ТЕРМОКОМПЕНСИРУЮЩАЯ ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА

Изобретение относится к машиностроению, а именно двигателестроению и может быть использовано при проектировании топливных систем поршневых двигателей внутреннего сгорания (дизелей) транспортного назначения.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является термокомпенсирующая топливная система дизеля (патент №2176029 МПК F02M 63/02, F02D 35/02, 2001г), содержащая бак, подкачивающий насос, фильтр, трубопроводы, топливный насос высокого давления, датчик-терморезистор, установленный на входе в топливный насос высокого давления, магистраль слива избыточного топлива, регулируемый электромагнитный исполнительный механизм, электрически соединенный через блок усиления с датчиком-терморезистором и источником питания, при этом в системе имеется регулятор частоты вращения, снабженный прямым корректором топливоподачи, размещенным в цилиндрическом корпусе, вворачиваемом снаружи в корпус регулятора, задатчик скоростного режима, имеющий возможность перемещаться в диапазоне от максимальной подачи топлива до полного ее выключения, датчик положения, кинематически связанный с задатчиком скоростного режима и электрически соединенный с блоком усиления, выключатель и зубчато-реечная передача, рейка которой механически связана с регулируемым электромагнитным исполнительным механизмом с возможностью возвратно-поступательного перемещения по направляющей, установленной снаружи на топливном насосе высокого давления, а зубчатое колесо передачи жестко закреплено на корпусе корректора с возможностью автоматического поворота последнего на угол, пропорциональный значению сигнала, снимаемого с датчика-терморезистора.
Недостатками этой системы является наличие достаточно сложного механизма управления положением рейки топливного насоса высокого давления (ТИВД) в соответствии с температурой топлива, необходимость настройки кинематической схемы и необходимость внесения изменений в конструкцию привода управления рейкой ТНВД. Указанные недостатки могут повлиять на надежность и эффективность работы подобных схем в условиях эксплуатации автотранспортных дизелей.
Известен ряд патентов[1], [2], [3], [4], [5] в которых предложены способы подогрева топлива с применением электронагревательных устройств и электронного управления или с использованием керамических нагревательных саморегулирующихся элементов (позисторов).
Основным недостатком предлагаемых способов является необходимость потребления электроэнергии из бортовых источников транспортных средств, в то время как на специализированных автотранспортных средствах, смонтированных под вооружение или специальное оборудование существует проблема дефицита бортовой электроэнергии.
Особенностью использования автомобильных базовых шасси совместно с монтированным на них вооружением или специальным оборудованием является необходимость в определенных обстоятельствах работы их силовых установок на режимах номинальной мощности.
Технический результат направлен на повышение эффективности номинальных режимов силовой установки при высокой температуре окружающей среды путем обеспечения рациональной температуры топлива в системе питания и корректирования максимальной объемной цикловой подачи топлива.
Технический результат достигается тем, что термокомпенсирующая топливная система, содержащая бак, топливоподкачивающий насос (ТПН), фильтр грубой очистки топлива, фильтр тонкой очистки топлива, топливопроводы, топливный насос высокого давления (ТНВД), датчик-терморезистор, установленный на входе в топливный насос высокого давления, магистраль слива избыточного топлива, при этом система дополнительно содержит электромагнитный клапан, установленный в магистраль слива избыточного топлива и электрически соединенный через усилитель сигнала с датчиком ТНВД и с источником питания, топливопровод внутреннего контура, соединенный с магистралью слива избыточного топлива перед электромагнитным клапаном и с топливопроводом на входе в ТПН, дроссель, соединенный с топливопроводом внутреннего контура и с топливным баком, теплообменник стабилизации температуры топлива, соединенный первым (топливным) контуром на входе с фильтром тонкой очистки топлива и на выходе с каналом и датчиком температуры топлива ТНВД, а вторым контуром соединенный на входе с термостатом входа, который соединен с трубопроводом охлаждающей жидкости, выходящей из компрессора тормозной системы и дополнительно соединен трубопроводом с патрубком выхода охлаждающей жидкости из котла предпускового подогревателя, на выходе соединенный с термостатом выхода, который соединен трубопроводом с расширительным бачком системы охлаждения и дополнительно соединен трубопроводом с патрубком входа охлаждающей жидкости котла предпускового подогревателя, содержащего датчик включения и датчик температуры, электрически соединенных с блоком управления электрической схемы предпускового подогревателя.
Отличительными признаками от прототипа является то, что термокомпенсирующая топливная система дизеля дополнительно содержит электромагнитный клапан, установленный в магистраль слива избыточного топлива и электрически соединенный через усилитель сигнала с датчиком ТНВД и с источником питания, топливопровод внутреннего контура, соединенный с магистралью слива избыточного топлива перед электромагнитным клапаном и с топливопроводом на входе в ТПН, дроссель, соединенный с топливопроводом внутреннего контура и с топливным баком, теплообменник стабилизации температуры топлива, соединенный первым (топливным) контуром на входе с фильтром тонкой очистки топлива и на выходе с каналом и датчиком температуры топлива ТНВД, а вторым контуром соединенный на входе с термостатом входа, который соединен с трубопроводом охлаждающей жидкости, выходящей из компрессора тормозной системы и дополнительно соединен трубопроводом с патрубком выхода охлаждающей жидкости из котла предпускового подогревателя, на выходе соединенный с термостатом выхода, который соединен трубопроводом с расширительным бачком системы охлаждения и дополнительно соединен трубопроводом с патрубком входа охлаждающей жидкости котла предпускового подогревателя, содержащего датчик включения и датчик температуры, электрически соединенных с блоком управления электрической схемы предпускового подогревателя.
