СИСТЕМА ВПРЫСКА ТОПЛИВА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК F02M63/00 

Настоящее изобретение относится к системе впрыска топлива в цилиндры двигателей внутреннего сгорания, в частности в цилиндры двигателей с воспламенением от сжатия.

Практически все известные в настоящее время системы впрыска топлива современных дизельных двигателей можно разделить на две функционально разные группы: системы с механическим управлением и системы с топливными аккумуляторами высокого давления. В большинстве дизельных двигателей большой мощности для автомобилей большой грузоподъемности для впрыска топлива используют насос-форсунки с механическим приводом и электронным управлением. В дизельных двигателях небольшой мощности для впрыска топлива используют в основном либо системы впрыска топлива с механическим приводом соединенных с форсунками плунжерных насосов, либо системы с топливными аккумуляторами высокого давления (ТАВД), так называемые системы "common rail".

В настоящее время известно несколько типов насос-форсунок с механическим приводом. Все они могут создавать исключительно высокое давление впрыска и обладают сравнительно высоким гидравлическим и механическим коэффициентом полезного действия, что является одним из наиболее важных преимуществ насос-форсунок перед системами с ТАВД. Другим преимуществом насос-форсунок с механическим приводом является их существенно более высокая по сравнению с системами с ТАВД долговечность. Более низкая в сравнении с системами с механическим приводом насос-форсунок долговечность систем впрыска с ТАВД обусловлена главным образом постоянным воздействием на их элементы максимального давления, необходимого для впрыска топлива в цилиндры двигателя. Другим существенным преимуществом систем с механическим приводом насос-форсунок является присущая им способность обеспечивать благоприятный характер изменения скорости подачи топлива за один цикл впрыска (характеристика впрыска). Создание систем впрыска топлива с ТАВД с такими же характеристиками связано с определенными трудностями, и поэтому, когда на определенных режимах работы двигателя требуется обеспечить присущую таким системам прямоугольную характеристику впрыска, современные насос-форсунки с регулирующими клапанами непосредственного управления распылителем также способны обеспечить такую характеристику впрыска. Это придает системам последнего типа большую гибкость при регулировании характеристики впрыска.

С другой стороны, системы впрыска с ТАВД обладают по сравнению с системами впрыска с механическим управлением и определенными преимуществами. Наиболее существенным достоинством таких систем при их использовании в автомобилях большой грузоподъемности является практически неограниченная возможность регулирования процесса впрыска по времени и возможность многократного впрыска. Такие возможности систем впрыска топлива с ТАВД становятся особенно важными в связи с внедрением на автомобилях с дизельными двигателями различных систем обработки отработавших газов и разработкой альтернативных процессов сгорания топлива, таких как HCCI. Использование в системах впрыска с механическим управлением кулачка для привода плунжерного насоса существенно ограничивает их способность обеспечить необходимое регулирование процесса впрыска и возможность многократного впрыска. Другим преимуществом системы впрыска с ТАВД по сравнению с системами впрыска с механическим управлением является возможность снижения паразитных потерь мощности двигателя при его работе в диапазоне малых нагрузок и на холостом ходу. При работе двигателя в этих режимах система впрыска с ТАВД позволяет более точно регулировать расход топлива, чем системы впрыска с механическим приводом насоса с плунжером большого диаметра. Кроме того, системы впрыска с механическим управлением создают очень высокий уровень шума, причиной которого может быть не только сама система впрыска топлива, но и вибрации, возникающие в трансмиссии, передающей крутящий момент, необходимый для привода плунжера. Высокий уровень шума, создаваемого системой впрыска топлива с механическим управлением, проявляется прежде всего при работе двигателя на холостом ходу. Работа систем впрыска с ТАВД практически не вносит заметного вклада в общий уровень шума, создаваемого двигателем на любом режиме работы.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать новую, комбинированную систему впрыска топлива с механическим приводом плунжерного насоса (насос-форсунки), которая обладала бы функциональными возможностями системы впрыска с ТАВД. В настоящем изобретении ставится задача разработки системы впрыска топлива, которая на одних режимах работы двигателя могла бы селективно работать на принципах системы с механическим управлением или на принципах системы с ТАВД и использовать их соответствующие преимущества, а на других режимах, на которых соответствующие недостатки одной из систем отрицательно сказываются на характеристике двигателя, может работать на принципах другой системы.

В патенте US 6247450 В1 на имя Jiang описана система впрыска топлива, имеющая насос-форсунку с механическим приводом с управляющим клапаном и ТАВД. В этой системе давление топлива в ТАВД регулируют при сравнительно низком уровне давления, и топливо под этим давлением подают в насос-форсунку через калиброванное дозирующее дроссельное отверстие, которое открывается в определенной точке обратного хода плунжера насос-форсунки и закрывается при других положениях плунжера. Количество топлива, попадающего в надплунжерное пространство, зависит от давления в ТАВД и продолжительности открытия дроссельного отверстия. При рабочем ходе плунжера дроссельное отверстие закрывается, и плунжер прикладывает давление к топливу, находящемуся в надплунжерном пространстве, размеры которого позволяют создавать в нем необходимое давление впрыска. Надплунжерное пространство соединено со входом обычного распылителя с подпружиненным запорным элементом через регулирующий клапан. При повышении давления в надплунжерном пространстве до необходимого уровня этот регулирующий клапан открывается, и вытесняемое плунжером топливо через распылитель впрыскивается в цилиндр двигателя. При закрытии клапана и распылителя, отверстие которого закрывается под действием возвратной пружины, впрыск топлива в цилиндр прекращается.

