ТОПЛИВНЫЙ НАСОС И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
FUEL PUMP AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к области разработки, создания и эксплуатации насосов (агрегатов, узлов) для перекачки жидких топлив, в том числе сжиженного природного газа, или повышения их давления.
Известные способы работы насоса включают первичное преобразование одного из видов энергии, например тепловой, в энергию вращательного движения вала в одном функциональном блоке-приводе насоса, передачу этой энергии на вал другого функционального блока-насоса, преобразование ее в потенциальную энергию для обеспечения поступления в рабочий объем жидкого топлива из магистрали низкого давления (МНД), повышения давления и подачи топлива в магистраль высокого давления (МВД). Указанный способ работы реализуется как в лопаточных, так и в поршневых насосных установках и, в том числе, используется для перекачки и транспортировки жидких топлив.
Для насоса с поршневой гидравлической частью способ работы реализуется путем организации в рабочем объеме цилиндра циклического чередования тактов расширения и сжатия за счет возвратно-поступательного движения поршня, приводимого в движение коленчатым валом, и соответствующего этим тактам подключения/отключения рабочего объема цилиндра к МНД и МВД, при этом наполнение цилиндра жидким топливом проводят на такте расширения, а повышение давления и подачу топлива в МВД проводят на такте сжатия.
В состав поршневого топливного насоса входят: привод, обеспечивающий передачу крутящего момента на коленчатый вал насоса, корпус насоса, поршень, связанный посредством шатуна с коленчатым валом насоса, окна для наполнения цилиндра жидким топливом из МНД, окна для подачи топлива в МВД и клапана для управления наполнением и подачей топлива. Описанные устройство и способ работы поршневого насоса хорошо известны и представлены, например, в шестом разделе, том 1, изд-во «Энергия», Москва, 1973 г.
В качестве привода может применяться поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Такой двигатель состоит из тех же элементов, из которых состоит поршневой насос и дополнительно включает систему подачи и воспламенения топлива и систему удаления отработавших газов (ОГ). Способ работы такого двигателя включает наполнение цилиндра воздухом, подачу топлива, сгорание топливно-воздушной смеси, преобразование на такте расширения потенциальной энергии продуктов сгорания в механическую энергию вращения коленчатого вала двигателя, выпуск ОГ и создание разряжения для наполнения цилиндра свежей порцией воздуха.
Кроме того, известны способ работы и устройство ДВС по патенту РФ №2146007 F02B 3/04, опублик. 27.02.2000 г., в котором применяют дополнительный поршень, не связанный с валом двигателя, и упор, ограничивающий перемещение этого поршня. Одной из особенностей такого способа является создание на такте сжатия перепада давлений между камерами, на которые этот поршень делит рабочий объем цилиндра, и использование этого перепада для обеспечения подачи окислителя в камеру сгорания, в частности, по каналам, перфорирующим автономный поршень.
Для способа и устройства насоса, представленных в «Теплотехническом справочнике» и принятых за прототип, наличие двух отдельных функциональных блоков, а именно гидравлической части насоса и привода, требует увеличения массогабаритных характеристик, вызывает ухудшение условий эксплуатации и увеличение потерь энергии.
Целью изобретения является снижение потерь энергии, улучшение массогабаритных и эксплуатационных характеристик топливных насосов.
Указанная цель в способе работы достигается тем, что преобразования энергии проводят в одном рабочем объеме, который разделяют на камеру нагнетания, куда обеспечивают поступление жидкого топлива из МНД, и камеру сгорания, куда подают воздух и топливо, причем топливо подают из камеры нагнетания за счет создания разности давлений между камерами, а энергию процесса сгорания используют для добавочного повышения давления и подачи топлива в МВД и для обеспечения двигательного режима. Так, для поршневого насоса разделение рабочего объема цилиндра на камеры нагнетания и сгорания производят дополнительным поршнем, перемещение которого обеспечивают за счет разности давлений между камерами, а добавочное повышение давления и подачу топлива в МВД осуществляют за счет перемещения дополнительного поршня под действием давления газа камеры сгорания в процессах сгорания и расширения продуктов сгорания, при этом двигательный режим обеспечивают за счет преобразования потенциальной энергии газа камеры сгорания в механическую энергию вращения коленчатого вала, а подачу топлива для сгорания осуществляют по каналам в дополнительном поршне за счет создания разности давлений между камерами путем ограничения перемещения дополнительного поршня на такте сжатия. Кроме того, процессом сгорания перекрывают процесс подачи топлива.
