ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ФОРСУНКА АККУМУЛЯТОРНОЙ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
ELECTROHYDRAULIC NOZZLE OF DIESEL ENGINE ACCUMULATOR FUEL SYSTEM

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам питания двигателей внутреннего сгорания аккумуляторного типа с электронным управлением.
Известны электрогидравлические форсунки (ЭГФ) с запорной иглой, камерой управления над ней, входным жиклером между камерой управления и каналами высокого давления, электроуправляемым клапаном, сообщенным со сливом, и каналом с выпускным жиклером между камерой управления и клапаном. Часто камера управления размещается не над иглой, а над мультипликатором запирания иглы, имеющим больший, чем у иглы, диаметр (см. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. - М.: Изд-во Легион-Автодата, 2005. - 344 с.). Именно такие форсунки получили распространение в аккумуляторных топливных системах.
К числу их недостатков относится невозможность формирования характеристики впрыскивания основного или единственного впрыскивания. Вместе с тем, для малотоксичных дизельных двигателей в этом есть острейшая необходимость, а на номинальном режиме и всех режимах среднеоборотных и малооборотных двигателей многоразовая подача не применяется и способов воздействия на рабочий процесс двигателя с помощью управляемой характеристики впрыскивания не остается.
Одной из наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является ЭГФ, известная из патента US 2012-0111965 А1, МПК F02M 61/08, 2010 г. В отличие от наиболее популярной ЭГФ, упомянутой выше, эта форсунка имеет дополнительный канал, сообщенный выходом с выходом выпускного канала и каналом клапана с образованием промежуточной полости. Вход дополнительного канала сообщен с каналами высокого давления.
Изобретение по патенту US 2012-0111965 А1 имеет целью ускорение закрытия иглы путем организации дополнительного потока топлива в камеру управления через дополнительный канал. Дополнительный поток топлива в конце подачи, действительно, увеличивает крутизну заднего фронта, но он же уменьшает крутизну переднего фронта.
2
Недостатком данного технического решения является то, что тот же эффект достигается в более простой исходной конструкции ЭГФ, упомянутой выше, в частности, при уменьшении отношения сечения жиклера клапана к сечению входного жиклера или при увеличении отношения диаметра мультипликатора запирания к диаметру иглы (на фиг. 1 кривые a, b, c, d соответствуют сечению входного сечения 0,02, 0,04, 0,06, 0,08 при постоянном сечении клапана 0,1 мм). Таким образом, решение не имеет дополнительных достоинств в плане изменения наклонов трапецевидного профиля характеристики впрыскивания.
В то же время для организации малотоксичного процесса двигателя требуется профиль переднего фронта ступенчатой или ломаной формы (см., например, Kuleshov A.S., Grekhov L.V. Multidimensional Optimization of DI Diesel Engine Process Using Multi-Zone Fuel Spray Combustion Model and Detailed Chemistry NOx Formation Model SAE Tech. Pap. Ser. - 2013. - №2013-01-0882; Future Emission Demands for Ship and Locomotive Engines - Challenges, Concepts and Synergies from HD-Applications - A. Wiartalla, L. Ruhkamp, T. Koerfer и др. // Paper No. 174, CIMAC Congress 2010, Bergen, p. 14; Leonard R., Parche M. Pressure-amplified common rail system for commercial vehicles / R. Leonard, M. Parche // MTZ 05.2009 Volume 70. p. 10-15). Такую форму характеристики впрыскивания решение по патенту US 2012-0111965А1 организовать не способно.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении эффективности работы форсунки в дизельном двигателе за счет формирования переднего фронта характеристики впрыскивания. В частности, в соответствии с требованиями оптимальности организации малотоксичного и энергоэффективного рабочего процесса ставится задача на первом участке переднего фронта характеристики впрыскивания обеспечения быстрого начала подачи топлива до оптимизированного значения давления впрыскивания, что предотвращает образование крупных капель. Второй участок переднего фронта должен быть ступенчатый или более пологим для снижения максимального значения и скорости повышения давления впрыскивания, т.е. ограничения эмиссии окислов азота, нагрузок на детали и шума сгорания.
