СИСТЕМА ТОПЛИВОПОДАЧИ ДИЗЕЛЯ С УПРАВЛЯЕМЫМ НАЧАЛЬНЫМ ДАВЛЕНИЕМ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к конструкции топливоподающей аппаратуры дизелей.
Известна система подачи топлива в дизель, содержащая насос высокого давления, нагнетательный клапан, подпитывающую магистраль, дополнительный канал и невозвратный клапан, причем насос связан с подпитывающей магистралью и соединен через нагнетательный клапан и трубопровод высокого давления с форсункой, а невозвратный клапан размещен в дополнительном канале, который одним концом связан с трубопроводом высокого давления, а другим концом - с подпитывающей магистралью, при этом втулка плунжера насоса имеет всасывающее и отсечное отверстие, а в насосе выполнен топливный канал, связанный с этим отверстием, отличающаяся тем, что отсечное отверстие имеет форму прямоугольника, повернутого относительно вертикальной оси на угол, равный углу наклона отсечной кромки плунжера, при этом в корпусе насоса выполнен канал слива топлива, связанный с отсечным отверстием (патент РФ N 2151904, F02М 55/00, 25.09.98).
Недостатками известного технического решения, влияющими на экономичность дизеля и токсичность отработавших газов являются: не обеспечивающий достаточно интенсивного начала отсечки закон нарастания эффективного проходного сечения прямоугольного отсечного отверстия,
влияющий на вид характеристики впрыскивания на участке падения давления и затягивающий период разгрузки линии высокого давления; отсутствие корректирования угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ) в зависимости от нагрузки. Данное решение позволяет увеличить начальное давление лишь до ограниченного значения. Это связано с тем, что создание начального давления топливоподкачивающим насосом (ТПН) зависит от скоростного режима работы дизеля. Даже при номинальных частотах вращения значения максимального создаваемого ТПН давления в подпитывающей магистрали будут существенно меньше рекомендуемого начального давления в трубопроводах высокого давления. Кроме того, применение переходника и держателя приводит к усложнению конструкции и увеличению объема нагнетательной магистрали.
Известна система топливоподачи дизеля, принятая за прототип (патент РФ №66430, F02М 55/00, 10.09.07), содержащая насос высокого давления, нагнетательный клапан двойного действия (НКДД), топливопровод низкого давления, причем насос высокого давления связан с топливопроводом низкого давления и соединен через НКДД и трубопровод высокого давления с форсункой, втулка плунжера насоса имеет всасывающее и отсечное отверстие, при этом отсечное отверстие имеет форму треугольника, с основанием, наклоненным относительно вертикальной оси на угол, равный углу наклона отсечной кромки плунжера, а плунжер имеет регулирующую кромку, выполненную в виде фаски малой глубины с углом наклона a, a наклон винтовой канавки уменьшен на ту же величину; в корпусе насоса
выполнен отсечной канал, связанный с отсечным отверстием с одной стороны и с гидроаккумулятором через отсечной трубопровод и невозвратный клапан с другой стороны; гидроаккумулятор, в свою очередь, связан через клапан двойного действия с трубопроводом низкого давления и через подпитывающий трубопровод и НКДД с трубопроводом высокого давления.
Недостатками прототипа являются: рост давления в отсечной магистрали при повышении начального давления в гидроаккумуляторе, вследствие их прямой конструктивной взаимосвязи, что сокращает количество топлива, перетекающего в отсечную магистраль из нагнетательной магистрали при отсечке из-за уменьшения значения разности давлений (Рнагн-Ротс)» что, в конечном счете, приводит к увеличению периода разгрузки нагнетательного трубопровода; отсутствие возможности автоматически управлять начальным давлением в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы дизеля, что негативно сказывается на согласовании развития топливного факела в цилиндре дизеля с движением воздушного заряда, тем самым не обеспечивая оптимального протекания процессов смесеобразования и сгорания
Технический результат направлен на повышение экономичности дизеля, а также уменьшение токсичности отработавших газов путем управления начальным давлением впрыскивания в зависимости от скоростного и нагрузочного режима работы дизеля и сокращения периода разгрузки нагнетательной магистрали организацией подпитки
гидроаккумулятора от добавочной секции топливного насоса высокого давления.
