Результат интеллектуальной деятельности: ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА ДИЗЕЛЯ ДЛЯ РАБОТЫ НА ДИМЕТИЛОВОМ ЭФИРЕ

Изобретение относится к двигателестроению, а более точно касается топливной системы дизеля, использующего в качестве топлива диметиловый эфир.

Известны топливные системы дизеля, обеспечивающие его работу на сжиженном газе в жидкой фазе, в том числе и на диметиловом эфире, содержащие по меньшей мере один расходный баллон, линию подачи сжиженного газа с обратным клапаном, плунжерный насос высокого давления с полостями подвода, отсечки и нагнетания топлива, соединенный трубками высокого давления с форсунками (см. патенты SU №1625995 А1, 07.02.91, SU №177598 А1, 23.10.92).

Недостаток перечисленных систем заключается в недостаточной стабильности подачи сжиженного топлива.

Известна также топливная система дизеля, принятая в качестве прототипа, обеспечивающая его работу на диметиловом эфире, которая содержит по меньшей мере один расходный баллон, плунжерный насос высокого давления с полостями подвода и отсечки топлива, оснащенный нагнетательным клапаном и соединенный трубками высокого давления с форсунками. Система снабжена топливоподкачивающим насосом с объемной подачей, в 6-8 раз большей, чем объемная подача топливного насоса высокого давления, и подпружиненным клапаном, установленным между полостью отсечки и вентилем паровой фазы расходного баллона, обеспечивающими давление диметилового эфира в полостях отсечки и подвода на уровне, в 2-3 раза большем, чем давление насыщенных паров диметилового эфира (см. патент РФ №2135813 С1, публ. 27.08.99). Указанная система позволяет осуществлять работу дизеля на диметиловом эфире.

Однако при изменении температурных условий работы дизеля вследствие высокого давления насыщенных паров и малой вязкости диметилового эфира возможно образование на отдельных режимах паровых пробок в топливной системе, с одной стороны, а на других режимах возможны нежелательные дополнительные впрыски. Таким образом, в данной топливной системе - прототипе вследствие нестабильности остаточного давления в топливопроводе высокого давления от режима к режиму имеет место недостаточный уровень стабильности подачи сжиженного диметилового эфира.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в устранении паровых пробок и неуправляемых подвпрысков в топливной системе и, в итоге, повышении стабильности подачи сжиженного диметилового эфира в камеру сгорания дизеля.

Поставленная задача решается тем, что в топливной системе дизеля для работы на диметиловом эфире, содержащей расходный баллон, подключенный через вентиль отбора жидкой фазы к входу топливоподкачивающего насоса, выход которого связан с полостью подвода жидкой фазы насоса высокого давления, полость отсечки которого через подпружиненный клапан подключена посредством вентиля паровой фазы к расходному баллону, при этом надплунжерная полость насоса высокого давления через нагнетательный клапан и топливопровод высокого давления сообщена с форсункой камеры сгорания дизеля, согласно изобретению нагнетательный клапан насоса высокого давления выполнен в виде клапана двойного действия, состоящего из основного и обратного клапанов, причем основной клапан через топливопровод высокого давления подключен к форсунке, а обратный - связан с надплунжерной полостью насоса высокого давления, каждый из клапанов снабжен пружиной и размещен в соответствующем корпусе, а относительно друг друга они установлены с обеспечением возможности взаимного контакта, а также перемещения как совместно, так и самостоятельно, при этом основной клапан выполнен с жиклером, имеющим возможность его перекрытия со стороны обратного клапана при контакте клапанов, а основные параметры клапана двойного действия определяют по следующимсоотношениям:

δ_OK/δ=0,25...0,35;

F_OK/F=0,24...0,33,

где d_Ж - диаметр жиклера в основном клапане, d_ОК - диаметр обратного клапана, δ_ОК - жесткость пружины обратного клапана, δ - жесткость пружины основного клапана, F_OK - сила предварительной затяжки пружины обратного клапана, F - сила предварительной затяжки пружины основного клапана.

Анализ патентной и научно-технической литературы не выявил известности заявляемой совокупности существенных признаков. Хотя известен способ стабилизации и управления остаточным давлением путем использования вместо традиционного нагнетательного клапана объемного действия нагнетательного клапана двойного действия (см. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн., кн.1. Теория рабочих процессов: Учебн. Под ред. В.Н.Луканина. - М: Высш. шк, 1995., стр.235-236). Однако в связи со значительными изменениями при переходе топливной системы с дизельного топлива на диметиловый эфир таких физических свойств, как давление насыщенных паров, вязкость, модуль упругости и плотность, параметры нагнетательного клапана двойного действия должны быть оптимизированы.