Поставленная задача решается за счет того, что электрогидравлическая форсунка аккумуляторной топливной системы дизельного двигателя содержит корпус с группой корпусных деталей, в которых имеются каналы высокого давления, каналы слива, распылитель с распыливающими отверстиями, иглой, размещенной в распылителе с образованием гидравлически плотного прецизионного сопряжения и запорного сечения на конце, обращенном к распыливающим отверстиям, а на другом конце, обращенном к корпусу, торцевой упор, а также имеющей возможность перемещения и сообщения каналов высокого давления с распыливающими отверстиями, причем перемещение ограничено контактом торцевого упора иглы в одну из корпусных деталей, и образующей камеру управления, расположенную между торцевым упором и корпусной деталью. В ЭГФ имеется входной канал с расположенным в нем входным жиклером, сообщающий камеру управления с каналами высокого давления, выпускной канал с расположенным в нем выпускным жиклером, вход которого размещен в камере управления. ЭГФ содержит электроуправляемый клапан, сообщающий выход выпускного канала через канал клапана с каналами слива, а также дополнительный выпускной канал, выход которого объединен с выходом выпускного канала и каналом клапана с образованием промежуточной полости. Кроме того, дополнительный выпускной канал ЭГФ сообщен своим входом с камерой управления, а вход одного из выпускных каналов камеры управления имеет возможность быть открытым при положениях иглы от закрывающего запорное сечение иглы до ее промежуточного положения (малых подъемах иглы) и быть закрытым от промежуточного положения до контакта торцевого упора иглы в одну из корпусных деталей (больших подъемах иглы).
В частном случае: в ЭГФ торцевой упор может быть размещен на игле, а вход одного из выпускных каналов имеет возможность быть закрытым иглой в области гидравлически плотного прецизионного сопряжения.
В частном случае: ЭГФ может быть снабжена плунжерным мультипликатором запирания иглы с гидравлически плотным прецизионным сопряжением, торцевой упор размещен на мультипликаторе, камера управления расположена между торцевым упором мультипликатора и корпусной деталью, а вход одного из выпускных каналов имеет возможность быть закрытым в области гидравлически плотного прецизионного сопряжения мультипликатора.
В частном случае: в ЭГФ дополнительный сливной канал может иметь радиальный вход в камеру управления и иметь возможность быть закрытым иглой или мультипликатором по гидравлически плотному прецизионному сопряжению при положениях иглы от промежуточного до контакта торцевого упора с корпусной деталью (при больших подъемах иглы) и иметь возможность быть открытым при положениях иглы от закрывающего запорное сечение иглы до ее промежуточного положения (малых подъемах иглы).
В частном случае: в ЭГФ игла или мультипликатор со стороны торцевого упора могут быть снабжены цилиндрическим штифтом, а вход выпускного канала - ответным штифтовым каналом с возможностью образования между ними гидравлически плотного прецизионного сопряжения, а также с возможностью нахождения штифта вне штифтового канала при положениях иглы от закрытого запорного сечения до промежуточного положения и возможностью нахождения штифта в штифтовом канале при положениях иглы от промежуточного положения до контакта упора иглы в корпусную деталь.
В частном случае: в ЭГФ штифт может быть снабжен удлиненной частью, которая снабжена каналами для прохода топлива, и по крайней мере частью прецизионного сопряжения, способного центрировать корпусную деталь относительно штифта при сборке форсунки.
В частном случае: в ЭГФ канал клапана может быть снабжен жиклером.
В частном случае: в ЭГФ вход выпускного канала может иметь возможность быть закрытым торцевым упором.
В частном случае: в ЭГФ дополнительный выпускной канал оснащен жиклером дополнительного выпускного канала.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является формирование характеристики впрыскивания с ломаным передним фронтом: быстрым началом подачи на первом участке и пологим вторым участком: на фиг. 2 изображены характеристики впрыскивания дизеля Д500 на режиме полной мощности по нормам выброса вредных веществ норм Stage-IIIB: 1 - классическая аккумуляторная топливная аппаратура; 2 - аппаратура с предлагаемой ЭГФ; 3 - схематизированный профиль характеристики впрыскивания при оптимизации рабочего процесса (см. Kuleshov A.S., Grekhov L.V. Multidimensional Optimization of DI Diesel Engine Process Using Multi-Zone Fuel Spray Combustion Model and Detailed Chemistry NOx Formation Model SAE Tech. Pap. Ser. - 2013. - №2013-01-0882; Грехов Л.В., Денисов A.A., Старков E.E. Формирование характеристик впрыскивания для малотоксичных средне- и высокооборотных дизелей наземных транспортных средств как требование к перспективной топливоподающей аппаратуре // Отечественная наука в эпоху изменений: постулаты прошлого и теории нового времени. - Екатеринбург, 2015, - №8(13). Ч. 1. - С. 28-31).
