СИСТЕМА ПОДАЧИ ТОПЛИВА ДИЗЕЛЯ Российский патент 2020 года по МПК F02M59/02 F02M59/36 F02M39/02 F02M37/04 F02D1/00 F02D1/02 

Изобретение относится к системам питания поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с самовоспламенением, то есть к дизелям.

Известна система подачи топлива дизеля аккумуляторного типа, называемая Common-Rail, имеющая электромагнитные или пьезоэлектрические форсунки (электрофорсунки) и электронный блок управления (ЭБУ) [1]. Она позволяет регулировать цикловую подачу топлива, используя большое количество информационных переменных: угловую скорость коленчатого вала, положение педали акселератора, давление наддува, температуры воздуха и охлаждающей жидкости и др.

Эта система имеет следующие недостатки: 1) большое количество прецизионных пар; 2) низкий КПД системы из-за значительного расхода топлива, подаваемого на слив в процессе впрыска и поддержания постоянного давления в гидроаккумуляторе; 3) трудности в обеспечении идентичности цикловых подач топлива по цилиндрам ДВС.

Известна и широко применяется система подачи топлива разделенного типа [2]. Она имеет следующие основные элементы: топливный бак, подкачивающий насос, фильтр(ы), регулируемый плунжерный топливный насос высокого давления (ТНВД) распределительного типа кинематически связанный и синхронизированный с коленчатым валом дизеля, гидроуправляемые форсунки, трубопроводы высокого и низкого давления, регулятор цикловой подачи топлива, который задает определенную цикловую подачу топлива в каждый цилиндр мотора в зависимости от скоростного и нагрузочного режима работы дизеля. В таких системах применяют регуляторы цикловой подачи топлива механические, гидромеханические и пневматические.

Недостатки данной системы: 1) регулирование цикловой подачи топлива осуществляется по ограниченному количеству информационных переменных (по угловой скорости коленчатого вала двигателя ω_д, положению педали акселератора γ_д и давлению воздуха во впускном коллекторе р_к), что связано с отсутствием электрических исполнительных элементов регулятора, а, значит, с невозможностью использования ЭБУ; 2) трудности в интенсификации цикловой подачи топлива из-за значительных гидродинамических потерь в ТНВД, что не позволяет повысить КПД и снизить токсичность дизеля; 3) трудности в идентичности цикловых подач по цилиндрам при использовании ТНВД секционного типа, что приводит к увеличению крутильных колебаний коленчатого вала и как следствие снижает надежность мотора и повышает его материалоемкость.

Известны технические решения, позволяющие избавиться от указанных выше недостатков и в тоже время сохранить их преимущества [3], [4]. В данных изобретениях решались задачи: а) увеличение надежности дизеля за счет большей равномерности (идентичности) цикловых подач топлива по цилиндрам; б) уменьшение стоимости системы за счет меньшего количества особо точных (прецизионных) элементов; в) улучшения характеристик дизеля за счет использования ЭБУ цикловых подач топлива; г) увеличение КПД системы подачи топлива.

Указанные цели достигались тем, что система подачи топлива дизеля содержит плунжерный нерегулируемый топливный насос высокого давления распределительного типа, кинематически связанный и синхронизированный с коленчатым или распределительным валом дизеля, гидроуправляемые форсунки (по количеству цилиндров дизеля), микропроцессорный электронный блок, управляющий электромагнитным клапаном слива топлива, установленный в нагнетательной полости топливного насоса высокого давления с возможностью управления окончанием подачи топлива, моментом открытия и продолжительностью включения, при этом выходы датчиков положения поршня, угловой скорости коленчатого вала дизеля и положения педали акселератора соединены с входами электронного блока управления, выход которого соединен с электромагнитным клапаном слива.

Недостатком данного технического решения является то, что заполнение нагнетательной полости ТНВД осуществляется по одному каналу, а отсечка топлива и сброс давления - по другому, а именно через электроклапан. Это усложняет конструкцию ТНВД и может привести к разрежению в нагнетательной полости вплоть до кавитации и быстрому выходу из строя топливной аппаратуры дизеля.

