УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТОПЛИВОПОДАЧЕЙ ДИЗЕЛЯ Российский патент 2005 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.

Современная тенденция улучшения управления дизеля требует интенсификации процесса подачи топлива и автоматизации рабочего процесса, т.е. повышения давления и сокращения продолжительности процесса впрыскивания и автоматического управления рабочим процессом в дизеле путем установки в двигатель электроуправляемых элементов. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что особое внимание необходимо уделять изменению и управлению цикловой подачей дизеля при коррекции скоростной характеристики и в значительной степени влиянию на экономичные показатели дизеля, скорости нарастания давления, а также на токсичность отработавших газов. Процесс изменения цикловой подачи дизеля определяет скорость увеличения или уменьшения давления топливоподачи, и следовательно, продолжительность впрыскивания и показатели дизеля. С появлением быстродействующей вычислительной техники заметен прогресс в деле создания математических моделей, с достаточной для практики точностью описывающих сложные процессы в поршневых ДВС.

Известно устройство управления топливоподачей дизеля (патент а.с. СССР №1192636, кл. F 02 М 59/36), содержащее корпус, размещенный 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.

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

Наиболее близким из известных устройств, позволяющим управлять топливоподачей дизеля (патент РФ №2156882, кл. F 02 М 59/36, опубл. БИПМ №27 (II), 27.09.2000), является устройство, содержащее корпус, размещенный 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.

Недостатком является то, что данное устройство обладает ограниченными возможностями управлением законом подачи топлива, т.к. учитывается изменение цикловой подачи топлива на частичных регуляторных характеристиках и не учитывается коррекция скоростной характеристики дизеля. Это не дает возможность достаточно адаптировать устройство к изменениям режимных параметров дизеля, таким образом управление цикловой подачей топлива осуществляется недостаточно эффективно.

В этой связи важнейшей является задача создания новой высокоэффективной системы топливоподачи с электронным управлением цикловой подачи дизеля, снабженной новой электроуправляемой системой, состоящей из программного блока, управляемого электромагнитным блоком, связанного с электромагнитным нагнетательным клапаном, управление которого осуществляется за счет подачи сигнала электронным блоком на обмотку электромагнита, тем самым задавая момент посадки электромагнитного нагнетательного клапана на седло, что позволяет изменять скорость посадки электромагнитного нагнетательного клапана на седло в зависимости от частоты вращения кулачкового вала, при этом управление становится автоматизированным из-за программно заданных в программном блоке режимов работы электромагнитного нагнетательного клапана, а каждой частоте вращения кулачкового вала соответствует определенный диапазон изменения угла закрытия нагнетательного клапана, в котором заметно изменяется цикловая подача топлива, этот диапазон расширяется и смещается в сторону увеличения угла закрытия клапана с повышением скорости вращения кулачкового вала, в результате чего улучшается управление топливоподачей.

Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение эффективности управления топливоподачей дизеля путем автоматизации изменения цикловой подачи топлива в пределах корректорной ветви скоростной характеристики дизеля.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство управления топливоподачей дизеля, содержащее корпус, размещенный 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, датчики частоты вращения кулачкового вала, электронный блок и исполнительный механизм, введен программный блок, задающий режимы работы электронного блока, а исполнительный механизм выполнен в виде взаимодействующего с нагнетательным клапаном электромагнита, образующий электромагнитный нагнетательный клапан, вход которого соединен с электронным блоком, введен датчик перемещения электромагнитного нагнетательного клапана, выход которого соединен с электронным блоком, а задатчиком режимов является программный блок, предназначенный для формирования корректорных скоростных характеристик дизеля, вид которых определяется углом закрытия электромагнитного нагнетательного клапана, зависящим от скорости вращения кулачкового вала и определяемый по следующей зависимости: ϕ_з=f(n_в), где ϕ_з - угол закрытия нагнетательного клапана, n_в - частота вращения кулачкового вала.

Благодаря тому что устройство снабжено новым исполнительным механизмом, состоящим из электромагнитного нагнетательного клапана, на котором размещен датчик его перемещения, выход которого соединен с электронным блоком, а вход и выход которого соединены с программным блоком с заданными в нем режимами работы электромагнитного нагнетательного клапана в зависимости от частоты вращения кулачкового вала, на котором установлен датчик частоты вращения, выход которого соединен с электронным блоком, обеспечивается управление цикловой подачи дизеля за счет управления моментом посадки электромагнитного нагнетательного клапана на седло.

