СИСТЕМА ТОПЛИВОПОДАЧИ ДИЗЕЛЯ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к системам подачи топлива в топливовпрыскивающую аппаратуру, и может быть использована при разработке дизелей автотранспортных средств.
Известна система подачи топлива в дизель [Авторское свидетельство №1548497, МПК F 02 M 55/00, oп. 07.03.90 г.], содержащая топливный насос высокого давления (ТНВД), имеющий, по крайней мере, одну плунжерную пару с нагнетательным клапаном, линию высокого давления, форсунку закрытого типа, подигольная полость которой связана с линией высокого давления, и сливной топливопровод, связанный с подигольной полостью форсунки через дроссель и клапан давления, между дросселем и подигольной полостью форсунки расположен управляемый подпружиненный клапан с электромагнитным приводом. Система снабжена электронным блоком управления с задатчиком фазы начала впрыска.
Недостатком данной системы является отсутствие возможности регулировки остаточного давления в топливопроводе высокого давления. Установка клапана в продолжение топливопровода высокого давления не исключает условий возникновения колебаний иглы из-за изменения давления внутри подигольной полости.
Известна система топливоподачи дизеля [Патент РФ №2146771, МПК F 02 M 37/04, oп. 20.03.2000 г.], включающая топливный бак, топливоподкачивающий насос с электроприводом, топливные фильтры, топливный насос высокого давления, имеющий, по меньшей мере, одну плунжерную пару, топливопроводы низкого и высокого давления, по меньшей мере, одну форсунку, электромагнитный клапан управления, электронный блок управления, датчик частоты коленчатого вала, электромагнитный клапан разгрузки, разгрузочный топливопровод, топливопровод среднего давления, перепускной клапан, датчиком температуры охлаждающей жидкости дизеля, датчиком давления наддувочного воздуха дизеля. При этом топливный насос высокого давления характеризуется наличием гладкого плунжера (без винтовых отсечных кромок) и отсутствием нагнетательного клапана.
Недостатком данной системы является необходимость регулирования пропускной способности топливоподкачивающего насоса для поддержания остаточного давления в топливопроводе высокого давления с помощью электромагнитного клапана управления, при открытии которого в топливопроводе высокого давления может наблюдаться скачек давления, приводящий к несвоевременному открытию иглы форсунки и подвпрыску топлива. Соединение разгрузочного топливопровода, идущего от клапана разгрузки, с топливопроводом низкого давления, выполняющего топливозаборную функцию для топливоподкачивающего насоса, так и топливосливную от топливопровода среднего давления через перепускной клапан дополнительно создают возможность повышения давления в топливопроводе высокого давления в момент срабатывания перепускного клапана, что повышает вероятности возникновения подвпрыска топлива.
Известна система управления топливоподачей с помощью электромагнитных клапанов [Патент РФ №2191912, МПК F 02 D 41/00, F 02 M 63/02, oп. 27.10.02 г.], состоящая из топливного насоса высокого давления, форсунок, линии высокого давления, линии слива топлива, двух электромагнитных клапанов (нормально закрытый клапан-дроссель и нормально открытый байпасный клапан), установленных в каждой линии высокого давления топлива с возможностью перепускания топлива в линию слива, датчика давления топлива, блока управления и датчика частоты вращения и положения коленчатого вала.
Недостатком данной системы является необходимость изменения профиля кулачков вала ТНВД для обеспечения равномерного нарастания давления топлива в линии высокого давления. Отсутствует возможность поддержания заданного уровня остаточного давления в топливопроводе высокого давления, что может явиться причиной неполного впрыска топлива. Использование нормально открытого байпасного клапана не исключает обратный подсос топлива из линии слива при обратном движении плунжера ТНВД.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является система топливоподачи дизеля [Анохин В.И. Отечественные автомобили. - М.: Машиностроение, 1977. с.214-230], состоящая из топливного бака, фильтров предварительной и тонкой очистки топлива, подкачивающего насоса, топливного насоса высокого давления, форсунок с иглами, топливопроводов низкого и высокого давления, сливных топливопроводов, соединительных штуцеров. ТНВД содержит насосные секции, каждая из которых включает плунжер с гильзой и нагнетательный клапан.