Наиболее близкой является система подачи топлива дизеля (5), содержащая плунжерный нерегулируемый топливный насос высокого давления распределительного типа, кинематически связанный и синхронизированный с коленчатым или распределительным валом дизеля, гидроуправляемые форсунки цилиндров дизеля, электроклапан, установленный в нагнетательной полости топливного насоса с возможностью окончания подачи топлива к соответствующей форсунке цилиндра дизеля, электронный блок управления, входами соединенный с датчиками положения поршня, угловой скорости вала дизеля и положения педали акселератора, при этом электронный блок выполнен с возможностью управления моментом открытия электроклапана и его длительностью включения, отличающаяся тем, что в топливном насосе высокого давления сливной и всасывающий каналы объединены, а гидравлический вход электроклапана подключен к выходу насоса подкачки через топливный фильтр.

Недостатком данного технического решения является отсутствие регулятора угла опережения впрыска топлива, что ухудшает характеристики дизеля.

Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение надежности, уменьшение стоимости системы, улучшение характеристик дизеля, увеличение КПД системы подачи топлива.

Указанная цель достигается за счет применения системы подачи топлива дизеля, содержащей плунжерный топливный насос высокого давления распределительного типа, гидроуправляемые форсунки цилиндров дизеля, электроклапан, установленный в нагнетательной полости топливного насоса с возможностью окончания подачи топлива к соответствующей форсунке цилиндра дизеля, электронный блок управления, входами соединенный с датчиками положения поршня, угловой скорости вала дизеля и положения педали акселератора, при этом электронный блок выполнен с возможностью управления моментом открытия электроклапана, его длительностью включения, отличающаяся тем, что плунжерный топливный насос высокого давления распределительного типа кинематически связан и синхронизирован с коленчатым или распределительным валом дизеля через шлицевую муфту, имеющую хотя бы с одной стороны винтовые шлицы, и управляемую шаговым электродвигателем от электронного блока управления. Кроме того, применен в плунжерный топливный насос высокого давления распределительного типа, в котором сливной и всасывающий каналы объединены.

Сущность изобретения поясняется рисунком.

На фиг. 1 приведена функциональная схема системы подачи топлива дизеля.

Система подачи топлива дизеля содержит топливный бак 1, подкачивающий насос 2, фильтр 3, плунжерный топливный насос высокого давления распределительного типа (ТНВД) 4, с нагнетательными клапанами (по количеству цилиндров дизеля), кинематически связанный и синхронизированный с коленчатым или распределительным валом дизеля через шлицевую муфту 5, имеющую хотя бы с одной стороны винтовые шлицы, и управляемую шаговым электродвигателем 6, регулирующим осевое положение шлицевой муфты на валу топливного насоса, электроклапан 7, гидравлический вход которого подключен к выходу подкачивающего насоса 2 через топливный фильтр 3, гидроуправляемые форсунки 8 дизеля, датчики параметров работы дизеля и среды, в частности, положения поршня и угловой скорости топливного насоса высокого давления 9 и датчик положения педали акселератора 10, электронный блок управления 11. Для повышения надежности работы системы подачи топлива и предотвращения разрежения в нагнетательной полости вплоть до кавитации и быстрому выходу из строя топливной аппаратуры дизеля предлагается использовать ТНВД, в котором сливной и всасывающий каналы объединены. Все гидроаппараты соединены трубопроводами, а датчики, электроклапан и шаговый электродвигатель проводами с электронным блоком управления.

Система подачи топлива дизеля работает следующим образом. Как и в упомянутых выше системах, подкачивающий насос 2 забирает топливо из бака 1, прокачивает его через фильтр 3 и подает в нагнетательную полость топливного насоса высокого давления 4, когда электроклапан 7 открыт. В это время кулачек ТНВД не воздействует на толкатель плунжера. При набегании кулачка на толкатель плунжера топливного насоса высокого давления топливо сжимается, давление повышается, открывается нагнетательный клапан и начинается подача топлива к соответствующей форсунке 8, а через нее в цилиндр двигателя. В эту фазу работы ТНВД электроклапан 7 закрыт. При поступлении в электронный блок управления 11 сигналов от датчиков параметров работы дизеля и среды, например, положения поршня и угловой скорости коленчатого вала дизеля 9 и положения педали акселератора 10 (возможно и от других датчиков, например, давления наддува, температуры воздуха, температуры охлаждающей жидкости и др.), электронный блок управления согласно отрабатываемому алгоритму определяет и задает момент включения и длительность включения электроклапана 7, после включения которого, давление в нагнетательной полости топливного насоса высокого давления падает, и процесс подачи топлива к форсунке и далее в цилиндр дизеля прекращается. Электроклапан 7 остается открытым как минимум до момента сбега кулачка ТНВД, т.е. до полного заполнения нагнетательной полости ТНВД, что предотвращает разряжение там. При этом волной обратного давления топлива, проходящего через электроклапан 7, будет очищаться топливный фильтр 3, что увеличит его ресурс. Согласно заданному алгоритму в зависимости от сигналов датчиков, электронный блок управления поворачивает вал шагового электродвигателя 6 на заданный угол, который определяет осевое положение шлицевой муфты 5 на валу топливного насоса. А так как с одной стороны муфты шлицы винтовые, то изменяется угловое положение плунжера насоса относительно приводного вала, т.е. изменяется угол опережения впрыска топлива.

