СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO CONTROL CHARACTERISTICS OF INJECTING FUEL INTO ICE COMBUSTION CHAMBER AND SYSTEM TO THIS END

Изобретение относится к объекту машиностроения, а именно двигателестроению, и, в частности, к управлению характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания (КС) двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Известен способ управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внуреннего сгорания (патент РФ №2295049, з. 12.05.2005) (аналог), снабженного системой топливоподачи с топливным насосом высокого давления и форсункой, между которыми установлен перепускной клапан с электрическим управлением его затвора, а также снабженного системой автоматического управления работой клапана, электрически связанной с генератором управляющих импульсов и имеющей обратные связи по режимным параметрам двигателя, контролируемых блоком датчиков, заключающийся в прекращении впрыскивания топлива открытием затвора и возобновлением впрыскивания закрытием затвора при подаче на его электропривод соответствующего электрического сигнала, сформированного генератором электрических импульсов по результатам контроля режимных параметров двигателя, при этом заданным значением давления впрыска топлива во времени управляют путем изменения величины эффективного сечения щели перепускного клапана, определяемого величиной остаточного между затвором и седлом зазора, обеспечиваемого дифференциальной характеристикой управляющего электрического сигнала, подаваемого на электропривод затвора.
Известна система управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2295049, з. 12.05.2005) (аналог), содержащая топливный насос высокого давления и форсунку, между которыми установлен перепускной клапан с электрическим управлением его затвора, открытием которого прекращают впрыск топлива, а закрытием возобновляют его, а также систему автоматического управления работой клапана, электрически связанную с генератором управляющих импульсов и снабженную обратными связями по режимным параметрам двигателя, контролируемых блоком датчиков, в которой в качестве привода затвора перепускного клапана применен пьезоэлектрический привод, а система автоматического управления дополнительно снабжена датчиками перемещения затвора перепускного клапана и давления топлива перед форсункой.
Недостатками известных способа и устройства являются сложность управления характеристиками впрыскивания при малых цикловых подачах топлива на режимах частичных нагрузок и невозможность управления задним и, что особенно необходимо, передним фронтом впрыска, что очень важно для обеспечения качественного смесеобразования во всем диапазоне нагрузочных режимов двигателя.
Это обусловлено тем, что практически невозможно обеспечить точные микроперемещения затвора при малых значениях остаточного зазора, что необходимо для регулирования малых значений эффективного сечения щели перепускного клапана. Это объясняется тем, что для обеспечения больших проходных сечений щели перепускного клапана при малых временных интервалах впрыска топлива на режимах максимальных нагрузок двигателя необходимо применять затвор относительно большого диаметра, что, с одной стороны, вызывает увеличение массы подвижных элементов перепускного клапана и, как следствие, увеличение сил инерции, что, в свою очередь, ухудшает динамические качества перепускного клапана и не позволяет получать требуемое быстродействие для изменения переднего и заднего фронтов впрыска топлива, а, с другой стороны, обусловливает острую (крутую) характеристику регулирования малых эффективных сечений щели перепускного клапана в зависимости от величины остаточного между седлом и затвором зазора, что также не позволяет управлять передним и задним фронтами впрыска во всем диапазоне нагрузочных режимов двигателя и амплитудой давления впрыска в области малых нагрузок и холостого хода.
Используемый при этом пьезоэлектрический привод затвора, выполняя функцию регулируемого упора, обеспечивает работу перепускного клапана в режиме дросселя с регулируемым проходным сечением, однако в области малых эффективных сечений щели такой перепускной клапан вследствие большого диаметра затвора оказывается весьма грубым для регулирования малых цикловых подач и осуществления короткофазного перепуска микродоз топлива с целью регулирования переднего и заднего фронтов впрыска, поэтому такой перепускной клапан во всем диапазоне регулирования щели практически работает в релейном режиме и фактически может обеспечивать регулирование фаз и амплитуды давления впрыска только при цикловых подачах, соответствующих режимам максимальных нагрузок двигателя.
Известен способ управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания ДВС (патент РФ №2231672, з. 24.07.2002 г.) (прототип), снабженного системой топливоподачи с топливным насосом высокого давления и форсункой, между которыми установлен перепускной клапан с электрическим управлением его затвора, в также снабженного системой автоматического управления работой клапана, электрически связанной с генератором управляющих импульсов и имеющей обратные связи по режимным параметрам двигателя, контролируемых блоком датчиков, заключающийся в том, что впрыск топлива прекращают открытием затвора перепускного клапана или возобновляют его путем закрытия затвора, подавая на его электропривод соответствующий электрический сигнал, сформированный генератором электрических импульсов по результатам контроля режимных параметров двигателя.
