Система топливоподачи силовой установки

(51 Н Т К ПАТЕН у С ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ПИСАНИЕ ИЗО(71) Саратовский институт механизации сельского хозяйства им, М,И,Калинина (72) Г.М,Легошин, Б,П.Загородских, В.Н,Снежко и С,Г,Иванская(73) Научно-производственный центр "Волгоагротехника" при Саратовском институте механизации сельского хозяйства им, М,И,Калинина(54) СИСТЕМА ТОПЛИВОПОДАЧИ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ(57) Использование: двигателестроение, системы подачи топлива для различных энергетических силовых установок, например поршневых двигателей внутреннего сгораР Фрсую 1790697 А ния. Сущность изобретения: система содержит автономный топливный гидромультипликатор 2 широкого диапазона давлений, гидравлический ресивер (аккумулятор) 19 и элементы управления цикловой подачей. Цикловая оптимальная подача топлива для каждого эксплуатационного режима работы двигателя силовой установки) обеспечивается регулирующим электромагнитным клапаном 29, управляющий сигнал к обмотке которого вырабатывается блоком управления 32 на основе информации, поступающей от соответствующих датчиков гдавления газов в камере сгорания или во впускном трубопроводе, частоты вращения вала, температуры масла, воды, деталей СУ и т.д.) 1 з.п, ф-лы, 1 ил,Изобретение относится к системам подачи топлива для различных энергетических силовых установок и, в частности, к системам подачи поршневых ДВС (двигатели внутреннего сгорания или более общее - силовая установка / карбюраторные, газовые, дизельные, газотурбинные, роторные и др,/) с подачей топлива, в общем случае, либо непосредственно в камеру сгорания (КС), либо путем впрыска во впускной трубопровод, либо совместно и может быть использовано на моторостроительных заводах, конструкторских бюро и других организациях соответствующего профиля при проектировании топливной аппаратуры для различных видов и типов СУ (силовая установка по /МКИ Г 01 и Р 02 М/), в которые требуется подавать оптимальное количество топлива под высоким (30,80 МПа) или сверхвысоким (80800 УПа и выше) давлением в мелкодисперсной фазе в соответствии с эксплуатационными режимами работы СУ или рабочей машины (трактора, автомобиля, тепловоза, судна и т.д,).Известна, например, система подачи топлива поршневого ДВС, в которую входит топливный насос высокого давления (ТНВД) плункерного типа (максимальное давление топлива Рт макс =20 60 МПд), связанный кинематически с помощью шестерен с коленчатым валом двигателя, подкачивающий топливный насос (Рт макс =015 0.30 ГЛПа), .топливные фильтры, топливопроводы высокого и низкого давления, форсунки, При этом регулирование цикловой подачи топлива в КС осуществляется с помощью рейки (поворотом плункера ТНВД относительно втулки), Недостатком данной системы топливоподачи является недостаточно качественное распыление топлива, особенно на малых частотах вращения коленчатого вала и холостом ходу (дробный впрыск и подвпрыски), что снижает экономичность работы двигателя и сопровождается дымнымВЫХЛОПОМ.Известна система топливоподачи, включающая, кроме ТНВД, форсунки, топливный аккумулятор (ресивер), подача топлива в которой осуществляется от отдельного топливного насоса, но с приводом его от коленчатого вала двигателя.Недостатком такой системы топливоподачи является снижение эффективности работы двигателя на высоких нагрузках и больших частотах вращения вала двигателя из-за отсутствия четкости подачи топлива в цил и ндр (КС), плохого смесео бра зова ния (мелкость распыла топлива); отсутствия оптимизации цикловой дозировки топлива в зависимости от угла подачи (зажигания) топ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 лива 0 и продолжительности подачи (впрыска) Оапр или тапр, в результате чего происходит недогорание топлива (дымность работы) с появлением сажистых частиц в ОГ - отработавших газах (снижение экологической надежности) двигателя, а также затягивание периода сгорания на такте расширения, снижение Р - среднего индикаторного давления и, как результат, - падение эффективного КПД е и эффективной мощности где силОВОЙ устаноВки,Целью изобретения является повышение эффективности путем оптимального дозирования топлива в зависимости от режимов работы силовой установки. Известна также система топливоподачи (патент США И. 2,053.543 М КИ Р 02 У 59/00, 1936 г.), содержащая следующие основные элементы: топливный бак, первичный (топливоподкачивающий) насос, топливный гидромультипликатор, дросселирующий гидрораспределитель с гидравлическим управлением, обратные клапаны, устройство контроля давления топлива, топливные форсунки.