УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТОПЛИВОПОДАЧЕЙ ДИЗЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F02M59/36 

Изобретение относится к топливоподающим системам дизелей и может быть использовано в области двигателестроения в качестве устройства управления топливоподачей дизелей транспортного назначения.

Известно устройство управления топливоподачей (регулятор) дизеля, содержащее топливоподающий плунжер, кинематически связанный с дозирующей рейкой, и центробежный чувствительный элемент с грузами, взаимодействующими через муфту и рычаг регулятора с дозирующей рейкой [1].

Недостатком описанного устройства является невысокая точность управления топливоподачей, поскольку оно обеспечивает только формирование характеристик всережимного принципа регулирования частоты вращения и не обеспечивает управления моментом начала подачи топлива (углом опережения впрыскивания).

Известно устройство управления топливоподачей, содержащее топливоподающий плунжер с установленными на нем дозирующей и фазирующей втулками, кинематически связанными соответственно с дозирующей и фазирующей рейками, центробежный чувствительный элемент с грузами и муфтой, взаимодействующей с рычагом регулятора, связанным через тягу с дозирующей рейкой, и пневматический чувствительный элемент с мембраной и штоком, жестко связанным с дозирующей рейкой [2].

Недостатком описанного устройства является невысокая точность управления топливоподачей, так как оно обеспечивает только формирование характеристик всережимного принципа регулирования частоты вращения.

Наиболее близким по техническому результату к предлагаемому устройству является устройство управления топливоподачей дизеля, содержащее корпус, размещенные в корпусе кулачковый вал и гильзу, подпружиненный к кулачку вала топливоподающий плунжер, установленный в гильзе и выполненный с отсечной кромкой, нагнетательный клапан с седлом клапана, образующие с гильзой и плунжером надплунжерную полость, имеющую наполнительный и отсечной каналы, выполненные в корпусе наполнительную и сливную магистрали, соединенные соответственно через наполнительный и отсечной каналы с надплунжерной полостью, размещенную на плунжере дозирующую втулку, установленную в корпусе и кинематически связанную с втулкой дозирующую рейку, причем наполнительный канал надплунжерной полости выполнен в седле нагнетательного клапана, а в наполнительном канале размещен электромагнитный клапан [3].

Недостаток известного технического решения заключается в том, что управление цикловой подачей топлива осуществляется недостаточно эффективно.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности управления путем введения дополнительного управления цикловой подачей топлива по математической зависимости, представленной в формуле изобретения.

Поставленный технический результат достигается тем, что устройство управления топливоподачей дизеля, содержащее корпус, размещенные в корпусе кулачковый вал и гильзу, подпружиненный к кулачку вала топливоподающий плунжер, установленный в гильзе и выполненный с отсечной кромкой, нагнетательный клапан с седлом клапана, образующие с гильзой и плунжером надплунжерную полость, имеющую наполнительный и отсечной каналы, выполненные в корпусе наполнительную и сливную магистрали, соединенные соответственно через наполнительный и отсечной каналы с надплунжерной полостью, размещенную на плунжере дозирующую втулку, установленную в корпусе и кинематически связанную с втулкой дозирующую рейку, причем наполнительный канал надплунжерной полости выполнен в седле нагнетательного клапана, а в наполнительном канале размещен электромагнитный клапан, согласно изобретению устройство содержит управляющий рейкой электронный регулятор, содержащий задатчик режимов с рычагом задания вида частичных регуляторных характеристик и рычагом управления, датчики режимных параметров, электронный блок управления, входы которых соединены с упомянутыми датчиками и исполнительный механизм, выполненный в виде взаимодействующего с дозирующей рейкой электромагнита, вход которого соединен с выходом электронного блока, причем электромагнитным клапаном управляет электронный блок, а задатчик режимов предназначен для формирования частичных регуляторных характеристик, вид которых определяется соотношением M_д = k_у/ω2д

