Система питания двигателя внутреннего сгорания

Описание полезной модели. Система питания двигателя внутреннего сгорания. Область техники, к которой относится полезная модель - полезная модель относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, конкретно к системам питания двигателей с воспламенением от сжатия, предполагающим одновременное использование двух видов топлива - жидкого и газообразного. Уровень техники - известны системы питания двигателей внутреннего сгорания, использующие одновременно два вида топлива. В частности дизелей, с подачей газообразного топлива во впускной трубопровод как основного вида топлива и впрыск жидкого (дизельного) топлива в цилиндр так дополнительного топлива, необходимого для воспламенения ранее поданной газовоздушной смеси 1, 2. Подобные системы обеспечивают экономию впрыскиваемого жидкого (дизельного) топлива за счет его частичной замены газообразным, например, углеводородным топливом. Следствие лучшего смесеобразования снижается выброс сажи и дымность отработавших газов, К недостаткам, названных систем питания двигателей, следует отнести неполное использование возможностей экономии впрыскиваемого в цилиндр жидкого топлива при работе с фиксированной подачей жидкого топлива независимо от нагрузочного режима работы двигателя, или с подачей жидкого топлива, увеличивающейся при повышении нагрузки. Названные системы характеризуются малой величиной коэффициента запаса крутящего момента. Кроме того, подобные системы имеют повышенные выбросы вредных веществ с отработавшими газами - окиси углерода и углеводородов, особенно на средних и малых нагрузках из-за ухудшения условий воспламенения и сгорания газовоздушного заряда. ч обеспечивающая при работе на двух видах топлива качественное регулирование мощности посредством изменения водителем подачи газообразного топлива при фиксированной подаче дизельного топлива. В представленном прототипе можно отметить следуют недостатки: 1.При работе на двух видах топлива и повыщении нагрузки доля дизельного топлива сначала возрастает от минимальной цикловой подачи, соответствующей режиму минимальной частоты вращения до так называемой запальной дозы, а затем сохраняется постоянной независимо от нагрузки двигателя. 2.Прототип предполагает автоматическое регулирование подачи газообразного топлива . в основном на режимах минимальных и максимальных частот вращения. На других режимах изменение подачи газа осуществляется непосредственно водителем, воздействующим на дроссельную заслонку, регулирующую подачу газообразного топлива. 3.Прототип не содержит специального корректирующего устройства для увеличения максимальной цикловой подачи газообразного топлива при работе с полной нагрузкой и уменьщении частоты вращения. 4.Прототип предполагает качественное регулирование мощности двигателя, то есть изменение нагрузки достигается только за счет изменения подачи топлива без дросселирования воздущного заряда. Сущность полезной модели - является повыщение топливной экономичности двигателя, уменьщение токсичности отработавщих газов и улучшение эксплуатационных качеств двигателя за счет улучшения процесса сгорания и совершенствования системы автоматического регулирования подачи дизельного и газообразного топлива. Система питания двигателя внутреннего сгорания, содержит магистраль подачи дизельного топлива в цилиндры, магистраль подачи газообразного топлива к газовому дозатору, а затем к установленному во впускном трубопроводе газовоздушному смесителю, имеющему дроссельную заслонку, управляемую пневматическим приводом в ч зависимости от положения газового дозатора, кинематическую передачу, связывающую основной рычаг регулятора частоты вращения, газовый дозатор и дозатор подачи дизельного топлива, подвижный упорограничитель хода дозатора дизельного топлива, оснащенный приводом для его фиксации в двух положениях, рычажный привод регулирования дозы дизельного топлива, электромагнитный клапан, размещенный в магистрали подачи газообразного топлива к газовому дозатору, электрическую цепь управления одновременным переводом упора-ограничителя в одно из двух заданных положений с включением электромагнитного клапана подачи газообразного топлива. На рис. 1 представлена общая схема предлагаемой системы, на рис. 2... 