Известная система управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2231672, з. 24.07.2002 г.) (прототип) снабжена топливным насосом высокого давления и форсункой, между которыми установлен перепускной клапан с электрическим управлением, открытием затвора которого прекращают подачу топлива в камеру сгорания, а закрытием - возобновляют ее, при этом в качестве привода затвора используют электромагнит, и, кроме того, содержит систему автоматического управления, электрически связанную с генератором управляющих импульсов и блоком датчиков, осуществляющих обратные связи системы автоматического управления с режимными параметрами двигателя внутреннего сгорания.
Недостатки известных способа и устройства заключаются в том, что они не позволяют управлять величиной давления впрыскивания топлива в камеру сгорания при постоянной частоте вращения коленчатого вала, что очень важно для обеспечения качественного смесеобразования в диапазоне малых нагрузок и холостого хода двигателя. Это объясняется тем, что изменение амплитуды давления впрыска практически можно обеспечить только изменением площади проходного сечения щели (осточного зазора) перепускного клапана между затвором и его седлом, что не обеспечивается электромагнитным приводом, который традиционно управляется электрическими сигналами, формируемыми генератором импульсов по принципу широтно(частотно)-импульсной модуляции. При этом система обеспечивает изменение фаз и продолжительность впрыска за счет соответствующего изменения фаз открытия и закрытия затвора и продолжительности его выстоя, но не позволяет изменять (ограничивать по определенному закону) величину хода затвора (остаточного зазора) в процессе его перемещения вследствие большой инерционности подвижных звеньев перепускного клапана-затвора совместно с якорем электромагнита, так как при этом для обеспечения среднего значения амплитуды давления впрыска требуется значительное увеличение частоты управляющих импульсов с малым коэффициентом их заполнения. Использование принципа амплитудной модуляции управляющих сигналов также не позволяет управлять величиной хода затвора (остаточным зазором перепускного клапана) вследствие другой особенности мощного электромагнитного привода с торцевым якорем, заключающейся в резком снижении его тягового усилия при незначительном увеличении зазора между якорем и статором электромагнита, что не позволяет обеспечивать устойчивую работу затвора в режиме изменения величины его хода и, тем самым, не позволяет обеспечить надежность управления величиной давления впрыска топлива.
Целью изобретения является повышение качества смесеобразования в камере сгорания в широком диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя за счет расширения технологических возможностей системы управления характеристиками впрыскивания топлива.
Поставленная цель достигается тем, что в способе управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, снабженного системой топливоподачи с топливным насосом высокого давления и форсункой, соединенных нагнетательной магистралью, в которой установлен полнорасходный перепускной клапан с электрическим управлением его затвора, осуществляемым в соответствии с режимными параметрами двигателя, путем прекращения впрыскивания топлива открытием затвора и возобновлением впрыскивания закрытием затвора при подаче на его электропривод соответствующих электрических сигналов, сформированных системой автоматического управления по результатам контроля режимных параметров двигателя, фазами впрыска управляют закрытием и открытием затвора полнорасходного перепускного клапана, работающего в релейном режиме, а амплитудой давления и законами переднего и заднего фронтов впрыска управляют путем изменения величины проходного эффективного сечения дополнительного малорасходного электроуправляемого перепускного клапана, работающего в режиме регулируемого дросселя и установленного в нагнетательной магистрали последовательно с полнорасходным перепускным клапаном, причем требуемую величину проходного эффективного сечения дополнительного перепускного клапана, определяемую величиной остаточного между его затвором и седлом зазора, обеспечивают дифференциальной характеристикой управляющего электрического сигнала, подаваемого на электропривод его затвора в зависимости от режимных параметров двигателя.
Поставленная цель достигается также тем, что в системе управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, содержащей топливный насос высокого давления и форсунку, связанные нагнетательной магистралью, в которой установлен полнорасходный перепускной клапан с электрическим приводом затвора, открытием которого прекращают впрыск топлива, а закрытием возобновляют его, а также систему автоматического управления работой клапана, формирующую частотно-импульсный управляющий электрический сигнал для управления перемещением затвора и функционально связанную с его приводом, и, кроме того, снабженную обратной связью по режимным параметрам двигателя, контролируемых блоком датчиков, в нагнетательной магистрали последовательно с полнорасходным перепускным клапаном установлен дополнительный малорасходный перепускной клапан, выполняющий функцию регулируемого дросселя с пьезоэлектрическим приводом затвора, при этом система автоматического управления дополнительно содержит модуль по формированию управляющего электрического сигнала дифференциальной характеристики в зависимости от режима работы двигателя и снабжена обратной связью по перемещению затвора полнорасходного перепускного клапана, при этом модуль имеет функциональные связи с системой автоматического управления и пьезоэлектрическим приводом затвора дополнительного перепускного клапана и обратные связи по перемещению его затвора и давлению впрыска топлива, для чего система дополнительно снабжена датчиками перемещения затвора дополнительного малорасходного перепускного клапана и давления топлива перед форсункой.
