Топливный насос и способ его работы

Изобретение относится к области создания и эксплуатации насосов (агрегатов, узлов) для перекачки или получения топлив, находящихся под повышенным давлением. Способ работы насоса состоит в том, что все преобразования энергии проводят в одном цилиндре, разделенном на камеры нагнетания и сгорания. На такте сжатия осуществляют подачу топлива из камеры нагнетания в камеру сгорания, а получаемую в камере сгорания энергию используют для повышения давления перекачиваемого топлива и обеспечения энергией рабочего процесса. В устройстве в цилиндре насоса дополнительно установлены: поршень, не связанный с валом насоса, который разделяет рабочий объем на камеры нагнетания и сгорания. Для обеспечения функций камеры сгорания в районе крышки цилиндра установлены клапана впуска воздуха и выпуска отработавших газов. Роль топливной форсунки выполняют каналы дополнительного поршня, которые открываются только для подачи топлива из камеры нагнетания в камеру сгорания, для чего внутри корпуса установлен упор, ограничивающий перемещение дополнительного поршня на такте сжатия. 2 н. и 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области разработки, создания и эксплуатации насосов (агрегатов, узлов) для перекачки жидких топлив, в том числе сжиженного природного газа, или повышения их давления.

Известные способы работы насоса включают первичное преобразование одного из видов энергии, например тепловой, в энергию вращательного движения вала в одном функциональном блоке-приводе насоса, передачу этой энергии на вал другого функционального блока-насоса, преобразование ее в потенциальную энергию для обеспечения поступления в рабочий объем жидкого топлива из магистрали низкого давления (МНД), повышения давления и подачи топлива в магистраль высокого давления (МВД). Указанный способ работы реализуется как в лопаточных, так и в поршневых насосных установках и, в том числе, используется для перекачки и транспортировки жидких топлив.

Для насоса с поршневой гидравлической частью способ работы реализуется путем организации в рабочем объеме цилиндра циклического чередования тактов расширения и сжатия за счет возвратно-поступательного движения поршня, приводимого в движение коленчатым валом, и соответствующего этим тактам подключения/отключения рабочего объема цилиндра к МНД и МВД, при этом наполнение цилиндра жидким топливом проводят на такте расширения, а повышение давления и подачу топлива в МВД проводят на такте сжатия.

В состав поршневого топливного насоса входят: привод, обеспечивающий передачу крутящего момента на коленчатый вал насоса, корпус насоса, поршень, связанный посредством шатуна с коленчатым валом насоса, окна для наполнения цилиндра жидким топливом из МНД, окна для подачи топлива в МВД и клапана для управления наполнением и подачей топлива. Описанные устройство и способ работы поршневого насоса хорошо известны и представлены, например, в шестом разделе, том 1, изд-во «Энергия», Москва, 1973 г.

В качестве привода может применяться поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Такой двигатель состоит из тех же элементов, из которых состоит поршневой насос и дополнительно включает систему подачи и воспламенения топлива и систему удаления отработавших газов (ОГ). Способ работы такого двигателя включает наполнение цилиндра воздухом, подачу топлива, сгорание топливно-воздушной смеси, преобразование на такте расширения потенциальной энергии продуктов сгорания в механическую энергию вращения коленчатого вала двигателя, выпуск ОГ и создание разряжения для наполнения цилиндра свежей порцией воздуха.

Кроме того, известны способ работы и устройство ДВС по патенту РФ №2146007 F02B 3/04, опублик. 27.02.2000 г., в котором применяют дополнительный поршень, не связанный с валом двигателя, и упор, ограничивающий перемещение этого поршня. Одной из особенностей такого способа является создание на такте сжатия перепада давлений между камерами, на которые этот поршень делит рабочий объем цилиндра, и использование этого перепада для обеспечения подачи окислителя в камеру сгорания, в частности, по каналам, перфорирующим автономный поршень.

Для способа и устройства насоса, представленных в «Теплотехническом справочнике» и принятых за прототип, наличие двух отдельных функциональных блоков, а именно гидравлической части насоса и привода, требует увеличения массогабаритных характеристик, вызывает ухудшение условий эксплуатации и увеличение потерь энергии.

Целью изобретения является снижение потерь энергии, улучшение массогабаритных и эксплуатационных характеристик топливных насосов.

