СИСТЕМА ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к топливоподающей аппаратуре дизелей.
Данная система подачи топлива в дизель позволяет снизить жесткость работы дизеля, уменьшить износ деталей кривошипно-шатунного и газораспределительных механизмов, повысить надежность работы двигателя, увеличить мощность и экономичность, снизить дымность и токсичность отработавших газов.
Известна система подачи топлива в дизель (патент РФ №2372516 МПК F02 55/00, 2009), содержащая насос высокого давления, нагнетательный клапан, подпитывающую магистраль, дополнительный канал и невозвратный клапан, причем насос связан с подпитывающей магистралью и соединен через нагнетательный клапан и трубопровод высокого давления с форсункой, а невозвратный клапан размещен в дополнительном канале, который одним концом связан с трубопроводом высокого давления, причем сочленение конусной поверхности невозвратного клапана с перьями выполнены цилиндрической формы, а трубопровод высокого давления связан с магистралью подачей альтернативного топлива посредством держателя, при этом на трубопроводе высокого давления дополнительно размещены два невозвратных клапана: один - у форсунки, другой - в месте наибольшего разрыва плотности потока топлива.
Однако, данное техническое решение имеет сложное устройство. Кроме того известно, что разрежение создается не только после посадки иглы форсунки в седло и после закрытия нагнетательного клапана насоса высокого давления, но и при открытых нагнетательном клапане и игле форсунки [1]. Это приведет к истечению топлива через невозвратные клапаны в топливопровод высокого давления, увеличению давления в нем и, как следствие, к увеличению времени впрыскивания топлива через форсунку в цилиндр дизеля, увеличению дымности и токсичности отработавших газов.
Еще одним недостатком является значительная жесткость работы дизеля. Это объясняется тем, что в современных дизелях осуществляется короткое, энергичное впрыскивание, в связи с чем фактор динамичности цикла, то есть относительное количество цикловой подачи топлива, поданное в цилиндр за период задержки воспламенения, достигает 0,5…0,8, увеличиваясь по мере роста задержки воспламенения [2].
Известна система подачи топлива в дизель (патент РФ №2132478 МПК F02М 55/00, 1997), содержащая насос высокого давления, нагнетательный клапан, подпитывающую магистраль, дополнительный канал и невозвратный клапан, причем насос связан с подпитывающей магистралью и соединен через нагнетательный клапан и трубопровод высокого давления с форсункой, а невозвратный клапан размещен в дополнительном канале, который одним концом связан с трубопроводом высокого давления, а другим с подпитывающей магистралью, причем дополнительный канал другим концом постоянно связан с подпитывающей магистралью и содержит дроссель, при этом запорный элемент невозвратного клапана выполнен с разгрузочным пояском, в котором выполнена проточка, выполняющая функцию дросселя, а дроссель исключен из системы, причем нагнетательный трубопровод связан с подпитывающей магистралью посредством держателя.
В известном решении достигнуто определенное повышение эффективности работы дизеля, благодаря повышению начального давления, повышению стабильности топливоподачи по циклам и равномерности по цилиндрам.
Однако это решение не обеспечивает снижение жесткости работы дизеля при его форсировании по частоте вращения и нагрузке. Кроме того данная система не корректирует топливоподачу при работе дизеля в различных климатических условиях.
Известна система подачи топлива в дизель (патент РФ №2372516, МПК F02М 55/00, 2009), содержащая насос высокого давления, нагнетательный клапан, подпитывающую магистраль, дополнительный канал и возвратный клапан, причем насос связан с подпитывающей магистралью и соединен через нагнетательный клапан и трубопровод высокого давления с форсункой, а невозвратный клапан размещен в дополнительном канале, который одним концом связан с трубопроводом высокого давления, причем сочленение конусной поверхности невозвратного клапана с перьями выполнено цилиндрической формы, а трубопровод высокого давления связан с магистралью подачи альтернативного топлива посредством держателя, причем на трубопроводе высокого давления дополнительно размещены два невозвратных клапана: один - у форсунки, другой - в месте наибольшего разрыва плотности потока.
Данная система не обеспечивает снижение жесткости работы дизеля в различных климатических условиях его работы. Это обуславливает значительный износ деталей кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, что существенно снижает ресурс двигателя. При этом ухудшается как мощность и экономичность двигателя, так и его экологические характеристики.
Известна система подачи топлива в дизель (патент РФ №2342555, МПК F02М 55/00, 2008), содержащая топливный насос высокого давления, нагнетательный и невозвратный клапан, причем насос связан с подпитывающей магистралью и соединен через нагнетательный клапан и трубопровод высокого давления с форсункой, а невозвратный клапан размещен в дополнительном канале, который одним концом связан с трубопроводом высокого давления, а другим - с подпитывающей магистралью, при этом в систему дополнительно введены вспомогательный топливный насос высокого давления с нагнетательным клапаном и аккумулятор высокого давления, соединенный с подпитывающей магистралью с невозвратным клапаном, причем на аккумуляторе высокого давления размещен редукционный клапан, соединенный с трубопроводом низкого давления.
