СИСТЕМА ПОДАЧИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВ В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЯ
SYSTEM TO FEED ALTERNATIVE FUELS INTO DIESEL ENGINE COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено в топливных системах дизелей с использованием впрыска двух топлив в камеру сгорания дизеля.
Известна форсунка для дизеля, которая содержит корпус с закрепленным на нем распылителем, в полости которого установлена подпружиненная запирающая игла с направляющей, цилиндрической и конической поверхностями. В корпусе и распылителе выполнены связанные между собой соответствующие каналы подвода основного топлива и присадки. При этом канал подвода присадки сообщен с полостью кармана распылителя и через кольцевой канал между цилиндрическими поверхностями иглы и распылителя связан с колодцем и с распыливающими отверстиями. Каналы подвода основного топлива сообщены с полостью смешения, расположенной у основания запирающей кромки иглы, а через колодец - с распыливающими отверстиями. Полость смешения сообщена также с карманом посредством кольцевого канала, площадь сечения и длина которого соответствуют определенному условию, связанному с цикловой подачей и качеством впрыскиваемой топливной смеси (см. патент РФ №2029128, МПК F02M 43/04, опубл. 1995 г.).
Недостаток известного устройства состоит в том, что при работе форсунки постоянно присутствуют утечки присадки вдоль направляющей поверхности распылителя под действием давления подачи присадки, что ведет к нерасчетному снижению содержания одного из двух составляющих топливной смеси.
Известна система подачи смесевого топлива для дизеля, принятая в качестве прототипа, в состав которой входит насосная аппаратура для подачи составляющих смесевого топлива, подключенная линиями связи к соответствующим каналам подвода, которые выполнены в корпусе форсунки и распылителе. В полости распылителя размещена игла с образованием связанных между собой посредством кольцевого канала двух карманов, один из которых расположен в средней части распылителя и связан с каналами подвода одной из составляющих смесевого топлива, а другой расположен в нижней части распылителя и связан с каналами подвода другой составляющей смесевого топлива, а посредством иглы - с распыливающими отверстиями и камерой сгорания дизеля. В соответствующих линиях подвода составляющих смесевого топлива установлены нагнетательные обратные клапаны, из которых по меньшей мере один снабжен гидравлической линией связи, сообщающей вход обратного клапана с его выходом посредством регулирующего органа (см. патент РФ №2204048, МПК F02M 43/04, опубл. 2003 г.).
п
Недостатком известной системы подачи топлива является наличие утечек, то есть потерь присадки, в результате регулирования ее доли в смеси при изменении давления ее подачи из полости кармана в средней части распылителя по зазору между направляющей поверхностью иглы и распылителем и далее - в полость, сообщенную с топливным баком. В итоге в процессе работы устройства в топливном баке будет увеличиваться доля присадки, что в конечном счете приведет к тому, что система не сможет осуществлять подачу смеси с переменным значением массовой доли присадки К. Кроме этого применение в качестве присадок сжиженных газов приведет к испарению и прямой потере энергоносителя.
п
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение потерь одной из составляющих топливной смеси, а именно присадки, по зазорам между направляющей поверхностью иглы и распылителем и сохранение возможности регулирования значения массовой доли К присадки в процессе различных этапов впрыскивания смесевого топлива в камеру сгорания дизеля.
Поставленная техническая задача решается тем, что в системе подачи альтернативных топлив в камеру сгорания дизеля, содержащей аппаратуру для подачи присадки и основного топлива, подключенную с помощью линий связи к соответствующим каналам подвода, выполненным в корпусе форсунки и распылителе, иглу с направляющей, цилиндрической и запирающей конической поверхностями, размещенную в полости распылителя с поджатием с помощью пружины, установленной в связанной со сливом полости корпуса форсунки, карман, образованный в средней части распылителя, полость которого сообщена с каналами подвода присадки, а через кольцевой канал между распылителем и иглой - с полостью смешения, расположенной в нижней части распылителя у основания запирающей кромки иглы и сообщенной посредством осевого канала и кольцевой проточки с каналами подвода основного топлива, а посредством иглы - с распыливающими отверстиями и камерой сгорания, согласно изобретению в верхней части иглы на ее направляющей поверхности выполнена дополнительная кольцевая проточка, полость которой подключена к источнику подачи основного топлива.
ак
а
a
Поставленная техническая задача решается также тем, что в частном случае полость дополнительной кольцевой проточки подключена к источнику подачи основного топлива, выполненному автономным аккумуляторного типа с регулируемым давлением Р≥Р, где P - давление подачи присадки в каналы подвода в корпусе форсунки и распылителе.
