Регулятор дизеля с турбонаддувом Советский патент 1993 года по МПК F02D1/02 

и винтовой отсечной кромкой 6. С плунжером 3 жестко связана шестерня 11, соединенная с рейкой 13. Рейка 13 кинематически связана с регулятором скорости. Втулка 10 установлена коаксиально плунжеру 3 и через дополнительную шестерню и дополнительную рейку 14 кинематически связана с дополнительным регулятором скорости. На

втулке 10 выполнена дополнительная отсечная кромка 18с возможностью перекрытия отсечного отверстия 5.На плунжере 3 выполнена цилиндрическая проточка, а угол наклона винтовой отсечной кромки 6 плунжера 3 равен углу наклона дополнительной отсечной кромки 18 втулки 10. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Использование: двигателестроение, Сущность изобретения: регулятор дизеля с турбонаддувом содержит корпус 1 топливного насоса высокого давления, плунжер 3 с осевым каналом 4, отсечным отверстием 5

Изобретение относится к топливным системам дизелей и может быть использовано в двигателестроении (ДВС).

Цель изобретения - повышение точности фазирования, дозирования и давления впрыскивания топлива в цилиндр двигателе, экономичности и снижение дымности выпускных газов.

Цель достигается тем, что регулятор топливоподачи дизеля с турбонаддувом, содержащий кулачок и подпружиненный в осевом направлении толкатель с винтовой кромкой, опирающийся на кулачок, регулятор скорости, шестерню, рейку, втулку, снабжен дополнительными шестерней, рейкой и дополнительным регулятором скорости, соединенным рейкой и шестерней с втулкой и толкателем, на втулке выполнена отсечная винтовая кромка, причем наклоны винтовых отсечных кромок втулок и толкателя равны между собой, при этом на плунжере выполнена цилиндрическая проточка.

Как уже отмечалось, стабилизация давления впрыска может осуществляться путем использования для впрыскивания топлива в цилиндр на малых скоростных режимах двигателя участка профиля кулачка с более высокой интенсивностью движения толкателя - с производной его перемещения по углу кулачка dSk/d рь, связанную со скоростью его движения выражением у ед dSk/d k,

где ад d - угловая скорость вращения кулачка.

Переход на новый участок профиля может быть выполнен задержкой впрыскивания при сохранении заданного дозирования.топливоподачи. Этот переход на новый участок профиля кулачка для интенсификации перемещения толкателя и более высокого давления впрыскивания на малых скоростных режимах обеспечивается в предлагаемой конструкции путем применения дополнительного регулятора скорости. Есть и еще отличие, которое является

главным, от противопоставляемой конструкции (патент Великобритании № 1326368): винтовая отсечная кромка выполняется на дополнительной втулке, что поэволяет менять интенсивность впрыскивания независимо от величины топливоподачи.

Увеличение давления впрыскивания на малых скоростных режимах в конструкции

ТНВД фирмы Diesel Klki (Япония), также как в предлагаемой конструкции обеспечивается за счет изменения угла опережения впры- скивания топлива, но иными конструктивными мерами, а именно путем

применения дополнительного механического регулятора скорости, втулка совершает вращательное движение.

Таким образом, предлагаемая конструкция отличается от обеих противопоставляемых: от первой конструктивно и возможностью регулирования интенсивности впрыскивания, от второй конструктивно и повышенной точностью регулирования . топливоподачи за счет замены поступательного управляющего воздействия на вращательное, т.е. за счет изменения картины силового нагружения регулировочного узла. Таким образом, имеются существенные отличия от известных конструкций.

Сравнительный анализ заявляемого устройства с аналогичными техническими решениями позволяет установить в них наличие отдельных признаков, однако заявляемая совокупность признаков (особенно

изменение конструкции регулировочного узла интенсивности впрыскивания), включая шестерню привода поворота толкателя, дополнительный регулятор скорости с корректором, каналы в толкателе и разделение

прецизионных пар/лозволяющих производить раздельное дозирование и фазирова- ние топливоподачи поворотом втулки и толкателя, свидетельствует о значительных принципиальных отличиях конструкций,

приводящих к более полному и точному выполнению цели повышения точности фазирования, дозирования и давления впрыска топлива в цилиндре дизеля на малых скоростных режимах и снижения дымности выпускных газов.

