Топливоподающая система с функцией выпуска паров - RU2555607C2

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к топливным насосам высокого давления и к топливоподающим системам, содержащим топливные насосы высокого давления.

Такие топливные насосы высокого давления и соответствующие топливоподающие системы, содержащие такие насосы, используются для создания высокого давления топлива и подачи его для впрыскивания в двигатели внутреннего сгорания.

Уровень техники

Рост цен на топлива, получаемые из нефти, и опасения надвигающегося дефицита сырья в последние годы содействуют активным разработкам технологических процессов получения альтернативных топлив и двигателей внутреннего сгорания, использующих такие топлива. Одним из потенциально важных альтернативных топлив, которое может быть эффективно получено из различных источников, включая биомассу, является диметилэфир. Это топливо, практически не выделяющее сажи при сгорании и имеющее высокое цетановое число, очень хорошо подходит для двигателей дизельного типа. Однако диметилэфир имеет сравнительно высокую испаряемость (по сравнению с обычным дизельным топливом), и поэтому его необходимо поддерживать под давлением примерно 5 бар, чтобы он был жидким при комнатной температуре. Существует ряд аргументов в пользу поддержания в жидком виде топлива, впрыскиваемого в цилиндры дизельного двигателя, и, соответственно, оборудование для впрыска топлива, подходящее для использования диметилэфира или аналогичного легкоиспаряющегося топлива, должно иметь специальную конструкцию, предотвращающую нежелательное испарение топлива или эффективное исключение из частей такого оборудования полостей, в которых могут накапливаться пары топлива, нарушающие нормальную работу оборудования.

Для предотвращения кипения топлив с высокой испаряемостью необходимо использовать более высокое давление и/или более низкую рабочую температуру. В частности, при использовании такого топлива в двигателях, оно должно подаваться в часть оборудования, обеспечивающую давление, необходимое для впрыскивания, с оптимальным сочетанием давления и температуры. При выборе такого оптимального сочетания наиболее весомыми факторами являются стоимость и сложность системы подачи топлива. Смещение в сторону более высокого давления впрыскивания топлива позволяет работать при повышенных температурах, однако при этом повышается стоимость системы, ее сложность, вес и потребление энергии, и при этом происходит излишний разогрев топлива. С другой стороны, температуру впрыскиваемого топлива по очевидным причинам нельзя уменьшить ниже определенной величины.

Чтобы сочетание давления и температуры впрыскиваемого топлива представляло собой более эффективный баланс энергии и стоимости, предлагались различные технические решения. Одним из таких решений является рециркуляция потока топлива, подаваемого в системе со скоростью, превышающей скорость потребления топлива двигателем. В этом случае достигается выравнивание температур наиболее холодной (топливный бак) и наиболее горячей частей системы, и поэтому снижается вероятность локального испарения топлива. Другой подход заключается в термической изоляции частей системы, которые более всего подвергаются действию источников тепла. По ряду причин наиболее подходящим типом оборудования для впрыска топлив с высокой испаряемостью, таких как диметилэфир, является хорошо известная в отрасли система с общей магистралью. Такая система обычно содержит многоплунжерный насос высокого давления, который подает топливо в форсунки под высоким давлением по общей магистрали. За много лет развития и использования дизельных двигателей для насосов высокого давления системы с общей магистралью были разработаны средства регулирования выходных параметров на основе измерения входных параметров и фиксированного рабочего хода плунжеров. При этом используется один впускной дозирующий клапан с электронным управлением для регулирования количества топлива, поступающего к плунжерным парам на такте всасывания. При заданном давлении подачи топлива его давление на выходе плунжерных пар можно изменять путем изменения проходного сечения клапана, что, в свою очередь, при заданном расходе топлива двигателем будет изменять давление в общей магистрали.