Недостаток данной системы связан с работой нагнетательного клапана, при которой возникают колебания давления в топливопроводе высокого давления, что приводит к
подвпрыску топлива, происходящему после основного впрыска за счет повторного открытия иглы форсунки. В этот момент в камере сгорания практически отсутствует кислород, что является причиной неполного сгорания топливной смеси и приводит к интенсивному нагарообразованию на стенках цилиндра и поршня. В результате увеличивается расход топлива и количество вредных выбросов в отработанных газах. Повышенное давление газов внутри цилиндра при повторном открытии иглы дает возможность горячим газам проникнуть в полость распылителя, вследствие чего происходит закоксовывание дросселирующих отверстий распылителя и образование отложений на поверхности иглы, нарушающих нормальную работу форсунки.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка системы топливоподачи дизеля, в которой исключено явление подвпрыска топлива за счет оптимизации момента окончания его основного впрыска, введение регулировки остаточного давления и устранения колебаний давления в топливопроводе высокого давления между впрысками без изменения конструкции ТНВД и форсунки. В результате достигается повышение экологических и мощностных показателей работы дизельного двигателя, снижение расхода топлива и уменьшение закоксовывания стенок камеры сгорания, поршня и распылителя форсунки.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что известная система подачи топлива, включающая топливный бак, топливный насос высокого давления, имеющий, по меньшей мере, одну насосную секции с нагнетательным клапаном, узел подачи топлива в топливный насос высокого давления, по меньшей мере, одну форсунку, причем топливный насос высокого давления соединен с форсункой топливопроводом высокого давления с помощью топливоприемного штуцера, форсунка соединена с топливным баком сливным топливопроводом, дополнительно снабжена разгрузочным клапаном, разгрузочным топливопроводом, электронным блоком управления, датчиком положения коленчатого вала, при этом разгрузочный клапан размещен на топливоприемном штуцере форсунки и соединен с топливным баком разгрузочным топливопроводом.
Введение разгрузочного клапана исключает возможность подъема и снижения давления в топливопроводе высокого давления между впрысками. Выполнение разгрузочного клапана в виде нормально открытого электромагнитного клапана с золотником поддерживает давление топлива равным остаточному давлению, величина
которого является меньшей, чем давление, при котором происходит отсечка подачи топлива. Таким образом, разгрузочный клапан является регулятором остаточного давления. Величина остаточного давления определяется усилием, необходимым для открытия золотника.
Оставаясь открытым в момент прохождения отраженной волны от ТНВД, разгрузочный клапан исключает возможность изменения давления в подигольной полости форсунки до следующего впрыска топлива, что предотвращает повторное открытие иглы и исключает подвпрыск топлива.
Электромагнитное управление разгрузочным клапаном дает возможность управлять длительностью впрыска, так как позволяет закрыть клапан на момент начала впрыска топлива. При этом происходит повышение давление топлива до значения, требуемого для открытия иглы форсунки. При возвращении клапана в исходное открытое состояние в момент отсечки подачи топлива, давление снижается до величины, определяющей закрытие иглы форсунки
Установка разгрузочного клапана на топливоприемном штуцере, присоединяющем топливопровод высокого давления к форсунке, сокращает время отсечки подачи топлива, оптимизируя тем самым момент окончания основного впрыска без конструктивных изменений форсунки и ТНВД, за счет возможности открытия разгрузочного клапана одновременно с посадкой нагнетательного клапана ТНВД в седло в конце впрыска топлива.
Разгрузочные топливопроводы соединяют соответствующие им разгрузочные клапана с топливным баком, что исключает потери топлива. Для уменьшения длины разгрузочные топливопроводы могут быть соединены с топливным баком через соответствующие сливные топливопроводы.
Электронный блок управления формирует управляющие импульсы, подаваемые на обмотки электромагнитов разгрузочных клапанов, что позволяет закрывать их в порядке работы цилиндров дизельного двигателя. Длительность каждого из импульсов управления соответствует времени, необходимому для впрыска топлива.
Датчик положения коленчатого вала определяет момент начала впрыска топлива в первый цилиндр дизеля и частоту, с которой необходимо производить впрыск топлива в цилиндры, в соответствии с частотой вращения коленчатого вала двигателя.
На фиг.1 представлена схема подачи топлива дизеля для одного цилиндра, включающая одну секцию ТНВД и одну форсунку; на фиг.2 - схема нормально открытого
разгрузочного клапана с золотником и место его установки на топливоприемном штуцере, присоединяющем топливопровод высокого давления к форсунке.
