Система подачи топлива в дизель

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к топливодающей системе дизелей. Технический результат направлен на повышение мощностных и экономических показателей двигателя, к снижению дымности и токсичности отработавших газов. Технический результат достигается тем, что в систему подачи топлива в дизель, содержащую топливный насос высокого давления, нагнетательный клапан, подпитывающую магистраль, дополнительный канал и невозвратный клапан, причем насос связан с подпитывающей магистралью и соединен через нагнетательный клапан и трубопровод высокого давления с форсункой, а невозвратный клапан размещен в дополнительном канале, который одним концом связан с трубопроводом высокого давления, а другим - с подпитывающей магистралью, дополнительно введены вспомогательный топливный насос высокого давления с нагнетательным клапаном и аккумулятор высокого давления, соединенные подпитывающей магистралью с невозвратным клапаном, причем на аккумуляторе высокого давления размещен редукционный клапан, соединенный с трубопроводом низкого давления. 1 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к топливоподающей аппаратуре дизелей.

Известна система подачи топлива в дизель, содержащая топливный насос высокого давления, нагнетательный клапан, подпитывающую магистраль, дополнительный канал и невозвратный клапан, причем насос соединен через нагнетательный клапан и трубопровод высокого давления с форсункой, а невозвратный клапан размещен в дополнительном канале, который одним концом связан с трубопроводом высокого давления, а другим - с подпитывающей магистралью, при этом штатный топливозаборник выполнен плавающего типа и система дополнительно снабжена топливоподкачивающим насосом, топливозаборником тяжелых примесей, которые расположены в нижней части топливного бака и связаны подпитывающей магистралью с невозвратным клапаном (патент РФ №2184265, МПК F02М 55/00, 2002).

Однако данная система подачи топлива в дизель не улучшает протекание рабочего процесса в связи с впрыскиванием в цилиндр дизеля вместе с дизельным топливом тяжелых примесей из топливного бака. При этом неизбежно ухудшается процесс сгорания с увеличением содержания в отработавших газах токсичных компонентов и частиц сажи. Вследствие этого ухудшаются мощностные и экономические показатели дизеля, уменьшается срок службы прецизионных пар (игла-распылитель) форсунки и невозвратного клапана с седлом, а также возможно засорение фильтра форсунки, что приведет к выходу форсунки из строя и, как следствие, к неравномерной работе дизеля. Кроме того, данная система подачи топлива в дизель не обеспечивает увеличение остаточного давления в трубопроводе высокого давления до оптимального значения, что приводит к ухудшению мощностных и экономических показателей двигателя, к повышенной дымности и токсичности отработавших газов.

Все вышесказанное приведет к снижению надежности и долговечности дизеля.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является система подачи топлива в дизель, содержащая насос высокого давления, нагнетательный клапан, подпитывающую магистраль, дополнительный канал и невозвратный клапан с разгрузочным пояском, причем насос связан с подпитывающей магистралью и соединен через нагнетательный клапан и трубопровод высокого давления с форсункой, а невозвратный клапан размещен в дополнительном канале, который одним концом связан с трубопроводом высокого давления, а другим концом - с подпитывающей магистралью, причем дополнительный канал постоянно связан с подпитывающей магистралью и содержит дроссель, при этом дроссель выполнен в виде радиального и осевого отверстий в теле невозвратного клапана (патент РФ №2171908, МПК F02М 55/00, 2001).

Однако известная система подачи топлива в дизель не обеспечивает увеличение остаточного давления в трубопроводе высокого давления до оптимальной величины. Это приводит к уменьшению давлений впрыскивания при малых цикловых подачах и небольших частотах вращения коленчатого вала по сравнению со значениями, имеющими место при максимальном скоростном режиме, вследствие падения средней скорости плунжера за период активного хода с понижением скоростного режима.

Известно, что с увеличением остаточного давления, устанавливающегося в нагнетательном трубопроводе между следующими друг за другом впрысками топлива, растет давление впрыскивания при одной и той же объемной скорости подачи топлива плунжером [1].

