СИСТЕМА ТОПЛИВОПОДАЧИ АВТОМОБИЛЬНОГО ДИЗЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК F02D41/00 F02M59/26 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а более конкретно к системам топливоподачи дизелей.

Современные системы топливоподачи автомобильных дизелей должны обеспечивать высокую топливную экономичность и низкий уровень выброса вредных веществ с отработавшими газами, ограничиваемый законодательством разных стран мира, в том числе России.

С целью выполнения этих условий системы топливоподачи автомобильных дизелей должны обеспечивать возможность регулирования как количеством подаваемого топлива, так и моментом начала его впрыскивания, причем не только в зависимости от изменения частоты вращения дизеля, но и от изменения нагрузки. Поскольку такие зависимости неоднозначны, то управление топливоподачей для обеспечения весьма сложных законов взаимного перемещения рейки и начала впрыскивания топлива может быть осуществлено только с помощью электронных систем управления [1]. Из этого следует и еще одно условие, предъявляемое к современным системам топливоподачи автомобильных дизелей, оснащенным плунжерными топливными насосами высокого давления, т.е. условие восприимчивости электронного управления через исполнительные механизмы. Для создания высокого давления в большинстве случаев применяются плунжерные топливные насосы высокого давления (ТНВД), технология изготовления прецизионных деталей которых хорошо освоена фирмами-производителями, и поэтому получение нового качества систем топливоподачи дизелей желательно с использованием уже достигнутого и при сохранении существующих технологий. Таким образом, электронное управление традиционными системами топливоподачи, состоящими из бака, линий низкого и высокого давления, фильтров грубой и тонкой очистки, плунжерных топливных насосов низкого и высокого давления, форсунок [2] (стр. 103-104), может быть достигнуто путем применения электронно-управляемых исполнительных механизмов рейкой ТНВД [3, 4], муфтой опережения впрыскивания [5, 6]. Однако желательно избежать применения электронно-управляемых муфт опережения впрыскивания, т.к. конструкция их весьма сложна (иногда в такую конструкцию входит автономная пневмо- или гидросистема), что приводит к уменьшению надежности. В связи с этим были применены системы топливоподачи, в которых управление изменением момента начала впрыскивания топлива осуществляется путем введения в конструкцию традиционных ТНВД дополнительной втулки, от перемещения которой осуществляется изменение момента начала подачи топлива [7, 8] либо с помощью механических, либо с помощью электромагнитных исполнительных механизмов [9].

Практика применения фирмой R. Bosch аналогичных систем топливоподачи дизелей, оснащенных ТНВД, каждая насосная секция которых [7-9] выполняет сразу две управляющих функции через две рейки (дозирующую и фазирующую), не соответствуют требованиям надежности, т.к. большое число подвижных прецизионных сопряжений приводит к быстрому износу их деталей, снижению точности дозирования величины цикловой подачи топлива и момента начала впрыскивания топлива.

Однако известны системы топливоподачи [10], содержащие топливный насос высокого давления, каждая секция которого имеет две плунжерные пары, рабочие полости которых сообщены с линией высокого давления через нагнетательные клапаны. Наиболее близким аналогом является система топливоподачи, представленная в [11] (прототип).

Прототип имеет следующие недостатки: не обеспечивает регулирования момента начала впрыскивания топлива одновременно в зависимости не только от частоты вращения, но и от нагрузки, не обеспечивает теоретически необходимого закона подачи топлива (т.е. медленное нарастание фронта повышения давления в подыгольной области форсунки и резкая отсечка).

Сущность изобретения заключается в том, что система топливоподачи автомобильного дизеля содержит форсунки, каждая из которых соединена подыгольной полостью с линией высокого давления, плунжерный топливный насос высокого давления, имеющий кулачковый вал, дозирующую рейку, насосные секции, состоящие из дозирующей и фазирующей плунжерных пар, рабочие полости которых сообщены с линией высокого давления через нагнетательные клапаны, а плунжерные втулки имеют впускные отверстия, сообщенные с линией низкого давления. Согласно изобретению плунжерный топливный насос высокого давления дополнительно оснащен фазирующей рейкой, связанной с фазирующими плунжерами, верхние кромки которых выполнены в виде винтовой линии, а в фазирующих втулках проточены кольцевые канавки, соединенные через промежуточные каналы с рабочими полостями дозирующих плунжерных пар, причем расположение впускных отверстий обоих втулок и кольцевых канавок фазирующих втулок выполнено таким образом, что осуществление регулировки момента начала подачи топлива возможно только с помощью фазирующей рейки, а конца подачи - только с помощью дозирующей рейки и что система топливоподачи автомобильного дизеля дополнительно оснащена электронным блоком управления, имеющим электрическую связь с электромагнитами привода обеих реек, электронной педалью управления, датчиками частоты вращения коленчатого вала, относительного углового положения кулачкового вала и положения дозирующей рейки, положения фазирующей рейки. В этом состоят существенные отличия. '

