ДВУХТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА ДВС
DUAL-FUEL INJECTOR FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к двухтопливным системам питания двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Устройство предназначено для подачи топлива в камеру сгорания двухтопливного ДВС при его работе как на дизельном топливе в режиме дизеля, так и на газе в режиме газодизеля.
Известно устройство, выполненное в виде подключенной к насосному оборудованию форсунки, содержащей корпус с каналами для подвода топлива и присадки к топливу, распылитель с каналами для подвода топлива и присадки к топливу к полости смешения, расположенной у конуса запорной иглы (см. патент РФ №2029128, М.кл. F 02 M 43/04, опубл. 1995 г.).
Устройство позволяет осуществлять подачу в камеру сгорания дизеля смеси топлива и присадки к топливу, причем в начале впрыскивания - преимущественное содержание одного из компонентов смеси, а в конце впрыскивания - другого.
.
Недостаток форсунки - ограниченные возможности ее использования в условиях двухтопливного двигателя
Известна форсунка для газодизеля по патенту № RU 78270 U1 МПК F02M 21/02, опубл. 2008.11.20, содержащая корпус, распылитель, запорную иглу распылителя, гайку крепления распылителя, проставку, штангу, пружину иглы, регулировочные шайбы, подводящий штуцер, подводящий канал, отводящий канал, штуцер подвода запальной дозы топлива, электромагнит, канал подвода запального дизельного топлива.
К недостаткам аналога относится недостаточная эффективность применения форсунки для двух видов топлива, которая вызвана использованием одних и тех же сопловых отверстий форсунки для подачи в рабочий цилиндр ДВС как запального дизельного топлива, так и газового топлива.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является двухтопливная форсунка для газодизеля по патенту № RU 145299, МПК F02 43/04, опубл. 20.09.2014, содержащая корпус форсунки и корпус распылителя, соединенные между собой накидной гайкой с возможностью обеспечения герметичного соединения, штуцеры подвода запального дизельного и газового топлива, каналы подвода запального дизельного и газового топлива, штуцер отвода протечек запального дизельного топлива, внутреннюю и внешнюю запорные иглы с выполненными в последней проточкой и радиальными отверстиями, промежуточные внутреннюю и внешнюю втулки, составной стержень, пружины внутренней и внешней запорных игл, узел регулировки, содержащий регулировочные шайбы для задания силы предварительного сжатия пружин внешней и внутренней запорных игл, а также ограничители хода игл в виде регулировочного винта и корпуса узла регулировки, штифт, установленный в корпусе форсунки и корпусе распылителя для удержания от проворота корпуса распылителя.
Недостатком данной конструкции является невозможность использования форсунки в условиях работы в двухтопливном двигателе – в режиме газодизеля или в режиме дизеля.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении возможности подачи в камеру сгорания ДВС газового топлива при работе двигателя в режиме газодизеля или дизельного топлива при работе двигателя в режиме дизеля. Проблема решена в результате дополнения конструкции форсунки элементами, создающими возможность подключения входа устройства к подводу газового или дизельного топлива, а также элементами, обеспечивающими необходимые параметры процесса подачи газового или дизельного топлив.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемой форсунки, является повышение технико-экономических показателей ДВС за счет обеспечения высокой эффективности работы двухтопливной форсунки при работе двухтопливного двигателя, как в режиме газодизеля, так и в режиме дизеля.
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: в двухтопливной форсунке ДВС, содержащей также как и прототип: корпус форсунки и корпус распылителя, соединенные между собой накидной гайкой с возможностью обеспечения герметичного соединения, при этом в корпусе расположены штуцеры подвода запального дизельного и основного топлива, каналы подвода запального дизельного топлива и основного топлива, внутреннюю и внешнюю запорные иглы с выполненными в последней проточкой и радиальными отверстиями, промежуточные внутреннюю и внешнюю втулки, пружины внутренней и внешней запорных игл, узел регулировки, содержащий регулировочные шайбы для задания силы предварительного сжатия пружин внешней и внутренней запорных игл, а также ограничители хода игл в виде регулировочного винта и корпуса узла регулировки, и штифт, установленный в корпусе форсунки и корпусе распылителя для удержания от проворота корпуса распылителя, в  отличие от прототипа,  канал подвода топлива через переключатель соединен с газовым и дизельным топливопроводами, при этом пружина внешней запорной иглы выполнена из двух отдельных частей, между которыми размещен подвижный упор, выполненный в виде якоря линейного соленоида, соединенного с источником электропитания, который, в свою очередь, связан с переключателем канала подвода топлива.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в обеспечении высокой эффективности работы форсунки в составе двухтопливного двигателя за счет рациональной организации подачи основного (газового или дизельного) и запального дизельного топлив в ДВС при работе двигателя в режимах газодизеля и дизеля. Указанный результат достигается за счет возможности переключения подачи основного топлива с газового на дизельное (и обратно) при одновременном высококачественном распыливании запального (дизельного) топлива при уменьшенной цикловой дозе топлива и впрыскивании ее в струю газа при работе двигателя в режиме газодизеля, а также при высококачественном распыливании основной дозы дизельного топлива при работе двигателя в режиме дизеля.
