Система питания двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1992 года по МПК F02M21/02 

Изобретение относится к устройствам для регулирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих одновременно на нескольких видах топлива.

Система может быть использована в двигателестроении.

Известна система питания ДВС (см. журнал Химическая технология, 1989, №6, с. 45-47), содержащая регулятор и топливный насос высокого давления, рейка которого и двуплечий рычаг регулятора кинематически соединены с главным рычагом регулятора, соединенного с управляющим золотником гидроусилителя и воздействующего на газовую и воздушные заслонки. Благодаря этому при работе двигателя по газодизельному циклу регулятор может воздействовать либо только на подачу газа при неподвижной рейке топливного насоса, отрегулированного на подачу небольшой запальной дозы дизельного топлива, либо одновременно на подачу газа и дизельного топлива. Газовоздушная смесь в газодизель поступает на вход в турбокомпрессор под действием создаваемого ими разрежения,

Недостатком известной системы питания газодизеля является то, что подача газовоздушной смеси на вход в турбокомпрессор снижает давление наддува, так как плотность газовоздушной смеси ниже, чем плотность воздуха (по данным испытаниям - см. там же), давление наддува газовоздушной смеси 30-40 кПа вместо 60-95 кПа по технической характеристике дизеля (двигатель ЯМЗ-240Н1), а это ведет к снижению массового наполнения цилиндров и как результат - снижает эффективную мощность двигателя с турбонаддувом при работе его по газодизельному циклу. Кроме этого, в данной системе питания неэффективно используется давление сжатого газа. Давление газа, содержащегося в резервуаре (баллоне) под давлением 20 МПа, сначала понижают до давления, близкого к атмосферному, а затем опять сжимают в компрессоре, на что затрачивается значительная часть энергии, а также газ, поступающий на вход в компрессор, нагревается от горячих

стенок компрессора, увеличиваясь в объеме, снижает эффективность работы компрессора, то есть снижается давление наддува.

Недостатком известной системы питания двигателя с турбонаддувом является низкая удельная мощность двигателя при работе его по газодизельному циклу.

Известна система питания двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающая

подачу газового топлива во впускной трубопровод под давлением (авт. св. № 137743, кл. F 02 М 21/02), выбранная в качестве прототипа. Она содержит установленный на впускном коллекторе двигателя карбюратоpa-смесителя, в корпусе которого выполнен диффузор и установлены эжектор и дроссельная заслонка, кинематически связанная с педалью акселератора. Система содержит также регулятор (пневморегулятор) расход газа, состоящий из корпуса, внутри которого установлена малая диафрагма, жестко закрепленная на штоке, который через рычаг соединен с клапаном, На этом же штоке установлена большая диафрагма. К корпусу регулятора (пневморегуля- тора) расхода газа прикреплена крышка с регулировочным винтом. Крышка со стенками корпуса и большой диафрагмой образуют сообщенную с атмосферой атмосферную

полость, внутри которой установлена пружина.

Корпус, большая и малая диафрагмы образуют полость управляющего давления (полость низкого давления), которая каналом сообщена с диффузором. Корпус, малая диафрагма и клапан образуют полость переменного давления (полость высокого давления), вход в которую через клапан, канал, фильтр с электромагнитным клапаном и ре5 дуктор высокого давления (редуктор) соединен с газовым резервуаром (баллоном), а выход из нее каналом соединен с пнев- моклапаном, включающим корпус, внутри которого установлена диафрагма, и прикрепленную к нему крышку. Между диафрагмой и крышкой установлена пружина. Крышка и диафрагма пневмоклапана образуют вакуумную полость, которая каналом сообщена с задроссельным пространством карбюратора-смесителя. А корпус и диафрагма пневмоклапана образуют рабочую полость, вход в которую через клапан и канал соединен с полостью переменного давления (полостью высокого давления) регулятора (пневморегулятора) расхода газа, а выход - через канал с эжектором.

Недостатком известной системы питания двигателей с подачей газа во впускной трубопровод под давлением является низкая надежность в работе двигателей с наддувом, работающих по газодизельному циклу, так как данная система не обеспечивает соответствующего расхода воздуха и газового топлива в зависимости от режима работы газодизеля с наддувом.

Целью изобретения является повышение надежности в работе ДВС с наддувом, работающих по газодизельному циклу.

Поставленная цель достигается тем, что в системе питания двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, содержащей газовый резервуар, впускной трубопровод двигателя с диффузором, газовую магистраль, регулятор расхода газа, соединенный с газовым резервуаром через газовую магистраль и выполненный в виде корпуса с закрепленными в нем соосными большой и малой диафрагмами, жестко связанными между собой и с клапаном, образующими совместно с корпусом и между собой полость управляющего давления, сообщенную с диффузором, причем малая диафрагма совместно с корпусом образует полость переменного давления, сообщенную с впускным трубопроводом после диффузора и турбокомпрессора, согласно изобретению регулятор расхода газа снабжен дополнительной диафрагмой, установленной соосно с большой диафрагмой и жестко связанной с последней с образованием между ними и корпусом полости разрежения, связанной с впускным трубопроводом до диффузора, а с днищем корпуса - полости магистрального давления, сообщенной с впускным трубопроводом после турбокомпрессора, и газовым редуктором низкого давления, вход которого сообщен с газовой магистралью, а выход - с полостью переменного давления, причем диаметр дополнительной диафрагмы равен диаметру

малой диафрагмы и диафрагмы жестко связаны с клапаном, установленным на выходе редуктора низкого давления.

