Способ нагнетания и регулирования подачи топлива в форсунку двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания, а именно способам нагнетания и регулирования подачи топлива в форсунку и устройствам для их осуществления. Техническим результатом является повышение надежности и упрощение конструкции топливного насоса высокого давления, а также расширение технологических возможностей регулирования подачи топлива. Способ нагнетания и регулирования подачи топлива в форсунку двигателя внутреннего сгорания топливным насосом высокого давления заключается в заполнении его рабочего объема топливом умеренного давления, герметизации рабочего объема, последующего сжатия топлива в рабочем объеме путем его принудительного уменьшения в соответствии с режимом работы двигателя, направления топлива из рабочего объема в форсунку после достижения давления впрыска и продолжения выталкивания топлива с давлением впрыска из рабочего объема путем его дальнейшего уменьшения, а также изменения фаз начала сжатия и окончания выталкивания топлива и величины его цикловой подачи. Уменьшение рабочего объема обеспечивается объемной деформацией пьезопакета, состоящего из набора элементов из пьезоэлектрического материала и расположенного внутри рабочего объема, путем подачи на пьезопакет электрических сигналов, при этом величина цикловой подачи топлива обеспечивается соответствующими частотой и коэффициентом заполнения электрических сигналов. Устройство для осуществления способа представляет собой топливный насос высокого давления, состоящий из корпуса, в котором имеется рабочий объем переменной величины, изменяемый в соответствии с режимом работы двигателя, при этом рабочий объем имеет циклически осуществляемые гидравлические связи соответственно посредством магистрали умеренного давления с питающим насосом в период заполнения рабочего объема топливом и посредством магистрали высокого давления через обратный клапан с форсункой в период подачи на нее топлива, отличающееся тем, что рабочий объем состоит, по меньшей мере, из одной камеры, в которой размещен пьезопакет, состоящий из набора элементов из пьезоэлектрического материала, пьезопакет электрически связан с генератором управляющих сигналов, рабочий объем гидравлически связан с магистралью умеренного давления через обратный клапан и дополнительно каналом с дренажным клапаном выпуска воздуха при заполнении топливом, а корпус насоса расположен на двигателе таким образом, чтобы канал находился в верхней точке рабочего объема. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к осуществлению нагнетания и регулирования подачи топлива в форсунку двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Известен способ нагнетания и регулирования подачи топлива в форсунку двигателя внутреннего сгорания (Двигатели внутреннего сгорания; устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности "Двигатели внутреннего сгорания" / В.П.Алексеев, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 288 с.(с.149-150)) топливным насосом высокого давления (ТНВД) путем заполнения его рабочего объема топливом умеренного давления, герметизации рабочего объема, последующего сжатия топлива в рабочем объеме путем его принудительного уменьшения в соответствии с режимом работы двигателя, направления топлива из рабочего объема в форсунку после достижения давления впрыска и продолжения выталкивания топлива с давлением впрыска из рабочего объема путем дальнейшего его уменьшения, а также изменения фаз начала сжатия и окончания выталкивания топлива и величины его цикловой подачи.

Известное устройство нагнетания и регулирования подачи топлива в форсунку двигателя внутреннего сгорания (Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности "Двигатели внутреннего сгорания" / В.П.Алексеев, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Крутлова - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 288 с.(с.149-150)) включает традиционный топливный насос высокого давления, состоящий из корпуса, содержащего прецизионную плунжерную пару, состоящую из втулки и плунжера, посредством которой образован рабочий объем переменной величины, имеющий циклически осуществляемые гидравлические связи посредством магистрали умеренного давления топлива с питающим насосом в период наполнения топливом рабочего объема и посредством нагнетательной магистрали высокого давления через обратный клапан с форсункой в период подачи на нее топлива, при этом на прецизионно сопряженной с центральным отверстием втулки периферийной поверхности плунжера выполнены отсечные кромки заданной конфигурации и втулка имеет радиальные сквозные отверстия, осуществляющие гидравлическую связь рабочего объема с магистралью умеренного давления, а также кинематически сопряженный с плунжером кулачковый привод с кулачком заданного рабочего профиля и имеющий жесткую фазовую связь с коленчатым валом двигателя.

Недостаток известного способа и устройства заключается в необходимости использования для их осуществления прецизионной плунжерной пары, склонной к задирам по различным причинам и имеющей низкий ресурс, что снижает надежность работы и удорожает конструкцию и эксплуатацию двигателя.

