Устройство для подогрева топлива в системе высокого давления дизельного двигателя в предпусковой и пусковой периоды
DEVICE FOR FUEL HEATING IN DIESEL ENGINE HIGH PRESSURE SYSTEM IN PRE-LAUNCH AND STARTING PERIODS

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в дизельных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Эксплуатация машин с дизельными ДВС в зимний период на территории Российской Федерации представляет большую проблему, которая заключается в том, что холодный пуск двигателя затруднен, а в ряде случаев невозможен. В случае пуска последующая работа двигателя сопровождается большой неполнотой сгорания топлива, интенсивным износом деталей цилиндропоршневой группы, увеличением вредных выбросов в атмосферу и, как следствие, большим расходом топлива. Существующая проблема в настоящее время решается путем организации круглосуточной работы техники, хранения в межсменный период многотонных и крупногабаритных машин в отапливаемых помещениях, хранения на открытых площадках с использованием энергии от других источников энергии, применения автономных подогревателей и накопителей энергии, а также применения пусковых жидкостей.
Предпочтение нужно отдавать способам, требующим минимальных затрат энергии и времени на предпусковую подготовку, обеспечивающим пусковую автономность машин и способствующим качественному процессу сгорания топлива в периоды пуска и послепускового прогрева.
В период холодного пуска дизеля топливо подается форсункой в камеру сгорания в виде топливных струй (фиг. 1). При этом большая часть неиспарившегося топлива достигает холодных стенок цилиндра, конденсируется и не участвует в сгорании, смывая масло с поверхности цилиндра, попадает в поддон двигателя, что способствует снижению качества моторного масла и интенсификации износов деталей двигателя. Другая часть топлива (мелкораспыленного) нагревается, испаряется и перегревается за счет теплоты слоев воздушного заряда, прилегающих к топливному факелу. В результате этого происходит значительное снижение температуры воздуха по оси топливных факелов (по ряду данных до 150…200°С) (Электростартерный пуск автотракторных двигателей/ Ю.П. Чижков и др., - М.: Машиностроение, 1985 с. 24-26). Причина - скоротечность процесса тепло-массообмена и недостаточная турбулизация воздушного потока. В итоге двигатель не запускается или запускается, но при прогреве работает с перерасходом топлива и выбросом в атмосферу большого количества вредных веществ. Наличие значительного перепада температур по оси топливных факелов требует повышения температуры конца такта сжатия. При пуске эту температуру можно увеличить за счет повышения степени сжатия или с помощью подогрева воздуха. Если в первом случае конструктивные возможности, заложенные в двигатель практически исчерпаны, то во втором случае требуется мощный подогреватель воздуха, который сложно обеспечить энергией от бортовых источников питания. В то же время исследования, выполненные авторами, показали, что если топливо, находящееся в форсунке или в топливопроводе высокого давления, перед его подачей в камеру сгорания подвергнуть нагреванию, то количество мелких частиц возрастает, одновременно сохраняется та часть энергии воздушного заряда, которая затрачивалась ранее на его нагрев и испарение за счет энергии воздуха (фиг. 2). Активность топливных факелов возрастает, а температура воздуха в камере сгорания снижается менее значительно, чем без подогрева топлива, особенно на границах раздела топливных факелов и воздуха. Следовательно, требуемая температура воздуха в камере сгорания в конце такта сжатия, при которой обеспечивается надежный пуск, может быть значительно ниже. Ниже будут и затраты энергии на подогрев топлива по сравнению с воздухом. В итоге это может способствовать улучшению пусковых качеств двигателя и повышению полноты сгорания топлива в послепусковой период.
Предварительный подогрев топлива в форсунке позволяет одновременно увеличить общее теплосодержание топливовоздушной смеси в конце такта сжатия, повысить дисперсность топливных факелов и уменьшить период задержки самовоспламенения, что способствует улучшению пусковых качеств двигателя и снижению неполноты сгорания топлива.
Известно устройство для подогрева топлива в распылителе форсунки. Нагревательный элемент, устанавливаемый на распылитель, состоит из двух вставленных друг в друга тонкостенных гильз, изготовленных из жаропрочного материала. Между стенками гильз в образовавшееся кольцевое пространство укладывается нагревательный элемент и изолируется оксидом магния (А.С. №1268785 SU).
Данное устройство работает следующим образом. При подготовке двигателя к пуску по сигналу с датчиков температуры окружающего воздуха и температуры топлива в форсунке с помощью электронного блока управления включают нагревательный элемент и подогревают топливо, находящееся в топливном канале форсунки, до температуры 180-200°С. После этого производят пуск двигателя.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для подогрева топлива (патент RU 2688131 С1), которое содержит головку блока, топливопровод высокого давления, форсунку, нагревательный элемент, электронный блок управления.