Разделенное управление фазами, а также амплитудой давления и законами переднего и заднего фронтов впрыска за счет использования двух перепускных клапанов: соответственно полнорасходного с большим проходным сечением для управления фазами впрыска и малорасходного с малым проходным сечением для управления амплитудой давления и законами переднего и заднего фронтов впрыска топлива, - позволяет упростить систему управления перепуском за счет того, что полнорасходный клапан во всем диапазоне нагрузочных режимов работы двигателя работает в релейном режиме, а дополнительный малорасходный перепускной клапан, выполняя функцию регулируемого дросселя, обеспечивает тонкую регулировку амплитуды давления и законов изменения переднего и заднего фронтов впрыска топлива, что особенно сложно осуществить при малых цикловых подачах топлива на режимах частичных нагрузок и холостого хода двигателя.
Применение дополнительного малорасходного перепускного клапана значительно снижает инерционность его подвижных элементов и позволяет осуществить короткофазный перепуск микродоз топлива, что в совокупности значительно повышает эффективность системы перепуска, обеспечивая пологую характеристику изменения регулируемых параметров впрыска (амплитуды давления и законов изменения переднего и заднего фронтов впрыска) от величины остаточного между затвором и седлом зазора дополнительного перепускного клапана.
При этом изменение величины остаточного зазора между затвором и седлом дополнительного перепускного клапана достигается соответствующим изменением величины перемещения (хода) затвора в процессе его посадки на седло за счет применения в качестве привода затвора пьезоэлектрического привода, управляемого аналоговым по величине напряжения электрическим сигналом, формируемым дополнительным модулем (генератором управляющих импульсов) в соответствии с режимом работы двигателя, параметры которого контролируются штатным блоком (набором) датчиков, что позволяет упростить и повысить надежность и стабильность работы системы управления впрыском топлива вследствие возможности обеспечения тонкой регулировки параметров впрыска на основе осуществления микроперепуска, управляемого аналоговым сигналом (с дифференциальной характеристикой), подаваемым на пьезоэлектрический привод затвора дополнительного перепускного клапана. Использование в системе управления впрыском топлива дополнительных датчиков перемещения затворов полнорасходного и дополнительного малорасходного перепускных клапанов, а также давления топлива перед форсункой обеспечивает обратную связь системы автоматического управления с дифференциальными характеристиками перемещения затвора дополнительного перепускного клапана, амплитудой и дифференциальными характеристиками давления переднего и заднего фронтов впрыска топлива, а также согласование по фазам и законам перемещения затворов основного и дополнительного перепускных клапанов.
Т
T
На фиг.1 приведена схема системы, обеспечивающей предлагаемый способ управления характеристиками впрыскивания топлива; на фиг.2…5 схематично показаны осциллограммы давления впрыска топлива р=ƒ (φ) (φ - фазовое положение коленчатого вала двигателя) и перемещений Н=ƒ (φ) и h=ƒ'(φ) затворов соответственно полнорасходного и дополнительного малорасходного перепускных клапанов для условий регулирования: фаз (фиг.2), амплитуды давления (фиг.3) и закона переднего фронта (фиг.4) впрыска топлива, а также осуществления двухфазного впрыска топлива (фиг.5).