Данная система улучшает протекание рабочего цикла дизеля, повышает его мощностные и экономические показатели. Однако, отсутствие устройства для электронного управления топливоподачей в зависимости от различных факторов снижает эффективность применения рассматриваемой системы подачи топлива в дизель. В целом данное техническое решение наиболее близкое к заявляемому и принято за прототип.
Технический результат направлен на снижение жесткости работы дизеля и, как следствие, на повышение мощностных и экономических показателей двигателя, на снижение дымности и токсичности отработавших газов, на повышение надежности работы в различных условиях. Технический результат достигается тем, что в систему подачи топлива в дизель, содержащую топливный насос высокого давления с форсункой, вспомогательный топливный насос высокого давления и аккумулятор высокого давления с редукционным клапаном, соединенный с трубопроводом низкого давления, при этом в систему дополнительно введено устройство для электронного управления подачей пилотной дозы топлива, состоящее из комплекта датчиков, подающих сигналы на электронный блок управления, соединенного с соленоидом электромагнитного клапана, размещенного в топливопроводе высокого давления, соединяющего аккумулятор высокого давления с перепускным клапаном, установленном в топливопроводе высокого давления между насосом высокого давления и форсункой.
Отличительными признаками от прототипа является то, что в систему подачи топлива в дизель дополнительно введено устройство для электронного управления пилотной дозы топлива, состоящей из комплекта датчиков, подающих сигналы на электронный блок управления, соединенного с соленоидом электромагнитного клапана, размещенного в топливопроводе высокого давления, соединяющего аккумулятор высокого давления с перепускным клапаном, установленном в топливопроводе высокого давления между насосом высокого давления и форсункой.
На схеме изображена система подачи топлива в дизель.
Система содержит трубопроводы низкого давления 1, 2, топливный насос высокого давления 3, вспомогательный насос высокого давления 4, аккумулятор высокого давления 5, на котором установлен редукционный клапан 6, состоящий из шарика 7 и пружины 8. Топливо из насоса 4 и из насоса 3 поступает по трубопроводам высокого давления 9, 10 и 11 к форсунке 12. На трубопроводе высокого давления 10 размещен электромагнитный клапан 13, состоящий из поршня 14 и пружины 15. В поршне 14 выполнено радиальное отверстие 16. На трубопроводе высокого давления 11 установлен перепускной клапан 17, предназначенный для перепуска пилотной дозы топлива, подаваемой из ресивера 5 к форсунке 12. Клапан 17 состоит из поршня 18 и пружины 19. В поршне 18 выполнены радиальный канал 20 и Г-образный канал 21.
Система подачи топлива в дизель содержит устройство для электронного управления подачей пилотной дозы топлива, предназначенной для подачи небольшой пилотной дозы топлива в средней части процесса сжатия, которая в результате предпламенной подготовки активируется и создает благоприятные условия для воспламенения и сгорания основной дозы топлива [2]. Пилотная доза топлива составляет 2…10% от основной дозы топлива.
Устройство для электронного управления подачей пилотной дозы топлива состоит из комплекта датчиков 22, электронного блока управления 23, в котором имеется аналого-цифровой преобразователь 24, постоянное запоминающее устройство 25, микропроцессор 26, усилитель 27, электрический провод 28 и соленоид 29, состоящий из электрической обмотки 30 и штока 31, жестко прикрепленного к поршню 14 клапана 13. Комплект датчиков 22 содержит: датчики угла поворота коленчатого вала 32, частоты вращения коленчатого вала 33, атмосферного давления 34, температуры окружающего воздуха 35, температуры охлаждающей жидкости 36, температуры топлива 37, сорта применяемого топлива 38.
Принцип действия системы подачи топлива в дизель заключается во впрыскивании в цилиндр в средней части хода поршня на такте сжатия за 80…120° до ВМТ пилотной дозы топлива, составляющей от 2 до 10% цикловой подачи. Пилотная доза подается из аккумулятора высокого давления 5 по сигналу устройства для электронного управления подачей топлива, подаваемому на электромагнитный клапан 13. При подходе поршня к ВМТ конце такта сжатия в цилиндр впрыскивается основная доза топлива (90-98%), нагнетаемая топливным насосом высокого давления 3 за 20…32° до ВМТ.
Известно, что момент впрыскивания топлива в дизеле является единственным фактором, изменяя величину которого можно управлять фазовым положением характеристики тепловыделения [2]. Однако, связь между углом опережения впрыскивания топлива и моментом его воспламенения, определяющим начало тепловыделения, обусловлено периодом задержки воспламенения. При раннем впрыскивании топливо попадает в среду с недостаточно высоким давлением и температурой, в связи с чем его предпламенная подготовка затягивается и период задержки воспламенения возрастает. При этом значительно возрастает доля топлива, сгорающего в турбулентном пламени, что резко повышает жесткость и максимальное давление цикла.
В связи с этим увеличивается уровень шума, прослушиваются стуки, отрицательно влияющие на ресурс двигателя и приводящие к снижению надежности его работы.
При позднем впрыскивании значительно увеличиваются потери, обусловленные затянутым процессом сгорания, и к ним прибавляются потери от неполноты сгорания.