Предложенное техническое решение может найти широкое применение в таких отраслях промышленности, как транспортное и сельскохозяйственное двигателестроение, судостроение, малая энергетика и др. Описание заявки с достаточной полнотой сведения о том, как использовать предложенное устройство с достижением того положительного эффекта, который указан в техническом результате. Приведенный пример практической реализации устройства подтверждает достижимость технического результата и еще раз доказывает возможность его использования.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства управления топливоподачей, на фиг. 2 - статическая характеристика угла опережения впрыскивания топлива, на фиг. 3 - статические характеристики положения дозирующей рейки при всережимном регулировании частоты вращения, на фиг. 4 - статические характеристики положения дозирующей рейки при регулировании частоты вращения с пологими частичными регуляторными характеристиками.

Устройство управления топливоподачей дизеля (фиг. 1) содержит насосную станцию топливного насоса с механизмами изменения угла опережения впрыскивания и количества подаваемого топлива и электронный регулятор с каналами управления углом опережения вспрыскивания и количеством подаваемого топлива.

Насосная секция включает корпус 1 с установленной в нем гильзой 2, в которой размещен топливоподающий плунжер 3, подпружиненный к кулачку 4 кулачкового вала 5 топливного насоса. На верхней торцевой поверхности гильзы 2 установлен нагнетательный клапан 6 с седлом 7, образующие с гильзой и плунжером 3 надплунжерную полость 8, имеющую наполнительный 9 и отсечной 10 каналы, выполненные соответственно в седле 7 клапана 6 и в гильзе 2. В корпусе 1 выполнены подводящая 11 и отводящая 12 топливные магистрали, сообщающиеся соответственно через наполнительный 9 и отсечной 10 каналы с надплунжерной полостью 8.

Механизм изменения угла опережения впрыскивания топлива содержит установленный в наполнительном канале 9 электромагнитный клапан 13, выполненный с возможностью перекрытия наполнительного канала 9, соединяющего надплунжерную полость 8 с подводящей магистралью 11.

Механизм изменения количества подаваемого топлива содержит размещенную на направляющей поверхности плунжера 3 дозирующую втулку 14, связанную через зубчатое соединение с установленной в корпусе 1 дозирующей рейкой 15. При этом плунжер 3 имеет осевое сверление 16 и винтовую канавку 17, выполненную на цилиндрической поверхности плунжера 3 и образующую на ней косую кромку 18.

Электронный регулятор включает задатчик режимов с рычагом 19 задания вида частичных регуляторных характеристик и рычагом управления 20, датчики 21-25 режимных параметров, электронный блок управления 26 и каналы управления углом опережения впрыскивания и количеством подаваемого топлива. При этом датчик 21 частоты вращения дизеля (кулачкового вала 5 топливного насоса), датчик 22 количества подаваемого топлива (положения дозирующей рейки 15), датчик 23 положения рычага управления 20, датчики 24 и 25 положения рычага 19 задания вида частичных регуляторных характеристик соединены со входами электронного блока 26, а рычаг управления 20 выполнен с упорами 27 и 28 соответственно максимальной (номинальной) и минимальной частот вращения.

Канал управления углом опережения впрыскивания топлива содержит установленный в наполнительном канале 9 надплунжерной полости 8 электромагнитный клапан 13, управляемый электронным блоком 26. Причем один из выходов электронного блока 26 соединен с обмоткой установленного в корпусе 1 электромагнита 29, а сердечник 30 электромагнита 29, подпружиненный пружиной 31, соединен с клапаном 13.

Канал управления количеством подаваемого топлива содержит установленную в корпусе 1 дозирующую рейку 15, управляемую электронным блоком 26. Причем второй выход электронного блока 26 соединен с обмоткой установленного в корпусе 1 электромагнита 32, а сердечник 33 электромагнита 32, подпружиненный пружиной 34, соединен с дозирующей рейкой.