На фиг.1 изображена секция системы топливоподачи дизеля; на фиг.2 - вид на секцию сбоку; на фиг.3 - электронная схема системы топливоподачи; на фиг.4 -график зависимости P=f(ϕ) теоретически необходимой формы изменения давления подаваемого топлива в подыгольной полости форсунок. Обозначения на фиг.4: Р -давление топлива в подыгольной полости форсунки, ϕ - угловая координата поворота кулачкового вала.

Система топливоподачи дизеля состоит из следующих элементов (фиг.1 и фиг.2): плунжерного топливного насоса высокого давления 1, содержащего кулачковый вал 2, фазирующую рейку 3, насосные секции 4, состоящие из двух плунжерных втулок, фазирующей 5 и дозирующей 6, сопряженными соответственно с фазирующим 7 и дозирующим 8 плунжерами, установленными с возможностью поворота вокруг собственных осей при помощи фазирующей 3 и дозирующей 9 реек соответственно через поворотные втулки 10 и 11; форсунок 12, подыгольная полость 13 которых сообщена с линией высокого давления 14, которая сообщена через нагнетательные клапаны 15 и 16 с рабочими полостями 17 и 18, образованными во втулках 5 и 6, причем обе втулки соединены с линией низкого давления 19 при помощи впускных каналов соответственно 20 и 21, а дозирующая втулка 6 соединена с ней дополнительно при помощи отсечного канала 22. Плунжеры 7 и 8 постоянно прижаты к роликовым толкателям 24 пружинами 23, ролики 25 которых опираются на кулачки 26 кулачкового вала 2. Плунжер 7 снабжен верхней кромкой 27, выполненной в виде винтовой линии, а плунжер 8 - отсечной винтовой канавкой 28. Кроме того, в плунжерах 7 и 8 имеются каналы соответственно 29 и 30. Во втулке 5 имеется кольцевая проточка 31, связанная с рабочей полостью 18 промежуточным каналом 32. Рейки 3 и 9 (фиг.3) имеют электромагнитную связь с фазирующим 33 и дозирующим 34 электромагнитами, которые электрически связаны с электронным блоком управления ЭБУ и жестко закреплены на корпусе топливного насоса высокого давления 1.

Электронный блок управления ЭБУ электрически связан с электронной педалью и, по крайней мере, с четырьмя датчиками: ДЧ - датчиком частоты вращения коленчатого вала; ДП - датчиком углового положения кулачкового вала топливного насоса высокого давления; ДРФ - датчиком положения фазирующей рейки; ДРД - датчиком положения дозирующей рейки.

Система работает следующим образом. Топливо из линии низкого давления 19 через впускные каналы 20 и 21 поступает в рабочие полости 17 и 18. Кулачковый вал 2, приводимый во вращение от коленчатого вала дизеля, воздействует своими кулачками 26 через роликовые толкатели 24, сжимая пружины 23, на плунжеры 7 и 8 соответственно, которые перемещаются вверх. При движении фазирующего плунжера 7 вверх винтовая кромка 27 перекрывает впускной канал 20, давление топлива в рабочей полости 17 повышается, и когда усилие от его давления на клапан 15 сравняется с усилием затяжки пружины этого клапана, клапан 15 подымается с седла, и рабочая полость 17 сообщается с линией высокого давления 14. Топливо под давлением поступает в подыгольную полость 13 форсунки 12 и возрастает до величины P₁ (фиг.4). Впрыскивание топлива с давлением Р₁ осуществляется до угла поворота кулачкового вала ϕ₃ (см. фиг.4), т.е. до момента, когда дозирующий плунжер 8 перекроет впускной канал 21, и топливо из рабочей полости 18 после срабатывания нагнетательного клапана 16 нагнетается в линию высокого давления 14. С этого момента, соответствующего углу поворота кулачкового вала ϕ₃, нагнетание топлива в линию высокого давления осуществляется обеими плунжерными парами (и дозирующей, и фазирующей). В результате этого давление топлива в линии 14 и подыгольной полости 13 достигает уровня Р₂ при повороте кулачкового вала, соответствующем ϕ₄. Впрыскивание топлива под этим давлением осуществляется до момента, пока кулачковый вал не достигнет координаты ϕ₅, при которой отсечная кромка 28 на дозирующем плунжере 8 не достигнет отсечного отверстия 22. Давление в рабочих полостях 17 и 18 резко уменьшается, причем в рабочей полости 17 практически одновременно с рабочей полостью 18, т.к. она соединена с последней через канал 29, кольцевую канавку 31 и промежуточный канал 32. В результате уменьшения давления в полостях 17 и 18 нагнетательные клапаны 15 и 16 закрываются, что приводит к уменьшению давления в линии высокого давления 14 и подыгольной полости 13. Впрыскивание топлива прекращается. Таким образом формируется закон подачи, показанный на фиг.4 „а-б-в-г-д-е".

