УСТРОЙСТВО КОМБИНИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА ДИЗЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК F02D1/04 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, преимущественно с топливными насосами высокого давления (ТНВД), в частности, для дизельных двигателей,
Экологические и технические показатели дизелей являются основными при оценке их технического уровня. В последнее время особо жесткие требования стали предъявляться к составу отработавших газов дизелей транспортных средств. К ним, в частности, относится массовый автотранспорт: работающие в условиях городской езды дизельные легковые и грузовые автомобили, магистральные грузовые автомобили, автобусы и др. В не меньшей степени эти требования касаются тепловозных и судовых дизелей.

Управление подачей топлива складывается из двух факторов: управления углом начала подачи (опережением впрыска) топлива и управления дозированием (отсечкой) топлива ТНВД. Комбинированное управление подачей топлива ТНВД является сочетанием управления началом подачи и дозированием топлива.

Дозирование топлива осуществляется регулятором частоты вращения дизеля. Улучшенное качество регулирования частоты вращения дизеля и гибкие возможности управления дозированием топлива улучшают статические и динамические показатели дизельной машины, повышают ресурс, снижают расход топлива и содержание сажи в отработавших газах на переходных режимах.

Управление началом подачи топлива обеспечивается различными техническими решениями. Одно из них - применение в дизеле автоматической муфты опережения впрыска топлива, устанавливаемой на линии между коленчатым валом дизеля и кулачковым валом ТНВД. В некоторых случаях для изменения начала подачи топлива нарезаются специальные канавки или косые кромки на торцах плунжера, разрабатываются конструкции механизмов управления высотой толкателя ТНВД и др.

Повышенная гибкость управления началом подачи топлива предоставляет возможность существенного снижения и перераспределения процентного содержания окислов углерода, углеводородов, окислов азота, твердых частиц несгоревшего топлива и др. в отработавших газах дизеля как на установившихся, так и на переменных режимах нагрузки. Кроме того управление началом подачи топлива дает возможность снижать шумность работы дизеля.

Фирмы "Р. Бош" (Германия), "Дизель-Кики", "Ниппонденсо", "Мицубиси" (Япония) активно ведут работы по созданию топливной аппаратуры нового типа, предоставляющей расширенные возможности гибкого комбинированного управления началом подачи и дозированием топлива.

В статье журнала SAE Technical Paper Series N 890851 "Fuel Injection Equipment for Heavy Duty Diesel Engines for U.S. 1991/1994 Emission Limits" приведено описание и даны характеристики новой конструкции 2-реечного ТНВД фирмы "Р. Бош" на базе 3-элементных топливоподающих узлов и двух пропорциональных электромагнитов, связанных с органами управления началом подачи и дозированием топлива.

Сигналы на электромагниты подаются от электронного блока, подключенного к датчику частоты вращения дизеля, к датчику положения топливодозирующего органа, характеризующему нагрузку дизеля, и к другим датчикам, контролирующим параметры дизеля и окружающие воздействия.

Конкретная модификация того или иного дизеля имеет собственные оптимальные законы управления подачей топлива, формирование которых заносится в память бортового компьютера дизельной машины. В статье журнала SAE Technical Paper Series N 870436 "The Nippondenso In-Line Injection Pumps with Electronic Control for the Clean Diesel Engine" на рис. 23, в качестве примера показано обеспечиваемое электронным блоком оптимальное формирование характеристик угла начала подачи топлива со сложным нелинейным законом управления в зависимости от частоты вращения и положения топливодозирующего органа ТНВД, которое характеризует нагрузку дизеля. Как следует из рисунка, для пониженной нагрузки дизеля и соответствующего положения топливодозирующего органа ТНВД, в том числе при холостом ходе дизеля, требуется увеличенный угол начала подачи топлива.

При всей очевидности перспективы перевода основной массы дизелей на применение гибких систем электронного комбинированного управления, их создание имеет ряд проблем, в том числе техническая сложность и повышенная стоимость систем. Необходим достаточно длительный период времени на разработку и подготовку производства высоконадежных и точных электроприводных исполнительных устройств, датчиков частоты вращения и положения топливодозирующего органа дизеля, микроэлектронных и коммутационных средств, способных работать на борту дизельной машины в тяжелых условиях эксплуатации, в том числе при резкой смене температур во время прогрева дизеля, повышенных уровнях вибраций, загазованности, запыленности окружающего воздуха и др. Требуется создание емкой инфраструктуры заводского и сервисного испытательного оборудования, подготовка квалифицированного персонала, организация повсеместного технического обслуживания электронных систем управления в эксплуатации и др.

