Устройство для подогрева топлива в распылителе гидромеханической форсунки дизельного двигателя Российский патент 2024 года по МПК F02M53/06 F02N19/00 F02M61/10 F02M61/16 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Эксплуатация машин с дизельными двигателями в зимний период на территории Российской Федерации представляет большую проблему, которая заключается в том, что холодный пуск двигателя в диапазоне низких температур окружающего воздуха затруднен или невозможен. Причина - низкая температура конца такта сжатия и большая задержка воспламенения. В случае пуска работа двигателя сопровождается большой по величине неполнотой сгорания топлива, высокой жесткостью, увеличением вредных выбросов в атмосферу и, как следствие, большим расходом топлива.

Известно устройство (Патент RU 2785 418 С1 от 07.12.2022), которое снижает период задержки воспламенения топлива в дизельных двигателях за счет подвода к топливу дополнительной энергии, количество которой соответствует энергии, затраченной на активацию дозы топлива, подаваемой в камеру сгорания. Устройство включает в себя гидромеханическую форсунку, в штанге которой размещен нагревательный элемент. Начало нагревательного элемента приварено к штанге, а конец изолируется и выводится через токоприемник-компенсатор на внешний разъем.

Недостатки устройства, реализующего данный способ, заключаются в том, что первые несколько цикловых подач топлива (4-6 циклов и более) подаются в камеру сгорания в холодном состоянии. Очевидно, что заявленный эффект на данном временном отрезке будет отсутствовать, а пуск затруднен или невозможен. Кроме того, большая доля энергии будет отводится в тело головки блока.

Известно устройство (А.с. (21)3878802/25 - 06 (22) 04.04.85), которое предназначено для повышения экономичности дизельного двигателя путем подогрева топлива непосредственно в корпусе форсунки. Нагрев топлива осуществляется за счет теплоты, которая передается от поверхности распылителя, находящейся в камере сгорания. С целью охлаждения распылителя и вторичного использования этой энергии для нагрева топлива в форсунке, в ее корпусе выполнен дополнительный канал, соединяющий аккумулятор с под игольчатой полостью. Причем направляющая и уплотняющая поверхности иглы расположены сверху над дополнительным каналом и аккумулятором.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство (А.с. №1268785 SU). Устройство предназначено для подогрева топлива непосредственно в распылителе форсунки. Нагревательный элемент, устанавливаемый на носок распылителя, состоит из двух вставленных друг в друга тонкостенных гильз, изготовленных из жаропрочного материала. Между стенками гильз в образовавшееся кольцевое пространство укладывается спираль из нихрома и изолируется оксидом магния.

Недостатки предлагаемого устройства заключаются в том, что не решены конструктивные вопросы вывода питающего провода на внешний разъем. Кроме того, подобные подогреватели топлива на распылителе требуют доработки конструкции головки блока. Их мощность ограничена геометрическими размерами и конструкцией распылителей. Наличие внутренней (между боковой поверхностью и нагревательным элементом) гильзы создает пустоты между поверхностями носка распылителя и гильзы, увеличивая тепловое сопротивление, в результате чего снижается коэффициент полезного использования теплоты, выделяемой нагревателем.

Технической задачей изобретения является повышение коэффициента полезного использования теплоты, выделяемой нагревателем в период предпусковой подготовки, повышение пусковых качеств дизельного двигателя, ремонтопригодности, долговечности и взаимозаменяемости распылителей, снижение неполноты сгорания топлива и, как следствие, выброса вредных веществ. Поставленная задача решается путем введения новых конструктивных и функциональных элементов, а также изменения характера взаимосвязи между ними.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что устройство для подогрева топлива в распылителе гидромеханической форсунки дизельного двигателя в предпусковой и послепусковой периоды содержит электронагреватель, который установлен на распылителе форсунки, нагревательный элемент размещен непосредственно на носке распылителя, который является частью нагревательного устройства, одновременно выполняющий функцию теплового аккумулятора. В корпусе форсунки и распылителя выполнено сквозное отверстие, которое проходит параллельно вертикальной оси форсунки и выведено в кольцевую проточку распылителя. На внутреннюю поверхность дополнительных каналов в корпусе форсунки, распылителя, наружной поверхности носка распылителя и поверхности кольцевой проточки нанесен электроизолирующий слой.