Детали и узлы системы топливоподачи дизеля на схемах имеют следующие цифровые обозначения: 1 - топливный бак; 2 - узел подачи топлива в топливный насос высокого давления; 3 - топливный насос высокого давления; 4 - насосная секция ТНВД; 5 -нагнетательный клапан; 6 - седло нагнетательного клапана; 7 - топливопровод высокого давления; 8 - топливоприемный штуцер; 9 - форсунка; 10 - игла форсунки; 11 - камера сгорания цилиндра; 12 - сливной топливопровод от насоса; 13 - сливной топливопровод от форсунок; 14 - разгрузочный топливопровод; 15 - разгрузочный клапан; 16 - блок электронного управления; 17 - электрическая управляющая цепь; 18 - датчик положения коленчатого вала; 19 - шкала датчика на коленчатом валу; 20 - запорный клапан; 21 -основание разгрузочного клапана; 22 - корпус разгрузочного клапана; 23 - обмотка электромагнита; 24 - корпус золотника; 25 - золотник; 26 - возвратная пружина золотника; 27 - возвратная пружина запорного клапана; 28 - пропускные отверстия основания; 29 - пропускные отверстия корпуса; 30 - пропускные отверстия корпуса золотника.
Система топливоподачи дизеля (фиг.1) содержит топливный бак 1, узел подачи топлива 2, который может состоять из различных по конструкции подкачивающего насоса, топливных фильтров и соединяющих их топливопроводов, топливный насос высокого давления 3, имеющий по числу цилиндров двигателя насосные секции 4 с нагнетательными клапанами 5 в седлах 6, которые соединены топливопроводами высокого давления 7 через топливоприемные штуцера 8 с соответствующими им форсунками 9, иглы 10 которых обеспечивают впрыск топлива в камеры сгорания 11 соответствующих цилиндров, сливные топливопроводы от насосов 12 и от форсунок 13 к топливному баку 1, разгрузочный топливопровод 14, соединяющий со сливным топливопровод ом 13 разгрузочный клапан 15, расположенный на штуцере 8, блок электронного управления 16, электрические цепи управления 17, датчик положения коленчатого вала 18 со шкалой 19 на коленчатом валу.
К входу электронного блока управления 16с помощью электрической управляющей цепи 17 присоединен датчик положения коленчатого вала 18, каждый из его выходов соединен с соответствующим разгрузочным клапаном 15.
В качестве электронного блока управления 16 для дизельного двигателя с 4-мя цилиндрами может быть использован электронный блок управления «МИКАС 7.1» [241.3763.000-01, каталог ООО «НПП АВТЭЛ», с.12].
В качестве датчика положения коленчатого вала (ДПКВ) 18 может быть использован индуктивный датчик скорости и частоты вращения [Автомобильный справочник. Перевод с англ. Первое русское издание. - М.: Издательство «За рулем», 2000. с.107-108], позволяющий определять положение коленчатого вала двигателя и скорость его вращения по шкале 19, выполненной в виде зубчатого колеса. Одинаковые по размеру зубцы шкалы позволяют формировать ряд последовательных импульсов, а один зуб, увеличенный по длине, позволяет определить нулевую точку, которая соответствует началу впрыска в первый цилиндр двигателя. Последовательность работы цилиндров определяет электронный блок управления 16, а начало этой последовательности определяется позиционированием датчика положения коленчатого вала 18 относительно увеличенного зуба шкалы 19.
В качестве разгрузочного клапана может быть использован нормально открытый клапан, схема которого представлена на фиг.2. Клапан 15 состоит из основания 21, в котором помещен запорный клапан 20 и возвратная пружина клапана 27, корпуса 22, в котором установлены электромагнит 23 и корпус золотника 24 с золотником 25 и возвратной пружиной золотника 26 внутри. Для пропускания топлива основание клапана 21 имеет пропускные отверстия 28, корпус клапана 22 - пропускные отверстия 29, а корпус золотника 24 - пропускные отверстия 30.
Разгрузочный клапан 15, оставаясь нормально открытым при отсутствии управляющего импульса от электронного блока управления 16, обеспечивает свободное протекание топлива из полости топливоприемного штуцера 8 в разгрузочный топливопровод 14, его золотник 25 поддерживает остаточное давление на заданном уровне, величина которого определяется степенью сжатия возвратной пружины золотника 26. Закрытие золотника 25 при снижении давления в полости топливоприемного штуцера 8 исключает обратное движение топлива и подсос воздуха из разгрузочного топливопровода 14.
Система топливоподачи работает следующим образом.