Указанная цель в способе работы достигается тем, что преобразования энергии проводят в одном рабочем объеме, который разделяют на камеру нагнетания, куда обеспечивают поступление жидкого топлива из МНД, и камеру сгорания, куда подают воздух и топливо, причем топливо подают из камеры нагнетания за счет создания разности давлений между камерами, а энергию процесса сгорания используют для добавочного повышения давления и подачи топлива в МВД и для обеспечения двигательного режима. Так, для поршневого насоса разделение рабочего объема цилиндра на камеры нагнетания и сгорания производят дополнительным поршнем, перемещение которого обеспечивают за счет разности давлений между камерами, а добавочное повышение давления и подачу топлива в МВД осуществляют за счет перемещения дополнительного поршня под действием давления газа камеры сгорания в процессах сгорания и расширения продуктов сгорания, при этом двигательный режим обеспечивают за счет преобразования потенциальной энергии газа камеры сгорания в механическую энергию вращения коленчатого вала, а подачу топлива для сгорания осуществляют по каналам в дополнительном поршне за счет создания разности давлений между камерами путем ограничения перемещения дополнительного поршня на такте сжатия. Кроме того, процессом сгорания перекрывают процесс подачи топлива.

В устройстве указанная цель достигается тем, что внутри корпуса поршневого насоса установлены: дополнительный поршень, который не имеет кинематической связи с коленчатым валом; упор, ограничивающий перемещение дополнительного поршня; клапана впуска воздуха и выпуска отработавших газов, а окна подачи жидкого топлива в МВД по длине цилиндра расположены так, чтобы за время сообщения этих окон с МВД обеспечивалась подача из камеры нагнетания заданного количества топлива.

Кроме того, в дополнительном поршне выполнены каналы для сообщения камер на момент подачи топлива из камеры нагнетания в камеру сгорания, которые одновременно выполняют роль топливной форсунки.

На фиг.1 представлена конструктивная схема предлагаемого устройства. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - корпус насоса; 2 - окна подачи топлива в камеру нагнетания из МНД; 3 - поршень, связанный с валом насоса; 4 - дополнительный поршень, не связанный с валом насоса; 5 - клапан подачи воздуха в камеру сгорания; 6 - крышка цилиндра насоса; 7 - клапана выпуска ОГ; 8 - упор; 9 - клапан подачи топлива в МВД; 10 - окна подачи топлива из камеры нагнетания в МВД; 11 - клапан подачи топлива из МНД в камеру нагнетания.

На левой части фиг.1 сплошными линиями представлены положения поршней в момент, когда завершается такт сжатия, при этом дополнительный поршень 4 находится на упоре 8, основной поршень 3 подходит к ВМТ, разность давления между камерами обеспечивает подачу топлива из камеры нагнетания в камеру сгорания. На правой части рисунка сплошными линиями представлены положения поршней в начале выпуска ОГ из камеры сгорания (клапан выпуска ОГ 7 открыт) после завершения подачи топлива в МВД. В нижней части фиг.1 пунктирными линиями представлены два положения основного поршня 3 в процессе впуска топлива из МНД в камеру нагнетания через каналы 2 (правая половина) и в начале такта сжатия (левая половина).

Для упрощения на фиг.1 не показаны такие конструктивные элементы, как шатун и коленчатый вал. Кроме того, здесь не представлена конструкция и принцип работы дополнительного поршня, в том числе и в режиме форсунки, в связи с тем что в патенте №2146007 подробно изложены эти технические решения.

На фиг.2 в нижней части представлена диаграмма перемещения основного (толстая линия) и дополнительного (тонкая линия) поршней и совмещенная с ней по углу поворота коленчатого вала (⁰ПКВ) индикаторная диаграмма цикла. Точки, отмеченные буквами а, c, z, b и r, как принято в теории ДВС, обозначают реперные точки цикла ДВС. Весь цикл условно разбит на основные процессы, которые отмечены римскими цифрами, размещенными между этими диаграммами.

Основной поршень 3 посредством шатуна связан с коленчатым валом насоса, а дополнительный поршень 4 никаких связей не имеет и перемещается вдоль оси цилиндра под действием разности давления между камерами, на который он делит рабочий объем цилиндра. В процессе работы пространство между основным 3 и дополнительным 4 поршнями представляет камеру нагнетания, а пространство между дополнительным поршнем 4 и крышкой цилиндра насоса 6 - камеру сгорания.

