УСТРОЙСТВО ВПРЫСКА ТОПЛИВА ДЛЯ ЛОКОМОТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ
FUEL INJECTION DEVICE FOR LOCOMOTIVE ENGINE, INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND ENGINE MODIFICATION METHOD

Настоящее изобретение относится в целом к области железнодорожных локомотивов и, в частности, к системе с общей топливной магистралью для дизельного двигателя железнодорожного локомотива.
Системы впрыска топлива широко используются в двигателях внутреннего сгорания, включая двигатели искрового зажигания и двигатели с воспламенением от сжатия (дизели) для автомобилей, грузовиков, морских и стационарных двигателей. Одна такая система впрыска топлива описана в патенте США №6357421. В системе с общей топливной магистралью используют топливный аккумулятор (магистраль), который поддерживается под высоким давлением (в типичном случае 1600-2000 бар) одним или более топливных насосов высокого давления. Топливные инжекторы, связанные с цилиндрами двигателя, получают топливо из топливной магистрали, при этом подачей топлива управляет электромагнитный клапан, расположенный между топливной магистралью и распылительной форсункой.
В патенте США №5394851 описана система впрыска топлива, обычно используемая в среднескоростных турбированных дизельных двигателях с большим рабочим объемом для железнодорожных локомотивов. Такие двигатели включают в себя множество блочных силовых узлов, каждый из которых содержит цилиндр, головку цилиндра, приводимые в действие кулачками впускной и выпускной клапаны и систему впрыска топлива, включающую в себя топливный насос, соленоид управления впрыском топлива и топливную распылительную форсунку. Каждый топливный насос приводится в действие топливным кулачком, расположенным на соответствующем кулачковом валу двигателя.
Согласно первому объекту настоящего изобретения создано устройство впрыска топлива для многоцилиндрового дизельного двигателя локомотива, содержащего левый блок цилиндров и правый блок цилиндров, причем устройство впрыска топлива содержит: общую магистраль левого блока, расположенную вблизи левого блока цилиндров; общую магистраль правого блока, расположенную вблизи правого блока цилиндров; средства подачи топлива низкого давления; множество топливных насосов высокого давления, принимающих топливо под низким давлением от средств подачи топлива низкого давления и подающих топливо под высоким давлением в, по меньшей мере, одну из общей магистрали левого блока и общей магистрали правого блока; жидкостное поперечное соединение для передачи топлива между общей магистралью левого блока и общей магистралью правого блока; причем каждый цилиндр левого блока принимает топливо от общей магистрали левого блока через соответствующее устройство управления впрыском топлива; и каждый цилиндр правого блока принимает топливо от общей магистрали правого блока через соответствующее устройство управления впрыском топлива; множество насосов высокого давления и жидкостное поперечное соединение взаимодействуют, обеспечивая подачу полного потока топлива для непрерывной работы всех цилиндров в условиях работы в полную мощность в случае отказа одного из насосов высокого давления.
Предпочтительно устройство дополнительно содержит кулачковый вал, связанный с каждым блоком цилиндров, причем каждый кулачковый вал содержит множество соединенных секций, причем соединенные секции проходят от ведомого зубчатым колесом конца до противоположного холостого конца соответствующего кулачкового вала, при этом каждая секция кулачкового вала попеременно содержит или не содержит топливный кулачок; причем каждый из насосов высокого давления приводится в действие соответствующим топливным кулачком, расположенным на соответствующей одной из секций кулачкового вала; одна из секций кулачкового вала содержит топливный кулачок, расположенный вблизи ведомого зубчатым колесом конца соответствующего кулачкового вала и секции кулачкового вала, не содержащей топливный кулачок, расположенный вблизи холостого конца соответствующего кулачкового вала, таким образом, что величина вращающего момента, передаваемого через секцию кулачкового вала, не содержащую топливный кулачок, меньше, чем величина вращающего момента, передаваемого через секцию кулачкового вала, содержащую топливный кулачок.
Предпочтительно устройство дополнительно содержит секцию кулачкового вала, не содержащую топливный кулачок и имеющую диаметр вала, меньший, чем диаметр вала секции кулачкового вала, содержащей топливный кулачок.
Предпочтительно устройство дополнительно содержит секции кулачкового вала, не содержащие топливный кулачок, содержащие материал, обладающий степенью прочности, которая ниже, чем соответствующая степень прочности материала секций кулачкового вала, содержащих топливный кулачок.