Не известны другие устройства (регуляторы), содержащие признаки, сходные с отличительными признаками предложенного регулятора и решающие туже задачу. В связи с этим предложенный регулятор соответствует критерию существенные отличия. В связи с тем, что предложенный регулятор по сравнению с прототипом имеет новые признаки: снабжен дополнительными шестерней и рейкой, наклоны винтовых отсечных кромок втулки и толкателя равны между cb- бой, причем на плунжере выполнена цилиндрическая проточка, он снабжен дополнительным регулятором скорости, соединенным рейкой и шестерней с толкате-. лем, причем на втулке выполнена винтовая отсечная кромка, можно сделать вывод 6 соответствий его критерию новизна.

На фиг. 1 изображен предлагаемый регулятор. В корпусе 1 ТНВД выполнена цилиндрическая расточка, образующая полость 2, заполняемую впрыскиваемым топливом. В этой полости размещен плунжер-толкатель 3, в котором выполнены канал 4 и отсечное отверстие 5, а также отсечная кромка 6. Верхняя часть плунжера- толкателя является плунжером ТНВД, нижняя - толкателем кулачкового механизма. Полость 2 соединяется с отверстием 8, через которое осуществляются слив и наполнение топлива. В плунжере 3 выполнена проточка 9, разделяющая две прецизионные пары. На толкатель-плунжер 3 надета втулка 10. На плунжере 3 выполнена шестерня 11, на втулке 10- шестерня 12, которые входят в зацепление с рейками 13 и 14, соединенными с регуляторами скоростей (фиг.З). Плунжер 3 соединен с пружиной 15, которая заключена между ним и корпусом 1 и прижимает плунжер к кулачку 16 вала ТНВД. Пружина 17 прижимает втулку 10 к корпусу 1 ТНВД.

В регуляторе по фиг.1, плунжер-толкатель 3 с винтовой кромкой 6 служит для регулирования угла опережения впрыскивания топлива, на втулке 10 выполнена винтовая кромка 18, служащая для перекрытия отверстия 5 в толкателе-плунжере 3 и регулирования дозы топливоподачи в зависимости от угла поворота втулки 10 (fi.

На фиг. 2 изображена аналогичная конструкция регулятора, в котором регулирование угла опережения впрыскивания топлива осуществляется винтовой кромкой 18 втулки 10, а регулирование цикловой топливоподачи - поворотом на угол р плунжера-толкателя 3.

Для обеспечения независимости величины цикловой подачи дт.ц. топлива отизме- няемогр дополнительным регулятором скорости, изображенным на фиг.З, угла опережения впрыскивания топлива, т.е. для автономности дозировзния и фазирования топливоподачи, углы наклонов кромок 18 втулки 10 и кромок б плунжера-толкателя 3 должны иметь одинаковые углы наклона винтовых линий / arctg Не/2 лт, где Не - ход винтовой линии отсечной кромки 6, г - радиус плунжера 3,

На фиг.4 представлены кинематические диаграммы перемещения плунжера 3 в зависимости от угла поворота кулачка 16, Но - координата положения отсечной кромки 6 относительно отсечного отверстия 8; Н9 расстояние по вертикали отсечного отверстия 5 и отсечной кромки 18 втулки 10.

На фиг. 3 представлен регулятор скорости регулятора тОпяивоподачи дизеля, в котором 13, 14 - рейки, кулачок 16 вала

топливного насоса соединен с грузами 19, закрепленными между корпусом 1 ТНВД и подвижной тарелкой 20, упирающейся в главный рычаг 21 регулятора скорости, соединенный тягой 22 с рейкой, главная пружина 23 регулятора скорости концами соединена с главным рычагом 21 и рукояткой 24 задатчика скорости, cfynp - координата рукоятки давления.

На фиг. 5 представлены идеализированная характеристика топливоподачи регулятора скорости в координатах; Дпр - изменение перемещения рейки изменения топливоподачи дт.ц., ЈУд, WHOM, Чх.х-угловая скорость вала дизеля, номинальная и холостого хода; регуляторная характеристика (кривые 1 и 2)- внешняя характеристика на упорах: b - точка номинального режима; С - точка максимального холостого хода.

