Способ управления подачей топлива и устройство подачи топлива
METHOD OF FUEL SUPPLY MANAGEMENT AND FUEL SUPPLYING DEVICE

Изобретение относится к устройствам для управления подачей топлива для двигателей внутреннего сгорания - дизелей (в дальнейшем ДВС), на стационарных установках с дизелями большой мощности и мобильном транспорте, на тракторах с любым типом трансмиссии, в автомобильном и железнодорожном и водном транспорте, бронетехнике и инженерных машинах.
Из уровня техники известен способ управления подачей топлива (прототип) (Электрогидравлическая форсунка с двухпозиционным клапаном. Известия вузов Машиностроение. С. 61-75. №2. Авторы С.А. Богачев, Ю.Е. Хрящев).
Этот способ управления подачей топлива заключается в том, что создают давление топлива отдельно независимо от впрыска с помощью отдельного топливного насоса высокого давления, подают топливо в гидравлический аккумулятор высокого давления, устанавливают в нем определенный уровень давления с помощью клапана регулирования высокого давления, общего для гидравлического аккумулятора, перемещают иглу с помощью электропривода и производят отсечку топлива, топливо подают на слив через клапан регулирования высокого давления гидроакумулятора высокого давления во время отсечки, подают напряжение на электроуправляемый клапан, подают топливо под иглу, осуществляют впрыск топлива. Этот способ реализуется с помощью клапанов с электроприводом и пьезоприводом.
Перемещения золотников крайне малы, поэтому требуются дополнительные мультипликаторы перемещения для пьезоприводов.
Этот способ не позволяет изменять давление основного впрыска (ОВ) по оптимальным требуемым законам.
Из уровня техники известно устройство управления подачей топлива (прототип) в двигатель внутреннего сгорания (Электрогидравлическая форсунка с двухпозиционным клапаном. Известия вузов. Машиностроение. – 2002. - №2, с. 61-75. Авторы С.А. Богачев, Ю.Е. Хрящев).
Это устройство для реализации управления подачей топлива содержит форсунку с двухпозиционным клапаном, управляемым электромагнитом, с подпружиненным штоком с кольцевой площадкой, отдельной камерой управления, которая соединяется через разгрузочный клапан со сливом, а через наполнительный клапан и через дроссель - с линией высокого давления, запирающий элемент распылителя, взаимодействующий с камерой управления сверху и соединенный с линией высокого давления снизу, распылитель с одним уровнем отверстий, содержащее двухпозиционный клапан с подпружиненным штоком, управляемый электромагнитом, отдельную камеру управления с плунжером, который соединен механически с иглой и представляет собой управляемый запорный элемент распылителя.
В этом устройстве игла не подпружинена, а отсутствие пружины повышает быстродействие иглы и, как следствие, улучшает подачу топлива за счет формирования крутых фронтов подачи с минимизацией потерь при переходных процессах.
Устройство не позволяет эффективно осуществить оптимальный цикл подачи топлива, который состоит, как минимум, из трех впрысков: короткого по длительности предварительного впрыска (ПВ) для создания условий экологичного и бесшумного сжигания основной порции топлива с основным впрыском (ОВ); основного впрыска с длительностью, на порядок и более превышающей предварительный впрыск; короткого впрыска после основного (ВПО) для дожигания сажи после ОВ.
Устройство не позволяет точно дозировать топливо для реализации предварительных впрысков и впрысков после основного, поскольку все виды впрысков реализуются через отверстия одного уровня и одного диаметра.
Устройство не позволяет форсировать работу двигателя внутреннего сгорания.
Поэтому оптимальный цикл и устройство подачи топлива необходимо реализовать форсунками с двумя уровнями отверстий, в котором операция подачи основной порции топлива будет осуществляться через второй уровень отверстий большего диаметра.
