Система впрыска топлива (варианты)
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.
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.
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.
