История => История развития моторостроения => Тема начата: alex diesel spb от 12 Апреля 2025, 16:38:22
-
ФРЭНК ДЕ-ЛУКА, главный инженер по впрыску топлива американской корпорации Bosch Arma
ИСТОРИЯ ВПРЫСКА ТОПЛИВА
Когда Рудольф Дизель заключил контракт с Аугсбургом и Круппом в 1893 году на разработку более эффективного двигателя внутреннего сгорания, одной из его целей было использование в качестве топлива огромных количеств угольной пыли, которые накапливались по всей сельской местности.
Первый экспериментальный двигатель, сжигающий угольную пыль, был построен в том же году с использованием воздуха для вдувания пыли
в камеру сгорания. Его метод схематически показан на рис. 1, изображение взято из патента США № 542846, выданного в 1895 году. Измельченный уголь содержался в бункере B, снабженном поворотным клапаном D, а сжатый воздух находится в емкости A. Когда инжекционный клапан E был открыт, воздух под высоким давлением поступал в камеру сгорания C
через отверстие F, унося с собой уголь, выгружаемую через поворотный клапан F. При попытке запустить двигатель он взорвался, и все последующие попытки запустить двигатель на угольной пыли потерпели неудачу, поэтому в качестве топлива в конечном итоге было принято «масло».
В первых экспериментах с маслом оно впрыскивалось в двигатель механически. Результаты были неудовлетворительными, вероятно,
из-за грубого оборудования для впрыска с большим объемом не сгоревшего топлива, поэтому доктор Дизель прибегнул к использованию оборудования для сжатого воздуха, доступного из его экспериментов с угольной пылью. Его первые испытания с впрыском с помощью воздуха оказались настолько успешными, что это стало принятым методом впрыска на многие годы.
Таким образом, уже на раннем этапе разработки этого нового двигателя стала понятна важность процесса впрыска топлива для правильного сгорания в двигателе, и последующее развитие в разработке дизельных двигателей
в значительной степени зависело от усовершенствований впрыска топлива.
(https://i.ibb.co/qFFXvCPd/1-1.png) (https://ibb.co/qFFXvCPd)
Рис. 1. Система впрыска угольной пыли Рудольфа Дизеля.
(По патенту США № 54286 от 1895 г.)
ВДУВАНИЕ ТОПЛИВНОГО ЗАРЯДА С ПОМОЩЬЮ СЖАТОГО ВОЗДУХА
Принцип работы большинства систем вдувания воздухом
был похож на тот, который впервые использовал Рудольф Дизель. Топливо дозировалось и подавалось насосом в распылитель, который был связан с резервуаром для хранения воздуха высокого давления, питаемым воздушным компрессором, а впрыск происходил, когда клапан инжектора открывался механизмом, приводимым в действие кулачком. Затем воздух высокого давления поступал в цилиндр двигателя, унося с собой дозированное топливо
в виде мелкодисперсной пыли. Конструкция распылителя топлива Дизеля не была достоверно установлена, но большинство ранних конструкций распылителей имели ряд отверстий диаметром 1/8 дюйма, через которые проходили воздух и топливо перед поступлением в камеру сгорания. Распылитель с перфорированным диском, показанный на рис. 2 начал использоваться около 1900 года. Он состоял из механически управляемого клапана, окруженного стопкой просверленных дисков или колец распылителя, на которые осаждалось масло, а затем продувка сжатым воздухом доставляла топливо в цилиндр двигателя.
(https://i.ibb.co/GvBWSkLK/1-2.png) (https://ibb.co/GvBWSkLK)
Рис. 2. Распылитель с перфорированным диском.
В 1908 году Кнут Хессельман из Швеции зпаптентовал распылитель с аспирационным клапаном, который стал популярным для небольших двигателей с воздушным впрыском. Как показано на рис. 3, дозированное жидкое топливо помещалось в кольцевое пространство над седлом клапана, и когда клапан поднимался, на топливо оказывалось аспирационное всасывающее действие, чтобы переместить его вместе с воздухом, протекающим в камеру сгорания. Были испробованы многочисленные другие вариации конструкций распылителей, но с небольшим или нулевым коммерческим успехом.