Устройство работает следующим образом.

Процесс сжатия - I начинается с угла ПКВ φ₁ и продолжается до момента посадки дополнительного поршня 4 на упор 8. В начале процесса сжатия основной поршень 3 (пунктирная линия на левой половине фиг.1) находится на ординате Н_а (фиг.2) и перекрывает впускные окна 2, а дополнительный поршень 4 в этот момент находится на ординате h_a. Камера нагнетания заполнена топливом, а камера сгорания - воздухом и остаточными после предыдущего цикла продуктами сгорания. В цилиндре установлено начальное давление - р_а. В процессе сжатия I перемещение основного поршня в сторону ВМТ вызывает перемещение дополнительного поршня 4 и сжатие газа камеры сгорания. Давление в цилиндре возрастает. Процесс сжатия осуществляют за счет подвода энергии к основному поршню цилиндра со стороны коленчатого вала насоса.

После того как на такте сжатия дополнительный поршень 4 достигает упора 8, он останавливается (на фиг.2 - ордината h). С этого момента начинается процесс досжатия II (φ₂…φ₃). При этом давление в камере сгорания не меняется, а в камере нагнетания, поскольку основной поршень продолжает движение в сторону ВМТ, давление продолжает расти. Как только перепад давления между камерами превысит заданный порог, топливо по каналам дополнительного поршня 4 из камеры нагнетания подают в камеру сгорания. При этом подачу топлива можно проводить как в один, так в два и более приемов. Так, на фиг.2 представлен случай подачи топлива в два приема - первая подача соответствует углу ПКВ - φ'₂, после чего в цилиндре устанавливается давление p', а после второй подачи - давление p''=p_c.

Процесс сгорания - III начинается после поступления в камеру сгорания основного количества топлива (угол φ₃ на фиг.2, а положение поршней - левая половина фиг.1). В процессе сгорания давление в камере сгорания резко возрастает, и через дополнительный поршень 4 это давление передается на топливо, находящееся в камере нагнетания. В период процесса сгорания основной поршень 3 начинает движение в обратную сторону и за счет повышенного давления в камере сгорания дополнительный поршень 4 повторяет движение поршня 3. Увеличение объема камеры сгорания с одновременным подводом теплоты определяет динамику изменения давления в цилиндре. На представленном примере процесс сгорания III заканчивается при значении угла ПКВ - φ₅ и на участке φ₄-φ₅ совпадает с процессом подачи топлива в МВД.

При этом в процессе сгорания и расширения продуктов сгорания преобразования энергии проводят таким образом, что на такте расширения часть ее направляют на повышение давления перекачиваемого топлива в камере нагнетания, а другую часть этой энергии направляют на обеспечение энергией рабочего процесса на такте сжатия. Например, для насоса с двумя цилиндрами повышение давления в камере нагнетания на такте расширения одного цилиндра передают через коленчатый вал насоса основному поршню другого цилиндра на его такте сжатия.

Процесс подачи топлива из камеры нагнетания в МВД - процесс IV - начинается при значении угла ПКВ φ₄, когда давление в цилиндре достигает заданного значения - р_пдч. При этом окна 10 подачи топлива в МВД должны так располагаться, чтобы их верхняя кромка (на фиг.2 - Н'_пдч) находилась ниже дополнительного поршня 4 и выше основного поршня 3. Подача осуществляется при открытом клапане 9 подачи топлива из камеры нагнетания. Для того чтобы поддерживать давление в камере нагнетания выше давления МВД - р_мвд и тем самым обеспечивать подачу заданного количества топлива в МВД, используют «перекрытие» процессов сгорания и подачи топлива в МВД за счет переноса начала процесса подачи на момент, когда еще не завершен процесс сгорания. Для примера, представленного на фиг.2, процесс сгорания начинают раньше, чем процесс подачи, а завершают их одновременно (что не является обязательным).

Заканчивается процесс подачи топлива в МВД или когда дополнительный поршень 4 перекроет окна 10 (на фиг.2 - Н''_пдч), или раньше, при закрытии клапана подачи 9.

