Устройство для предварительного нагрева всасываемого воздуха многоцилиндрового дизельного двигателя Советский патент 1992 года по МПК F02N17/53 

Изобретение относится к устройствам для предварительного нагрева всасываемого воздуха многоцилиндрового дизельного двигателя.

Запуск дизельного двигателя в холодном состоянии (зимой, при температуре ниже 0°С) является, как известно, еще проблематичным, тэк как температура сжатого в головке блока цилиндров (камере сгорания) воздуха, даже при выполнении других условий запуска двигателя в холодном состоянии, при том числе оборотов двигателя, которое обеспечивает пусковой двигатель в конце периода сжатия, не всегда достигает температуры воспламенения впрыснутого топлива (газойля). Эта проблема появляется в наиболее распространенных двигателях непосредственного впрыска, где по конструктивным причинам в камере сгорания не может быть установлена электрическая свеча накаливания.

С целью облегчения холодного запуска дизельного двигателя без использования свечи накаливания предложено несколько технических решений, которые в принципе можно разделить на три группы.

Одно из таких решений заключается в подогреве всасываемого воздуха с XI

ю

N3 00 ГО

00

мощью нити накала, нагреваемой электрическим током от аккумулятора (батареи). Недостатки этого технического решения заключаются в следующем:

-аккумулятор, имеющий без того пониженную емкость в зимний период, несет сильную нагрузку;

-напряжение на зажимах .аккумулятора, нагруженного электрическим подогревателем, падает так сильно, что пусковой двигатель не в состоянии вращать холодный двигатель, обладающий более высоким моментом, или может вращать его с низкой скоррстью вращения, что для запуска является недостаточным;

-мощность, идущая на нагрев применяемого во всасывающей трубе нагревательного сопротивления, из-за ограниченной емкости аккумулятора невелика, и поэтому она не может обеспечить нагрев всасываемого воздуха до той температуры, которая необходима для надежного самовоспламенения топлива.

Другое решение заключается в подогреве всасываемого воздуха с помощью зажигаемого термоэлектричеством во всасывающей трубе и сжигаемого топлива. Хотя это решение и сохраняет аккумулятор, так как для зажигания топлива во всасывающей трубе достаточно нити накала небольшой потребляемой мощности, однако и это решение имеет следующие недостатки;

-подача топлива осуществляется путем использования силы тяжести или с помощью давления, создаваемого топливо- подкачивающим насосом, и, следовательно, такая подача чувствительна к закупоркам и имеет низкую эксплуатационную надежность;

-из-за гравитационной или под низким давлением подачи топлива смешение газойля с воздухом является неудовлетворительным, топливо соприкасается с воздухом на небольшой площади поверхности, поэтому количество отдаваемого тепла ограничено и пламя образует сажу, что может также повреждать конструктивные детали двигателя.

Очередное решение заключается в применении внешнего пускового вспомогательного средства (старт-пилота), при этом во всасываемый воздух добавляют материал (газ) с низкой точкой воспламенения (с низкой предельно допустимой степенью сжатия).

Недостатки этого решения заключаются в следующем:

-необходим отдельный вспомогательный материал, обеспечение которого требует постоянного повышенного внимания;

- если внешнее пусковое вспомогательное средство не установлено на двигателе постоянно и его нельзя обслуживать с сидения водителя, то его использование затруднено и требует согласованного действия двух лиц.

Техническое решение согласно вышеизложенному принципу описано в выложенной заявке ФРГ № 2630863, где описано

такое устройство, которое получает сжигаемое во всасывающей трубе топливо из главного топливопровода, расположенного за топливоподкачивающим насосом. Этот топ- ливоподкачивающий насос играет роль нагнетательного насоса, кроме того, он пригоден также для количественного регулирования топлива, подаваемого в цилиндры двигателя. Следовательно в главном топливопроводе имеет место низкое давление (несколько бар). Высокого давления (несколько сотен бар), необходимого для осуществления впрыска топлива в цилиндры двигателя, достигают не с помощью топ- ливоподкачивающего насоса, а с помощью насосов для впрыска, снабженных форсунками и вмонтированных в головку блока цилиндров, а именно с помощью поршней, приводимых в действие кулачками. Следовательно, эта подача подогретого топлива осуществляется топливоподкачивающим

насосом под низким давлением.