На чертеже изображена общая схема 5 описываемой системы питания ДВС.

Она содержит редуктор-регулятор, включенный в магистраль газового топлива и включающий редуктор низкого давления А и регулятора расхода газа В. Редуктор низ0 кого давления А содержит корпус 1 и расположенную внутри него рабочую диафрагму 2, связанную рычагом 3 с клапаном 4. Корпус 1 и рабочая диафрагма 2 совместно с клапаном 4 образуют полость низкого дав5 ления 5. Регулятор расхода газа В включает корпус 6, внутри которого расположен вакуумный разгружатель 7, содержащий кожух 8 и прикрепленную в нему кольцевую диаф-, рагму 9. Между кожухом 8 и кольцевой ди0 афрагмой 9 установлена пружина 10. Кожух 8 и кольцевая диафрагма 9 образуют вакуумную полость 11. На верхней части кожуха 8 закреплена малая диафрагма 12, жестко соединенная со штоком 13, связанная рыча5 гом 14с клапаном 15 и образующая с корпусом 6 регулятора расхода газа В полость переменного давления 16.

На штоке 13 закреплена соосно малой диафрагме 12 большая диафрагма 17, котрQ рая совместно с малой диафрагмой 12, корпусом 6 и кожухом 8 образует полость управляющего давления 18. На этом же штоке 13 установлена дополнительная диафрагма 19, равная по диаметру малой диафрагме

5 12 и образующая полость разрежения 20. К корпусу 6 регулятора расхода газа В прикреплена крышка 21, внутри которой установлена пружина 22. Крышка 21 и дополнительная диафрагма 19 образуют поQ лость магистрального давления 23. Полость низкого давления 5 через клапан 4, канал 24, фильтр с электромагнитным клапаном 25 и редуктор высокого давления 26 сообщена с газовым резервуаром 27. Полость перемен5 чого давления 16 каналом 28 через газовый дозатор 29 соединена с впускным коллекто- ром 30 цилиндра 31 двигателя. Полость магистрального давления 23 каналом 32 также соединена с впускным коллектором 30. На

п впускном коллекторе 30 установлен компрессор 33, который каналом 34 сообщен с впускным трубопроводом 35, на котором закреплен воздушный фильтр 36. Внутри впускного трубопровода 35 после воздушного фильтра 36 выполнен диффузор 37. горловина которого каналом 38 сообщена с вакуумной полостью 11,а каналом 39 - с полостью управляющего давления 18. Полость разрежения 20 каналом 40 сообщена с впускным трубопроводом 35. Газовый дозатор 29 ки5

нематически соединен с педалью акселератора 41 (элементы системы питания двигателя дизельным топливом на чертеже не показаны, так как они аналогичны существующим).

Система работает следующим образом.

При работе двигателя в газодизельном режиме в зоне рабочих частот вращения разрежение из диффузора 37 впускного трубопровода 35 передается в полость управляющего давления 18 регулятора расхода газа В и вследствие разности площадей диафрагм 12 и 17 создается усилие, которое совместно с усилием, создаваемым давлением в полости магистрального давления 23 на диафрагме 19, преодолевая усилие пружины 22, открывает клапан 15 и газовое топливо через полость переменного давления 16, канал 28, газовый дозатор 29 поступает во впускной коллектор 30 двигателя, куда одновременно поступает воздух после компрессора 33. При этом полость разрежения 20 через канал 40 сообщена с впускным трубопроводом 35 после воздушного фильтра 36, благодаря чему давление в полости переменного давления 16 зависит от давления воздуха после турбокомпрессора 33 и от сопротивления воздушного фильтра 36, что и необходимо.

Докажем, что заявляемая система питания обеспечивает соответствие между расходом воздуха и расходом газа, то есть обеспечивает работоспособность дизельного двигателя с наддувом при работе его по газодизельному циклу.

Давление газа в полости переменного давления 16 будет характеризоваться уравнением

Рг Fi2 - Рд Fi2 + Рд Fi - Рн Fi7+ + Рн Fig-PK Fis 0,(1)

где Pr - абсолютное давление газового топлива в полости переменного давления;

Рд - абсолютное давление в диффузоре;

Рн - абсолютное давление во впускном трубопроводе после фильтра;

Рк - абсолютное давление за компрессором,

Fi2, Fi, Fig - площади соответственно диафрагм 12, 17 и 19.

После преобразования уравнения (1) и имея в виду, что Fi2 Fig, получим

ИЛИ Рг - Рк (Рн - Рд)

F-I7 - F12 F12

(3)

Запишем выражение для коэффициента избытка воздуха а.