Вследствие того что в насосной станции установлен электромагнитный нагнетательный клапан, обеспечивается управление цикловой подачей дизеля путем управления моментом посадки электромагнитного нагнетательного клапана на седло, следовательно скорости его посадки на седло, которые заданы в программном блоке управляющего электронным блоком посылающего сигнал на обмотку электромагнита электромагнитного нагнетательного клапана, в зависимости от частоты вращения кулачкового вала, а скорость посадки электромагнитного нагнетательного клапана задается электронным блоком после достижения его максимальной высоты подъема, такое управление позволяет изменять цикловую подачу дизеля путем изменения ее в пределах корректорной ветви скоростной характеристики дизеля, следовательно создавая алгоритм формирования корректорной ветви скоростной характеристики при номинальной частоте вращения коленчатого вала дизеля 4000 мин^-1, а при удвоенной скорости вращения кулачкового вала частота вращения его n_в=n=4000 мин^-1, в заданном линейном законе изменения цикловой подачи на корректорной ветви скоростной характеристики топливоподачи требуется определить характер изменения угла закрытия электромагнитного нагнетательного клапана, соответствующий заданному закону изменения цикловой подачи топлива, изменяя цикловую подачу топлива в функции угла закрытия электромагнитного нагнетательного клапана ϕ_з для различных частот вращения n_в кулачкового вала, значение цикловой подачи Q_ц, соответствующее определенным частотам вращения n_в кулачкового вала на скоростной характеристике топливоподачи, и наносятся на одноименные (по n_в) кривые изменения цикловой подачи по углу закрытия электромагнитного нагнетательного клапана, полученные при этом кривые позволяют определить законы изменения угла закрытия электромагнитного нагнетательного клапана ϕ_з в функции частоты вращения n_в кулачкового вала, при выполнении этих законов реализуются скоростные характеристики топливоподачи, что позволяет улучшить управление топливоподачей.

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 изображена схема устройства управления топливоподачей; на фиг.2 - график, иллюстрирующий зависимость скорости посадки электромагнитного нагнетательного клапана от угла его закрытия ϕ_з при различных частотах вращения кулачкового вала n_в; на фиг.3 - график, иллюстрирующий зависимость цикловой подачи топлива Q_ц от частоты вращения кулачкового вала n_в (скоростные характеристики топливоподачи): кривые, характеризующие различные законы корректирования цикловой подачи топлива на корректорном участке скоростной характеристики дизеля; на фиг.4 - график, иллюстрирующий зависимость цикловой подачи топлива Q_ц от угла закрытия электромагнитного нагнетательного клапана ϕ_з при различных значениях частоты вращения кулачкового вала n_в; на фиг.5 - график, иллюстрирующий зависимость угла закрытия нагнетательного клапана ϕ₃ от частоты вращения вала n_в: кривые, характеризующие различные законы корректирования цикловой подачи топлива на корректорном участке скоростной характеристики дизеля.

Устройство управления топливоподачей дизеля (фиг.1) содержит насосную станцию с механизмами изменения количества подаваемого топлива и исполнительный механизм с каналами управления цикловой подачей топлива, а также графики, характеризующие работу этого устройства.

Насосная станция включает корпус 1 с установленной в нем гильзой 2, в которой размещен топливоподающий плунжер 3, подпружиненный к кулачку 4 кулачкового вала 5. На верхней торцевой поверхности гильзы 2 установлен электромагнитный нагнетательный клапан 6 с седлом 7, образующие с гильзой 2 и плунжером 3 надплунжерную полость 8, имеющую наполнительный 9 и отсечной 10 каналы, выполненные соответственно в седле 7 нагнетательного клапана 6 и в гильзе 2. В корпусе 1 выполнены наполнительная 11 и сливная 12 топливные магистрали, сообщающиеся соответственно через наполнительный 9 и отсечной 10 каналы с надплунжерной полостью 8, а также штуцерный канал 13, через который поступает топливо в линию высокого давления (не показана).

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 и кинематически связана с дозирующей втулкой 14. При этом плунжер 3 имеет осевое сверление 16 и винтовую канавку 17, выполненную на цилиндрической поверхности плунжера 3 и образующую на ней отсечную кромку 18.

Исполнительный механизм включает программный блок 19 с заданными режимами посадки электромагнитного нагнетательного клапана 6 в зависимости от частоты вращения кулачкового вала 5 для задания режимов работы электронного блока 20, входы которого соединены с датчиком частоты вращения 21 кулачкового вала 5 и датчик перемещения 22 электромагнитного нагнетательного клапана 6.