Дизельное топливо из топливного бака 1 поступает в ТНВД 3 с помощью узла подачи топлива 2, который обеспечивает его очистку и подкачку в количестве, требуемом для
7 работы ТНВД 3. Каждая из насосных секций 4 ТНВД 3 формирует поток топлива высокого давления, который по соответствующему топливопроводу высокого давления 7 через топливоприемный штуцер 8 направляется к соответствующей форсунке 9 и при отсутствии управляющего импульса от электронного блока управления 16 протекает через нормально открытый разгрузочный клапан 15, когда давление внутри топливопровода высокого давления 7 оказывается больше усилия сжатия возвратной пружины 26, удерживающей золотник 25 в закрытом состоянии. Слив топлива по разгрузочному топливопроводу 14 исключает его потери. Излишки топлива, просочившиеся при работе топливной аппаратуры, отводятся в топливный бак 1 посредством сливных топливопроводов 12 от насоса 3 и топливопроводов 13 от форсунок 9.
Датчик положения коленчатого вала 18 при повороте шкалы 19 последовательно формирует электрические импульсы, соответствующие по количеству числу цилиндров двигателя. В момент прохождения увеличенного зуба формируется сигнал большей длительности, управляющий началом нового цикла работы цилиндров. Электрические импульсы передаются по управляющей цепи 17 от ДПКВ 18 на вход электронного блока управления 16, который самостоятельно распределяет их в заданной последовательности работы цилиндров двигателя, передавая их далее к обмоткам электромагнитов 23 соответствующих разгрузочных клапанов 15.
Управляющий импульс от блока электронного управления 16 поступает на обмотку электромагнита 23 разгрузочного клапана 15 синхронно с открытием нагнетательного клапана 5 соответствующей насосной секции 4 ТНВД 3. Запорный клапан 20 втягивается и перекрывает поток топлива на слив. Это позволяет увеличить давление в топливопроводе высокого давления 7, которое открывает иглу 10 для начала впрыска топлива форсункой 9 в камеру сгорания цилиндра 11. Регулировкой положения ДПКВ 18 относительно шкалы 19 обеспечивают регулировку начала впрыска топлива в первый цилиндр двигателя.
Длительность управляющего импульса, подаваемого на обмотку электромагнита 23, определяет длительность впрыскивания топлива. Окончание впрыска (отсечка подачи топлива нагнетательным клапаном) совпадает с окончанием подачи управляющего импульса, при этом запорный клапан 20 открывается под воздействием усилия возвратной пружины клапана 27.
При открытии разгрузочного клапана 15 топливо, протекая между запорным клапаном 20 и основанием клапана 21 через пропускные отверстия 28, попадает в полость между основанием клапана 21 и корпусом клапана 22, откуда через пропускные отверстия
корпуса 29 поступает к золотнику 25 и открывает его, имея давление значительно большее, чем усилие, созданное возвратной пружиной золотника 26. Протекая по пропускным отверстиям золотника 30, топливо попадает в разгрузочный топливопровод 14.
Снизив давление до заданной величины остаточного давления, определяемого усилием сжатия возвратной пружины золотника 26, золотник 25 закрывается и удерживается в этом положении, исключая дальнейшее снижение давления в топливопроводе высокого давления 7 и обратное протекание топлива из разгрузочного топливопровода 14.
В этом состоянии разгрузочный клапан 15 находится до поступления следующего управляющего импульса от электронного блока управления 16, исключая возможность колебания давления топлива внутри топливопровода высокого давления 7 между впрысками при прохождении обратной волны топлива, отраженной от нагнетательного клапана 5.
Предлагаемая полезная модель системы топливоподачи дизеля с установленными на топливоприемных штуцерах, соединяющих топливопроводы высокого давления с форсунками, разгрузочными клапанами, электромагнитный привод которых работает от электронного блока управления в соответствии с порядком работы цилиндров за счет управляющих импульсов, формируемых датчиком положения коленчатого вала, оптимизирует момент окончания основного впрыска топлива и поддерживает постоянное остаточное давление в топливопроводе высокого давления, исключая вероятность возникновения подвпрыска топлива. Это обеспечивает наиболее полное сгорание топлива, снижает его расход и долю вредных веществ в отработавших газах, уменьшает закоксовывание стенок камеры сгорания, поршня и распылителя форсунки, не давая горячим газам проникнуть внутрь форсунки, чем улучшает экологические и мощностные показатели работы дизельного двигателя без изменения конструкции ТНВД и форсунок.