На фиг. 6 представлена идеализированная характеристика регулятора давления впрыскивания изменением угла опережения впрыска топлива в координатах: fan - угол опережения впрыскивания/отсчитываемый от верхней мертвой точки (ВМТ); h координата положения рейки 14; аупр - координата рычага 24 управления; b - точка . номинального режима работы дизеля; (О. - угловая скорость холостого хода дизеля; (Ымин - минимальная угловая скорость коленчатого вала дизеля.

Регулятор дизеля работает следующим образом.

Вращение кулачка 16 (фиг.1) вызывает периодические поднятие и опускание толкателя-плунжера 3, кинематические диаграммы его движения показаны на фиг.4:

S - подъем, пропорциональный координате Н.;

dS/d рк. - аналог скорости или производная перемещения по углу поворота кулачка .характеризующая скорость перемещения и интенсивность возрастания давления впрыскивания.

Эти кинематические диаграммы построены в зависимости от угла поворота кулачка (fa, таким образом, выбирая для впрыскивания топлива различный участок подъема плунжера Hg, , т.е. угол опережения впрыска, можно обеспечить различную интенсивность (скорость) v подъема плунжера 3 и тем самым скомпенсировать разную величину утечек топлива (вызывающих снижение давления Рт впрыскивания) на различных скоростных режимах ш (фиг, 7:1 - без регулятора, 2-е регулятором давления впрыскивания топлива FT путем изменения угла опережения впрыска топлива).

Конструкция и работа регуляторов цикловой подачи топлива и угла опережения впрыска топлива идентичны.

Движение толкателя-плунжера 3 на величину Но вверх (фиг.1) вызывает перекрытие кромкой 6 отсечного отверстия 8 и начало впрыскивания в цилиндр дизеля. Регулировка начала впрыскивания (роп - угол опережения) производится поворотом плунжера 3 с помощью шестерни 11 путем перемещения рейки 13 или с помощью поворота втулки 10.рейкой 14 (фиг.2).

Угол опережения впрыскивания р0п, определяемый изменением координаты Н отсечной кромки 6 плунжера 3 относительно отсечного отверстия 8 определяется перемещением рейки 13 (фиг.2) цикловой подачи топлива по алгоритму фиг.6 в зависимости от положения рычага управления 24, т.е. от настройки Оупр.

Идеализированная диаграмма изменения угла опережения впрыска оп топлива, отрабатываемая регулятором, изображенным на фиг.З, показана на фиг.6. Необходимость увеличения угла опережения топлива от ВМТ при росте угловой скорости дизеля диктуется сокращением времени цикла дизеля, необходимость изменёнияуьп с ростом нагрузки вызывается необходимостью закэнчивания впрыскивания топлива ближе к ВМТ в зоне неприемлемых для образования сажи температур, быстрого последующего ее сгорания и снижения дымности выпускных газов.

На фиг. 6 и 5 а - точка минимальной скбрости вала дизеля при максимальной

цикловой топливоподачи, b - точка номинального режима работы с максимальной топливоподачей, с - точка холостого хода с максимальной скоростью, d - точка холостого хода с минимальной скоростью и минимальной топливоподачей.

Поскольку винтовая отсечная кромка б плунжера 3 выполняется наклонной под углом Д то поворот толкателя-плунжера 3 регулятором при. изменении скоростного режима дизеля вызывает изменение положения и скорости в момент начала впрыска рап, тем самым определяя интенсивность (скорость подъема v (dSa/d yv) Укул) и

давление впрыскивания, как показано на фиг.7. Таким образом, поворот толкателя- плунжера 3 приводит к изменению давления Рт впрыскивания и угла опережения впрыскивания в зависимости от настройки

регулятора скорости дизеля и регулятора давления впрыскивания. Таким образом, поворот толкателя 3 вызывает изменение угла опережения впрыска топлива за счет использования для впрыскивания нового