Устройство управления топливоподачей дизеля (фиг. 1) работает следующим образом. При нахождении плунжера 3 в нижнем положении происходит наполнение надплунжерной полости 8 топливом из подводящей магистрали 11 корпуса 1 через наполнительный канал 9 седла 7 нагнетательного клапана 6. Подача топлива в цилиндры дизеля осуществляется при движении плунжера 3 под действием набегающего кулачка 4 кулачкового вала 5 топливного насоса. Начало нагнетания соответствует моменту полного перекрытия наполнительного канала 9 электромагнитным клапаном 13. При дальнейшем движении плунжера 3 вверх происходит увеличение давления топлива в надплунжерной полости 8, перемещение нагнетательного клапана 6 вверх, сообщение надплунжерной полости 8 через топливопровод высокого давления с подыгольной полостью форсунки (на фиг. 1 не показаны) и подача топлива в цилиндр. Окончание нагнетания (отсечка топлива) соответствует моменту начала открытия отсечного канала 10 косой кромкой 18 плунжера 3 (ход плунжера между началом и окончанием нагнетания является активным ходом плунжера). При этом надплунжерная полость 8 через осевое сверление 16 и винтовую канавку 17 плунжера 3 и отсечной канал 10 гильзы 2 сообщается с отводящей топливной магистралью 12 корпуса 1.

Изменение угла опережения вспрыскивания топлива осуществляется при изменении момента закрытия наполнительного канала 9 электромагнитным клапаном 13 (при уменьшении угла опережения впрыскивания клапан 13 перекрывает наполнительный канал 9 позже). Причем при уменьшении угла опережения впрыскивания и сохранении неизменным момента окончания нагнетания уменьшается активный ход плунжера. Поэтому для сохранения цикловой подачи топлива неизменной момент окончания нагнетания также необходимо сместить в сторону запаздывания путем перемещения дозирующей рейки 15 влево.

Изменение количества подаваемого топлива (цикловой подачи) при неизменном угле опережения вспрыскивания обеспечивается при перемещении дозирующей рейки 15. Например, уменьшение цикловой подачи осуществляется при смещении дозирующей рейки 15 вправо, повороте дозирующей втулки 14 и плунжера 3 вокруг оси последнего, смещении косой кромки 18 плунжера относительно отсечного канала 10 и более раннем окончании подачи топлива.

Электронный регулятор заявляемого устройства обеспечивает управление углом опережения впрыскивания топлива в соответствии с изменениями частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на дизель (подачи топлива). Такое управление углом опережения впрыскивания осуществляется следующим образом. В электронный блок 26 регулятора поступают сигналы U_w от датчика 21 частоты вращения и U_hp от датчика 22 положения дозирующей рейки 15, характеризующие частоты вращения коленчатого вала дизеля ω_д и крутящий момент дизеля М_д. В соответствии с сигналами U_w и U_hp, поступающими в электронный блок, и заложенной в его запоминающем устройстве требуемой статической характеристикой угла опережения впрыскивания топлива (например, характеристики, представленной на фиг. 2), электронный блок 26 вырабатывает управляющий сигнал U_Э1, подаваемый на обмотку электромагнита 29 и определяющий момент закрытия клапана 13, т.е. угол опережения впрыскивания топлива. Причем при обесточивании обмотки электромагнита 29 пружина 31 смещает сердечник 30 с клапаном 13 влево (в сторону открытия клапана 13).

Практическая реализация статической характеристики угла опережения впрыскивания топлива, представленной на фиг. 2 и предусматривающей уменьшение угла опережения впрыскивания топлива с 15^o поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки (п.к.в. до ВМТ) на номинальном режиме до 8^o п.к.в. до ВМТ на режимах холостого хода, в дизеле Д-245 (4 ЧН 11/12,5) производства Минского моторного завода позволяет снизить удельные выбросы наиболее значимых токсичных компонентов отработавших газов - оксидов азота No_x с 8 г/кВт•ч (при постоянном угле опережения впрыскивания 8 = 15,5^o п.к.в. до ВМТ) до 6,5 г/кВт•ч при работе дизеля по 13-ступенчатому циклу, т.е. обеспечить требования норм EURO - 2 к токсичности отработавших газов дизелей (e_NOX = 7,0 г/кВт•ч).