Предпочтительно все секции кулачкового вала, содержащие топливный кулачок, соединены вблизи ведомого зубчатым колесом конца первого из кулачковых валов, а второй из кулачковых валов, не содержащий секцию кулачкового вала, содержит топливный кулачок.
Предпочтительно устройство используется в дизельном двигателе для локомотива, содержащем шесть цилиндров левого блока и шесть цилиндров правого блока, причем устройство впрыска топлива дополнительно содержит: три насоса высокого давления, принимающих топливо под низким давлением от средств подачи топлива под низким давлением и подающих топливо под высоким давлением в, по меньшей мере, одну из общей магистрали левого блока и общей магистрали правого блока; при этом любые два из насосов высокого давления способны поддерживать работу двигателя с полной мощностью в случае отказа третьего насоса высокого давления.
Предпочтительно устройство дополнительно содержит первый кулачковый вал, связанный с первым из левого и правого блоков цилиндров, содержащий шесть соединенных секций, проходящих от ведомого зубчатым колесом конца первого кулачкового вала до противоположного холостого конца первого кулачкового вала, причем каждая из трех соединенных секций, наиболее близких к ведомому зубчатым колесом концу первого кулачкового вала, содержит топливный кулачок, а три соединенные секции, наиболее отдаленные от ведомого зубчатым колесом конца первого кулачкового вала, не содержат топливный кулачок; и второй кулачковый вал, связанный со вторым из левого и правого блоков цилиндров, содержащий шесть соединенных секций, проходящих от ведомого зубчатым колесом конца второго кулачкового вала до противоположного холостого конца второго кулачкового вала, причем секции второго кулачкового вала не содержат топливный кулачок.
Предпочтительно устройство дополнительно содержит секции кулачкового вала, не содержащие топливный кулачок, имеющие диаметр вала, который меньше, чем диаметр вала секций кулачкового вала, содержащих топливный кулачок.
Предпочтительно устройство дополнительно содержит секции кулачкового вала, не содержащие топливный кулачок и выполненные из материала, имеющего уровень прочности, который меньше, чем соответствующий уровень прочности материала секций кулачкового вала, содержащих топливный кулачок.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создан двигатель внутреннего сгорания, содержащий: первый блок цилиндров; второй блок цилиндров; первую общую магистраль, расположенную вблизи первого блока цилиндров; вторую общую магистраль, расположенную вблизи второго блока цилиндров; средства подачи топлива под низким давлением; множество топливных насосов высокого давления, принимающих топливо под низким давлением от средств подачи топлива под низким давлением и подающих топливо под высоким давлением в, по меньшей мере, одну из первой общей магистрали и второй общей магистрали; устройство управления потоком топлива, связанное с каждым цилиндром первого блока для управления потоком топлива из первой общей магистрали в соответствующий цилиндр первого блока; устройство управления потоком топлива, связанное с каждым цилиндром второго блока, для управления потоком топлива из второй общей магистрали в соответствующий цилиндр второго блока; и жидкостное поперечное соединение для передачи топлива между первой общей магистралью и второй общей магистралью, при этом все насосы высокого давления подают топливо в первую общую магистраль, а жидкостное поперечное соединение передает топливо из первой общей магистрали во вторую общую магистраль.
Предпочтительно двигатель дополнительно содержит первый кулачковый вал, содержащий множество соединенных секций, проходящих от ведомого конца до холостого конца, связанный с первым блоком цилиндров; второй кулачковый вал, содержащий множество соединенных секций, проходящих от ведомого конца до холостого конца, связанный со вторым блоком цилиндров; первую группу секций, каждая из которых содержит топливный кулачок для приведения в действие соответствующего насоса высокого давления, и каждая из которых передает вращающий момент первой величины; вторую группу секций, не содержащих топливный кулачок, и каждая из которых передает вращающий момент второй величины, которая меньше, чем первая величина вращающего момента.
Предпочтительно каждая из секций второй группы имеет диаметр вала, который меньше, чем диаметр вала секций первой группы.
Предпочтительно каждая из секций второй группы выполнена из материала, имеющего степень прочности, которая ниже, чем соответствующая степень прочности секций первой группы.
Согласно третьему объекту настоящего изобретения создан способ модификации многорядного, многоцилиндрового, дизельного двигателя для локомотива для использования устройства с общей топливной магистралью, при котором выполняют: установку общей магистрали вблизи каждого блока двигателя; установку, по меньшей мере, одного топливного насоса высокого давления для подачи топлива под высоким давлением в первую из магистралей; установку жидкостного поперечного соединения между магистралями для передачи топлива под высоким давлением из первой магистрали во вторую магистраль; подачу топлива под высоким давлением в устройство управления впрыском топлива, связанное с каждым соответствующим цилиндром двигателя, из общей магистрали, ближайшей к соответствующему блоку цилиндров.