Подогреватель согласно выложенной заявке Х&РГ № 2630863 можно применять только в дизельных двигателях, снабженных такой системой подачи топлива, где

смонтированы применяемые для отдельных цилиндров форсунка и насос для впрыска. Согласно вышеуказанной конструкции здесь отсутствует напорная труба, соединяющая форсунку и насос для впрыска.

Целью изобретения являлось создание устройства, которое позволило бы устранить вышеизложенные недостатки и несовершенства при осуществлении холодного запуска двигателей внутреннего сгорания с

самовоспламенением от сжатия (дизельных двигателей).

При применении устройства указанные недостатки устраняются тем, что сжигаемое с целью подогрева топливо (газойль) высоким давлением распыляют в виде аэрозоли, подают во всасывающую трубу и воспламеняют, благодаря чему практически исключается опасность закупорки, и топливо, соприкасаясь с воздухом на большой площади поверхности, сжигают с хорошим КПД, без образования сажи, с достаточным теплообразованием. Высокое давление топлива, необходимое для распыления, обеспечивается путем ответвления трубы для

впрыска (напорной трубы), ведущей к одному цилиндру многоцилиндрового двигателя, и путем подачи во всасывающую трубу топлива (или части его), направляемого к названному цилиндру с помощью насоса для впрыска.

Предложенное в изобретении техническое решение отличается тем, что топливо для двигателя распыляют при помощи давления во всасывающей трубе.

На время запуска отсекают топливопровод, идущий от насоса для впрыска на двигателе к форсунке, относящейся к одному цилиндру.

Устройство отличается тем, что во всасывающей трубе двигателя установлены известный термоэлектрический элемент для зажигания и известный, работающий на принципе механического распыления распылитель высокого давления топлива, кото- рый с помощью магистрального трубопровода через известный отключающий орган высокого давления подсоединен к трубопроводу высокого давления, соединяющему насос для впрыска и форсунку, относящуюся к одному цилиндру.

Предложенное устройство содержит предпочтительно такой отключающий орган высокого давления, в корпусе которого выполнены резьбовые присоединительные элементы для напорных труб, сообщающиеся друг с другом проточными каналами, и который содержит установленный в полости органа запорный элемент, прилегающий к седлу, выполненному на одном из этих проточных каналов, а также упор для запорного элемента, соединенный с корпусом винтовой резьбой и снабженный поводковым присоединительным элементом. К этому упору для запорного органа подсоединен снабженный шайбой болт управления, который прижат пружиной к крышке с отверстием, снабженной посадочной поверхностью. Полость запорного органа через отверстие соединена с присоединительным элементом с резьбой, выполненным в корпусе.

В качестве подсоединяемого к всасывающему коллектору распылителя топлива можно применять любой известный распылитель, осуществляющий механическое распыление, это же относится и к форсунке, обычно применяемой в дизельных двигателях.

Подсоединяемый к всасывающему коллектору распылитель топлива и термоэлектрический воспламеняющий элемент для зажигания могут быть выполнены в виде одного унифицированного узла.

В качестве распылителя топлива можно применять предпочтительно такую конструкцию, где один конец корпуса распылителя имеет резьбовой присоединительный узел, который через отверстие сообщается с кольцеобразным, выполненным на другом 5 конце корпуса распылителя, охватывающим выступ каналом, который закрыт снабженной отверстием мембраной, прилегающей к этому выступу. Эта мембрана втулкой распылителя прижата к корпусу распылителя,

0 при этом к втулке распылителя присоединен кожух с отверстием, который охватывает электрическую нить накала с изолированным выводом, расположенную напротив отверстия мембраны и соединенную одним

5 концом с корпусом, а другим концом с электрическим вводом.

Нафиг.1 показана принципиальная схема устройства; на фиг.2 - вмонтированный в напорную трубу отключающий орган; на

0 фиг.З - вмонтированный во всасывающий коллектор распылитель топлива высокого давления.

