КОРРЕКТОР ПОДАЧИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА ГАЗОДИЗЕЛЯ
ADJUSTER OF DIESEL FUEL FEEDING OF GAS DIESEL

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к транспортным средствам, газодизельным тракторам, в частности к газодизельным системам питания двигателя (как часть газодизельной системы), и может быть использовано для сельскохозяйственных и других энергонасыщенных тракторов с двигателями ЯМЗ-236, ЯМЗ-238, ЯМЗ-240 Б и ЯМЗ-240 БМ с целью улучшения эксплуатационных параметров данных тракторов и экономической эффективности их применения при работе в газодизельном режиме, имеющих газодизельную систему с фиксированной абсолютной запальной дозой дизельного топлива, например газодизельная система ВНИИГАЗ, газодизельная система АО «Автосистема», опубликованные в («Руководство по организации и проведению переоборудования тракторов для работы на компримированном природном газе.» ВРД 39-1.20-019-2000, Москва, 2000, с.18-23. и «Газ в моторах», каталог газоиспользующего оборудования ОАО «Газпром», М.: 2003.).
Уровень техники.
Известна газодизельная система трактора, содержащая воздушный фильтр с рукавом подачи воздуха, соединенный со смесителем, к последнему присоединен рукав подачи смеси, который соединен с помощью впускной трубы с двигателем, газобаллонную установку, состоящую из газовых баллонов, укрепленных на задней полураме трактора, при этом к газовым баллонам с помощью трубопроводов последовательно присоединены: расходный вентиль, фильтр газовый, газовый редуктор высокого давления, электромагнитный газовый клапан, газовый редуктор низкого давления, шланг подачи газа, соединенный с дозатором газа, шланг подачи газа, соединенный со смесителем, электрическую цепь, соединенную со щитком предохранителя трактора, к которому присоединен включатель с цепью подачи напряжения питания, механизм ограничения запальной дозы («Руководство по организации и проведению переоборудования тракторов для работы на компримированном природном газе» ВРД 39-1.20-019-2000, Москва, 2000, с.18-23.).
Недостатками данной газодизельной системы трактора являются неустойчивость работы в газодизельном режиме в диапазоне частот вращения к.вала двигателя менее 1400 об/мин, и снижением крутящего момента газодизеля, относительно значения крутящего момента дизеля, что вызвано отсутствием пропорционального снижению оборотов к.вала повышения абсолютного значения запальной дозы дизельного топлива. Данный недостаток обусловлен особенностями конструкции механического ограничителя запальной дозы, использующий в своей работе способ «фиксированного ограничения» хода рейки ТНВД, а при фиксированном положении рейки ТНВД наблюдается снижение цикловой подачи дизельного топлива при уменьшении оборотов кулачкового вала (Кривенко П.М. Федосов И.М. «Дизельная топливная аппаратура» М., «Колос», 1970, с.160-161).
Известна газодизельная система автомобиля КАМАЗ, содержащая механический ограничитель запальной дозы, использующий в своей работе способ «фиксированного ограничения» хода рычага акселератора ТНВД, описанная в «Переход автотранспорта на природный газ» - нормативно - справочное пособие. РАО «Газпром» М.: 1995.
Недостатком данной газодизельной системы автомобиля является неустойчивость работы в газодизельном режиме в диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя менее 1400 об/мин и снижение крутящего момента двигателя, что вызвано отсутствием пропорционального снижению оборотов коленчатого вала повышения запальной дозы дизельного топлива. Данный недостаток обусловлен особенностями конструкции механического ограничителя запальной дозы, использующий в своей работе способ «фиксированного ограничения» хода рычага акселератора ТНВД.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятая авторами за прототип является газодизельная система трактора МТЗ-82, содержащая воздушный фильтр с рукавом подачи воздуха, соединенным со смесителем, к последнему присоединен рукав подачи смеси, который соединен с помощью впускной трубы с двигателем, газобаллонную установку, состоящую из газовых баллонов, при этом к газовым баллонам последовательно присоединены с помощью трубопроводов: расходный вентиль, фильтр газовый, газовый редуктор высокого давления, электромагнитный газовый клапан, газовый редуктор низкого давления, шланг подачи газа, соединенный с дозатором газа, шланг подачи газа, соединенный со смесителем, электрическую цепь, соединенную со щитком предохранителя трактора, к которому присоединен включатель с цепью подачи напряжения питания, механизм ограничения запальной дозы с присоединенным пневматическим корректором запальной дозы, описанный в «Руководство по организации и проведению переоборудования тракторов для работы на компримированном природном газе.». ВРД 39-1.20-019-2000, Москва, 2000, стр.38-54.
