УСТРОЙСТВО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО И ОСНОВНОГО ВПРЫСКА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ Российский патент 1994 года по МПК F02M45/00 

Изобретение относится к устройству впрыска топлива двигателей внутреннего сгорания с самовоспламенением.

Цель изобретения - повышение надежности устройства в работе путем компенсации отрицательных воздействий на процесс впрыска.

На фиг. 1 привдеена схема устрйоства впрыска с насосом и форсункой; на фиг. 2 - продольный разрез форсунки; на фиг. 3 - диаграмма давление-усилие традиционной впрыскивающей форсунки; на фиг. 4 - диаграмма давление-усилие предложенной впрыскивающей форсунки.

Топливовпрыскивающий насос 1 с помощью первого и второго топливоподающих трубопроводов 3 и 4 соединен с впрыскивающей форсункой 2, причем оба топливоподающих трубопровода 3, 4 непосредственно ответвляются от первого распределительного элемента 5, соединенного с штуцером давления 6 впрыскивающего насоса 1. При этом первый топливоподающий трубопровод 3 выбран короче, чем второй топливоподающий трубопровод 4, на разницу времени прохождения Δ t исходящей от рядового впрыскивающего насоса 1 волны давления. Топливоподающие трубопроводы 3, 4 вниз по потоку сводятся вместе во втором распределительном элементе 7, причем в первый топливоподающий трубопровод 3 встроен первый обратный клапан 8 и во второй топливоподающий трубопровод 4 встроен второй обратный клапан 9.

Обратные клапаны 8 и 9 нагружены пружиной и блокируют топливоподающие трубопроводы 3 и 4 против обратного потока.

В обеих точках ответвления обоих параллельно включенных топливоподающих трубопроводов находятся еще два электрически включаемых байпасных клапана 10 и 11, причем первый байпасный клапан 10 соединен непосредственно с первым распределительным элементом 5, а второй байпасный клапан 11 - с вторым распределительным элементом 7. Перед байпасными клапанами 10 и 11 включены первый и второй клапаны регулирования давления 10а и 10в, которые, являясь предварительно нагруженными пружинами, могут поддерживать в трубопроводах 3 и 4 заданное давление. Распылительная форсунка 2 также присоединена к второму распределительному элементу.

Байпасные клапаны 10 и 11 могут управляться электрическим через первый и второй соленоиды 12 и 13. Для включения в работу соленоидов 12 и 13 и взаимодействующих с ними байпасных клапанов 10 и 11 предусмотрены первый и второй выключатели 14 и 15.

Впрыскивающая форсунка 2 отличается (см. фиг. 2) от традиционной конструкции впрыскивающей форсунки. Совпадая с традиционными основными компонентами впрыскивающих форсунок, она также состоит из корпуса форсунки 16 и корпуса распылителя 17, соединенных с помощью накидной гайки 18. В корпусе распылителя 17 перемещается в осевом направлении игла форсунки 19, удерживаемая закрывающей пружиной 20 в положении закрытия. Игла форсунки 19 входит в подыгольную полость 21 и в качестве дифференциального поршня снабжена коническим буртиком 22. Конический буртик 22 представляет собой переход к большему диаметру d₂. На верхнем конце иглы форсунки 19 она выполнена в виде поршня 23 диаметром d₃. Седло иглы форсунки 24 на противолежащем конце имеет диаметр d₁. Для соотношений диаметров является действительным то, что
d²₃ < d₂²-d₁².

Подача топлива осуществляется через штуцер 25 и надыгольную полость 26, являющуюся одновременно цилиндром поршня 23. От надыгольной полости 26 ответвляется канал 27, входящий в подыгольную полость 21.

Когда поршень соответствующего насосного элемента насоса 1 начинает подавать топливо, оба байпасных клапана 10 и 11 находятся вначале в открытом положении. В связи с тем, что от предшествующего цикла в обоих трубопроводах 3 и 4 еще имеется давление, которое создается обоими клапанами регулирования давления 10а и 10в во время фазы открытия байпасных клапанов 10 и 11 в период окончания подачи топлива, вновь запускаемый процесс подачи топлива приводит прежде всего к выдвиганию в зоне первого клапана регулирования давления 10а, к которому с временной задержкой (согласно времени прохождения со скоростью звука импульса давления) примыкает открытие второго клапана регулирования давления 10 с тем же воздействием. При этом топливо, давление в котором снижено до атмосферного, вновь направляется обратно в бак.