Для осуществления предлагаемого способа управления характеристиками впрыскивания топлива двигатель внутреннего сгорания (ДВС) (фиг.1) имеет блок (набор) штатных датчиков (БД) 2, контролирующих параметры работы двигателя, и систему подачи топлива, содержащую топливный насос высокого давления (ТНВД) 3 с прецизионной плунжерной парой, состоящей из втулки 4 и плунжера 5, перемещаемого посредством управляющего кулачка 6 распредвала 7, и форсунки (Ф) 8, гидравлически соединенных нагнетательной магистралью (НМ) 9, последовательно проходящей через полнорасходный перепускной клапан (ППК) 10 и дополнительный малорасходный перепускной клапан (ДМПК) 11. Наполнение камеры нагнетания 12 ТНВД 3 осуществляется из питающей магистрали (ПМ), а перепуск топлива из ТНВД 3, ППК 10 и ДМПК 11 осуществляется на слив. При этом ППК 10 имеет нормально закрытый затвор 13, открытие которого осуществляется электромагнитным приводом (ЭМП) 14, а закрытие - пружиной 15; ДМПК 11 имеет нормально открытый затвор 16, закрытие которого осуществляется пьезоэлектрическим приводом (ПЭП) 17, а открытие - пружиной 18. Система подачи топлива содержит также систему автоматического управления (САУ) 19, формирующую частотно-импульсный управляющий электрический сигнал для управления перемещением затвора 13 ППК 10 и имеющую функциональную связь 20 с ЭМП 14, а также снабженную дополнительным модулем (М) 21, формирующим аналоговый управляющий электрический сигнал для управления перемещением затвора 16 ДМПК 11 и имеющем функциональную связь 22 с ПЭП 17. Кроме того, САУ 19 имеет обратные связи: 23 по режимным параметрам ДВС 1, контролируемых БД 2, и 26 - по величине перемещения затвора 13, контролируемого датчиком перемещения 28, и осуществляет фазовое согласование частотно-импульсного и аналогового управляющих сигналов, а М 21 имеет обратные связи: 24 - по величине давления впрыска, контролируемого датчиком давления топлива (ДДТ) 25, и 27 - по величине перемещения затвора 16, контролируемого датчиком перемещения 29.
Предлагаемый способ управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания ДВС 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 (штатным набором) датчиков 2, информация от которых в виде измеренных импульсов передается по каналу обратной связи 23 на САУ 19, в которой измеренные значения режимных параметров сравниваются с заданными, устанавливаемыми в соответствии с требуемым режимом работы ДВС.
В результате сравнения заданных значений параметров с их измеренными величинами определяются величина и знак рассогласования, на основе которых в САУ 19 и М 21 вырабатываются соответствующие управляющие электрические сигналы, которые по функциональным каналам связи 20 и 22 направляются на ЭМП 14, управляющий работой ППК 10, и на ПЭП 17, управляющий работой ДМПК 11, при этом САУ 19 одновременно обеспечивает фазовое согласование управляющих сигналов, что в совокупности позволяет получить заданную дифференциальную характеристику подачи топлива ТНВД 3 через НМ 9 на Ф8.
mах
mах
max
При полностью открытом ППК 10 (при максимальном ходе Н=Н его затвора 13) вся цикловая порция топлива из камеры нагнетания 12, максимальный объем которой определяется диаметром плунжера 5 ТНВД 3 и максимальной высотой профиля кулачка 6, направляется на слив, и впрыск топлива форсункой 8 не производится. При этом безразлично в каком положении (закрытом или открытом) может находиться затвор 16 ДМПК 11, так как максимальному ходу Н затвора 13 соответствует максимальная площадь S=S эффективного проходного сечения щели ППК 10, обеспечивающая полнорасходный перепуск всего максимального циклового объема топлива, поступающего из камеры нагнетания 12 в НМ 9 и соответствующего режиму максимальной нагрузки ДВС 1.
T
Tmах
o
o
mах
T
T
н
к
н(1)
к(1)
н(i)
к(i)
н(i+1)
к(i+1)
Для осуществления впрыска топлива с максимальным давлением Р=Р (фиг.2) прекращается подача на ЭМП 14 электрического управляющего сигнала от САУ 19, при этом пружина 15 удерживает затвор 13 ППК 10 в нормально закрытом состоянии, одновременно на ПЭП 17 от М 21 подается удерживающий электрический сигнал максимальной амплитуды, посредством которого в результате механического осевого удлинения пакета пьезоэлементов ПЭП 17 затвор 16, преодолевая сопротивление пружины 18, прижимается к седлу (что соответствует его нулевому перемещению h=h=0), полностью перекрывая эффективное проходное сечение (S'=S'=0) щели ДМПК 11, полностью предотвращая тем самым перепуск топлива из НМ 9 на слив. В этом случае максимальная амплитуда (Р=Р) и законы переднего и заднего фронтов (Р=ƒ (φ)) дифференциальной характеристики впрыскивания (закона топливоподачи) определяются главным образом выбором геометрических параметров камеры нагнетания 12 (диаметром и ходом плунжера) ТНВД 3, законом профиля кулачка 6 и частотным режимом ДВС 1 (распредвала 7). При этом, работая в релейном режиме (включено-выключено), за счет подачи на ЭМП 14 частотно-импульсного управляющего электрического сигнала с соответствующим коэффициентом заполнения, ППК 10 может обеспечивать независимое регулирования фаз начала φ и окончания φ подачи топлива (например, обеспечить продолжительность впрыска с фазами: φ…φ; φ…φ; φ…φ) при неизменных законах переднего и заднего фронтов характеристики впрыскивания топлива.
