СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОЙ ТОПЛИВОПОДАЧИ ДЛЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в системе комбинированной топливоподачи для дизельного двигателя, которая обеспечивает подачу в двигатель смеси двух видов топлив - дизельного топлива и сжиженного газа, например такого как диметиловый эфир (преимущественно), автомобильный пропан-бутан и т.п.

Известно, что диметиловый эфир - это газ, который можно использовать как топливо для дизельного двигателя. В химическую формулу диметилового эфира входит атом кислорода. При подаче диметилового эфира в камеру сгорания дизельного двигателя вместе с дизельным топливом происходит разложение молекулы диметилового эфира, атом кислорода высвобождается и участвует в реакции дополнительного окисления дизельного топлива. Это дополнительное окисление способствует уменьшению количества вредных выбросов в атмосферу.

Известна система комбинированной топливоподачи для дизельного двигателя, содержащая топливный насос высокого давления рядного типа с плунжерными парами и нагнетательными клапанами, выполненную с дренажной полостью форсунку для впрыскивания дизельного топлива или смеси дизельного топлива и сжиженного газа в камеру сгорания двигателя, трубопровод высокого давления, вход которого подключен к выходу секции топливного насоса, а выход - к штуцеру высокого давления форсунки, распределительное устройство с входом и выходами для сжиженного газа, клапан подачи сжиженного газа в трубопровод высокого давления, трубопровод подачи сжиженного газа из баллона на вход распределительного устройства и трубопровод подачи сжиженного газа из выхода распределительного устройства на вход клапана подачи сжиженного газа (см. Автомобильная бинарная топливная система АБТС «МГТУ-САГА ДМЭ» для автомобиля ЗИЛ-5301 «Бычок» и их модификаций. 9071.00.018 РЭ. Временное руководство по эксплуатации. Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004).

В указанной известной системе смешивание с дизельным топливом сжиженного газа (диметилового эфира, далее ДМЭ) реализуется путем подачи последнего в трубопровод высокого давления через клапан подачи сжиженного газа (клапан импульсной подпитки), причем ДМЭ поступает к этому клапану из баллона через распределительное устройство, называемое рампой и являющееся по существу распределительным коллектором с входом (подача эфира из баллона) и выходами (подача эфира к клапану подачи сжиженного газа). Сжиженный ДМЭ подается в трубопровод высокого давления через клапан подачи циклически, в периоды так называемой «разгрузки» трубопровода после завершения активного хода плунжера топливного насоса, когда давление дизельного топлива в этом трубопроводе резко падает.

При этом в известной системе дизельное топливо из дренажных полостей форсунок вместе с просочившимся в эти полости газообразным диметиловым эфиром (ДМЭ) выводится по объединяющему дренажные полости трубопроводу во впускной коллектор дизельного двигателя. В этом коллекторе дизельное топливо и ДМЭ смешиваются с воздухом и подаются в камеру сгорания дизеля в неподготовленном виде - топливо в плохо распыленном состоянии, крупными каплями, а ДМЭ в виде газа, смешанного с воздухом. Обе топливных составляющих (дизельное топливо и ДМЭ) в этом случае плохо реагируют с воздухом, что препятствует нормальному процессу смесеобразования. При этом вместе с воздухом сжимается и газообразный ДМЭ, в результате чего возникают детонационные стуки и возрастают нагрузки на кривошипный механизм двигателя, особенно при его работе на малых оборотах и в пусковом режиме, имеет место неполное сгорание топлива в дизеле и как следствие - повышенный расход дизельного топлива и сжиженного ДМЭ.

Кроме того, в известной системе отсутствует какое-либо смешивание дизельного топлива со сжиженным ДМЭ до момента поступления последнего в трубопровод высокого давления, и в клапан подачи сжиженного газа поступает чистый сжиженный ДМЭ, не обладающий смазочными свойствами, поэтому элементы указанного клапана работают без смазки, что отрицательно сказывается на надежности и долговечности его работы.

Далее, в известной системе клапан подачи сжиженного газа (клапан импульсной подпитки) является клапаном конусного типа и поэтому характеризуется довольно высокой инерционностью, что в недостаточной степени отвечает требованию к его быстродействию для обеспечения ввода ДМЭ именно в период «разгрузки» трубопровода высокого давления

Кроме того, в известной системе в топливный насос устанавливаются нагнетательные клапаны с повышенным разгрузочным объемом, примерно в 2 раза большим, чем в серийном насосе. Для этих нагнетательных клапанов применяются пружины с меньшей жесткостью, чем в серийном насосе. Это приводит к тому, что невозможно отрегулировать насос с обеспечением допустимой неравномерности подачи топлива по секциям насоса на всех режимах работы двигателя, и на некоторых режимах неравномерность подачи топлива будет повышенной.