Однако в известном техническом решении сложно осуществить оптимальное дозирование топлива от режимов работы двигателя (нет обратной связи от датчиков состояния силовой установки). Кроме того, эффективность работы системы управления подачей топлива от первичного насоса к вторичному насосу весьма низка ввиду необходимости создания хорошего уплотнения и хорошей смазки в паре "поршень - цилиндр",Поставленная цель достигается использованием автономного топливного гидро- мультипликатора (ТГМ) широкого диапазона давления (20800 МПВ и выше), связанного гидравлически с общим топливным ресивером (гидроаккумулятором), из которого топливо подается через трубопроводы высокого или сверхвысокого давления в форсунки какого-либо типа (штифтовую, центробежную и т.д, с общим гидро- или электроприводом), при этом дозирование топлива осуществляется регулируемым электромагнитн ым клапаном (РЭ М К), уп ра- вляющ обмотка которого электрически связана с блоком управления, через него - с датчиками состояния силовой установки, в частности, с датчиком (датчиками) давления газов, установленным в камере сгорания (головке блока) одного или Всех цилиндров двигателя или во впускном трубопроводе и т,д.При этом РЭМК позволяет управлять цикловой подачей топлива в зависимости от таких параметров как О, напр, сО (или П), дав 1790697ления газов (или Р,), продолжительности подачи топлива твпр (или Опр федр ) длительности переднего и заднего (отсечка) фронтов характеристики подачи топлива, состава рабочей топливовоздушной смеси (коэффициент избытка воздуха), концентрации компонентов в отработавших (выхлопных) газах, жесткости работы двигателя (параметр а Р/ар), детонации и температур масла, воздуха, топлива и хладагента (система охлаждения двигателя), расходов топлива и воздуха и т,д.На чертеже представлена принципиальная схема системы топливоподачи силовой установки на примере поршневого ДВС, Силовая установка 1, например дизель, имеет систему подачи топлива и обслуживающие ее элементы - система управления топливоподачей, включающую ТГМ - топливный гидромультипликатор 2 с расположенными внутри него жестко связанными между собой одним большим поршнем 3 и двумя малыми поршнями 4 и 5. На корпусе ТГМ установлены: упор-ограничитель хода поршня 6 и МП-микропереключатЕль 7.При этом поршень 3 разделяет внутреннюю полость ТГМ на правый и левый цилиндры низкого давления, заполненные маслом, а поршни 4 и 5 образуют с цилиндрами 8 и 9 полости высокого давления, заполняемые поочередно топливом. ТГМ с помощью маслопроводов гидравлически связан с Гр - гидрораспределителем 10 и, далее через него, - с маслобаком 11, масло- насосом 12, маслофильтром 13, перепускным клапаном 14 и манометром 15. Кроме того, ТГМ своими цилиндрами 8 и 9 с помощью трубопроводов (топливопроводое) связан с топливным баком 16, подкачивающим топливным насосом низкого давления 17 с перепускным клапаном 18, а также с ТР - топливным ресивером 19, выполняющим одновременно функции гидроаккумулятора и успокоителя колебаний давления топлива. ТГМ гидравлически с помощью клапанов 20 и 21 соединен с топливным фильтром 22 и манометром 23, ТРс представляет собой емкость для размещения топлива высокого(3080 МПа) или сверхвысокого (80800 МПа и выше) давления, которая имееттрубопровод 24 с перепускным клапаном 25 для сброса излишков топлива в бак 16, трубопровод(трубопроводы) 26 для подвода топлива к форсунке (форсункам) 27 через топливный фильтр 28 и РЗМК - регулирующий электромагнитный клапан 29, Кроме того в гидравлической цепи высокого давления установлен также манометр 30 и 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 клапан 31, предназначенный для предохранения фильтра 28 при резком закрытии клапана 29 (гидроудар).В систему управления топливоподачей входит блок управления 32 (БУ), который электрически связан с ДД-датчиком давления газов 33 (установлен на головке блока 1-го цилиндра или всех цилиндров дизеля) и ДЧ-датчиком частоты вращения коленчатого вала 34, блок управления 32 также электрически связан с механизмом ручного или ножного (педаль акселератора) управления подачей топлива в камеру сгорания (КС) двигателя, автоматом угла опережения впрыска топлива Овпр. и др. (на чертеже не показан ы).