Вследствие электрического возбуждения соленоидов 12 и 13 с помощью электронных выключателей 14 и 15 за счет вызванного этим почти свободного от запаздывания закрытия байпасных клапанов 10 и 11 вводится повышение давления в трубопроводах 3 и 4 (за пределы имеющегося стационарного давления) с целью подготовки предварительного впрыска. Когда повышение давления в конце первого топливоподающего трубопрвоода 3 достигает величины, превышающей величину давления открытия форсунки 2, вместе с процессом подъема форсунки 19 (см. фиг. 2) начинается впрыск топлива в камеру сгорания поршня. В связи с тем, что скорость повышения давления, а также величина повышения давления в зоне впрыскивающей форсунки определяется суммирующим действием двух, накладывающихся друг на друга волн избыточного давления из которых одна подходит вниз по потоку к корпусу форсунки 16 (см. фиг. 2) и другая вследствие жесткого по звука отражения на закрытом до этого седле иглы форсунки стремится вверх по потоку, возможна объемная выдача через процесс впрыска в камеру сгорания, которая как раз может покрывать потребность в топливе процесса предварительного впрыска (конец которого определяется открытием байпасного клапана 11 вследствие электрического соленоида 13), но после этого приводит к нежелательному падению давления.

Указанное падение давления, возникающее преимущественно при низких числах оборотов двигателя, объясняется, во-первых, низкой скоростью вытеснения поршня насосного элемента, но не в последнюю очередь также описанным эффектом повышения давления как следствие наложения двух противоположных волн давления. Следствием повышения давления является порядок величины потребления объемного потока во время фазы предварительного впрыска, который в зависимости от условий в насосном элементе (например, предварительный ход и форма кулачка) вполне может быть больше, чем порядок величины объемного потока топлива, подаваемого вытеснительным поршнем насосного элемента в тот же момент времени, что и в первый топливоподающий трубопровод 3. Если теперь давление топлива в держателе форсунки вследствие окончания наложения волн давления (подходящая вверх по потоку и первому топливоподающему трубопроводу 3 к впрыскивающему насосу отраженная волна давления тем временем прошла конец со стороны держателя форсунки), а также вследствие сравнительно большого отбора объема падает ниже уровня давления открытия впрыскивающей форсунки 2, то вводится процесс закрытия распылительной форсунки.

На практике вследствие длины первого топливоподающего трубопровода 3 проходит слишком много времени до тех пор, пока повышающееся давление на форсунке достигает (необходимого) уровня для того, чтобы с помощью повторного закрытия (через управляющее воздействие) байпасного клапана 11 можно было вновь ввести начало основного впрыска через соответствующий временной интервал. Это можно объяснить временем прохождения со скоростью звука вниз по потоку имеющегося давления, не затронутого отбором объема, в верхней части первого топливоподающего трубопровода 3.

Второй топливоподающий трубопровод 4 включается параллельно первому топливоподающему трубопроводу 3. Разница в длине выбирается так, чтобы на основе различных времен прохождения волн давления выполнялось требуемое временное запаздывание между предварительным и основным впрыском.

Для того, чтобы предотвратить то, что входящая со смещением по времени на конце второго топливоподающего трубопровода 4 волна давления будет подавать топливо в обедненный давлением, обращенный к корпусу форсунки 16 конец первого топливоподающего трубопровода 3, этот трубопровод снабжен первым обратным клапаном 8. Так же должно исключаться проникновение ранее входящей в первый топливоподающий трубопровод 3 волны давления во второй топливоподающий трубопровод 4, что также вляется реализуемым с помощью предусмотренного на его конце со стороны держателя форсунки второго обратного клапана 9.

Во время фазы выдвигания (клапаны регулирования давления 10а и 10в открыты) давление топлива может понижаться до стационарного - отрегулированного одинаковым по величине с помощью предварительно напряженных пружин, имеющегося во впрыскивающей форсунке, когда вытеснительный поршень насосного элемента не находится в состоянии подачи.

Введение высокого стационарного давления служит для того, чтобы подводить такие составляющие вытеснительного движения топливоподачи поршня насосного элемента для производства впрыскиваемого форсункой топлива, которые во время повышения давления в трубопроводе до сих пор служили исключительно для создания необходимого для этого "сжатого объема". Такие "потери подачи" могут допускаться во время фазы повышения давления для подготовки предварительного впрыска, а во время исключительно быстро производимого повышения давления в промежуток времени между законченным предварительным впрыском (с примыкающим сюда падением давления) и начинающимся основным впрыском они означают неприемлемый дефицит объема в ущерб необходимого количества впрыска. Высокий уровень стационарного давления в соответствии с этим означает, в частности при пониженных числах оборотов двигателей, быстрое регенерирование давления после произведенного предварительного впрыска.