К всасывающему коллектору 1 дизельного двигателя подсоединен распылитель

5 топлива 2, в распыленной струе которого установлен термоэлектрический воспламеняющий элемент 3 для зажигания (электрическая нить накала). К распылителю топлива 2 подсоединен магистральный тру0 бопровод 4, который через отключающий орган 5, выполненный в виде управляемого обратного клапана, подсоединен к трубопроводу 8 высокого давления, идущему от насоса 6 для впрыска к форсунке 7, относя5 щейся к одному цилиндру.

Управляемый обратный клапан 5 частично или полностью может провести к распылителю 2 дозу топлива, направляемую к форсунке 7. Перед запуском обратный кла0 пан 5 устанавливают в такое положение, чтобы последний открывал трубопровод 8 в направлении распылителя топлива 2. В термоэлектрический элемент 3 для зажигания подают электрический ток, и после разогре5 ва термоэлектрического элемента 3 для зажигания (электрической нити накала) запускают дизельный двигатель. Когда в трубопроводе 8 осуществляется дозирование, то топливо через распылитель топлива

0 2 в виде тонких струек подают в находящийся во всасывающем коллекторе воздух и на электрическую нить накала 3, от воздействия которой топливо воспламеняется и сгорает и нагревает всасывающий коллектор и

5 находящийся в нем воздух. Поршень, двигающийся именно втакт всасывания, всасывает эту смесь сырого воздуха с продуктами сгорания, которая содержит достаточное количество тепла, чтобы ее температура в кон- це такта сжатия этого же цилиндра

превысила температуру воспламенения впрыснутого топлива и тем самым заставила двигатель заработать. Количество кислорода, необходимое для запуска двигателя, содержащееся во всасываемой в цилиндр смеси мокрого воздуха с продуктами сгорания, обеспечивается целесообразным выбором расположения распылителя топлива 2 и открытием обратного клапана 5, обеспечивающим заправку по частям. Топливо, сжигаемое во всасывающем коллекторе, нагревает всасывающий коллектор за время нескольких оборотов двигателя настолько, что воздух необходимой для запуска двигателя температуры попадает не только в цилиндр, работающий в такт всасывания после распыления топлива во всасывающем коллекторе, но и в остальные цилиндры. После запуска двигателя термоэлектрическое устройство для зажигания обесточивают и обратный клапан 5 переводят в закрытое состояние, чтобы и форсунка 7, подсоединенная к трубопроводу 8 высокого давления, могла начать дозирование в относящийся к ней цилиндр.

Для надежной работы предложенного в изобретении устройства необходимо обеспечить пригодность обратного клапана 5 и для отвода по частям топлива (дозы), подаваемого насосом б для впрыска по трубопроводу 8 к форсунке 7. Это целесообразно осуществлять с помощью регулируемого дросселя. Кроме того, необходимо добиться, чтобы обратный клапан 5 был соответственно герметизирован относительно окружающего пространства как в закрытом, так м в открытом состоянии, а во время работы относительно появляющегося в нем давления (иногда несколько сотен бар).

Выполнение этих условий можно обеспечить таким управляемым обратным клапаном высокого давления, вариант выполнения которого представлен на фиг.2. В корпусе 9 для подсоединения трубопровода 8 высокого давления выполнены соответствующие резьбовые присоединительные элементы 10, которые сообщаются друг с другом проточными каналами 11. Конец одного проточного канала 11 выполнен в виде седла 12 запорного элемента 13. На седле 12 установлен запорный элемент 13, который предпочтительно является стальным шаром. Полость 14 запорного элемента 13, охватывающая его, через дополнительный канал 15, сообщается с дополнительным резьбовым присоединительным элементом 16, выполненным в корпусе 9 и служащим в качестве присоединительного элемента для магистрального трубопровода 4, ведущего к

распылителю топлива 2. Над запорным элементом 13 расположен управляемый упор 17 для запорного элемента 13, который предпочтительно является винтом, снзбженным вспомогательным поводковым присоединительным элементом 18. Корпус 9 закрыт крышкой 19 с отверстием, при этом внутренний фланец отверстия крышки 19 выполнен в виде посадочной поверхности

0 20. В отверстии крышки 19 установлен болт управления 21, на части которого, находящейся внутри крышки 19, выполнены дискообразный выступ 22 и поводковый присоединительный элемент 23, соединяе5 мый с вспомогательным поводковым присоединительным элементом 18 прижима для управляемого упора 17, Дискообразный вы- сгуп 22 болта управления 21 упругим элементом 24 (пружиной) прижат к посадочной

0 поверхности 20 крышки 19 с отверстием.