Другим недостатком является жесткое регулирование подачи топлива в форсунку, традиционно определяемое сочетанием неизменного геометрического соотношения диаметра и хода плунжера, конфигурацией его отсечных кромок, а также кинематикой кулачкового привода и профилем управляющего кулачка. При этом указанные параметры оптимизируются, как правило, для одного номинального режима работы двигателя, что не позволяет получать оптимальные характеристики впрыскивания топлива на остальных режимах его работы и таким образом обуславливает ухудшение эксплуатационной экономичности двигателя, что особенно важно для транспортных двигателей, эксплуатируемых в широком диапазоне режимов работы по внешней характеристике.

Использование для регулирования подачи топлива дополнительных устройств, например, различного рода дросселей или перепускных электроуправляемых клапанов, с помощью которых осуществляется управляемый перепуск топлива из рабочего объема (надплунжерной полости) топливного насоса высокого давления на слив, хотя и обеспечивает регулирование характеристик впрыскивания топлива форсункой, но требует для этого переразмеренной максимальной цикловой подачи топлива, что снижает механический КПД двигателя и, кроме того, не избавляет конструкцию топливного насоса высокого давления от низконадежной и дорогостоящей плунжерной пары.

Задачей изобретения является повышение надежности конструкции и расширение технологических возможностей топливного насоса высокого давления по регулированию подачи топлива в форсунку.

Поставленная задача достигается тем, что в способе нагнетания и регулирования подачи топлива в форсунку двигателя внутреннего сгорания топливным насосом высокого давления путем заполнения его рабочего объема, последующего сжатия топлива в рабочем объеме путем его уменьшения в соответствии с режимом работы двигателя, направления топлива из рабочего объема в форсунку после достижения давления впрыска и продолжения выталкивания топлива с давлением впрыска из рабочего объема путем его дальнейшего уменьшения, а также изменения фаз начала сжатия и окончания выталкивания топлива и величины его цикловой подачи согласно предлагаемому изобретению уменьшение рабочего объема обеспечивается объемной деформацией пьезопакета, состоящего из набора элементов из пьезоэлектрического материала и расположенного внутри рабочего объема, путем подачи на пьезопакет электрических сигналов, при этом величина цикловой подачи топлива обеспечивается соответствующими частотой и коэффициентом заполнения электрических сигналов.

Величина цикловой подачи топлива может дополнительно обеспечиваться изменением количества и последовательности задействуемых пьезопакетов путем подачи на них соответствующих электрических сигналов.

Поставленная задача достигается также тем, что в устройстве для осуществления способа нагнетания и регулирования подачи топлива в форсунку двигателя внутреннего сгорания, представляющем собой топливный насос высокого давления, состоящий из корпуса, в котором имеется рабочий объем переменной величины, изменяемый в соответствии с режимом работы двигателя, при этом рабочий объем имеет циклически осуществляемые гидравлические связи соответственно посредством магистрали умеренного давления с питающим насосом в период заполнения рабочего объема топливом и посредством магистрали высокого давления через обратный клапан с форсункой в период подачи на нее топлива, согласно предлагаемому изобретению рабочий объем состоит, по меньшей мере, из одной камеры, в которой размещен пьезопакет, состоящий из набора элементов из пьезоэлектрического материала, пьезопакет электрически связан с генератором управляющих сигналов, рабочий объем гидравлически связан с магистралью умеренного давления через обратный клапан и дополнительным каналом с дренажным клапаном выпуска воздуха при заполнении топливом, а корпус насоса расположен на двигателе таким образом, чтобы канал находился в верхней точке рабочего объема.

В другом варианте устройства рабочий объем может состоять из нескольких сообщающихся между собой камер, в каждой из которых размещается свой пьезопакет, электрически связанный с генератором управляющих сигналов. Замена прецизионной плунжерной пары пьезопакетом объемной деформации для осуществления нагнетания топлива упрощает конструкцию, повышает надежность работы топливного насоса высокого давления и делает его ресурс практически неограниченным.

Топливный насос высокого давления на основе электроуправляемого пьезопакета объемной деформации обеспечивает предельно высокую гибкость управления характеристиками впрыскивания топлива путем регулирования цикловой подачи топлива за счет возможности управления объемным расширением пьезопакета путем подачи на него соответствующего электрического сигнала, формируемого генератором электрических сигналов в соответствии с заданным режимом работы двигателя, параметры которого контролируются набором датчиков.