участка профиля кулачка, так как начало нагнетания топлива соответствует моменту перекрытия отсечной кромкой 6 плунжера 3 отверстия 8, соединенного с топливопитаю- щей полостью. Поскольку при этом меняется скорость подъема V в момент начала впрыска, то поворот толкателя 3 на угол р меняет и интенсивность изменения давления Рт впрыскивания. Подбирая оптимальный закон изменения угла опережения

впрыскивания р0п и давление РТ впрыски- вания от угла поворота толкателя р, можно обеспечить оптимальное возрастание дав- ления впрыскивания на малых скоростных режимах, Изменение угла опережения

впрыскивания топлива от скорости вращения йЛ отрабатывается дополнительным регулятором скорости, показанным на фиг. 3.

Регулятор угла опережения впрыска топлива работает следующим образом. Изменение скоростного режима воспринимается грузами 19, перемещение которых тарелкой 20, главным рычагом 21 и тягой 22 передается рейке 13. Перемещение рейки 13 преобразуется шестерней 11 в поворот

плунжера-толкателя 3. Таким образом, изменение скоростного режима путем поворота толкателя-плунжера 3 вызывает изменение угла опережения впрыскивания, поддерживая постоянным давление впрыскивания в широком диапазоне изменения скоростей. Характер изменения угла опережения впрыска может быть различным в зависимости от настройки «упр. Конструкция дополнительного регулятора угла опережеЛ Я впрыска топлива идентична регулятору

скорости, воздействующему на цикловую подачу топлива.

Экспериментальные исследования, проведенные фирмой Diesel Klki (Япония), установили, что при перемещении отсечно- го отверстия подвижной втулки на 3 мм и изменении угла опережения впрыскивания топлива на 8° рост интенсивности нагнетания топлива позволяет сократить продолжительность впрыскивания на 2° на всех режимах дизеля и повысить давление впрыскивания на 15-25 МПа при низких частотах вращения, а также сократить оптимальное время впрыскивания на номинальном режиме работы, Экспериментальные исследова- ния показали, что система управления интенсивностью впрыскивания с помощью дополнительной втулки имеет стабильные параметры, не зависящие от скоростного, режима дизеля и температурных условий работы дизеля,

По данным фирмы Diesel Kikl, разработавшей и испытывавшей подобную по характеристикам топливную аппаратуру, сопоставление ее с традиционными систе- мами и аккумуляторными системами впрыска показывает, что регулирование интенсивности впрыскивания позволяет повысить на 15-20% эксплуатационную экономичность и снизить на 20% выбросы токсичных seaiecTB с выхлопными газами дизелей большегрузных автомобилей при работе на малых скоростных режимах. По данным фирмы Diesel Kiki максимальная цикловая подача топлива составляла 180 мм3 при 1075 мин , управление производилось специальным электронным регулятором при крайних положениях отверстия отсечной втулки по высоте подъема плунжера, различающихся на 3 мм.

В предлагаемой конструкции регулирование угла опережения может осущетвлять- ся и в более широких пределах от обычного дополнительного неэлектронного центробежного механического регулятора, причем с большей точностью управления за счет снижения нечувствительности системы управления путем замены поступательной кинематической пзры управляющего устройства на вращательную. Такая замена вызывает изменение картины силового на- гружения управляющего устройства, повышение .точностиуправления топливоподачей и, как следствие, снижение дымности и токсичности выпускных газов дизеля на малых скоростных режимах.

Таким образом, рассмотрен вопрос формирования характеристики изменения угла опережения впрыскивания топлива на различных режимах, рассматривая момент

закрытия отверстия 8 (фиг.1) плунжером 3 при его движении вверх. При дальнейшем движении плунжера 3 вверх открывается отверстие 5 отсечной кромкой 18 втулки 10, в связи с чем впрыскивание топлива в цилиндр дизеля прекращается. Таким образом, продолжительность впрыскивания и величина цикловой подачи топлива дт.ц. определяются координатами Нд и Н0 между началом перекрытия и открыванием отверстия 5:.

Ддт.ц. (Нд-Н0) -ж2, где г - радиус поворота плунжера ТНВД.