При пониженном давлении впрыскивания топлива в камеру сгорания уменьшается скорость истечения топлива из сопловых отверстий форсунки, что приводит к ухудшению тонкости и однородности распыливания, замедлению процесса сгорания рабочей смеси, уменьшению активного хода плунжера и величины цикловой подачи [1]. Все вышесказанное приводит к ухудшению протекания рабочего цикла и, как следствие, к снижению мощностных и экономических показателей двигателя, к уменьшению дымности и токсичности отработавших газов.

Технический результат направлен на повышение мощностных и экономических показателей двигателя, на снижение дымности и токсичности отработавших газов.

Технический результат достигается тем, что в систему подачи топлива в дизель, содержащую топливный насос высокого давления, нагнетательный клапан, подпитывающую магистраль, дополнительный канал и невозвратный клапан, причем насос связан с подпитывающей магистралью и соединен через нагнетательный клапан и трубопровод высокого давления с форсункой, а невозвратный клапан размещен в дополнительном канале, который одним концом связан с трубопроводом высокого давления, а другим - с подпитывающей магистралью, дополнительно введены вспомогательный топливный насос высокого давления с нагнетательным клапаном и аккумулятор высокого давления, соединенные подпитывающей магистралью с невозвратным клапаном, причем на аккумуляторе высокого давления размещен редукционный клапан, соединенный с трубопроводом низкого давления.

Отличительными признаками от прототипа является то, что в систему дополнительно введены вспомогательный топливный насос высокого давления с нагнетательным клапаном и аккумулятор высокого давления, соединенные подпитывающей магистралью с невозвратным клапаном, причем на аккумуляторе высокого давления размещен редукционный клапан, соединенный с трубопроводом низкого давления.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение, в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники не выявлены и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критериям «существенные отличия» и «новизна».

На чертеже изображена система подачи топлива в дизель.

Система содержит трубопроводы низкого давления 1, 2 и 3, топливный насос высокого давления 4 с нагнетательным клапаном 5, трубопровод высокого давления 6, форсунку 7, невозвратный клапан 8, размещенный в дополнительном канале 9, причем дополнительный канал 9 одним концом связан с трубопроводом высокого давления 6, а другим - с подпитывающей магистралью 10. Подпитывающая магистраль 10 соединяет вспомогательный топливный насос высокого давления 11 с невозвратным клапаном 8 через аккумулятор высокого давления. Насос 11 связан через трубопровод 3 с трубопроводом 1. В насосе 11 размещен нагнетательный клапан 12, а на аккумуляторе высокого давления 13 установлен редукционный клапан 14, состоящий из шарика 15 и пружины 16. Редукционный клапан 14 соединен посредством трубопровода 2 с трубопроводом 3. Вспомогательный топливный насос высокого давления 11 предназначен для подачи топлива под высоким давлением в аккумулятор высокого давления 13. Редукционный клапан 14 ограничивает давление топлива в аккумуляторе высокого давления 13. Редукционный клапан 14 отрегулирован на давление, которое на 20% меньше давления посадки иглы форсунки 7 в седло. Например, для дизеля КамАЗ-740.10 давление посадки иглы форсунки в седло составляет 10 МПа [2]. В этом случае редукционный клапан 14 должен быть отрегулирован на давление 8 МПа с целью компенсации возможных скачков давления топлива в трубопроводе высокого давления 6.

Предлагаемая система подачи топлива работает следующим образом.

При активном ходе плунжера топливного насоса высокого давления 4 открывается нагнетательный клапан 5 и топливо поступает в трубопровод высокого давления 6 и в форсунку 7, из которой впрыскивается в цилиндр дизеля. В процессе впрыскивания давление топлива в трубопроводе высокого давления 6 и в форсунке 7 увеличивается вплоть до отсечки подачи, а затем резко уменьшается до посадки нагнетательного клапана 5 насоса 4 в седло. До посадки нагнетательного клапана 5 в седло, несмотря на открытие отверстий в распылителе форсунки 7, давление впрыскивания топлива будет увеличиваться, так как количество топлива, вытесняемого плунжером насоса высокого давления 4, намного больше того количества, которое вытекает через отверстия форсунки 7 в камеру сгорания дизеля. Увеличение давления у насоса 4 продолжается до начала отсечки. При этом топливо из трубопровода высокого давления 6 будет перетекать в трубопровод низкого давления 1 через нагнетательный клапан 5.