К недостаткам данной конструкции можно отнести низкую точность пропорциональной коррекции абсолютного значения запальной дозы дизельного топлива при работе двигателя в газодизельном режиме к диапазоне частот вращения коленчатого вала менее 1400 об/мин, обусловленную особенностями конструкции, влияние изменений упругих свойств материала диафрагмы, неизбежно возникающих при эксплуатации, на точность коррекции запальной дозы дизельного топлива, сложность пуско-наладочных работ.
Раскрытие изобретения.
Технический результат, который может быть получен с помощью данного изобретения, сводится к устойчивой работе двигателя в газодизельном режиме при оборотах коленчатого вала менее 1400 об/мин, за счет автоматической коррекции абсолютного значения, запальной дозы дизельного топлива, пропорциональной снижению оборотов к.вала. Коррекция проводится более точно, чем в прототипе, что улучшает мощностные и топливо-экономические показатели работы двигателя. При этом сохраняются высокие экономические показатели применения газодизельного трактора за счет работы двигателя в газодизельном режиме, при оборотах к.вала менее 1400 об/мин, на более дешевом газодизельном топливе, в отличие от прототипов, которые в данном диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя сохраняют эксплуатационные показатели лишь только в дизельном режиме.
Технический результат достигается с помощью корректора подачи дизельного топлива газодизеля, содержащего бак дизельного топлива, двигатель, на котором последовательно установлены: фильтр грубой очистки дизельного топлива, с помощью трубопровода, соединенного с баком, топливоподкачивающего насоса соединенного трубопроводом с фильтром, фильтра тонкой очистки дизельного топлива, соединенного с помощью трубопровода с топливоподкачивающим насосом, топливного насоса высокого давления (ТНВД), на котором последовательно установлены: клапан, всережимный регулятор, рейка, и при этом присоединенного трубопроводом к фильтру, клапана, присоединенного с помощью трубопровода к баку, форсунок, которые присоединены трубопроводами к ТНВД, генератора, соединенного с помощью ременной передачи (не показана) с коленчатым валом (не показан) двигателя, и при этом на генераторе установлен датчик частоты вращения, который цепью соединен с корпусом трактора (не показан), корпуса трактора (не показан) с последовательно установленными: преобразователем частоты следования импульсов в напряжение, соединенным цепью с датчиком частоты вращения, дифференциальным усилителем; резистором, задающим абсолютную величину запальной дозы в диапазоне частот вращения коленчатого вала газодизеля 1400-2100 об/мин; модулем питания, широтно-импульсным модулятором, усилителем мощности, генератором импульсов напряжения, при этом преобразователь частоты следования импульсов в напряжение соединен цепью с дифференциальным усилителем, а дифференциальный усилитель присоединен цепями к резистору, задающему абсолютную величину запальной дозы в диапазоне частот вращения коленчатого вала газодизеля 1400-2100 об/мин и широтно-импульсному модулятору соответственно; широтно-импульсный модулятор присоединен цепями к генератору импульсов напряжения и усилителю мощности соответственно, модуль питания присоединен цепями питания к преобразователю частоты следования импульсов в напряжение, дифференциальному усилителю, широтно-импульсному модулятору, генератору импульсов напряжения, усилителю мощности, а перечисленные элементы конструкции образуют электронный блок; включателя, присоединенного цепями к клемме «+12 В» щитка электрооборудования трактора и к модулю питания электронного блока, топливного насоса высокого давления, на котором последовательно установлены: корпус ограничителя запальной дозы, электромагнитная катушка, постоянный магнит, упор, пружина, при этом постоянный магнит соединен с упором, воздействующим на рейку, и способен перемещаться внутри электромагнитной катушки в горизонтальных координатах в пределах хода включения запальной дозы и коррекции положения рейки, а крайние положения указанного перемещения соответствуют положениям рейки статического абсолютного значения запальной дозы и полному ходу рейки при работе в дизельном режиме, пружина обеспечивает уравновешивающее усилие силам электромагнитного взаимодействия и возврат постоянного магнита и упора в положение отсутствия ограничения хода рейки при отсутствии тока в электромагнитной катушке; электромагнитная катушка присоединена цепями к усилителю мощности и корпусу трактора.
Краткое описание чертежей.
На чертеже дана функциональная схема корректора подачи дизельного топлива газодизеля.
Наименование элементов корректора.
1 - Двигатель.
2 - Бак дизельного топлива.
3 - Фильтр грубой очистки дизельного топлива.
4, 6, 8, 13, 14 - Топливопроводы низкого давления.
5 - Топливоподкачивающий насос.
