топливная система для дизельного двигателя

Формула изобретения

Топливная система для дизельного двигателя, включающая насос высокого давления с нагнетательным клапаном, имеющим запорный элемент, поджатый пружиной к седлу, образованному в полости клапана, и разобщающий ее с надплунжерной полостью насоса, и гидрозапорную форсунку, включающую дифференциальную иглу, установленную в распылителе с образованием в корпусе заглушенной надыгольной полости и подыгольной полости, соединенной через канал с надыгольной полостью и посредством трубопровода высокого давления с полостью нагнетательного клапана, отличающаяся тем, что запорный элемент нагнетательного клапана выполнен в виде дифференциальной иглы с образованием надыгольной полости с пружиной и тарелкой толкателя, сообщенной с топливной емкостью, и подыгольной полости, сообщенной через канал в корпусе клапана с трубопроводом высокого давления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к топливной аппаратуре дизелей.

Известна традиционная топливная система, включающая плунжерный насос высокого давления с грибковым нагнетательным клапаном и механическим приводом от двигателя, форсунку закрытого типа с механической пружиной, поджимающей к седлу распылителя через шток (штангу) гидравлически управляемую запорную иглу и соединяющий их трубопровод высокого давления (Фомин А.Я. Топливная аппаратура судовых дизелей, М., Транспорт, 1966 г. стр.132).

Недостатки известной топливной системы обусловлены в том числе конструкцией форсунки и заключаются в интенсивном износе и разрушении конуса иглы из-за увеличенной массы подвижных частей (пружины, штока, иглы) и соответственно силы удара иглы о седло, появлении боковых сил, действующих на прецизионную пору из-за перекоса пружины, обуславливающих нарушения плотности цилиндрической и конусной частей иглы. Высока также вероятность поломок пружины из-за тяжелых условий ее функционирования.

Известна также топливная система, более близкая к заявляемому решению, отличающаяся от вышеописанной применением гидрозапорной форсунки закрытого типа с механической пружиной, поджимающей к седлу распылителя через толкатель (шток) гидравлически управляемую запорную иглу, причем верхняя полость, в которой размещена пружина, герметично заглушена и соединена через канал, образованный лыской на игле с надигольной плоскостью. На цилиндрической поверхности иглы выполнены разобщительный поясок, кольцевая канавка и лыска (авт. свид. СССР №1518567, М. кл. F 02 M 61/10, опубл. в Бюл. №40, 30.10.89 г.).

Указанные выше недостатки форсунки с механическим запиранием свойственны (в меньшей степени) и гидрозапорной форсунке по авт. свид. №1518567. Игла последней разъединяется с толкателем в момент посадки на седло. Однако затем толкатель под действием пружины ударяет по игле, что способствует ее износу.

Другим недостатком данной топливной системы является гидрозаклинивание иглы форсунки при низкой частоте вращения вала двигателя, например при его запуске. В этом случае давление в надплунжерной полости насоса возрастает более медленно, известный нагнетательный клапан открывается неполностью и топливо дросселирует через узкую щель между запорным элементом и седлом, медленно повышая давление в подигольной полости форсунки. В данных условиях топливо успевает перетечь через зазоры между иглой и распылителем в надыгольную полость, увеличив в ней давление. Поскольку кольцевая (дифференциальная) площадка иглы в подигольной полости существенно меньше, чем ее торцевая площадь в надыгольной полости, то даже при небольшом повышении давления в последней суммарные усилия от действия на иглу пружины и сил давления могут превысить усилие от давления на дифференциальную площадку в подигольной полости и заклинить иглу.

Задачей изобретения является предотвращение заклинивания форсунки при малых оборотах двигателя и улучшение его пусковых свойств.

Задача изобретения решается благодаря тому, что в топливной системе для дизельного двигатели, включающей насос высокого давления с нагнетательным клапаном, имеющим запорный элемент, поджатый пружиной к седлу, образованному в полости клапана, разобщающий ее с надплунжерной полостью насоса, и гидрозапорную форсунку, включающую дифференциальную иглу, установленную в распылителе с образованием заглушенной надыгольной полости и подигольной полости, соединенной через канал с надыгольной полостью и посредством трубопровода высокого давления - с полостью нагнетательного клапана, в соответствии с предлагаемым решением запорный элемент нагнетательного клапана выполнен в виде дифференциальной иглы с образованием надыгольной полости с пружиной и тарелкой толкателя, сообщенной с топливной емкостью, и подигольной полости, сообщенной через канал в корпусе клапана с трубопроводом высокого давления.