Однако во многих случаях безусловное применение электронных систем управления не всегда требуется по следующим причинам.

Качество процессов смесеобразования и сгорания топлива в цилиндрах дизеля в значительной мере зависит от сочетания конструктивных параметров дизеля и совершенства процесса смесеобразования и сгорания топлива, в том числе от конструкции цилиндропоршневой группы, типа системы впрыска топлива дизеля и системы его воздухоснабжения, от качества регулирования его частоты вращения и ряда других факторов. Помимо этого дизельные машины различаются по технологическому назначению, роду выполняемых работ, границам рабочих диапазонов скоростных и нагрузочных режимов дизеля, по характеру воздействий переменных нагрузок и климатических условий эксплуатации и др.

Не в одинаковой мере для различных типов дизелей требуются особо жесткие показатели дымности и токсичности отработавших газов, которые, например, требуется обеспечивать в дизельных автомобилях и автобусах.

Поскольку критерии оптимальности управления для различных модификаций дизелей, отличающихся по назначению, мощности, характеру воздействий и условиям эксплуатации, могут быть различными, для ряда случаев было бы достаточным формировать закон управления подачей топлива с его приближением к оптимальному.

Поэтому, на первых этапах подготовки к промышленной реализации электронных устройств комбинированного управления подачей топлива, следует считать допустимым применение в дизелях более простых неэлектронных устройств, обладающих в то же время повышенной гибкостью управления по сравнению с другими известными неэлектронными устройствами.

Настоящее изобретение ставит задачу создания такого неэлектронного устройства комбинированного управления подачей топлива дизеля, которое могло бы обеспечить близкий к оптимальному закон формирования характеристик начала подачи топлива в зависимости от частоты вращения и положения топливодозирующего органа ТНВД. Одновременно поставлена задача обеспечения комбинированного управления подачей топлива на пусковом режиме дизеля.

Известны устройства комбинированного управления дозированием и началом подачи топлива. Наиболее близким по своему техническому решению является "Система регулирования топливоподачи транспортного дизеля" (авт. Леонов В.И. и др. ) - патент РФ N 2037061 МПК F 02 D 1/00, 1995 г., которое выбрано в качестве прототипа.

Прототип устройства комбинированного управления подачей топлива содержит топливный насос высокого давления с органами управления дозированием и началом подачи топлива, регулятор частоты вращения дизеля с чувствительным элементом, подвижную муфту, рычаг регулятора частоты вращения, соединенный с главной пружиной регулятора, и дополнительный рычаг, причем орган управления началом подачи топлива через дополнительный рычаг кинематически связан с подвижной муфтой регулятора.

В прототипе показан топливоподающий узел с косой кромкой на торце плунжера, у которого дозирование подачи топлива жестко зависит от изменения начала подачи топлива и наоборот, что существенно снижает возможности комбинированного управления дозированием и началом подачи топлива. Это обусловлено взаимным расположением нарезанных на плунжере косых отсечных кромок дозирования и начала подачи топлива. Вследствие этого для повышения гибкости управления подачей топлива требуется более сложная конструкция регулятора.

Поэтому заявляемое устройство наиболее целесообразно реализовывать в составе нового типа ТНВД с 3-элементными топливоподающими узлами и двумя органами управления началом подачи и дозированием топлива, описанными в изобретении по заявке N 93057076/06 (056728) от 22.12.93 г. "Топливоподающий узел высокого давления", авторы А.В. Козлов и В.И. Маракин (патент RU N 2097597 С1 6 F 02 М 59/44 от 22.12.93 г.). Преимущество данного топливоподающего узла, в отличие от прототипа, состоит в том, что дозирование подачи топлива не зависит от изменения начала подачи топлива, что существенно повышает эффективность комбинированного управления подачей топлива в цилиндры дизеля и упрощает конструкцию регулятора.

Поставленная задача решена тем, что заявляемое устройство комбинированного управления подачей топлива дизеля содержит топливный насос высокого давления с органами управления дозированием и началом подачи топлива, регулятор частоты вращения дизеля с чувствительным элементом, подвижную муфту, рычаг регулятора частоты вращения, соединенный с главной пружиной регулятора, и дополнительный рычаг, причем орган управления началом подачи топлива через дополнительный рычаг кинематически связан с подвижной муфтой регулятора, при этом устройство снабжено пусковым подпружиненным рычагом, связанным с органом управления дозированием топлива и корректором дозирования топлива, причем дополнительный рычаг имеет возможность независимого перемещения относительно органа управления началом подачи топлива.

Описание изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показана схема конструкции заявляемого устройства.

На фиг. 2 показано формирование характеристики начала подачи топлива в зависимости от частоты вращения и положения рейки ТНВД при работе дизеля по внешней характеристике.