В этой системе для регулирования впрыска плунжер должен оставаться неподвижным в верхней точке рабочего хода и поддерживать в надплунжерном пространстве давление, создаваемое в нем во время рабочего хода плунжера. Закрытое при обратном и прямом ходе плунжера дроссельное отверстие исключает возможность впрыска топлива в течение преобладающей части этого времени. Очевидно, что в такой системе впрыск топлива не может происходить в любое время, а происходит только в тот момент, когда плунжер находится вблизи верхней точки своего рабочего хода, поскольку даже при открытом во время прохождения топлива через дроссельное отверстие регулирующем клапане и давлении в ТАВД, превышающем давление, при котором пружина открывает отверстие распылителя, впрыску топлива препятствует перепад давлений, который необходимо поддерживать в дроссельном отверстии для дозирования количества впрыскиваемого в цилиндр двигателя топлива.

Помимо ограниченной возможности регулирования впрыска система, описанная в патенте US 6247450, имеет и другие недостатки, заключающиеся, в частности, в неблагоприятной характеристике впрыска в начале и в конце цикла впрыска, в ограниченном диапазоне давлений впрыска и т.д.

В качестве примера другой известной в настоящее время системы впрыска топлива, которая имеет отношение к настоящему изобретению, можно назвать систему впрыска топлива с регулируемыми давлением и продолжительностью впрыска фирмы Cummins Inc. Различные варианты подобной системы описаны в патентах US 3544008, US 4092964 и US 5445323. Система такого типа содержит насос-форсунки, топливо в которые подается из ТАВД. В этой системе, однако, ТАВД не предназначен для непосредственного впрыска топлива в цилиндр двигателя, а используется для дозированной подачи в надплунжерное пространство топлива, которое при прямом ходе плунжера вытесняется через распылитель. Такие системы обладают ограниченными возможностями регулирования процесса впрыска по времени и требуют использования при каждом впрыске механического привода плунжерного насоса.

Основной задачей настоящего изобретения является разработка системы впрыска топлива, которая на одних режимах режима работы двигателя может селективно работать и на принципах системы с механическим управлением или приводом насос-форсунки, и на принципах системы с ТАВД, используя их соответствующие преимущества, а на других режимах во избежание недостатков, присущих одной из систем, может работать на принципах другой системы.

В более узком смысле задачей настоящего изобретения является разработка системы впрыска топлива с более широким по сравнению с известными системами впрыска с механическим управлением диапазоном регулирования продолжительности впрыска, позволяющим впрыскивать топливо в цилиндры двигателя при любом угловом положении вала двигателя, с более широким в сравнении с известными системами впрыска с ТАВД диапазоном давлений впрыска и широкими возможностями регулирования характеристики впрыска. Предлагаемая в изобретении система для снижения шума двигателя на холостом ходу и в диапазоне малых нагрузок может работать на принципах системы с ТАВД, а на режимах, требующих высокого давления впрыска, может работать на принципах системы с механическим управлением, что позволяет использовать в ней сравнительно простую по конструкции систему с ТАВД и повысить ее долговечность за счет работы при сравнительно низком максимальном давлении. Предлагаемая в изобретении система впрыска, использующая принципы работы обеих систем, при соответствующем управлении моментами и продолжительностью запитывания регулирующего клапана позволяет получать не только обычные для систем с механическим приводом насос-форсунок и систем с ТАВД характеристики впрыска, например характеристики впрыска прямоугольной или треугольной формы, характеристики впрыска с предварительным впрыскиванием, подвпрыскиванием под высоким давлением и поздним подвпрыскиванием, но и характеристики впрыска так называемой "башмачной" формы.

Еще одной задачей настоящего изобретения является разработка системы впрыска топлива, которая помимо перечисленных выше особенностей надежно защищена от возникновения в ней слишком высокого давления.

Указанные задачи решаются в предлагаемой в изобретении системе впрыска топлива для двигателя внутреннего сгорания, содержащей распылитель со входом, плунжер с приводом от кулачка, ограничивающий надплунжерное пространство, соединенное со входом распылителя, топливный аккумулятор высокого давления (ТАВД), регулирующий клапан, установленный между надплунжерным пространством и ТАВД и позволяющий по электрическому управляющему сигналу соединять надплунжерное пространство с ТАВД или отсоединять их друг от друга, имеющий электропривод клапан управления распылителем, предназначенный для открытия и закрытия распылителя, устройство для создания и регулирования давления топлива в ТАВД и топливный бак.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения между надплунжерным пространством и ТАВД установлен обратный клапан, вход которого соединен с ТАВД. Регулирующий клапан в третьем положении отсоединяет надплунжерное пространство от ТАВД и соединяет надплунжерное пространство со сливной линией, во втором положении отсоединяет надплунжерное пространство от сливной линии и ТАВД, а в первом положении отсоединяет надплунжерное пространство от сливной линии и соединяет надплунжерное пространство с ТАВД.