Нагнетальный клапан с запорным элементом в виде иглы (игольчатый клапан) обеспечивает возможность значительного и быстрого увеличения давления в надыгольной полости форсунки в момент впрыскивания топлива, в т.ч. при малых оборотах двигателя, благодаря тому, что на запорной игле в подигольной полости выполнена дифференциальная кольцевая площадка. В начальный момент открытия клапана на площадку действует дополнительная сила давления топлива и полностью открывает клапан, что исключает дросселирование. При резком и полном открытии клапана сформированный импульс высокого давления беспрепятственно достигает подигольной полости форсунки, увеличивает в ней давление и поднимает иглу за короткий промежуток времени, за который давление в надыгольной полости не успевает увеличиться и заблокировать иглу. Далее при снижении давления в системе нагнетательный клапан закрывается, а увеличившееся за время впрыска давление в надыгольной полости форсунки сажает иглу на седло.

Таким образом, применение в топливной системе форсунки в сочетании с игольчатым нагнетательным клапаном насоса с указанными выше признаками исключает гидрозапирание иглы гидрозапорной форсунки при пуске двигателя.

За один нагнетательный ход плунжера осуществляется несколько таких впрыскиваний с высоким давлением и как следствие с хорошим качеством распыливания топлива, что улучшает пусковые свойства двигателя и работу на холостом ходу и снижает токсичность выхлопных газов.

Применение игольчатого клапана в топливных системах с обычными форсунками с механическим запиранием известно и способствует повышению давления в системе. Описание такой системы приведено в материалах научно-технической конференции, посвященной 30-летию ОАО ЯЗДА 6-7 февраля 2002 года, стр.66. Однако в сравнении с предлагаемым решением он установлен в насосе в перевернутом на 180° положении так, что надыгольная полость насоса с пружиной и толкателем является смежной с надплунжерной полостью насоса. Последняя соединена каналом, выполненным в корпусе клапана с подигольной полостью, в свою очередь, сообщенной с трубопроводом высокого давления каналом, проходящим через седло клапана, перекрываемым запорной иглой.

Такое исполнение известного клапана не исключает гидрозаклинивание гидрозапорной форсунки, имеющей связь между надигольной и подигольной полостями, поскольку при истечении (дросселировании) топлива с большой скоростью через зазор между седлом и запорным конусом иглы клапана возникает зона пониженного давления перед запорным конусом, что исключает появление дополнительного усилия, которое в предлагаемом решении клапана обеспечивает его полное открытие, как описано выше. Следствием дроссельного эффекта в клапане при запуске двигателя является относительно более медленное повышение давления в трубопроводе и подигольной полости форсунки, сопровождаемое гидрозаклиниваем иглы.

Предлагаемая топливная система имеет дополнительные полезные свойства. В ее форсунке, так же как в известной гидрозапорной форсунке (Лышевский А.С.Системы питания дизелей, М., Машиностроение, 1981 г., стр.134-136, рис.59), отсутствует пружина с толкателем, что обеспечивает ослабление удара иглы о седло, отсутствие боковых усилий, уменьшение износа и увеличение срока службы в результате уменьшения массы подвижных частей. Возможно также увеличение зазора в прецизионной паре "игла - корпус" вследствие отсутствия утечек топлива из системы, что удешевляет форсунку.

Вместе с тем в предлагаемом решении отсутствует гидросистема поддержания давления в надигольной полости, которая имеется в известной форсунке. Ее заменяет связь между надигольной аккумулирующей полостью и подигольной полостью посредством канала, что существенно упрощает систему.

Известны также форсунки (Лышевский А.С.Система питания дизелей, М., Машиностроение, 1981 г., стр.133-134, рис.58), в которых имеется аккумулирующая полость, сжатое топливо которой перемещает иглу и впрыскивается в камеру сгорания двигателя. В такой форсунке давление топлива максимально в начальный момент впрыскивания, что вызывает резкое нарастание давления в камере дизеля и жесткую его работу.