Система топливоподачи силовой установки работает следующим образом, Масло из маслобака 11 маслонасосом 12 подается через маслофильтр 13 и гидрораспределитель 10 в правый цилиндр двухцилиндрового топливного гидромультипликатора 2 и вызывает возвратно-поступательное движение трех жестко связанных между собой поршней 3, 4 и 5, в силу чего топливо, находящееся в цилиндре 9 высокого (сверхвысокого) давления, поступает через обратный клапан 21 (при этом давление топлива регистрируется манометром 23), топливный ресивер 19, трубопровод высокого давления 26(давление топлива контролируется манометром 30), фильтр тонкой очистки топлива 28 и канал (дроссель) регулирующего электромагнитного клапана 23 в форсунку 27, которая распыливает топливо внутри камеры сгорания, Если использовать форсунку 27 с электромагнитным или электрогидравлическим приводом (управлением), то РЭМК не нужен, а блок управления (БУ) 32 электрически связан с форсункой 27. В это время в другой цилиндр 8 высокого давления от топливоподкачивающего насоса 17 через топливный фильтр грубой очистки 22 и обратный клапан поступает топливо, Перемещение поршней 4 и 5 вправо или влево ограничено упорами 6 и микропереключателями 7, вырабатывающими сигнал управления для гидрораспределителя 10. В момент реверса поршней ТГМ давление топлива в цилиндрах 8 и 9 поочередно падает до нуля, а затем быстро восстанавливается до максимального (заданного) давления, но топливный ресивер 19 не позволяет давлению топлива колебаться в больших пределах. Тем не менее для снижения пульсаций топлива могут применяться, в принципе, дополнительно специальные успокоители (демпферы, катаракты и др,), В камеру сгорания СУ с целью снижения токсичных и канцерогенных компонентов отработавших5 10 15 20 25 35 40 50 55 газов может подаваться в качестве топлива водотопливная эмульсия (ВТЭ). В этом случае фильтры 22 и 28 отключаются, а в топливный бак 16 заливается очищенная от механических примесей ВТЭ, удовлетворяющая всем оптимальным условиям работы системы топливоподачи СУ, В одном из вариантов последней предусмотрено также изготовление ВТЭ специальным устройством (агрегатом, системой) с заливкой ВТЭ в бак (на фиг, 1 не представлено),Цикловая подача топлива в каждый цилиндр, например, дизеля, в частном случае регулируется проходным сечением дросселя РЭМК и длительностью его открытого состояния от управляющего электрического сигнала БУ.Этот сигнал (импульс) соответствующей длительности, амплитуды, скважности, характеристик его переднего и заднего фронтов вырабатывается следующим образом. БУ по соответствующему алгоритму (программа может быть разработана на одном из машинных языков - ФОРТРАН, БЕЙСИК, АЛГОЛ, КОБОЛ и др.) обрабатывает информацию, поступающую к нему от датчиков ДД 33 и ДЧ 34, а также от механизмов положения рычага (педали) управления подачей топлива оператором (водителем) рабочей машины, например, трактора, судна, тепловоза и т.д, В результате быстрой обработки всей поступающей в БУ оперативной информации он выдает оптимальный для каждого (заданного) эксплуатационного режима работы СУ (рабочей машины) интегральный (результирующий) сигнал (импульс), который затем преобразуется в заданный оптимизированный сигнал, усиливается и подается в РЭМК 29 или, в другом варианте, - сразу, например, к электромагнитной форсунке 27. При этом указанный "оптимальный" сигнал содержит информацию, включающую требуемую для конкретного эксплуатационного режима длительность (продолжительность) впрыска топлива, давление впрыска топлива, давление топлива в ТРс 19, угол опережения подачи топлива 0 до верхнего положения поршня (ВМТ), длительность переднего и, особенно, заднего фронта характеристики (закона) одиночного циклового впрыска топлива, количество (дозу) топлива в соответствии с углом поворота коленчатого вала, частотой его вращения а (или и) и порядком работы цилиндров двигателя (в зависимости от числа цилиндров: 1-3-4-2, 1-5-3-6-2-4, 1-5-4-2-6-3-7-8 и т,д.). Синхронизация импульса (импульсов) производится по первому цилиндру такта сжатия в первом цилиндре). Датчик давления рабочих газов ДД 33 