Угол опережения впрыскивания зависит от сорта применяемого топлива и при регулировании по критерию минимального расхода топлива должен увеличиваться при снижении цетанового числа топлива.
Ужесточение требований к экологической безопасности дизелей обуславливает регулирование угла опережения впрыскивания топлива исходя из условий минимизации окислов азота и углеводородов.
Система подачи топлива в дизель работает следующим образом.
При работе дизеля топливо из топливного бака перетекает по трубопроводам низкого давления 1 и 2 во вспомогательный насос высокого давления 4, который нагнетает его в аккумулятор высокого давления 5. В случае повышения давления топливо в аккумуляторе 5 свыше 50 МПа, шарик 7 редукционного клапана 6 преодолевает сопротивление пружины 8 и топливо из аккумулятора 5 перепускается в топливопроводы низкого давления 2 и 1.
При работе двигателя на различных режимах информация от датчиков 32, 33, 34, 35, 36, 37 и 38 в аналоговой форме преобразуется в цифровые коды в аналогово-цифровом преобразователе 24, обрабатывается микропроцессором 26 в соответствии с заложенной в постоянном запоминающем устройстве 25 программе. Командная информация, выдаваемая микропроцессором 26 в виде импульса электрического тока, через усилитель 27 поступает на соленоид 29. Под действием электромагнитного поля, возникающего в электрической обмотке 30 соленоида 29, шток 31 перемещается вправо, увлекая за собой поршень 14 до совпадения радиального отверстия 16 в поршне 14 с топливопроводом высокого давления. При этом топливо из ресивера 5 по топливопроводу 10 будет перетекать к перепускному клапану 17. Под действием давления топлива действующего на левый торец поршня 18, последний переместится вправо до совпадения выполненного в нем Г-образного отверстия с топливопроводом высокого давления 11. В этом случае через форсунку 12 в цилиндр будет впрыснута пилотная доза топлива под высоким давлением создаваемым вспомогательным насосом высокого давления 4. Впрыскивание в цилиндр пилотной дозы топлива под высоким давлением способствует проникновению капель топлива в весь объем камеры сгорания, быстрому дроблению и испарению капель и надежному самовоспламенению образующейся топливовоздушной смеси.
После прекращения впрыскивания пилотной дозы топлива электрический сигнал от электронного блока управления 23 на обмотку 30 соленоида 29 не поступает. При этом поршень 14 под действием пружины 15 перепускного клапана 13 перемещается влево и подача пилотной дозы топлива через форсунку 12 в камеру сгорания прекращается. При этом давление в топливопроводе 10 уменьшается и поршень 18 перепускной клапан 17 перемещается в положение, при котором радиальное отверстие 20 в поршне 18 совпадает с топливопроводом высокого давления 11. В этом случае основная доза топлива будет нагнетаться топливным насосом высокого давления 3 через форсунку 12 в факел пламени, образовавшийся в камере сгорания дизеля после самовоспламенения в ней пилотной дозы топлива. Это способствует быстрому испарению и сгоранию впрыскиваемой основной дозы топлива, уменьшения шума дизеля вследствие снижения жесткости его работы. Вследствие этого увеличивается срок службы деталей кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, повышается мощность и экономичность дизеля, снижается дымность отработавших газов, повышается надежность его работы.
При работе двигателя угол опережения впрыскивания пилотной дозы топлива изменяется с помощью устройства для электронного управления подачей пилотной дозы топлива в зависимости как от режима его работы, так и с учетом условий окружающей среды. Угол опережения впрыскивания основной дозы топлива изменяется с помощью автоматической муфты опережения впрыскивания топлива.
Известно, что в настоящее время проблема сокращения продолжительности впрыскивания основной дозы топлива стала особенно актуальной применительно к дизелям с форсированным наддувом, в которых используется значительное увеличение цикловой подачи[2]. В этом случае продолжительность впрыскивания должна быть уменьшена до 23…25° nкв по сравнению с 30…35° nкв для безнаддувных дизелей. Решение этой задачи возможно только при увеличении объемной скорости подачи топлива и существенном повышении давления впрыскивания, последнее обстоятельство способствует более быстрому сгоранию основной дозы топлива.
Из сказанного следует, что в данном техническом решении жесткость работы дизеля уменьшается за счет изменения характеристики впрыскивания, так как цикловая подача разделена на пилотную и основную дозы.
Таким образом, заявляемая система обеспечивает оптимизацию протекания процесса сгорания в дизеле, снижение жесткости и шумности его работы, повышению мощностных, экономических и экологических показателей при работе двигателя в различных климатических условиях.
Источники информации:
1. Астахов, И.В. Подача и распиливание топлива в дизелях [Текст]: учебник для вузов / И.В.Астахов [и др.] - М.: Машиностроение, 1972. - 256 с.
2. Бурячко, В.Р. Автомобильные двигатели. Рабочие циклы, показатели и характеристики. Методы повышения эффективности энергопреобразования. [Текст]: учебник / В.Р.Бурячко, А.В.Гук. - СПб.: НПИКЦ, 2005. - 292 с.