Способ питания аккумулятора давления системы подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания, а именно способам работы и устройствам аккумуляторных систем топливоподачи в камеры сгорания дизелей. Техническим результатом является повышение эффективности системы топливоподачи за счет упрощения ее конструкции, повышения надежности и быстродействия. В предлагаемом способе нагнетание топлива в аккумулятор давления осуществляется электроуправляемым топливным насосом высокого давления, выполненным на основе пьезоактюатора объемного принципа действия, а регулирование давления в аккумуляторе обеспечивается изменением дифференциальной характеристики управляющего электрического сигнала, подаваемого на пьезоактюатор. В устройстве, реализующем предлагаемый способ, используется топливный насос высокого давления, выполненный на основе пьезоактюатора объемного принципа действия, и дополнительно содержится генератор управляющих импульсов, имеющий функциональные связи с системой автоматического управления и пьезоактюатором. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам работы и системам обеспечения топливоподачи в камеры сгорания (КС) двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известен способ питания аккумулятора давления системы подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания (прототип - 1) Robert Bosch GmbH. Diesel-Speichereinspritzsystem Common Raill Technische Unterrichtung. - 1998. - s.1-49; 2) Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. - М.: Легион - Автодата, 2004, - 344 с. - с.101-105, 260-265) путем контроля параметров режима работы двигателя, циклического нагнетания топливным насосом высокого давления (ТНВД) топлива в аккумулятор и регулирования в соответствии с режимом работы двигателя давления в аккумуляторе соответствующим изменением расхода циклически нагнетаемого топлива.

Известно устройство для осуществления питания аккумулятора давления системы подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания (прототип - 1) Robert Bosch GmbH. Diesel-Speichereinspritzsystem Common Raill Technische Unterrichtung. - 1998. - c.1-49; 2) Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. - М.: Легион - Автодата, 2004, - 344 с. - с.101-105, 260-265), включающее топливный насос высокого давления, камера нагнетания которого через обратный клапан имеет циклически осуществляемую гидравлическую связь посредством магистрали высокого давления с аккумулятором давления, устройство изменения расхода циклически нагнетаемого топлива и систему автоматического управления, имеющую обратные связи с датчиками контроля режимных параметров двигателя и функциональную связь с устройством изменения расхода циклически нагнетаемого топлива.

Известна также система подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания (аналог - Патент №2263224 РФ), в которой в качестве индивидуального топливного насоса высокого давления используется насос на основе пьезоактюатора объемного принципа действия, при этом насос гидравлически связан с гидромеханической форсункой, обеспечивающей подачу топлива в цилиндр двигателя.

Недостатками известных способа и устройства (прототипы) являются повышенная конструктивная сложность и пониженная надежность, обусловленные наличием прецизионных плунжерных пар топливного насоса высокого давления и автономного регулятора давления в аккумуляторе.

Недостатками известной системы подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания (аналог) являются необходимость использования индивидуальных топливных насосов высокого давления для каждого цилиндра, что усложняет и удорожает конструкцию, а также использование гидромеханической форсунки, снижающей быстродействие и ограничивающей возможности системы по управлению законом подачи топлива.

Цель изобретения - повышение эффективности системы за счет упрощения ее конструкции, а также повышения надежности и быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что в способе питания аккумулятора давления системы подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания путем контроля параметров режима работы двигателя, циклического нагнетания топливным насосом высокого давления топлива в аккумулятор и регулирования в соответствии с режимом работы двигателя давления в аккумуляторе соответствующим изменением расхода циклически нагнетаемого топлива, согласно предлагаемому изобретению нагнетание топлива осуществляется электроуправляемым топливным насосом высокого давления, выполненным на основе пьезоактюатора объемного принципа действия и обеспечивающим нагнетание топлива за счет увеличения объема пьезоактюатора при подаче на него управляющего электрического сигнала, при этом изменение расхода циклически нагнетаемого топлива осуществляют изменением частоты и амплитуды увеличения объема пьезоактюатора путем подачи на него управляющего электрического сигнала заданной дифференциальной характеристики, формируемой в соответствии с режимом работы двигателя.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для осуществления способа питания аккумулятора давления системы подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, включающем топливный насос высокого давления, камера нагнетания которого через обратный клапан имеет циклически осуществляемую гидравлическую связь посредством магистрали высокого давления с аккумулятором давления, устройство изменения расхода циклически нагнетаемого топлива и систему автоматического управления, имеющую обратные связи с датчиками контроля режимных параметров двигателя и функциональную связь с устройством изменения расхода циклически нагнетаемого топлива, согласно предлагаемому изобретению топливный насос высокого давления выполнен на основе погружного пьезоактюатора объемного принципа действия, размещенного в камере нагнетания, и дополнительно содержит генератор управляющих импульсов, который снабжен функциональными электрическими связями соответственно: входной - с системой автоматического управления и выходной - с пьезоактюатором.