Сопоставительный анализ заявляемого решения и выбранного в качестве прототипа показывает, что предлагаемый способ наиболее эффективен на режиме работы силовой установки по внешней скоростной характеристике в условиях жаркого климата (высокой температуры окружающей среды), при этом система потребляет электроэнергию с бортовых источников транспортного средства только на питание датчиков температуры топлива и охлаждающей жидкости, привод электромагнитного клапана перепуска топлива и штатной электрической схемы управления работой предпускового подогревателя. При этом обеспечивается надежность работы термокомпенсирующей топливной системы даже в условиях сложной эксплуатации и противодействия работе электронных устройств и не требуется больших материальных затрат и трудоемкости для монтажа.
При эксплуатации военной автомобильной техники при высокой температуре окружающей среды или в экстремальных условиях температура топлива в канале ТНВД системы питания топливом дизеля может достигать 95°С. Экспериментально установлено, что температура топлива растет и с увеличением нагрузки и частоты вращения коленчатого вала дизеля, [6, 7].
В результате снижения массовой цикловой подачи топлива, особенно при номинальных нагрузках происходит снижение максимальной мощности дизеля более чем на 10%, что заметно влияет на тактикотехнические характеристики автомобильных шасси с вооружением или специальным оборудованием.
3
В этом случае необходимо корректирование подачи топлива в зависимости от его температуры, то есть увеличение объема цикловой подачи V, м для сохранения массовой доли подачи топлива m, кг:
3
где: ρ - плотность топлива, кг/м.
Упор рейки ТНВД, ограничивающий максимальную подачу топлива будет иметь постоянное положение с учетом корректирования, поэтому необходимо стабилизировать температуру топлива. Аналитические и экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что при температуре поступающего в цилиндр топлива 90°С параметры рабочего процесса имеют наилучшее значение [8, 9]. Наиболее рациональным способом обеспечения заданной температуры топлива для автомобильных дизелей является утилизация теплоты охлаждающей жидкости из системы охлаждения.
Обоснование мощности теплообменника.
3
Результаты экспериментов и расчеты теплообменника для дизеля КамАЗ 740.56-320 для обеспечения стабилизации температуры топлива при перепаде температуры топлива от 20°С до 90°С и его расходе 50 кг/ч показали, что его мощность должна составлять не более 5 кВт при температуре охлаждающей жидкости от 40°С до 90°С. Промышленные образцы теплообменника такой мощности - аналогов, имеют габаритные размеры в пределах (0,2*0,2*0,1) м.
На фиг.1 представлена принципиальная схема термокомпенсирующей топливной системы.
На фиг.2 представлен график изменения номинальной мощности и максимального крутящего момента дизеля КамАЗ 740.56-320 в зависимости от температуры топлива при штатной топливной аппаратуре и с термокомпенсирующей топливной системой
Термокомпенсирующая топливная система дизеля (Фиг.1), содержит бак топливный БТ, топливоподкачивающий насос ТПН, фильтр грубой очистки топлива ФГО, фильтр тонкой очистки топлива ФТО, топливопроводы, топливный насос высокого давления ТНВД, датчик-терморезистор Д1, установленный на входе в топливный насос высокого давления, магистраль слива избыточного топлива, при этом система дополнительно содержит электромагнитный клапан КЭ, установленный в магистраль слива избыточного топлива и электрически соединенный через усилитель сигнала с датчиком Д1 и с источником питания, топливопровод внутреннего контура, соединенный с магистралью слива избыточного топлива перед электромагнитным клапаном КЭ и с топливопроводом на входе в ТПН, дроссель ДР, соединенный с топливопроводом внутреннего контура и с топливным баком БТ, теплообменник ТО стабилизации температуры топлива, соединенный первым (топливным) контуром на входе с фильтром тонкой очистки топлива ФТО и на выходе с каналом и датчиком Д1 температуры топлива ТНВД, а вторым контуром соединенный на входе с термостатом входа Т2, который соединен с трубопроводом охлаждающей жидкости, выходящей из рубашки охлаждения компрессора РОК тормозной системы и дополнительно соединен трубопроводом с патрубком выхода охлаждающей жидкости из котла предпускового подогревателя КПП, на выходе соединенный с термостатом выхода Т2, который соединен трубопроводом с расширительным бачком БР системы охлаждения и дополнительно соединен трубопроводом с патрубком входа охлаждающей жидкости котла предпускового подогревателя КПП, содержащего датчик-терморезистор Д2 и датчик терморезистор Д3, электрически соединенных с блоком управления электрической схемы предпускового подогревателя СЭП.