T
Ti
Tmах
Ti
Tо
Tо
н
к
i-1
i
o
Для осуществления впрыскивания топлива с промежуточными амплитудами давления Р=Р (Р<Р<Р; Р=0) (фиг.3), оптимально выбираемыми для заданных режимов работы ДВС 1, в САУ 19 и М 21 одновременно формируются согласованные по фазам и амплитуде управляющие электрические сигналы. При этом ППК 10, работая в релейном режиме, обеспечивает регулирование фаз начала φ и окончания φ впрыскивания топлива, а ДМПК 11 одновременно работает в режиме регулируемого дросселя за счет того, что формируемые М 21 аналоговые управляющие электрические сигналы соответствующих амплитуд обеспечивают пропорциональные изменения величин перемещения (h<h<h) ПЭП 17, который выполняет при этом функцию регулируемого упора, ограничивающего ход затвора 16 и обеспечивающего тем самым обратно пропорциональное изменение площади S' проходного сечения щели ДМПК 11 и соответствующее этой площади дросселирование части топлива, перепускаемого из НМ 9 на слив в процессе осуществления впрыска.
Система (фиг.1) позволяет также управлять дифференциальным законом (формой осциллограммы давления) впрыска, обеспечивая изменение, например, крутизны переднего (при необходимости и заднего) фронта (фиг.4), а также многофазный или ступенчатый (не показан) впрыск (фиг.5) топлива.
Изменение формы (например, крутизны) переднего фронта характеристики впрыскивания (фиг.4) достигается одновременным закрытием затвора 13 ППК 10 и формированием в М 21 аналогового управляющего электрического сигнала соответствующей дифференциальной характеристики, посредством которого в начале процесса впрыскивания с помощью ПЭП 17 осуществляется перемещение по определенному закону затвора 16 ДМПК 11, обеспечивающее соответствующее изменение площади эффективного проходного сечения щели ДМПК 11 и обратно пропорциональное ему дросселирование части топлива, перепускаемого через ДМПК 11 на слив.
T1mах
1
3
2
3
T2mах
3
5
3
T2mах
4
Ступенчатый (не показан) или многофазный, например двухфазный, впрыск топлива (фиг.5) обеспечивается последовательной согласованной работой обоих мало- и полнорасходного перепускных клапанов. При этом первая фаза впрыска с максимальной амплитудой давления Р и фазами φ…φ обеспечивается перемещением затвора 16 ДМПК 11 по заданной дифференциальной характеристике h=ƒ'(φ) с фазами φ…φ путем формирования М 21 аналогового управляющего электрического сигнала соответствующей формы. Во второй фазе впрыска с максимальной амплитудой давления Р и фазами φ…φ начало впрыска совпадает с фазой φ закрытия затвора 16 ДМПК 11, а окончание впрыска, начиная с момента падения давления Р, совпадает с моментом (φ) начала открытия затвора 13 ППК 10.
Контроль фаз работы ППК 10 и ДМПК 11 (фиг.1) и величин их проходных сечений осуществляется посредством датчиков перемещения 28 и 29 затворов соответственно 13 и 16, а регистрация давления впрыска перед форсункой 8 обеспечивается датчиком давления топлива 25, информация от которых передается на САУ 19 и М 21 по каналам обратной связи соответственно 26, 27 и 24.
Осуществление разделенного управления фазами и дифференциальной характеристикой (амплитудой и законами переднего и заднего фронтов) впрыскивания топлива на основе использования двух перепускных клапанов: одного - (основного) полнорасходного с частотно-импульсным электрическим управлением затвора и другого - (допольнительного) малорасходного с амплитудным электрическим управлением затвора позволяет упростить систему управления характеристиками впрыскивания топлива, повысить ее надежность, быстродействие и стабильность работы за счет снижения инерционных сил подвижных элементов исполнительных устройств и улучшения тем самым динамических свойств перепускных клапанов, а также получить возможность осуществлять тонкую регулировку параметров впрыскивания за счет применения дополнительного малорасходного перепускного клапана с использованием для его затвора быстродействующего и способного обнспечивать высокоточные перемещения пьезоэлектрического привода.