Технический результат направлен на улучшение динамики подачи топлива, реализацию мультивпрыска и повышение индикаторного кпд, а также расширение функциональных возможностей топливоподающей аппаратуры.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе, включающем перемещение золотника двухпозиционного клапана из крайнего нижнего положения в крайнее верхнее, при котором закрывается наполнительный клапан и открывается разгрузочный клапан при впрыске, подачу топлива в форсунку под иглу, перемещение иглы в верхнее крайнее положение, отвод топлива от камеры управления над иглой сверху и, наоборот, перемещение золотника двухпозиционного клапана из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее положение, при котором открывается наполнительный клапан и закрывается разгрузочный клапан при отсечке, подачу топлива в камеру над иглой сверху, перемещение иглы в крайнее нижнее положение, согласно заявленному изобретению осуществляют независимые впрыски через два уровня отверстий двумя независимыми по управлению системами подачи топлива в разное время цикла, реализуют предварительные впрыски и впрыски после основного путем управления впрыском иглой через отверстия первого уровня первой независимой системой управления, а впрыски основные реализуют путем управления втулкой через отверстия второго уровня второй независимой системой управления, при форсировании двигателя внутреннего сгорания осуществляют независимые впрыски через отверстия первого и второго уровней во время основного впрыска с длительностью впрыска через отверстия первого уровня, меньшей или равной длительности впрыска через отверстия второго уровня, при этом первой независимой системой управления иглой реализуют, как минимум, один предварительный впрыск и, как минимум, один впрыск после основного, при управлении первой независимой системой управления иглой и при впрыске через отверстия первого уровня, а второй независимой системой управления втулкой реализуют, как минимум, один основной впрыск большей длительности между, как минимум, одним предварительным впрыском и, как минимум, одним впрыском после основного при впрыске через отверстия второго уровня, для этого на каждом, как минимум, одном предварительном впрыске и на каждом, как минимум, одном впрыске после основного перемещают золотник первого гидравлически разгруженного двухпозиционного клапана, управляющего иглой, с помощью соленоида в первое крайнее положение, открывают при этом на каждом, как минимум, одном предварительном впрыске и, как минимум, одном впрыске после основного разгрузочный клапан, закрывают наполнительный клапан первого двухпозиционного гидравлически разгруженного клапана, подают топливо от управляющей камеры над иглой на слив через разгрузочный клапан, подают топливо под иглу при впрыске в течение времени, заданного при каждом предварительном впрыске и каждом впрыске после основного, перемещают иглу в верхнее положение, удерживают иглу в верхнем положении при подаче топлива в цилиндр за счет давления топлива под иглой и удерживают золотник первого двухпозиционного клапана в положении с открытым разгрузочным клапаном и закрытым наполнительным клапаном на время длительности каждого предварительного впрыска и каждого впрыска после основного, перемещают во второе крайнее положение золотник первого гидравлически разгруженного двухпозиционного клапана, управляющего иглой с помощью пружины, взаимодействующей с якорем, соединенным механически штоком с золотником первого двухпозиционного клапана, открывают наполнительный клапан, закрывают разгрузочный клапан, подают топливо при каждой отсечке через наполнительный клапан в камеру управления над иглой, перемещают иглу на седло в нижнее крайнее положение, удерживают иглу форсунки за счет давления в камере управления над иглой, а золотник двухпозиционного клапана за счет пружины во втором крайнем положении в течение времени, заданного при каждой отсечке после предварительного впрыска и впрыска после основного, изменяют длительность каждого предварительного впрыска и впрыска после основного за счет изменения длительности подачи напряжения от электронного блока управления на соленоид, управляющий иглой. Второй независимой системой управления втулкой реализуют основной впрыск, для этого перемещают золотник второго двухпозиционного гидравлически разгруженного клапана, управляющего втулкой с помощью соленоида, в первое крайнее положение, открывают при этом на каждом основном впрыске разгрузочный клапан, закрывают наполнительный клапан второго двухпозиционного гидравлически разгруженного