Целью настоящего изобретения является разработка конструктивно простой системы комбинированной топливоподачи для дизельного двигателя, лишенной недостатков указанного известного технического решения, т.е. такой системы, которая обеспечила бы надежную подачу смеси дизельного топлива и сжиженного газа в форсунку без ухудшения основных показателей работы двигателя при улучшении экологических показателей.

Указанная цель достигается тем, что в системе комбинированной топливоподачи для дизельного двигателя, содержащей топливный насос высокого давления рядного типа с плунжерными парами и нагнетательными клапанами, выполненную с дренажной полостью форсунку для впрыскивания дизельного топлива или смеси дизельного топлива и сжиженного газа в камеру сгорания двигателя, трубопровод высокого давления, вход которого подключен к выходу секции топливного насоса, а выход - к штуцеру высокого давления форсунки, распределительное устройство с входом и выходами для сжиженного газа, клапан подачи сжиженного газа в трубопровод высокого давления, трубопровод подачи сжиженного газа из баллона на вход распределительного устройства и трубопровод подачи сжиженного газа из выхода распределительного устройства на вход клапана подачи сжиженного газа, согласно настоящему изобретению дренажная полость форсунки подключена к распределительному устройству между его входом и выходами, а распределительное устройство снабжено установленными на его входе и выходах соответственно входным и выходными обратными клапанами.

Подключение дренажной полости форсунки к распределительному устройству, во-первых, предотвращает вышеотмеченное нежелательное попадание сжиженного газа во впускной коллектор двигателя, при этом сжиженный газ, просочившийся в дренажную полость форсунки, возвращается обратно в распределительное устройство и подается к форсунке, а во-вторых, приводит к тому, что в клапан подачи сжиженного газа и в распределительное устройство с его обратными входным и выходными клапанами поступает некоторое количество дизельного топлива, обеспечивающего смазку элементов этих клапанов. При этом наличие обратных входного и выходных клапанов в распределительном устройстве обеспечивает поддержание трубопровода подачи сжиженного газа из выхода распределительного устройства на вход клапана подачи сжиженного газа в наполненном состоянии, т.е. указанные обратные клапаны препятствуют истечению жидкости в обратном направлении, разрыву потока и образованию в нем пустот.

Кроме того, в предложенной системе в качестве нагнетательных клапанов топливного насоса использованы преимущественно клапаны с переменным разгрузочным объемом, которые характеризуются наличием отверстия между запирающим конусом и разгрузочным пояском. Такие клапаны применяются, например, в топливных насосах высокого давления для автомобилей МАЗ и КАМАЗ и описаны в литературе (см., например, Топливная аппаратура дизелей КАМАЗ и КАЗ. Инструкция по эксплуатации, Ярославль, Ярославский завод дизельной аппаратуры, 1990, с.55, 56). Эти клапаны обеспечивают более резкое падение давления в трубопроводе высокого давления сразу после завершения активного хода плунжера и меньшую величину остаточного давления в этом трубопроводе в период его «разгрузки», что создает благоприятные условия для ввода сжиженного газа в трубопровод в течение этого периода. Если в насосе установлены нагнетательные клапаны обычного исполнения, то их целесообразно заменить на нагнетательные клапаны с переменным разгрузочным объемом. Остальные детали топливного насоса остаются практически без изменения. В предложенной системе параметры и характеристики топливного насоса остаются практически неизменными в сравнении с серийным топливным насосом, а по отдельным показателям даже улучшаются, например, двигатель на минимальных оборотах холостого хода работает более устойчиво.

Далее, в предложенной системе дренажная полость форсунки преимущественно подключена также к впускному коллектору двигателя через предохранительный клапан для предотвращения по каким-либо причинам повышения давления в системе сверх допустимой величины. Такое повышение давления может возникнуть, например, при длительной работе двигателя на низких или пусковых оборотах, когда величина остаточного давления в трубопроводе высокого давления в периоды его «разгрузки» сравнительно высока. Давление срабатывания этого клапана преимущественно 20 атмосфер.

В системе по настоящему изобретению клапан подачи газа и выходной обратный клапан преимущественно пластинчатые, а входной обратный клапан преимущественно шариковый. Клапаны пластинчатого типа имеют небольшую массу, малый объем, в котором размещаются пружина, седло, сам клапан. Эти факторы положительно влияют на снижение инерционности элементов и быстродействие системы в целом. При этом необходимость в малой инерционности входного обратного клапана отсутствует, поэтому его целесообразно выполнить шариковым для простоты конструкции

Конструкция системы топливоподачи по настоящему изобретению поясняется чертежом, на котором предлагаемая система изображена применительно к одной секции топливного насоса.