На фиг. 3 показано формирование характеристик начала подачи топлива в зависимости от частоты вращения и положения рейки ТНВД заявляемого устройства с построением характеристик, аналогичным показанным на рис. 23 журнала SAE N 870436.

Устройство комбинированного управления подачей топлива дизеля содержит ТНВД (1) на базе 3-элементного топливоподающего узла (2) с органом (3) управления началом подачи топлива, кинематически связанным с подвижной втулкой (4) плунжера, и органом (5) дозирования топлива, связанного через зубчатый венец (6) с плунжером (7), который в свою очередь упирается в кулачковый вал (8).

Механизм (9) управления подачей топлива содержит установленный на кулачковом валу (8) чувствительный элемент (10) частоты вращения дизеля с центробежными грузами (11) и подвижной муфтой (12). На опоре (13) установлен пусковой рычаг (14), связанный с пусковой пружиной (15) и, через тягу (16), - с органом управления дозированием топлива (5). Пусковой рычаг (14) имеет возможность продольного перемещения относительно опоры (13).

На опоре (13) шарнирно установлен рычаг (17) регулятора, соединенный с одним концом главной пружины (18). Рычаг (19) управления частотой вращения дизеля связан с другим концом главной пружины (18). Рычаг (17) регулятора упирается в регулируемый упор (20) дозирования топлива.

На опоре (13) установлен также промежуточный рычаг (21), который расположен между пусковым рычагом (14) и рычагом (17). Между рычагами (17) и (21) установлен корректор дозирования топлива в виде штока (22) и распорной пружины (23). Одновременно корректор дозирования выполняет роль корректора начала подачи топлива.

На противоположном конце рычага (21) имеется шарнирная опора, на которой подвешен дополнительный рычаг (24), одним концом связанный с тягой (16) органа (5) управления дозированием топлива, т.е. кинематически связанный с муфтой (12), а другим - с пружинной тягой (25) органа (3) управления началом подачи топлива.

Устройство содержит также ограничитель (26) перемещения органа (3) управления началом подачи топлива.

Обозначенный буквой θ угол начала подачи топлива при крайнем правом положении органа (3) управления началом подачи имеет максимальное значение по отношению к ВМТ дизеля и минимальное значение - при его крайнем левом положении. Обозначенная буквой "q" цикловая подача топлива зависит от положения органа (5) дозирования топлива. Крайнее левое положение соответствует ее максимальному значению, крайнее правое положение - нулевому значению, то есть полному отключению подачи топлива. Частота вращения дизеля обозначена буквой ω. Различные изменения цикловой подачи топлива и крутящего момента дизеля показаны на фиг.2 и 3 в виде характеристик q(ω) и M(ω).
На фиг.1 показано положение элементов заявляемого устройства перед пуском дизеля при крайнем левом положении органа (5) дозирования топлива, соответствующем его пусковому обогащению. При этом орган (3) управления началом подачи топлива находится в крайнем правом положении, соответствующем требуемому значению пускового угла начала подачи топлива.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При запуске и разгоне дизеля грузы (11) центробежного чувствительного элемента (10) через подвижную муфту (12) начинают растягивать пусковую пружину (15) и перемещать пусковой рычаг (14) до упора в промежуточный рычаг (21). Цикловая подача топлива на пусковом участке регуляторной характеристики снижается с величины q_П до значения q_К, при этом орган (3) управления началом подачи топлива из точки П переходит в соответствующее минимальному углу начала подачи топлива крайнее правое положение. Далее дизель при сомкнутых рычагах (14) и (21) и неизменном угле начала подачи продолжает разгоняться до тех пор, пока не выйдет на характеристику максимального крутящего момента M_K(ω) с цикловой подачей q_К, и соответствующим минимальным углом начала подачи (точка К).

При дальнейшем снижении нагрузки дизель работает на корректорном участке регуляторной характеристики дозирования топлива. С увеличением частоты вращения дизеля увеличивается усилие на муфте (12) регулятора, в результате чего начинает сжиматься пружина (23) корректора и, за счет перемещения вправо рычага (14) и тяги (16), уменьшается цикловая подача топлива. Одновременно, вместе с рычагами (14), (21) и дозирующим органом (5), вправо перемещается и дополнительный рычаг (24), передвигающий предварительно затянутую пружинную тягу (25), связанную с органом (3), в сторону увеличения начала подачи топлива. В данном случае совместное перемещение органов управления (3) и (5) обеспечивает одновременное корректирование угла начала подачи и дозирования топлива в соответствии с выбранными законами управления до соприкосновения рычагов (21) и (17).