Данное устройство работает следующим образом. От автономного инвертора тока подается переменное напряжение на индуцирующий провод, образующий катушку индуктивности, создающую нагревательный контур сложной геометрии. Под воздействием вихревых токов, возникающих в теплообменнике, происходит его нагрев и тепло передается топливу, движущемуся по топливопроводу высокого давления к форсунке, установленной в головке блока цилиндров. Тепло, возникающее в катушке индуктивности под действием вихревых токов, отводится охлаждающей жидкостью из системы охлаждения двигателя.
Перечисленные способы обеспечения готовности двигателя к пуску и последующему послепусковому прогреву имеют ряд существенных недостатков:
- малое количество нагреваемого топлива, которого хватает на два-три цикла;
- большие потери теплоты в ОС;
- невозможность контроля температуры топлива;
- наличие автономного источника питания;
Технической задачей предполагаемого изобретения является повышение пусковых качеств дизельного двигателя и снижение неполноты сгорания топлива в послепусковой период.
Сущность изобретения состоит в том, что устройство для подогрева топлива в системе высокого давления дизельного двигателя в предпусковой и послепусковой периоды содержит топливопровод высокого давления и нагревательный элемент, у которого устройство образовано цилиндрическим кожухом, в который установлен топливопровод высокого давления, часть которого свернута в змеевик, и указанный нагревательный элемент, при этом поверхность змеевика покрыта медной пленкой, внутренняя поверхность кожуха устройства обернута слоем алюминиевой фольги и теплоизоляцией, торцы кожуха закрываются крышками, в одной из них по центру установлен нагревательный элемент - штифтовая свеча с разъемом, а на второй крышке размещен разъем для вывода сигнала с термодатчика, который размещен между витками змеевика, наружные поверхности кожуха устройства и топливопровода высокого давления покрываются краской с низкой теплопроводностью; выводы топливопровода высокого давления через крышки герметизируются.
На фиг. 1 показан процесс распыливания холодного топлива в камере сгорания ДВС.
На фиг. 2 показан процесс распыливания нагретого до плюс 250°С топлива в камере сгорания ДВС.
Представленное на фиг. 3 устройство для подогрева топлива в системе высокого давления дизельного двигателя в предпусковой и послепусковой периоды содержит топливопровод высокого давления 1, часть которого свернута так, что образует змеевик. Число витков змеевика определяется расчетным путем с учетом расхода топлива и температуры его подогрева, а также температуры ОС. Змеевик помещается в цилиндрический кожух 4.
Для улучшения теплообмена наружная поверхность змеевика покрыта медной пленкой (поверхность В). Кожух 4 с торцов закрывается крышками 2 и 3. В крышках закрепляют разъем 5 термодатчика 6 температуры воздуха и нагревательный элемент 8. Сам термодатчик 6 температуры воздуха размещен между витками змеевика 1. От места размещения датчика температуры воздуха зависит стабильность температуры топлива на «выходе» из нагревательного устройства. Для удобства и надежности закрепления нагревательного элемента на крышке устанавливают резьбовую втулку и уплотнительную шайбу. Во втулку ввернут штифтовый нагреватель 8. Внутренняя поверхность кожуха обернута алюминиевой фольгой 10. Наружные поверхности кожуха (поверхность А) и топливопроводов (поверхность Б) покрываются краской с низкой теплопроводностью, внутренние полости между поверхностями крышек и кожухом заполняются теплоизоляцией 11. Выводы топливопроводов через крышки запаиваются. Управление работой устройства осуществляется блоком управления или бортовым компьютером (на схеме не показан).
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Перед пуском ключ устанавливается в положение «прогрев». В этом случае напряжение подается на нагревательный элемент 8 устройства. Нагреватель разогревает топливо, находящееся в змеевике 1. При достижении предельной температуры топлива (по литературным данным не более 230-250°С) подача напряжения на нагреватель прекращается. Наступление этого момента будет сопровождаться сигналом оператору, осуществляющему пуск ДВС в виде светового или звукового сигнала. Пуск двигателя может осуществляться также в автоматическом режиме. После пуска двигатель работает в режиме прогрева. Температура топлива в змеевике начинает понижаться и при достижении заданной предельной минимальной температуры топлива в трубках змеевика 1, включается нагревательный элемент, в результате чего происходит нагрев топлива до заданного верхнего значения. Далее все повторяется. Считывания показаний с датчиков, их обработка и выработка управляющего сигнала осуществляется с помощью блока управления или бортового компьютера.