ТОПЛИВОПОДАЮЩАЯ СИСТЕМА ГАЗОДИЗЕЛЯ С ВНУТРЕННИМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕМ

Полезная модель относится к системам питания двигателей внутреннего сгорания и, прежде всего дизелей, использующих газовые топлива.
Известна топливоподающая система газодизеля с внутренним смесеобразованием, содержащая топливный насос высокого давления, линию высокого давления, форсунку закрытого типа с подыгольной полостью и распылителем, бак жидкого дизельного топлива, баллоны для хранения и питания газом, линию низкого давления дизельного топлива, линию питания газовым топливом, питающий трубопровод, компрессор для сжатия газа и блок гидравлического управления, причем компрессор включен между баллонами хранения газа и баллоном питания газом, питающий трубопровод включен между баллоном питания газом и блоком гидравлического управления, линия питания газовым топливом связывает блок гидравлического управления с подыгольной полостью форсунки, а линия высокого давления связывает топливный насос высокого давления с распылителем форсунки. Блок гидравлического управления выполнен в виде проточки на плунжере топливного насоса высокого давления, образующей регулирующую кромку и кромку окончания подачи газа, образующих канал для прохода газа между питающим трубопроводом и линией питания газовым топливом. Форсунка выполнена с управляющей полостью, и ее игла имеет проточку, отверстие и канал впрыскивания, размещенные последовательно в связи линии высокого давления с
распылителем форсунки. [Патент РФ на изобретение №2126908, МПК F 02 М 43/00, 1999].
Недостатком такой системы является ее сложность, связанная с наличием дополнительного специального узла - привода блока гидравлического управления с рабочей жидкостью - маслом. Такая система применима в крупных, например, судовых дизелях, но нереальна для двигателей автомобильного назначения. Кроме того, управление форсункой от единого блока управления приводит к тому, что геометрические фазы начала подачи жидкого топлива и газа совпадают. А действительное смещение начала подачи газа по отношению к началу подачи дизельного топлива определяется лишь разнице в давлениях начала подачи этих топлив, что приводит к зависимости этих фаз от скоростного и нагрузочного режимов, от величины и нестабильности давлений топлив. Изменение фаз подачи топлив влияет на эффективность самовоспламенения, на оптимальность размещения процесса сгорания относительно верхней мертвой точки, а, следовательно, на экономичность, мощность, развиваемую двигателем, показатели его токсичности. Все это приводит к снижению эффективности применения таких систем на двигателях автотракторной размерности.
Наиболее близким аналогом предполагаемой полезной модели является топливоподающая система газодизеля с внутренним смесеобразованием, содержащая топливный насос высокого давления, линию высокого давления, форсунку закрытого типа с подыгольной полостью и распылителем, бак жидкого дизельного топлива и баллоны для хранения и питания газом, линию низкого давления дизельного топлива, линию питания газовым топливом, питающий трубопровод, компрессор для сжатия газа и блок гидравлического управления, причем компрессор включен между баллонами хранения газа и баллоном питания газом, питающий трубопровод включен между баллоном питания газом и
блоком гидравлического управления, линия питания газовым топливом связывает блок гидравлического управления с подыгольной полостью форсунки, а линия высокого давления связывает топливный насос высокого давления с распылителем форсунки, блок гидравлического управления выполнен в виде проточки на плунжере, образующей регулирующую кромку и кромку окончания подачи газа, образующих канал для прохода газа между питающим трубопроводом и линией питания газовым топливом, а форсунка выполнена с управляющей полостью и ее игла имеет проточку, отверстие и канал впрыскивания, размещенные последовательно в связи линии высокого давления с распылителем форсунки. [Патент РФ на изобретение №2184869, МПК F 02 М 43/00, 2002].