На разъемной прецизионной части корпуса форсунки и распылителя установлен внутренний разъем, состоящий из двух половин: часть разъема «папа» установлена в распылителе, а «мама» - в корпусе форсунки. Контактная группа внутреннего разъема изолирована с помощью втулок, изготовленных из электроизоляционного и термостойкого материала. Фиксация втулок в корпусе распылителя выполнена с помощью высокотемпературных клеев. К разъемным половинкам присоединены одножильные, покрытые термостойкой изоляцией питающие провода. Один из них выведен из корпуса форсунки и присоединен к контакту внешнего разъема, а второй пропущен через вертикальный канал в распылителе и на выходе уложен в кольцевую проточку, которая выполнена в торце корпуса распылителя со стороны носка, на который нанесен электроизолирующий слой, и соединен с концом резистивного нагревательного элемента. Начало нагревательного элемента присоединено к носку распылителя. Наружные поверхности нагревательного элемента покрыты электроизолирующей и теплозащитной пленкой, которая закрыта экраном из жаропрочной стали. Экран приварен по периметру носка и нижней торцевой поверхности распылителя. Пленочные нагреватели в холодном состоянии имеют малое сопротивление, в результате чего при включении потребляют большую мощность, быстро разогреваются (20-30 с). При разогреве сопротивление возрастает, мощность снижается. Через определенный промежуток времени наступает баланс теплоты, произведенной и отведенной, что сопровождается стабилизацией температуры объекта. Иными словами, пленочные технологии позволяют создавать нагреватели с заданными тепловыми характеристиками. В нашем случае максимальная температура не превышает 250°С, минимальная - 85-90°С.

В одном из вариантов реализации изобретения в форсунку установлена термопара, которая контролирует температуру топлива в кольцевой проточке распылителя форсунки, при этом на дизельный двигатель устанавливается только одна форсунка с термопарой.

В одном из вариантов реализации изобретения для повышения эффективности подогрева топлива, кроме подогревателя на носке распылителя, в основном топливном канале корпуса форсунки установлен дополнительный штифтовый нагреватель; для исключения тепловых потерь в основной топливный канал введена теплоизолирующая втулка или на поверхность канала нанесено методом напыления теплоизолирующее покрытие, уплотнение между поверхностями резьбовой втулки штифтового нагревателя и корпусом форсунки выполнено с помощью металлической шайбы из пластичного материала, например, из меди.

Авторам и заявителю неизвестны технические решения, в которых использовались бы отличительные признаки предполагаемого изобретения.

Устройство (фиг. 1) включает в себя корпус форсунки 1, в котором выполнены основной 2 и соединяющий дополнительный канал 3 с топливопроводом высокого давления; в основной топливный канал вставлена втулка из теплоизолирующего материала 4 или нанесено методом напыления высокоэффективное теплоизолирующее покрытие; основной канал, проходящий через корпус форсунки, состыкован с каналом в корпусе распылителя 5 и выведен в кольцевую проточку 6 распылителя, на носке которого расположены сопловые отверстия. От положения запорной иглы 7, количества сопловых отверстий 8 и их диаметра зависит расход топлива двигателем.

