ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА ДВИГАЛЕТЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
FUEL SYSTEM FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к автомобилестроению и может быть реализовано в двигателях с системой впрыска бензина, но особенно широко в дизельных двигателях.
Известна топливная система двигателя внутреннего сгорания, содержащая топливный бак, подкачивающий топливный насос, топливный насос высокого давления и форсунку [В.М. Архангельский и др. «Автомобильные двигатели», «Машиностроение», 1977, стр.277-279, рис.173].
Основными недостатками указанной системы являются: неэффективный расход топлива на отдельных режимах работы двигателя, применение дорогостоящих видов топлива для уменьшения выброса вредных продуктов с выхлопными газами или дорогостоящих фильтров для нейтрализации вредных примесей.
Известна газо-жидкостная топливная система двигателя внутреннего сгорания, содержащая топливный бак, два топливных насоса высокого давления разной производительности, рабочую форсунку, а также аппаратуру для хранения, подвода газа и ввода его в цилиндр двигателя [А.С. Орлин и др. «Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей», «Машиностроение», 1970, стр.334-336, рис.173].
Несмотря на то, что использование газо-жидкостного топлива значительно улучшает санитарно-гигиенические условия, данная система имеет ряд недостатков:
- необходимость использования двух видов топлива;
- применение разнотипного и сложного оборудования;
- повышенный риск пожаро- и взрывоопасности.
Известна топливная система двигателя внутреннего сгорания в виде установки для приготовления водотопливной эмульсии в составе емкости для топлива и воды, запорной арматуры, топливоподкачивающего насоса, диспергатора с лазерным устройством, водоэмульсионной колонки и автоматического устройства для измерения плотности эмульсии (см. патент РФ 2173210). Основными недостатками данной системы являются:
- использование сложного и дорогостоящего оборудования для получения эмульсии и контроля ее плотности;
- длительный период выхода системы на расчетный режим после каждой остановки двигателя или отказа в работе оборудования установки получения эмульсии;
- необходимость удаления воды из системы при длительных остановках двигателя.
Известна установка для получения водотопливной эмульсии, состоящая из бака для воды, диспергатора в виде механического насоса с увеличенным радиальным зазором между корпусом и рабочим колесом, нагнетательный трубопровод которого подключен к основной топливной системе двигателя, а всасывающая линия соединена с баком для топлива и баком для воды, при этом на линии подачи воды установлен циркуляционный насос, измеритель расхода воды и электрический подогреватель воды, а также установка снабжена перепускным клапаном и запорноразобщительной арматурой (Лебедев О.Н., Сомов В.Н. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях, Л., Судостроение, 1988, 68 с.).
Недостатками указанной установки являются:
- высокие энергозатраты, связанные с необходимостью подогрева воды для получения высокодисперсной эмульсии;
- низкая надежность работы механического диспергатора;
- сложность всей установки и необходимость постоянного измерения количества подаваемой в диспергатор воды и регулирования для сохранения эмульсии заданного состава.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является топливная система двигателя внутреннего сгорания, содержащая топливный насос, эжектор с приемной камерой и камерой смешения, сепаратор, подключенный трубопроводом к всасу топливного насоса, бак для воды, бак для топлива, подключенный к эжектору, и трубопровод возврата водотопливной эмульсии (см. патент РФ №2002092).
Данная топливная система имеет следующие недостатки:
- приготовление водотопливной эмульсии требует больших затрат энергии, так как в эжектор одновременно подаются вода из бака, вода из сепаратора и топливо из топливного бака, для качественного смешения которых в эжекторе требуется большой расход топлива под высоким давлением, создаваемым шестеренчатым насосом, что существенно снижает возможность применения указанных топливных систем на транспорте;
- необходимость постоянного контроля состава эмульсии и сложность регулирования для поддержания требуемой концентрации водотопливной эмульсии;
- прекращение работы двигателя в случае отказа любого основного элемента системы.
Технической задачей является снижение энергозатрат процесса получения водотопливной эмульсии и повышение надежности работы топливной системы.