Такой тип многоплунжерного насоса с одним впускным дозирующим клапаном и с фиксированным рабочим ходом плунжеров широко используется в топливном оборудовании с общей магистралью в связи с его относительной простотой, если сравнивать его с насосами с переменным рабочим ходом плунжеров. Однако при использовании топлив с высокой испаряемостью в такой насос необходимо внести улучшения для обеспечения надежной работы во всем рабочем диапазоне двигателя. Такая необходимость связана с тем, что такой насос содержит большой объем топлива в канале всасывания, по которому топливо из впускного дозирующего клапана поступает в плунжерные пары, давление в котором большую часть времени должно поддерживаться на уровне, который ниже имеющегося давления подачи для управления характеристиками топлива на выходе насоса. По определению, этот объем канала всасывания отделен от контура рециркуляции подаваемого топлива, и, соответственно, топливо в канале всасывания подвержено перегреву и испарению. Один из способов ослабления этой проблемы заключается в термической изоляции канала всасывания от окружающих частей. Этот способ хорошо работает до определенного минимального потока топлива в канале всасывания, однако испарение все-таки может происходить, когда поток ниже минимальной величины, или когда поток вовсе отсутствует в течение относительно длительного времени. Однако условия работы, в которых насос высокого давления должен подавать очень мало топлива или вообще не подавать топливо, чему соответствует малая величина потока в канале всасывания, могут возникать достаточно часто, и может возникать необходимость резкого увеличения подаваемого топлива до максимума, например, когда запускается горячий двигатель, или когда необходим большой вращающий момент после торможения двигателем. Если топливо будет испаряться в канале всасывания, то гидравлический КПД насоса резко падает, и, если не принять специальных мер, то может потребоваться достаточно много времени, прежде чем насос сможет выйти на максимальную производительность.

Известны технические решения, в которых обеспечивается выпуск паров из канала всасывания, в результате чего пары топлива удаляются из канала, вместо того чтобы пытаться перевести их в жидкое состояние. Ожижение является более длительным процессом по сравнению с испарением, и для обеспечения ожижения в сравнительно горячем насосе система создания давления должна быть способной создавать относительно высокое давление и потому будет избыточно сложной, тяжелой и дорогой. Выпуск паров топлива из канала всасывания, который термически изолирован от горячего корпуса насоса, с использованием сравнительно холодной линии рециркуляции подаваемого топлива, в которой поддерживается сравнительно низкое давление, может быстро и эффективно охлаждать этот канал и с меньшими затратами восстанавливать нормальную работу насоса. В таких и в других известных системах осуществляется электронное управление клапаном выпуска паров (стравливания давления), либо с использованием отдельного электромеханического устройства, либо с помощью исполнительного механизма, который одновременно управляет клапаном выпуска паров и впускным дозирующим клапаном. Однако в этом случае повышается стоимость системы в связи с использованием исполнительных механизмов и более сложных алгоритмов управления для системы управления двигателем.

В известных системах для обеспечения эффективного выпуска паров из канала всасывания используется отдельная обратная линия между клапаном выпуска паров и сужением проходного сечения, задающего давление подаваемого топлива, в контуре рециркуляции. Это необходимо, поскольку в противном случае тракт выпуска паров будет параллелен основному тракту рециркуляции, который имеет максимально возможное дросселирование, и в этом случае давление на канале всасывания и клапане выпуска паров будет слишком мало для вывода паров из насоса. В системах, в которых дросселирующее устройство, задающее давление, должно быть расположено сравнительно далеко от насоса, дополнительные затраты и сложность, связанные с необходимостью введения такой обратной линии, могут быть значительными.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является создание топливоподающей системы, содержащей топливный насос высокого давления, на работу которого меньше влияют возникающие пары топлива.

Другой целью изобретения является создание топливоподающей системы для топлив с высокой испаряемостью, например, таких как диметилэфир, для двигателей внутреннего сгорания.

Еще одной целью изобретения является создание топливоподающей системы для топлив с высокой испаряемостью, например, таких как диметилэфир, которая имеет улучшенные характеристики и невысокую стоимость по сравнению с известными системами.

Указанные цели изобретения достигаются с использованием признаков независимого пункта формулы изобретения. Другие пункты формулы изобретения и описание со ссылками на чертеже раскрывают дополнительные улучшения и варианты осуществления изобретения.