Система по настоящему изобретению содержит топливный насос 1 высокого давления, трубопровод 2 высокого давления, форсунку 3, распределительное устройство 4, клапан 5 подачи сжиженного газа (преимущественно диметилового эфира), трубопроводы 6 и 7 подачи сжиженного газа и дренажный трубопровод 8.

Каждая секция топливного насоса 1 рядного типа имеет плунжерную пару 9 и нагнетательный клапан 10 с переменным разгрузочным объемом. Вход трубопровода 2 высокого давления подключен к выходу секции топливного насоса 1, т.е. к выходу нагнетательного клапана 10, а выход трубопровода 2 - к штуцеру высокого давления форсунки 3. Распределительное устройство 4 имеет корпус, в котором выполнена внутренняя полость в виде центрального канала 11 с отходящими от него радиальными каналами 12. Центральный канал 11 имеет одно входное отверстие (вход распределительного устройства 4), а концы радиальных каналов 12 являются выходами распределительного устройства. Количество радиальных каналов 12 равно количеству цилиндров двигателя (т.е. для одноцилиндрового двигателя будет иметься один канал 12 или же выход распределительного устройства может в этом случае находиться на конце центрального канала 11, противоположном его входному отверстию). На входе распределительного устройства 4 установлен шариковый входной обратный клапан 13, а на выходах распределительного устройства - пластинчатые выходные обратные клапаны 14.

Трубопровод 6 предназначен для подачи сжиженного газа из баллона (на чертеже не показан) на вход распределительного устройства 4, подключен к входу обратного клапана 13 и снабжен запорным органом 15. Трубопровод 7 предназначен для подачи сжиженного газа из выхода распределительного устройства 4 на вход клапана 5 подачи сжиженного газа, для чего вход трубопровода 7 подключен к выходу обратного клапана 14, а выход этого трубопровода - к входу клапана 5. Выход клапана 5 подключен к трубопроводу 2 высокого давления непосредственно перед штуцером высокого давления форсунки 3.

Вход дренажного трубопровода 8 подключен к дренажной полости форсунки 3, а его выход - к распределительному устройству 4 между его входом и выходами, т.е. к центральному каналу 11. В многоцилиндровом двигателе вход дренажного трубопровода 8 подключен к дренажным полостям всех форсунок. Кроме того, дренажная полость форсунки 3 при помощи трубопровода 16 (который в случае многоцилиндрового двигателя сообщен с дренажными полостями всех форсунок) подключена также к впускному коллектору двигателя через предохранительный клапан 17.

Предложенная система комбинированной топливоподачи работает следующим образом.

Топливо из секции высокого давления топливного насоса 1 в момент начала нагнетания поступает в трубопровод 2 высокого давления и движется к форсунке 3 в виде импульсной волны со скоростью около 1500 м/с. Период импульсной волны равен периоду активного хода плунжера топливного насоса 1. За этот период давление в трубопроводе 2 повышается от нескольких атмосфер до 500-1000 атм. в зависимости от конструкции насоса 2 и давления начала впрыскивания, на которое отрегулирована форсунка 3. По окончании периода активного хода плунжера и прохождения импульсной волны наступает период резкого спада давления в трубопроводе 2. Этот период называется периодом разгрузки трубопровода 2. Быстрый и резкий спад давления в трубопроводе обеспечивается конструкцией и работой нагнетательного клапана 10 топливного насоса 1. Нагнетательный клапан 10 в своей конструкции имеет разгрузочный поясок (на чертеже не обозначен), и при посадке в свое седло под действием пружины в период разгрузки трубопровода 2 этот поясок действует как поршень и как бы отсасывает часть топлива из трубопровода 2, при этом давление в последнем резко падает, что благоприятно влияет на работу форсунки 3 и всего дизеля. В предложенной конструкции применен нагнетательный клапан 10 с переменным разгрузочным объемом, имеющий отверстие между запирающим конусом и разгрузочным пояском. При работе с таким нагнетательным клапаном 10 трубопровод 2 начинает разгружаться сразу же после окончания активного хода плунжера топливного насоса 1, до начала посадки нагнетательного клапана 10 в седло. Сброс давления происходит через отверстие между запирающим конусом и разгрузочным пояском. После посадки нагнетательного клапана 10 с переменным разгрузочным объемом в седло давление в трубопроводе 2 падает на большую величину, чем при работе с обычным нагнетательным клапаном, и может достигать такого значения, что можно подать диметиловый эфир в момент разгрузки трубопровода 1 без большого противодавления со стороны топлива, находящегося в трубопроводе 2.