(https://i.ibb.co/GvG7yph3/1-3.png) (https://ibb.co/GvG7yph3)
Рис. 3. Аспирационный клапанный распылитель К. Хессельмана.
(По патенту США № 910534 от 1909 года.)
Ранние двигатели Krupp использовали одноступенчатые воздушные компрессоры, и только на рубеже веков трехступенчатые компрессоры стали применяться в двигателях, создаваемых компанией Diesel Motor Company of America.
Вариант впрыска паров топлива был предпринят Торникрофтом из Англии в 1903 году, но схема не удалась, поскольку температура выхлопных газов, используемых для испарения топлива, была недостаточно высока, чтобы создать необходимое давление пара для впрыска в нагреваемый выхлопными газами котел.
Одна из первых удовлетворительных систем безвоздушного
впрыска была применена к двигателю в 1910 году Джеймсом Маккечни из Vickers,Ltd., Англия. Как показано на рис.4, жидкое топливо подавалось
дозирующим насосом в подпружиненный плунжер, который поднимался кулачком. Срабатывание кулачка обеспечивало подачу топлива в цилиндр двигателя, а пружина возвращала плунжер в нижнее положение.
(https://i.ibb.co/wZc84sWq/1-4.png) (https://ibb.co/wZc84sWq)
Рис. 4. Система впрыска твердого вещества McKechnie
CommonRail
В 1913 году Vickers, Ltd. Разработала систему Common Rail, которая стала очень популярной. Многоплунжерный насос подавал топливо в аккумулятор и коллектор большого мощность с давлением топлива, поддерживаемым примерно на уровне 5000 фунтов на квадратный дюйм с помощью предохранительного клапана, и топливо распылялось в цилиндры двигателя через механически управляемые форсунки. Дозирование топлива осуществлялось путем изменения периода открытия клапанов впрыска. Первый американский двигатель с системой впрыска Common Rail был построен компанией Atlas Imperial Diesel Company из Окленда, Калифорния, в 1919 году.
JerkPumps
Сложно отследить создателя плунжерных насосов для подачи дозированного количества топлива под высоким давлением в цилиндры двигателя. Richard Hornsby & Sons из Англии использовал «рывковые насосы» в 1891 году, а Ruston, Proctor & Co., также из Англии, использовала насос аналогичного типа в 1909 году.
В 1914 году компания De La Vergne из Филадельфии использовала рывковый насос, который подавал топливо с очень высокой скоростью (полная подача примерно за 12 градусов коленчатого вала) к двум одноотверстным, вихревым форсункам, расположенным друг напротив друга в камере сгорания.
НАСОСЫ ВПРЫСКА ТОПЛИВА
Единственной особенностью всех инжекторных насосов с самых ранних и до настоящего времени было использование плунжеров для создания необходимого давления впрыска. В ранних насосах уплотнительные сальники для минимизации утечки топлива под высоким давлением через плунжер.
Самая ранняя ссылка на сопряжение плунжера и цилиндра без манжет и сальников появляется в патенте, поданном в 1912 году Отто Ф. Перссоном из Соединенных Штатов. В 1919 году Филипп Л. Скотт, также американец, описал метод установки плунжера в цилиндр с расчетным зазором 0,0001 дюйма.
Методы дозирования
Самый ранний известный способ изменения количества топлива, подаваемого насосом, заключался в изменении хода плунжера. Американец Джон Ф. Холланд получил патент № 337 000 в 1886 году на устройство для скольжения кулачкового вала с коническими кулачками для изменения хода насоса.
Другим ранним методом управления дозированием было использование перепускного клапана. В 1900 году патент США № 654 140 был выдан Рудольфу Дизелю на перепускной клапан с клиновым управлением, как показано на рис. 5. Длительность хода плунжера, во время которого перепускной клапан D был закрыт, удлинялась или уменьшалась путем перемещения клина K внутрь или наружу, таким образом, увеличивая или уменьшая количество топлива, подаваемого насосом.