Поставленная техническая задача решается и тем, что в другом частном случае полость дополнительной кольцевой проточки подключена к источнику подачи основного топлива параллельно с каналами подвода основного топлива в корпус форсунки и распылитель посредством обратного клапана, выход которого соединен с полостью дополнительной кольцевой проточки.
В другом частном случае решение поставленной технической задачи достигается тем, что к выходу обратного клапана подключен дополнительный объем с плунжером, нагруженным пружиной и с регулируемым перемещением.
мах
мах
Решение поставленной технической задачи достигается также тем, что в частном случае в верхней части распылителя дополнительно выполнен канал с возможностью сообщения полости дополнительной кольцевой проточки с каналами подвода основного топлива в корпусе форсунки и распылителе при условии, что δ <у, где δ - линейный размер, равный пути перемещения иглы из положения на седле до момента начала сообщения полостей дополнительно выполненного канала и дополнительной кольцевой проточки, а у - максимальный подъем иглы.
Решение поставленной технической задачи достигается также тем, что в частном случае выполнения устройства в нижней части направляющей поверхности иглы выполнена вторая дополнительная кольцевая проточка, сообщенная с первой и расположенная между полостями кармана и кольцевой проточки на игле для подачи основного топлива.
а
п
а
Решение поставленной технической задачи становится возможным благодаря выполнению в верхней части иглы на ее направляющей поверхности дополнительной кольцевой проточки, которая подключается к источнику питания, в качестве которого может использоваться источник подачи основного топлива. В результате в полости дополнительной кольцевой проточки создается противодавление давлению подачи Р присадки, которое создается в полости кармана в средней части распылителя. Это позволяет исключить утечки присадки из кармана в корпус форсунки, где установлена пружина, прижимающая иглу к конической поверхности распылителя в зоне их контакта. При этом выполнение дополнительной кольцевой проточки на игле не влияет на процессы смесеобразования непосредственно в рабочих полостях конструкции форсунки, в частности кольцевого канала между полостью кармана и полостью смешения и в самой полости смешения, расположенной у основания запирающей кромки конической поверхности иглы. Благодаря этому у системы подачи сохраняется способность осуществлять регулирование доли присадки К в смеси путем изменения давления Р в соответствующем аккумуляторе.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема системы подачи альтернативных топлив с изображением продольного разреза форсунки для подачи двух видов топлива в дизель; на фиг.2 изображен выносной элемент I на фиг.1 по сечению Б-Б на фиг.3; на фиг.3 приведено сечение А-А на фиг.2; на фиг.4, 5, и 8 изображен выносной элемент I на фиг.1 по сечению Б-Б для различных частных случаев выполнения форсунки и вариантов подключения к источникам питания полости дополнительной кольцевой проточки, выполненной в теле распылителя; на фиг.6 изображен выносной элемент I на фиг.1 по сечению Б-Б; на фиг.7 дано сечение В-В на фиг.6.
a
ф
ак
На фиг.1 приняты следующие обозначения: P - давление подачи альтернативного топлива; Р - давление в полости смешения; на фиг.2 обозначение «ОТ» - это основное топливо, а Р - давление в аккумуляторе.
Система подачи альтернативных топлив в камеру сгорания дизеля содержит аппаратуру (на черт. не обозначена) для подачи присадки и основного топлива. В качестве основного топлива могут быть использованы смеси традиционных и альтернативных топлив, обладающие удовлетворительными антифрикционными свойствами. В качестве присадки может быть использовано как основное топливо, так и всевозможные смеси. В состав аппаратуры для подачи присадки входят источник (на черт. не обозначен) подачи присадки аккумуляторного типа, который, например, может включать баллон 1 с инертным газом и связанный с ним посредством редуктора 2 баллон 3 для хранения присадки, а также аккумулятор 4, оснащенный манометром 5 и подключенный через кран 6 и обратный клапан 7 с помощью линии 8 связи к каналам 9 подвода в корпусе 10 форсунки и распылителе 11 (см. фиг.1). Аппаратура для подачи основного топлива включает бак 12 с основным топливом, а также в качестве источника подачи последнего традиционный топливный насос 13 высокого давления, подключенный с помощью линии 14 связи к каналам 15 подвода основного топлива корпуса 10 форсунки и распылителя 11. В полости распылителя 11 расположена игла 16 с направляющей, цилиндрической и запирающей конической поверхностями 17, 18 и 19 соответственно. При этом игла 16 установлена с поджатием с помощью пружины 20, размещенной в связанной со сливом полости 21 корпуса 10 форсунки. В средней части распылителя 11 образован карман 22, полость которого сообщена с каналами 9 подвода присадки, а через кольцевой канал 23 между распылителем 11 и иглой 16 - с полостью 24 смешения. Последняя расположена в нижней части распылителя 11 у основания запирающей кромки 25 иглы 16 и сообщена посредством осевого канала 26 и кольцевой проточки 27 с каналами 15 подвода основного топлива в корпусе 10 форсунки и распылителе 11, а посредством иглы 16 - с распыливающими отверстиями 28 и камерой сгорания (на черт. не показана). В верхней части иглы 16 на ее направляющей поверхности 17 выполнена дополнительная кольцевая проточка 29, полость которой подключена к источнику подачи основного топлива.