Предпочтительно дополнительно осуществляют применение множества топливных насосов высокого давления для подачи топлива под высоким давлением в, по меньшей мере, одну из магистралей; и подбор производительности каждого из множества топливных насосов высокого давления так, чтобы двигатель обеспечивал заданный уровень мощности посредством подачи топлива ко всем цилиндрам, когда один из множества топливных насосов высокого давления не действует.
Предпочтительно дополнительно осуществляют установку всех топливных насосов высокого давления вблизи одного блока цилиндров; и замену одного из двух первоначальных кулачковых валов двигателя заменяющим кулачковым валом, содержащим соединенные секции на ведомом конце, каждая из которых содержит топливный кулачок для приведения в действие соответствующего одного из топливных насосов высокого давления; но не осуществляют замену второго из двух первоначальных кулачковых валов.
Предпочтительно дополнительно осуществляют замену первоначального кулачкового вала двигателя заменяющим кулачковым валом, содержащим первую секцию на ведомом конце, содержащую топливный кулачок для приведения в действие топливного насоса высокого давления.
Предпочтительно дополнительно осуществляют формирование заменяющего кулачкового вала с первой секцией, имеющей первый диаметр вала на ведомом конце, и второй секцией вала, имеющей второй диаметр вала, меньший, чем первый диаметр вала на холостом конце, противоположном ведомому концу.
Предпочтительно дополнительно осуществляют формирование заменяющего кулачкового вала с первой секцией, выполненной из первого материала, имеющего первый уровень прочности на ведомом конце, и второй секцией вала, выполненной из второго материала, имеющего второй уровень прочности, меньший, чем первый уровень прочности на холостом конце, противоположном ведомому концу.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематический вид многоцилиндрового дизельного двигателя для локомотива, включающего в себя устройство впрыска топлива с общей магистралью; и
Фиг.2 - вид в перспективе кулачковых валов, используемых в двигателе, показанном на фиг.1.
Были обнаружены некоторые выгоды, связанные с использованием системы с общей топливной магистралью для подачи топлива к многоцилиндровому дизельному двигателю, применяемому в локомотиве. Такие выгоды следуют из способности управлять подачей топлива к каждому цилиндру с большей точностью и гибкостью, чем возможно с другими системами. Однако были также обнаружены некоторые ограничения предшествующих систем с общей топливной магистралью, которые особенно проблематичны в вариантах использования в локомотивах. Например, топливная магистраль обычно расположена вблизи соответствующих цилиндров для того, чтобы минимизировать колебания давления топлива в топливных распылительных форсунках. Для двигателей, содержащих два блока цилиндров, что обычно в варианте применения в локомотивах, в типичном случае применяют две отдельные магистрали для подачи топлива независимо к двум блокам цилиндров, как описано в патенте США №5133645. В случае отказа подачи топлива к любой из двух магистралей половина цилиндров такого двигателя становится недействующей, что не было признано как существенная проблема в предшествующих вариантах применения для грузовиков. Однако применение известных систем с общей топливной магистралью в варианте применения для локомотива может оставить локомотив уязвимым в отношении режима отказа, который мог бы делать поезд непригодным вследствие неспособности двигателя развить достаточное тяговое усилие для поддержания движения поезда по наклонному пути. Такой режим отказа очень нежелателен в железнодорожной области.
На фиг.1 показано усовершенствованное устройство 1 впрыска топлива, которое облегчает получение выгод технологии подачи топлива общей магистралью в многорядный многоцилиндровый дизельный двигатель в варианте применения для локомотива. На фиг.1 показана схематическая иллюстрация локомотивного двигателя 10, включающего в себя двенадцать цилиндров 12. Каждый цилиндр 12 может быть частью силового узла, который содержит цилиндр, головку цилиндра, поршень, впускной и выпускной клапаны и устройство 14 управления потоком топлива. Устройство 14 управления потоком топлива может включать в себя топливную распылительную форсунку и электромагнитный клапан, управляющий подачей топлива к топливной распылительной форсунке. Цилиндры 12 сгруппированы в левый блок 16 и правый блок 18. Термины левый блок и правый блок обычно используются в данной области техники как привычные при упоминании двигателей и не должны рассматриваться здесь как являющиеся ограничивающими.