После отсечки нагнетательный клапан 5 насоса 4 садится на седло и отсоединяет топливопровод 6 от надплунжерного пространства. Дальнейшая подача топлива в камеру сгорания дизеля осуществляется за счет энергии, аккумулированной в процессе сжатия топлива плунжером насоса, и продолжается до момента посадки иглы форсунки 7 на седло. Игла форсунки 7 садится в седло быстро вследствие резкого снижения давления топлива, действующего на конусы иглы. При впрыскивании топлива в цилиндр дизеля невозвратный клапан 8 закрыт, так как давление топлива в дополнительном канале 9 и в трубопроводе высокого давления 6 выше, чем давление топлива подпитывающей магистрали 10, в которую поступает топливо из аккумулятора высокого давления 13. Топливо в аккумулятор высокого давления 13 постоянно нагнетается вспомогательным насосом высокого давления 11. В процессе нагнетания топлива в аккумулятор 13 нагнетательный клапан 12 насоса 11 открыт, а при заполнении надплунжерного пространства топливом из магистрали 3 закрыт.

При превышении давления топлива в аккумуляторе высокого давления 13 свыше 8 МПа для дизеля КамАЗ-740.10 шарик 15 редукционного клапана открывается, пружина 16 сжимается, и топливо перетекает из магистрали 2 в магистраль 3.

После посадки нагнетательного клапана 5 и иглы форсунки 7 на свои седла давление в трубопроводе высокого давления 6 будет меньшим, чем в подпитывающей магистрали 10. Поэтому невозвратный клапан 8 откроется и давление в топливопроводе высокого давления 6 повысится до давления, на которое отрегулирован редукционный клапан 14 аккумулятора высокого давления 13.

Таким образом, избыточное давление топлива в трубопроводе высокого давления 6 в промежутках времени между впрыскиванием топлива в цилиндр не будет превышать также 8 МПа для дизеля КамАЗ-740.10. Такая величина давления исключает произвольный впрыск топлива в цилиндр, так как для впрыскивания топлива в цилиндр необходимо более высокое давление. Например, для дизеля КамАЗ-740.10 давление подъема иглы форсунки 7 составляет 21 МПа.

Известно, что с повышением остаточного давления в трубопроводе высокого давления 6 увеличивается давление впрыскивания топлива, но замедляется скорость посадки иглы форсунки и появляется возможность дополнительных впрыскиваний. Чрезмерная разгрузка трубопровода высокого давления приводит к нарушению сплошности потока топлива и, как следствие, к увеличению запаздывания впрыскивания и снижению крутизны фронта импульса давления [3].

Остаточное давление в системе с нагнетательным клапаном 5, имеющим постоянный разгрузочный ход, зависит от режима работы дизеля. Так, при частичных режимах работы двигателя происходит практически полная разгрузка топливопровода 6, что увеличивает периоды дросселирования топлива и повышает чувствительность насосной секции к сопротивлению нагнетательного тракта. Однако даже при постоянном разгрузочном ходе нагнетательного клапана 5 стабильность подачи топлива можно существенно повысить за счет увеличения давления, при котором начинается подъем нагнетательного клапана 5. С целью повышения давления открытия нагнетательного клапана 5 предлагается его увеличение в трубопроводе высокого давления 6 до давления, которое меньше величины давления посадки иглы форсунки 7 в седло распылителя примерно на 20%. Топливо в трубопровод высокого давления поступает из аккумулятора высокого давления 13 сразу после посадки иглы форсунки 7 на свое седло через невозвратный клапан 8. Давление открытия невозвратного клапана также на 20% меньше величины давления посадки иглы в седло.

Известно, что впрыскивание топлива в цилиндр происходит при изменяющемся давлении топлива в цилиндре, причем наиболее благоприятным для распыливания являются условия в средней части процесса впрыскивания. Начало и окончание впрыскивания происходят при меньших давлениях, что вызывает появление недопустимо крупных капель и уменьшение дальнобойности части цикловой подачи.