Необходимо предусматривать стационарное давление в топливоподающих трубопроводах насталько высоким, насколько это возможно. Этому препятствует сравнительно малое давление открытия традиционных впрыскивающих форсунок. Проектирование этого давления большим наталкивается на трудности. На диаграмме (см. фиг. 3) показано отношение между усилием на стержне иглы форсунки (ордината) и давлением в держателе форсунки (абсцисса). Изображенная прямая между точками О и В показывает изменение обусловленного давлением усилия на корпусе иглы форсунки. В точке В вследствие давления открытия Р создается усилие величиной F₂, равное направленному противоположно усилию пружины, прижимающей иглу форсунки к ее уплотнительному седлу. При незначительном повышении давления в трубопроводе за пределы Р_ö игла форсунки поднимается, что вызывает известное увеличение поверхности воздействия давления на игле форсунки, которое при одинаковом давлении приводит к скачкообразному увеличению усилия иглы форсунки (прямая между В и С) в направлении дальнейшего открытия до достижения упора иглы форсунки. Если давление в трубопроводе уменьшается до давления закрытия Рs, то усилие иглы форсунки изменяется согласно участку прямой С-D для того, чтобы, начиная с точки D, быть менее величины усилия пружины F₂. Это означает обратное опускание иглы форсунки в ее седло, следствием чего одновременно является уменьшение гидравличекой эффективной поверхности на игле форсунки (прямая DЕ).

При этом энергия столкновения, получающаяся в виде работы по упругому изменению формы в седле иглы форсунки, определяется как усилием пружины F₂, так и скоростью уменьшения давления в трубопроводе. Однако, если падение давления в трубопроводе происходит в более короткое время, чем то время, которое требуется игле форсунки для прохождения участка путем между ограничивающим открытие упором и уплотнительным седлом, что иногда имеет место, то упомянутая работа по изменению формы определяется исключительно усилием пружины F₂ и пройденным путем иглы форсунки. В связи с тем, что в отношении современных систем впрыска, которые уже имеют высокую сокрость посадки иглы форсунки, выдвигаются возражения против дальнейшего повышения усилия закрытия F₂ пружины из-за опасности превышения допустимого контактного давления в уплотнительном седле впрыскивающего клапана, был проведен поиск системы, образующей усилие закрытия, которая отличалась бы меньшими энергиями соударения при закрытии клапана.

Принцип действия впрыскивающей форсунки в соответствии с фиг. 2 заключается в следующем.

Находящееся под высоким давлением топливо через соединенный с корпусом форсунки 16 штуцер 25 через канал 27 и дополнительный канал 27а поступает в подыгольную полость 21. Там давление топлива воздействует на конический буртик 22 в виде поверхности круглого кольца в соответствии с разностью диаметров, образованной из d₂ (диаметр стержня иглы форсунки) и d₁ (диаметр уплотнительного седла). Следующую гидравлическую поверхность воздействия для давления в трубопроводе представляет собой торцевая поверхность поршня 23, обращенная к штуцеру 25 (поверхность круга диаметром d₃).

Как положение, так и перемещение иглы форсунки 19 определяются в целом тремя непосредственно воздействующими на иглу форсунки усилиями. Во-первых, речь идет о действующей в направлении закрытия паре сил, создаваемой закрывающей пружиной 20 и поршнем 23, тогда как действующая противоположно (следовательно в направлении открытия) третья компонента усилия воздействует на конический буртик 22 иглы форсунки 19 (находясь в подыгольной полости 21).

Эту последовательность можно пояснить с помощью диаграммы (см. фиг. 4). При увеличении давления в трубопроводе усилие, действующее в направлении открытия на стержень иглы форсунки 19 и получающееся в соответствии с произведением давления в трубопроводе и поверхностью гидравлического воздействия (поперечное сечение круглого кольца в соответствии с разностью диаметров d₂-d₁), изменяется по прямой между точками О и В. На том же временном участке усилие закрытия, представляемое суммой усилия F₁ закрывающей пружины 20 плюс гидравлическое дополнительное усилие (произведение давления в трубопроводе и круглого поперечного сечения d₃, поршень 23, фиг. 2), повышается до величины, равной по модулю с усилием открытия иглы форсунки в точке В. В, следовательно, является точкой пересечения между прямыми усилий закрытия и открытия и определяет с помощью изменения знака суммарной силы, воздействующей на иглу форсунки, давление открытия и тем самым величину "усилия подъема" иглы форсунки, которой придано давление открытия согласно соотношению
P_ö = .