клапана, подают топливо от управляющей камеры над втулкой на слив через разгрузочный клапан второго гидравлически разгруженного двухпозиционного клапана, подают топливо под втулку при впрыске в течение времени, заданного при основном впрыске, перемещают втулку в верхнее положение, удерживают втулку в верхнем положении при подаче топлива в цилиндр за счет давления топлива под втулкой и удерживают золотник второго гидравлически разгруженного двухпозиционного клапана в положении с открытым разгрузочным клапаном и закрытым наполнительным клапаном на время длительности каждого основного впрыска, перемещают во второе крайнее положение золотник гидравлически разгруженного двухпозиционного клапана, управляющего втулкой с помощью пружины, взаимодействующей с якорем, соединенным механически штоком с золотником второго гидравлически разгруженного двухпозиционного клапана. Открывают наполнительный клапан, закрывают разгрузочный клапан, подают топливо при каждой отсечке через наполнительный клапан в камеру управления над втулкой, перемещают втулку на седло в нижнее крайнее положение, удерживают втулку форсунки за счет давления в камере управления над втулкой, а золотник второго гидравлически разгруженного двухпозиционного клапана за счет пружины во втором крайнем положении в течение времени, заданного при каждой отсечке после предварительного впрыска и впрыска после основного. Изменяют длительность каждого основного впрыска за счет изменения длительности подачи напряжения от электронного блока управления на соленоид, управляющего втулкой. При форсировании двигателя внутреннего сгорания осуществляют предварительные впрыски и впрыски после основного через отверстия первого уровня как и при обычном оптимальном впрыске без форсирования, осуществляют независимые впрыски через отверстия первого и второго уровней одновременно во время основного впрыска, причем при максимальном и нерегулируемом форсировании впрыск через отверстия первого уровня начинают и заканчивают одновременно с впрыском через отверстия второго уровня, при регулируемом по длительности форсировании, меньшем длительности впрыска через второй уровень отверстий, начинают впрыск через отверстия первого уровня в разное время и заканчивают впрыск через отверстия первого уровня в разное время по отношению к впрыску через отверстия второго уровня.
Также указанный технический результат достигается тем, что в устройстве подачи топлива, включающим форсунку с двухпозиционным клапаном с подпружиненным штоком и кольцевой площадкой, соединенным кинематически с управляемым быстродействующим приводом, камеру управления, которая соединяется через разгрузочный клапан со сливом, а через наполнительный клапан - с линией высокого давления и топливным насосом высокого давления, запирающий элемент распылителя, взаимодействующий с камерой управления сверху и соединенный с линией высокого давления снизу, топливный насос высокого давления, топливную емкость, топливоподкачивающий насос, соединенные между собой гидравлически, согласно изобретению форсунка выполнена с двумя уровнями отверстий для впрыска, с иглой и втулкой, соосной игле форсунки, снабжена вторым двухпозиционным гидроразгруженным клапаном для управления втулкой и двумя соленоидами для привода двухпозиционных клапанов, золотники двухпозиционных клапанов и их седла выполнены гидроразгруженными и соединены каждый механически со своим быстродействующим электромеханическим приводом для линейного перемещения золотника первого двухпозиционного клапана, управляющего иглой, и второго двухпозиционного клапана, управляющего втулкой, гидроаккумулятор высокого давления соединен с камерами под иглой и втулкой через кольцевые проточки в игле относительно втулки и во втулке относительно корпуса форсунки, соединенные между собой радиальными каналами, а через наполнительные клапаны двухпозиционных клапанов с камерами управления над втулкой и иглой, каждый двухпозиционный клапан соединен через свой разгрузочный клапан со сливом.
Устройство для реализации способа иллюстрируется чертежами: на фиг. 1 показана форсунка (продольный разрез) с двумя уровнями отверстий и двумя двухпозиционными клапанами с коническими запирающими поверхностями седел (ДПК) с электромеханическим приводом для иглы и электромагнитным приводом для втулки;
на фиг. 2 показана кинематическая схема быстродействующего электромеханического привода для первого двухпозиционного клапана (ДПК) для управления иглой;
на фиг. 3 показана кинематическая схема быстродействующего электромеханического привода для второго ДПК для управления втулкой.