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком такой системы является то, что смесь двух углеводородных топлив, одно из которых имеет низкое цетановое число, приводит к снижению воспламеняемости смеси, что и ограничивает количество газа, которое можно применять с помощью этой системы. Подача газа с помощью такой системы принципиально возможна, но лишь в количествах, которые можно рассматривать как присадку к топливу, но не как основное топливо, замещающее дизельное. Кроме того, управление форсункой от единого блока управления приводит к тому, что геометрические фазы начала подачи жидкого топлива и газа совпадают. А действительное смещение начала подачи газа по отношению к началу подачи дизельного топлива определяется лишь разнице в давлениях начала подачи этих топлив, что приводит к зависимости этих фаз от скоростного и нагрузочного режимов, от величины и нестабильности давлений топлив. Все это приводит к снижению эффективности применения таких систем на двигателях тепловозной размерности.
Техническим результатом является повышение эксплуатационных качеств топливоподающей системы газодизеля, подачи газа и дизельного топлива.
Технический результат достигается тем, что в топливоподающую систему газодизеля с внутренним смесеобразованием, содержащую топливный насос высокого давления, линию высокого давления, форсунку закрытого типа с подыгольной полостью и распылителем, бак жидкого дизельного топлива, баллоны для хранения и питания газом, линию низкого давления дизельного топлива, линию питания газовым топливом, питающий трубопровод, компрессор для сжатия газа и блок гидравлического управления, компрессор включен между баллонами хранения газа и баллоном питания газом, питающий трубопровод включен между баллоном питания газом и блоком гидравлического управления, а линия высокого давления связывает топливный насос высокого давления с распылителем форсунки, причем плунжер топливного насоса высокого давления в районе подачи дизельного топлива выполнен с отсечной кромкой в начальной ее части по криволинейной образующей, а в районе подачи газа кромка выполнена по плоской образующей, у блока гидравлического управления кромка начала подачи газа выполнена плоской, кромка окончания подачи газа выполнена криволинейной, линия питания газовым топливом при помощи расходного трубопровода с пневмоуправляемым клапаном подачи газа соединена с подыгольной полостью форсунки, а управляющая полость пневмоклапана соединена управляющим трубопроводом с выходом блока гидравлического управления.
Выполнение плунжера топливного насоса высокого давления в районе подачи дизельного топлива с отсечной кромкой в начальной ее части по криволинейной образующей, а в районе подачи газа кромка выполнена по плоской образующей, у блока гидравлического управления
кромка начала подачи газа выполнена плоской, кромка окончания подачи газа выполнена криволинейной, линия питания газовым топливом при помощи расходного трубопровода с пневмоуправляемым клапаном подачи газа соединена с подыгольной полостью форсунки, а управляющая полость пневмоклапана соединена управляющим трубопроводом с выходом блока гидравлического управления, повышает эксплуатационные характеристики газодизеля, как уменьшение дозы запального топлива, повышение коэффициента полезного действия, позволяет регулировать количество подачи газа в цилиндры, повысить воспламеняемость и полное сгорание топлива.
На фиг.1 приведена принципиальная схема топливоподающей системы газодизеля с внутренним смесеобразованием, а на фиг.2 - схема конструктивного выполнения форсунки и топливного насоса высокого давления.