Таким образом, реализация предложенного технического решения позволяет путем получения ломаного переднего фронта обеспечить:
- снижение эмиссии вредных веществ в отработавших газах;
- снижение максимального давления в цилиндре;
- снижение скорости повышения давления в цилиндре;
- снижение шумности работы;
- снижение эмиссии твердых частиц в отработавших газах при допускаемом увеличении угла опережения впрыскивания (как оптимум между альтернативными вредными выбросами).
Сущность изобретения поясняется чертежами. Чертежи не охватывают весь объем притязаний данного технического решения, а являются иллюстрирующими материалами нескольких частных случаев исполнения.
На фиг. 3 представлен чертеж общего вида электрогидравлической форсунки аккумуляторной топливной системы дизельного двигателя: ЭГФ включает в себя корпус 1 с группой корпусных деталей 2, 3 в которых размещены основные функциональные элементы ЭГФ. В корпусе размещены каналы высокого давления 4, через которые топливо поступает от аккумулятора высокого давления топливной системы. Также имеются каналы слива 5, через которые на слив удаляется топливо, израсходованное на управление и на утечки. В распылителе 6 размещается запорная игла 7. Распылитель как обычно, стянут с корпусом накидной гайкой. На фиг. 3 изображена более популярная ныне конструкция распылителя, оснащенная плавающей втулкой 8, в этом случае гидравлически плотное прецизионное сопряжение 9 в распылителе образуется между иглой и втулкой распылителя. Это обстоятельство несущественное и сопряжение может быть между иглой и самим распылителем, как в более традиционной конструкции. Распылитель снабжен распыливающими отверстиями 10, через которые топливо, приходящее из каналов высокого давления, впрыскивается в цилиндр двигателя. Перекрывает подачу топлива через распыливающие отверстия, разобщая их с каналами высокого давления, запорное сечение 11 в исходном положении иглы.
На другом конце иглы, противоположном запорному конусу, располагается торцевой упор 12, который ограничивает перемещение (подъем) иглы во время впрыскивания топлива. Торцевой упор в этом случае контактирует с одной из неподвижных корпусных деталей.
Известно, что в ЭГФ может применяться плунжерный мультипликатор запирания иглы. На фиг. 3 изображена именно такая ЭГФ с мультипликатором 34. Мультипликатор имеет всегда диаметр больший, чем диаметр иглы, обеспечивая большее усилие запирания иглы и ее более быструю посадку. В том случае торцевой упор находится на торце мультипликатора, камера управления 13 располагается между корпусной деталью и торцом мультипликатора, а между мультипликатором и корпусной деталью образуется еще одно гидравлически плотное прецизионное сопряжение 11. В альтернативном случае отсутствия мультипликатора камера управления и торцевой упор располагаются непосредственно над торцом иглы.
Элементы камеры управления более детально также иллюстрируются на фиг. 4. Элементы камеры управления включают в себя входной канал 14 с жиклером 15, выпускной канал 16 имеет жиклер 17, вход 18 и выход 19. Камера управления снабжена дополнительным выпускным каналом 21 с входом 20, жиклером 22, выходом 23. ЭГФ оснащена электроуправляемым клапаном 27, закрывающим канал клапана 25. Выход дополнительного выпускного канала объединен с выходом выпускного канала и каналом клапана с образованием промежуточной полости 24.
Новым в ЭГФ является то, что дополнительный выпускной канал имеет вход в камере управления, причем один из двух выпускных каналов по мере перемещения (подъема) иглы от запорного конуса к контакту торцевого упора дополнительный выпускной канал закрывается по своему входу. На Фиг. 4 видно, что вход дополнительного выпускного канала полностью перекрывается гидравлически плотным прецизионным сопряжением мультипликатора с корпусной деталью.