В одном из частных вариантов осуществления устройство для создания и регулирования давления топлива в ТАВД содержит гидравлический насос переменной производительности и устройство для регулирования производительности насоса и создания таким путем необходимого давления в ТАВД или гидравлический насос с постоянной производительностью и устройство для регулирования частоты вращения насоса. В последнем случае гидравлический насос приводится в действие стартером двигателя. Максимальное давление в ТАВД может составлять при этом 600 бар.

В другом варианте система впрыска топлива содержит распылитель со входом и иглой, упругое звено, которое поджимает иглу в направлении, в котором она закрывает распылитель, золотник, который установлен в распределительной камере с входным дросселем и выходным отверстием и который упирается в иглу, которая при повышении давления в распределительной камере под действием золотника закрывает распылитель, плунжер с приводом от кулачка, ограничивающий надплунжерное пространство, соединенное со входом распылителя, ТАВД, регулирующий клапан, расположенный между надплунжерным пространством и ТАВД и позволяющий по электрическому управляющему сигналу соединять надплунжерное пространство с ТАВД или отсоединять их друг от друга, клапан управления распылителем (КУР), расположенный между выходным отверстием распределительной камеры и сливной линией и позволяющий соединять выходное отверстие распределительной камеры со сливной линией или отсоединять их друг от друга, устройство для создания и регулирования давления топлива в ТАВД и топливный бак, при этом входной дроссель соединен с надплунжерным пространством или с ТАВД. Эффективные площади проходных сечений входного дросселя, выходного отверстия распределительной камеры и КУР и усилие упругого звена подобраны с таким расчетом, чтобы открытие КУР сопровождалось движением иглы в направлении открытия, а тем самым и открытием распылителя при давлении на входе в распылитель, меньшем максимального рабочего давления в ТАВД.

В предпочтительных осуществлениях этого варианта выходное отверстие распределительной камеры и расположенный в ней золотник могут быть выполнены таким образом, что золотник при его нахождении в положении, соответствующем открытому распылителю, сужает проходное сечение выходного отверстия распределительной камеры, ограничивая тем самым утечку находящегося под давлением топлива через входной дроссель, выходное отверстие и открытый КУР в сливную линию.

В еще одном варианте система впрыска топлива содержит распылитель со входом и иглой, упругое звено, которое поджимает иглу в направлении, в котором она закрывает распылитель, золотник, который установлен в распределительной камере и который упирается в иглу, которая при повышении давления в распределительной камере под действием золотника закрывает распылитель, плунжер с приводом от кулачка, ограничивающий надплунжерное пространство, соединенное со входом распылителя, ТАВД, регулирующий клапан, расположенный между надплунжерным пространством и ТАВД и позволяющий по электрическому управляющему сигналу соединять надплунжерное пространство с ТАВД или отсоединять их друг от друга, КУР, который в первом положении отсоединяет распределительную камеру от сливной линии и соединяет надплунжерное пространство с распределительной камерой, а во втором положении отсоединяет распределительную камеру от надплунжерного пространства и соединяет распределительную камеру со сливной линией, устройство для создания и регулирования давления топлива в ТАВД и топливный бак. В этом варианте при нахождении КУР во втором положении в ТАВД можно создать давление, достаточно высокое для преодоления усилия упругого звена и открытия распылителя.

В предпочтительных осуществлениях этого варианта КУР в первом положении отсоединяет распределительную камеру от сливной линии и соединяет распределительную камеру с ТАВД, а во втором положении отсоединяет распределительную камеру от ТАВД и соединяет распределительную камеру со сливной линией.

На фиг.1-9 показаны схемы нескольких вариантов выполнения предлагаемой в изобретении системы впрыска топлива.

Предлагаемая в первом варианте осуществления изобретения система впрыска топлива, показанная на фиг.1, состоит из топливной форсунки 1 с нормально закрытым распылителем 2 и регулирующим электромагнитным клапаном 3, который управляет распылителем (сокращенно КУР, клапан управления распылителем), предназначенного для нагнетания топлива устройства 4 с механическим приводом, содержащего плунжер 5, взаимодействующий с ним кулачок 6 и надплунжерное пространство 7, возвратной пружины 8 и электромагнитного регулирующего клапана 9, ТАВД 10, соединенного с группой форсунок и с механическим приводным устройством в двигателе (не показан), устройства 11 для создания в ТАВД высокого давления и его поддержания на требуемомо уровне, сливной линии 12 низкого давления и топливного бака 13. Регулирование давления в топливном аккумуляторе 10 и управление клапанами 3 и 9 осуществляется не показанным на чертеже электронным блоком управления.