Технический результат достигается тем, что система топливоподачи дизеля с управляемым начальным давлением, содержащая НКДД, топливопровод низкого давления, гидроаккумулятор, связанный через клапан двойного действия с трубопроводом низкого давления и через подпитывающий трубопровод и НКДД с трубопроводом высокого давления, насос высокого давления, который, связан с топливопроводом низкого давления и соединен через НКДД и трубопровод высокого давления с форсункой, втулка плунжера насоса имеет всасывающее и отсечное отверстие, отсечное отверстие имеет форму треугольника, с основанием, наклоненным относительно вертикальной оси на угол, равный углу наклона отсечной кромки плунжера и связано с отсечным каналом выполненным в корпусе насоса, а плунжер имеет регулирующую кромку, выполненную в виде фаски малой глубины с углом наклона а, а наклон винтовой канавки уменьшен на ту же величину, при этом отсечной канал связан с магистралью низкого давления, подпитка гидроаккумулятора осуществляется добавочной секцией ТНВД, а клапан двойного действия гидроаккумулятора выполнен электромагнитным и управляется электронным блоком управления, обрабатывающим сигналы, принимаемые от датчика частоты вращения, датчика положения рейки ТНВД и датчика давления топлива перед форсункой.
Отличительным признаком от прототипа является то, что отсечной канал связан с магистралью низкого давления, подпитка гидроаккумулятора осуществляется добавочной секцией ТНВД, а клапан двойного действия гидроаккумулятора выполнен электромагнитным и управляется электронным блоком управления (ЭБУ), обрабатывающим сигналы, принимаемые от датчика частоты вращения, датчика положения рейки ТНВД и датчика давления топлива перед форсункой.
На фиг.1 приведена схема системы топливоподачи дизеля с управляемым начальным давлением;
на фиг.2 - схема работы электромагнитного клапана двойного действия (ЭКДД);
на фиг.3 - схема работы НКДД.
Система топливоподачи дизеля с управляемым начальным давлением (Фиг.1) содержит ТПН 1, связанный через трубопровод низкого давления 2 с всасывающим отверстием 3 втулки 4 плунжера 7 ТНВД, имеющей также диаметрально расположенное всасывающему отверстию 3 отсечное отверстие 5 треугольной формы с основанием, параллельным отсечной кромке 6 плунжера 7. Плунжер 7, в свою очередь, содержит центральное отверстие 8, диаметральный канал 9, верхнюю торцевую кромку 10 и регулирующую кромку 11, выполненную в виде фаски малой глубины с углом наклона а, а наклон винтовой канавки 12 уменьшен на ту же величину; при этом надплунжерное пространство 13 сообщается через НКДД 14 посредством трубопровода высокого давления 15 с форсункой 16, а отсечное
отверстие 5 через отсечной трубопровод 17 связано с трубопроводом низкого давления 2. Гидроаккумулятор 18 подпитывается через невозвратный клапан 19 и трубопровод 20 от дополнительной секции ТНВД 21 и сообщается, в свою очередь, с одной стороны через ЭКДД 22 и трубопровод 23 с трубопроводом низкого давления 2, а с другой стороны через подпитывающий трубопровод 24 и НКДД 14 с трубопроводом высокого давления 15. ЭКДД 22 связан через электрические провода 25 с ЭБУ 26, который получает и обрабатывает сигналы датчика частоты вращения вала привода ТНВД 27, датчика положения рейки ТНВД 28 и датчика давления 29, выполняющего роль контролера работы системы регулирования начального давления (РНД).
ЭКДД 22 (Фиг.2) содержит соленоид 30, управляемый клапан 31, пружину 32 управляемого клапана, ограничитель хода управляемого клапана 33 с регулировочным винтом 34, обратный клапан 35, ограничитель хода обратного клапана 36 с регулировочным винтом 37 и пружиной обратного клапана 38, размещенные в корпусе 39.
НКДД 14 (Фиг.3) состоит из корпуса 40, в котором выполнены рабочий канал 41 и подпитывающий канал 42, а также размещены клапан 43 и пружина клапана 44.
Система работает следующим образом.