В частном случае, при отсутствии мультипликатора, вход одного из выпускных каналов имеет возможность быть закрытым непосредственно иглой в области гидравлически плотного прецизионного сопряжения.
Фиг. 5 иллюстрирует, как в частном случае, в ЭГФ игла или мультипликатор со стороны торцевого упора могут быть снабжены цилиндрическим штифтом 28, а вход выпускного канала - ответным штифтовым каналом 29 с возможностью образования между ними гидравлически плотного прецизионного сопряжения. В исходном положении иглу с закрытым запирающим конусом штифт находится вне штифтового канала. По мере перемещения (подъема) иглы от запорного конуса к контакту торцевого упора, штифт входит в штифтовой канал и перекрывает выпускной канал по своему входу.
Фиг. 6 иллюстрирует, как в частном случае штифт ЭГФ может быть снабжен удлиненной частью, которая снабжена каналами 32 для прохода топлива и частью прецизионного сопряжения 33. Оно позволяет центрировать корпусную деталь 3 относительно штифта при сборке форсунки.
В частном случае в ЭГФ канал клапана может быть снабжен жиклером 26 (фиг. 4).
В частном случае в ЭГФ вход выпускного канала 18 (фиг. 4) может иметь возможность быть закрытым торцевым упором 12.
Форсунка работает следующим образом.
В форсунке происходят типовые процессы, характерные для всех ЭГФ (см. Грехов Л.В., Габитов И.И., Неговора А.В. Конструкция, расчет и технический сервис топливной аппаратуры современных дизелей: Учебное пособие. - М.: Изд-во Легион-Автодата, 2013. - 292 с.). Так, в исходном положении в камере управления 13 имеется то же давление, что в каналах высокого давления 4 благодаря входному каналу 14, а игла закрывает проход топлива к распыливающим отверстиям 10 запорным сечением 11. При срабатывании электрического привода управляющего клапана он открывает канал клапана 25 и топливо из камеры управления направляется на слив. В результате поднимающая иглу гидравлическая сила становится больше запирающего усилия со стороны торцевого упора и игла поднимается вплоть до контакта торцевого упора 12 в корпусную деталь 3. Топливо из каналов высокого давления устремляется к распыливающим отверстиям через открытое запирающее сечение иглы. Завершение процесса подачи топлива связано с закрытием управляющего клапана, непроточностью выпускных каналов и восстановлением высокого давления в камере управления через впускной канал 14. В результате восстановления запирающего усилия со стороны камеры управления игла опускается.
Особенностью работы предлагаемой ЭГФ является быстрое начало процесса подачи топлива на первом этапе. Благодаря увеличенному сечению двух выпускных каналов из камеры управления топливо удаляется быстро. Таким образом, первый участок переднего фронта характеристики впрыскивания - крутой.
По мере подъема иглы закрывается один из двух выпускных каналов камеры управления. При радиальном расположении дополнительного выпускного канала (фиг. 3, 4) игла или мультипликатор своим прецизионным сопряжением (своим телом) закрывает вход 20 дополнительного выпускного канала. При наличии штифта 28 с прецизионным сопряжением со штифтовым каналом 29 (фиг. 5, 6) штифт входит в штифтовой канал и закрывает проход топлива из камеры управления в канал клапана.
В обоих случаях общее сечение выпускных каналов резко уменьшается, расход топлива из камеры управления в канал клапана уменьшается. В результате игла уже не может при своем подъеме быстро вытеснять топливо из камеры управления, ее скорость значительно уменьшается, а величина запирающего сечения 11 растет медленно. Запирающее сечение дросселирует поток топлива из каналов высокого давления к распыливающим отверстиям, не допуская быстрого повышения давления впрыскивания и расхода через распыливающие отверстия. В результате на втором участке подъема иглы наклон переднего фронта характеристики впрыскивания – пологий, и даже приобретает небольшую ступенчатость.