Электронный регулятор обеспечивает также корректирование угла опережения впрыскивания при изменении параметров наддувочного воздуха и физико-химических свойств применяемого топлива. Для осуществления такого корректирования в электронный блок 26 подается сигнал U_кор от датчиков параметров наддувочного воздуха (его температуры и давления) и свойств применяемого топлива (например, его вязкости). В соответствии с сигналом U_кор, поступающим в электронный блок, и заложенными в его запоминающем устройстве корректирующими статическими характеристиками угла опережения впрыскивания топлива, электронный блок 26 корректирует управляющий сигнал U_Э1, подаваемый на обмотку электромагнита 29.

Канал управления количеством подаваемого топлива электронного регулятора заявляемого устройства обеспечивает формирование двух типов статических характеристик положения дозирующей рейки: характеристик, соответствующих всережимному регулированию частоты вращения (фиг. 3), и характеристик регулирования частоты вращения с пологими частичными регуляторными характеристиками (фиг. 4). Выбор характеристик регулирования осуществляется с помощью рычага 19 задания вида частичных регуляторных характеристик. При положении α_p рычага 19 на упоре датчика 24 в электронный блок 26 регулятора подается сигнал U_ВС от указанного датчика и формируются характеристики всережимного регулирования. При положении рычага 19 на упоре датчика 25 в электронный блок 26 подается сигнал U_ПОЛ от указанного датчика и формируются пологие регуляторные характеристики.

Всережимное регулирование частоты вращения дизеля осуществляется в заявляемом устройстве следующим образом. Требуемый скоростной режим работы дизеля (та или иная регуляторная характеристика 1-5 на фиг. 3) задается путем изменения положения рычага управления 20. Максимальный (номинальный) скоростной режим (регуляторная характеристика 1, фиг. 3) соответствует положению рычага 20 на упоре 27, а минимальный скоростной режим (регуляторная характеристика 2, фиг. 3) - положению рычага 20 на упоре 28. При промежуточных положениях рычага 20 формируются частичные регуляторные характеристики 3-5 на фиг. 3. Причем положение Ψ рычага управления 20 определяется с помощью датчика 23, сигнал U_у от которого подается в электронный блок 20.

При положении рычага управления 20 на упоре 27 и увеличении частоты вращения выше ω_HOM формируется предельная регуляторная характеристика a-f (фиг. 3). При меньших частотах вращения формируется внешняя скоростная характеристика e-d-c-b-a (фиг. 3) с участками пускового обогащения e-d (в диапазоне частот вращения O-ω_ПУСK), отрицательной коррекции c-d (в диапазоне частот вращения ω_min-ω_MДmax) и положительной коррекции b-a (в диапазоне частот вращения ω_MДmax-ω_HOM).
При положении рычага управления 20 на упоре и увеличении частоты вращения выше ω_min формируется минимальная регуляторная характеристика c-g (фиг. 3). При меньших частотах вращения формируется участок e-d-c внешней скоростной характеристики.

При положениях рычага управления 20 между упорами 27 и 28 формируются выбранная частичная регуляторная характеристика (одна из характеристик 3-5 на фиг. 3) и соответствующий ей участок внешней скоростной характеристики.

Регулирование частоты вращения с пологими частичными регуляторными характеристиками осуществляется в заявляемом устройстве следующим образом. Максимальный (номинальный) и минимальный скоростной режим (регуляторные характеристики 1 и 2 на фиг. 4) задаются путем изменения положения рычага управления 20. При этом максимальный скоростной режим (регуляторная характеристика 1, фиг. 4) соответствует положению рычага 20 на упоре 27, а минимальный скоростной режим (регуляторная характеристика 2, фиг. 4) - положению рычага 20 на упоре 28. При промежуточных положениях рычага 20 формируются пологие частичные регуляторные характеристики 3-6 (фиг. 4), имеющие меньший наклон, чем частичные регуляторные характеристики 3-5 (фиг. 3) при всережимном регулировании. Причем положение ψ рычага управления 20 определяется с помощью датчика 23, сигнал U_у от которого подается в электронный блок 20.