5 результаты экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность предлагаемых решений. Дизельное топливо, хранящееся в топливной баке 1, поступает через фильтр грубой очистки 2 , топливоподкачивающий насос 3, фильтр 4 тонкой очистки к насосным секциям 5 топливного насоса высокого давления и далее через трубопровод высокого давления 6 впрыскивается форсунками в цилиндр двигателя. Количество подаваемого топлива определяется взаимным положением плунжера 7, совершающего возвратнопоступательное движение и дозатора топлива 8 управляемого всережимным регулятором частоты вращения. Газообразное топливо, содержащееся в баллоне 9 для хранения газа, поступает в магистраль подачи газа через механический магистральный вентиль 10, редуктор высокого давления 11, фильтр 12, подогревательиспаритель 13 газа, двухступенчатый газовый редуктор 14 низкого давления электромагнитный клапан 15, втулку 16 дозатора 17 газообразного топлива, канал 18 подачи газа к газовоздушному смесителю 19 с дроссельной заслонкой 20, имеющей пневматический привод в виде исполнительного диафрагменного механизма 21 и каналов 22 и 23, связанных соответственно с узким сечением смесителя 19 и втулкой 16 газового дозатора 17. Канал 24 Ч передает разрежение от смесителя 19 на отпирающую диафрагму редуктора 14. Подача дизельного и газообразного топлива регулируется автоматическим всережимным регулятором частоты вращения. Скоростной режим работы регулятора зависит от соотношения сил, действующий на основной рычаг регулятора 25 со стороны пружины регулятора 26, натяжение которой определяется положением рычага управлением 27, центробежных сил грузов чувствительного механического элемента 28, связанного с кулачковым валов 29 топливного насоса, усилия пружины 30, обеспечивающей кинематическую связь рычагов 31 и 25, газовых сил разрежения, передаваемых из диффузора смесителя 19 по каналу 18 на дозатор 17, тягу 32 и рычаг 25, и усилия пружины корректора 33 подачи дизельного топлива. Основной рычаг регулятора 25 постоянно связан с газовым дозатором 17 через тягу 32. Взаимодействие рычага 25 регулятора с рычагом 31 дозатора 8 дизельного топлива зависит от состояния электромагнита 35 и связанного с ним подвижного, упора-ограничителя 36 с пружиной 37. Перевод двигателя с режима работы только на дизельном топливе на режим одновременной подачи дизельного и газообразного топлива определяется положением выключателя 40 в электрической цепи управления магнитным клапаном 15, открывающим подачу газообразного топлива к газовому дозатору и электромагнитом 35, перемещающим подвижный упор-ограничитель 36 и уменьшающим подачу дизельного топлива до уровня запальной дозы. Система работает следующим образом. Запуск двигателя и работа на холостом ходу осуществляется только на дизельном топливе. При этом контакты выключателя 40 разомкнуты, что исключает поступление электрического сигнала от источника питания 41 к электромагнитному клапану 15 и электромагниту 35, и препятствует подаче газа от редуктора 14 низкого давления к газовому дозатору 17. Пружина 37 подвижного упораограничителя 36 перемещает рычаг 38 в одно из возможных крайних Ч
величина ограниченной запальной дозы дизельного топлива определяется начальной регулировкой положения рычага 38 относительно рычагов регулятора 31 и 25 посредством перемещения подвижного упора ограничителя 36 вместе с корпусом электромагнита 35. В этом положении рычагов регулятора длина тяги 32 подобрана таким образом, что верхняя кромка дозатора 17 полностью перекрывает входное отверстие во втулке 16 дозатора и газ в смеситель 19 не поступает, несмотря на открытый электромагнитный клапан 15. На режимах работы от холостого хода до 10... 