7 - Фильтр тонкой очистки дизельного топлива.
9 - Топливный насос высокого давления (ТНВД).
10 - Клапан ТНВД.
11 - Механический всережимный регулятор ТНВД.
12 - Рейка ТНВД.
15, 16, 17, 18 - Форсунки.
19, 20, 21, 22 - Топливопроводы высокого давления.
23 - Генератор.
24 - Датчик частоты вращения.
25 - Цепь, соединяющая датчик 24 с «массой» трактора.
26 - Преобразователь частоты следования импульсов в напряжение.
27 - Цепь, соединяющая преобразователь 26 с датчиком 24.
28 - Дифференциальный усилитель.
29 - Цепь, соединяющая преобразователь 26 с дифференциальным усилителем 28.
30 - Резистор, задающий абсолютную величину запальной дозы в диапазоне частот вращения коленчатого вала газодизеля 1400-2100 об/мин.
31 - Цепь, соединяющая резистор 30 с дифференциальным усилителем 28.
32 - Цепь, соединяющая резистор 30 с корпусом трактора.
33 - Широтно-импульсный модулятор.
34 - Цепь, соединяющая широтно-импульсный модулятор 33 и дифференциальный усилитель 28.
35 - Генератор импульсов напряжения.
36 - Цепь, соединяющая генератор 35 импульсов напряжения с широтно-импульсным модулятором 33.
37 - Усилитель мощности.
38 - Цепь, соединяющая усилитель мощности 37 с широтно-импульсным модулятором 33.
39 - Модуль питания.
40 - Цепь, соединяющая модуль питания 39 с корпусом трактора.
41 - Включатель ограничителя-корректора запальной дозы.
42 - Цепь, соединяющая включатель 41 с модулем питания 39.
43 - Цепь, соединяющая включатель 41 с клеммой «+12 В» щитка предохранителей электрооборудования трактора.
44 - Электронный блок.
45 - Корпус ограничителя запальной дозы.
46 - Электромагнитная катушка.
47 - Цепь, соединяющая электромагнитную катушку 46 с усилителем мощности 37.
48 - Постоянный магнит.
49 - Упор ограничителя.
50 - Пружина.
Осуществление изобретения.
Изобретение представляет собой следующую конструкцию:
на газодизельном тракторе (на чертеже не показан) установлены: газобаллонная установка с системой подачи газа (на чертеже не показаны), двигатель 1, бак дизельного топлива 2. На двигателе 1 последовательно установлены: фильтр грубой очистки дизельного топлива 3, который с помощью трубопровода 4 соединен с баком 2; топливоподкачивающий насос 5, который трубопроводом 6 соединен с фильтром 3; фильтр тонкой очистки дизельного топлива 7, соединенный с помощью трубопровода 8 с насосом 5, топливный насос высокого давления (ТНВД) 9, на котором последовательно установлены: клапан 10, всережимный регулятор 11, рейка 12, и при этом присоединен трубопроводом 13 к фильтру 7, а клапан 10 с помощью трубопровода 14 присоединен к баку 2; форсунки 15, 16, 17, 18, которые присоединены трубопроводами 19, 20, 21, 22 к ТНВД; генератор 23, соединенный с помощью ременной передачи (на чертеже не показана) с коленчатым валом (на чертеже не показан) двигателя 1. На генераторе 23 установлен датчик частоты вращения 24, который цепью 25 соединен с корпусом трактора (на чертеже не показан). На корпусе трактора (на чертеже не показан) последовательно установлены: преобразователь частоты следования импульсов в напряжение 26, соединенный цепью 27 с датчиком частоты вращения 24, дифференциальный усилитель 28, соединенный цепью 29 с преобразователем 26; резистор 30, задающий абсолютную величину запальной дозы в диапазоне частот вращения коленчатого вала газодизеля 1400-2100 об/мин, соединенный цепью 31 с дифференциальным усилителем 28 и цепью 32 с корпусом трактора, широтно-импульсный модулятор 33, присоединенный цепью 34 к дифференциальному усилителю 28, генератор импульсов напряжения 35, присоединенный цепью 36 к широтно-импульсному модулятору 33, усилитель 37 мощности, соединенный цепью 38 с широтно-импульсным модулятором 33, модуль питания 39, соединенный цепью 40 с корпусом трактора и цепями питания (на чертеже не показано) с элементами 26, 28, 33, 35, 37; включатель 41 ограничителя-корректора запальной дозы, соединенный цепью 42 с модулем 39 питания и цепью 43 с клеммой «+12 В» щитка предохранителей (на чертеже не показан) трактора (на чертеже не показан), при этом элементы 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 образуют электронный блок 44. На топливном насосе 9 высокого давления установлен корпус ограничителя запальной дозы 45, на котором последовательно установлены: электромагнитная катушка 46, соединенная цепью 47 с усилителем мощности 37, и цепью (на чертеже не показано) с корпусом трактора; постоянный магнит 48, соединенный с упором 49, пружина 50, при этом пружина 50 соединена с упором 49 и корпусом 45, а постоянный магнит 48 и упор 49 способны перемещаться в пределах линейных координат ограничения запальной дозы и коррекции в горизонтальном направлении и воздействовать на рейку 12.