После завершения процесса подачи можно сразу приступить к процессу выпуска ОГ - V (угол φ₆), для чего достаточно открыть клапан 7. На диаграмме представлен пример, когда между процессами подачи IV и выпуска ОГ V имеет место процесс промежуточного расширения (на диаграмме фиг.2 процесс между φ₅ и φ₆, не обозначенный римской цифрой).

При этом следует отметить, что и в процессе подачи топлива в МВД - IV и в следующим за ним процессе промежуточного расширения продуктов сгорания осуществляют передачу энергии (через давление среды камеры нагнетания) для обеспечения на такте расширения рабочего процесса двигательного режима, аналогично процессу III.

Процессы: выпуска ОГ - V (начало - φ₆), создания разряжения - VI (начало - φ₇) и наполнения камеры сгорания свежим воздушным зарядом - VII (начало - φ₈) осуществляются по аналогии с такими же процессами известных способов работы ДВС, поэтому здесь подробно не рассматриваются.

Процесс VI заявленного способа работы топливного насоса имеет особенность, связанную с тем, что при наполнении камеры сгорания при открытом клапане 5 без принудительной подачи воздушного заряда наполнение камеры сгорания совмещают с наполнением камеры нагнетания насоса топливом из МНД за счет открытия клапана 11.

В данной заявке представлен пример способа работы насоса при работе его двигательного цикла по двухтактной схеме. Однако предлагаемый способ может быть реализован и при работе его двигательного цикла по четырехтактной схеме. В этом случае можно обеспечить увеличенное наполнение камеры нагнетания, т.е. повысить производительность насоса.

1. Способ работы топливного насоса, включающий преобразование энергии для обеспечения поступления в рабочий объем жидкого топлива из магистрали низкого давления, повышение давления топлива и подачи его в магистраль высокого давления, например, путем организации циклического чередования тактов сжатия и расширения в рабочем объеме цилиндра за счет возвратно-поступательного движения поршня, приводимого в движение коленчатым валом и соответствующего этим тактам подключения/отключения цилиндра к магистралям низкого и высокого давления, при этом наполнение цилиндра жидким топливом проводят на такте расширения, а повышение давления проводят на такте сжатия, отличающийся тем, что преобразование энергии проводят в одном рабочем объеме, который разделяют на камеру нагнетания, куда обеспечивают поступление топлива из магистрали низкого давления, и камеру сгорания, куда подают воздух и топливо, причем топливо подают из камеры нагнетания за счет создания разности давлений между камерами, а энергию процесса сгорания используют для добавочного повышения давления и подачи топлива в магистраль высокого давления и для обеспечения двигательного режима.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для поршневого насоса разделение рабочего объема цилиндра на камеры нагнетания и сгорания производят дополнительным поршнем, перемещение которого обеспечивают за счет разности давлений между камерами, а добавочное повышение давления и подачу топлива в магистраль высокого давления осуществляют за счет перемещения дополнительного поршня под действием давления газов камеры сгорания в процессах сгорания и расширения продуктов сгорания, при этом двигательный режим обеспечивают за счет преобразования потенциальной энергии топлива камеры нагнетания в механическую энергию вращения коленчатого вала, а подачу топлива для сгорания осуществляют по каналам в дополнительном поршне за счет создания разности давлений между камерами путем ограничения перемещения дополнительного поршня на такте сжатия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что процессом сгорания перекрывают процесс подачи топлива.

4. Топливный насос, состоящий из цилиндрического корпуса, внутри которого поршень, связанный посредством шатуна с коленчатым валом насоса, совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра корпуса, окон в корпусе для наполнения цилиндра топливом из магистрали низкого давления и подачи топлива в магистраль высокого давления и клапанов для управления наполнением и подачей топлива, отличающийся тем, что в корпусе установлены дополнительный поршень, не связанный кинематически с коленчатым валом, упор, ограничивающий перемещение дополнительного поршня, клапана впуска воздуха и выпуска отработавших газов, при этом окна подачи топлива в магистраль высокого давления расположены по высоте цилиндра так, чтобы за время сообщения этих окон с магистралью высокого давления обеспечивалась подача из камеры нагнетания заданного количества топлива.

5. Насос по п.4, отличающийся тем, что в дополнительном поршне предусмотрены каналы, выполняющие роль топливной форсунки при сообщении камер на момент подачи топлива из камеры нагнетания в камеру сгорания.