Сущность изобретения поясняется чертежами на примере конкретной схемы устройства, где на фиг.1 представлено выполнение топливной системы для работы на сжиженном диметиловом эфире; на фиг.2 приведена компоновка нагнетательного клапана двойного действия в топливном насосе высокого давления; а на фиг.3 и 4 - схема нагнетательного клапана двойного действия. На фиг.1 направления движения топлива обозначены стрелками А и В, а на фиг.3 и 4 показаны d_Ж - диаметр жиклера и d_OK - диаметр обратного клапана.

Топливная система дизеля для работы на диметиловом эфире содержит расходный баллон 1 со сжиженным диметиловым эфиром с вентилем 2 жидкой фазы. Вентиль 2 через трубопровод 3 соединен с входом 4 топливоподкачивающего насоса 5, выход 6 которого через трубопровод 7 соединен с топливным насосом 8 высокого давления, с полостью 9 подвода жидкой фазы топлива. Топливный насос 8 высокого давления сообщен через нагнетательный клапан 10, топливопровод 11 высокого давления с форсункой 12, размещенной в головке камеры сгорания (на фиг.1 не показана). Полость 9 подвода сообщена с полостью 13 отсечки, в свою очередь, полость 13 отсечки подключена трубопроводом 14 к входу 15 подпружиненного клапана 16, выход 17 которого соединен через трубопровод 18 и вентиль 19 паровой фазы с расходным баллоном 1. При этом надплунжерная полость 20 насоса высокого давления сообщена с форсункой 12 камеры сгорания через нагнетательный клапан 10 и топливопровод 11.

Нагнетательный клапан 10 насоса высокого давления выполнен в виде клапана двойного действия и размещен между надплунжерной полостью 20 и штуцером 21 насоса 8 высокого давления и состоит из основного и обратного клапанов 22 и 23, соответственно (см. фиг.2, 3 и 4). Причем к форсунке 12 подключен с помощью топливопровода 11 именно основной клапан 22, а с надплунжерной полостью 20 связан обратный клапан 23. Каждый из клапанов 22 и 23 снабжен соответствующей пружиной 24 и 25 и размещен в соответствующем корпусе: основной клапан 22 - в штуцере 21, а обратный клапан 23 - в корпусе 26. Относительно друг друга клапаны 22 и 23 установлены с обеспечением возможности взаимного контакта, а также перемещения как совместно, так и самостоятельно. При этом основной клапан 22 выполнен с жиклером 27, который имеет возможность быть перекрытым со стороны обратного клапана 23 при контакте клапанов 22 и 23 (см. фиг.3), а также может быть открыт в случае отсутствия контакта клапанов 22 и 23 (см. фиг.4). Основные параметры клапана двойного действия определяют по следующим соотношениям:

δ_ОК/δ=0,25...0,35;

F_ОК/F=0,24...0,33,

где d_Ж - диаметр жиклера в основном клапане, d_ОК - диаметр обратного клапана, δ_ОК - жесткость пружины обратного клапана, δ - жесткость пружины основного клапана, F_ОК - сила предварительной затяжки пружины обратного клапана, F - сила предварительной затяжки пружины основного клапана.

Топливная система дизеля, использующего в качестве топлива диметиловый эфир, работает следующим образом.