Описание работы корректора.
При работе дизельного двигателя 1 дизельное топливо из бака 2 по трубопроводу 4 под действием разрежения, создаваемого топливоподкачивающим насосом 5, поступает в фильтр 3 грубой очистки дизельного топлива и далее по трубопроводу 6 через насос 5, где давление топлива повышается до 50…100 кПа по трубопроводу 8 поступает в фильтр тонкой очистки 7. Очищенное дизельное топливо из фильтра 7 тонкой очистки по трубопроводу 13 поступает под давлением в топливный насос 9 высокого давления (ТНВД), при этом излишнее дизельное топливо через клапан 10 поступает через трубопровод 14 в бак 2. ТНВД 9 повышает давление топлива до 35…40 МПа, осуществляя подачу топлива порциями (цикловую подачу) по трубопроводам 19, 20, 21, 22 к форсункам 15, 16, 17, 18, которые впрыскивают дизельное топливо в цилиндры двигателя 1 (на чертеже не показан) под давлением Р=17,5 МПа. Цикловая подача дизельного топлива регулируется при помощи перемещения рейки 12 под действием механического регулятора 11 в зависимости от оборотов коленчатого вала двигателя 1 и положения рычага управления регулятором (на чертеже не показан). Элементы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 входят в состав наиболее распространенных конструкций топливоподачи дизельных двигателей. При включении включателя «массы» трактора (на чертеже не показан) не зависимо от того, что работает двигатель или нет, питающее напряжение «+12 В» поступает по цепям электрооборудования трактора (на чертеже не показаны) на клемму «+12 В» и далее по цепи 43 к включателю 41 ограничителя запальной дозы. При включении включателя ограничителя-корректора запальной дозы 41 питающее напряжение поступает по цепям 40 и 42 в модуль питания 39 и далее из модуля питания 39 по цепям питания (на чертеже не показаны) в элементы 26, 28, 33, 35, 37 электронного блока 44. При работе двигателя вращается ротор генератора 23 и в датчике частоты вращения 24 индуцируются импульсы напряжения, которые по цепям 25 и 27 поступают на вход преобразователя 26, где частота следования импульсов преобразуется в напряжение, и на его выходе (цепь 29) устанавливается напряжение, уровень которого пропорционален частоте вращения коленчатого вала двигателя 1. Дифференциальный усилитель 28 сравнивает напряжение цепи 29 и цепи 31, где уровень напряжения задается резистором 30, задающим абсолютную величину запальной дозы в диапазоне частот вращения коленчатого вала газодизеля 1400-2100 об/мин, и на выходе дифференциального усилителя 28 (цепь 34) формируется напряжение управления, воздействующее на широтно-импульсный модулятор 33, на второй вход которого (цепь 36) поступают импульсы с генератора импульсов напряжения 35. На выходе широтно-импульсного модулятора 33 (цепь 38) формируются импульсы напряжения, которые усиливаются усилителем 37 мощности и далее по цепи 47 питают электромагнитную катушку 46. Так как индуктивность катушки велика, то в ее цепи устанавливается ток, пропорциональный скважности импульсов цепи 47, а постоянный магнит 48 и упор 49 займут линейное положение, соответствующее положению равновесия сил электромагнитного взаимодействия электромагнитной системы «постоянный магнит - электромагнитная катушка и усилие деформации пружины 50». При частоте вращения коленчатого вала двигателя 1 более 1400 об/мин напряжение в цепи 29 не достаточно уменьшилось для начала изменения дифференциальным усилителем напряжения управления (цепь 34) и напряжение управления (цепь 34) определяется только напряжением в цепи 31, то есть положением переменного резистора 30, задающего абсолютную величину запальной дозы в диапазоне частот вращения коленчатого вала газодизеля 1400-2100 об/мин, а положение упора 49 соответствует линейной координате включения запальной дозы, так как ток в электромагнитной катушке 46 имеет максимальное значение, что вызывает перемещение постоянного магнита 48 и упора 49 и рейки 12 вправо (см. чертеж), и приводит к включению запальной дозы, абсолютное значение которой соответствует необходимому в диапазоне частот вращения коленчатого вала газодизеля 1400-2100 об/мин значению. При частоте вращения коленчатого вала двигателя 1 менее 1400 об/мин напряжение в цепи 29 достаточно уменьшилось для начала изменения дифференциальным усилителем напряжения управления (цепь 34) и напряжение управления (цепь 34) будет определяется не только напряжением в цепи 31, но и разницей текущего значения напряжения цепи 29 относительно значения напряжения цепи 29 при 1400 об/мин коленчатого вала. Изменившееся напряжение управления в цепи 34 так изменит скважность импульсов, что ток в катушке 46 уменьшится и постоянный магнит 48 с упором 49 и рейкой 12 переместятся под действием пружины 50 влево (см. чертеж), что увеличит запальную дозу пропорционально снижению оборотов к.вала. При выключении газодизельного режима и ограничения запальной дозы включатель 41 размыкает контакты, исчезает напряжение питания в элементах электронного блока 44 и ток в катушке 46, пружина 50 перемещает упор 49 и постоянный магнит 48 влево (см. чертеж), рейка 12 получает возможность дальнейшего перемещения влево (см. чертеж) в диапазоне полного хода, соответствующего дизельному режиму, а цикловая подача дизельного топлива будет соответствовать необходимому для дизельного режима значению.