Применение в конструкции ТНВД вместо традиционной плунжерной пары, склонной к задирам, пьезоактюатора объемного принципа действия погружного типа, находящегося непосредственно в среде дизельного топлива, заполняющего камеру сжатия, для создания давления нагнетания топлива в аккумуляторе, повышает надежность работы и быстродействие ТНВД.

Кроме того, широкие возможности изменения закона объемной деформации ПА, обеспечиваемые задаваемой дифференциальной характеристикой управляющего электрического сигнала, позволяют пьезоактюатору одновременно выполнять функции регулятора давления топлива в аккумуляторе за счет управления дифференциальной характеристикой импульса давления нагнетаемого топлива.

По своим частотным характеристикам ПА объемного принципа действия позволяет использовать в системе подачи топлива односекционный ТНВД, производительности которого достаточно для питания от аккумулятора нескольких форсунок многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, что упрощает конструкцию системы подачи топлива и снижает ее стоимость.

На фиг.1 изображена принципиальная схема, поясняющая обеспечение способа питания аккумулятора давления системы подачи топлива в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания и устройство для реализации предлагаемого способа. На фиг.2, 3 показана схема дренажного клапана при двух его рабочих положениях соответственно - при выпуске воздуха из камеры нагнетания ТНВД и при ее герметизации в начале повышения давления.

Система подачи топлива устанавливается, например, на многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 1 (фиг.1), имеющий блок (набор) штатных датчиков (БД) 2, контролирующих параметры работы двигателя, и содержит топливный насос высокого давления (ТНВД) 3 и форсунки (Ф) 4 (показана одна форсунка), гидравлически соединенные нагнетательными трубопроводами 5 и 6 через аккумулятор (АК) 7 давления топлива.

Топливный насос высокого давления 3 состоит из предельно жесткого корпуса с выполненной в нем камерой нагнетания (КН) 8, в которой размещен пьезоактюатор (ПА) 9 объемного принципа действия, максимально занимающий полость камеры нагнетания 8, малое свободное пространство которой заполнено топливом. Полость камеры нагнетания 8 гидравлически связана через обратный клапан (ОК) 10 и магистраль умеренного давления 11 с топливоподкачивающим насосом (не показан); через обратный клапан (ОК) 12 и нагнетательный трубопровод 5 с аккумулятором 7 давления топлива, снабженного датчиком давления топлива в аккумуляторе (ДДА) 13. Аккумулятор давления топлива 7 в верхней точке своей полости имеет дренажный клапан (ДК) 14, соединенный со сливом трубопроводом 15. Дренажный клапан 14 обеспечивает стравливание воздуха из полости аккумулятора 7 в процессе его заполнения топливом и его автоматическую герметизацию в конце заполнения. Для большей надежности удаления воздуха выход канала, связывающего ОК 12 с камерой нагнетания 8, расположен в ее верхней точке, что может быть достигнуто, например, соответствующей установкой корпуса ТНВД 3 относительно ДВС 1 (на схеме фиг.1 изображен вариант установки корпуса ТНВД 3 с наклоном относительно вертикали).

Форсунки 4 снабжены электроуправляемыми, например электромагнитными, приводами (ЭП) 16 затвора - иглы (не показано) и датчиками давления топлива перед форсункой (ДЦФ) 17.

Нагнетательный трубопровод 6 связывает АК 7 с форсункой 4 через традиционный автоматически действующий клапан аварийной отсечки топлива (КАОТ) 18.