На носок распылителя нанесена электроизоляционная подложка 9, которая обладает хорошей теплопроводностью, поверх размещен резистивный нагревательный элемент 10, начало элемента соединено с корпусом распылителя, а конец уложен во внешнюю кольцевую проточку торца распылителя и соединен с питающим проводом, который подходит к штекеру внутреннего разъема «папа-мама», в случае, если укладывают несколько резистивных слоев, то каждый из них покрывают электроизоляцией 11, а последний - теплоизоляцией 12; для защиты нанесенных слоев устанавливают и приваривают к распылителю по периметру в верхней и нижней части защитный экран 13, изготовленный из жаропрочной стали; напряжение, к нагревательным элементам поступает по питающему проводу 14, через внутренний разъем «папа-мама», состоящий из электроизоляционной втулки 15 и гильзы 16, штекера разъема «папа» 17 установленного с помощью втулки 18, которая аналогична втулке 15; крепление распылителя к корпусу форсунки выполнено с помощью накидной гайки 19; в основной канал ввернут штифтовый нагреватель 20 с зазором между стенками нагревателя и теплоизолирующего слоя 0,25 мм.; нагреватель представляет трубку, в которую вставлена и изолирована от трубки нить, например, нихром и т.п.; в качестве электроизоляционного материала используют, например, окись магния; нижний конец трубки нагревателя запаян вместе с нитью, а верхний разделан, например, с помощью резьбовой втулки, разъема «папа» и клея. Для герметизации топливного канала между торцами свечи и поверхностью гнезда установлена металлическая шайба из пластичного материала, например, из меди. Питающим проводом 21 вторая половинка внутреннего разъема соединена с внешним 22. Каналы, кольцевые проточки и другие пустоты заполнены клеем.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В алгоритме работы устройства заложены три режима: предпусковой прогрев форсунок с топливом (режим «термофорсирования») - работают оба нагревателя в течение не более 60 с, режим послепусковой стабилизации температуры топлива на уровне 85-90°С в кольцевой проточке форсунок двигателя - работает только штифтовый нагреватель и рабочий режим с отключенным подогревом топлива. Режим предпусковой тепловой подготовки форсунок является основным и самым энергоемким. Верхний предел температурного режима «термофорсирования» ограничивается средней термодинамической температурой кипения топлива 250°С. У серийного двигателя (без подогрева) в камеру сгорания впрыскивается холодное топливо, которое нагревается до температуры кипения за счет теплоты сжатого в камере сгорания воздуха. В результате чего возникает значительный перепад температур между слоями воздушных масс и поверхностью топливных факелов. При предварительном нагреве форсунки топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, сразу начинает испаряться, образуя горючую смесь, которая способна к самовоспламенению при более низкой температуре воздушного заряда. Предварительные расчеты показали, что для нагрева топлива, находящегося в распылителе, и металла распылителя от минус 20°С до температуры кипения в течение 60 с достаточно мощности 150 Вт. Объем топлива, находящегося в каналах распылителя, составляет всего лишь 2 цикловые подачи. На нагрев одной цикловой подачи топлива было использовано около 70,7 Дж. В это же время на нагрев металла распылителя до этой же температуры было затрачено теплоты почти в 100 раз больше (6,95 кДж). Однако, следует отметить, что распылитель (сталь весом 55 г) выполняет важную функцию - теплового аккумулятора, который, заряжаясь в период предпусковой подготовки, способствует накоплению теплоты и поддержанию режима «термофорсирования» в период регламентированных ГОСТом попыток пуска, и плавному снижению температуры топлива от 250°С до 85-90°С в послепусковой период за счет запасенной ранее теплоты и выключенном нагревателем на распылителе.

Подогрев топлива прекращают при температуре охлаждающей жидкости в головке блока от 80°С и выше. Предпусковой режим инициируется водителем непосредственно перед пуском, переход на последующие режимы осуществляют автоматически с помощью блока управления, бортового компьютера или подбором теплотехнических характеристик материалов, из которых изготавливают нагревательные элементы. Согласно проведенным предварительным расчетам и экспериментальным исследованиям время предпусковой тепловой подготовки, включая «термофорсирование», не должно превышать 60 с. Переход на режим послепускового прогрева происходит автоматически, при этом температура топлива снижается с 250°С до 85-90°С. Условие перехода - отсутствие пропусков вспышек (провалов в частоте вращения коленчатого).