Основным достоинством изобретения является обеспечение эффективного удаления в автоматическом режиме паров топлива, которые могут формироваться и нарушать нормальную работу топливного насоса, в результате чего улучшается надежность управления подачей топлива под давлением для впрыска в двигатель внутреннего сгорания.

В изобретении предложена топливоподающая система для повышения давления топлива и подачи его для впрыска в двигатель внутреннего сгорания, которая содержит топливный насос высокого давления с впускным отверстием (для получения топлива, например, из топливного бака), по меньшей мере с одним плунжером (т.е. плунжерной парой, которая повышает давление полученного топлива и подает его в форсунки для впрыска в двигатель внутреннего сгорания), с каналом всасывания, проходящим между впускным отверстием и по меньшей мере одним плунжером (при этом обеспечивается соединение впускного отверстия топливного насоса высокого давления с впускным отверстием по меньшей мере одной плунжерной пары), и с клапаном выпуска паров, соединенным с каналом всасывания для удаления паров, которые в некоторых ситуациях возникают в канале всасывания, и для охлаждения канала всасывания для предотвращения возникновения условий, вызывающих дальнейшее испарение топлива в этом канале. Топливоподающая система содержит также топливозвратное отверстие (для направления любой утечки и рециркулируемого топлива в топливный бак). Для обеспечения эффективного удаления паров клапаном выпуска паров между впускным отверстием и топливовозвратным отверстием установлен переключающий клапан, а клапан выпуска паров установлен между каналом всасывания и топливовозвратным отверстием с возможностью их соединения.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения переключающий клапан может открывать или прерывать гидравлическое соединение и дросселировать поток между впускным отверстием и топливовозвратным отверстием. Переключающий клапан полностью закрыт, когда давление, создаваемое плунжером, ниже заданного уровня, и частично или полностью открыт, когда это давление равно этому уровню или превышает его. А клапан выпуска паров полностью открыт, когда давление, создаваемое плунжером, ниже заданного уровня, и частично или полностью закрыт, когда это давление равно этому уровню или превышает его. Между впускным отверстием и каналом всасывания установлен впускной дозирующий клапан для точного регулирования выхода насоса высокого давления. Для стабилизации топлива, поступающего во впускной дозирующий клапан, обеспечивается рециркуляция топлива под давлением с помощью топливоподающего насоса, обеспечивающего топливо на входе системы, и гидравлического дроссельного (дросселирующего) устройства, установленного по потоку после топливовозвратного отверстия, в частности, между впускным отверстием и топливовозвратным отверстием. Предпочтительно в качестве клапана выпуска паров используется обратный клапан, впускное отверстие которого соединено с каналом всасывания. Работа переключающего клапана обеспечивается возвратной пружиной и давлением, создаваемым плунжером, так что когда это давление ниже заданного уровня, пружина закрывает переключающий клапан, и когда это давление выше указанного уровня, пружина сжимается, и переключающий клапан открывается. Переключающий клапан обеспечивает эффективное удаление паров и охлаждение канала всасывания путем осуществления последовательного соединения впускного отверстия, канала всасывания и топливовозвратного отверстия, так что через канал всасывания устанавливается полностью рециркулируемый поток. Предпочтительно указанный заданный уровень выбирают таким образом, чтобы он был немного ниже минимального заданного давления, при котором обеспечивается работа двигателя, и в то же время выше давления, которое насос высокого давления может поддерживать, когда происходит испарение топлива в канале всасывания. Затем, в случае неконтролируемого испарения топлива в канале всасывания, приводящего к неконтролируемому падению давления, создаваемого плунжером, переключающий клапан перекрывает соединение впускного отверстия с топливовозвратным отверстием и устанавливает полный рециркулируемый поток через впускной дозирующий клапан, канал всасывания и обратный клапан выпуска паров, в результате чего обеспечивается быстрое удаление уже сформировавшихся паров и охлаждение канала всасывания для предотвращения дальнейшего испарения топлива. В этом случае насос снова выйдет на полную производительность и быстро восстановит выходное давление до заданного значения, при котором дальнейший рост выходного давления будет подавлен впускным дозирующим клапаном, работой которого управляет система управления двигателем. Одновременно увеличенное давление, создаваемое плунжером, будет сжимать пружину, в результате чего снова откроется переключающий клапан, так что будет восстановлен рециркуляционный поток после впускного отверстия впускного дозирующего клапана для предотвращения возникновения очагов перегрева и для надежной подачи жидкого топлива во впускное отверстие.