Управление моментом начала впрыскивания топлива осуществляется посредством фазирующей рейки 3. По сигналу, вырабатываемому электронным блоком управления ЭБУ на основе анализа информации о режимах работы дизеля, получаемой путем опроса датчиков частоты вращения коленчатого вала ДЧ, относительного углового положения кулачкового вала ДП, положения фазирующей рейки ДРФ и положения дозирующей рейки ДРД, происходит перемещение фазирующей рейки 3 и дозирующей рейки 9 с помощью электромагнитов соответственно 33 и 34, а именно при перемещении фазирующей рейки 3, например, вправо (см. фиг.1) происходит поворот фазирующего плунжера 7 через поворотную втулку 10, при этом кромка 27 будет раньше перекрывать впускной канал 20, значит начало подачи сместится влево (см. фиг.4) и начнется в точке а’ при ϕ=ϕ₀. При перемещении рейки 3 влево произойдет запаздывание момента начала подачи топлива. Перемещение дозирующей рейки 9, например, вверх (см. фиг.3) приводит к повороту дозирующего плунжера 8 через втулку 11 по часовой стрелке так, что при движении его вверх отсечная кромка 28 раньше откроет отсечной канал 22, и отсечка произойдет раньше, например, в точке д’. Тем самым величина цикловой подачи будет уменьшена. Для увеличения цикловой подачи необходимо, чтобы с электронного блока управления ЭБУ поступил сигнал на привод электромагнита 34, который переместит рейку 9 в противоположную сторону на необходимую величину. Итак, величина цикловой подачи топлива устанавливается дозирующей рейкой 9. Водитель автомобиля управляет подачей топлива через электронную педаль ЭП. Электрический сигнал с электронной педали ЭП поступает в блок управления ЭБУ и с помощью электромагнита 34 происходит изменение положения дозирующей рейки 9.

Таким образом, предлагаемая система топливоподачи дизеля имеет возможность регулирования как количеством подаваемого топлива, так и моментом начала его впрыскивания, причем не только в зависимости от частоты вращения дизеля, но и от изменения нагрузки. Достоинством системы является не только то, что она позволяет управлять величиной цикловой подачи и моментом начала впрыскивания топлива, и позволяет формировать пологое нарастание переднего фронта давления, что приближает форму закона подачи к теоретически необходимой. Данная система гарантированно увеличивает топливную экономичность и снижает вредные выбросы в атмосферу.

Источники информации

1. Топливные системы и экономичность дизелей/ И.В. Астахов, Л.Н. Голубков, В.И. Трусов и др. - М.: Машиностроение, 1990, - 288с.

2. Фанлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. -Л.: Машиностроение. - Ленингр. отд., 1990, - 352с.

3. Пат. 3833398 (Германия), F 02 D 1/08. Kraftstoffeinspritzpumpe fur Brennkraft-maschinen/ Dobler Klaus, Dipl Ing Dr// R.Bosch GmbH.

4. Пат. 2066386 (РФ), F 02 D 1/08, 1/18. Электронный регулятор частоты вращения для управления подачей топлива топливным насосом высокого давления /С.П. Гладышев, В.М. Бубнов, А.В. Лосев и др.