В устройстве указанная цель достигается тем, что внутри корпуса поршневого насоса установлены: дополнительный поршень, который не имеет кинематической связи с коленчатым валом; упор, ограничивающий перемещение дополнительного поршня; клапана впуска воздуха и выпуска отработавших газов, а окна подачи жидкого топлива в МВД по длине цилиндра расположены так, чтобы за время сообщения этих окон с МВД обеспечивалась подача из камеры нагнетания заданного количества топлива.
Кроме того, в дополнительном поршне выполнены каналы для сообщения камер на момент подачи топлива из камеры нагнетания в камеру сгорания, которые одновременно выполняют роль топливной форсунки.
На фиг.1 представлена конструктивная схема предлагаемого устройства. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - корпус насоса; 2 - окна подачи топлива в камеру нагнетания из МНД; 3 - поршень, связанный с валом насоса; 4 - дополнительный поршень, не связанный с валом насоса; 5 - клапан подачи воздуха в камеру сгорания; 6 - крышка цилиндра насоса; 7 - клапана выпуска ОГ; 8 - упор; 9 - клапан подачи топлива в МВД; 10 - окна подачи топлива из камеры нагнетания в МВД; 11 - клапан подачи топлива из МНД в камеру нагнетания.
На левой части фиг.1 сплошными линиями представлены положения поршней в момент, когда завершается такт сжатия, при этом дополнительный поршень 4 находится на упоре 8, основной поршень 3 подходит к ВМТ, разность давления между камерами обеспечивает подачу топлива из камеры нагнетания в камеру сгорания. На правой части рисунка сплошными линиями представлены положения поршней в начале выпуска ОГ из камеры сгорания (клапан выпуска ОГ 7 открыт) после завершения подачи топлива в МВД. В нижней части фиг.1 пунктирными линиями представлены два положения основного поршня 3 в процессе впуска топлива из МНД в камеру нагнетания через каналы 2 (правая половина) и в начале такта сжатия (левая половина).
Для упрощения на фиг.1 не показаны такие конструктивные элементы, как шатун и коленчатый вал. Кроме того, здесь не представлена конструкция и принцип работы дополнительного поршня, в том числе и в режиме форсунки, в связи с тем что в патенте №2146007 подробно изложены эти технические решения.
0
На фиг.2 в нижней части представлена диаграмма перемещения основного (толстая линия) и дополнительного (тонкая линия) поршней и совмещенная с ней по углу поворота коленчатого вала (ПКВ) индикаторная диаграмма цикла. Точки, отмеченные буквами а, c, z, b и r, как принято в теории ДВС, обозначают реперные точки цикла ДВС. Весь цикл условно разбит на основные процессы, которые отмечены римскими цифрами, размещенными между этими диаграммами.
Основной поршень 3 посредством шатуна связан с коленчатым валом насоса, а дополнительный поршень 4 никаких связей не имеет и перемещается вдоль оси цилиндра под действием разности давления между камерами, на который он делит рабочий объем цилиндра. В процессе работы пространство между основным 3 и дополнительным 4 поршнями представляет камеру нагнетания, а пространство между дополнительным поршнем 4 и крышкой цилиндра насоса 6 - камеру сгорания.
Устройство работает следующим образом.
1
а
a
а
Процесс сжатия - I начинается с угла ПКВ φ и продолжается до момента посадки дополнительного поршня 4 на упор 8. В начале процесса сжатия основной поршень 3 (пунктирная линия на левой половине фиг.1) находится на ординате Н (фиг.2) и перекрывает впускные окна 2, а дополнительный поршень 4 в этот момент находится на ординате h. Камера нагнетания заполнена топливом, а камера сгорания - воздухом и остаточными после предыдущего цикла продуктами сгорания. В цилиндре установлено начальное давление - р. В процессе сжатия I перемещение основного поршня в сторону ВМТ вызывает перемещение дополнительного поршня 4 и сжатие газа камеры сгорания. Давление в цилиндре возрастает. Процесс сжатия осуществляют за счет подвода энергии к основному поршню цилиндра со стороны коленчатого вала насоса.