ак
а
a
В частном случае полость дополнительной кольцевой проточки 29 подключена к источнику подачи основного (дизельного) топлива, который может быть выполнен, например, в виде аккумулятора 30, т.е. автономным аккумуляторного типа с регулируемым давлением Р≥Р, где P - давление подачи присадки в каналах 9 подвода в корпусе 10 форсунки и распылителе 11 (см. фиг.2). При этом подключение к аккумулятору 30 осуществляется по линии 31 связи посредством каналов 32, выполненных в корпусе 10 форсунки и распылителе 11.
В другом частном случае полость дополнительной кольцевой проточки 29 может быть подключена к источнику подачи основного топлива в виде топливного насоса 13 высокого давления параллельно с каналами 15 подвода основного топлива в корпусе 10 форсунки и распылителе 11 посредством линии 33 связи и обратного клапана 34, выход 35 которого соединен с полостью дополнительной кольцевой проточки 29 (см. фиг.4).
К выходу 35 обратного клапана 34 может быть подключен линией 36 связи дополнительный объем 37 с плунжером 38, нагруженным пружиной 39 и с регулируемым перемещением посредством регулятора 40 (см. фиг.5).
мах
мах
В частном случае в верхней части распылителя 11 может дополнительно быть выполнен канал 41 с выходным отверстием 42, сообщающий полость дополнительной кольцевой проточки 29, имеющей верхнюю кромку 43, с каналами 15 подвода основного топлива в корпусе 10 форсунки и распылителе 11. При этом необходимо выполнить условие, согласно которому δ<у, где δ - линейный размер, равный пути перемещения иглы из положения на седле до момента начала сообщения полостей дополнительно выполненного канала 41 со стороны кромок выходного отверстия 42 и дополнительной кольцевой проточки 29 со стороны ее верхней кромки 43, а у - максимальный подъем иглы 16, то есть расстояние между торцевой поверхностью 44 иглы 16 и внутренней торцевой поверхностью 45 корпуса 10 форсунки в положении запирающей иглы 16 на седле (см. фиг.6).
Наконец, в частном случае выполнения устройства в нижней части направляющей поверхности 17 иглы 16 может быть выполнена вторая дополнительная кольцевая проточка 46, сообщенная с первой - дополнительной кольцевой проточкой 29 посредством канала 32, выполненного в теле распылителя 11 (см. фиг.8). Дополнительная кольцевая проточка 46 расположена между полостями кармана 22 и кольцевой проточкой 27 на игле 16 для подачи основного топлива.
Устройство работает следующим образом.
а
В работе системы подачи можно выделить два периода. Первый период - это период подачи по линии 8 присадки в полость 24 смешения с помощью аппаратуры аккумуляторного типа. При этом инертный газ, содержащийся в баллоне 1 аппаратуры подачи, обеспечивает заданное, регулируемое редуктором 2 и регистрируемое манометром 5, давление Р в баллоне 3 и аккумуляторе 4. Обратный клапан 7 исключает обратный ток в систему подачи альтернативного топлива и ограничивает длину и объем канала 9 в корпусе 10 форсунки, по которому осуществляется подвод топлива к распылителю 11.
Второй период - это период подачи основного топлива к той же полости 24 смешения, расположенной у основания запирающей кромки 25 иглы 16 с помощью топливного насоса 13 высокого давления. Второй период делится на четыре этапа, которые приняты в расчетах форсунок традиционных топливных систем.
Таким образом, в работе системы подачи альтернативных топлив принято пять этапов. Принцип работы серийного топливного насоса и форсунки общеизвестны.