а -

Gr Lo

(4)

где LQ- теоретически необходимое количе- ство воздуха для полного сгорания топлива;

Ge. Gr - действительные расходы соответственно воздуха и газового топлива.

15 GB (Od igpe

Gr Шг fr /Or,

(5) (6)

где Шв, ok - скорости соответственно воздуха в горловине диффузора и газового топлива в дросселе газового дозатора (в щели между дроссельной заслонкой и каналом газового дозатора);

тд, fr - площади соответственно горловины диффузора и дросселя газового дозатора;

Pa . рг плотности соответственно воздуха в горловине диффузора и газового топлива в дросселе газового дозатора.

при небольшой разнице давлений (Рн - Рд) и (Рк - Рн) (до 2000 мм вод. ст.) воздух и газовое топливо можно рассматривать как несжимаемую среду и скорости их потоков в горловине диффузора и дросселя газового

дозатора запишутся

о Рн Рд

.

А

(7)

40„ Рг - Рк

( 2 гт Гк

А

(8)

где //д, fir - коэффициенты скорости соответственно в диффузоре и дросселе газового дозатора.

Подставляя значения скорости (7) и (8) соответственно в (5) и (6), а полученные значения расходов воздуха и газового топлива - в (4) и произведя Преобразования, будем иметь

а

- д Рь . -1 Lo fir fr

РН Рд .

Рг-Рк

О)

Использование: двигателестроение, ус- тройства для регулирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих одновременно на нескольких видах топлива. Сущность изобретения: система питания ДВС помимо стандартных элементов питания газовым и дизельным топливом содержит редуктор-регулятор расхода газа, состоящий из редуктора низкого давления А, который через клапан 4 подсоединен к газовому резервуару 27, и регулятора расхода газа В, соединенного с полостью низкого

(Рг-Рк)Р12(Рн-РдХР17-Р12)

(2)

Учитывая, что тд, Lo и fir - величины постоянные, а значения плотностей рв и

РГ для каждой частоты вращения также остаются постоянными, то

РВ const B(1Q)

U А

С учетом выражений (10) и (3) уравнение (9) перепишется

(Рн-Рд)

(Рн-Рд)Р17-р12

: (11)

F12

или

F12

FIT - Fi2

(12)

Так как площади диафрагм Fi2 и FI величины постоянные, то уравнение (12) запишется

а

с

fr

(13)

где с - постоянный коэффициент для каждой частоты вращения

с В

Fw

FI - Fi2

(14)

Зависимость (13) показывает, что при неизменной любой частоте вращения во всем диапазоне нагрузок коэффициент избытка воздуха однозначно определяется только открытием дроссельной заслонки газового дозатора, то есть площадью образуемого дросселя fr и не зависит ни от сопротивления воздушного фильтра, ни от давления за компрессором (коррекция подачи газового топлива в зависимости от сопротивления воздушного фильтра и давления за компрессором).

Если пренебречь влиянием отношеРвния при переходе на другие частоты

А вращения, что не внесет значительной

ошибки, то зависимость (13) справедлива для всего диапазона режимов работы двигателя.

Таким образом, заявляемая система питания обеспечивает подачу газового топлива во впускной коллектор двигателя (за компрессором) пропорциональную расходу воздуха (частоте вращения) и открытию дроссельной заслонки газового дозатора,

независимо от давления, создаваемого компрессором. Кроме обеспечения надежности в работе двигателя с наддувом, работающего по газодизельному циклу во всех диапазонах скоростных и нагрузочных режимов.

это приводит к следующим преимуществам:

уменьшает работу, затрачиваемую в

компрессор, так как газовое топливо в нем

не сжимается, что повышает экономичность

двигателя;

снижает температуру гэзовоздушной смеси на входе в цилиндры благодаря смешению сжатого горячего воздуха после компрессора с холодным газовым топливом, что

повышает его антидетонационную стойкость и улучшает надежности двигателя в работе.

Формула изобретения

Система питания двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, содержащая газовый резервуар, впускной трубопровод двигателя с диффузором, газовую магистраль, регулятор расхода газа, соединенный с газовым резервуаром через газовую магистраль и выполненный в виде корпуса с закрепленными в нем соосными большой и малой диафрагмами, жестко связанными

между собой и с клапаном, образующими совместно с корпусом и между собой полость управляющего давления, сообщенную с диффузором, причем малая диафрагма совместно с корпусом образует полость переменнрго давления, сообщенную с впускным трубопроводом после диффузора и турбокомпрессора, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности работы, регулятор расхода газа снабжен дополнительной диафрагмой, установленный соосно большой диафрагмой и жестко связанной с последней с образованием между ними и корпусом полости разрежения, связанной с впускным трубопроводом до диффузора, а с

днищем корпуса - полости магистрального давления, сообщенный с впускным трубоп- роводом после турбокомпрессора, и газовым редуктором низкого давления, вход которого сообщен с газовой магистралью, а

выход - с полостью переменного давления, причем диаметр дополнительной диафрагмы равен диаметру малой диафрагмы, и диафрагмы жестко связаны с клапаном, установленным на выходе редуктора низкого давления.