На фиг. 1 устройство для управления подачей топлива содержит форсунку 1 с отверстиями 2 первого уровня и отверстиями 3 второго уровня; иглу 4 с кольцевой проточкой 5, дифференциальную площадку 6 под иглой 4, управляющую камеру 7 над иглой 4, радиальный канал 8 в теле втулки для подвода топлива к кольцевой проточке 5 иглы 4; канал 9 в корпусе форсунки 1 для подвода топлива от наполнительного клапана (НК) первого двухпозиционного клапана (ДПК) к управляющей камере 7 над иглой 4 при выполнении отсечки топлива при впрыске через отверстия 2 первого уровня; втулку 10 с кольцевой проточкой 11, соединенной с камерой 12; камеру управления 13 над втулкой для подвода топлива сверху втулки 10, выполненной соосно игле 4; канал 14 в корпусе форсунки 1 для подвода топлива от гидравлического аккумулятора высокого давления (ГАВД не показан на фиг. 1) к камере 12 и из нее к игле 4 через кольцевую проточку 11 для реализации впрыска через отверстия 2 первого уровня. Канал 15 в корпусе форсунки 1 выполнен для подвода топлива от наполнительного клапана (НК) второго ДПК к камере управления 13 над втулкой 10 при выполнении отсечки топлива при впрыске через отверстия 3 второго уровня.
Также устройство содержит первый двухпозиционный клапан 16 (ДПК 16) для управления иглой 4 с золотником 17, одна сторона которого выполнена с конусной поверхностью с площадью, равной дифференциальной площадке на противоположной к конусной поверхности стороне штока, а вторая с кольцевой поверхностью; кольцевой проточки 18 между корпусом первого ДПК 16 и его золотником 17; наполнительного клапана19 (НК 19) и разгрузочного клапана 20 (РК 20) первого ДПК 16; канала 21 для подвода топлива высокого давления к НК 19 от ГАВД, канала 22 для подвода топлива высокого давления от ДПК 16 к управляющей камере 7 над иглой 4 при отсечке; канала 23 для отвода топлива низкого давления через РК 20 на слив; дифференциальной площадки 24 для гидравлической разгрузки двухпозиционного клапана 16 с золотником 17 первого ДПК 16; штока 25, соединяющего соленоид 26 с золотником 17 ДПК 16.
Также устройство содержит второй ДПК 27 с золотником 28, одна сторона которого выполнена с конусной поверхностью с площадью, примерно равной дифференциальной площадке на противоположной к конусной поверхности стороне штока, а вторая - с кольцевой поверхностью, кольцевой проточкой 29 между золотником 28 и корпусом второго ДПК 27 с наполнительным клапаном 30 (НК 30) и разгрузочным клапаном 31 (РК 31); канала 32 для подвода топлива высокого давления к НК 30 от ГАВД, канала 33 для подвода топлива от ДПК 27 к втулке 10; канала 34 для отвода топлива низкого давления через РК 31 на слив; дифференциальной площадки 35 для гидравлической разгрузки клапана ДПК 27 с золотником 28 второго ДПК 27; штока 36, соединенного на выходе с соленоидом 37 для перемещения второго ДПК для управления втулкой 10.
Первый двухпозиционный клапан на фиг. 2 содержит: соленоид 26, соединенный механически через якорь и шток 25 с золотником 17 первого ДПК 16; катушку 38, соединенную с электронным блоком управления (ЭБУ на фиг. 2 не показан); пружину 39, подпружинивающую якорь соленоида 26.
Второй двухпозиционный клапан на фиг. 3 содержит: соленоид 37, соединенный механически через якорь и шток 36 с золотником 28 ДПК 27; катушку 40, соединенную с электронным блоком управления (ЭБУ на фиг. 3 не показан); пружину 41, подпружинивающую якорь соленоида 37.
Устройство для реализации способа работает следующим образом.
Устройство реализует, как минимум, три впрыска в оптимальном цикле подачи топлива. Как минимум, два впрыска реализуются при управлении иглой 4 (фиг. 1, фиг. 2,): это предварительный впрыск (ПВ) через отверстия 2, который реализуется с помощью соленоида 26 (фиг. 2), и впрыск после основного (ВПО) через отверстия 2, который также реализуется с помощью соленоида 26. Так реализуется первый режим работы первой независимой системы управления подачей топлива через отверстия 2 первого уровня.