Известны форсунки (источник тот же, стр.129-130, рис.55), в которых для понижения давления начала вспрыскивания топлива применяют двухдифференциальную иглу с образованием дополнительной промежуточной полости, и кулачок привода насоса более сложной формы, причем подигольная полость соединена с каналом подачи топлива через обратный клапан. В результате снижение давления в промежуточной полости иглы происходит под действием пружины с усилием, в 2-3 раза превышающим усилие начала подъема. Отсечка подачи получается более четкой, уменьшается общая продолжительность подачи, улучшается экономичность рабочего процесса дизеля.

Однако такая форсунка конструктивно значительно сложнее, чем предлагаемое решение, причем усилие закрытия иглы в известной форсунке не превышает усилия, развиваемого пружиной, которое также ограничено объемом ее размещения.

Превышение усилия закрытия иглы над усилием ее открытия в предлагаемом решении достигается более простыми конструктивными средствами - наличием канала, связывающего надигольную и подигольную полости. Благодаря этой связи давление в надигольной полости возрастает к моменту окончания впрыска и сажает иглу на седло с большим усилием, обеспечивая указанный выше полезный эффект, а также его экономичность, снижение токсичности выхлопных газов и другие указанные выше преимущества.

Конкретные конструктивные параметры топливной системы (объемы надигольной и подигольной полостей форсунки, площадь сечения соединяющего их канала, диаметр трубопровода, размеры пружины нагнетательного клапана и т.п.), определяющие наиболее эффективное ее функционирование, определяются известными расчетными методами и уточняются экспериментальным путем для каждого типа дизельного двигателя.

При этом игольчатый нагнетательный клапан дополнительно к указанным выше полезным свойствам обеспечивает также сброс давления при местном повышении давления у клапана, в результате прихода отраженной волны давления от форсунки, благодаря наличию в его подигольной полости дифференциальной кольцевой площадки иглы. Давление действует на эту площадку, открывает нагнетательный клапан и сбрасывается в надплунжерную полость насоса, исключая тем самым нежелательные дополнительные впрыски топлива в камеру сгорания двигателя.

Таким образом, топливная система, характеризуемая предложенной совокупностью новых существенных признаков, обеспечивает, как это указывалось выше, решение задачи изобретения. При этом предлагаемая топливная система, имеющая более простую конструкцию, обладает положительными свойствами известных аналогов и исключает их недостатки.

Предлагаемое решение отвечает требованиям единства изобретения, т.к. исключение любого из вышеуказанных существенных признаков исключает возможность решения задачи изобретения и приобретение вышеуказанных дополнительных положительных свойств.

По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявленного изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

Исходя из изложенного, можно также сделать вывод, что сущность изобретения (вышеуказанный технический результат - совокупность признаков, отличающих от известных заявляемое изобретение) не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена предлагаемая топливная система.

Нагнетательная система включает насос высокого давления 1 с игольчатым нагнетательным клапаном 2 и гидрозапорную форсунку 3, соединенные трубопроводом 4 высокого давления.

В корпусе 5 клапана и в распылителе 6 форсунки 3 установлены дифференциальные запорные иглы, соответственно 7 и 8 с образованием подигольных полостей 9 и 10 и надигольных 11 и 12. Причем надигольная полость 12 форсунки 3 продолжена также в корпусе 13, соединенном с распылителем 6 гайкой 14.

Иглы 7 и 8 включают направляющие поверхности 15 и 16, запорные 17 и 18 и кольцевые дифференциальные площадки 19 и 20 в месте сопряжения указанных поверхностей.

Запорная поверхность 17 иглы 7 взаимодействует с его седлом 21 и перекрывает канал 22, соединяющий подигольную полость 9 с надплунжерной полостью 23 насоса 1, плунжерная пара 24 которого имеет привод перемещения (не показан). В надигольной полости 11 клапана расположены толкатель 25 иглы 7 и пружина 26, взаимодействующая с толкателем 25. Полость 11 сообщена также через канал 27 и трубопровод 28 с емкостью (не показана) для сбора избытка топлива, просачивающегося через прецизионную пару "игла - корпус" клапана 2. В свою очередь в форсунке 3 запорная поверхность 18 иглы 8 контактирует с конусом (седлом) 29 распылителя 6 и перекрывает канал, ведущий к сопловым отверстиям 30. Надигольная полость 12 форсунки 3 заглушена и сообщается единственно с подигольной полостью 10 через канал 31, образованный, например, выполнением лыски на направляющей поверхности 16 иглы 8. Подигольные полости 9 и 10 соответственно клапана 2 и форсунки 3 сообщены посредством каналов 32 и 33, выполненных в их корпусах, и соединяющего их трубопровода 4.