Система подачи топлива содержит также систему автоматического управления (САУ) 19 и генератор управляющих импульсов (ГУИ) 20, при этом САУ 19 имеет обратные связи соответственно: 21 - по режимным параметрам двигателя, включая связи 22 - по давлению топлива в аккумуляторе и 23 - по давлению топлива перед форсунками и функциональные связи 24 - с ГУИ 20 и 25 - с ЭП 16 форсунок 4, а ГУИ 20 имеет функциональную связь 26 с ПА 9.

Дренажный клапан 14 (фиг.2, 3) схематично состоит из корпуса 27, в котором размещен традиционный прецизионный запорный элемент 28, который при нормально открытом положении посредством своих центрального и радиальных каналов, а также кольцевой проточки 29 в корпусе 27 гидравлически связывает камеру нагнетания 8 (фиг.1) со сливом 15. Нормально открытое положение запорного элемента 28 (фиг.2) обеспечивается пружиной 30, а в его центральном канале установлен дроссель 31.

Предлагаемый способ питания аккумулятора давления системы подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания осуществляется следующим образом. В процессе работы ДВС 1 (фиг.1) его режимные параметры, в частности частота вращения и крутящий момент коленчатого вала, давление наддува и др., контролируются блоком датчиков 2, а также давление топлива перед аккумулятором 7 и на форсунке 4 - датчиками ДДА 13 и ДДФ 17, информация от которых в виде измеренных импульсов передается по каналам обратной связи соответственно 21, 20 и 23 на САУ 19, в которой измеренные значения режимных параметров сравниваются с заданными, устанавливаемыми в соответствии с требуемым режимом работы двигателя. Полученная в результате сравнения заданных значений параметров с их измеренными величинами информация передается в виде сигнала рассогласования от САУ 19 по функциональному каналу связи 24 на ГУИ 20, где формируется соответствующий дифференциальной характеристики управляющий электрический сигнал, направляемый по функциональному каналу связи 26 на ПА 9. Под воздействием электрического сигнала ПА циклически увеличивает свой объем, вытесняя из автоматически отсекаемой от магистрали умеренного давления 11 посредством обратного клапана 10 камеры нагнетания 8 ТНВД 3 необходимое циклическое количество топлива, которое через обратный клапан 12 по магистрали высокого давления 5 поступает в аккумулятор 7. Требуемый объемный расход нагнетаемого топлива и давление в аккумуляторе 7 обеспечиваются дифференциальной характеристикой (частотой, коэффициентом заполнения и амплитудой импульсов) управляющего электрического сигнала, формируемого ГУИ 20 в соответствии с заданным режимом работы двигателя. При этом изменение параметров управляющих импульсов, подаваемых на ПА 9, позволяет ТНВД 3 одновременно выполнять функции регулятора давления топлива в аккумуляторе 7.

Работа устройства, позволяющего реализовать способ питания аккумулятора давления системы подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, осуществляется следующим образом.

Перед началом работы ДВС 1 (фиг.1) все гидравлически связанные полости элементов системы подачи топлива, а именно камера нагнетания 8 ТНВД 3, аккумулятор давления топлива 7 и рабочие полости форсунок 4 (показана одна), а также каналы нагнетательных трубопроводов 5 и 6 при открытом КАОТ 18 из магистрали умеренного давления 11 через обратный клапан 10 последовательно заполняются топливом. При этом воздух из камеры нагнетания 8 ТНВД 3 и АК 7 удаляется за счет прокачивания через них некоторого количества топлива на слив 15 через нормально открытый дренажный клапан 14.

В процессе заполнения гидравлически связанных полостей КН 8 и АК 7 топливом вытесняемый из них воздух свободно выходит через нормально открытый ДК 14 (фиг.2). В момент окончательного вытеснения воздуха топливом ДК 14 практически мгновенно автоматически переводится из нормально открытого в закрытое состояние (фиг.3) за счет того, что запорный элемент 28, сжимая пружину 30, переходит в закрытое положение, отсекая тем самым слив 15 (фиг.1) и герметизируя все гидравлически связанные полости: КН 8, АК 7, Ф4 и нагнетательных трубопроводов 5 и 6. При дальнейшей работе системы ДК 14 будет удерживаться в закрытом положении давлением топлива в АК 7. Надежность работы ДК 14 обеспечивается подбором площади проходного сечения дросселя 3 (фиг.2, 3) и усилия предварительного сжатия пружины 30, регулировкой которых достигается необходимая чувствительность запорного элемента 28, реагирующего на разность плотностей топлива и воздуха.