Заправочный вентиль 5 функционирует следующим образом.

Закрытие. При проворачивании болта управления 21 вправо при помощи поводко5 вого присоединительного элемента 23 пово- рачивается и управляемый упор 17 запорного элемента 13 и с его помощью запорный элемент 13 прижимается к седлу 12, следовательно, топливо через резьбо0 вые присоединительные элементы 10 в корпусе 9 может протекать от насоса б для впрыска по трубопроводу 8 только к форсунке 7,

Открытие. При проворачивании болта

5 21 управления влево при помощи поводкового присоединительного элемента 23 управляемый упор 17 поворачивается и поднимается вверх, освобождает путь для подъема запорного элемента 13 и, следова0 гельно, запорный элемент 13 под давлени- ам топлива снимается с седла 12. Таким образом, топливо попадает во внутреннюю полость 14 обратного клапана 5, затем через дополнительный канал 15 по магистрально5 му трубопроводу 4, соединенному с дополнительным резьбовым присоединительным элементом 16, к распылителю топлива 2, установленному во всасывающем коллекторе 1,

0 Заправка по частям, При небольшом проворачивании болта управления 21 влево упор 17 с помощью поводкового присоединительного элемента 23 поворачивается лишь незначительно, вследствие чего упор

5 17 поднимается лишь незначительно и освобождает лишь небольшой путь для подъема запорного элемента 13с седла 12 клапана. Теперь одна часть топлива, поступающего во время его подачи в проточные каналы 11, потечет к форсунке 7, а другая часть топлива

через внутреннюю полость 14 клапана Ь, дополнительный канал 15 и трубопровод 4, соединенный с дополнительным резьбовым присоединительным элементом 16, потечет в распылитель топлива 2, установленный во всасывающем коллекторе 1. Доля топлива, проходящего к форсунке 7 и к распылителю 2 топлива, может изменяться длиной пути свободного передвижения, обеспечиваемого для подъема запорного элемента 13 (ре- гулирование дросселем),

Уплотнение. Герметичность обратного клапана 5 относительно наружного пространства в закрытом состоянии обеспечивается запорным элементом 13, прилегающим к седлу 12, так как топливо в этом положении клапана течет только в проточные каналы 11, образующие часть трубопровода 8 (напорной трубы). В открытом или частично открытом положении обратно- го клапана 5 во внутренней полости 14 клапана 5 находится топливо под высоким давлением, которое помимо винтовой резьбы прижима для управляемого упора 17 попадает также в пространство год крышкой 19с отверстием. Вытекание топлива через подгоночный зазор крышки 19 и болта управления 21 предотвращается соответствующей подгонкой посадочной поверхности 20 и дискообразного выступа 22, а также усилием со стороны предварительно напряженной лружины 24. Благодаря давлению, создаваемому топливом в пространстве под болтом управления 21, еще больше повышается плотное закрытие между посадочной поверхностью 20 клапана и дискообразным выступом 22.

В качестве подсоединяемого к всасывающему коллектору 1 распылителя топлива 2 можно применять также известные тради- ционные форсунки дизельного двигателя, если их давление открытия настроить на более низкую величину, чем в тех форсунках, которые применяют в отдельных цилиндрах двигателя.

Применение особенно дополнительно вмонтированного устройства согласно изобретению облегчается тем, что установлен- ный во всасывающем коллекторе 1 распылитель топлива 2 и термозлектриче- ский элемент для зажигания 3 выполнены в виде одного унифицированного узла.

Например, соответствующий требованиям согласно изобретению вариант выпол- нения подсоединенного к всасывающей трубе 1 распылителя топлива 2 представлен на фиг.З.