какого либо типа в цилиндре СУ позволяет регистрировать текущее давление газов и в преобразованном виде (электрический сигнал) подавать его в БУ, где после интегрирования получают величину среднего индикаторного давления Р (или только Р), максимальное значение которого является определяющим критерием топливной экономичности и эффективности работы СУ(по мощностным, экономическим и экологическим показателям),БУ в конечном итоге оперативно управляет выходным сигналом (входными сигналами), поступающим в РЭМК и может в принципе воздействовать на величину давления в топливном реверсе 19 с целью оптимизации процесса распыливания топлива (или ВТЭ).Пуск СУ производится электростартером от аккумуляторной батареи, при этом маслонасос 12 и топливоподкачивающий насос 17 могут иметь как автономный привод (электродвигатели), так и быть приводными (вместе или какой-либо из них) - от вала СУ. Возможно также использование 1-2-х секций обычного ТНВД для запуска СУ с последующим отключением его после пуска и переходом на штатную (постоянную) систему топливоподачи,Предлагаемая система топливоподачи силовой установки позволяет снизить расходтоплива практически на всех эксплуатационных режимах работы любого вида СУ (поршневого ДВС, ГТУ, роторного типа Ванкеля и др,) за счет повышения мелкости распыливания и улучшения дозировки топлива на холостом ходу, малых частотах(оборотах) вращения вала СУ, средних и максимальных нагрузках. При этом предполагаемая система топливоподачи может работать в автоматическом (полуавтоматическом и ручном) режиме по заданной программе (алгоритму) в зависимости от датчика давления газов в цилиндре или в общем - в камере сгорания(выполняет функцию датчика нагрузки), датчика частоты вращения вала СУ(выполняет функцию временного датчика), а также (не указанных на чертеже и в тексте описания заявки) датчиков токсичных и канцерогенных компонентов в отработавших газах, датчика детонации (жесткости), датчиков температуры масла, охлаждающей СУ жидкости (вода или антифриз), воздуха, деталей, газов (О.Г.) и т. д., коэффициента избытка воздуха, расхода топлива и дрт.е. оптимизацию рабочего процесса СУ можно производить по следующим факторам(Ме макс, Мкр макс, ),в) минимальная токсичность (МОк мин,СОмин, С-сажа мин,г) максимальный моторесурс (ор 1: температура воды, масла, деталей.)орс (оптиум - оптимальные значенияпараметров).Изобретение иллюстрируется следующим примером.Рассмотрим некоторые показателипредлагаемой системы топливоподачи дляСУ типа 4-х тактного 6-ти цилиндровоготракторного дизеля (номинальная мощность Мен=120 кВт, частота вращения коленчатого вала пн=2100 мин , плотностьтоплива рт =-0,84 г/см, удельный расходзтопл ива 232 г/к Вт ч),Определим цикловую подачутоплива водин цилиндр по формулеЬЧц =деМен аде 10/(120 пн3 рт) где тджх - тактность двигателя (число ходов поршня), тдв =4;- число цилиндров, =6,ТогдаЛ Чц = . 88 мм /цикл,232 120 4 10 з120 2100 6 984А объемная подача (для всех цилиндров)при частоте пн=2100 минЧц=ЛЧцпн,88 6 2100 66 5 л/ч106Для данной цикловой подачи с учетомпродолжительности впрыскивания топливаЛуЪпр=15 п,к,в. время истечения топливаЛг =напр ( 6 пн=15/( 6 2100)=0,0042 с(1,2 мс).При степени сжатия е =18 максимальное давление Р=7,74 МПа и давление в конце процесса сжатия Р,=4,3 МПа, а с учетомвлияния на процесс сжатия воспламенениярабочей смеси до прихода поршня в ВМТРс =1,2 4,3=5,16 МПа, среднее давлениегаза в цилиндре в период впрыскивания(возможен вариант, как указывалось, впрыска во впускной трубопровод) составит Рц=(Рс "+Рг)/2=(5,16+7,74)/2=6,45 МПа.В ТГМ (фиг, 1) топливо поступает от насоса 17 под давлением 10,30 МПа с производительчостью, соответствующей подаче Чц=66,5 л/ч и с учетом объема ресивера 19 (ТРс). При этом, как известно, коэффициент давления ТГМ (отношение давления на выходе из топливного гидромультипликатора 25 30 35 40 45 50 55 к давлению на входе в него) может изменяться от 5 до 50 и более.Общая емкость топливного ресивера 19 рассчитывается исходя из значений Чц при получении Мен(йемакс), а также с учетом сжимаемости топлива (при давлениях топлива Рт=400600 МПа объем топлива при сжатии может снижаться до 8,12% от первоначального объема) .