15 % номинальной нагрузки обеспечивается автоматическое регулирование подачи дизельного топлива соответственно от минимальных положений, выводя его из взаимодействия с рычагом 31 и исключая возможность ограничения подачи дизельного топлива. При уменьшении нафузки и повышении частоты вращения центробежные силы, действующие на чувствительный элемент 28 увеличивают и преодолевая усилие пружины перемещают рычаг регулятора 25, телескопическую тягу 34, рычаг 31 и дозатор 8 для уменьшения подачи дизельного топлива, при повышении нагрузки и уменьшении частоты вращения уменьшается воздействие центробежных сил грузов чувствительного элемента 28 на рычаг 25 регулятора, который под действием пружины 26 поворачивается для увеличения подачи дизельного топлива. При этом пружина 30 обеспечивает неразрывность кинематической связи между рычагами 25 и 31 через телескопическую тягу 34 и перемещает рычаг 31 и дозатор 8, увеличивая подачу дизельного топлива. Для одновременной работы двигателя на дизельном и газообразном топливе необходимо замкнуть контакты выключателя 40, что обеспечивает включение электромагнита 35 и открытие электромагнитного клапана 15. Выключение электромагнита 25 приводит к перемещению подвижного упора-ограничителя 36 вместе с рычагом 38 в одно из возможных крайних положения навстречу рычагу 31, препятствуя его движению с дозатором 8 и ограничивая увеличение подачи дизельного топлива. Максимальная is значений и свободном положении рычага 31, до максимальных значений запальной дозы дизельного топлива и положении рычага 31 на упоре в рычаг 38. При повышении нагрузки более 10... 15 % и уменьшении частоты враш,ения двигателя, центробежные силы грузов чувствительного элемента 28 уменьшаются, позволяя пружине регулятора 26 переместить рычаг регулятора 25, который через тягу 32, перемещая газовый дозатор 17 и открывая впускное окно во втулке 16 дозатора, подает газ через канал 18 в воздушный смеситель. Одновременно, рычаг 25, вызывая поворот рычага 38 относительно его опоры на подвижном упоре- ограничителе 36, что, в свою очередь, позволяет рычагу 31 поворачиваться относительно своей опоры и перемещать дозатор 8 вниз, уменьшая запальную дозу дизельного топлива. Интенсивность уменьшения запальной дозы дизельного топлива определяется длиной и соотношением длины плеч рычагов 38 и 31. Чем выше нагрузка, тем значительнее, перемещение рычагов 25, тяги 32, дозатора 17 и больше подача газа. При работе на частичных нагрузках в диапазоне от холостого хода примерно до 60...70 % номинальной нагрузки корпус дозатора 17 перекрывает своей боковой поверхностью канал 23, связанный с диафрагменным механизмом. Разряжение, передаваемое в диафрагменный механизм по каналу 22 из диффузора смесителя 19, заставляет перемещаться диафрагму 43, преодолевая усилия пружины 42, и через тяги 44 частично прикрывать дроссельную заслонку 20. Дальнейшее увеличение нагрузки более 60...70 % от номинальной достигается при увеличении подачи газообразного топлива, открытии дроссельной заслонки и уменьшении запальной дозы дизельного топлива. При увеличении подачи газа дозатор 17 постепенно открывает своей боковой поверхностью отверстие во втулке 16, по которому газ через канал 23 поступает в полость диафрагменного механизма, где уменьшает разрежение, передаваемое по каналу 22 из смесителя 19. в результате пружина 42 перемещает диафрагму 43, тяги 44 и открывает дроссельную заслонку 20. , При снижении нагрузки и увеличении частоты вращения двигателя, возрастают центробежные силы грузов чувствительного элемента 28, и, преодолевая усилие пружины регулятора 26, заставляют перемещаться рычаг регулятора 25, тягу 32 и дозатор 17 уменьшая проходное отверстие во втулке 16, одновременно уменьшая подачу газа и прикрывая дроссельную заслонку. То есть имеет место, смешанное регулирование мощности. В момент, когда канал 23 перекрыт полностью, положение дроссельной заслонки не меняется и определяется упором 45. Дальнейшее изменение мощности двигателя происходит при качественном регулировании уменьшении подачи газа и некотором увеличении подачи запальной дозы дизельного топлива. При работе по внешней скоростной характеристике и уменьшении частоты вращения ниже номинальной, система обеспечения дополнительное увеличение цикловой подачи газообразного топлива для достижения необходимой величины коэффициента запаса крутящего момента. Изменение подачи газообразного топлива для достижения необходимой величины коэффициента запаса крутящего момента. Изменение подачи газа происходит за счет дополнительного хода дозатора. Перемещение рычагов регулятора определяется не только механическими силами пружин регулятора 26, корректора 33 и центробежных сил грузов чувствительного элемента 28, но и газовыми силами разряжения, действующими на цилиндрический дозатор 17 со стороны смесителя 19. При уменьшении частоты вращения, разрежение в смесителе 19 уменьшается, что уменьшает газовые силы, действующие на дозатор 17, и способствует его дополнительному перемещению под действием пружины 26 в сторону увеличения подачи газа. Величина подачи газа так же определяется профилем отверстия для входа газа во втулке 16 дозатора. Из представленных на рис. 2...5 данных видно, что отрицательной особенностью газодизеля, работающего при качественном регулировании по схеме 1, являются повышенные выбросы углеводородов (СпПщ) и окиси
