Система управления топливоподачей с помощью электромагнитных клапанов

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам управления топливоподачей дизелей. Изобретение позволяет уменьшить эксплуатационный расход топлива транспортного дизеля и вредные выбросы в атмосферу. Система содержит топливный насос высокого давления, форсунки, линии высокого давления топлива, линию слива топлива, соединяющую форсунки и топливный бак, электромагнитные байпасные клапаны, установленные в каждой линии высокого давления топлива с возможностью перепускания топлива в линию слива, датчик давления топлива, блок управления и датчики частоты вращения и положения коленчатого вала. Нормально закрытые электромагнитные клапаны-дроссели установлены в каждой линии высокого давления топлива между байпасными клапанами и топливными форсунками с возможностью перепускания топлива из линии высокого давления топлива в линию слива. Датчик положения педали управления соединен с блоком управления. Профили кулачков кулачкового вала топливного насоса высокого давления выполнены таким образом, чтобы обеспечить равномерное нарастание давления топлива в линии высокого давления топлива в любой момент поворота коленчатого вала всего рабочего диапазона. Каждый электромагнитный байпасный клапан выполнен как нормально открытый двухпозиционный. 6 ил.

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

Известны системы управления топливоподачей в цилиндры дизеля с топливным насосом высокого давления, соединенным с форсунками при помощи нагнетательных трубопроводов, и линией слива топлива, содержащие электромагнитные байпасные клапаны, сообщенные с нагнетательными трубопроводами и линией слива топлива, и блок регулирования /1, 2/.

Такие системы управления топливоподачей дизеля позволяют осуществить управление режимом работы дизеля в зависимости от его скоростного режима и заданного положения рычага управления.

Однако такие системы управления топливоподачей дизеля способны управлять только необходимой величиной крутящего момента дизеля, а для управления моментом начала впрыскивания топлива требуются специальные устройства (муфты опережения впрыскивания).

Кроме того, известны системы управления топливоподачей дизеля, содержащие топливный бак, топливные насосы высокого и низкого давления, аккумулятор давления топлива, регулятор давления, байпасный клапан и топливные форсунки, оснащенные электромагнитными управляющими нормально закрытыми клапанами /3-5/. Такие системы управления топливоподачей дизеля позволяют управлять режимом работы дизеля не только путем изменения дозы подаваемого топлива в соответствии с запланированной характеристикой, но и моментом впрыскивания и давлением впрыскиваемого топлива. Таким образом, упомянутые системы управления топливоподачей дизеля позволяют управлять не только величиной крутящего момента, но и протеканием процесса сгорания топлива в цилиндрах дизеля посредством формирования зависимости величины изменения давления топлива от поворота кулачкового вала ТНВД.

Основным недостатком таких систем управления топливоподачей дизеля является необходимость постоянно создавать и сохранять высокое давление в аккумуляторах.

Совокупности недостатков и тех и других систем управления топливоподачей в цилиндры дизеля можно избежать путем совершенствования системы управления топливоподачей, а именно за счет обеспечения работы системы по оптимальным характеристикам крутящего момента дизеля, сформированным с учетом скоростного и нагрузочного режимов; за счет повышения скорости реакции системы управления на изменение режима работы; а также за счет возможности управлять величиной давления впрыскивания топлива, не задерживая постоянно давление в специальном общем аккумуляторе.

Техническое исполнение заявляемой системы управления топливоподачей наиболее близко к конструкции системы управления, описываемой в авторском свидетельстве СССР 1416738 /1/ (прототип).

Система управления топливоподачей содержит топливный насос высокого давления, связанный с форсунками при помощи нагнетательных трубопроводов, представляющих собой линии высокого давления топлива в цилиндры дизеля, и линией слива топлива, байпасные клапаны с электромагнитными приводами, сообщенные с нагнетательными трубопроводами и линией слива топлива, блок управления в виде процессора и блок регулирования, включающий задатчик и измеритель частоты, усилители-преобразователи, сумматор и измеритель углового положения вала, причем задатчик и измеритель частоты через усилитель-преобразователь связаны с сумматором, а блок управления соединен с сумматором, выходом измерителя частоты, измерителем углового положения вала и электромагнитными приводами байпасных клапанов.

Недостатки данной системы управления топливоподачей следующие: регулирование топливоподачи производится включением-выключением циклов или цилиндров, что повышает неравномерность работы двигателя; система не позволяет осуществить управление моментом начала подачи топлива в цилиндры дизеля; отсутствует сигнал режима работы автомобиля (от педали водителя), что не позволяет осуществлять выбор оптимальной характеристики работы двигателя.

Задачей изобретения является повышение топливной экономичности транспортных дизелей и уменьшение вредных выбросов в атмосферу.