Термокомпенсирующая топливная система работает следующим образом: топливо поступает из топливного бака БТ в фильтр грубой очитки ФГО, топливоподкачивающий насос ТПН, фильтр тонкой очистки ФТО и далее в жидкостно-жидкостный теплообменник ТО. Из топливного конура теплообменника ТО топливо поступает в канал ТНВД.
Из ТНВД избыточное топливо через перепускной клапан КП и открытый электромагнитный клапан КЭ сливается в бак БТ. Часть избыточного топлива отводится во внутренний топливный контур и поступает в топливопровод на вход в ТПН.
Поступление охлаждающей жидкости во второй контур теплообменника ТО осуществляется из рубашки охлаждения компрессора РОК тормозной системы автомобиля через двухклапанный термостат Т2. Из теплообменника охлаждающая жидкость поступает через двухклапанный термостат Т1 в расширительный бачок БР.
Конструктивно - тепловые характеристики теплообменника подобраны таким образом, что он обеспечивает стабильную температуру топлива 90°С в диапазоне ее изменения от 20°С до 90°С при температуре охлаждающей жидкости от 40°С до 90°С.
При температуре топлива ниже 80°С на входе в ТНВД по сигналу датчика - терморезистора Д1 через блок усиления электромагнитный клапан КЭ отключает магистраль слива избыточного топлива и все избыточное топливо поступает во внутренний топливный контур: топливо из ТНВД через перепускной клапан КП поступает по топливопроводу внутреннего контура на вход в топливоподкачивающий насос ТПН. В топливный бак БТ отводятся паровые фазы через дроссель ДР. В результате обеспечивается снижение мощности, необходимой на нагрев топлива в теплообменнике ТО.
Упор рейки ТНВД, ограничивающий максимальную подачу топлива и установленный в постоянное положение корректирования цикловой подачи топлива, обеспечивает увеличение объемной максимальной цикловой подачи таким образом, что сохраняется масса топлива, которая должна поступать в цилиндры при номинальной нагрузке.
Работа от предпускового подогревателя: при снижении температуры охлаждающей жидкости до 80°С двуклапанные термостаты Т1 и Т2 переключают контур охлаждающей жидкости теплообменника ТО на котел предпускового подогревателя КПП. Охлаждающая жидкость с выходного патрубка котла предпускового подогревателя КПП через термостат Т2 поступает на вход теплообменника ТО и через термостат Т1 охлаждающая жидкость подводится к входному патрубку котла КПП. На теплообменнике подогревателя установлен штатный датчик Д2. В штатной схеме контакты датчика Д2 включены в цепь терморегулятора температуры кабины со встроенным реле. В предлагаемой схеме этот датчик Д2 переключают на блок управления электрической схемы СЭП предпусковым подогревателем. Контакты датчика Д2 замыкаются при температуре жидкости в системе плюс 40°С и в таймере штатной электрической системы СЭП предпускового подогревателя блокируется кнопка «Подогрев» - немедленной выдачи сигнала на включение котла подогревателя КПП. Горение будет продолжаться до тех пор, пока температура жидкости не достигнет заданного значения, после чего контакты штатного датчика температуры Д3 самого подогревателя разомкнутся, и топливный электромагнитный клапан обесточивается, подача топлива и горение прекращается. При снижении температуры жидкости ниже заданного предела контакты датчика Д3 замкнутся и вновь произойдет розжиг подогревателя, как и при работе штатной системы предпускового подогрева. При повышении температуры в системе охлаждения дизеля выше 85°С термостаты Т1 и Т2 переключат контур охлаждающей жидкости теплообменника на поступление жидкости от компрессора (РОК) и слив в расширительный бачек БР. Система предпускового разогрева при этом находится в режиме немедленной выдачи сигнала на включение подогревателя по сигналу датчика Д3.
На фиг.2 представлена экспериментальная оценка эффективности термокомпенсирующей топливной системы. Реализация разработанного способа стабилизации температуры топлива в линии низкого давления системы питания дизеля КамАЗ 740.56-320 позволила обеспечить рациональные значения эффективных показателей при изменении температуры подаваемого топлива в диапазоне от 20°С до 90°С, при этом снижение мощности не превышает 3% и крутящего момента - 2% от номинальных значений.
Источники информации
1. Патент №2030621, F02M 31/00, 1995 г.
2. Патента №2177071, F02M 31/125, 2001 г.
3. Патент №2007609, F02M 31/12, 1994 г.
4. Патент №2152532, F02M 31/125, 2000 г.
5. Патент №2153596, F02M 31/125, Н05В 3/02, 2000 г.
6. Отчет по НИР инв. 4-7714, в.ч.63539, 1979 г.
7. Отчет по НИР инв. 8016, ФГУ 21 НИИИ МО РФ, 2000 г.
8. Отчет по НИР инв. 9838, ФГУ 21 НИИИ МО РФ, 2007 г.
9. Файнлеб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник - 2-е изд., перераб.и доп.- Л.: Машиностроение. 1990. - 352 с.