При этом при работе двигателя в режиме газодизеля запальное дизельное топливо, доля которого составляет 1–5% полной цикловой дозы топлива, подаваемое в двигатель через малые сопловые отверстия при высоком качестве распыливания от специальной топливной системы аккумуляторного типа, за счет самовоспламенения поджигает газовоздушную смесь заряда рабочего цилиндра двигателя. Подаваемые при этом через большие сопловые отверстия струи газового топлива совместно с самовоспламенившимися струями запального дизельного топлива образуют зоны локально обогащенной топливовоздушной смеси, горение которой инициирует распространение пламени в зоны полости рабочего цилиндра с обедненной смесью, что обеспечивает высокоэффективную работу ДВС в широком диапазоне нагрузок. Другая важная функция указанных струй газового топлива состоит в том, что они очищают («продувают») большие сопловые отверстия, предотвращая их закоксовывание, которое имело бы место при отсутствии потока газа в них.
При работе ДВС в режиме дизеля полная цикловая доза дизельного топлива подается в двигатель через большие сопловые отверстия от топливного насоса высокого давления (ТНВД) с механическим приводом. При этом за счет высокого давления впрыскивания обеспечивается высокое качество распыливания дизельного топлива, эффективное сгорание при малой его продолжительности и, соответственно, повышенная эффективность работы двигателя.
В указанных двух режимах работы ДВС уровни давления, открывающего внешнюю запорную иглу для обеспечения доступа подаваемого основного топлива (газа или дизельного топлива) к большим сопловым отверстиям, различны. Поэтому пружина внешней запорной иглы в указанных режимах должна обладать различными силами предварительного сжатия, обеспечивающими соответствующие давления открытия (подъема) внешней запорной иглы. Для изменения давления открытия предусмотрен подвижный упор частей пружины внешней запорной иглы, положение которого может быть изменено путем подачи электрического тока в линейный соленоид. При работе двигателя в режиме дизеля соленоид обесточен, и давление открытия внешней запорной иглы определяется суммарной силой предварительного сжатия нижней и верхней частей пружины. При работе двигателя в режиме газодизеля соленоид воздействием на подвижный упор дополнительно сжимает верхнюю часть пружины и уменьшает силу предварительного сжатия нижней части пружины, что вызывает снижение давления открытия внешней запорной иглы до уровня, соответствующего давлению подаваемого в двигатель газа. Нерегулируемая доза запального дизельного топлива в количестве 1–5% полной цикловой дозы дизельного топлива подается в рабочий цилиндр двигателякак в режиме газодизеля, так и в режиме дизеля.
Предлагаемое техническое решение позволяет упростить топливную систему, систему управления оборудованием и повысить его надежность. Повышенная надежность достигается также за счет возможности работы ДВС в режиме дизеля при питании от простой и надежной топливной системы механического типа.
Сопоставление предлагаемой форсунки с прототипом показало, что поставленная задача - возможность подачи в камеру сгорания ДВС газового топлива при работе двигателя в режиме газодизеля или дизельного топлива при работе двигателя в режиме дизеля - решается в результате совокупности новых признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области транспортного машиностроения не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии устройства критерию «изобретательский уровень».
Согласно изобретению предложена двухтопливная форсунка ДВС, содержащая корпус, распылитель с большими и малыми сопловыми отверстиями, закреплённый в корпусе накидной гайкой с возможностью герметичного соединения, штуцеры подвода запального дизельного топлива и основного топлива, канал подвода запального дизельного топлива и канал подвода основного топлива, штуцер отвода протечек запального дизельного топлива, внутреннюю и внешнюю запорные иглы с выполненными в последней проточкой и радиальными отверстиями, промежуточные внутреннюю и внешнюю втулки, пружины внутренней и внешней запорных игл, узел регулировки, содержащий регулировочные шайбы для задания силы предварительного сжатия пружин внешней и внутренней запорных игл, а также ограничители хода игл в виде регулировочного винта и корпуса узла регулировки, штифт, установленный в корпусе форсунки и корпусе распылителя для удержания от проворота корпуса распылителя. Канал подвода основного топлива через переключатель соединен с газовым и дизельным топливопроводами, при этом пружина внешней запорной иглы выполнена из двух отдельных частей, между которыми размещён подвижный упор, выполненный в виде якоря линейного соленоида, соединенного с источником электропитания, который, в свою очередь, связан с переключателем канала подвода основного топлива.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами: где:
на фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемой двухтопливной форсунки.