При активном ходе плунжера 7 (Фиг.1) после перекрытия верхней торцевой кромкой 10 всасывающего отверстия 3 втулки плунжера 4 поступление топлива в надплунжерное пространство 13 прекращается и
часть топлива из надплунжерного пространства 13 вытесняется через отсечное отверстие 5 до момента перекрытия его регулирующей кромкой 11, выполненной в виде фаски малой глубины с углом наклона а. Вследствие этого момент перекрытия отсечного отверстия 5 изменяется в зависимости от положения рейки ТНВД, корректируя геометрический УОВТ. В надплунжерном пространстве 13 растет давление топлива, под действием которого открывается НКДД 14, (Фиг.3), и топливо вытесняется по трубопроводу высокого давления 15 к форсунке 16. При этом, открываясь, НКДД 14 разобщает гидроаккумулятор 18 и трубопровод высокого давления 15. При дальнейшем движении плунжера 7 вверх отсечная кромка 6 винтовой канавки 12 открывает отсечное отверстие 5 и топливо из надплунжерного пространства 13 начинает перетекать соответственно через центральное отверстие 8, диаметральный канал 9, винтовую канавку 12 плунжера 7, отсечное отверстие 5 втулки плунжера 4 и отсечной трубопровод 17 в трубопровод низкого давления 2. При этом в надплунжерном пространстве 13 давление топлива падает, и НКДД 14 под действием перепада давлений топлива в трубопроводе высокого давления 15 и надплунжерном пространстве 13 закрывается, происходит резкая отсечка подачи топлива и падение давления в трубопроводе высокого давления 15, в результате чего подача топлива через форсунку 16 прекращается.
При посадке НКДД 14 в седло клапана гидроаккумулятор 18 через подпитывающий трубопровод 24 сообщается с трубопроводом высокого давления 15, в результате чего в трубопроводе высокого давления 15
формируется давление, которое является начальным перед очередным циклом впрыскивания топлива. При этом величина начального давления должна быть недостаточной для случайного повторного подъема иглы форсунки. При опускании плунжера 7 после открытия всасывающего отверстия 3 происходит заполнение надплунжерного пространства 13 топливом, которое подводится от ТПН 1 по трубопроводу низкого давления 2, связанному с всасывающим отверстием 3.
Гидроаккумулятор 18, имеет объем, многократно превышающий объем максимальной цикловой подачи, поэтому волновые явления, создаваемые при поступлении топлива в гидроаккумулятор через невозвратный клапан 19 и трубопровод 20 из дополнительной секции ТНВД 21 ослабляются. ЭКДД 22, связанный посредством трубопровода 23 с трубопроводом низкого давления 2, ограничивает давление в гидроаккумуляторе 18 значением равным необходимому начальному давлению топлива в трубопроводе высокого давления 15 в зависимости от нагрузочного и скоростного режимов работы дизеля. В случае нарушения герметичности трубопровода 20 или выходе из строя дополнительной секции ТНВД 21, при снижении давления в гидроаккумуляторе 18 ниже давления создаваемого ТПН 1 обратный клапан 32 ЭКДД 22 срабатывает в обратном направлении и топливо из трубопровода низкого давления 2 начинает поступать в гидроаккумулятор 18, предохраняя его и нагнетательную магистраль от переразгрузки (Фиг.2).
ЭБУ 26 воспринимает сигналы от датчика частоты вращения вала привода ТНВД 27 и датчика положения рейки ТНВД 28, обрабатывает
сол
_
данные и подает через электрические провода 25 на соленоид 30 ЭКДД 22 ток, величина которого соответствует скоростному и нагрузочному режиму работы дизеля. При этом в соленоиде 30 ЭКДД 22 возникает постоянное электромагнитное поле, которое притягивает клапан 31 с усилием Р,которое определяется по формуле:
сол
га
пруж
Р=Р-Р;
га
где Р - сила воздействия на клапан 31 оптимального для данного скоростного и нагрузочного режима работы дизеля давления в гидроаккумуляторе, Н;
пруж
Р - сила сжатия пружины 32 ЭКДД 22, Н.