Газодизель содержит баллоны 1 высокого давления для хранения сжатого газа (предпочтительно природного), газовые трубопроводы 2, компрессор 3, баллон 4 питания газом дизеля, питающий трубопровод 5, бак дизельного топлива 6, топливоподкачивающий насос 7, линию низкого давления 8 дизельного топлива, нагнетательный клапан 9 топливного насоса высокого давления, нагнетательную головку 10 плунжера топливного насоса высокого давления 11, вход питающего сжатого газа 12, регулирующую кромку 13 плунжера топливного насоса высокого давления, кромку окончания подачи газа 14, кулачек 15 привода топливного насоса высокого давления, управляющий трубопровод 16, линию высокого давления 17, расходный трубопровод 18, пневмоуправляемый клапан подачи газа 19, линию питания газовым топливом 20, обратный клапан 21 линии питания газовым топливом, дизель 22 и форсунку 23 закрытого типа. Форсунка 23 содержит иглу 24, в которой имеется канал 25 впрыскивания жидкого топлива, проточку 26,
пружину 27, управляющую полость 28, отверстие 29 для связи проточки с каналом впрыскивания, подыгольную полость 30, колодец 31 и сопловые отверстия 32 распылителя форсунки. Подыгольная полость 30 связана через невозвратный клапан 21 с линией питания газовым топливом 20. Управляющая полость 28 соединена с линией высокого давления 17. Топливный насос высокого давления 11 выполнен следующим образом. Нагнетательная головка 10 плунжера топливного насоса высокого давления имеет нагнетательную кромку 33, отсечную кромку криволинейного выполнения 34, отсечную кромку плоского выполнения 35, отсечное отверстие 36, уплотняющую образующую 37 и канал прохода газа 38. Причем при положении плунжера топливного насоса высокого давления 11 в нижней мертвой точке полость над нагнетательной головкой 10 соединена с линией низкого давления 8 дизельного топлива. При этом уплотняющая образующая 37 перекрывает вход питающего сжатого газа 12 в канал 38. Верхняя кромка начала подачи газа 13 выполнена плоской, а нижняя кромка окончания подачи газа 14 выполнена криволинейной и обе эти кромки сходятся и сопряжены радиусом в районе начала подачи газа.
Газодизель работает следующим образом. Сжатый природный газ, хранящийся в баллонах 1 высокого давления, через запорные и невозвратные клапаны, а также необходимые фильтры и систему контроля за давлением газа (не показаны) поступает ко входу компрессора 3, который сжимает газ до уровня 20...25 МПа и нагнетает его в баллон питания 4. Газ из баллона 4 через систему редуцирования давления газа до порядка 15 МПа и соответствующий теплообменник (не показаны) по питающему трубопроводу 5 подводится через расходный трубопровод 18 к пневмоуправляемому клапану подачи газа 19 и на вход питающего сжатого газа 12 топливного насоса высокого давления 11. Дизельное топливо из бака дизельного топлива 6 подается топливоподкачивающим насосом 7 по линии низкого давления 8 к топливному насосу высокого давления 11. При
работе топливного насоса высокого давления 11 кулачек 15 приводит плунжер топливного насоса высокого давления 11 в возвратно-поступательное движение. Пространство над нагнетательной головкой 10 топливного насоса высокого давления 11 заполняется дизельным топливом из линии низкого давления 8 и при очередном нагнетательном ходе плунжера топливного насоса высокого давления 11 топливо через нагнетательный клапан 9 по линии высокого давления 17 поступает в форсунку 23. В начале нагнетательного хода плунжера топливного насоса высокого давления 11 регулирующая кромка 13 плунжера открывает вход сжатого природного газа, и газ по управляющему трубопроводу 16 подводится к управляющей полости пневмоуправляемого клапана подачи газа 19. В этот момент пневмоуправляемый клапан подачи газа 19 открывается и сжатый природный газ из расходного трубопровода 18 по линии питания газовым топливом 20 и через обратный клапан 21 также подводится в форсунку 23, в ее подыгольную полость. Размеры иглы и давление затяга пружины 27 подобраны так, что давление газа не может открыть иглу форсунки. Подача газа возможна лишь при подъеме иглы форсунки. При этом площадь иглы, на которую воздействует давление газа, увеличивается и усилие газа на пружину превышает усилие затяга пружины.