Возможность реализации на любых режимах цикловой подачи топлива обеспечивает максимально возможный КПД топливного насоса высокого давления во всем диапазоне эксплуатационных режимов, так как нет необходимости осуществлять частичное заполнение рабочего объема или перепуск из него топлива на слив, свойственные традиционным топливным насосам высокого давления с плунжерными парами.

Использование обратного клапана в магистрали умеренного давления обеспечивает автоматическую отсечку и герметизацию рабочего объема при объемном расширении пьезопакета, обеспечивающего сжатие и увеличение давления топлива в рабочем объеме.

Применение дополнительного дренажного клапана, расположенного в канале, гидравлически связывающего рабочий объем со сливом, обеспечивает автоматическое удаление воздуха из рабочего объема в период его наполнения, что особенно необходимо в начальный период работы топливного насоса высокого давления при пуске двигателя, а также герметизацию рабочего объема и его отсечку от слива за счет автоматического запирания клапана динамическим напором топлива в период нарастания давления в рабочем объеме. При этом для большей надежности удаления воздуха корпус топливного насоса высокого давления следует устанавливать на двигателе таким образом, чтобы канал отвода воздуха располагался в самой верхней точке рабочего объема.

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа нагнетания и регулирования подачи топлива; на фиг.2 и 3 показано устройство и два рабочих положения дренажного клапана для выпуска из рабочего объема воздуха; на фиг.4 приведен пример варианта устройства, обеспечивающего дополнительные возможности регулирования параметров топливоподачи.

Устройство (фиг.1) представляет собой топливный насос высокого давления, состоящего из жесткого корпуса 1, герметично закрываемого крышкой 2. В корпусе 1 выполнена полость, например, в виде глухого цилиндрического отверстия, рабочего объема 3, в котором размещен пьезопакет 4, состоящий из набора тонких, гальванически связанных между собой пластин из пьезоэлектрического материала. Рабочий объем 3 гидравлически посредством питающей магистрали 5 умеренного давления и нагнетательной магистрали 6 через собственные обратные клапаны 7 и 8 связан соответственно с питающим насосом (не показан) и форсункой 9.

Для удаления воздуха из рабочего объема 3 при наполнении его топливом, что особенно важно в период пуска двигателя, в корпусе 1 предусмотрен канал 10, гидравлически связанный со сливом 11 через дренажный клапан 12. Для большей надежности удаления воздуха выход канала 12 из рабочего объема 3 осуществляется в его верхней точке, что может быть достигнуто конфигурацией рабочего объема 3 либо соответствующей установкой корпуса 1 относительно двигателя (на схеме, фиг.1, изображен вариант установки корпуса 1 с наклоном относительно вертикали).

Пьезопакет 4 имеет электрическую связь 13 с генератором управляющих сигналов (ГУС) 14.

Дренажный клапан (фиг.2, 3) схематично состоит из корпуса 12, в котором размещен традиционный прецизионный запорный элемент 15, гидравлически связанный в нормально открытом положении со сливом 11 посредством своих центрального и радиальных каналов, а также кольцевой проточки 16 корпуса 12. Нормально открытое положение запорного элемента 15 обеспечивается пружиной 17, а в его центральном канале установлен дроссель 18.

Во втором варианте устройства (фиг.4) топливный насос высокого давления выполнен в виде блочной конструкции, в корпусе 1 которой содержится несколько отдельных гидравлически связанных между собой, например, одинаковой конфигурации, полостей рабочих объемов 3, в каждом из которых размещен свой пьезопакет 4, имеющий индивидуальную электрическую связь 13 с ГУС 14.

Предлагаемый способ нагнетания и регулирования подачи топлива в форсунку ДВС и работа устройства для его реализации осуществляются следующим образом.

Перед началом работы ТНВД его рабочий объем 3 (фиг.1) из магистрали умеренного давления 5 через обратный клапан 7 заполняется топливом. При этом нежелательно попавший в рабочий объем 3 воздух за счет прокачивания рабочего объема 3 топливом вытесняется через канал 10 и нормально открытый дренажный клапан 12 (фиг.2) на слив 11.

Затем с учетом заданного режима работы ДВС на основе контроля его рабочих параметров, в частности, частоты вращения и крутящего момента коленчатого вала, давления наддува и др., контролируемых штатным набором датчиков (не показаны), в генераторе управляющих сигналов 14 (фиг.1) формируется электрический сигнал соответствующих фаз и коэффициента заполнения, который подается на пьезопакет 4, в результате чего происходит его объемное расширение.