Поставленная цель достигается тем, что топливная система двигателя внутреннего сгорания, содержащая топливный насос, эжектор с приемной камерой и камерой смешения, сепаратор, подключенный трубопроводом к всасу топливного насоса, бак для воды, бак для топлива, подключенный к эжектору, и трубопровод возврата водотопливной эмульсии, снабжена насосом низкого давления, подключенным к баку для топлива и к коллектору насоса двигателя напорным трубопроводом с электромагнитным клапаном, в сепараторе установлены регуляторы уровня воды и топлива и коллектор для приема водотопливной эмульсии, подключенный к коллектору насоса двигателя трубопроводом возврата водотопливной эмульсии, причем на трубопроводе возврата водотопливной эмульсии установлен сигнализатор давления и регулятор давления, а регулятор уровня воды трубопроводом подключен к баку для воды, сепаратор подключен трубопроводом, на котором установлены электромагнитный клапан и дюза, к приемной камере эжектора, а камера смешения эжектора напрямую подсоединена к коллектору насоса двигателя, который через трубопровод возврата топлива с регулятором давления и электромагнитным клапаном связан с баком для топлива, а кроме того насос низкого давления соединен с баком для топлива байпасным трубопроводом с регулятором давления, а трубопроводом с регулятором уровня топлива.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию «новизны».
Техническую сущность изобретения поясняет рисунок, на котором изображена схема предлагаемой топливной системы двигателя внутреннего сгорания.
Топливная система двигателя внутреннего сгорания содержит бак для воды 1, бак для топлива 2, топливный насос 3, эжектор 4 с приемной камерой и камерой смешения, коллектор 5 насоса двигателя, сепаратор 6 с регулятором уровня топлива 7, регулятором уровня воды 8 и коллектором 9 для приема водотопливной эмульсии, при этом регулятор уровня воды 8 трубопроводом 10 подключен к баку для воды 1, а коллектор 9 для приема водотопливной эмульсии к коллектору 5 насоса двигателя трубопроводом возврата водотопливной эмульсии 11, на котором установлен сигнализатор давления 12 и регулятор давления 13. Кроме того, сепаратор 6 трубопроводом 14 подключен к всасу топливного насоса 3, а трубопроводом 15, на котором установлены электромагнитный клапан 16 и дюза 17 к приемной камере эжектора 4, а камера смешения эжектора 4 напрямую подсоединена к коллектору 5 насоса двигателя. Топливная система дополнительно снабжена насосом низкого давления 18, подключенного трубопроводом 19 к баку для топлива 2 и напорным трубопроводом 20 с электромагнитным клапаном 21 к коллектору 5 насоса двигателя, который через трубопровод возврата топлива 22 с регулятором давления 23 и электромагнитным клапаном 24 связан с баком для топлива 2, а кроме того насос низкого давления 18 байпасным трубопроводом 25 с регулятором давления 26 соединен с баком для топлива 2, а трубопроводом 27 с регулятором уровня топлива 7.
Предлагаемая топливная система двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
Пуск и первоначальная работа двигателя производится за счет топлива. В этом случае топливо из бака для топлива 2 по трубопроводу 19 поступает на всас насоса низкого давления 18, после которого под давлением 0,15÷0,2 МПа через открытый электромагнитный клапан 21 по напорному трубопроводу 20 в коллектор 5 насоса двигателя, из которого часть топлива отбирается на насос двигателя и далее распределяется по форсункам (сам насос двигателя и форсунки на чертеже не показаны), а остальная часть топлива через регулятор топлива 23 и открытый электромагнитный клапан 24 по трубопроводу возврата топлива 22 возвращается в бак для топлива 2.
Переход работы двигателя на водотопливную эмульсию производится по команде водителя автоматически в три этапа. На первом этапе топливо из сепаратора 6 по трубопроводу 14 поступает на всас топливного насоса 3, после которого оно под давлением 7,0÷10,0 МПа направляется в эжектор 4, камера смешения которого непосредственно соединена с коллектором 5 насоса двигателя. В коллекторе 5 насоса двигателя потоки топлива после насоса низкого давления 18 и эжектора 4 соединяются. Далее суммарный поток топлива за вычетом топлива, отбираемого для работы двигателя, возвращается в бак для топлива 2, при этом расход топлива, поступающего на всас топливного насоса 3 из сепаратора 6 компенсируется за счет отбора топлива после насоса низкого давления 18, поступающего по трубопроводу 27 через регулятор уровня топлива 7 в сепаратор 6.