Топливная форсунка 1 работает как обычная хорошо известная форсунка, используемая в системах впрыска топлива с ТАВД. Форсунка 1, как и все форсунки подобного типа, имеет иглу 15, которая под действием поджимающей ее пружины 14 закрывает распылитель 2, расположенный в распределительной (золотниковой) камере 17 золотник 16, который при повышении давления в распределительной камере 17 упирается в иглу 15 и закрывает распылитель, входной дроссель 18 и выходное отверстие 19. Входной дроссель 18 соединяет распределительную камеру 17 с надплунжерным пространством 7, а выходное отверстие 19 соединяет распределительную камеру с КУР 3. По соответствующему сигналу управления регулирующий электромагнитный клапан соединяет выходное отверстие 19 распределительной камеры со сливной линией 12. Площади проходного сечения входного дросселя, выходного отверстия и каналов регулирующего электромагнитного клапана подобраны с таким расчетом, чтобы при открытии регулирующего электромагнитного клапана и сопровождающем такое его открытие падении давления в распределительной камере действующего на конусную поверхность иглы 15 давления было достаточно для ее подъема и тем самым для открытия распылителя 2. Как и во всех известных системах впрыска топлива с ТАВД, выходное отверстие 19 распределительной камеры и золотник 16 выполнены таким образом, что золотник при его нахождении в положении, соответствующем открытому распылителю 2, сужает проходное сечение выходного отверстия распределительной камеры, ограничивая тем самым утечку находящегося под давлением топлива через входной дроссель 18, выходное отверстие 19 и открытый КУР 3 в сливную линию 12.

Надплунжерное пространство 7 соединено со входом распылителя 2. Соединением надплунжерного пространства с ТАВД 10 и отсоединением надплунжерного пространства от ТАВД управляет регулирующий клапан 9.

Предлагаемая в изобретении система впрыска топлива работает следующим образом. Давление топлива в ТАВД 10 поддерживается на определенном постоянном уровне в зависимости от конкретного режима работы двигателя. При относительно низком давлении впрыска, например, на режиме холостого хода или при работе двигателя в диапазоне сравнительно малых нагрузок, регулирующий клапан 9 остается открытым в течение всего рабочего цикла двигателя. При прямом ходе плунжер 5 вытесняет топливо из надплунжерного пространства через открытый регулирующий клапан 9 обратно в ТАВД 10, при этом давление в надплунжерном пространстве возрастает незначительно при небольших затратах мощности, необходимой для перемещения плунжера. Для впрыска топлива в цилиндр двигателя необходимо открыть КУР 3, при открытии которого давление в распределительной камере 17 и золотник 16, и игла 15 поднимаются вверх и открывают распылитель. Затем через открытый распылитель до момента закрытия КУР топливо под давлением, которое создается в ТАВД, впрыскивается в цилиндр двигателя. После закрытия КУР давление в распределительной камере снова возрастает до давления в ТАВД, и нагруженный пружиной 14 золотник 16 закрывает распылитель. Такой режим работы системы впрыска в дальнейшем называется режимом работы от ТАВД. Необходимо отметить, что при работе системы впрыска в режиме работы от ТАВД разность между давлением в ТАВД 10 и давлением в сливной линии 12 должна быть больше давления, при котором происходит открытие нагруженной пружиной иглы распылителя 2 и которое, как известно, определяется предварительным сжатием пружины 14 и размером конусной поверхности находящейся в закрытом положении иглы 15.

Работа системы впрыска в режиме работы от ТАВД позволяет уменьшить уровень шума, возникающего в системах впрыска топлива с механическим управлением при повышении и резком снижении мощности механического привода плунжерного насоса, в частности насос-форсунки. Использование ТАВД обеспечивает возможность впрыска топлива в любой момент рабочего цикла двигателя. Максимальное рабочее давление ТАВД можно выбрать, с одной стороны, с учетом его стоимости, срока службы и ряда других параметров, а с другой стороны, с учетом всех преимуществ такого способа впрыска, таких как возможность гибкого регулирования впрыска, снижение уровня шума и других параметров, которые улучшают характеристики двигателя. Обычно максимальное рабочее давление в ТАВД выбирают в пределах от 200 до 600 бар.

При необходимости впрыска топлива под более высоким давлением во время прямого хода плунжера 5 регулирующий клапан 9 кратковременно закрывают. При закрытии регулирующего клапана 9 давление в надплунжерном пространстве 7, на входе в дроссель 18 и на входе в распылитель 2 возрастает. По достижении определенного давления КУР открывается, и топливо через распылитель впрыскивается в цилиндр двигателя, о чем говорилось выше. Окончание впрыска топлива определяется интервалом времени между моментом закрытия КУР и моментом открытия регулирующего клапана 9. Такой режим работы системы по существу не отличается от режима работы обычных, хорошо известных систем впрыска с электронным управлением и механическим приводом насос-форсунок, который в дальнейшем называется режимом ЭУМПНФ. Работа предлагаемой в изобретении системы впрыска топлива в режиме ЭУМПНФ обеспечивает возможность впрыска топлива под очень высоким давлением, характерным для известных систем с насос-форсунками и насосными агрегатами. В то же самое время предлагаемая в изобретении система впрыска топлива, в которой высокое давление создается только в сравнительно небольшом пространстве, перекрытом регулирующим клапаном 9, лишена присущих системам впрыска с ТАВД недостатков, обусловленных очень высоким давлением и в ТАВД, и в других заполненных топливом полостях системы. Фактически при работе в режиме ЭУМПНФ давление в ТАВД может быть уменьшено до очень низкого уровня порядка 4-6 бар, достаточного для заполнения топливом надплунжерного пространства 7 при обратном ходе плунжера.