Соответствие получаемой характеристики оптимальной достигается подбором параметров новых элементов ЭГФ: величине подъема иглы закрытия одного из выпускных каналов , см. фиг. 4, 5; эффективного сечения каналов и их жиклеров каждого из каналов: входного, выпускного, дополнительного выпускного клапана; диаметра мультипликатора запирания, хода клапана и др. Так, при усилении роли изменения сечения выпускных каналов по мере подъема иглы характеристика впрыскивания приобретает более выраженный ломаный передний фронт. На фиг. 7 кривая "с" соответствует исходной ЭГФ для дизеля 6ЧН20/28, выполненной по традиционной схеме, кривые "b" и "c" - с применением перекрываемых выпускных каналов.
Эффективность предложенного технического решения обусловлена его следующими свойствами:
- несоизмеримо большей простотой, технологичностью и меньшей стоимостью, чем известные аккумуляторные системы с управляемой мультипликацией давления, в частности типа HADI, CRSN4, FEV HiFORS с двухканальным электроуправлением (см. Грехов Л.В., Габитов И.И., Неговора А.В. Конструкция, расчет и технический сервис топливной аппаратуры современных дизелей: Учебное пособие. - М.: Изд-во Легион-Автодата, 2013. - 292 с.); Grzeschik P. et al. (2012). FEV HiFORS:  Verringerung des Verbrauchs- und EmissionsverhaltensmodemerPkw-DieselmotorenbeiverbesserterVerbrermungsakustik. In8. Tagung: Diesel-undBenzindirekteinspritzung, Berlin; Грехов Л.В., Денисов А.А., Старков Е.Е. Выбор и обоснование типа и параметров топливоподающей аппаратуры перспективных дизелей // Известия Волгоградского государственного технического университета, 2014. - №18 (145). Серия Процессы преобразования энергии и энергетические установки, вып. 6. - С. 11-14);
- соответствием обеспечиваемой характеристики впрыскивания оптимальным для дизельных двигателей, выполняющих перспективные нормы на вредные выбросы с отработавшими газами и работающими по тепловозной и винтовой характеристикам. Применение изобретения также может облегчить выполнение экологических нормативов автотракторными дизельными двигателями.
Востребованность технического решения подтверждается результатами выполненного цикла оптимизационных исследований организации рабочих процессов новейших отечественных среднеоборотных дизельных двигателей четырех заводов:
-1
- Д200 (6ЧН20/28) Ne=1200 кВт, n=1000 мин, Pz=22 МПа;
-1
- ДМ-185Т (12ЧН 18,5/21,5) Ne=1400 кВт, n=1500 мин, Pz=24 МПа;
-1
- М150М (12ЧН15/17,5) Ne=1440 кВт, n=2100 мин, Pz=19 МПа;
-1
- Д500 (12ЧН2б,5/32) Ne=4400 кВт, n=1000 мин, Pz=20 МПа.
Все двигатели анализировались в условиях работы по винтовой и тепловозной характеристикам и выполнения экологических нормативов, планируемых для введения в будущем - EU Stage IIIA, Tier IV, IMO-Stage III.
По результатам оптимизации всех дизелей на обоих контролируемых при оценке на соответствие нормативов по эмиссии вредных веществ - режима максимума мощности и режима 50% мощности - потребовалось формирование характеристики впрыскивания, изображенной на фиг. 2. При этом на обоих режимах амплитуда первого участка переднего фронта от 0,6 до 0,8 от максимального расхода топлива, а продолжительность первого участка от 0,1 до 0,45 общей продолжительности.
Эти требования выполняет ЭГФ, выполненная согласно предложенному техническому решению (фиг. 7). Изменением параметров дополнительного канала и камеры управления, сечений жиклеров удается изменять характеристику в соответствии с выдвигаемыми требованиями (фиг. 8).
Таким образом, изобретение, охарактеризованное совокупностью вышеперечисленных признаков, является новым, т.к. предложенная совокупность признаков не описана в известных источниках информации, использованных для определения уровня технического развития топливоподающей аппаратуры дизелей. Кроме того, предлагаемая совокупность существенных признаков не является очевидной, поскольку не следует непосредственно из уровня технического развития топливоподающей аппаратуры дизелей. При этом предлагаемое техническое решение осуществимо в промышленных условиях и обеспечивает повышение эффективности предложенной электрогидравлической форсунки.