На втором этапе через 20÷30 с после включения в работу топливного насоса 3 выдается автоматическая команда на закрытие электромагнитных клапанов 21 и 24, в результате чего вступает в работу регуляторы давления 13 и 26, настроенные на несколько большее давление срабатывания, чем регулятор давления 23. Таким образом, на этом этапе еще продолжается работа двигателя на топливе, циркулирующем по контуру: сепаратор 6, топливный насос 3, эжектор 4, коллектор 5 насоса двигателя, регулятор давления 13, трубопровод возврата эмульсии 11, коллектор для приема водотопливной эмульсии 9.
На третьем этапе работы через 20÷40 с после закрытия электромагнитных клапанов 21 и 24 и достижения необходимого давления в коллекторе 5 насоса двигателя, фиксируемого с помощью сигнализатора давления 12, выдается команда на открытие электромагнитного клапана 16, в результате чего вода из нижней части сепаратора 6 по трубопроводу 15 поступает в рабочую камеру эжектора 4 с необходимым для получения концентрации водотопливной эмульсии расходом, который определяется отверстием дюзы 17 и перепадом давления между сепаратором 6 и приемной камерой эжектора 4. Образующаяся в камере смешения эжекторе 4 мелкодисперсная водотопливная эмульсия поступает в коллектор 5 насоса двигателя, где в зависимости от режима работы необходимая часть отбирается насосом двигателя и подается на форсунки, а избыток через регулятор давления 13 по трубопроводу возврата эмульсии 11, поступает в коллектор для приема водотопливной эмульсии 9 сепаратора 6, где эмульсия распадается на воду и топливо, при этом расход воды, ушедшей на образование эмульсии из объема сепаратора восполняется из бака для воды 1, поступающей по трубопроводу 10 поступает на вход сепаратора 6 к регулятору уровня воды 8, который поддерживает заданный уровень, а расход топлива из сепаратора 6 восполняется с помощью регулятора уровня топлива 7 за счет части топлива, отбираемого после топливного насоса 18 по трубопроводу 27, а избытки топлива возвращаются по байпасному трубопроводу 25 через регулятор давления 26 в бак для топлива 2. Работа установки получения водотопливной эмульсии постоянно контролируется по давлению в коллекторе 5 насоса двигателя с помощью сигнализатора давления 12. В случае снижения давления ниже заданного значения от сигнализатора давления 12 поступает команда на отключение топливного насоса 3, открытие электромагнитных клапанов 21 и 24, закрытие электромагнитного клапана 16. Таким образом происходит автоматический переход работы двигателя на топливо из контура циркуляции: бак для топлива 2, топливный насос низкого давления 18, электромагнитный клапан 21, коллектор 5 насоса двигателя, регулятор давления 23, электромагнитный клапан 24 и трубопровод возврата топлива 22 в бак для топлива 2.
Такой же переход в любой момент времени может быть выполнен и по команде водителя.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении за счет уменьшения активного расхода топлива через эжектор удается снизить расход энергии на приготовление водотопливной эмульсии, кроме того, отпадает необходимость регулирования воды в эжектор и контроля влагосодержания получаемой эмульсии, а высокое качество эмульсии удается сохранить за счет подключения камеры смешения эжектора непосредственно к коллектору насоса двигателя, при этом требуемый состав водотопливной эмульсии независимо от режима работы двигателя гарантировать как за счет основных расчетных параметров эжектора (диаметров активного сопла и камеры смешения и сечения дюзы для воды), так и стабильности технологических параметров: давления топлива на входе в эжектор, разряжения в приемной камере, уровней топлива и воды в сепараторе.
Предлагаемая топливная система была проверена на специальном стенде. Испытания показали устойчивую работу дизеля мощностью 3,0 кВт на режимах, выполненных как по нагрузочной, так и скоростной характеристиками, при изменении концентрации воды в составе водотопливной эмульсии от 5 до 30%, а также стабильность работы двигателя в переходных режимах смены дизельного топлива на водотопливную эмульсию и обратного перехода.
Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».