Примем среднее давление распыливания топлива форсункой Рф=400 МПа при плотности топлива р =0,84 г/см . В этом случае средняя скорость истечения топлива через сопловые отверстия форсунки:(400 - 6,45)(2//840) 10 Цикловая подача ЛЧц=88 мм /цикл в1-й цилиндр дозируется РЗМК на основесуммарного (интегрального) сигнала, поступающего от всех датчиков /указаны в текстеописания технического решения/ с учетомположения педали (рычага) управления подачей топлива, угла и длительности подачи,порядка работы цилиндров дизеля и т.д, БУ32 (блок управления) постоянно вырабатывает оптимальный сигнал.Таким образом, разработанная систематопливоподачи силовой установки позволяет подавать в двигатель оптимальную дозутоплива в зависимости от каждого конкретного нагрузочного и скоростного режима работы СУ (машины). Коррекция топлива (поаналогии с топливным корректором ТНВД,например, дизеля) производится по специальной программе, заложенной в БУ, такжекак и момент аварийного сброса подачи топлива (режим разноса) и ограничение частотсдмин и ммакс и т,д. В качестве топливаможно использовать в зависимости от типаСУ - дизельное топливо, бензин, керосин,водотопливные эмульсии (содержание водыдо 20 О/о) и т,д.Экономический эффект рассчитываютна основе известных данных силовых установок:- средний эффективный расход топливаяе=220260 г/кВт,ч,;- средняя (номинальная) мощность СУНе=100 кВт;- часовой расход топлива От 1=20 кг/ч,При условии разностей КПД Ьсе СУ собщей системой топливоподачи (прототип)е 1 и прЕдлагаЕмОй еЛ е = е 2 - фе 1 =0,07 (или 7%)и часовой расход топлива ОтОт 1, т,е,Ь бт = От 1 - Ст 2,12 1790697 е1 Составитель Г. ЛегошиТехред М,Моргентал ектор А, Козор едакт Тираж ственного комитета по 113035, Москва,Ж-Заказ 371 НИИПИ Госу Производствен ательскии комби Расчет экономии топлива Мт можновести по зависимости Подставив в эту зависимость исходные данные, получим Мт -- 4,13 кг/ч,0,07 20 Формула изобретения 1, Система топливоподачи силовой установки, содержащая топливный бак, топливные форсунки, регулятор давления топлива, клапан, топливоподкачивающий насос, сливную магистраль, топливный гидромультипликатор с большим и двумя малыми поршнями, жестко связанными между собой, размещенными в цилиндрах, образующих корпус гидромультипликатора, при этом между большим и малыми поршнями образованы полости низкого давления, а между малыми поршнями и цилиндрами - полости высокого давления, причем полости высокого давления гидромультипликатора сообщены с топливным баком при помощи топливопровода с топливоподкачивающим насосом и клапанами, размещенными на входах в полости высокого давления и выходах из них, а также с форсунками, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения эффективности путем оптимального дозирования топлива в зависимости от режимов работы силовой установки, система снабжена топливным ресивером, размещенным на топливопроводе между гидромультипликатором и форсункой, регулятором давления топлива, размещенным на топливопроводе между При цене 1 т топлива Цт=140 руб. экономический эффект от реализации предлагаемого технического решения составит за одну смену тсм =8 ч работы СУ;5 Цт 140 4,138- 10001000руб.Таким образом, на 100 тыс. СУ с установкой их на различные машины можно пол учить экономический эффект в размере 464тыс. руб. (4,64 100000). топливным ресивером и форсункой, двумятопливными фильтрами, установленными5 на топливопроводах, первый из которых -между топливоподкачивающим насосом иклапаном, стоящим на входе в топливныйгидромультипликатор, а второй - междутопливным ресивером и регулятором давле 10 ния топлива, маслобаком, сообщеннымпри помощи маслоподающей и маслосливной магистралей, с полостями низкого давления топливного гидромультипликатора,масляным гидрораспределителем, разме 15 щенным на маслоподающей и маслосливной магистралях между маслобаком итопливным гидромультипликатором, маслонасосом, установленным между маслобаком и маслофильтром, установленным между20 маслонасосом и топливным гидрораспределителем.2, Система по п.1, отл ич а ю щая сятем, что регулятор давления топлива выполнен в виде регулирующего электромагнит 25 ного клапана, с управляющим входом, блокауправления и датчиков состояния силовой установки, причем выходы датчиковсвязаны с входом блока управления, а30 управляющий вход регулирующего электромагнитного клапана связан с выходомблока управления,Подписноезобретениям и открытиям при ГКНТ СССРРаушская наб., 4/5