Топливная система работает следующим образом.

Между цикловыми подачами в системе с нагнетательным клапаном 2 поддерживается остаточное давление, которое благодаря гидравлической связи через канал 31 аккумулируется также в надигольной полости 12 форсунки. Поскольку площадь торца иглы 8 в надигольной полости 12 больше площади дифференциальной площадки 20, то игла поджимается к седлу (конусу) 29 остаточным давлением.

По сравнению с другими типами нагнетательных клапанов игольчатый нагнетательный клапан обеспечивает большее давление в системе, в т.ч. и остаточное давление.

При активном ходе плунжера 24 давление в надплунжерной полости 23 насоса 1 повышается и при достижении заданного его значения открывается нагнетательный клапан 2. В начальный момент открытия клапана топливо поступает в подигольную полость 9, давление в которой также повышается и дополнительно действует на дифференциальную кольцевую площадку 19 иглы 7. В результате появления дополнительного усилия клапан 2 открывается быстро и полностью. Сформированный насосом и клапаном импульс (прямая волна) высокого давления, беспрепятственно перемещаясь по каналам 32 и 33 и трубопроводу 4, достигает подигольной полости 10 форсунки 3, обеспечивая повышение давления, подъем иглы 8 и впрыскивание топлива через сопловые отверстия 30. За время впрыскивания топлива последнее, перетекая через канал 31 в надигольную полость 12, в значительной степени повышает в ней давление. После окончания подачи топлива в канал 32 и начала падения давления в подигольной полости 10 аккумулированное в полости 12 давление, действуя на торцевую площадь иглы 8, сажает ее на конус 29. При появлении обратной волны давления от форсунки 3 к нагнетательному клапану 2 повышенное давление в подигольной полости 9 клапана 2 действует на дифференциальную площадку 19 иглы 7 и приоткрывает клапан. Избыток топлива перепускается в надплунжерную полость 23, благодаря чему исключается дополнительное подвпрыскивание топлива в камеру сгорания (не показана).

При относительно медленном движении плунжера на малых оборотах производится несколько коротких вспрысков топлива с высоким давлением.

Особенностью работы топливной системы является быстрое и полное открытие клапана 2 в начале цикловой подачи, исключающее дросселирование топлива и обеспечивающее соответственно быстрое возрастание давления в подигольной полости 10 форсунки, опережающее при указанных параметрах скорость увеличения давления в ее надигольной полости 12, в т.ч. при малых оборотах двигателя, благодаря чему исключается гидрозаклинивание форсунки 3.

Усилие, действующее на иглу форсунки 3, определяется давлением в надигольной полости 12, которое за время впрыска увеличивается многократно благодаря гидравлической связи полостей через канал 31.

Как следствие, производится четкая и быстрая отсечка (посадка иглы 8 и конус 29) в начале этапа завершения впрыска при большом давлении в подигольной полости, обеспечивающем качественное окончание впрыска топлива и указанные выше преимущества.

Запирающее усилие, действующее на иглу 8 форсунки 3 в начале этапа впрыскивания топлива, определяется произведением аккумулированного в надигольной полости давления на разность площадей торца иглы 8 и ее дифференциальной площадки 20. Давление в надигольной полости 12 определяется величиной остаточного давления в системе и его приращением за время от начала подачи топлива до момента подъема иглы 8, которое, в свою очередь, зависит от скорости роста давления в подигольной полости 10 форсунки 3.

Игольчатый нагнетательный клапан 2 в предложенном исполнении обеспечивает, как показано выше, высокую скорость приращения давления, а также высокое давление в системе, т.к. запирающее сечение запорного органа - иглы 7 существенно меньше, чем у других типов клапанов. При этом параметры пружины 26, определяющие ее запирающее усилие, могут быть увеличены, поскольку пружина вынесена за пределы надплунжерной полости 23, ограничивающей ее габариты в других типах нагнетательных клапанов.

Все это в совокупности позволяет создать необходимые условия для качественного распыливания топлива в процессе цикловой подачи с вытекающими отсюда указанными преимуществами.

После окончания впрыска и посадки иглы 8 на конус 29 избыточное давление в системы сбрасывается через нагнетательный клапан 2 и канал 22 в надплунжерную полость 23 насоса 1. Остаточное давление в системе определяется величиной запирающегося усилия пружины 26 нагнетательного клапана 2.