При этом с началом объемного расширения пьезопакета 4 уменьшается рабочий объем 3, в результате чего в последнем происходит увеличение давления топлива, под динамическим напором которого срабатывает дренажный клапан 12, и его запорный элемент 15, сжимая пружину 17, переходит в закрытое положение (фиг.3), отсекая тем самым слив 11 и герметизируя рабочий объем 3. Дальнейшее объемное расширение пьезопакета 4 под действием управляющего электрического сигнала увеличивает давление в герметично закрытой полости рабочего объема 3, при достижении которого величины давления впрыска автоматически открывается обратный клапан 8 и топливо по нагнетательной магистрали 6 направляется в форсунку 9, посредством которой обеспечивается впрыск топлива в камеру сгорания ДВС (не показано). После достижения в рабочем объеме 3 давления впрыска под действием управляющего электрического сигнала продолжается объемное расширение пьезопакета 4 для осуществления заданной величины цикловой подачи топлива.

Подача топлива контролируется обратной связью ГУС 14 по величине давления топлива в рабочем объеме 3, например, посредством датчика давления (не показан).

После прекращения подачи управляющего электрического сигнала на пьезопакет 4 последний уменьшает свой объем до исходной величины, давление топлива в рабочем объеме 3 уменьшается до величины остаточного, при этом запорный элемент 15 дренажного клапана 12 возвращается в нормально открытое положение (фиг.2), и ТНВД готов к осуществлению следующего цикла, нагнетанию топлива.

Подбором площади проходного сечения дросселя 18 и усилия предварительного сжатия пружины 17 (фиг.2, 3) обеспечивается максимальное быстродействие и оптимальные условия дренажа клапана 12.

Для расширения технологических возможностей управления величиной цикловой подачи топлива возможно использовать конструкцию ТНВД с несколькими рабочими объемами 3 (фиг.4), в каждом из которых размещен свой пьезопакет 4, имеющий индивидуальную электрическую связь 13 с ГУС 14. При этом дополнительно управлять параметрами топливоподачи можно, изменяя число и последовательность электрически задействуемых пьезопакетов.

1. Способ нагнетания и регулирования подачи топлива в форсунку двигателя внутреннего сгорания топливным насосом высокого давления путем заполнения его рабочего объема топливом умеренного давления, герметизации рабочего объема, последующего сжатия топлива в рабочем объеме путем его принудительного уменьшения в соответствии с режимом работы двигателя, направления топлива из рабочего объема в форсунку после достижения давления впрыска и продолжения выталкивания топлива с давлением впрыска из рабочего объема путем его дальнейшего уменьшения, а также изменения фаз начала сжатия и окончания выталкивания топлива и величины его цикловой подачи, отличающийся тем, что уменьшение рабочего объема обеспечивается объемной деформацией пьезопакета, состоящего из набора элементов из пьезоэлектрического материала и расположенного внутри рабочего объема, путем подачи на пьезопакет электрических сигналов, при этом величина цикловой подачи топлива обеспечивается соответствующими частотой и коэффициентом заполнения электрических сигналов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина цикловой подачи топлива дополнительно обеспечивается изменением количества и последовательности задействуемых пьезопакетов путем подачи на них соответствующих электрических сигналов.

3. Устройство для осуществления способа нагнетания и регулирования подачи топлива в форсунку двигателя внутреннего сгорания представляет собой топливный насос высокого давления, состоящий из корпуса, в котором имеется рабочий объем переменной величины, изменяемый в соответствии с режимом работы двигателя, при этом рабочий объем имеет циклически осуществляемые гидравлические связи соответственно посредством магистрали умеренного давления с питающим насосом в период заполнения рабочего объема топливом и посредством магистрали высокого давления через обратный клапан с форсункой в период подачи на нее топлива, отличающееся тем, что рабочий объем состоит, по меньшей мере, из одной камеры, в которой размещен пьезопакет, состоящий из набора элементов из пьезоэлектрического материала, пьезопакет электрически связан с генератором управляющих сигналов, рабочий объем гидравлически связан с магистралью умеренного давления через обратный клапан и дополнительно каналом с дренажным клапаном выпуска воздуха при заполнении топливом, а корпус насоса расположен на двигателе таким образом, чтобы канал находился в верхней точке рабочего объема.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что рабочий объем состоит из нескольких сообщающихся между собой камер, в каждой из которых размещен свой пьезопакет, электрически связанный с генератором управляющих импульсов.