Топливный аккумулятор и способ управления волновыми явлениями в линии высокого давления аккумуляторной топливной системы двигателей внутреннего сгорания
FUEL ACCUMULATOR AND METHOD TO CONTROL WAVE PHENOMENA IN HIGH PRESSURE LINE OF ACCUMULATOR FUEL SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Область применения
Изобретение относится к машиностроению, а именно к аккумуляторным топливным системам высокого давления двигателей внутреннего сгорания.
Уровень техники
Современные двигатели внутреннего сгорания оборудованы топливными системами аккумуляторного типа (АТС), позволяющими обеспечить наилучшие его экономические и экологические характеристики. Основными элементами АТС являются топливный аккумулятор и форсунка с электрическим управлением, представляющие собой линию высокого давления.
Основным преимуществом АТС является обеспечение возможности многократного впрыскивания топлива в цилиндр двигателя за один цикл.
Поскольку такие системы работают под давлением до 350 МПа, при реализации многократного впрыскивания за короткий промежуток времени, в линии высокого давления АТС возникают негативные гидравлические явления, известные как волновые явления. Эти явления оказывают влияния на последующие впрыскивания, а именно изменяется величина цикловой подачи последующего впрыскивания. Результатом влияния таких явлений является снижение точности управления двигателем, а следовательно, ухудшение его экономических и экологических показателей.
Из уровня техники известно большое количество аккумуляторных топливных систем.
Например, известна топливная система двигателя внутреннего сгорания, содержащая топливный бак, фильтр-топливоприемник, топливоподкачивающий насос, фильтр тонкой очистки топлива, трубопроводы линии низкого давления топлива, топливный насос, трубопроводы линии высокого давления топлива, аккумулятор топлива с датчиком давления топлива, клапаном-регулятором давления и ограничителем подачи топлива, форсунки, линии возврата топлива и электронный блок управления (ЭБУ) (см. RU 2635429 С1, 13.11.2017).
Также известен топливный аккумулятор, содержащий цилиндрическую трубу круглого профиля с пересекающимися осевым и радиальными отверстиями. Труба установлена в круглых отверстиях, сделанных в кронштейнах, закрепленных на двигателе внутреннего сгорания. Между кронштейнами на трубе размещены промежуточные втулки. В кронштейнах и промежуточных втулках сделаны радиальные резьбовые отверстия, в которых установлены штуцеры с коническим концом, соединенные с топливопроводами, по меньшей мере один из которых соединен с топливным насосом высокого давления, а остальные соединены с форсунками двигателя внутреннего сгорания (см. RU 2595317 С1, 27.08.2016). Принят за прототип.
Общими недостатками известных АТС является отсутствие возможности учета и компенсации волновых явлений, а также возможности управления волновыми явлениями в линии высокого давления АТС в целом.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей заявленного изобретения является повышение точности топливоподачи АТС двигателей внутреннего сгорания.
Технический результат заключается в создании возможности управления волновыми явлениями в линии высокого давления АТС.
Технический результат достигается за счет использования следующей совокупности существенных признаков, а именно - топливный аккумулятор содержит полость, в которой находится топливо под давлением 10-350 МПа, согласно изобретению, полость разделена на два объема перегородкой с центральным калибровочным отверстием, причем один объем содержит канал с клапаном для слива топлива в линию низкого давления, а другой объем содержит канал для подачи топлива от топливного насоса (ТНВД) к аккумулятору и, по меньшей мере, один канал подачи топлива к форсунке. Способ управления волновыми явлениями в аккумуляторе заключается в том, что управляют открытием и закрытием клапана, создавая компенсирующую волну в топливе аккумулятора АТС.
В частных случаях реализации изобретения, в качестве клапана может использоваться электромагнитный или пьезоэлектрический клапан. Объем, содержащий канал с клапаном для слива топлива в линию низкого давления может не превышать 0,4 от общего объема аккумулятора. Диаметр калибровочного отверстия может не превышать 0,2 максимального диаметра полости аккумулятора.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом.
На чертеже представлен схематический общий вид топливного аккумулятора АТС.
Осуществление изобретения
Ниже будет приведено описание примерных вариантов осуществления заявленной группы изобретений. Однако заявленная группа изобретений не ограничивается только этими вариантами осуществления. Специалистам будет очевидно, что под объем заявленной группы изобретений, описанной в формуле, могут попадать и другие варианты реализаций.
Основная причина возникновения негативных волновых явлений в линии высокого давления АТС - гидроудар, возникающий в результате мгновенного запирания распылителя форсунки и создающий волновой импульс.
В современных двигателях внутреннего сгорания, частота подачи топлива в цилиндры двигателя настолько высока, что возникающие негативные волны в топливе не успевают затухать и оказывают влияние на последующее впрыскивание топлива. Наличие негативных волновых явлений в топливе увеличивает или уменьшает величину последующей подачи топлива в зависимости от попутного или противоположного направления «негативной» волны и течения топлива.
Экспериментальные исследования, проведенные в Московском автомобильно-дорожном институте (МАДИ) в 2019 году, показали, что на большинстве режимов работы АТС, негативные волновые эффекты уменьшают величину последующей подачи топлива. Уменьшение величины последующей подачи от заданной (необходимой) может достигать 60%. В результате снижается точность управления двигателем внутреннего сгорания, что приводит к ухудшению экономических и экологических его показателей.