Предлагаемая в другом, показанном на фиг.2, варианте осуществления изобретения система впрыска топлива отличается от рассмотренной выше наличием установленного между входом распылителя 2 и ТАВД 10 обратного клапана 20, вход которого соединен с ТАВД. Обратный клапан 20, который открывается при обратном ходе плунжера 5, уменьшает перепад давлений между надплунжерным пространством 7 и ТАВД, из-за которого в отсутствие обратного клапана 20 на входе распылителя 2 создается слишком малое для работы системы впрыска в режиме работы от ТАВД давление. Иными словами, наличие в системе впрыска обратного клапана 20 обеспечивает возможность впрыска топлива при обратном ходе плунжера. С другой стороны, наличие в

системе обратного клапана позволяет уменьшить размеры проходных сечений регулирующего клапана 9. Уменьшение размеров проходных сечений регулирующего клапана позволяет увеличить его быстродействие, уменьшить габариты, потребляемую мощность и т.д.

Описанный выше принцип управления движением иглы 15 распылителя может оказаться непригодным при необходимости обеспечить высокую скорость открытия и закрытия иглы. Решить эту проблему можно с помощью трехходового клапана при соответствующем изменении гидравлической схемы. В еще одном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.3 и 4, управление иглой распылителя осуществляется трехходовым клапаном 3, расположенным между надплунжерным пространством и распределительной камерой 17. В этом варианте изобретения распределительная камера соединена только с КУР, которым распределительную камеру 17 можно соединить либо как показано на чертежах, с источником давления, либо со сливной линией 12 низкого давления. При открытии КУР распределительная камера отсоединяется от источника давления и соединяется со сливной линией, и быстрый слив топлива из распределительной камеры сопровождается быстрым открытием иглы. При закрытии КУР распределительная камера 17 отсоединяется от сливной линии и снова соединяется с источником давления, быстрое возрастание которого в распределительной камере увеличивает скорость закрытия иглы.

Аналогично показанному на фиг.2 варианту в этом варианте осуществления изобретения можно использовать показанный на фиг.4 обратный клапан 20, вход которого соединен с ТАВД, а выход - с распылителем 2 и который расширяет диапазон возможного временного регулирования впрыска топлива в цилиндр и позволяет использовать регулирующий клапан 9 с меньшей максимальной площадью проходного сечения.

В еще одном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.5, используется трехпозиционный трехходовой регулирующий клапан 9, установленный между надплунжерным пространством 7 и ТАВД 10. С помощью такого регулирующего клапана 9 надплунжерное пространство 7 можно соединить с ТАВД или сливной линией 12 или отсоединить надплунжерное пространство от них. В остальном этот вариант не отличается от варианта, показанного на фиг.3. Преимуществом варианта, показанного на фиг.5, является возможность так называемого "перепуска" или "слива" топлива в конце впрыска.

Предлагаемая в этом варианте осуществления изобретения система впрыска начинает работать в режиме работы от ТАВД после открытия КУР и сброса давления в распределительной камере 17, в результате падения которого происходит открытие распылителя 2.

При работе системы впрыска в режиме работы от ТАДВ топливо подается в распылитель из ТАВД через открытый регулирующий клапан 9, как это показано на фиг.5. При работе системы впрыска в этом режиме регулирующий клапан 9 находится в первом положении. При закрытии КУР давление в распределительной камере 17 возрастает и распылитель закрывается. Во время прямого хода плунжера 5 топливо вытесняется в ТАВД через регулирующий клапан 9, что препятствует чрезмерному возрастанию давления в системе и тем самым эффективно предотвращает возможность проворачивания и разъединения механизма привода плунжеров.

При работе предлагаемой в этом варианте осуществления изобретения системы впрыска в режиме ЭУМПНФ регулирующий клапан 9 во время прямого хода плунжера 5 переключается из первого положения во второе. Во втором положении регулирующий клапан 9 отсоединяет надплунжерное пространство 7 от ТАВД и сливной линии. При возрастании давления в системе до определенного уровня и открытии КУР игла 15 открывается, открывая тем самым отверстие или отверстия распылителя, как это описано выше. При открытии иглы в цилиндр двигателя под действием высокого давления плунжерного насоса впрыскивается определенное количество топлива. Закончить впрыск топлива можно различными путями. Обычно для этого закрывают КУР и снова создают давление в распределительной камере 17. Для создания противодавления в конце впрыска регулирующий клапан 9 можно оставить закрытым во втором положении до полного закрытия распылителя или же переключить его обратно в первое положение. Под действием высокого давления, которое создается в распределительной камере 17, и усилия возвратной пружины 14 игла быстро закрывает распылитель. Для "перепуска" или "слива" топлива в конце впрыска регулирующий клапан 9 необходимо переключить в третье положение, в котором надплунжерное пространство 7 соединяется со сливной линией и отсоединяется от ТАВД. Закрытие иглы распылителя в этом случае происходит под действием возвратной пружины 14 при низком давлении топлива в распылителе.