На одном конце корпуса 25 распылителя 2 выполнен резьбовой присоединительный элемент 26, соответствующий присоединительному элементу трубопровода 4, а на другом конце - соединенные между собой отверстием 27 охватывающий кольцеобразный канал 28, выступ 29. Кольцеобразный канал 28 закрыт мембраной 30, которая прилегает к поверхности выступа 29 и на которой напротив поверхности выступа 29 выполнено отверстие 31. Мембрана 30 втулкой 32 распылителя прижата к корпусу 25 распылителя. Втулка 32 распылителя выполнена с возможностью присоединения к всасывающему коллектору 1 и предпочтительно снабжена наружной резьбой и связана с кожухом 33.

В случае выполнения распылителя топлива 2 и термоэлектрического элемента для зажигания 3 в виде одного унифицированного узла электрическую нить накала 34 размещают напротив отверстия 31 мембраны 30, при этом один конец электрической нити 34 накала подсоединяют к корпусу в точке 35, а другой конец с изолированным выводом 36 подсоединяют к электрическому вводу 37. Электрическая нить 34 накала защищена кожухом 33 с отверстием от механического повреждения и от чрезмерного охлаждения протекающим во всасывающей трубе воздухом.

Распылитель топлива 2 работает следующим образом.

Топливо высокого давления, поступающее по трубопроводу 4 к резьбовому присоединительному элементу 26 в корпусе 25 распылителя, через отверстие 27 попадает в кольцеобразный канал 28. Мембрана 30 под воздействием давления топлива изменяет свою форму, после чего мембрана 30 снимается с выступа 29 и освобождает отверстие 31, при этом топливо в виде тонких струек попадает в проходящий во всасывающем коллекторе 1 воздух и на нить накала 34. Тонкость распыления (размер частиц), форма и размер распыленной струи топлива зависят от материала, толщины, диаметр (коэффициента жесткости пружины) мембраны 30 и от диаметра (формы) отверстия 31.

Предложенное в изобретении устройство находит свое применение, в первую очередь, в дизельных двигателях непосредственного впрыска, в которых из конструктивных соображений в камере сгорания нельзя устанавливать электрическую свечу накаливания, облегчающую холодный запуск (запуск в условиях холода).

Дизельные двигатели непосредственного впрыска находят все большее распространение из-за их небольшого удельного расхода топлива и повышенной удельной мощности по сравнению с ранее применяющимися дизельными двигателями с секционной камерой сгорания (форкамерой, вихревой камерой и т.д.). Их широкое распространение затруднено, в первую очередь, в категории меньшей мощности трудностями при холодном запуске. Эти трудности при холодном запуске до некоторой степени хотя и можно устранить путем повышения коэффициента сжатия, однако это связано с двумя существенными недостатками. Во-первых, повышается механическая нагрузка на детали конструкции в результате повышения давления впрыска топлива, кроме того, в выхлопных газах появляются оксиды азота, образующиеся под действием высокой температуры сгорания, что сильно загрязняет окружающую среду. Поэтому во многих странах действуют официальные предписания, устанавливающие допустимое содержание оксидов азота в выхлопных газах дизельных двигателей.

В случае применения устройства холодный запуск дизельных двигателей прямого впрыска и в более низкой категории мощности обеспечивается без повышения степени сжатия. Следовательно, появляется возможность применения дизельных двигателей прямого впрыска (т.е. с несекционированной камерой сгорания) с пониженным расходом топлива и более высокой удельной мощностью и в категории более низких мощностей.

Устройство простым способом можно дополнительно монтировать на любом снабженном насосом для впрыска дизельном двигателе, и тем самым значительно повышать характеристики холодного запуска уже работающих дизельных автомобилей. При наличии других условий запуска (соответствующее состояние аккумулятора, обеспечение непрерывной подачи топлива к насосу для впрыска и т.д.) предел температуры запускаемости дизельного двигателя в случае применения предложенного в изобретении устройства снижается приблизительно на 10-20°С.

Следующее преимущество в изобретении устройства заключается в том, что из-за незначительного потребления электрической мощности термоэлектрическим устройством для зажигания аккумулятор во время запуска нагружается очень мало и, следовательно, больше электрической мощности остается для стартера.