Особенно сложным оказывается обеспечение резкой отсечки в конце подачи топлива, вследствие образования волновых явлений в топливопроводе высокого давления. В данном случае вследствие резкого понижения давления в надплунжерной полости, при открытии прохода топлива в отсечное окно, пружина нагнетательного клапана 5 закрывает клапан, и объем топливопровода высокого давления оказывается замкнутым. Остаточное давление в нем, в зависимости от режима работы двигателя, может колебаться от 1 до 5 МПа [3].

В заявляемом техническом решении остаточное давление в трубопроводе высокого давления будет составлять не 1-5 МПа, а 8 МПа на всех режимах работы дизеля.

При последующем процессе впрыскивания топлива в цилиндр дизеля больший активный ход плунжера топливного насоса высокого давления 6 будет использоваться для впрыскивания топлива, при этом давление впрыскивания возрастет. С увеличением давления впрыскивания повышается скорость течения топлива по каналам распылителя форсунки и скорость истечения топлива из распылителя в камеру сгорания. В связи с этим, во-первых, усиливаются возмущения в струе топлива, приводящие к возникновению вихревых движений внутри струи и на ее периферии, и, во-вторых, вследствие усиления воздействия аэродинамических сил на поверхность струи при более высоких скоростях истечения повышается дробящее действие воздушного заряда, находящегося в камере сгорания, в которую впрыскивается топливо. В итоге совместного влияния указанных факторов значительно облегчается распад струи топлива и обеспечивается получение более мелких и однородных по размеру капелек топлива, то есть улучшаются тонкость и однородность распыливания из-за увеличения активного хода плунжера, увеличивается и цикловая подача топлива в цилиндр, уменьшается неравномерность подачи топлива по цилиндрам, обеспечиваются устойчивые минимальные подачи на режимах малых нагрузок, холостого хода и оптимизация топливоподающей аппаратуры, при этом достигаются необходимые динамические качества двигателя на переходных режимах работы. Кроме того, повышение давления впрыскивания оптимизирует рабочий процесс по критериям экономичности, снижения токсичности и дымности отработавших газов. Выявлено, что при мелком распыливании при высоких давлениях через малые сопла заметно снижается время задержки самовоспламенения. В таком случае процесс образования оксидов азота NO при умеренном максимальном давлении в цилиндре и жесткости сгорания обуславливаются малыми углами опережения впрыскивания топлива и фактором динамичности подачи, а хорошая экономичность и малая дымность отработавших газов - мелкостью распыливания при впрыскивании топлива при высоких давлениях через малые распыливающие отверстия распылителя форсунки [3].

Таким образом, применение заявляемой системы подачи топлива в дизель улучшает протекание рабочего процесса, что повышает мощностные и экономические показатели двигателя и снижает дымность и токсичность отработавших газов.

Источники информации

1. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей. - М.: Легион-Автодата. 2004. - 342 с.

2. Абелян А.М. Совершенствование системы топливоподачи дизелей военной автомобильной техники. Дис. ... канд. техн. наук. - Рязань, 1998. - 156 с.

3. Бурячко В.Р., Гук А.В. Автомобильные двигатели. НПИКЦ. - Санкт-Петербург. 2005. - 291 с.

Система подачи топлива в дизель, содержащая топливный насос высокого давления, нагнетательный клапан, подпитывающую магистраль, дополнительный канал и невозвратный клапан, причем насос связан с подпитывающей магистралью и соединен через нагнетательный клапан и трубопровод высокого давления с форсункой, а невозвратный клапан размещен в дополнительном канале, который одним концом связан с трубопроводом высокого давления, а другим - с подпитывающей магистралью, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введены вспомогательный топливный насос высокого давления с нагнетательным клапаном и аккумулятор высокого давления, соединенные подпитывающей магистралью с невозвратным клапаном, причем на аккумуляторе высокого давления размещен редукционный клапан, соединенный с трубопроводом низкого давления.