При "перепуске" топлива и одновременном создании противодавления в конце впрыска КУР можно напрямую соединить с ТАВД, как это показано на фиг.6. Для окончания впрыска КУР переключается в положение, в котором он отсоединяет распределительную камеру 17 от сливной линии 12 и соединяет ее с ТАВД. При переключении регулирующего клапана 9 в третье положение давление в надплунжерном пространстве и распылителе падает, и игла закрывает распылитель под действием возвратной пружины 14 и давления в распределительной камере 17. В этом варианте осуществления изобретения в распылителе можно установить сравнительно слабую возвратную пружину 14 и уменьшить минимальное давление в ТАВД, при котором система может работать в режиме работы от ТАВД.

Для упрощения в предлагаемых в изобретении системах впрыска топлива, варианты выполнения которых показаны на фиг.5 и 6, вместо трехходового можно использовать, как показано на фиг.7 и 8, двухходовой клапан управления распылителем. Функционально системы, показанные на фиг.7 и 8, ничем не отличаются от систем, показанных на фиг.5 и 6. Конструкция и принцип действия двухходового клапана управления распылителем (КУР) были рассмотрены выше.

Преимуществом вариантов, показанных на фиг.6 и 8, является лучшая по сравнению с другими вариантами защита системы от слишком высокого давления. Связано это с тем, что в этих вариантах вход распределительной камеры 17 соединен с ТАВД (либо напрямую, либо через КУР), а не с надплунжерным пространством 7, как в других вариантах (фиг.1-5, 7) или в известных в настоящее время подобных системах впрыска топлива. В этих упомянутых последними системах при выходе из строя КУР и, как следствие, невозможности его открытия, сброс давления, которое создается при прямом ходе плунжера в надплунжерном пространстве, оказывается невозможен, поскольку в этом случае давление одновременно повышается и в распылителе, и в распределительной камере 17 и не допускает открытие иглы распылителя. Результатом этого могут быть серьезные механические повреждения системы впрыска и двигателя. Соединение в вариантах, показанных на фиг.6 и 8, распределительной камеры 17 с ТАВД позволяет конструктивно ограничить максимальное давление, которое может возникнуть в форсунке с закрытой иглой распылителя. Предельное максимальное давление в предлагаемой в этих вариантах системе впрыска топлива зависит от предварительного сжатия возвратной пружины 14, диаметра золотника 16 и давления в ТАВД 10, которое можно легко ограничить обычным предохранительным клапаном.

Такой способ конструктивного ограничения максимального давления можно использовать и в других вариантах выполнения предлагаемой в изобретении системы впрыска топлива. Примеры таких систем с конструктивным ограничением максимального давления показаны на фиг.9а и 9б.

На фиг.10 показан еще один вариант выполнения предлагаемой в изобретении системы впрыска топлива, в которой для непосредственного регулирования положения иглы 15 распылителя 2 предназначен встроенный в форсунку имеющий электропривод клапан 21 управления распылителем. Иглу 15 распылителя можно механически соединить с подвижным якорем 22 КУР 3. Предлагаемая в этом варианте осуществления изобретения система впрыска топлива может также, как и в рассмотренных выше вариантах, работать в режиме работы от ТАВД и/или в режиме ЭУМПНФ. В качестве имеющего электропривод клапана 21 управления распылителем можно использовать клапан с электромагнитным приводом или предпочтительно клапан с пьезоэлектрическим приводом, отличающимся высоким быстродействием и высокой точностью регулирования положения иглы 15 распылителя.

Все рассмотренные выше варианты осуществления изобретения позволяют регулировать характеристику впрыскивания различными путями. При работе системы впрыска в режиме ЭУМПНФ давление открытия иглы (ДОИ) можно регулировать соответствующей задержкой момента открытия КУР 3 относительно момента закрытия регулирующего клапана 9. В вариантах, показанных на фиг.6, 8 и 9, для повышения максимального ДОИ можно использовать золотник 16, у которого диаметр больше диаметра иглы 15. При увеличении ДОИ характеристика впрыскивания приближается к прямоугольной, а при уменьшении ДОИ давление впрыска нарастает постепенно и поэтому характеристики впрыскивания имеет треугольную форму.

Настоящее изобретение позволяет также комбинировать между собой различные режимы многократного впрыскивания, такие как предварительное впрыскивание, разделенное впрыскивание и подвпрыскивание, которые обычно можно использовать в системах впрыска топлива с ЭУМПНФ и с ТАВД. Помимо этого предлагаемая в изобретении система обеспечивает возможность получения характеристики впрыска "башмачной" формы с переменным уровнем давления и переменной длительностью фазы, в которой характеристика впрыскивания имеет "башмачную" форму. Получение подобной характеристики впрыскивания обеспечивается работой системы впрыска топлива в течение одного цикла впрыскивания в режиме работы от ТАВД и в режиме ЭУМПНФ путем открытия КУР до начала прямого хода плунжера.