(https://i.ibb.co/zTyFvG7f/1-5.png) (https://ibb.co/zTyFvG7f)
Рис. 5. Дозирующий насос Р. Дизеля с перепускным клапаном
управляемым клином. (патента США № 654140 от 1900 года)
Управление дозированием топлива с помощью спирали на плунжере было введено Карлом Пипером из Германии в 1892 году. Согласно его немецкому патенту № 66057, как показано на рис. 6, всасывающее отверстие перекрывалось верхним скошенным плунжером, а путем вращения плунжера изменялось время закрытия отверстия для изменения количества топлива, подаваемого насосом. Английский патент № 9403 был выдан Уильяму Х.Скотту в 1895 году на управление спиралью с двумя портами для изменения как начала, так и окончания впрыска.
(https://i.ibb.co/wNmKvq0b/1-6.png) (https://ibb.co/wNmKvq0b)
Рис. 6. Насос с плунжерным винтовым управлением. (По немецкому патенту Карла Пипера № 66057 от 1892 г.)
Управление количеством топлива с помощью синхронизации всасывающего клапана было довольно популярно для ранних инжекторных насосов. Оно было введено Имануэлем Ланстером из Германии в 1902 году. Согласно его патенту США № 729613, выданному в 1903 году, управляемая регулятором связь, соединенная с насосным плунжером, удерживала подпружиненный всасывающий клапан открытым в течение более длительного или более короткого времени, чтобы уменьшить или увеличить количество впрыскиваемого топлива.
Распределительные насосы
В 1914 году британский патент № 15 962 был выдан Франсуа Фейенсу из Бельгии на систему впрыска, использующую вращающийся распределитель для подачи дозированного топлива в несколько цилиндров многоцилиндрового двигателя. Как показано на рис. 7, топливо под регулируемым высоким давлением подавалось в камеру A, из которой оно поступало в конический паз B цилиндрического распределителя C.
(https://i.ibb.co/7tBn7kCG/1-7.png) (https://ibb.co/7tBn7kCG)
Рис. 7. Поворотный распределительный дозирующий прибор. (После
британского патента Франсуа Фейенса № 159962 от 1914 г.
Когда распределитель вращался синхронно с коленчатым валом двигателя, топливо распределялось по различным выходам D посредством паза B, открывающего каналы E. Количество топлива увеличивалось или уменьшалось путем опускания или подъема распределителя для изменения эффективной ширины паза B. Британский теплоход «Selandia», спущенный на воду в 1913 году, использовал систему впрыска распределительного типа в своем первом рейсе на Дальний Восток.
Нагнетательные клапаны
Одной из проблем, с которой столкнулись ранние системы впрыска рывкового насоса, было капание или последующее впрыскивание топлива после основного выпуска. Поскольку это приводило к дымлению, увеличению расхода топлива и закоксовыванию форсунки, были предприняты многочисленные попытки опустошать трубки, соединяющие насос с форсунками, между впрысками.
В 1910 году американец Герберт Кемптон предложил нагнетательный клапан с отверстием, через которое топливо под высоким давлением
сбрасывалось, когда плунжер совершал ход вниз.
Первое предложение использовать воротник на нагнетательном клапане для отвода части топлива из трубки было сделано Карлом Штайнбекером в Германии в 1913 году, и ему был выдан патент США № 1235611 на него в 1917 г.
В 1920 г. Ван Амстелл из Голландии описал обратный клапан с цилиндрическим поршнем, расположенным непосредственно под седлом клапана, для отвода части жидкости до того, как клапан сядет на седло.
В 1924 году Аксель Даниельсон из Atlas DieselCompany of Sweden представил клапан втягивания типа, на который он получил патент США № 1589515 в 1926 году. Он воплощал в себе единственную особенность, к которой стремились его предшественники: автоматический сброс давления в трубке сразу после окончания впрыска при любых условиях. Как показано на Рис. 8, клапан имел плотно прилегающий цилиндрический поясок под своим седлом, так что нижний край пояска обеспечивал уплотнение, когда он входил в отверстие при повторной посадке клапана. Эффективное втягивание представляло собой объем, вытесненный пояском в коническое седло клапана.
(https://i.ibb.co/qLsgpgTh/1-8.png) (https://ibb.co/qLsgpgTh)
Рис. 8. Нагнетательный клапан с втягивающим поршнем. (По патенту США № 1,589,515 Акселя Даниельсона от 1926 г.)