а
ко
о
о
ко
о
п
п
п
т
п
т
а
а
п
п
кп
кп
кп
кп
Между впрыскиваниями, когда давление в системе подачи альтернативного топлива Р обеспечивает силу, действующую на обратный клапан 7, которая превышает усилие от Р и от давления в корпусе 10 форсунки Р (здесь Р - начальное давление в форсунке; Р - начало движения клапана при Р=0), обратный клапан 7 открывается, и присадка по каналу 9 подвода поступает к полости кармана 22, а далее по кольцевому каналу 23 - в полость 24 смешения, расположенную у основания запирающей кромки 25 иглы 16. В процессе подачи присадки в полость 24 смешения ее массовая доля К=G/G+С в смеси с основным топливом будет увеличиваться и достигать максимальных значений в момент закрытия обратного клапана 7, где G, G - весовые доли присадки и основного топлива в топливной смеси соответственно. Одновременно из полости 24 смешения энергоноситель по осевому каналу 26 в игле 16 перетекает к каналу 15 подвода основного топлива в распылителе 11. При этом по длине осевого канала 26 будет распределена смесь переменного массового состава. Регулирование доли присадки в смеси осуществляется путем изменения давления Р в аккумуляторе 4. При повышении давления Р увеличивается объем V присадки, поступающий за время первого периода работы системы в форсунку и в осевой канал 26. При этом в определенных условиях объем V присадки превысит объем V=(f·l) полости осевого канала 26, и присадка достигает полости проточки 27, выполненной на игле 16 (здесь f и l - соответственно площадь и длина осевого канала 26). В данной системе в игле 16 предусмотрено выполнение дополнительной кольцевой проточки 29, полость которой подключена к источнику подачи основного топлива. В результате наличия определенного противодавления и исключаются утечки по имеющимся зазорам между распылителем 11 и направляющей поверхностью 17 иглы 16 из полости проточки 27 и далее - в сливную полость 21, связанную с топливным баком.
п
п
п
Второй этап работы системы начинается с момента повышения давления в полости 24 смешения, которое обусловлено подачей топлива насосом 13 высокого давления, и заканчивается моментом начала движения иглы 16. За время второго этапа происходит подача смеси с убывающим значением К из осевого канала 26 в полость 24 смешения. В результате значение массовой доли присадки К в полости 24 смешения уменьшается, а в кольцевой канал 23 будет поступать смесь переменного массового состава с убывающим значением К.
п
Третий этап - это этап с момента начала подъема иглы 16 до момента выхода ее на упор. Этот этап характеризуется подачей смеси с убывающим значением К из осевого канала 26 в полость 24 смешения и впрыскиванием смеси в камеру сгорания дизеля через распыливающие отверстия 28.
ф
ф
Четвертый этап соответствует времени, когда игла 16 находится на упоре. В нем можно выделить две части. В первой части этапа значение dР/dφ >0 и вторая часть - dР/dφ<0.
ф
п
п
При dР/dφ>0 происходят процессы, аналогичные предыдущему этапу, т.е. интенсивное нагнетание топлива насосом 13 высокого давления в полость 24 смешения, подача смеси в камеру сгорания дизеля с убывающими значениями К, отток смеси по кольцевому каналу 23. При этом значение К продолжает убывать. Для этого этапа характерно также то, что в определенный его момент из осевого канала 26 в полость 24 смешения поступает только основное топливо.
ф
п
п
п
При dР/dφ<0, т.е. при разгрузке полостей форсунки путем уменьшения или прекращения подачи топлива насосом 13 высокого давления, приток топлива из осевого канала 26 уменьшается, а из кольцевого канала 23 увеличивается приток смеси, значение К в которой по мере развития процесса увеличивается. В результате значение К смеси в полости 24 смешения начинает расти и в камеру сгорания дизеля поступает смесь с возрастающей долей К присадки.
ф
п
Пятый этап рабочего процесса форсунки начинается с момента начала посадки иглы 16 на седло и заканчивается моментом окончания подачи смеси в камеру сгорания дизеля. Для этого этапа характерно dР/dφ<0, уменьшение подачи основного топлива насосом 13 высокого давления в полость 24 смешения, подача смеси из кольцевого канала 23 в полость 24 смешения с нарастающим значением К. Следует отметить, что при определенных условиях это зависит также и от конструктивных и режимных параметров системы, возможен отток смеси из полости 24 смешения в осевой канал 26.
После завершения этого этапа значения давлений и скоростей топлива в системе выравниваются, и рассмотренный рабочий цикл повторяется. При этом имеется в виду, что рабочие процессы топливного насоса высокого давления и аккумуляторной системы - традиционные.
Рассмотрим частные случаи выполнения устройства.