Изменение величины топливоподачи Ддт.ц, от угла (р поворота шестерни 12 втулки 10 происходит за счет изменения расстояния Нд между отсечной кромкой 18 (по вертикали) и отсечным отверстием 5 плунжера 3.

Работает регулятор топливоподачи следующим образом. Изменение скорости вала дизеля сообщается грузам механического чувствительного элемента и передается главным рычагом и тягой, связанной с ними рейкой 14 топливоподачи. При увеличении скорости й)д .дизеля регулятор скорости перемещает рейку 14 на уменьшение топливоподачи, осуществляя тем самым отрицательную обратную связь. Например, перемещение главного рычага 21 при увеличении скорости влево вызывает перемещение рейки 14 топливоподачи вправо на величину ДНр, осуществляя регулярную характеристику по кривой 1 на фиг. 5. Перемещение рейки 14 приводит к повороту втулки 10 (фиг.1) и изменению величины подачи топлива Ддт.ц. Причем при равных углах подъема / винтовых линий кромок 18 и 6 изменение угла поворота плунжера-толкателя 3 не вызывает изменения подачи топлива, что свидетельствует об автономности контура регулирования подачи от контура регулятора давления впрыскивания топлива.

Управление регулятором топливоподачи может осуществляться вручную через рычаг 24 управления (фиг.3).

Изменение угла опережения впрыска топлива ведет к изменению параметров системы наддува дизеля: GB - расход воздуха, Рг - давление газов перед турбиной, Рв - давление наддувочного воздуха, (thv. - скорость вращения ротора турбокомпрессора.

Снижение угла опережения впрыска топлива приводит к возрастанию этих параметров, поэтому снижение угла опережения впрыскивания топлива перед приемом нагрузки позволяет увеличивать воздушно- топливное соотношение в переходном .процессе и снизить его время.

В МГТУ им. Н.Э.Баумана были проведены экспериментальные исследования дизеля 64Н 15/18, оснащенного турбокомпрессором ТКР14, на установившихся режимах и при разгонах. Экспериментальные исследова- ния на установившихся режимах показали высокую эффективность влияния угла опережения впрыскивания на параметры тур- бонаддува. На фиг, 8 представлены статические характеристики дизеля 64Н 15/18 на холостом ходу при минимальной подаче топлива. Динамические испытания подтвердили основные теоретические предположения, время разгона дизеля с минимально устойчивого холостого хода (Умин.х.х до номинальной скорости было сокращено на 30% за счет подготовки дизеля к разгону путем предварительного изменения угла опережения впрыскивания ,и повышения подачи и давления наддувочного воздуха на исходном перед разгоном установившемся режиме работы.

Одним из основных параметров системы топливоподачи дизеля, наряду с количеством подаваемого в цилиндры двигателя топлива, является момент начала подачи топлива {угол опережения впрыскивания), который необходимо регулировать. Регулирование угла опережения впрыскивания в зависимости от частоты вращения, как пра- вило, применяется в транспортных дизелях с номинальной частотой вращения, не превышающей 2000 мин . Для повышения топливной экономичности при увеличении частоты вращения коленчатого вала дизеля угол опережения впрыскивания топлива необходимо увеличивать в связи с необходимым временем на смесеобразование.

Транспортные дизели большую часть времени эксплуатируются на режимах с ча- стичной нагрузкой. При установке постоям- ного угла опережения, оптимального для режима полной нагрузки, и снижении нагрузки увеличивается период задержки воспламенения, что приводит к повышению жесткости сгорания топлива (скорости нарастания давления в цилиндре дизеля). В слабо форсированных дизелях изменение угла опережения впрыскивания топлива оказывает существенное влияние на жесткость и максимальное давление сгорания, практически не оказывая влияния на экономичность дизеля на режимах частичной нагрузки. Поэтому в таких дизелях может применяться уменьшение угла опережения впрыскивания при снижении нагрузки, что позволяет снизить жесткость и максимальное давление сгорания на режимах с частичной нагрузкой и, как следствие, механическую напряженность деталей двигателя.