,
Форсунка ДВС содержит корпус форсунки 1 и корпус распылителя 2, соединенные между собой накидной гайкой 3, с возможностью обеспечения герметичного соединения. В корпусе форсунки размещены штуцер 4 подвода запального дизельного топлива, штуцер 5 подвода дизельного или газового топлива, канал подвода запального дизельного топлива 6канал подвода дизельного или газового топлива 7, штуцер отвода протечек дизельного топлива, штуцер вентиляции газовых каналов (на Фиг. 1 не показаны), внутреннюю запорную иглу 8, внутреннюю промежуточную втулку 9, составной стержень 10, пружину внутренней запорной иглы 11, внешнюю запорную иглу 12 с выполненной в ней проточкой 13 и радиальными отверстиями 14, внешнюю промежуточную втулку 15, пружину внешней запорной иглы, состоящей из двух частей – верхней 16 и нижней 17, между которыми размещен подвижный упор 18, представляющий собой якорь линейного соленоида 19, малые сопловые отверстия 20 для распыливания запального дизельного топлива, доступ топлива к которым перекрывает внутренняя запорная игла 8, большие сопловые отверстия 21для подачи газового топлива или для подачи дизельного топлива, доступ топлива к которым перекрывает внешняя запорная игла 12, узел регулировки, содержащий корпус 22, нажимной штуцер 23, регулировочные шайбы 24 и 25 для задания силы предварительного сжатия пружин 11 и 16,17, а также регулировочный винт 26 для ограничения хода внутренней запорной иглы, регулировочные шайбы  27 для ограничения хода подвижного упора 18, штифт, установленный в корпусе форсунки и корпусе распылителя (на Фиг. 1 не показан) с возможностью обеспечения удержания от проворота корпуса распылителя при соединении его с корпусом форсунки посредством накидной гайки 3.
Двухтопливная форсунка функционирует следующим образом.
При работе двигателя в режиме газодизеля на соленоид 19 подается электропитание, в результате чего подвижный упор 18 поднимается и занимает верхнее положение, сжав верхнюю часть 16 пружины внешней запорной иглы и соответственно уменьшив силу предварительного сжатия нижней части 17 пружины внешней запорной иглы. На такте сжатия рабочего тела цилиндра двигателя, в момент открытия управляющего газового клапана газообразное топливо из газового ресивера (на фиг. 1 не показаны) под давлением, через штуцер 5 по каналу 7, поступает в газовую полость, образованную корпусом распылителя 2 и внешней запорной иглой 12. Преодолевая небольшое усилие сжатия нижней части 17 пружины внешней запорной иглы, передаваемое через промежуточную внешнюю втулку 15, внешняя запорная игла 12 поднимается до соприкосновения верхней ее поверхностью с нижней поверхностью корпуса форсунки 1. Необходимость обеспечения указанного небольшого усилия сжатия нижней части 17 пружины объясняется тем, что давление газового топлива, используемого в ДВС, значительно ниже, чем давление дизельного топлива, используемого при работе двигателя в режиме дизеля. В результате подъема внешней запорной иглы 12 газовое топливо через сопловые отверстия 21 поступает в рабочий цилиндр двигателя. При этом проточка 13, расположенная на внешней запорной игле 12, совмещается с каналом подвода запального дизельного топлива 6. На соответствующем этапе процесса подачи газообразного топлива открывается управляющий клапан подачи запального дизельного топлива из аккумулятора (на фиг. 1 не показаны), и через штуцер 4, по каналу 6, через проточку 13 и радиальные отверстия 14 запальное дизельное топливо под давлением подводится под внутреннюю запорную иглу 8. Преодолевая силу предварительного сжатия пружины 11 внутренней запорной иглы, давление  запального дизельного топлива поднимает иглу 8, в результате чего запальное дизельное топливо через малые сопловые отверстия 20 подается в камеру сгорания двигателя одновременно с вытекающими через сопловые отверстия 21струями газового топлива. За счет самовоспламенения запального дизельного топлива образуются очаги горения в локально обогащенной газовоздушной среде. При малых нагрузках двигателя при его работе в режиме газодизеля можно ограничиться подачей газового топлива только через сопловые отверстия 21. При больших нагрузках, ввиду невозможности своевременной подачи достаточного количества газового топлива через ограниченные проходные сечения каналов форсунки, в частности, через сопловые отверстия 21, основная масса газового топлива может быть подана обычным способом, например, через впускные клапаны двигателя. Движение топлива (газового или дизельного) через сопловые отверстия 21 при работе двигателя в любых режимах предотвращает закоксовывание указанных отверстий, вызванного неполнотой сгорания дизельного топлива. Для впрыскивания дозы запального дизельного топлива используется аккумуляторная топливная система с электронным управлением момента времени впрыскивания. Заданную силу предварительного сжатия пружин внутренней запорной иглы 8 и внешней запорной иглы 12 обеспечивают подбором толщины регулировочных шайб соответственно 24 и 25. Максимальный подъем внутренней запорной иглы 8 задают положением регулировочного винта 26, а ход подвижного упора 18 регулируют (устанавливают) подбором толщины шайб 27.
Описанное устройство разработано сотрудниками кафедры судостроения и энергетических установок ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в процессе научных исследований. Были произведены расчеты форсунки, подтвердившие возможность ее использования для подачи топлива в камеру сгорания двухтопливного ДВС при ее работе как на дизельном топливе в режиме дизеля, так и на газе в режиме газодизеля. В дальнейшем планируется проведение испытаний изделия на Коломенском заводе.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию «промышленная применимость».