Преимущество устройства заключается также в том, что всасываемый воздух или двигатель подогревается теплом, образующимся во время сгорания топлива двигателя, и, следовательно, холодный запуск не требует отдельного дополнительного материала, средств или внешнего источника энергии.

Техническое решение не ограничивается вариантом выполнения, представленным

на чертежах; используя принципы этого решения, можно создать пусковое устройство любого исполнения для холодного запуска двигателей внутреннего сгорания с самовоспламенением от сжатия и тем самым осуществить предложенный в изобретении способ.

Устройство может быть выполнено таким образом, что его можно будет обслуживать с сиденья водителя одним лицом и что

управление (обслуживание его) в целом будет совпадать с обслуживанием пускового вспомогательного средства (прогрев)со свечой накаливания, применяемого в дизельных двигателях с секционированной

камерой сгорания, что для всех водителей является обычной освоенной операцией.

Формула изобретения

1.Устройство для предварительного на- грева всасываемого воздуха многоцилиндрового дизельного двигателя, содержащее установленные во всасывающем коллекторе двигателя термоэлектрический воспламеняющий элемент и распылитель высокого давления, подключенный при помощи магистрального трубопровода через размещенный в нем отключающий орган к напорной полости топливного насоса высокого давления, соединенного при помощи трубопроаодов высокого давления с форсунками цилиндров двигателя, отличающее- с я тем, что, с целью обеспечения запуска одновременно с предварительным прогревом всасываемого воздуха, отключающий

орган выполнен в виде управляемого обратного клапана с изменяемым ходом запорного органа и подключен к одному из трубопроводов высокого давления.

2.Устройство поп,1,отличающее- с я тем, что корпус управляемого обратного

клапана выполнен с резьбовыми присоединительными элементами, сообщенными между собой при помощи проточных каналов, первый присоединительный элемент

сообщен с магистральным трубопроводом, а второй через трубопровод высокого давления - с форсункой цилиндра, причем первый канал снабжен седлом и через прилегающий к седлу запорный элемент соединен с

внутренней полостью клапана, сообщенной при помощи дополнительного канала с дополнительным резьбовым присоединительным элементом для магистрального трубопровода, а запорный элемент сопря- жвн с управляемым упором, расположенным в корпусе в его резьбовом сверлении и соединенным через вспомогательный присоединительный элемент с бол-том управления, установленным при помощи пружины в отверстие крышки, снабженной посадочной поверхностью.

3.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что распылитель высокого давления и воспламеняющий элемент выполнены в виде единого узла.

4.Устройство по пп. 1 и 3, отличающее с я тем, что корпус распылителя высокого давления снабжен резьбовым присоединительным узлом на одном конце для подсоединения магистрального трубопро0

5

вода, связанного через выполненное в корпусе отверстие с кольцеобразным каналом, расположенным на другом конце корпуса и охватывающим его выступ, причем кольцеобразный канал снабжен мембраной с отверстием, прилегающей к выступу, установленной на втулке распылителя и упирающейся в его корпус, причем втулка распылителя связана с кожухом, снабженным выходным отверстием и охватывающим установленную напротив отверстия мембраны электрическую нить накала, одним концом соединенную с массой, а другим - с изолированным электрическим вводом.

Использование: двигателестроение, устройства для предварительного нагрева всасываемого воздуха многоцилиндрового дизельного двигателя. Сущность изобретения: устройство для предварительного нагрева всасываемого воздуха многоцилиндрового дизельного двигателя содержит установленные во всасывающем коллекторе термоэлектрический элемент и распылитель высокого давления, подключенный через отключающий орган, выполненный в виде уп- равляемого обратного клапана с изменяемым ходом запорного органа, к напорной полости топливного насоса высокого давления, соединенного при помощи трубопроводов высокого давления с форсунками цилиндров двигателя. Управляемый обратный клапан подключен к одному из трубопроводов высокого давления. Описаны конструкции управляемого обратного клапана и распылителя и термоэлектрического элемента, выполненных в виде единого узла. 3 з.п.ф. 3 ил.

«

ЕШ

t

tt 14s

° 3

Х . X V

-j

to ro

00 Ю

CM

27