Для более точного управления работой подогревателя топлива в форсунках с помощью бортового компьютера на двигатель устанавливают одну форсунку с датчиком температуры (термопара). Для датчика температуры в корпусе форсунки сверлят отверстие как можно ближе к торцевой поверхности (прецизионному разъему). через которое концы термопары выводят наружу к соответствующему разъему. Отверстие с термодатчиком герметизируют. О готовности к пуску свидетельствует световой сигнализатор.

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для подготовки ДВС к пуску, последующего их эффективного послепускового прогрева и поддержания оптимального теплового режима при работе в разных климатических условиях. Предложено устройство для подогрева топлива в гидромеханической форсунке дизельного ДВС в предпусковой и послепусковой периоды, содержащее нагревательный элемент 10, размещенный непосредственно на носке распылителя, который также выполняет функцию теплового аккумулятора, и штифтовой нагреватель 20, установленный в основном топливном канале корпуса 1 форсунки, изолированном от корпуса 1 форсунки теплоизоляцией 4. Для управления работой устройства подогрева топлива в форсунке с помощью бортового компьютера в корпус форсунки устанавливают термопару, контролирующую температуру топлива в кольцевой проточке распылителя. При этом на дизельный ДВС устанавливают только одну форсунку с термопарой. Устройство позволяет обеспечить надежный пуск ДВС при низких температурах и снизить вредные выбросы в окружающую среду. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для подогрева топлива в распылителе гидромеханической форсунки дизельного двигателя в предпусковой и послепусковой периоды, содержащее электронагреватель, который установлен на распылителе форсунки, отличающееся тем, что нагревательный элемент размещён непосредственно на носке распылителя, который является частью нагревательного устройства, одновременно выполняющий функцию теплового аккумулятора, в корпусе форсунки и распылителя выполнено сквозное отверстие, которое проходит параллельно вертикальной оси форсунки и выведено в кольцевую проточку распылителя; на внутреннюю поверхность дополнительных каналов в корпусе форсунки, распылителя, наружной поверхности носка распылителя и поверхности кольцевой проточки нанесен электроизолирующий слой, на разъёмной прецизионной части корпуса форсунки и распылителя установлен внутренний разъём, состоящий из двух половин: часть разъёма «папа» установлена в распылителе, а «мама» - в корпусе форсунки; контактная группа внутреннего разъема изолирована с помощью втулок, изготовленных из электроизоляционного и термостойкого материала, фиксация втулок в корпусе распылителя выполнена с помощью высокотемпературных клеев; к разъёмным половинкам присоединены одножильные покрытые термостойкой изоляцией питающие провода, один из них выведен из корпуса форсунки и присоединен к контакту внешнего разъёма, а второй пропущен через вертикальный канал в распылителе и на выходе уложен в кольцевую проточку, которая выполнена в торце корпуса распылителя со стороны носка, на который нанесен электроизолирующий слой, и соединен с концом резистивного нагревательного элемента, а начало нагревательного элемента присоединено к носку распылителя; наружные поверхности нагревательного элемента покрыты электроизолирующей и теплозащитной плёнкой, которая закрыта экраном из жаропрочной стали, экран приварен по периметру носка и нижней торцевой поверхности распылителя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в форсунку установлена термопара, которая контролирует температуру топлива в кольцевой проточке распылителя форсунки, при этом на дизельный двигатель устанавливается только одна форсунка с термопарой.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в основном топливном канале корпуса форсунки установлен дополнительный штифтовый нагреватель, для исключения тепловых потерь в основной топливный канал введена теплоизолирующая втулка или нанесено методом напыления теплоизолирующее покрытие, для герметизации топливного канала между поверхностями штифтового нагревателя и корпуса форсунки установлена металлическая шайба из пластичного материала, например из меди.