На любое отклонение оборотов в пределах 650…2100 об/ мин система реагирует со скоростью, максимально возможной для механической части электропривода, при этом имеет место «динамическое» ограничение хода рейки 12, что повышает приемистость работы двигателя за счет увеличения крутящего момента в газодизельном режиме. Обороты начала действия пропорциональной коррекции (1400 об/мин) - лишь только частный случай регулировки системы и могут иметь большее или меньшее значение, что позволяет регулировать корректор подачи дизельного топлива газодизеля на оптимальные эксплуатационные и топливо-экономические показатели газодизеля с учетом влияния таких субъективных факторов, как: конструктивные особенности газодизеля, теплотворная способность газового и дизельного топлив.
Область применения конструкции.
Данная конструкция предназначена для работы как составная часть газодизельной системы конструкций ВНИИГАЗ («Газ в моторах», каталог газоиспользующего оборудования ОАО «Газпром», М.: 2003), а также других газодизельных систем, использующих способ ограничения запальной дозы дизельного топлива методом фиксированного положения рейки, разработанных для сельскохозяйственных и других тракторов («Опыт применения альтернативных видов топлива для автомобильной и сельскохозяйственной техники» МСХ РФ Научный аналитический обзор. М., 2006), а также автомобилей с газодизельным двигателем.
При этом повышается производительность данных тракторов, улучшаются эксплуатационные свойства автомобилей и экономическая эффективность их использования за счет сохранения эксплуатационной мощности двигателя при работе в диапазоне оборотов коленчатого вала 650…1400 об/мин в газодизельном режиме. Это обеспечивает экономический эффект применения конструкции за счет снижения среднеэксплуатационного абсолютного значения запальной дозы. Данное снижение среднеэксплуатационного абсолютного значения запальной дозы может составить величину 5-15%.
Данную конструкцию можно применить в газодизельной системе автомобиля «КАМАЗ», описанной в технической документации (232.4400007 ПМ) ООО «МОБИЛЬГАЗ» и в «Переход автотранспорта на природный газ» - нормативно - справочное пособие. РАО «Газпром» М.: 1995.
При этом увеличится мощность и приемистость автомобильного двигателя при работе в газодизельном режиме в диапазоне частот вращения к.вала 650-1400 об/мин.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- устойчивость работы газодизеля в диапазоне частот вращения к.вала менее 1400 об/мин,
- большую точность коррекции запальной дозы дизельного топлива, так как в системе имеется обратная связь по оборотам коленчатого вала двигателя,
- простоту конструкции и низкую стоимость изготовления,
- простоту наладочно-регулировочных операций,
- компенсацию снижения крутящего момента газодизеля в диапазоне частот вращения к.вала менее 1400 об/мин,
- снижение среднеэксплуатационного расхода диз. топлива при работе газодизеля в диапазоне частот вращения к.вала менее 1400 об/мин, за счет более точной коррекции подачи запальной дозы диз. топлива,
- повышения эффективности рабочего процесса сгорания газодизельного топлива, а значит, и повышения эффективного к.п.д. газодизеля при работе в диапазоне частот вращения к.вала менее 1400 об/мин,
- повышение надежности работы техники за счет большего запаса крутящего момента газодизеля и связанного с этим меньшего общего количества переключений передач в КПП трансмиссии при эксплуатации.