Канал управления цикловой подачей топлива содержит штуцерный канал 13, соединенный с линией высокого давления (не показана), установленный на седле 7 электромагнитный нагнетательный клапан 6, управляемый электронным блоком 20 по заданным режимам программного блока 19. Причем один из выходов электронного блока 20 соединен с обмоткой электромагнита 23, установленного в корпусе 1, а сердечник 24 электромагнита 23, подпружиненный пружиной 25, соединен с электромагнитным нагнетательным клапаном 6.

Графики, характеризующие работу данного устройства, предназначены для формирования корректорных скоростных характеристик, вид которых определяется углом закрытия электромагнитного нагнетательного клапана 6, зависящим от скорости вращения кулачкового вала 5, и определяемый по следующей зависимости ϕ_з=f(n_в), где ϕ_з - угол закрытия нагнетательного клапана 6, n_в - частота вращения кулачкового вала 5.

Работа устройства управления цикловой подачей топлива дизеля осуществляется следующим образом.

При нахождении плунжера 3 в нижнем положении происходит наполнение надплунжерной полости 8 топливом корпуса 1 через наполнительный канал 9. Подача топлива в цилиндры дизеля осуществляется при движении плунжера 3 под действием набегающего кулачка 4 кулачкового вала 5. При дальнейшем движении плунжера 3 вверх происходит увеличение давления топлива в надплунжерной полости 8, вследствие этого перемещается электромагнитный нагнетательный клапан 6 вверх, при достижении максимальной высоты подъема электромагнитный нагнетательный клапан 6 принудительно садится на седло 7. 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).

Изменение цикловой подачи топлива осуществляется в насосной станции за счет управления моментом посадки электромагнитного нагнетательного клапана 6 на седло 7, следовательно скорости его посадки на седло 7, в программном блоке 19 программно заданы режимы посадки электромагнитного нагнетательного клапана 6, вход которого соединен с электронным блоком 20, посылающим сигнал на обмотку электромагнита 23 электромагнитного нагнетательного клапана 6, в зависимости от частоты вращения кулачкового вала 5, а скорость посадки электромагнитного нагнетательного клапана 6 задается электронным блоком 20 после достижения его максимальной высоты подъема.

Исполнительный механизм заявляемого устройства обеспечивает управление цикловой подачей топлива в соответствии с изменениями частоты вращения кулачкового вала 5 и нагрузки на дизель (подачи топлива). Такое управление цикловой подачей осуществляется следующим образом. В электронный блок 20 поступают сигналы U_w от датчика частоты вращения 21 кулачкового вала 5 и U_hp от датчика перемещения 22 электромагнитного нагнетательного клапана 6, характеризующие соответственно частоту вращения n_в кулачкового вала 5, положения электромагнитного нагнетательного клапана 6. В соответствии с сигналами U_w, поступающими в электронный блок 20, вход и выход которого соединены с программным блоком 19 с заложенными в нем программно частотами вращения кулачкового вала 5 и скоростями посадки электромагнитного нагнетательного клапана 6, программный блок 19 задает режимы работы электронного блока 20, при этом последний вырабатывает управляющий сигнал U_э, подаваемый на обмотку электромагнита 23, и при достижении электромагнитного нагнетательного клапана 6 максимальной высоты подъема электромагнитный нагнетательный клапан 6 садится на седло 7 со скоростью, заданной электронным блоком 20.

На фиг.2 показана характеристика скорости посадки электромагнитного нагнетательного клапана 6 от угла его закрытия ϕ₃ (угол поворота кулачкового вала 5) при различных частотах вращения n_в кулачкового вала 5, что позволяет характеризировать скорость посадки электромагнитного нагнетательного клапана 6 в зависимости от заданных в программном блоке 19 частот вращения n_в кулачкового вала 5:26 - n_в=2000 мин^-1; 27 - n_в=3000 мин^-1; 28 - n_в=4000 мин^-1. При достижении электромагнитным нагнетательным клапаном 6 максимального подъема фиксируется датчиком 22 положения электромагнитного нагнетательного клапана 6 и тем же датчиком 22 подается сигнал напряжения U_hp на электронный блок 20. Сигнал U_hp обрабатывается программным блоком 19, вход и выход которого соединены с электронным блоком 20, и в зависимости от частоты вращения кулачкового вала 5 и определяемой датчиком 21 частоты вращения кулачкового вала 5, и в зависимости от посылаемого сигнала напряжения U_w на электронный блок 20, посылается сигнал напряжения U_э (скорость подсадки) на обмотку электромагнита 23 электромагнитного нагнетательного клапана 6, и при этом электромагнитный нагнетательный клапан 6 садится на седло 7 с заданной скоростью, установленной в программном блоке 19.