При положении рычага управления 20 на упоре 27 и увеличении частоты вращения выше ω_HOM формируется предельная регуляторная характеристика a-f (фиг. 4). При меньших частотах вращения формируется внешняя скоростная характеристика e-d-c-b-a (фиг. 4) с участками пускового обогащения e-d (в диапазоне частот вращения O-ω_ПУСK), отрицательной коррекции c-b (в диапазоне частот вращения ω_min-ω_MДmax) и положительной коррекции b-а (в диапазоне частот вращения ω_MДmax-ω_HOM).
При положении рычага управления 20 на упоре 28 и увеличении частоты вращения выше ω_min формируется минимальная регуляторная характеристика c-g (фиг. 4). При меньших частотах вращения формируется участок e-d-c внешней скоростной характеристики.

При положениях рычага управления 20 между упорами 27 и 28 формируются выбранная частичная регуляторная характеристика (одна из характеристик 3-6 на фиг. 4) и соответствующие ей участок внешней скоростной характеристики e-d-c-d-a и участок предельной регуляторной характеристики a-f.

Характеристики топливоподачи на фиг. 3 или 4 формируются электронным блоком 26 на основании сигналов U_w, U_пз, U_ψ, U_ВС (или U_ПОЛ), поступающих в электронный блок соответственно от датчика 21 частоты вращения дизеля, датчика 22 положения дозирующей рейки 15, датчика 23 положения рычага 20 и датчика 24 (или 25) положения рычага 19, и статических характеристик топливоподачи, заложенных в запоминающем устройстве электронного блока 26. Для выбранной с помощью рычагов 19 и 20 статической характеристики топливоподачи и текущего скоростного режима работы дизеля, характеризуемого сигналом U_w от датчика 21, в электронном блоке определяется требуемое значение положения дозирующей рейки 15 и затем проводится сравнение этого значения с текущим значением, определяемым сигналом U_hp от датчика 22 положения рейки 15. При наличии рассогласования между требуемым и текущим положениями рейки, электронный блок 26 вырабатывает управляющий сигнал U_Э2 подаваемый на обмотку электромагнита 32. В результате происходит смещение дозирующей рейки 15, приводящее к ликвидации указанного рассогласования и формированию характеристик положения дозирующей рейки на фиг. 3 или 4. Причем при обесточивании обмотки электромагнита 32 пружина 34 смещает сердечник 33 с дозирующей рейкой 15 вправо (на выключение подачи топлива).

Электронный регулятор обеспечивает также корректирование внешней скоростной характеристики e-d-c-b-a (фиг. 3, 4) при изменении параметров наддувочного воздуха и физико-химических свойств применяемого топлива. Для осуществления такого корректирования в электронный блок 26 подается сигнал U_кор от датчиков параметров наддувочного воздуха (его температуры и давления) и свойств применяемого топлива (например, его вязкости). В соответствии с сигналом U_кор, поступающим в электронный блок, и заложенными в его запоминающем устройстве корректирующими внешними скоростными характеристиками, электронный блок 26 корректирует управляющий сигнал U_Э2 подаваемый на обмотку электромагнита 32.

Заявляемое устройство позволяет формировать тот или другой тип характеристик в зависимости от конкретных условий эксплуатации транспортного средства. При этом при движении транспортного средства в условиях магистрали (междугороднее движение) более предпочтительным является всережимное регулирование (характеристики на фиг. 3), а в условиях городского движения - регулирование с пологими частичными регуляторными характеристиками (характеристики на фиг.4). Формирование пологих частичных регуляторных характеристик в условиях городского движения позволяет более точно дозировать подачу топлива (по сравнению со всережимным регулированием), не допуская ее чрезмерного увеличения при резких изменениях нагрузки. Это позволяет уменьшить эксплуатационный расход топлива на 4-8% и соответственно уменьшить выбросы токсичных компонентов отработавших газов дизеля. В то же время такое регулирование обеспечивает более устойчивую работу дизеля на режимах с пониженной частотой вращения.