2
3
2
c
После того как на такте сжатия дополнительный поршень 4 достигает упора 8, он останавливается (на фиг.2 - ордината h). С этого момента начинается процесс досжатия II (φ…φ). При этом давление в камере сгорания не меняется, а в камере нагнетания, поскольку основной поршень продолжает движение в сторону ВМТ, давление продолжает расти. Как только перепад давления между камерами превысит заданный порог, топливо по каналам дополнительного поршня 4 из камеры нагнетания подают в камеру сгорания. При этом подачу топлива можно проводить как в один, так в два и более приемов. Так, на фиг.2 представлен случай подачи топлива в два приема - первая подача соответствует углу ПКВ - φ', после чего в цилиндре устанавливается давление p', а после второй подачи - давление p''=p.
3
5
4
5
Процесс сгорания - III начинается после поступления в камеру сгорания основного количества топлива (угол φ на фиг.2, а положение поршней - левая половина фиг.1). В процессе сгорания давление в камере сгорания резко возрастает, и через дополнительный поршень 4 это давление передается на топливо, находящееся в камере нагнетания. В период процесса сгорания основной поршень 3 начинает движение в обратную сторону и за счет повышенного давления в камере сгорания дополнительный поршень 4 повторяет движение поршня 3. Увеличение объема камеры сгорания с одновременным подводом теплоты определяет динамику изменения давления в цилиндре. На представленном примере процесс сгорания III заканчивается при значении угла ПКВ - φ и на участке φ-φ совпадает с процессом подачи топлива в МВД.
При этом в процессе сгорания и расширения продуктов сгорания преобразования энергии проводят таким образом, что на такте расширения часть ее направляют на повышение давления перекачиваемого топлива в камере нагнетания, а другую часть этой энергии направляют на обеспечение энергией рабочего процесса на такте сжатия. Например, для насоса с двумя цилиндрами повышение давления в камере нагнетания на такте расширения одного цилиндра передают через коленчатый вал насоса основному поршню другого цилиндра на его такте сжатия.
4
пдч
пдч
мвд
Процесс подачи топлива из камеры нагнетания в МВД - процесс IV - начинается при значении угла ПКВ φ, когда давление в цилиндре достигает заданного значения - р. При этом окна 10 подачи топлива в МВД должны так располагаться, чтобы их верхняя кромка (на фиг.2 - Н') находилась ниже дополнительного поршня 4 и выше основного поршня 3. Подача осуществляется при открытом клапане 9 подачи топлива из камеры нагнетания. Для того чтобы поддерживать давление в камере нагнетания выше давления МВД - р и тем самым обеспечивать подачу заданного количества топлива в МВД, используют «перекрытие» процессов сгорания и подачи топлива в МВД за счет переноса начала процесса подачи на момент, когда еще не завершен процесс сгорания. Для примера, представленного на фиг.2, процесс сгорания начинают раньше, чем процесс подачи, а завершают их одновременно (что не является обязательным).
пдч
Заканчивается процесс подачи топлива в МВД или когда дополнительный поршень 4 перекроет окна 10 (на фиг.2 - Н''), или раньше, при закрытии клапана подачи 9.
6
5
6
После завершения процесса подачи можно сразу приступить к процессу выпуска ОГ - V (угол φ), для чего достаточно открыть клапан 7. На диаграмме представлен пример, когда между процессами подачи IV и выпуска ОГ V имеет место процесс промежуточного расширения (на диаграмме фиг.2 процесс между φ и φ, не обозначенный римской цифрой).
При этом следует отметить, что и в процессе подачи топлива в МВД - IV и в следующим за ним процессе промежуточного расширения продуктов сгорания осуществляют передачу энергии (через давление среды камеры нагнетания) для обеспечения на такте расширения рабочего процесса двигательного режима, аналогично процессу III.
6
7
8
Процессы: выпуска ОГ - V (начало - φ), создания разряжения - VI (начало - φ) и наполнения камеры сгорания свежим воздушным зарядом - VII (начало - φ) осуществляются по аналогии с такими же процессами известных способов работы ДВС, поэтому здесь подробно не рассматриваются.
Процесс VI заявленного способа работы топливного насоса имеет особенность, связанную с тем, что при наполнении камеры сгорания при открытом клапане 5 без принудительной подачи воздушного заряда наполнение камеры сгорания совмещают с наполнением камеры нагнетания насоса топливом из МНД за счет открытия клапана 11.
В данной заявке представлен пример способа работы насоса при работе его двигательного цикла по двухтактной схеме. Однако предлагаемый способ может быть реализован и при работе его двигательного цикла по четырехтактной схеме. В этом случае можно обеспечить увеличенное наполнение камеры нагнетания, т.е. повысить производительность насоса.