Общая топливная магистраль 20 устройства впрыска топлива левого блока расположена вблизи левого блока 16 цилиндров, а общая топливная магистраль 22 устройства впрыска топлива правого блока расположена вблизи правого блока 18 цилиндров. Магистрали 20, 22 предпочтительно расположены так близко к цилиндрам 12, как это практически возможно, таким образом, чтобы топливные трубопроводы 24 высокого давления, подающие топливо под высоким давлением из соответствующей магистрали 20, 22 к устройству 14 управления потоком, были настолько короткими, насколько это практически возможно. Средство 26 подачи топлива низкого давления включает в себя топливный бак 28, содержащий запас топлива 30, и топливный насос 32 низкого давления, подающий топливо 30 из бака 28 к одному или более топливных насосов 34 высокого давления через регулятор 36 потока. Давление в топливных магистралях 20, 22 поддерживается в пределах необходимого диапазона давлений посредством управления подачей топлива 30 через клапан 36 с использованием любого известного устройства регулирования по замкнутому циклу (не показано).
Предпочтительно применяют поперечное соединение 38 для жидкости для передачи топлива 30 между общей магистралью 20 левого блока и общей магистралью 22 правого блока. Хотя в других вариантах конструкции могут предполагаться другие устройства, три насоса 34 высокого давления, показанные на фиг.1, все расположены вблизи левой общей магистрали 20 и соединены для подачи топлива в левую общую магистраль 20 через подающие трубопроводы 40 высокого давления. Специалисту в данной области техники будет понятно, что один или более таких насосов 34 высокого давления могут применяться в других вариантах применения для подачи топлива 30 в правую общую магистраль 22. Например, в одном варианте V-образного 16-цилиндрового дизельного двигателя могут использоваться два топливных насоса высокого давления для подачи топлива в левую магистраль, и два топливных насоса высокого давления могут использоваться для подачи топлива в правую магистраль. В варианте конструкции, показанном на фиг.1, топливо под высоким давлением подается от левой общей магистрали 20 к правой общей магистрали 22 через поперечное соединение 38. Другие варианты конструкции могут иметь более чем одно жидкостное поперечное соединение между топливными магистралями, как может быть желательно для оптимизации механической и жидкостной конструкции устройства 1 впрыска топлива. Множество насосов 34 высокого давления и жидкостное поперечное соединение 38 взаимодействуют для обеспечения подачи топлива 30 для непрерывной работы всех цилиндров 12 в случае отказа одного из насосов 34 высокого давления. Местоположение поперечного соединения 38 схематически показано на фиг.1, и специалист в данной области техники может понимать, что оно может быть расположено ближе к насосам 34 высокого давления в других вариантах конструкции.
Устройство 1 впрыска топлива, показанное на фиг.1, может быть выполнено с возможностью обеспечения непрерывной работы в полную мощность или работы с выбранным уменьшенным уровнем мощности с одним недействующим насосом 34 высокого давления. Производительность каждого насоса 34 высокого давления может быть подобрана так, чтобы она составляла, например, приблизительно 50% от полной потребности двигателя в топливе при работе в полную мощность. Таким образом, если один из трех топливных насосов 34 высокого давления отказывает, оставшиеся два работающих насоса 34 остаются способными обеспечивать полный поток топлива ко всем цилиндрам 12 в условиях работы в полную мощность. Благодаря функциональным возможностям поперечного соединения 38 эта способность существует для всех насосов 34 высокого давления, подающих топливо только в левую магистраль 20, как показано, или в других вариантах конструкции, где один, два или три из насосов 34 высокого давления подают топливо 30 в правую магистраль 22.
Устройство 1 впрыска топлива, показанное на фиг.1, может быть установлено как первоначальное оборудование на новом двигателе 10, или оно может модифицировать существующий двигатель, в котором первоначально использовалось устройство впрыска топлива, такое как раскрыто в патенте США №5394851. Такие системы согласно предшествующему уровню техники включают в себя приводимый кулачком механический топливный насос, установленный на траверсе (монтажном кронштейне) каждого силового узла двигателя. При модификации такого двенадцатицилиндрового двигателя для включения в него усовершенствованного устройства 1 впрыска топлива, показанного на фиг.1, двенадцать первоначальных топливных насосов удаляют и три топливных насоса 34 высокого давления устанавливают на соответствующие траверсы вместо трех из первоначальных насосов. Отверстия сквозь траверсы, которые не принимают насос 34 высокого давления, возможно, должны быть закрыты. Для блока цилиндров 12, где установлены насосы 34 высокого давления, такого как левый блок 16, показанный на фиг.1, могут требоваться изменения в конструкции кулачкового вала. Некоторые из первоначальных кулачковых секций могут использоваться в модифицированном двигателе. В настоящем изобретении была инновационно использована потребность в изменении конструкции кулачкового вала для дальнейшего расширения преимуществ данного устройства 1 впрыска топлива, как описано более полно в следующих абзацах со ссылками на фиг.2.