га
га
сол
пруж
га
га
га
ср
га
Если реальное давление Р′ в гидроаккумуляторе 18 оказывается большим расчетного оптимального значения Р, то сумма давлений (Р+Р) становится меньше Р′, ЭКДД 22 открывается и топливо через трубопровод 23 перетекает в трубопровод низкого давления 2 до тех пор пока давление Р′ в гидроаккумуляторе 18 не станет равным расчетному оптимальному значению Р, после чего ЭКДД 22 закрывается. Датчики давления 29 установленные перед форсунками 16 регистрируют начальное давление в момент, соответствующий началу подъема плунжера 7 в соответствующих секциях ТНВД. Сигналы от датчиков давления 29, поступают в ЭБУ 26, где усредняются за последние N тактов впрыскивания (где N -количество форсунок) до значения Р, которое сравнивается с расчетным оптимальным значением Р для данного скоростного и нагрузочного режима работы дизеля, после чего ток, поступающий на
соленоид ЭКДД 22 увеличивается или уменьшается соответствующим образом, увеличивая или уменьшая давление в гидроаккумуляторе 18, т.е. корректируя начальное давление в трубопроводе высокого давления 15.
Необходимость повышения энергии впрыскивания топлива в дизеле, что особенно важно в быстроходном двигателе, когда требуется кратковременная подача большой порции топлива, была доказана и обоснована в работах многих ученых.
впр.mах
впр.mах
впр.ср
Повысить энергию впрыскивания топлива можно двумя способами: путем повышения максимального давления впрыскивания Р и повышением до максимально возможного значения среднего давления Рвпр.ср при фиксированном Р. Из-за ограничений по нагруженности привода повышение максимального давления целесообразно только после того, как исчерпаны резервы повышения Р. Кроме того, именно величина среднего за цикл давления определяет эффективность системы топливоподачи.
впр.ср
Для повышения среднего давления впрыскивания Р необходимо увеличить скорости нарастания и спада давления в начальной и конечной фазах процесса и расширить основной участок кривой при максимальном давлении подачи топлива. В пределе закон изменения давления впрыскивания должен быть по возможности максимально приближен к П-образной форме.
С точки зрения совершенствования показателей традиционных систем топливоподачи, особого внимания заслуживают методы, позволяющие
регулировать начальные условия в нагнетательной магистрали в межцикловый период.
нач
нач
нач
В традиционных системах остаточное давление Рост после очередного цикла становится начальным Р для последующего. При этом требования к величинам Рост и Р носят противоречивый характер. С одной стороны, при завершении цикла подачи целесообразно провести глубокую разгрузку нагнетательной магистрали, чтобы обеспечить быструю посадку иглы форсунки, т.е. сократить продолжительность завершающей фазы процесса и исключить вероятность повторного подъема иглы. В то же время, интенсивность начальной фазы впрыскивания существенно зависит от величины Р, которое определяет действительный момент начала подачи.
Указанное противоречие можно устранить, если организовать процесс таким образом, чтобы значение начального давления, когда оно играет роль остаточного, было минимальным, а когда роль действительно начального - наоборот, повышенным [1].
Подпитка гидроаккумулятора от добавочной секции ТНВД делает возможным увеличить как крутизну нарастания давления характеристики топливоподачи за счет создания в нагнетательной магистрали высоких начальных давлений, так и крутизну падения давления при разгрузке вследствие снижения давления в отсечной магистрали.
Управление начальным давлением в нагнетательном трубопроводе ЭКДД при помощи ЭБУ позволяет увеличить давления впрыскивания и
повысить стабильность по началу подачи топлива и по цикловой подаче на низких скоростных и нагрузочных режимах работы дизеля.
Выполнение системы РНД по предложенной схеме позволит оптимизировать процесс топливоподачи и, как следствие, повысить мощность, улучшить экономичность дизеля и снизить токсичность отработавших газов за счет:
- увеличения начального давления и управления им в зависимости от нагрузочного и скоростного режимов работы дизеля, что особенно актуально на малых и средних нагрузках и частотах вращения коленчатого вала, на которых дизель работает большую часть времени;
- корректирования начального давления по усредненным показаниям датчиков давления, устанавливаемым перед форсунками;
- уменьшения количества топлива, подаваемого в камеру сгорания дизеля после начала отсечки путем интенсификации разгрузки трубопровода высокого давления за счет снижения давления в отсечной магистрали;
- повышения стабильности топливоподачи по циклам и равномерности по цилиндрам.
Источники информации:
1. Савельев М.А. Влияние формирования начальных условий в нагнетательной магистрали топливной аппаратуры высокого давления на характеристику впрыскивания [Текст] / М.А. Савельев// Сб. науч. тр. №10. Производство. Технология. Экология. Том 1. / - М.: 2007, с.109-113.