система подачи топлива в дизель
Классы МПК: | F02M55/00 Топливовпрыскивающая аппаратура, отличающаяся топливопроводами или устройствами для выпуска из них воздуха |
Автор(ы): | Герасимов Александр Николаевич (RU), Ястребов Виталий Владимирович (RU), Швец Эльмир Александрович (RU), Герасимов Александр Дмитриевич (RU), Прокофьев Денис Валерьевич (RU), Штапов Руслан Юрьевич (RU), Осипов Александр Вячеславович (RU), Подчинок Евгений Васильевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Рязанский военный автомобильный институт имени генерала армии В.П. Дубынина (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-05-02 публикация патента:
27.12.2008 |
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.
Формула изобретения
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.
Описание изобретения к патенту
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.
Класс F02M55/00 Топливовпрыскивающая аппаратура, отличающаяся топливопроводами или устройствами для выпуска из них воздуха