Основной впрыск (ОВ) реализуется при управлении втулкой 10 (фиг. 1, фиг. 3) с помощью соленоида 37 при впрыске через отверстия 3.
Так реализуется второй режим работы второй независимой системы подачи топлива. Длительность ПВ, ОВ и ВПО, длительность отсечек между ними и последовательность их выполнения задаются для обеих независимых систем с помощью электронного блока управления (ЭБУ не показан).
Первая и вторая независимые системы управления подачей работают на создание оптимального цикла подачи топлива в заданной последовательности: ПВ реализует первая независимая система подачи топлива; ОВ реализует вторая независимая система подачи топлива; ВПО реализует снова первая независимая система подачи топлива.
При форсированном ОВ впрыск происходит одновременно через отверстия 2 и 3 при реализации ОВ, что позволяет менять его форму, впрыскивать большее количество топлива и форсировать двигатель.
При форсировании ОВ осуществляется через отверстия 3 с заданной оптимальной длительностью, а длительность впрыска через первый уровень отверстий 2 реализуется либо синхронно с ОВ, либо асинхронно с ним с длительностью впрыска через отверстия 2, меньшей длительности впрыска через отверстия 3.
Три впрыска: ПВ, ОВ и ВПО представляют последовательные впрыски оптимального цикла топливоподачи и составляют единый процесс. Вместе с тем при работе системы управления работа иглы 4 и втулки 10 совершенно независимы.
Дифференциальная площадка 24 для гидравлической разгрузки клапана 16 с золотником 17 первого ДПК 16 примерно равна по площади конусной поверхности золотника 17. Для этого на соленоид 26 подается напряжение с ЭБУ (фиг. 2). Якорь соленоида 26 перемещается в первое крайнее положение и тянет за собой шток 25 с гидравлически разгруженным золотником 17 ДПК 16.
Открывается РК 20, закрывается НК 19 первого ДПК 16. Пружина 39 соленоида 26 сжимается. Гидравлически разгруженный золотник 17 позволяет либо уменьшить габариты соленоида 26, либо повысить его быстродействие в тех же габаритах.
Топливо поступает в камеру управления 7 по радиальному каналу 8 форсунки под высоким давлением, равным давлению ГАВД.
При открытом РК 20 кольцевая полость 18 первого ДПК 16 через канал 23 (фиг. 1) и трубопровод сообщается со сливом. Давление в камере КУИ 7 (фиг. 1) падает до атмосферного. Топливо из камеры КУИ 7 вытесняется на слив. Одновременно топливо поступает по кольцевой проточке 5 из камеры 12 и через радиальные каналы 8 во втулке 10, соединенные с ней, в камеру под иглу 4 в отверстия 2 для впрыска. Длительность каждого ПВ задается ЭБУ. После окончания ПВ напряжение с ЭБУ не подается на катушку 38 соленоида 26.
Пружина 39 разжимается и (фиг. 1), перемещает золотник 17 во второе крайнее положение. Закрывается РК 20, открывается НК 19 первого ДПК 16. Топливо под высоким давлением от ГАВД по каналу 22 поступает в КУИ 7 и при большей площади верхней площадки над иглой 4, чем площадь дифференциальной площадки в кольцевой проточке 5, перемещает иглу 4 на седло. Топливо под высоким давлением подается от ГАВД в управляющей камере 7 форсунки 1 через канал 21, кольцевую проточку 18 вокруг золотника 17, канал 22. Отверстия 2 для впрыска закрываются. Первый ПВ прекращается.
Аналогично выполняется при необходимости и второй ПВ через время, заданное ЭБУ. Первой независимой системой управления с помощью первого ДПК 16 выполняется также каждый ВПО.
Для этого сначала реализуется последовательно после одного или двух ПВ основной впрыск с заданной длительностью. Затем выполняется, как минимум, один ВПО.