В процессе работы ДВС 1 его режимные параметры, в частности частота вращения, крутящий момент коленчатого вала, давление наддува и др., контролируются блоком штатных датчиков 2, а также давление топлива в аккумуляторе 7 и перед форсунками 4 контролируется датчиками соответственно ДДА 13 и ДДФ 17, информация от которых в виде измеренных импульсов передается по каналам обратной связи соответственно 21, 22 и 23 на САУ 19, в которой измеренные значения режимных параметров сравниваются с заданными в соответствии с требуемым режимом работы ДВС 1. Полученная в результате сравнения заданных значений параметров с их измеренными величинами информация передается в виде сигналов рассогласования от САУ 19 по функциональным каналам связи 25 на ЭП 16, обеспечивающих работу Ф 4 в соответствии с заданным режимом работы ДВС 1. Дополнительно соответствующий сигнал рассогласования от САУ 19 по функциональному каналу 24 направляется на ГУИ 20, где формируется соответствующий управляющий электрический импульс, направляемый по функциональному каналу 26 на ПА 9 и обеспечивающий необходимые расход и давление топлива в АК 7.

При этом под воздействием сформированного ГУИ 20 в соответствии с заданной дифференциальной характеристикой электрического импульса ПА 9 за счет объемного пьезоэффекта увеличивает по заданному закону свой объем, в результате чего в камере нагнетания 8 увеличивается давление топлива.

Необходимый цикловой расход подаваемого топлива и заданная величина его давления в АК 7, контролируемого обратной связью 22 от ДДА 13, обеспечиваются соответствующей дифференциальной характеристикой (частотой, коэффициентом заполнения и амплитудой) управляющих электрических импульсов, формируемых ГУИ 20 в соответствии с заданными характеристиками впрыскивания топлива форсунками 4 и подаваемых на ПА 9.

В случае зависания иглы форсунки 4, например, по причине ее задира клапан аварийной отсечки топлива 18 автоматически срабатывает, прекращая подачу топлива к вышедшей из строя 4, что позволяет предотвратить гидроудар в цилиндре ДВС 1 и одновременно стабилизировать работу других форсунок двигателя. Условием срабатывания КАОТ 18 является, например, превышение максимально допустимого расхода топлива через форсунку 4, соответствующего режиму номинальной мощности двигателя.

1. Способ питания аккумулятора давления системы подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания путем контроля параметров режима работы двигателя, циклического нагнетания топливным насосом высокого давления топлива в аккумулятор и регулирования в соответствии с режимом работы двигателя давления в аккумуляторе соответствующим изменением расхода циклически нагнетаемого топлива, отличающийся тем, что нагнетание топлива осуществляют электроуправляемым топливным насосом высокого давления, выполненным на основе пьезоактюатора объемного принципа действия и обеспечивающим нагнетание топлива за счет увеличения объема пьезоактюатора при подаче на него управляющего электрического сигнала, при этом изменение расхода циклически нагнетаемого топлива осуществляют изменением частоты и амплитуды увеличения объема пьезоактюатора путем подачи на него управляющего электрического сигнала заданной дифференциальной характеристики, формируемой в соответствии с режимом работы двигателя.

2. Устройство для осуществления способа питания аккумулятора давления системы подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, включающее топливный насос высокого давления, камера нагнетания которого через обратный клапан имеет циклически осуществляемую гидравлическую связь посредством магистрали высокого давления с аккумулятором давления, устройство изменения расхода циклически нагнетаемого топлива и систему автоматического управления, имеющую обратные связи с датчиками контроля режимных параметров двигателя и функциональную связь с устройством изменения расхода циклически нагнетаемого топлива, отличающееся тем, что топливный насос высокого давления выполнен на основе погружного пьезоактюатора объемного принципа действия, размещенного в камере нагнетания, и дополнительно содержит генератор управляющих импульсов, который снабжен функциональными электрическими связями, соответственно входной - с системой автоматического управления и выходной - с пьезоактюатором.