ак
ак
а
ак
а
ак
Например, в частном случае при подключении дополнительной кольцевой проточки 29 с помощью линии 31 связи к источнику подачи основного топлива последний может быть выполнен в виде автономного источника 30 аккумуляторного типа с регулируемым давлением Р (см. фиг.2). Причем значение давления Р в аккумуляторе больше или равно давлению Р подачи присадки в каналах 9 подачи в корпусе 10 форсунки и распылителе 11, т.е. Р≥Р. При этом давление Р в полости дополнительной кольцевой проточки 29 исключает течение смеси из полости кольцевой проточки 27 в полость дополнительной кольцевой проточки 29 и далее - в полость 21 корпуса 10 форсунки, связанную со сливом в бак для основного топлива.
ак
а
ак
В том случае, когда полость дополнительной кольцевой проточки 29 подключена к источнику подачи основного топлива в виде насоса 13 высокого давления параллельно с каналами 15 подвода основного топлива в корпусе 10 форсунки и распылителе 11 посредством линии 33 связи и обратного клапана 34 (см. фиг.4), работа системы подачи происходит следующим образом. В период нагнетания основного топлива насосом 13 высокого давления по линии 14 связи обратный клапан 34 открывается, и основное топливо с выхода 35 последнего поступает по линии 33 связи и каналу 32 подвода топлива в полость дополнительной кольцевой проточки 29. Одновременно происходит нагнетание топлива в каналы 15 корпуса 10 форсунки и распылителя 11. После завершения процесса нагнетания обратный клапан 34 закрывается, обеспечив в канале 32 подвода и полости дополнительной кольцевой проточки 29 остаточное давление Р, которое будет больше давления подачи присадки Р. Наличие давления Р и обеспечит исключение попадания смеси из полости кольцевой проточки 27 в полость дополнительной кольцевой проточки 29 и далее - в сливную полость 21 корпуса 10 форсунки.
а
Если к выходу 35 обратного клапана 34 подключен дополнительный объем 37 с плунжером 38 (см. фиг.5), то у системы появляется новое свойство, а именно возможность изменять объем энергоносителя в линиях 36 связи, а следовательно, и давление в канале 32 подвода и полости дополнительной кольцевой проточки 29. При этом, преодолевая усилие пружины 39, с помощью регулятора 40 можно установить необходимые расчетные параметры регулируемого объема 37, тем самым устанавливается определенное давление и объем топлива в полости дополнительной кольцевой проточки 29, увязанное с давлением Р подачи присадки в каналы 9 корпуса 10 форсунки и распылителя 11.
мах
ф
Один из частных случаев выполнения системы подачи предусматривает наличие в верхней части распылителя 11 канала 41, который дает возможность сообщить полость дополнительной кольцевой проточки 29 на игле 16 с каналами 15 подвода основного топлива в корпусе 10 форсунки и распылителе 11. Это соответствует периоду, когда игла 16 находится на седле и распыливающие отверстия 28 перекрыты. В исходном положении, т.е. когда игла 16 покоится на седле, кромка 43 дополнительной кольцевой проточки 29 находится за пределами выходного отверстия 42 канала 41. При подаче топлива насосом 13 высокого давления, когда игла 16 поднимется на высоту h>δ<у, в полости дополнительной кольцевой проточки 29 будет обеспечено давление Р, равное давлению в корпусе 10 форсунки. При посадке иглы 16 на седло полость дополнительной проточки 29 отключается от канала 15 подвода основного топлива (см. фиг.6).
фп
а
В результате в полости дополнительной кольцевой проточки 29 будет обеспечено давление Р - давление начала посадки иглы 16 на седло, которое будет больше, чем давление Р. Это и обеспечит отсутствие утечек топливной смеси из полости кольцевой проточки 27 в полость дополнительной кольцевой проточки 29 и далее - в полость 21.
ак
а
В том случае, когда в нижней части направляющей поверхности 17 иглы 16 выполнена вторая дополнительная кольцевая проточка 46, сообщенная с дополнительной кольцевой проточкой 29 (см. фиг.8), в устройстве устраняется недостаток, присущий описанным выше системам, а именно исключается возможность попадания присадки с плохими антифрикционными свойствами в зазор прецизионных поверхностей иглы 16 между полостями кармана 22 и кольцевой проточки 27. Последнее обстоятельство может привести к преждевременному износу иглы 16 в указанной зоне. В данном частном случае выполнения устройства при его работе в кольцевой проточке 46 устанавливается давление Р>Р.
Данная система подачи позволяет также обеспечивать подачу только одного топлива - основного с полным отключением подачи присадки с помощью перекрытия крана 6 (см. фиг.1).
п
Таким образом, изобретение позволяет снизить потери присадки по зазорам между направляющей поверхностью иглы и распылителем. При этом сохраняется возможность регулировать значение массовой доли К присадки в процессе различных этапов впрыскивания смесевого топлива в камеру сгорания дизеля.