После открытия вентилей 2 и 19 (фиг.1) и запуска дизеля диметиловый эфир под давлением насыщенных паров и под действием разрежения, создаваемого топливоподкачивающим насосом 5, поступает по трубопроводу 3 на вход 4 топливоподкачивающего насоса 5, в котором он сжимается до давления, превышающего давление насыщенных паров на величину не менее 0,3 МПа, и направляется с выхода 6 по трубопроводу 7 в полость 9 подвода топлива топливного насоса 8 высокого давления 6. В топливном насосе 8 высокого давления часть топлива нагнетается под давлением 25...50 МПа через нагнетательный клапан 10, выполненный в виде клапана двойного действия, (фиг.1) в топливопровод 11 высокого давления, затем в форсунку 12, которая впрыскивает сжиженный диметиловый эфир в камеру сгорания дизеля. Другая часть топлива из полости 9 подвода топлива поступает в полость 13 отсечки и через топливопровод 14 поступает на вход 15 подпружиненного клапана 16. Основные параметры клапана 16 подбираются таким образом, чтобы совместно с топливоподкачивающим насосом 5 обеспечить давление сжиженного диметилового эфира в полостях 9 подвода и 13 отсечки, соответственно топливного насоса 8 высокого давления, превышающее давление насыщенных паров топлива не менее чем на 0,3 МПа. С выхода 17 подпружиненного клапана 16 диметиловый эфир через трубопровод 18 и вентиль 19 поступает обратно в расходный баллон 1, совершая, таким образом, круговорот по контуру низкого давления. Причем с целью исключения паровых пробок в контуре низкого давления объемная производительность топливоподкачивающего насоса 5 обеспечивается не менее чем в 4 раза больше, чем подача топливного насоса 8 высокого давления через форсунку 12. Для предотвращения паровых пробок в топливопроводе 11 высокого давления и форсунке 12, с одной стороны, и неуправляемых подвпрысков, с другой, необходимо поддерживать остаточное давление в топливопроводе 11 высокого давления и форсунке 12 не ниже 3 МПа и не выше 5 МПа - примерно одинаковым на всем диапазоне рабочих режимов. Регулировать и поддерживать остаточное давление на заданном уровне на всех рабочих режимах позволяет нагнетательный клапан 10, выполненный в виде клапана двойного действия (см. фиг.2, 3 и 4). В период активного хода плунжера (не показан) вверх, как изображено на чертежах, топливо, преодолевая силу пружины 24 основного клапана 22, вытесняется из надплунжерной полости 20 насоса 8 в штуцер 21 и далее через топливопровод 11 - к форсунке 12. При этом оба клапана 22 и 23 основной и обратный, соответственно, прижаты пружинами 24 и 25 друг к другу и приподняты за счет давления толпива, создаваемого в течение активного хода. После окончания активного хода плунжера давление топлива над плунжером падает и основной клапан 22 опускается на корпус 26 обратного клапана 23. При этом обратный клапан 23 по-прежнему прижат пружиной 25 к основному клапану 22. Колебания давления в штуцере 21 (см. фиг.2), вызванные волновым характером процессов в линии высокого давления, а именно "штуцер 21 - топливопровод 11 высокого давления - форсунка 12", периодически открывают обратный клапан 23 и обеспечивают через жиклер 27 и образующий зазор между обратным и основным клапанами 23 и 22 слив излишка топлива в надплунжерную полость 20 (см. фиг.4). Таким образом, в линии высокого давления остается дозированное нагнетательным клапаном 10, выполненным в виде клапана двойного действия, вполне определенное количество диметилового эфира, которое и определяет примерно постоянное на всех рабочих режимах остаточное давление, зависящее от оптимизированных соотношений основных параметров клапана двойного действия, которые определяются по следующим соотношениям:

δ_ОК/δ=0,25...0,35;

F_ОК/F=0,24...0,33,

где d_Ж - диаметр жиклера 27 в основном клапане 22 (см. фиг.3, 4), d_ОК - диаметр обратного клапана, δ - жесткость пружины 24 основного клапана 22, δ_ОК - жесткость пружины 25 обратного клапана 22, F_ОК - сила предварительной затяжки пружины 25 обратного клапана 23, F - сила предварительной затяжки пружины 24 основного клапана 22 (см. фиг.2, 3, 4). Испытания описанной системы с оптимизированными параметрами клапана двойного действия показали высокую стабильность топливоподачи, причем колебания остаточного давления на всех рабочих режимах топливной системы поддерживались с амплитудой до 0,25...0,30 МПа против амплитуды 2,7...3,3 МПа при использовании серийного нагнетательного клапана.

При несоблюдении указанных соотношений основных параметров разброс остаточных давлений на рабочих режимах резко возрастает и эффект от применения нагнетательного клапана двойного действия может быть негативным.

Таким образом, данное изобретение позволяет устранить появление паровых пробок и неуправляемых подвпрысков за счет использования в топливном насосе высокого давления нагнетательного клапана, выполненного в виде клапана двойного действия с оптимизированными параметрами, что позволяет улучшить стабильность подачи сжиженного диметилового эфира в камеру сгорания дизеля.