Через форсунку 23 осуществляется впрыскивание в газодизель 22 дизельного топлива и сжатого газа. При этом жидкое дизельное топливо впрыскивается в цилиндр несколько раньше, чем газовое. А газ не только служит топливом, но и обеспечивает пневматическое распыливание дизельного топлива. Как показано при нагнетательном ходе плунжера после перекрытия его кромкой входа линии низкого давления 8 начинается нагнетание дизельного топлива по линии высокого давления 17 в управляющую полость 28 форсунки 23. Под действием высокого давления дизельного топлива игла 24 форсунки 23 поднимается, сжимая пружину
27, и полость проточки 26 соединяется с управляющей полостью 28. Дизельное топливо поступает через отверстие 29 в канал впрыскивания 25, затем в полость колодца 31 и впрыскивается через сопловые отверстия 32 в газодизель. Вскоре после начала нагнетательного хода плунжера топливного насоса высокого давления 11 его регулирующая кромка в плоском исполнении 13 открывает вход питающего сжатого газа 12, который по проточке 38 топливного насоса высокого давления 11 поступает в управляющую полость пневмоуправляемого клапана подачи газа 19. Причем при увеличении расстояния между кромками 13 и 14 увеличивается время открытия пневмоуправляемого клапана подачи газа 19 за счет увеличения давления в его управляющей полости. Следовательно, большее количество газа из расходного трубопровода 18 через пневмоуправляемый клапан подачи газа 19 по линии питания газовым топливом 20 и через невозвратный клапан 21 идет к форсунке 23, в ее подыгольное пространство 30. В это время игла уже открылась и дизельное топливо начало поступать в цилиндр газодизеля. Входящий газ поступает в колодец 31, затем в сопловые отверстия 32 и впрыскивается в цилиндр. При этом происходит также распыливание дизельного топлива газом. Отсечная кромка криволинейного выполнения 34 обеспечивает подачу дизельного топлива 15...20% от необходимой нормы. Когда отсечная кромка плоского выполнения 35 плунжера топливного насоса высокого давления 11 откроет отсечной канал 36 (им может быть и вход линии низкого давления 8) произойдет отсечка подачи дизельного топлива, давление топлива в управляющей полости 28 упадет и пружина 27 форсунки 23 будет стремиться закрыть иглу 24. Однако, сжатый газ в подыгольной полости 30 не позволяет этого сделать. Подача газа в цилиндр газодизеля продолжается. Когда криволинейная кромка окончания подачи газа 14 плунжера топливного насоса высокого давления 11 перекроет вход питающего сжатого газа 12, газ перестанет поступать в
подыгольную полость 30 форсунки 23, его давление упадет и игла 24 закроется. Подача топлив прекратится.
Регулирование мощности газодизеля происходит изменением количества подаваемого газа. Это делается поворотом плунжера топливного насоса высокого давления 11 с помощью регулирующей рейки, как в обычных топливных насосах высокого давления золотникового типа (не показано). При повороте плунжера вокруг своей оси меняется положение кромки окончания подачи газа 14 относительно входа питающего сжатого газа 12 так, что меняется время, в течение которого газ может поступать к форсунке 23, а значит и количество поступающего в газодизель газа. В представленной схеме системы не предусмотрено изменение количества подаваемого в газодизель запального дизельного топлива, так как нагнетательная кромка 33 плунжера топливного насоса высокого давления 11 выполнена с постоянной образующей. Очевидно, что в вариантах выполнения эта образующая может быть переменной и поворотом плунжера вокруг своей оси с помощью рейки можно будет изменять величину запальной порции топлива. При этом одновременно будет меняться величина подачи газового топлива (в соответствии с положением кромок управления подачей газом). Очевидно, что выполнением кромок на плунжере можно ограничить режим минимальной подачи газа. Например, на режимах частичной нагрузки можно с помощью соответствующего размещения кромки на плунжере перекрыть подачу газа, сохраняя лишь подачу дизельного топлива.
В связи с тем, что подача дизельного топлива начинается раньше, чем газа, период задержки воспламенения горючей смеси определяется цетановым числом дизельного топлива, то есть после начала впрыскивания дизельного топлива происходит его самовоспламенение, а подача сжатого газа происходит уже в образовавшийся факел горящего топлива, что
обеспечивает надежное воспламенение образующейся газовоздушной смеси.
В вариантах выполнения игла 24 форсунки 23 может быть выполнена не с коническим, а с плоским уплотнительным элементом. А канал впрыскивания 25 может быть подведен в зону конического или плоского уплотнения.
Предложенная система подачи топлива позволяет значительно снизить расходы на топливо, так как газовое топливо в значительной степени дешевле дизельного топлива. Предложенная система подачи топлива позволяет снизить количество вредных выбросов выхлопных газов в окружающую среду.