Если давление в трубопроводе превышает давление открытия P_ö , то резко повышается усилие открытия вследствие увеличения эффективной поверхности иглы форсунки до величины в соответствии с диаметром d₂. Следствием является ускорение иглы форсунки (открытие) до упора буртика иглы форсунки в промежуточный элемент (участок прямой В-С). После произведенного впрыска топлива в камеру сгорания и устанавливающего вследствие этого падения давления в трубопроводе усилие открытия на игле форсунки уменьшается по закону в соответствии с участком прямой между точками С и D. Точка D вновь означает точку пересечения между линиями изменения усилий закрытия и открытия и тем самым определяет в этот раз так называемое давление закрытия
₌
Незначительный переход в сторону уменьшения ниже давления закрытия вызывает процесс закрытия иглы форсунки, после ее посадки происходит скачкообразное частичное падение усилия открытия согласно участку прямой D-Е вследствие уменьшения поверхности гидравлического воздействия
от F₁= Π до F₂= (d22

-d21)
На диаграмме можно отчетливо видеть, что при требуемом одинаковом по величине давлении открытия система, в которой усилие закрытия пружины поддерживается гидравлическим вспомогательным усилием (произведенным с помощью давления в трубопроводе), позволяет назначить почти произвольно слабые характеристики пружины закрытия за счет выбора надлежащего сочетания всех участвующих гидравлических эффективных поверхностей, следовательно совершенно противоположно по отношению к той системе, в которой усилие закрытия определяется исключительно назначением величины усилия закрытия пружины.

Следовательно, при требовании более высокого давления открытия (например, при введении сравнительно высокого, требуемого в другом месте стационарного давления) введение управляемой давлением в трубопроводе компоненты усилия ни в коем случае не должно иметь своим следствием принудительное усиление пружины закрытия. Этот метод повышения давления срабатывания ведет к более благоприятным спектрам величин капелек при распылении топлива, что является вкладом в улучшение подготовки смеси с целью уменьшения черного дыма, а также улучшения холодного запуска.

Использование: устройства впрыска для двигателей внутреннего сгорания с самовоспламенением. Сущность изобретения: устройство предварительного и основного впрыска топлива содержит топливовпрыскивающий насос, форсунку, первый топливоподающий трубопровод с подпружиненным обратным клапаном, второй топливоподающий трубопровод с подпружиненным обратным клапаном. Первое распределительное устройство установлено на выходе насоса и соединено с первым и вторым топливоподающими трубопроводами, а также с первым байпасным клапаном. Второе распределительное устройство сообщено с входом форсунки, первым и вторым топливоподающими трубопроводами и вторым байпасным клапаном. За счет равной длины топливоподающих трубопроводов обеспечивается предварительный и основной впрыск топлива в двигатель. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. УСТРОЙСТВО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО И ОСНОВНОГО ВПРЫСКА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ, содержащее топливовпрыскивающий насос, форсунки, превый топливоподающий трубопровод с подпружиненным обратным клапаном, соединяющий вход форсунки с выходом топливовпрыскивающего насоса, второй топливоподающий трубопровод, соединяющий вход форсунки с выходом топливного насоса, причем длина второго топливоподающего трубопровода больше длины первого топливоподающего трубопровода, а обратный клапан установлен на входе в форсунку, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности работы путем компенсации отрицательных воздействий на процесс впрыска, устройство снабжено первым распределительным устройством, установленным на выходе топливовпрыскивающего насоса, и соединенным с первым и вторым топливоподающими трубопроводами, первым байпасным клапаном с электрическим приводом, соединенным с выходом топливного насоса через первое распределительное устройство, вторым распределительным устройством, соединенным с входом форсунки и с первым и вторым топливоподающими трубопроводами, вторым байпасным клапаном, сообщенным с входом форсунки через второй распределительный элемент, вторым подпружиненным обратным клапаном, установленным во втором распределительном элементе и сообщенным с вторым топливоподающим трубопроводом. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что форсунка выполнена в виде корпуса с надыгольной полостью и каналом подачи топлива, сообщенным с надыгольной полостью через дополнительный канал, корпуса распылителя с подыгольной полостью и каналом подачи топлива, сообщенного с подыгольной полостью, подпружиненной иглы форсунки с поршнем и дифференциальным выступом с коническим буртиком, причем поршень иглы форсунки установлен в надыгольной полости, а конический буртик дифференциального выступа - в подыгольной полости. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено клапанами регулирования давления, установленными последовательно с байпасными клапанами. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено электрическими выключателями, соединенными с электрическими приводами байпасных клапанов, а электрические приводы выполнены в виде возбуждаемых соленоидов.