На фиг.3 показана характеристика цикловой подачи топлива Q_ц от частоты вращения n_в кулачкового вала 5 (скоростные характеристики топливоподачи): 29, 30, 31 - различные законы корректирования цикловой подачи топлива на корректорном участке скоростной характеристики дизеля. Пусть номинальная частота вращения коленчатого вала дизеля 4000 мин^-1. При удвоенной скорости вращения кулачкового вала 5 частота вращения его n_в=n=4000 мин^-1. При заданном линейном законе изменения цикловой подачи на корректорной ветви скоростной характеристики топливоподачи (фиг.3) требуется определить характер изменения угла закрытия электромагнитного нагнетательного клапана 6, соответствующего заданному закону изменения цикловой подачи топлива.

На фиг.4 показана характеристика цикловой подачи топлива Q_ц от угла закрытия электромагнитного нагнетательного клапана 6 ϕ_з при различных значениях частоты вращения n_в кулачкового вала 5; 32, 33, 34 - различные законы корректирования цикловой подачи топлива. Полученные при этом зависимости 32, 33, 34 (штриховые линии) позволяют определить законы изменения угла закрытия электромагнитного нагнетательного клапана 6 ϕ_з в функции частоты вращения n_в кулачкового вала 5.

На фиг.5 показана характеристика угла закрытия электромагнитного нагнетательного клапана 6 ϕ_з от частоты вращения n_в кулачкового вала 5:35, 36, 37 - различные законы корректирования цикловой подачи топлива на корректором участке скоростной характеристики дизеля. При выполнении этих законов реализуются скоростные характеристики топливоподачи.

Выявлена очень важная особенность системы топливоподачи с электромагнитным нагнетательным клапаном 6. В 3 раза увеличился запас крутящего момента М_к. Во всем исследуемом диапазоне изменения частоты вращения кулачкового вала 5 и угла закрытия электромагнитного нагнетательного клапана 6 не отмечены подвпрыскивания топлива. Это объясняется приходом к форсунке (не показана) сгенерированных при посадке электромагнитного нагнетательного клапана 6 волн давления до закрытия иглы (не показана).

Предлагаемое устройство управления цикловой подачей дизеля способствует улучшению управления топливоподачей благодаря автоматизации процесса топливоподачи, наличию исполнительных элементов и электромагнитного нагнетательного клапана.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам управления топливоподачей дизелей транспортного назначения. Устройство управления топливоподачей дизеля содержит корпус, кулачковый вал и гильзу, топливоподающий плунжер с отсечной кромкой, нагнетательный клапан, надплунжерную полость, имеющую наполнительный и отсечной каналы, выполненные в корпусе наполнительную и сливную магистрали, дозирующую втулку, дозирующую рейку, наполнительный канал надплунжерной полости выполнен в седле нагнетательного клапана, датчик частоты вращения кулачкового вала, электронный блок и исполнительный механизм. Устройство содержит программный блок, задающий режимы работы электронного блока. Исполнительный механизм выполнен в виде взаимодействующего с нагнетательным клапаном электромагнита, образующий электромагнитный нагнетательный клапан, вход которого соединен с электронным блоком. Устройство содержит датчик перемещения электромагнитного нагнетательного клапана, выход которого соединен с электронным блоком. Задатчиком режимов является программный блок, предназначенный для формирования корректорных скоростных характеристик дизеля, вид которых определяется углом закрытия нагнетательного клапана, зависящим от скорости вращения кулачкового вала и определяемым по следующей зависимости ϕ_з=f(n_в), где ϕ_з - угол закрытия нагнетательного клапана, n_в - частота вращения кулачкового вала. 5 ил.

Устройство управления топливоподачей дизеля, содержащее корпус, размещенный 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, образующее 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, наполнительный канал надплунжерной полости выполнен в седле нагнетательного клапана, датчик частоты вращения кулачкового вала, электронный блок и исполнительный механизм, отличающееся тем, что устройство содержит программный блок, задающий режимы работы электронного блока, а исполнительный механизм выполнен в виде взаимодействующего с нагнетательным клапаном электромагнита, образующий электромагнитный нагнетательный клапан, вход которого соединен с электронным блоком, датчик перемещения электромагнитного нагнетательного клапана, выход которого соединен с электронным блоком, а задатчиком режимов является программный блок, предназначенный для формирования корректорных скоростных характеристик дизеля, вид которых определяется углом закрытия нагнетательного клапана, зависящим от скорости вращения кулачкового вала и определяемым по следующей зависимости ϕ_з=f(n_в),

где ϕ_з - угол закрытия нагнетательного клапана;

n_в - частота вращения кулачкового вала.