки клапанов различного проходного сечения. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газовый дозирующий клапан двигателей внутреннего сгорания большой мощности, управляемый электронным блоком управления, содержащий корпус с подводящим и отводящим каналами, катушку электромагнита с сердечником, подвижный якорь, тарелку клапана, соединенную с подвижным якорем в единую деталь, седло клапана, уплотнительное кольцо седла клапана, упругую мембрану, расположенную между подвижным якорем и тарелкой клапана, кольцо-ограничитель, установленное между сердечником электромагнита и упругой мембраной, уплотнительные кольца корпуса электромагнита, отличающийся тем, что электронный блок управления выполнен с возможностью регулирования времени открытия клапана, подводящий канал клапана, входящий в радиальную подающую полость, расположен так, что его перекрытие перпендикулярно потоку газа, дополнительно в устройство введены газовые окна, расположенные на выходе подающего канала и равномерно распределенные вдоль всей радиальной подающей полости, возвратная пружина, установленная на продольной оси подвижного якоря электромагнита и обеспечивающая нормально закрытое положение клапана при снятии или отсутствии управляющего напряжения на электромагните, разгрузочные каналы, выполненные в подвижном якоре электромагнита, и внутренняя обойма клапана, установленная между корпусом клапана и электромагнитом, причем подвижный якорь, жестко соединенный с тарелкой клапана, выполнен цилиндрическим с возможностью притягивания, уплотнительное кольцо седла клапана выполнено с круглым сечением, упругая мембрана выполнена в виде шайбы из упругого материала, имеющего высокую степень растяжения, и по внутреннему ободу герметично зажата между подвижным якорем и тарелкой клапана, а по внешнему ободу – между кольцом-ограничителем и внутренней обоймой клапана, кольцо-ограничитель выполнено из стали с возможностью регулирования высоты подъема тарелки клапана над седлом так, что изменение высоты кольца-ограничителя прямо пропорционально изменению пропускной способности газового дозирующего клапана.

2. Газовый дозирующий клапан двигателей внутреннего сгорания большой мощности по п.1, отличающийся тем, что все уплотнительные кольца клапана выполнены резиновыми.

3. Газовый дозирующий клапан двигателей внутреннего сгорания большой мощности по п.1, отличающийся тем, что тарелка седла клапана выполнена из высоколегированной стали с последующей закалкой и притиркой контактной поверхности.

4. Газовый дозирующий клапан двигателей внутреннего сгорания большой мощности по п.1, отличающийся тем, что подвижный якорь выполнен из электротехнической стали.

5. Газовый дозирующий клапан двигателей внутреннего сгорания большой мощности по п.1, отличающийся тем, что упругая мембрана, выполненная в виде шайбы, изготовлена из упругого материала, имеющего химическую стойкость к элементам, присутствующим в составе сжиженного и компримированного природного газа.