Дуплексный нагнетательный клапан был впервые предложен Эженом Тартре из Франции в 1921 году, и ему был выдан патент США № 1,492,111 на него в 1924 году. Он состоял из небольшого клапана внутри главного клапана и
открывался в противоположном направлении. Таким образом, когда подача топлива из насоса прекращалась и главный клапан закрывался, высокое давление в выпускной трубке сбрасывалось через малый клапан до тех пор, пока не достигалось давление его закрытия.
Переменный втягивающий клапан был разработан в 1934 году Гансом Хайн
рихом и Максом Херстом из Robert Bosch в Германии, и патент США №2090351 был выдан на него в 1937 году. Его переменная функция втягивания состояла из конических канавок, увеличивающихся по ширине сверху вниз, на цилиндрической направляющей клапана.
ФОРСУНКИ РАСПЫЛЕНИЯ ТОПЛИВА
Впрыск топлива впервые применялся в бензиновых двигателях с искровым зажиганием еще до изобретения дизельного двигателя. Целью было добиться лучшего распыления сжатого топлива через форсунки, чем это было возможно с грубыми карбюраторами того времени.
Тарельчатая форсунка
В 1886 году американец Джон П. Холланд получил патент США № 537 000
на вспомогательное устройство двигателя - тарельчатую
форсунку, которая, как он утверждал, сжигала керосин и тяжелую сырую нефть, а также легкие нефтяные фракции, которые смешивалась с входящим воздухом перед поступлением в камеру сгорания. В 1900 году патент США № 650 583 был выдан А. Х. Голдингему на тарельчатую форсунку с пластиной-диафрагмой под ней.
Клапан, открывающийся внутрь
Джеймсу Харгривзу из Англии был выдан патент США № 431581 в 1890 году на первую форсунку этого типа. Как показано на рис. 9, клапан поднимался со своего седла под действием давления топлива, действующего на поршень в противовес пружине. Как и в других ранних конструкциях, это была форсунка низкого давления. Под отверстием был добавлен выступ, так что выпускаемое топливо ударялось о него, обеспечивая лучшее распыление.
(https://i.ibb.co/PGTK1WqW/1-9.png) (https://ibb.co/PGTK1WqW)
Рис. 9. Открывающийся внутрь клапан-сопло
Дифференциальный клапан
Внутренне открывающееся сопло типа дифференциального клапана, которое является самым популярным соплом сегодня, впервые было использовано Торникрофтом из Англии в 1908 году. Рис. 10 показывает конструкцию этого сопла. В 1910 году Фредерику Х. Ливенсу из Англии был выдан английский патент № 20582 на аналогичное сопло с тангенциальными топливными каналами для подачи топлива с целью создания рассеянного распыления.
(https://i.ibb.co/Y71r25hm/1-10.png) (https://ibb.co/Y71r25hm)
Рис. 10 Внутренне открывающееся дифференциальное сопло Торникрофта
Штифтовой клапан
В 1910 году Питер Боуман из Дании
подал заявку на патент в Англии на то, что может быть самой ранней формой открывающегося внутрь штифтового сопла. Как показано на рис. 11, штифт, или расширение клапана, выступал через распылительное отверстие, чтобы создать кольцевое отверстие, а седло для плоскодонного клапана было близко к отверстию, так что сопло имело дифференциальное действие. Ганс Генрих из компании Роберта Боша, Германия, получил патент США
№ 2017028 в 1935 году на популярное дроссельное штифтовое сопло.
(https://i.ibb.co/z3jRmc9/1-11.png) (https://ibb.co/z3jRmc9)
Рис.11. Внутренне открывающийся штифтовой клапан форсунки.
(по британскому патенту Петра Боумена № 146 от 1910 г.)
Аккумуляторные системы
В 1926 году американцу Гаю Беллу был выдан патент № 1585277 на аккумуляторную форсунку, которая впрыскивала в конце хода насоса, а не во время него. Как показано на Рис. 12 , топливо из насоса подавалось в пространство над клапаном A и через проходы и обратный клапан B в аккумулятор C, сообщающийся с камерой D вокруг клапана.