В качестве устройства 11 для создания и регулирования давления топлива в ТАВД 10 можно использовать насос с постоянной производительностью и регулятор давления, выполненный в виде регулируемого перепускного клапана. Производительность насоса выбирают с таким расчетом, чтобы максимальное давление в ТАВД было достаточным для работы двигателя в любом режиме. Уменьшить давление в системе можно с помощью установленного на выходе насоса перепускного клапана и слива излишка топлива из насоса обратно в топливный бак. В другом варианте для регулирования давления можно использовать насос с переменной производительностью, регулирование которой позволяет в любом режиме работы двигателя поддерживать в ТАВД давление на необходимом уровне при закрытом перепускном клапане, выполняющим в этом случае функции обычного предохранительного клапана. Использование насоса с переменной производительностью позволяет уменьшить потери мощности, однако стоимость таких насосов обычно выше стоимости насосов с постоянной производительностью. В качестве устройства 11 для создания и регулирования давления топлива в ТАВД можно использовать и обычный насос с постоянной производительностью с приводом от двигателя через механическую, гидромеханическую или электрическую передачу с переменным передаточным отношением. В последнем случае для привода насоса можно использовать не отдельный достаточно дорогой электродвигатель, а уже имеющийся на двигателе стартер.

В заключении необходимо отметить, что рассмотренные выше предпочтительные варианты осуществления изобретения не исключают других возможных вариантов его осуществления, не выходящих за его объем, определяемый формулой изобретения.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к системам впрыска топлива в цилиндры двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет разработать новую, комбинированную систему впрыска топлива с механическим приводом плунжерного насоса (насоса-форсунки), которая обладала бы функциональными возможностями системы впрыска с топливным аккумулятором высокого давления (ТАВД). Система впрыска топлива для двигателя внутреннего сгорания содержит распылитель со входом, плунжер с приводом от кулачка, ограничивающий надплунжерное пространство, соединенное со входом распылителя, ТАВД, регулирующий клапан, установленный между надплунжерным пространством и ТАВД и позволяющий по электрическому управляющему сигналу соединять надплунжерное пространство с ТАВД или отсоединять их друг от друга, имеющий электропривод клапан управления распылителем, предназначенный для открытия и закрытия распылителя, устройство для создания и регулирования давления топлива в ТАВД и топливный бак. Рассмотрены варианты системы впрыска топлива. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Система впрыска топлива для двигателя внутреннего сгорания, содержащая распылитель (2) со входом, плунжер (5) с приводом от кулачка, ограничивающий надплунжерное пространство (7), соединенное со входом распылителя, топливный аккумулятор (10) высокого давления (ТАВД), регулирующий клапан (9), установленный между надплунжерным пространством (7) и ТАВД (10) и позволяющий по электрическому управляющему сигналу соединять надплунжерное пространство с ТАВД или отсоединять их друг от друга, имеющий электропривод клапан (21) управления распылителем, предназначенный для открытия и закрытия распылителя (2), устройство (11) для создания и регулирования давления топлива в ТАВД (10) и топливный бак (13).2. Система впрыска топлива по п.1, в которой между надплунжерным пространством (7) и ТАВД (10) установлен обратный клапан (20), вход которого соединен с ТАВД.3. Система впрыска топлива по п.1, в которой регулирующий клапан (9) в третьем положении отсоединяет надплунжерное пространство (7) от ТАВД (10) и соединяет надплунжерное пространство (7) со сливной линией (12), во втором положении отсоединяет надплунжерное пространство (7) от сливной линии (12) и ТАВД (10), а в перовом положении отсоединяет надплунжерное пространство (7) от сливной линии (12) и соединяет надплунжерное пространство (7) с ТАВД (10).4. Система впрыска топлива по п.1, в которой устройство (11) для создания и регулирования давления топлива в ТАВД (10) содержит гидравлический насос переменной производительности и устройство для регулирования производительности насоса и создания таким путем необходимого давления в ТАВД.5. Система впрыска топлива по п.1, в которой устройство для создания и регулирования давления топлива в ТАВД (10) содержит гидравлический насос с постоянной производительностью и устройство для регулирования частоты вращения насоса и создания таким путем необходимого давления в ТАВД.6. Система впрыска топлива по п.5, в которой гидравлический насос 5 приводится в действие стартером двигателя.7. Система впрыска топлива по п.4 или 5, в которой максимальное давление в ТАВД (10) составляет 600 бар.8. Система впрыска топлива, содержащая распылитель (2) со входом и иглой (15), упругое звено (14), которое поджимает иглу в направлении, в котором она закрывает распылитель, золотник (16), который установлен в распределительной камере (17) с входным дросселем (18) и выходным отверстием (19) и который упирается в иглу (15), которая при повышении давления в распределительной камере (17) под действием золотника (16) закрывает распылитель, плунжер (5) с приводом от кулачка, ограничивающий надплунжерное пространство (7), соединенное со входом распылителя (2), топливный аккумулятор (10) высокого давления (ТАВД), регулирующий клапан (9), расположенный между надплунжерным пространством (7) и ТАВД (10) и позволяющий по электрическому управляющему сигналу соединять надплунжерное пространство с ТАВД или отсоединять их друг от друга, клапан (3) управления распылителем (КУР), расположенный между выходным отверстием (19) распределительной камеры (17) и сливной