Диметиловый эфир в виде жидкости под давлением 7-15 атм. поступает из баллона (не показан) по трубопроводу 6 в распределительное устройство 4. Давление во внутренней полости устройства 4 и в дренажном трубопроводе 8 одинаковое и равно давлению в трубопроводе 6. Это давление оказывает дополнительное воздействие на иглу распылителя форсунки 3, и соответствующая дополнительная сила, действующая на иглу распылителя форсунки, не превышает примерно 3 кг, что необходимо учитывать при регулировке форсунки 3 на давление начала впрыскивания топлива.

При поступлении в распределительное устройство 4 сжиженный диметиловый эфир открывает входной обратный клапан 13, смешивается в центральном канале 11 с поступающей из дренажного трубопровода 8 смесью дизельного топлива и жидкого диметилового эфира и по радиальному каналу 12 поступает к выходному обратному клапану 14, который открывается под действием давления поступающей к нему жидкой смеси. Далее эта смесь попадает через трубопровод 7 к клапану 5. Клапан 5 аналогичен по конструкции выходному обратному клапану 14. Клапан 5 установлен внутри собственного корпуса и имеет присоединительный штуцер, внутри которого расположена пружина. Указанный штуцер соединен с тройником, который с одной стороны подключен к трубопроводу 2 высокого давления, а с другой - к штуцеру высокого давления форсунки 3. Указанные корпус и присоединительный штуцер клапана 5, а также пружина и тройник на чертеже отдельными позициями не обозначены. В момент подачи топлива из топливного насоса 1 к форсунке 3 и прохождения импульсной волны клапан 5 закрывается и утечки топлива через него не происходит. В последующий момент разгрузки трубопровода 2 сжиженный диметиловый эфир (с небольшим количеством дизельного топлива, поступившего в распределительное устройство 4 из дренажного трубопровода 8) под давлением открывает клапан 5 и заполняет часть объема за этим клапаном. Затем происходит следующий цикл процесса нагнетания топлива с добавкой сжиженного диметилового эфира в форсунку 3. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока давление сжиженного диметилового эфира сможет преодолевать остаточное давление (давление разгрузки) в нагнетательном трубопроводе 2.

Может наступить такой момент, когда основной запас диметилового эфира в баллоне будет израсходован и давление сжиженного диметилового эфира упадет настолько, что он перейдет в полужидкое состояние, и давления его паров будет недостаточно, чтобы открыть клапан 5, на который действует остаточное давление в трубопроводе 2. В этом случае нужно перекрыть трубопровод 6 запорным органом 15, который может быть выполнен, например, в виде электромагнитного клапана, и двигатель будет работать как обычно, только на дизельном топливе. Рассмотрим этот режим работы дизельного двигателя, имеющего систему подачи сжиженного диметилового эфира. В этом случае входной обратный клапан 13 будет закрыт и дополнительно перекроет трубопровод 6, который должен быть отключен с помощью запорного органа 15. Дизельное топливо из дренажного трубопровода 8 от форсунки 3 будет подаваться в распределительное устройство 4 и полностью заполнит его внутреннюю полость и трубопровод 7, т.е. давление топлива в распределительном устройстве 4 будет повышаться и достигнет такого значения, что откроются выходной обратный клапан 14 и клапан 5 подачи газа, и в момент разгрузки трубопровода 2 дизельное топливо будет поступать из клапана 5 в трубопровод 2 и далее к форсунке 3. Выходной обратный клапан 14 в этом случае будет предотвращать обратное поступление топлива в распределительное устройство 4. При возможном появлении волновых движений топлива в трубопроводе 7 выходной обратный клапан 14 и клапан 5 будут работать попеременно и пропускать топливо в одном направлении - к форсунке 3, предохраняя трубопровод 7 от избыточного давления и обратного движения топлива и обеспечивая отвод топлива из дренажного трубопровода 8 в трубопровод 2 высокого давления.

В нормальных режимах работы двигателя как при работе на смеси дизельного топлива со сжиженным газом, так и только на дизельном топливе, предохранительный клапан 17 закрыт и препятствует попаданию газа во впускной коллектор двигателя.

В конструкции предложенной системы предусмотрено использование деталей и узлов, выпускаемых заводами топливной аппаратуры. Эти готовые детали и узлы, после незначительной доработки, могут быть использованы в данной системе, что значительно уменьшает затраты на изготовление всех сборочных единиц и деталей системы. Например, корпус распределительного устройства 4, выходные обратные клапаны 14 и клапан 5 подачи сжиженного газа можно изготовить из деталей секции высокого давления топливных насосов распределительного типа моделей НДМ-21 и НДМ-22 после небольшой доработки.