Во время подачи топлива насосом клапан форсунки оставался на месте, потому что давление поступающего топлива действовало на верхнюю часть
клапана. Когда насос, в конце своего эффективного хода, создавал высокое давление, давление топлива над клапаном падало, и давление топлива, хранящегося в аккумуляторе и вокруг клапана, затем действовало на дифференциальную область клапана, чтобы поднять его против пружины. Затем хранящееся топливо выбрасывалось через отверстие форсунки, пока его давление не упадало до давления закрытия клапана форсунки.
(https://i.ibb.co/Qvv2cn8T/1-12.png) (https://ibb.co/Qvv2cn8T)
Рис. 12. Насадка аккумулятора (патент США № 1,585,277 от 1926 г., автор А. Белл).
Патент США № 1701089 был выдан в 1929 году Эдварду фон Салису из Швейцарии на форсунку с пружинным аккумуляторным плунжером, также другие модификации были сделаны позже Робертом Брёге в 1931 году и Густавом Эйхельбергом в 1939 году.
НАСОС-ФОРСУНКИ
С самых первых дней существования дизельного двигателя возникали проблемы с топливными трубками, соединяющиими насос и форсунки.
Одним из решений было устранение трубок путем объединения насоса с форсунками. Самая ранняя форма этой компоновки показана на рис. 13, воспроизведенном из немецкого патента № 175932, выданного Карлу Вайдману в 1905 году на систему впрыска с помощью воздуха.
(https://i.ibb.co/JWn2JqYx/1-13.png) (https://ibb.co/JWn2JqYx)
Рис. 13. Ранний инжектор. (По немецкому патенту Cnrl Weidmstn's No.175,932 от 1905 г.)
В процессе работы количество топлива, подаваемое плунжером A и контролируемое периодом открытия всасывающего клапана B, проходило через обратный клапан C в кольцевое пространство распылителя D. Там оно смешивалось с воздухом для впрыска перед выбросом через отверстие форсунки.
В 1911 году британский патент № 1517 был выдан Фредерику Ламплоу на
инжектор, напоминающий те, что используются сегодня. Как показано на рис. 14, он имел простую конструкцию. Топливо входило через верхнюю часть и проходило через подпружиненный шаровой клапан A и порты B в пространство над плунжером C на такте всасывания. Когда плунжер совершал нагнетание, дифференциальный клапан D поднимался под давлением топлива, и топливо выпускалось через сопло форсунки.
(https://i.ibb.co/MyW4gKHN/1-14.png) (https://ibb.co/MyW4gKHN)
Рис.14. Насос-форсунка с дифференциальным клапаном форсунки.
(После британского патента Фредерика Ламплоу № 1517
Количество топлива контролировалось путем изменения хода с помощью скользящего конического кулачка. Коммерческое применение насос-форсунок в Соединенных Штатах началось в 1931 г. на двигателях Winton с конструкцией К. Д. Солсбери. В 1934 г. Артур Филден получил патент США № 1981913 на конструкцию насос-форсунки, принятую для двухтактного дизельного двигателя General Motors.
КОММЕРЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВПРЫСКА
С первого успешного дизельного двигателя до 1926 года каждый производитель двигателей проектировал и создавал свое собственное оборудование для впрыска. Поскольку эти производители двигателей не привыкли изготавливать мелкие, точные детали, требующие жестких допусков, то на крупных двигателях того времени повсеместно применялся довольно грубый впрыск с помощью воздуха или системы впрыска топлива Common Rail. Малые двигатели, особенно автомобильного типа, не были особенно успешными, в первую очередь из-за отсутствия подходящего оборудования для впрыска топлива.
В декабре 1922 года компания Robert Bosch из Штутгарта, Германия, решила
изготовить оборудование для впрыска топлива, и после года разработки популярный насос с дозированием винтовой кромкой, был представлен в 1927 году как в одноплунжерном, так и в многоплунжерном типах. На него в 1931 году Оттмару Бауэру был выдан патент США № 1831649. Примерно в то же время были представлены прецизионные форсуночные узлы штифтового и дырочного типа, а впоследствии на рынок поступили и другие элементы, такие как насосы подачи, регуляторы и фильтры.
В относительно короткое время другие компании начали производить стандартизированные типы оборудования для впрыска топлива для всех
типов двигателей, и прогресс в разработке дизельных двигателей пошел в гору.