Задача достигается за счет того, что система управления топливоподачей с помощью электромагнитных клапанов, содержащая топливный бак, топливный насос высокого давления, форсунки, установленные с возможностью впрыскивания топлива в цилиндры дизеля, линии высокого давления топлива, соединяющие топливный насос высокого давления и форсунки, линию слива топлива, соединяющую форсунки и топливный бак, электромагнитные байпасные клапаны, установленные в каждой линии высокого давления топлива с возможностью перепускания топлива в линию слива, блок управления и датчики частоты вращения и положения коленчатого вала, дополнительно оснащена нормально закрытыми электромагнитными клапанами-дросселями, установленными в каждой линии высокого давления топлива между байпасными клапанами и топливными форсунками с возможностью перепускания топлива из линии высокого давления топлива в линию слива, датчиком давления топлива и датчиком положения педали управления, соединенным с блоком управления, причем профили кулачков кулачкового вала топливного насоса высокого давления выполнены таким образом, чтобы обеспечить равномерное нарастание давления топлива в линии высокого давления топлива в любой момент поворота коленчатого вала всего рабочего диапазона, каждый электромагнитный байпасный клапан выполнен как нормально открытый двухпозиционный.

Таким образом, сопоставление заявленного изобретения с прототипом показало, что оно отличается от прототипа наличием датчиков положения педали управления, частоты вращения кулачкового вала и давления в линиях высокого давления, профилями кулачков кулачкового вала топливного насоса высокого давления, обеспечивающим постоянную скорость нарастания давления (dp/dϕ = const) в трубопроводах в любой момент поворота коленчатого вала (ϕ) в пределах рабочего диапазона, наличием байпасного нормально открытого двухпозиционного электромагнитного клапана с электромагнитом с внешним притягивающим якорем и электромагнитного клапана-дросселя в каждой линии высокого давления.

Сопоставительный анализ изобретения с другими техническими устройствами показывает, что не обнаружены технические решения, обладающие сходными признаками в системах управления подачей топлива дизелей, так как электромагнитные нормально открытые двухпозиционные клапаны не применялись в качестве нагнетательных клапанов топливного насоса высокого давления совместно с электромагнитными нормально закрытыми клапанами с целью управления давлением впрыскивания и в сочетании с профилем кулачка, обеспечивающим равномерное нарастание давления в зависимости от поворота коленчатого вала дизеля в диапазоне возможных подач топлива, причем алгоритм управления позволяет осуществить управление не только необходимой дозой топлива для данного нагрузочно-скоростного режима, определяемого датчиками частоты вращения и положения педали управления, но и моментом впрыскивания и давлением топлива, контролируемым с помощью датчиков давления, установленных в линиях высокого давления. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена общая схема системы управления топливоподачей дизеля; на фиг. 2 - схема нормально открытого электромагнитного байпасного клапана; на фиг.3 - схема нормально закрытого электромагнитного клапан-дросселя; на фиг. 4 - примерный профиль кулачка топливного насоса; на фиг.5 - закон движения плунжера при роликовом толкателе; на фиг.6 - управляющий импульс и временная характеристика клапана.

Система управления топливоподачей дизеля (фиг.1) состоит из следующих элементов: топливного насоса высокого давления, кулачковый вал которого оснащен кулачками с рабочим профилем, обеспечивающим равномерное нарастание давления в зависимости от поворота коленчатого вала дизеля во всем предполагаемом рабочем диапазоне цикловых подач топлива, форсунок 1, нормально закрытых электромагнитных клапанов-дросселей 2 и нормально открытых электромагнитных байпасных клапанов 3, размещенных в линиях высокого давления топлива, соединяющих топливный насос высокого давления и форсунки 1, электронного блока управления, представляющего собой микроконтроллер, объединяющий в себе функции регулятора, задатчика оптимальных характеристик и обеспечивающий управление электромагнитными клапанами 2 и 3; датчика 4 частоты вращения коленчатого вала, датчика 5 положения коленчатого вала и датчика 6 давления в линии нагнетания топлива.

Нормально открытый байпасный электромагнитный клапан 3 (фиг.2) содержит электромагнит с внешним притягивающимся якорем, жестко соединенным с подпружиненным клапанным элементом, причем клапанный элемент установлен с возможностью перемещения совместно с якорем при возбуждении электрического тока в обмотке электромагнита, перекрывая тем самым движение топлива в линию слива и направляя его в линию высокого давления топлива, и с возможностью возвращения клапанного элемента под воздействием пружины в исходное положение после отключения электрического тока, вновь открывая линию слива.

Нормально закрытый электромагнитный клапан-дроссель 2 (фиг.3) представляет собой электромагнит с внешним притягивающимся якорем, жестко соединенным с подпружиненным клапанным элементом, установленным с возможностью перемещения совместно с якорем при возбуждении тока в обмотке электромагнита, тем самым перекрывая доступ топлива в линию высокого давления и направляя его в линию слива, и с возможностью перемещения клапанного элемента под действием пружины в исходное положение при отключении электрического тока.

Кулачковый вал топливного насоса высокого давления оснащен кулачками (фиг.4) с профилями, состоящими из следующих участков: участок подъема, выполненный в виде тангенциального профиля, образованного касательной к начальной окружности и дугой окружности (с радиусом r₁ и центром O₁), эксцентричной оси кулачкового вала (такой профиль позволяет снизить ускорение в начале подъема толкателя); участок верхнего выстоя (α₃); участок опускания толкателя, выполненный в виде дуги (радиусом r₂ и с центром О₂, соосным с кулачковым валом). График перемещения роликового толкателя, обеспечиваемый описанным профилем кулачка, показан на фиг.5.