Проведенные авторами расчетные исследования показали, что одними из наиболее благоприятных являются пологие частичные регуляторные характеристики (фиг. 4), вид (форма) которых определяется соотношением M_д = k_ψ/ω2д

Практическая реализация описанных выше законов управления цикловой подачей топлива и углом опережения впрыскивания в дизеле Д-245 позволяет снизить эмиссию оксидов азота на 25% при сохранении достигнутого уровня топливной экономичности дизеля по сравнению с этим же дизелем, не оснащенным устройством управления топливоподачей.

Источники информации
1. Крутов В. И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1979 - рис. 203 а.

2. Регулятор дизеля с турбонаддувом. Заявка РФ N 94006679, МПК 7 F 02 D 1/02, опубл. 1995 г.

3. Патент СССР N 1192636, МПК F 02 М 59/36, 1981 г.

Изобретение может быть использовано для управления топливоподачей дизеля. Устройство управления топливоподачей дизеля содержит корпус, размещенные в корпусе кулачковый вал, гильзу, топливоподающий плунжер, установленный в гильзе и выполненный с отсечной кромкой. Нагнетательный клапан с седлом клапана образует с гильзой и плунжером надплунжерную полость, имеющую наполнительный и отсечной каналы. Выполненные в корпусе наполнительная и сливная магистрали соединены соответственно через нагнетательный и отсечной каналы с надплунжерной полостью. Дозирующая втулка установлена на плунжере и кинематически связана с дозирующей рейкой. Наполнительный канал надплунжерной полости выполнен в седле нагнетательного клапана. В наполнительном канале размещен электромагнитный клапан. Устройство содержит управляющий рейкой электронный регулятор. Регулятор содержит задатчик режимов с рычагом задания вида частичных регуляторных характеристик, рычаг управления, датчики режимных параметров, электронный блок управления, входы которого соединены с упомянутыми датчиками, и исполнительный механизм, выполненный в виде взаимодействующего с дозирующей рейкой электромагнита. Вход последнего соединен с выходом электронного блока. Электромагнитным клапаном управляет электронный блок. Задатчик режимов предназначен для формирования частичных регуляторных характеристик, вид которых определяется математическим соотношением. Технический результат заключается в повышении эффективности управления путем введения дополнительного управления цикловой подачей топлива по математической зависимости, указанной в формуле изобретения. 4 ил.

Устройство управления топливоподачей дизеля, содержащее корпус, размещенные в корпусе кулачковый вал и гильзу, подпружиненный к кулачку вала топливоподающий плунжер, установленный в гильзе и выполненный с отсечной кромкой, нагнетательный клапан с седлом клапана, образующие с гильзой и плунжером надплунжерную полость, имеющую наполнительный и отсечной каналы, выполненные в корпусе наполнительную и сливную магистрали, соединенные соответственно через наполнительный и отсечной каналы с надплунжерной полостью, размещенную на плунжере дозирующую втулку, установленную в корпусе и кинематически связанную с втулкой дозирующую рейку, причем наполнительный канал надплунжерной полости выполнен в седле нагнетательного клапана, а в наполнительном канале размещен электромагнитный клапан, отличающееся тем, что устройство содержит управляющий рейкой электронный регулятор, содержащий задатчик режимов с рычагом задания вида частичных регуляторных характеристик и рычагом управления, датчики режимных параметров, электронный блок управления, входы которого соединены с упомянутыми датчиками, и исполнительный механизм, выполненный в виде взаимодействующего с дозирующей рейкой электромагнита, вход которого соединен с выходом электронного блока, причем электромагнитным клапаном управляет электронный блок, а задатчик режимов предназначен для формирования частичных регуляторных характеристик, вид которых определяется соотношением M_д= k_у/ω2д