линией (12) и позволяющий соединять выходное отверстие (19) распределительной камеры со сливной линией или отсоединять их друг от друга, устройство (11) для создания и регулирования давления топлива в ТАВД (10) и топливный бак (13), при этом входной дроссель (18) соединен с надплунжерным пространством (7) или с ТАВД (10), отличающаяся тем, что эффективные площади проходных сечений входного дросселя (18), выходного отверстия (19) распределительной камеры и КУР (3) и усилие упругого звена (14) подобраны с таким расчетом, чтобы открытие КУР сопровождалось движением иглы (15) в направлении открытия, а тем самым и открытием распылителя при давлении на входе в распылитель, меньшем максимального рабочего давления в ТАВД.9. Система впрыска топлива по п.8, в которой между надплунжерным пространством (7) и ТАВД (10) установлен обратный клапан (20), вход которого соединен с ТАВД.10. Система впрыска топлива по п.8, в которой регулирующий клапан (9) в третьем положении отсоединяет надплунжерное пространство (7) от ТАВД (10) и соединяет надплунжерное пространство (7) со сливной линией (12), во втором положении отсоединяет надплунжерное пространство (7) от сливной линии (12) и ТАВД (10), а в первом положении отсоединяет надплунжерное пространство (7) от сливной линии (12) и соединяет надплунжерное пространство (7) с ТАВД (10).11. Система впрыска топлива по любому из пп.8-10, в которой выходное отверстие (19) распределительной камеры и расположенный в ней золотник (16) выполнены таким образом, что золотник (16) при его нахождении в положении, соответствующем открытому распылителю (2), сужает проходное сечение выходного отверстия (19) распределительной камеры, ограничивая тем самым утечку находящегося под давлением топлива через входной дроссель (18), выходное отверстие (19) и открытый КУР (3) в сливную линию (12).12. Система впрыска топлива по п.8, в которой устройство (11) для создания и регулирования давления топлива в ТАВД (10) содержит гидравлический насос переменной производительности и устройство для регулирования производительности насоса и создания таким путем необходимого давления в ТАВД.13. Система впрыска топлива по п.8, в которой устройство для создания и регулирования давления топлива в ТАВД (10) содержит гидравлический насос с постоянной производительностью и устройство для регулирования частоты вращения насоса и создания таким путем необходимого давления в ТАВД.14. Система впрыска топлива по п.8, в которой гидравлический насос приводится в действие стартером двигателя.15. Система впрыска топлива по п.12 или 13, в которой максимальное давление в ТАВД (10) составляет 600 бар.16. Система впрыска топлива, содержащая распылитель (2) со входом и иглой (15), упругое звено (14), которое поджимает иглу в направлении, в котором она закрывает распылитель, золотник (16), который установлен в распределительной камере (17) и который упирается в иглу (15), которая при повышении давления в распределительной камере (17) под действием золотника (16) закрывает распылитель, плунжер (5) с приводом от кулачка, ограничивающий надплунжерное пространство (7), соединенное со входом распылителя (2), топливный аккумулятор (10) высокого давления (ТАВД), регулирующий клапан (9), расположенный между надплунжерным пространством (7) и ТАВД (10) и позволяющий по электрическому управляющему сигналу соединять надплунжерное пространство с ТАВД или отсоединять их друг от друга, клапан (3) управления распылителем (КУР), который в первом положении отсоединяет распределительную камеру (17) от сливной линии (12) и соединяет надплунжерное пространство (7) с распределительной камерой (17), а во втором положении отсоединяет распределительную камеру (17) от надплунжерного пространства (7) и соединяет распределительную камеру (17) со сливной линией (12), устройство для создания и регулирования давления топлива в ТАВД (10) и топливный бак (13), отличающаяся тем, что при нахождении КУР (3) во втором положении в ТАВД (10) можно создать давление достаточно высокое для преодоления усилия упругого звена (14) и открытия распылителя (2).17. Система впрыска топлива по п.16, в которой между надплунжерным пространством (7) и ТАВД (10) установлен обратный клапан (20), вход которого соединен с ТАВД.18. Система впрыска топлива по п.16, в которой регулирующий клапан (9) в третьем положении отсоединяет надплунжерное пространство (7) от ТАВД (10) и соединяет надплунжерное пространство (7) со сливной линией (12), во втором положении отсоединяет надплунжерное пространство (7) от сливной линии (12) и ТАВД (10), а в первом положении отсоединяет надплунжерное пространство (7) от сливной линии (12) и соединяет надплунжерное пространство (7) с ТАВД (10).19. Система впрыска топлива по любому из пп.16-18, в которой КУР (3) в первом положении отсоединяет распределительную камеру (17) от сливной линии (12) и соединяет распределительную камеру (17) с ТАВД (10), а во втором положении отсоединяет распределительную камеру (17) от ТАВД (10) и соединяет распределительную камеру (17) со сливной линией (12).20. Система впрыска топлива по п.16, в которой устройство (11) для создания и регулирования давления топлива в ТАВД (10) содержит гидравлический насос переменной производительности и устройство для регулирования производительности насоса и создания таким путем необходимого давления в ТАВД.21. Система впрыска топлива по п.16, в которой устройство для создания и регулирования давления топлива в ТАВД (10) содержит гидравлический насос с постоянной производительностью и устройство для регулирования частоты вращения насоса и создания таким путем необходимого давления в ТАВД.22. Система впрыска топлива по п.21, в которой гидравлический насос приводится в действие стартером двигателя.23. Система впрыска топлива по п.20 или 21, в которой максимальное давление в ТАВД (10) составляет 600 бар.