углерода (СО) на частичных режимах (рис. 2, 3) Однако существует реальная возможность улучшения полноты сгорания и уменьшения концентраций СО, СпНп, на частичных нагрузках за счет поддержания достаточно низких коэффициентов избытка воздуха газовоздушной смеси посредством дросселирования воздушного заряда на впуске. Например, если обеспечить концентрацию газообразного топлива (пропан-бутановой смеси) в заряде, поступающем в цилиндры двигателя на уровне коэффициента избытка воздуха а  1,8...2,0, то можно существенно улучщить полноту сгорания, и снизить высокие исходные концентрации СпНщ и СО в отработавших газах газодизеля примерно до уровня 0,07...0,08 %. Такие показатели обеспечиваются при изменении нагрузки от 100 до 60 % за счет одновременного изменения подачи газа и дросселирования заряда в диапазоне г  (1...0,72)rivmax- Большее дросселирование нецелесообразно, так как снижается температура конца сжатия, и ухудшаются условия воспламенения дизельного топлива и газа. Дальнейшее снижение нагрузки возможно при качественном регулировании - обеднении газовоздушного заряда от а  1,8 до 5...6. При этом концентрация СпНщ не превышает 0,1. ..0,16%, а СО-0,1. ..0,14%.
Реальное уменьшение массовых часовых выбросов, с отработавшими газами оказывается еще выше в связи с тем, что кроме концентрации уменьшается и абсолютное количество отработавших газов.
Эффективность работы предлагаемой системы после оптимизации закона дросселирования показана на рис. 4 и 5 по сравнению с показателями газодизеля качественного регулирования и базового дизеля.
По сравнению с базовым дизелем новая система регулирования газодизеля обеспечивает уменьшение массовых выбросов окислов азота около 20 % на полной нагрузке и около 45...50 % на средних и малых нагрузках. Массовые выбросы окиси углерода при нагрузках более 50 % находятся практически на уровне дизеля, а в диапазоне нагрузок 20...40 % выбросы СО примерно в 2раза выше.. Массовые выбросы углеводородов
выше, чем я дизеле, при нафузках более 50 % - и 2...3 раза, а при нагрузках 20...40 % - 10 раз. По сравнению с показателями газодизеля качественного регулирования 1 максимальные выбросы СО и СпН уменьшены в 5...8 раз. Топливная экономичность газодизеля со смешанным регулированием и умеренным дросселированием лучше, чем газодизеля с качественным регулированием (рис.2, 4). Более глубокое дросселирование ухудшает топливную экономичность, что может быть связано как с ухудшением условий воспламенения факела дизельного топлива, ростом коэффициента остаточных газов или других причин связанных с условиями сгорания или с возрастанием потерь на газообмен. Результаты испытаний показывают, что существует принципиальная возможность уменьшения запальной дозы дизельного топлива до 10 % от номинальной цикловой подачи. Однако целесообразно ограничить запальную дозу дизельного топлива на уровне 20 % от номинальной цикловой подачи при работе на полной нагрузке. При ее дальнейшем уменьшении увеличивается нестабильность рабочего процесса, значительно увеличиваются удельный расход топлива, выброс несгоревших углеводородов и окиси углерода. При уменьшении нагрузки за счет обеднения газовоздушного заряда ухудшаются условия его воспламенения факелом дизельного топлива, и замедляется распространение фронта пламени. Это требует постепенного увеличения запальной дозы дизельного топлива, достигающей на малых нагрузках 30 %. Регулирование величины запальной дозы в зависимости от нагрузки увеличивает экономию дизельного топлива.
Источники информации:
1.А.С. № 1225307 А от 21.12.84., 02 Д 19/03, 02 М 43/00
2.Газодизельные автомобили КамАЗ - 53208, - 53218, - 53219, 54118, - 55118, - 53217. Дополнение к руководству по эксплуатации автомобиля КамАЗ - 5320. г. Брежнев, 1986, 65 с.