На Фиг. схематически показан топливный аккумулятор АТС, содержащий внутреннюю полость, разделенную на два объема перегородкой с центральным калибровочным отверстием, выводы трубопроводов и клапан с датчиком давления.
Топливный аккумулятор включает выводы топливопровода высокого давления 1 от топливного насоса высокого давления (ТНВД), топливопровода 7 к форсунке, перегородку полости 3, разделяющую полость на объем 2 и объем 4.
Объем 2 полости содержит вывод трубопровода 1 и вывод трубопровода 7, связывающий его с форсункой. Объем 2 полости также может содержать несколько выводов трубопровода 7 к нескольким форсункам.
Объем 4 полости содержит клапан 5 с датчиком давления. Датчик 5 соединен со сливным трубопроводом 6 низкого давления.
Заявленная конструкционная схема аккумулятора АТС позволяет реализовать управление как возникающими «негативными» волнами, так и волновыми явлениями в целом а именно учитывать, компенсировать путем увеличения или уменьшения «негативных» волн.
Работа заявленного топливного аккумулятора осуществляется следующим образом. Топливо от ТНВД под давлением от 10 до 350 МПа по трубопроводу высокого давления 1 поступает в полость 2, далее через центральное калибровочное отверстие в перегородке 3 поступает в полость 4. Также топливо из объема 2 через выводы трубопровода 7 поступает к форсунке. Топливный аккумулятор может содержать несколько выводов трубопроводов 7, через которые топливо поступает к нескольким форсункам.
В какой-то момент времени давление в объемах 2, 4 выравнивается, однако в процессе работы АТС, давление в них будет отличаться.
При подаче управляющего электрического импульса на исполнительный элемент форсунки, ее запирающий элемент открывается и происходит впрыскивание топлива в цилиндр двигателя.
При резком закрытии запирающего элемента форсунки, при окончании подачи топлива, возникает гидроудар и последующий импульс в виде «негативной» волны в топливе АТС. Эта волна распространяется от форсунки, через топливопровод 7 в объем 2 топливного аккумулятора, далее проникает в объем 3, вывод топливопровода 1. Волна распространяется в соответствии с законами гидродинамики в жидкости. Траектория распространения, отражения и затухания волны зависит от внутренней конфигурации АТС высокого давления и от величины давления в ней. Траектория распространения, отражения и затухания волны имеет сложный характер движения.
Последующий управляющий электронный импульс на исполнительный элемент форсунки и соответственно открытие ее запирающего элемента с впрыскиванием топлива происходит до затухания волны от предыдущего впрыскивания. Возникает течение топлива из полости 2 через вывод трубопровода 7 к форсунке с одновременным воздействием на него остаточной «негативной» волны от предыдущего впрыскивания топлива. Если остаточная «негативная» волна от предыдущего впрыскивания топлива совпадает по направлению с течением топлива при последующим впрыскивании, то она усиливает его и происходит подача большего количества топлива в цилиндр, а если остаточная волна направлена противоположно течению топлива, то уменьшает его количество.
Возможность управления негативными волновыми явлениями достигается за счет наличия объема 4, связанного с клапаном 5 и трубопроводом 6. Объем 4 не превышает 0,4 от общего объема аккумулятора. В зависимости от внутренней конфигурации АТС высокого давления и от величины давления в АТС, объем 4 может варьироваться от 0,05 до 0,4 от общего объема топливного аккумулятора.
Объем 2 полости топливного аккумулятора связан с объемом 4 калибровочным отверстием в центре перегородки 3.
Размер калибровочного отверстия и величина объема 4 выбираются в зависимости от внутренней конфигурации АТС высокого давления и от величины давления в ней. Диаметр калибровочного отверстия не должен превышает 0,2 максимального диаметра полости топливного аккумулятора.
Объем 4 и калибровочное отверстие в перегородке 3 выполняют функцию демпфера давления топлива.
Управление волновыми явлениями заключается в создании компенсирующей волны (компенсирующий импульс), возникающей от созданного импульса при мгновенном открытии и закрытии клапана 5, направляющего часть топлива из объема 4 через трубопровод низкого давления 6 на слив.
В качестве клапана 5 может использоваться электромагнитный или пьезоэлектрический клапан.
Компенсирующая волна распространяется от клапана 5 по объему 4 и через калибровочное отверстие в перегородки 3 в объем 2.
При встрече, компенсирующей и «негативной» волн, в зависимости от их величин и направления, «негативная» волна может исчезать, ослабевать или увеличиваться. Таким образом, заложив в электронный блок управления (ЕБУ) двигателем, определенный алгоритм подачи управляющих импульсов на форсунку и клапан 5 можно добиться учета «негативных» волн и компенсации их, т.е. управления волновыми явлениями в АТС высокого давления.
Данный принцип управления волновыми явлениями справедлив при наличии нескольких выводов трубопроводов 7 к нескольким форсункам. В таком случае усложняется алгоритм подачи управляющих импульсов на все форсунки и клапан 5.