Точка перегиба регуляторной характеристики, соответствующая номинальной цикловой подаче топлива, и ее выход на регуляторный участок задается положением рычага (19), а величина номинальной цикловой подачи - регулируемым упором (20). При выходе дизеля на номинальную характеристику крутящего момента M_H(ω) с номинальной цикловой подачей q_H, орган (3) обеспечивает угол начала подачи топлива, соответствующий точке Н.

При частичной нагрузке и переходе дизеля на характеристику крутящего момента M_A(ω), усилие грузов (11) превосходит совместное усилие деформации пусковой пружины (15) и усилие предварительной деформации главной пружины (18), в результате чего начинается совместное перемещение рычагов (14), (21) и (17) в сторону уменьшения цикловой подачи дозируемого топлива. Одновременно с перемещением рычагов увеличивается угол начала подачи топлива, переходя из точки Н в точку А.

Перемещение рычага (17) по регуляторной характеристике в сторону снижения цикловой подачи топлива должно продолжаться вплоть до ее полного отключения. Поскольку рычаги (14), (21) и (17) работают совместно, то ограничение хода органа (3), связанное с предельно допустимым значением угла начала подачи топлива, не должно препятствовать перемещению этих рычагов для регулирования частоты вращения дизеля.

При нагрузке дизеля, соответствующей характеристике M_Б(ω), орган (3) управления началом подачи топлива упирается в ограничитель (26) максимального угла начала подачи топлива (точка Б). Дальнейшее совместное движение рычагов (14), (21) и (17), по мере снижения нагрузки дизеля и соответствующего уменьшения цикловой подачи топлива до значения q_X, происходит при деформации пружины тяги (25). При этом максимальный угол начала подачи остается неизменным вплоть до холостого хода (точка X).

При других положениях рычага управления (19), соответствующих тем или иным заданным скоростным режимам дизеля, или при других частичных режимах нагрузки дизеля, формирование характеристик управления углом начала подачи и дозированием топлива происходит аналогичным образом.

Моменты срабатываний и наклоны характеристик управления началом подачи и дозированием топлива зависят от характеристик ТНВД, регулировок предварительных деформаций пружин и их жесткости, а также от конструктивных соотношений плеч рычагов.

Таким образом, заявляемое изобретение обладает преимуществом перед известными техническими решениями и прототипом, позволяя, в случае его применения, формировать достаточно простыми средствами комбинированный закон управления началом подачи и дозированием топлива с учетом частоты вращения и положения дозирующего органа ТНВД как на рабочих, так и на пусковых режимах дизеля.

Сфера применения заявляемого изобретения распространяется на серийно выпускаемые и вновь разрабатываемые дизели, различающиеся по типу, мощности и назначению, которые устанавливаются в легковых автомобилях, грузовиках и автобусах, в магистральных грузовых автомобилях, тягачах, карьерных самосвалах, сельскохозяйственных машинах и тракторах, в промышленных тракторах и комбайнах, в строительно-дорожных машинах, дизель-генераторных и стационарных установках, в тепловозах, в судовых дизелях и других машинах с дизелями, оснащенными топливными насосами высокого давления.

Устройство комбинированного управления подачей топлива дизеля содержит топливный насос высокого давления с органами управления дозированием и началом подачи топлива, регулятор частоты вращения дизеля с чувствительным элементом, подвижную муфту, рычаг регулятора частоты вращения, соединенный с главной пружиной регулятора, и дополнительный рычаг. Орган управления началом подачи топлива через дополнительный рычаг кинематически связан с подвижной муфтой регулятора. Устройство снабжено пусковым подпружиненным рычагом, связанным с органом управления дозированием топлива и корректором дозирования топлива. Дополнительный рычаг имеет возможность независимого перемещения относительно органа управления началом подачи топлива. Технический результат заключается в повышении эффективности комбинированного управления подачей топлива в цилиндры двигателя и упрощении конструкции регулятора. 3 ил.

Устройство комбинированного управления подачей топлива дизеля, содержащее топливный насос высокого давления с органами управления дозированием и началом подачи топлива, регулятор частоты вращения дизеля с чувствительным элементом, подвижную муфту, рычаг регулятора частоты вращения, соединенный с главной пружиной регулятора, и дополнительный рычаг, причем орган управления началом подачи топлива через дополнительный рычаг кинематически связан с подвижной муфтой регулятора, отличающееся тем, что снабжено пусковым подпружиненным рычагом, связанным с органом управления дозированием топлива и корректором дозирования топлива, причем дополнительный рычаг имеет возможность независимого перемещения относительно органа управления началом подачи топлива.