На фиг.2 показан вид в перспективе кулачковых валов 50, 52, которые могут использоваться в одном варианте конструкции двигателя 10, показанного на фиг.1. Левый кулачковый вал 50 используется в связи с левым блоком 16 цилиндров 12, а правый кулачковый вал 52 используется в связи с правым блоком 18 цилиндров 12. Каждый кулачковый вал 50, 52 включает в себя ведущее зубчатое колесо 54, 56 на ведомом конце 58 и противоположный холостой конец 60. Вращающий момент передается от ведущих зубчатых колес 54, 56 для сообщения механической энергии соответствующим клапанным кулачкам 62 для сообщения движения впускному и выпускному клапанам (не показаны) каждого силового узла. Вращающий момент также передается от ведущего зубчатого колеса 54 для сообщения механической энергии соответствующим топливным кулачкам 64 для приведения в действие соответствующих топливных насосов 34 высокого давления. Кулачковые валы 50, 52 собраны посредством соединения множества кулачковых секций, причем каждая кулачковая секция связана с одним цилиндром 12-силовым узлом двигателя 10. Левый кулачковый вал 50 включает в себя кулачковые секции 50а, 50b, 50с, 50d, 50e и 50f. Каждая кулачковая секция включает в себя клапанные кулачки 62 для впускного и выпускного клапанов соответствующего силового узла. Кулачковые секции попеременно содержат или не содержат топливный кулачок 64. Кулачковые секции 50а, 50b и 50с, показанные на фиг.1, включают в себя топливные кулачки 64. Кулачки 64 могут быть смещены под углом относительно друг друга, например, на 40 градусов в одном варианте конструкции, для создания более постоянного давления подачи топлива к топливной магистрали 20. Предпочтительно каждая из секций 50а, 50b и 50с, включающих в себя топливный кулачок 64, расположена вблизи ведомого конца 58 кулачкового вала 50, и кулачковые секции, которые не включают в себя топливный кулачок, не расположены между ведущим зубчатым колесом 54 и любой секцией (секциями), включающими в себя топливный кулачок 64. Таким образом, соединенные секции, наиболее приближенные к ведомому зубчатым колесом концу 58 кулачкового вала 50, могут включать в себя топливный кулачок 64, а соединенные секции, наиболее отдаленные от ведомого зубчатым колесом конца 58, не включают в себя топливный кулачок 64. Таким образом, величина вращающего момента, передаваемого через секции 50d, 50e, 50f, не включающие в себя топливный кулачок 64, меньше, чем величина вращающего момента, передаваемого через секции 50а, 50b, 50с кулачкового вала, которые включают в себя топливный кулачок 64. Это позволяет конструировать секции кулачкового вала, не включающие в себя топливный кулачок, таким образом, чтобы они имели меньшую способность выдерживать нагрузку, чем секции, которые включают в себя топливный кулачок. Это может быть достигнуто посредством выполнения их с меньшим диаметром вала или использования материала, имеющего прочность (например, такую как прочность на растяжение или прочность на сдвиг), которая ниже, чем соответствующая величина прочности материала секций кулачкового вала, включающих в себя топливный кулачок. Таким образом, стоимость производства секций кулачкового вала, не включающих в себя топливный кулачок, может быть ниже, чем стоимость производства секций, которые включают в себя топливный кулачок, и/или ниже, чем стоимость секции кулачкового вала согласно предшествующему уровню техники, которая включает в себя топливный кулачок. Для модифицируемого варианта с использованием варианта конструкции, показанного на фиг.1, первоначальный правый кулачковый вал может быть оставлен на месте, и только кулачковые секции левого кулачкового вала, которые связаны с насосами, должны быть заменены для сборки кулачкового вала 50, показанного на фиг.2. Заменяющий кулачковый вал может быть полностью новым узлом, или он может быть собран с использованием секций заменяемого кулачкового вала.
Хотя здесь были показаны и описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, будет очевидно, что такие варианты даны только для примера. Многочисленные варианты, изменения и модификации могут быть сделаны без отхода от описанного здесь изобретения. Соответственно, предполагается, что изобретение ограничено только сущностью и объемом прилагаемой формулы изобретения.