5. Пат. 3524266 (Германия), F 15 B 15/12. Elektronisch gesteuerter Stellantrieb zur Regelung der Winkelverstellung zweir gleichachsinger, sich drehender Wellen zueinander, insbesondere als Spritzversteller an Reiheneinspritzpumpen von Verbrennungsmotoren /Montuschi M., Ferrazzi M., Bilei M.

6. Пат. 2091604 RU, 6 F 02 M 59/20. Устройство для автоматического регулирования угла опережения впрыскивания топлива в двигателе внутреннего сгорания /В.Д. Карминский, Е.С. Филь, А.Б. Кууск//, опубл. в БИ 27.09.97.

7. Пат. Японии 2830002 В2, 6 F 02 D 1/18. Устройство регулирования момента впрыска топлива ДВС/ Цудзи Тэруо и др. 30.01.89.// Изобретения стран мира, 2000, вып.65, №1, - с.28.

8. Пат. 2037061 (РФ), 6 F 02 D 1/00. Система регулирования топливоподачи транспортного дизеля/ И.В. Леонов, В.И. Шатров, Л.Л. Михальский и др. //Открытия. Изобретения, 1995, №16.

9. Автомобильный справочник. - М.: „За рулем", 2000,- 896с.

10. А.С. 1624196 (СССР). Система топливоподачи/. Н.Н. Патрахальцев, О.В. Камышнеков, И.Ю. Олесов и др.

11. Фомин Ю.Я. Топливная аппаратура судовых дизелей.- М.: Транспорт. - 1975. -С.30-33 (прототип).

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам топливоподачи дизелей. Изобретение позволяет повысить экономические и экологические показатели автомобильных дизелей. Система топливоподачи автомобильного дизеля содержит форсунки, плунжерный топливный насос высокого давления, имеющий кулачковый вал, дозирующую рейку, насосные секции, состоящие из дозирующей и фазирующей плунжерных пар, рабочие полости которых сообщены с линией высокого давления через нагнетательные клапаны, а плунжерные втулки имеют впускные отверстия, сообщенные с линией низкого давления. Плунжерный топливный насос высокого давления дополнительно оснащен фазирующей рейкой, связанной с фазирующими плунжерами, верхние кромки которых выполнены в виде винтовой линии. В фазирующих втулках проточены кольцевые канавки, соединенные через промежуточные каналы с рабочими полостями дозирующих плунжерных пар. Расположение впускных отверстий обоих втулок и кольцевых канавок фазирующих втулок выполнено таким образом, что осуществление регулировки момента начала подачи топлива возможно только с помощью фазирующей рейки, а конца подачи - только с помощью дозирующей рейки. Система топливоподачи автомобильного дизеля дополнительно оснащена электронным блоком управления, имеющим электрическую связь с электромагнитами привода обеих реек, электронной педалью управления, датчиками частоты вращения коленчатого вала, относительно углового положения кулачкового вала, положения дозирующей рейки и положения фазирующей рейки. 4 ил.

Система топливоподачи автомобильного дизеля, содержащая форсунки, каждая из которых соединена подыгольной полостью с линией высокого давления, плунжерный топливный насос высокого давления, имеющий кулачковый вал, дозирующую рейку, насосные секции, состоящие из дозирующей и фазирующей плунжерных пар, рабочие полости которых сообщены с линией высокого давления через нагнетательные клапаны, а плунжерные втулки имеют впускные отверстия, сообщенные с линией низкого давления, отличающаяся тем, что плунжерный топливный насос высокого давления дополнительно оснащен фазирующей рейкой, связанной с фазирующими плунжерами, верхние кромки которых выполнены в виде винтовой линии, а в фазирующих втулках проточены кольцевые канавки, соединенные через промежуточные каналы с рабочими полостями дозирующих плунжерных пар, причем расположение впускных отверстий обоих втулок и кольцевых канавок фазирующих втулок выполнено таким образом, что осуществление регулировки момента начала подачи топлива возможно только с помощью фазирующей рейки, а конца подачи - только с помощью дозирующей рейки, и что система топливоподачи автомобильного дизеля дополнительно оснащена электронным блоком управления, имеющим электрическую связь с электромагнитами привода обеих реек, электронной педалью управления, датчиками частоты вращения коленчатого вала, относительно углового положения кулачкового вала, положения дозирующей рейки и положения фазирующей рейки.