Имея ТНВД распределительного типа, то есть когда его один плунжер последовательно подает топливо в разные цилиндры и, имея один электроклапан, управляющий, как сливом излишков топлива, так и заполнением нагнетательной полости ТНВД, предотвращается кавитация плунжера и его втулки и обеспечивается одинаковая цикловая подача топлива в каждый цилиндр дизеля для данного скоростного и нагрузочного режима работы дизеля. А наличие муфты с винтовыми шлицами, соединяющей вал с плунжером и приводимой шаговым электродвигателем, обеспечивается регулирование угла опережения впрыска топлива. При этом система имеет минимальное количество прецизионных пар и ее КПД значительно выше в сравнении с системой Common-Rail. Наивыгоднейшие характеристики дизеля обеспечиваются применением электронного блока управления, регулирующего момент подачи напряжения на электроклапан топливного насоса высокого давления, длительность этого электрического импульса и угловое положение вала шагового электродвигателя.

Источники информации

1. Особенности техобслуживания системы впрыска Common-Rail // Автостроение за рубежом. 1999. №11. стр. 17-22.

2. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Л.: Машиностроение, 1990, стр. 162-164, ил.

3. Система подачи топлива дизеля. / Кузнецов Е.В., Чалевич О.Н. / Патент РБ №8144 МПК⁷ F02D 1/08, 41/00, F02М 63/02, 59/36. Заявка №а20030774 от 28.07.2003. Опубликовано 30.03.2005.

4. Система подачи топлива дизеля. / Фоменко Н.А., Фоменко В.Н., Кузнецов Е.В. и др. / Патент РФ №2273921 С2 МПК F02M 59/36. Заявка 2004116877/06 от 03.06.2004. Опубликовано 27.03.2006.

5. Система подачи топлива дизеля. / Кузнецов Е.В., Таравков Р.А. Заявка 2015131720 от 30.07.2015. Опубликовано 06.02.2017 Бюл. №4.

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Предложена система подачи топлива дизеля, содержащая плунжерный топливный насос высокого давления распределительного типа 4, гидроуправляемые форсунки 8 цилиндров дизеля, электроклапан 7, установленный в нагнетательной полости топливного насоса с возможностью окончания подачи топлива к соответствующей форсунке цилиндра дизеля, электронный блок управления 11, соединенный с датчиками дизеля, электроклапаном 7 и шаговым электродвигателем 6. Плунжерный топливный насос 4 высокого давления кинематически связан и синхронизирован с коленчатым или распределительным валом дизеля через шлицевую муфту 5, имеющую хотя бы с одной стороны винтовые шлицы и управляемую шаговым электродвигателем 6 от электронного блока управления 11. Сливной и всасывающий каналы топливного насоса 4 высокого давления объединены. Изобретение позволяет увеличить надежность, снизить себестоимость системы, уменьшить токсичность, шумность, улучшить экономичность и приемистость двигателя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система подачи топлива дизеля, содержащая плунжерный топливный насос высокого давления распределительного типа, гидроуправляемые форсунки цилиндров дизеля, электроклапан, установленный в нагнетательной полости топливного насоса с возможностью окончания подачи топлива к соответствующей форсунке цилиндра дизеля, электронный блок управления, входами соединенный с соответствующими датчиками параметров работы дизеля и среды, при этом электронный блок выполнен с возможностью управления моментом открытия электроклапана, его длительностью включения, отличающаяся тем, что плунжерный топливный насос высокого давления распределительного типа кинематически связан и синхронизирован с коленчатым или распределительным валом дизеля через шлицевую муфту, имеющую хотя бы с одной стороны винтовые шлицы и управляемую шаговым электродвигателем от электронного блока управления.

2. Система подачи топлива дизеля по п. 1, отличающаяся тем, что применен плунжерный топливный насос высокого давления распределительного типа, в котором сливной и всасывающий каналы объединены.