В предложенном техническом решении обеспечивается установка дроссельного устройства по потоку за топливовозвратным отверстием, поскольку переключающий клапан обеспечивает установление последовательного соединения впускного отверстия и канала всасывания с топливовозвратным отверстием, так что функция выпуска паров не будет снова запускаться путем перепуска рециркуляционного потока из впускного отверстия в топливовозвратное отверстие.

В другом варианте клапан выпуска паров и/или переключающий клапан имеют электронное управление, так что обеспечивается возможность управления функцией выпуска паров системой управления двигателем.

Краткое описание чертежей

Изобретение вместе с вышеупомянутыми и другими его целями и достоинствами можно будет лучше всего понять из нижеприведенного подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, которые не ограничивают его объем, со ссылкой на чертеж, на котором схематично показана схема системы впрыска топлива по изобретению, в которой топливный насос высокого давления снабжен переключающим клапаном, который управляется давлением, и клапаном выпуска паров в форме обратного клапана.

Осуществление изобретения

Прилагаемый чертеж является всего лишь схематической иллюстрацией, не предназначенной для точного отображения конкретных характеристик изобретения. Кроме того, чертеж предназначен всего лишь для представления типичного варианта осуществления изобретения и поэтому не должен рассматриваться как ограничение объема изобретения.

На чертеже представлен схематический вид системы впрыска топлива по изобретению. Система содержит топливный бак 1, подсистему подачи топлива низкого давления, состоящую из топливоподающего насоса 2, дроссельного устройства 3 и топливозвратного отверстия 4. Кроме того, система содержит топливный насос 5 высокого давления с впускным отверстием 6, с впускным дозирующим клапаном 7, каналом 8 всасывания, тремя плунжерами (плунжерными парами) 9 (в качестве примера) и топливной форсункой 10, обеспечивающей впрыск топлива под давлением в двигатель внутреннего сгорания (не показан). Управление клапаном 7, форсункой 10, топливоподающим насосом 2 и/или дроссельным устройством 3 осуществляется системой управления двигателем (не показана). Как можно видеть на чертеже три плунжерные пары 9 топливного насоса высокого давления имеют сдвиг по фазе. Однако следует понимать, что указание трех плунжеров 9 является всего лишь примером. На практике количество плунжерных пар такого насоса может изменяться в зависимости от применения и специальных условий. В целях изобретения могут использоваться насосы с одним, двумя, тремя, четырьмя, пятью, шестью или даже с большим количеством плунжерных пар. Кроме того, система содержит переключающий клапан 11 с возвратной пружиной 12, причем клапан 11 соединен через отверстие 13 управления с отверстием 14 выходного давления топливного насоса 5 высокого давления, и клапан 15 выпуска паров в форме обратного клапана, впускное отверстие которого соединено с каналом 8 всасывания.

Топливоподающая система, схема которой представлена на чертеже, действует следующим образом: топливоподающий насос 2 всасывает топливо из топливного бака 1 и подает его под некоторым давлением, проталкивая топливо через дроссельное устройство 3. Сжатое топливо подается во впускное отверстие 6 топливного насоса 5 высокого давления, причем впускное отверстие 6 соединяется с топливовозвратным отверстием 4 через переключающий клапан 11. В предпочтительных вариантах система управления двигателем осуществляет управление топливоподающим насосом 2 и/или дроссельным устройством 3 для обеспечения необходимого давления подаваемого топлива и одновременно для установления потока топлива, превышающего количество топлива, необходимого для выработки мощности двигателем внутреннего сгорания. Избыточное количество топлива представляет собой рециркуляционный поток, который содействует поддержанию температуры топлива относительно постоянной по всему контуру подаваемого топлива, так что с высокой вероятностью предотвращается возникновение локальных очагов перегрева и соответственно испарение топлива, в результате чего гарантированно обеспечивается стабильность характеристик топлива на входе впускного дозирующего клапана 7.