Система работает следующим образом.

Нагнетание топлива в линию высокого давления производится с помощью вышеописанного кулачка (фиг.4), который в совокупности с электромагнитным клапаном-дросселем, установленным с возможностью перепускания высокого давления в линию слива, обеспечивает такое нарастание давления, какое формирует дифференциальный закон подачи топлива, позволяющее с достаточной степенью точности регламентировать порцию подаваемого топлива во всем необходимом диапазоне изменения момента начала впрыскивания (4-5^o по углу поворота кулачкового вала). Нагнетаемое топливо от топливного насоса высокого давления (фиг. 1) поступает на слив через нормально открытый байпасный клапан 3. По команде электронного блока управления (ЭБУ), вырабатываемой на основании информации от датчика 4 частоты вращения дизеля, датчика 5 положения коленчатого вала и датчика положения педали управления, срабатывает байпасный клапан 3, перекрывая слив топлива в бак. Для ускорения процесса открытия клапана применяется форсирующий импульс, то есть подача на короткое время значительного напряжения (фиг. 6). В трубопроводе нарастает давление топлива. При достижении необходимого уровня давления, контролируемого с помощью датчика давления, открывается форсунка и начинается впрыскивание топлива, причем нарастание давления впрыскивания топлива может регулироваться путем перепускания топлива из линии высокого давления в линию слива через нормально закрытый клапан-дроссель 2, обеспечивающий теоретически необходимое нарастание давления. Далее клапан-дроссель 2 по команде ЭБУ закрывается и нарастание давления обеспечивается только за счет профиля кулачка, частоты вращения дизеля, пропускного сечения форсунки и других факторов. Прекращение подачи топлива достигается обесточиванием обмотки электромагнита байпасного клапана 3, что приводит к возврату его в открытое положение. Резкая отсечка подачи топлива достигается оптимизацией конструкции байпасного клапана 3 и при необходимости подачей на обмотку электромагнита размагничивающего импульса (фиг.6).

Таким образом, заявляемая система управления топливоподачей в отличие от серийных систем управления топливоподачей обладает возможностью управления топливоподачей по трем факторам: 1) количеству (дозе) подаваемого топлива, причем с помощью микроконтроллера может быть предложена любая оптимальная характеристика, соответственно - любая характеристика крутящего момента дизеля; 2) моменту начала впрыскивания (фазе), причем не только в зависимости от частоты вращения, но и от нагрузки; 3) давлению впрыскивания топлива, причем с возможностью формирования теоретически необходимого переднего и заднего фронта.

Экономический эффект от внедрения предлагаемой системы управления топливоподачей дизеля следует ожидать в области автомобильного транспорта, оснащенного дизелями, в результате достижения норм вредных выбросов в соответствии с европейскими стандартами и в результате снижения эксплуатационного расхода топлива.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ 1. А. С. 1416738 (СССР) Устройство для регулирования крутящего момента многоцилиндрового дизеля. / Н.Н. Патрахальцев, В.А. Куцевалов, П.Д. Лупачев и др. // Открытия. Изобретения 1988, 30.

2. Пат. 4359032 (Япония), Electronic fuel injection control system for fuel injection walves / Chie, Tomonori, Higashi-Matsuyama, Japan.

3. Пат. N 4217762 (США), High constant pressure, electronically controlled diesel fuel injection system. / Leonard N. Zort, Burton; Albert Z. Albert, Bellevue; Edward P. Darragh, Kent, all of wash.

4. William Weseloh. EEC IV Full Authority Diesel Fuel Injection Control // SAE Technical Paper Series, 861098, 1986.

5. Пат. 5626114 (США). Fuel pump for high-pressure fuel injection system / Kushido Takeo и др.

Формула изобретения

Система управления топливоподачей с помощью электромагнитных клапанов, содержащая топливный бак, топливный насос высокого давления, форсунки, установленные с возможностью впрыскивания топлива в цилиндры дизеля, линии высокого давления топлива, соединяющие топливный насос высокого давления и форсунки, линию слива топлива, соединяющую форсунки и топливный бак, электромагнитные байпасные клапаны, установленные в каждой линии высокого давления топлива с возможностью перепускания топлива в линию слива, блок управления и датчики частоты вращения и положения коленчатого вала, отличающаяся тем, что система управления топливоподачей дополнительно оснащена нормально закрытыми электромагнитными клапанами-дросселями, установленными в каждой линии высокого давления топлива между байпасными клапанами и топливными форсунками с возможностью перепускания топлива из линии высокого давления топлива в линию слива, датчиком давления топлива и датчиком положения педали управления, соединенным с блоком управления, причем профили кулачков кулачкового вала топливного насоса высокого давления выполнены таким образом, чтобы обеспечить равномерное нарастание давления топлива в линии высокого давления топлива в любой момент поворота коленчатого вала всего рабочего диапазона, каждый электромагнитный байпасный клапан выполнен как нормально открытый двухпозиционный.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6