ОВ реализуется при управлении втулкой 10 второй независимой системой управления подачей топлива с помощью второго ДПК 27. Подается напряжение с ЭБУ на катушку 40 соленоида 37. Якорь соленоида 37 движется в первое крайнее положение вместе с гидроразгруженным золотником 28 ДПК 27. Сжимается пружина 41 в соленоиде 37 (фиг. 3) под воздействием якоря силой, развиваемой соленоидом 37.
Открывается РК 31, закрывается НК 30 в ДПК 27. Камера управления 13 (фиг. 1) соединяется через канал 33 с кольцевой проточкой 29 в ДПК 27 и через канал 34 в ДПК 27 со сливом. Давление в камере управления 13 над втулкой 10 падает до атмосферного. Давление на дифференциальную площадку втулки 10 в камере 12 становится намного больше давления над втулкой 10 в КУВ 13. Втулка 10 перемещается в верхнее положение.
Топливо из КУВ 13 уходит на слив. Одновременно топливо поступает из камеры 12 в кольцевую проточку 11 и в отверстия 3 через камеру под втулкой 10.
Начинается ОВ через отверстия 3, который происходит при максимальном давлении. Длительность ОВ задается с помощью ЭБУ.
ОВ заканчивается при отсечке подачи топлива. Для этого с катушки 40 соленоида 37 снимается с помощью ЭБУ напряжение. Пружина 41 в соленоиде разжимается. Перемещается якорь соленоида 37 и механически с ним связанный шток 36 и золотник 28, соединенный механически со штоком 36 второго ДПК 27, во второе крайнее положение. Закрывается РК 31 и открывается НК 30 в ДПК 27.
Топливо под высоким давлением подается от ГАВД в камеру управления 13 форсунки 1 через канал 32, кольцевую проточку 29 вокруг золотника 28, канал 33 в ДПК 27, а также канал 15 в форсунке 1 в КУВ 13. Топливо в КУВ 13 поступает под большим давлением. Втулка 10 перемещается вниз вследствие большой разности давлений в камере 12 с дифференциальной площадкой и давлением в КУВ 13 из-за большой разницы площадей над втулкой 10 в КУВ 13 и под втулкой 10 в камере 12. Происходит отсечка при окончании ОВ. ОВ заканчивается.
После ОВ начинается ВПО через время, задаваемое ЭБУ, который реализуется при управлении иглой 4 также как и ПВ.
При форсировании ДВС осуществляют ПВ и ВПО через отверстия 2 первого уровня, как и при обычном оптимальном впрыске без форсирования. В этом случае ПВ и ВПО реализуют первой независимой системой управления подачей топлива с соленоидом 26, катушкой 38, пружиной 39, (фиг. 2), золотником 17 первого гидравлически разгруженного ДПК 16.
Кроме того, осуществляют независимые впрыски через отверстия 2 первого и отверстия 3 второго уровней одновременно во время ОВ в случае, когда требуется впрыснуть через отверстия 2 первого и отверстия 3 второго уровней максимальное количество топлива. В этом случае на время длительности ОВ одновременно работают две независимые системы подачи топлива. Так реализуется максимальное и нерегулируемое по длительности форсирование. Впрыск топлива через отверстия 2 является форсирующим и длительность его равна длительности ОВ через отверстия 3.
В том случае, когда для форсирования требуется меньшее количество топлива, впрыск через отверстия 2 первого уровня делают по длительности короче длительности ОВ через второй уровень отверстий 3. Укорочение по длительности впрыска реализуется различными способами: начинается впрыск через первый уровень отверстий 2 в разное время и заканчивают в разное время по отношению к длительности ОВ через отверстия 3 второго уровня. В этом случае реализуется регулируемое по длительности форсирование ДВС. Впрыск через отверстия 2 первого уровня в этом случае осуществляется, также как впрыски ПВ и ВПО, с той лишь разницей, что длительность этого впрыска задается ЭБУ и она меньше длительности ОВ.
Устройство реализует все операции способа