Затем топливо пропускается через клапан 7 в канал 8 всасывания и далее во впускные отверстия для трех плунжеров 9, работа которых сдвинута по фазе, как показано на чертеже. При перемещении плунжеров 9 вниз их цилиндры заполняются топливом, количество которых зависит от проходного сечения клапана 7, которое регулируется системой управления двигателем, и затем выталкивается из топливного насоса 5 высокого давления через выпускное отверстие 14 и далее в форсунку 10 для впрыскивания в двигатель внутреннего сгорания. Избыточное топливо, подаваемое насосом 2, направляется через переключающий клапан 11, который открывается давлением на его отверстии 13 управления, в топливовозвратное отверстие 4 и далее в дроссельное устройство 3. Обратный клапан 15 закрывается давлением на топливовозвратном отверстии 4, действующим на его выходе.

В случае перегрева топлива в канале 8 всасывания, что может иметь место, например, при выключении двигателя или при торможении двигателем из-за сравнительно низкого сквозного потока топлива в канале всасывания и соответствующем недостаточном охлаждении канала, топливо в канале 8 всасывания начнет испаряться. Процесс испарения может развиваться быстро даже в том случае, когда двигатель и насос работают, и сравнительно высокое давление паров будет препятствовать поступлению свежего жидкого топлива в канал всасывания через открытый впускной дозирующий клапан 7, и высокая сжимаемость паров резко снизит гидравлический КПД плунжерных пар. В результате действия указанных факторов давление на выходе насоса начнет падать. После достижения заданного,сравнительно низкого уровня давления усилие пружины 12 будет преодолевать давление, действующее на переключающий клапан 11 со стороны отверстия 13 управления, так что переключающий клапан 11 закроет проход между впускным отверстием 6 и топливовозвратным отверстием 4. После этого давление на выходе обратного клапана 15 снизится, так что он откроется давлением, создаваемым топливоподающим насосом 2 через открытый клапан 7 и канал 8 всасывания. Таким образом, открытый обратный клапан 15 и канал 8 всасывания будут соединены последовательно с контуром рециркуляции топливоподающего насоса 2, в результате чего будет обеспечиваться быстрое удаление паров в топливный бак 1 и охлаждение канала 8 всасывания свежим жидким топливом, поступающим через клапан 7. В результате будет восстановлен гидравлический КПД плунжерных пар, так что давление на выходе 14 топливного насоса высокого давления и соответственно на отверстии 13 управления переключающего клапана 11 увеличится, и переключающий клапан 11 снова откроется, что приведет к повышению давления на выходе обратного клапана 15, и он закроется для предотвращения неконтролируемого давления на выходе плунжерных пар. В результате будет восстановлена нормальная работа насоса 5 высокого давления.

В другом варианте осуществления изобретения переключающий клапан 11 и/или клапан 15 выпуска паров могут иметь электронное управление, так что функция выпуска паров из канала всасывания может быть полностью или частично регулироваться системой управления двигателем.

Вышеприведенное описание является лишь иллюстрацией изобретения, которое может быть осуществлено в различных вариантах в пределах объема, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

Реферат

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи для двигателей внутреннего сгорания. Предложена топливоподающая система высокого давления, содержащая топливный насос (5) высокого давления с впускным отверстием (6), по меньшей мере одним плунжером (9) и каналом (8) всасывания, проходящим между впускным отверстием (6) и плунжером (9), а также топливовозвратное отверстие (4) и клапан (15) выпуска паров, установленный на канале (8) всасывания топливного насоса (5) высокого давления с возможностью соединения с этим каналом. Между впускным отверстием (6) и топливовозвратным отверстием (4) установлен переключающий клапан (11), а клапан (15) выпуска паров установлен между каналом (8) всасывания и топливовозвратным отверстием (4) с возможностью их соединения. Технический результат заключается в снижении влияния паров топлива на работу топливного насоса высокого давления за счет удаления паров топлива из насоса. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула