МУФТА ИЗМЕНЕНИЯ УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ НАЧАЛА ПОДАЧИ ТОПЛИВА Российский патент 1998 года по МПК F02M59/00 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к устройствам для изменения угла опережения начала подачи топлива (МИУОНПТ) в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, а также к устройствам регулирования топливовпрыскивающей аппаратуры дизеля.

Известная муфта опережения подачи топлива (МОПТ), автоматическая, непрямого действия, с гидроусилителем следящего типа, связанного с системой смазки изделия и управляемыми центробежными чувствительными элементами, предназначенная для передачи крутящего момента валу топливного насоса и изменения угла начала подачи топлива в зависимости от скоростного режима работы двигателя [1]. Муфта представляет собой узел, состоящий из гидроцилиндра, в котором смонтирован центробежный измеритель частоты вращения, и гидроусилитель следящего типа, состоящий из гидропоршня, возвратной пружины, золотника и пружин. Указанная МОПТ повышает экономичность изделия в условиях эксплуатации, а также позволяет более полно использовать изделие по мощности при сравнительно равной силовой и тепловой его напряженности для всех значений рабочих частот вращения коленчатого вала.

Однако муфта имеет следующие принципиальные недостатки:
- недостаточная точность, так как изменение угла опережения начала подачи топлива осуществляется только в зависимости от частоты вращения;
- затруднен доступ к регулировочной оси, что создает неудобства при настройке муфты.

Известная муфта изменения угла опережения начала подачи топлива, содержащая гидроцилиндр с перегородкой, по одну сторону которой размещен полый поршень, связанный с хвостовиком кулачкового вала топливного насоса и с шестерней гидроцилиндра, связанной с передачей двигателя. Для повышения точности путем регулирования углов опережения начала подачи топлива по двум параметрам муфта снабжена подпружиненной мембраной с жестким центром, закрепленной по периферии между гидроцилиндром и его крышкой и связанной своим жестким центром с регулировочной осью [2]. Гидроцилиндр разделен перегородкой. Полость, образования мембраной и перегородкой, сообщена каналами с полостью картера. Полость, образованная мембраной и крышкой гидроцилиндра, сообщена дополнительными каналами с впускным трактом дизеля.

Известно, что на любой частоте вращения для каждой из возможных нагрузок двигателя, а также в зависимости от целевой работы имеется свой оптимальный угол опережения начала подачи топлива.

Известная муфта удовлетворяет эти требования, но имеет следующие принципиальные недостатки:
- в муфте используется два рабочих тела, масло и воздух, что вызывает дополнительные трудности при эксплуатации и конструировании;
- муфта неуниверсальна, так как ее использование возможно только на наддувном варианте двигателя т.к. изменение нагрузки отслеживается с помощью изменения давления наддува;
- муфта обладает большой инерционностью на переходных режимах работы двигателя при отстаивании изменения импульса нагрузки, т.к. рабочим телом является воздух, плотность которого незначительна по сравнению с плотностью масла и, кроме того, турбокомпрессор обладает значительной инерционностью работы на переходных режимах, поэтому значение угла опережения впрыска топлива в этом случае будет отличаться от оптимального значения;
- затруднен доступ к регулировочной оси, что создает неудобства при настройке муфты;
- в особых условиях работы дизельного двигателя, когда пространство ограничено и проблема экономичности уходит на второй план, а вопрос токсичности отработанных газов становится основным, муфта не обеспечивает коррекцию угла опережения впрыска топлива в сторону уменьшения для снижения токсичности отработавших газов.

В основу изобретения положена техническая задача создать муфту изменения угла опережения начала подачи топлива, которая обеспечила бы повышение мощности и экономичности двигателя в условиях эксплуатации, а также снижение токсичности отработавших газов в особых условиях эксплуатации путем изменения угла опережения начала подачи топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя, а также в зависимости от необходимости уменьшения токсичности отработавших газов.

Другой технической задачей являлось создание муфты изменения угла опережения начала подачи топлива, которая обеспечивала бы автоматический переход от режима работы дизеля, обеспечивающего снижение токсичности отработавших газов, к режиму работы, обеспечивающему наилучшую экономичность дизеля.

Указанная задача достигается тем, что муфта изменения угла опережения начала подачи топлива, содержащая гидроцилиндр с перегородкой, по одну сторону которой размещен полый поршень, связанный косыми шлицами с хвостовиком кулачкового вала топливного насоса и косыми шлицами с шестерней, выполненной за одно целое с гидроцилиндром и связанной с передачей двигателя, и регулировочный шток, согласно изобретению дополнительно снабжена подпружиненным поршнем, выполненным как одно целое с регулировочным штоком и размещенным в гидроцилиндре по другую сторону вышеупомянутой перегородки, а полость, образованная подпружиненным поршнем и крышкой, и полость, образованная подпружиненным поршнем и перегородкой, сообщены соответственно дополнительными каналами с системой смазки двигателя, при этом в дополнительный канал, сообщающий полость, образованную подпружиненным поршнем и крышкой, с системой смазки двигателя, встроен датчик нагрузки, а в дополнительный канал, сообщающий полость, образованную подпружиненным поршнем и перегородкой, с системой смазки двигателя, встроен электромагнитный клапан, причем в электрическую цепь электромагнитного клапана включены основной выключатель и кнопочный выключатель, имеющий кинематическую связь со штоком механизма переключения передач автомобиля.

Введение дополнительно подпружиненного поршня, датчика нагрузки и электромагнитного клапана, а также основного и кнопочного выключателей позволяет применять одно рабочее тело, изменять угол опережения начала подачи топлива в зависимости от режима работы дизеля, уменьшать содержание окислов азота в отработавших газах в особых условиях эксплуатации, а также автоматически переходить на режим работы, обеспечивающий наилучшую экономичность дизеля.

На фиг. 1 дан продольный разрез муфты; на фиг. 2 - функциональная схема муфты.

Муфта изменения угла опережения начала подачи содержит гидроцилиндр 1 с перегородкой 2, по одну сторону которой размещен полый поршень 3, связанный с косыми шлицами 4 с хвостовиком 5 кулачкового вала топливного насоса и косыми шлицами 6 с шестерней 7, выполненной за одно целое с гидроцилиндром и связанной с передачей двигателя. В поршне 3 на осях 8 размещены центробежные грузы 9, золотник 10 с внутренней полостью и днищем 11, регулировочный шток 12 размещен во внутренней полости золотника 10 соосно с ним, а между упором 13 и днищем 11 золотника, установленного с возможностью взаимодействия с лапками центробежных грузов 9 установлена возвратная пружина 14 золотника. Упор 13 выполнен в виде гайки и навернут на резьбовой участок регулировочного штока 12, т.е. регулировочный шток и упор выполнены в виде пары винт-гайка. Упор 13 выполнен совместно с буртом, на наружной поверхности которого выполнены выступы 15. Регулировочный шток 12 установлен с возможностью вращения его относительно гидроцилиндра 1, а следовательно, и поршня 3. Выступы 15 бурта упора 13 размещены в продольных пазах 16 крышки 17 поршня 3.

Пазы 16 выполнены в корпусе крышки 17, размещенном во внутренней полости золотника 10. При вращении регулировочного штока 12 упор 13, связанный своими выступами 15 с пазами 16 корпуса крышки 17, перемещается в осевом направлении, меняя тем самым величину предварительного поджатия пружины 14 золотника 10. Гидроцилиндр 1 с перегородкой 2 и поршень 3 с крышкой 17 образуют замкнутую напорную полость 18. В крышке 17 выполнено дренажное отверстие 19. В гидроцилиндре 1 размещена втулка 20, зафиксированная в осевом направлении относительно гидроцилиндра стопорным кольцом. Между втулкой 20 и торцом поршня 3 размещена возвратная пружина 21 поршня. Гидроцилиндр 1 размещен в расточке картера 22, в котором выполнен подвод масла под давлением p_м от системы смазки двигателя, постоянно сообщающийся с наружной кольцевой канавкой 23 гидроцилиндра 1, связанной через радиальные отверстия с полостью размещения возвратной пружины 21 поршня 3. Данная полость через каналы 24 поршня 3 постоянно связана с его внутренней кольцевой канавкой 25.

В золотнике 10 выполнена наружная кольцевая канавка 26 и радиальные отверстия, связывающие данную канавку с внутренней полостью золотника. В поршне 3 выполнены каналы 27, связывающие кольцевую канавку 26 золотника с напорной полостью 18. Таким образом, напорная полость 18 сообщается с системой смазки двигателя через золотник 10. По другую сторону перегородки 2 гидроцилиндра 1 размещена цилиндрическая полость, выполненная заодно с гидроцилиндром 1. В полости размещен поршень 28 с резиновым уплотнительным кольцом. Поршень 28 выполнен как одно целое с регулировочным штоком 12 и нагружен возвратной пружиной 29, установленной между перегородкой 2 и поршнем 28 соосно регулировочному штоку. Полость А, образованная поршнем 28 и крышкой 36, сообщается каналом 32 с датчиком нагрузки. В результате обеспечивается подвод под давлением P_м в полость. Полость Б, образованная поршнем 28 и перегородкой 2, сообщается системой каналов 34, выполненных в регулировочном штоке, через канал 33, выполненный в крышке 36, с трубопроводом, соединенным с электромагнитным клапаном, который обеспечивает подвод масла под давлением p_м в данную полость. Полости А и Б через дренажные отверстия 30, 31 постоянно сообщаются с внутренней полостью картера двигателя, что обеспечивает слив масла из полостей. В крышке 36 установлены фторопластовые уплотнители 37, 38, кроме того в крышке 36 установлена коническая пробка 35, закрывающая отверстие для регулировки муфты.

Муфта работает следующим образом.

В режиме "экономичность" кнопка основного выключателя 4 (фиг. 2) находится в отжатом положении. В этом случае все электрические цепи системы муфты обеспечены.

При работе двигателя крутящий момент передается от шестерни 7, выполненной за одно целое с гидроцилиндром 1, через поршень 3 хвостовика 5 кулачкового вала топливного насоса. В зависимости от частоты вращения двигателя изменение угла опережения начала подачи топлива происходит следующим образом. При пусковых частотах вращения усилий от центробежных сил грузов 9 еще недостаточно для преодоления усилия предварительно поджатой возвратной пружины 14, и золотник 10, а также поршень 3 находятся в исходном, крайнем правом, положении. При этом угол опережения начала подачи топлива остается неизменным. При возрастании частоты вращения центробежные силы грузов 9 возрастают и, преодолев усилие возвратной пружины 14, перемещают золотник 10 влево вплоть до уравновешивания усилия пружины 14. При этом кольцевая канавка 26 золотника 10 совмещается с кольцевой канавкой 25 поршня 3, пропуская масло под давлением P_м из полости В в напорную полость 18.

В результате поршень 3, преодолевая усилие предварительно поджатой возвратной пружины 21 и осевой силы в косозубом шлицевом соединении поршня с хвостовиком 5 кулачкового вала топливного насоса, перемещается вслед за золотником 10 до момента, пока его кольцевая канавка 25 совмещается с кольцевой канавкой 26 золотника. При отсутствии совмещения кольцевых канавок 25 и 26 поступление масла в напорную полость 18 прекращается. В результате постоянного слива масла по дренажному отверстию 19 поршня 3 давление масла в напорной полости 18 снижается и поршень останавливается. При перемещении поршня 3 влево поворачивается кулачковый вал топливного насоса, увеличивая при этом угол опережения начала подачи топлива. Грузы 9, перемещаясь вместе с поршнем 3 влево, упираются своими лапками в днище 11 золотника 10 и, вследствие равенства центробежных сил грузов и усилия возвратной пружины 14 золотника, поворачиваются на осях 8, возвращаясь в исходное положение. При дальнейшем повышении частоты вращения процесс повторяется. При снижении частоты вращения уменьшаются центробежные силы грузов 9, и под действием усилия возвратной пружины 14 золотник 10 поджат своим днищем 11 к лапкам грузов. При этом прерывается подача масла под давлением P_м в напорную полость 18.

В результате постоянного слива масла по дренажному отверстию 19 поршня 3 давление масла в напорной полости 18 подает, и под действием возвратной пружины 21 и осевой силы в косозубом зацеплении поршня с хвостовиком 5 кулачкового вала поршень 3 перемещается вправо, уменьшая при этом угол опережения начала подачи топлива.

Корректировка величины угла опережения начала подачи топлива в зависимости от нагрузки двигателя происходит следующим образом. При возрастании нагрузки двигателя повышается и величина цикловой подачи топлива. Увеличение нагрузки отслеживается датчиком нагрузки 3 (фиг. 2), который представляет собой золотниковое устройство, состоящее из винтовой пары винт-гайка. При перемещении рейки топливного насоса на увеличение цикловой подачи топлива гайка-золотник, находящаяся в зацеплении с рейкой, перемещается вниз, соединяя кольцевые проточки в корпусе датчика нагрузки. Масло из системы смазки двигателя подвигается по трубопроводу через канал 3 в напорную полость А. Под действием давления масла P_м поршень 28 вместе с регулировочным штоком 12, преодолевая усилие возвратной пружины 29, перемещается влево. При этом жесткость возвратной пружины 29 значительно выше жесткости возвратной пружины 14 золотника 10. При перемещении поршня 28, а следовательно, и регулировочного штока 12 вместе с упором 13 влево уменьшается усилие от возвратной пружины 14 на днище 11 золотника 10. В результате обеспечивается превосходство усилий центробежных сил грузов 9 над усилием возвратной пружины 14, и золотник 10 также перемещается влево, обеспечивая при этом совмещение кольцевых канавок 25 и 26. При этом масло поступает под давлением P_м в напорную полость 18. В результате обеспечивается дополнительное увеличение угла опережения начала подачи топлива, как и в случае возрастания частоты вращения.

При снижении нагрузки двигателя, а следовательно, и величины цикловой подачи топлива, при перемещении рейки топливного насоса гайка-золотник перемещается, разъединяя кольцевые проточки в корпусе датчика нагрузки. Подача масла из системы смазки двигателя в полость А прекращается. В результате постоянного слива масла по дренажному отверстию 30 давление в полости А падает, и поршень 28 вместе с регулировочным штоком 12 под воздействием усилия возвратной пружины 29 перемещается вправо. Вместе с регулировочным штоком 12 перемещается вправо и упор 13, дополнительно увеличивая при этом усилие возвратной пружины 14 на днище 11 золотника 10. В результате обеспечивается превосходство усилия возвратной пружины 14 над центробежными силами грузов 9, и золотник 10 поджимается до упора к лапкам центробежных грузов, исключая тем самым совмещение кольцевых канавок 25 и 28, а следовательно, и поступление масла под давлением P_м в напорную полость 18. В результате обеспечивается уменьшение угла опережения начала подачи топлива, как и в случае снижения частоты вращения.

В режиме "токсичность" кнопка основного выключателя 4 (фиг. 2) находится в утопленном положении. При этом электромагнитный клапан 2 (фиг. 2) включается и масло из системы смазки двигателя под давлением P_м по трубопроводу и через каналы 33, 34 подается в полость Б. Под воздействием давления масла и усилия возвратной пружины 29 поршень 28 вместе с регулировочным штоком 12 перемещается вправо. Вместе с регулировочным штоком 12 перемещается вправо и упор 13, дополнительно увеличивая при этом усилие возвратной пружины 14 на днище 11 золотника 10. В результате обеспечивается превосходство усилия возвратной пружины 14 над центробежными силами грузов 9 и золотник 10 поджимается до упора к лапкам центробежных грузов, исключая тем самым совмещение кольцевых канавок 25 и 26, а следовательно, и поступление масла под давлением P_м в напорную полость 18. В результате обеспечивается уменьшение угла опережения начала подачи топлива, как и в случае снижения частоты вращения, но в более широком диапазоне.

В системе муфты предусмотрена защита. В момент включения прямой передачи шток механизма переключения передач воздействует на кнопочный выключатель 5 (фиг. 2), установленный в крышке коробки передач. При этом срабатывает электромагнит основного выключателя 4 (фиг. 2), в результате все электрические цепи обесточиваются, электромагнитный клапан 8 закрывается, и муфта переключается в режим работы "экономичность".

Таким образом, муфта предложенной конструкции с дополнительным подпружиненным поршнем при работе дизеля обеспечивает изменение угла опережения начала подачи топлива по трем параметрам, т.е. в зависимости от частоты вращения и нагрузки, а также в зависимости от условий работы, в результате повышаются мощностные и экономические показатели дизеля и уменьшается токсичность отработавших газов в особых условиях эксплуатации.

Промышленная применимость: дизели автотракторного назначения, в которых требуется изменение угла опережения начала подачи топлива, в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя, а также в зависимости от необходимости уменьшения токсичности отработавших газов.

Муфта изменения угла опережения начала подачи топлива снабжена подпружиненным поршнем, выполненным как одно целое с регулировочным штоком и помещенным в гидроцилиндр, причем гидроцилиндр разделен перегородкой. Полость, образованная поршнем и крышкой, а также полость, образованная поршнем и перегородкой, сообщены дополнительными каналами с системой смазки двигателя, при этом в дополнительный канал, сообщающий полость, образованную подпружиненным поршнем и крышкой, с системой смазки двигателя, встроен датчик нагрузки, а в дополнительный канал, сообщающий полость, образованную подпружиненным поршнем и перегородкой с системой смазки двигателя, встроен электромагнитный клапан, причем в электрическую цепь электромагнитного клапана включены основной выключатель и кнопочный выключатель, имеющий кинематическую связь со штоком механизма переключения передач автомобиля. 2 ил.

Муфта изменения угла опережения начала подачи топлива, содержащая гидроцилиндр с перегородкой, по одну сторону которой размещен полый поршень, связанный косыми шлицами с хвостовиком кулачкового вала топливного насоса и косыми шлицами с шестерней, выполненной за одно целое с гидроцилиндром и связанной с передачей двигателя, и регулировочный шток, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена подпружиненным поршнем, выполненным как одно целое с регулировочным штоком и размещенным в гидроцилиндре по другую сторону упомянутой перегородки, а полость, образованная подпружиненным поршнем и перегородкой, сообщены соответственно дополнительными каналами с системой смазки двигателя, при этом в дополнительный канал, сообщающий полость, образованную подпружиненным поршнем и крышкой, с системой смазки двигателя, встроен датчик нагрузки, а в дополнительный канал, сообщающий полость, образованную подпружиненным поршнем и перегородкой, с системой смазки двигателя, встроен электромагнитный клапан, причем в электрическую цепь электромагнитного клапана включены основной выключатель и кнопочный выключатель, имеющий кинематическую связь со штоком механизма переключения передач автомобиля.