В форсированных дизелях с турбонад- дувом зависимость экономичности дизеля от угла опережения впрыскивания становится более выраженной, что позволяет повысить экономичность путем увеличения угла опережения впрыскивания топлива по мере снижения нагрузки. Но при зтом угол опережения следует увеличивать только таким образом, чтобы максимальное давление топлива на частичных режимах не превышало максимального его значения на номинальном режиме. Причем в высокофорсированных дизелях с турбонад- дувом угол опережения впрыскивания топлива целесообразно увеличивать по мере снижения нагрузки во всем диапазоне скоростных режимов работы дизеля.

Рассмотрим каким образом в заявляемом регуляторе происходит оптимальное регулирование угла опережения впрыскивания топлива в зависимости от нагрузки и его значения на номинальном скоростном режиме. При работе на режимей д УНОМ (точка b на фиг.6) и положении рычага управления «упр. йупр.макс центробежная сила грузов 19 (фиг.З) равна силе предварительной затяжки всережимной пружины 23. При увеличении частоты вращения свыше йАном грузы 19 расходятся на больший радиус, деформируя пружину 23 и поворачивая главный рычаг 21 против часовой стрелке относительно оси 0. Как отмечено выше, это приводит к перемещению дозирующей рейки 14 влево на уменьшение подачи топлива (по регулярной характеристике b - с, фиг. б). Таким об- разом, поворот главного рычага 21 против часовой стрелки относительно оси 0 приводит к перемещению рейки 14 регулирования угла опережения впрыскивания влево на увеличение угла опережения впрыскивания (по характеристике b - с, фиг.6), т.е. обеспечивается увеличение угла опережения впрыскивания топлива по мере уменьшения подачи топлива по регуляторкой характеристике.

Аналогичный закон регулирования угла опережения впрыскивания топлива реализуется на режиме шмин (характеристика а - d, фиг.6) и на других промежуточных скоростных режимах.

Таким образом, заявляемый регулятор позволяет увеличивать угол опережения впрыскивания топлива роп по мере уменьшения подачи топлива дц по регуляторной характеристике(см.характеристики а -b и b - с, фиг.5).

Использование заявляемого регулятора, по сравнению с прототипом позволяет осуществлять корректирование угла опереже- впрыскивания топлива в зависимости от

скорости и нагрузки, повысить точность регулирования и, как следствие, уменьшить на 2-5% эксплуатационный расход топлива при работе на режимах с частичной нагрузкой. В регуляторе, принятом за прототип, требуемое перестановочное усилие механизма составляет 25-3.0 кг. В заявляемом регуляторе с механизмом изменения угла опережения впрыскивания, выполненном с поворачиваемым скошенным плунжером, требуемое перестановочное усилие этого механизма составляет соответственно 2-3 кг. Это позволяет повысить точность регулирования, а также снизить износ деталей регулятора и топливного насоса. Такое повышение точности регулирования позволяет уменьшить эксплуатационный расход топлива еще на 1-3%. Таким образом, суммарное улучшение топливной экономичности при использовании заявляемого регулятора вместо регулятора, принятого за прототип, составляет 3-8%.

Сокращение эксплуатационного расхода топлива при применении предлагаемого регулятора по сравнению с традиционными системами регулирования угла опережения впрыска топлива с помощью центробежных муфт составляет более значительную величину и в зависимости от характера неустановившегося режима работы может достигать 15-20%, сопоставимых или даже больших величин составляет снижение дым- ности выпускных газов.

Формула изобретения

втулку, установленную коаксиально плунжеру с возможностью поворота относительно последнего, регулятор скорости, рейку, кинематически связанную с регулятором скорости и шестерней плунжера, причем

осевой канал выполнен с возможностью сообщения надплунжерной полости с отсечным отверстием, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы, регулятор снабжен дополнительным

регулятором скорости, дополнительной шестерней, закрепленной на втулке,и дополнительной рейкой, кинематически связанной с дополнительной шестерней и дополнительным регулятором скорости, причем на втулке выполнена дополнительная винтовая отсечная кромка с возможностью перекрытия отсечного отверстия.

4tl9

Ум,

/on A

t .- - - ---

JtffW

WMI/H tox.x.Mt/M MHOM uJxj.tfffKC

Фигб;

(

&.

MW

фиг

Юном