СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO CONTROL FUEL FEED AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к способам и 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 частности с электротрансмиссией, для реализации широкого спектра технологий в сельском хозяйстве (пахота, обмолот валков комбайнами, укладка валков жатками), для строительно-дорожных машин и технологий, реализуемых с их помощью, в автомобильном и железнодорожном транспорте.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ управления подачей топлива в двигатель внутреннего сгорания, включающий перемещение двухпозиционного клапана вверх, открывание разгрузочного клапана и соединение через него камеры над запорным элементом распылителя и подачу топлива под высоким регулируемом давлением в распылитель форсунки, изменение положения двухпозиционного клапана для подачи топлива через впускной дроссель в наполнительный клапан и через него в камеру над запорным элементом распылителя, запирание распылителя форсунки и осуществление отсечки подачи топлива (Богачев С.А., Хрящев Ю.Е. Электрогидравлическая форсунка с двухпозиционным клапаном. Известия вузов. Машиностроение. - 2002 - №2 - С.61-75).
К недостаткам способа относятся:
- способ не позволяет возвращать часть энергии, затраченную на управление, обратно в источник энергии и снижать мощность на управление подачей топлива;
- в этом способе электромагнитный привод, который перемещает шток двухпозиционного клапана по быстродействию значительно ниже быстродействия иглы распылителя, причем быстродействие электромагнитного привода не может быть существенно повышено без замены на более быстродействующий;
- в этом способе в зоне малых подач и неполных ходов иглы имеет место выраженная зона нечувствительности, после которой происходит скачкообразный переход к линейной ветви характеристики, и при этом точное дозирование малых объемов топлива возможно только при низких давлениях;
- способ не позволяет осуществить число последовательных впрысков более двух при равномерном распыливании топлива, что не позволяет повысить в полной мере индикаторный кпд и реализовать процесс, близкий к изобарному;
- способ не позволяет реализовать требования равномерности распыливания топлива в камере сгорания;
- способ не позволяет реализовать требования переменной интенсивности распыливания топлива путем последовательной подачи топлива через отверстия для впрыска разных уровней.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, включающее форсунку с двухпозиционным клапаном со штоком с кольцевой площадкой, камерой управления над запирающим элементом, которая соединена через разгрузочный клапан с внешним объемом, через наполнительный клапан и дроссель соединена с линией высокого давления, распылитель с запирающим элементом, соединенный снизу с линией высокого давления, аккумулятор высокого давления, соединенный с форсункой, топливный насос высокого давления с клапаном регулирования давления, топливный бак, топливный фильтр, соединенные между собой гидравлически, блок электронного управления, соединенный электрически с клапаном регулирования давления, (Богачев С.А., Хрящев Ю.Е. Электрогидравлическая форсунка с двухпозиционным клапаном. Известия вузов. Машиностроение - 2002 - №2 - С.61- 75).
К недостатком данного устройства относятся:
- электромагнитный привод, который перемещает шток двухпозиционного клапана по быстродействию значительно ниже быстродействия иглы распылителя;
- устройство не позволяет подавать топливо через несколько уровней отверстий и обеспечить требуемую интенсивность и равномерность распыливания топлива;
- устройство не позволяет возвращать часть энергии, затраченную на управление, обратно в источник энергии и снижать мощность на управление подачей топлива.
Целью изобретения является улучшение динамики подачи топлива и повышение индикаторного кпд, а также упрощение, повышение надежности и снижение стоимости топливоподающей аппаратуры.
Это достигается тем, что в способе управления подачей топлива в двигателе внутреннего сгорания, включающем перемещение двухпозиционного клапана вверх, открывание разгрузочного клапана и соединение через него камеры над запирающим элементом распылителя, подачу топлива под высоким регулируемом давлением в распылитель форсунки, изменение положения двухпозиционного клапана для подачи топлива через впускной дроссель в наполнительный клапан и через него в камеру над запирающим элементом распылителя, запирание распылителя форсунки и осуществление отсечки подачи топлива, согласно изобретению топливо подают дополнительно через второй впускной дроссель в камеру второго управляющего клапана, изменяют его положение одновременно с положением двухпозиционного клапана, соединяют камеру дополнительного управляющего клапана при его открывании с изменяемой камерой конечного объема, в которой создают разрежение, как минимум, по одной заданной программе, как минимум, с одним шагом изменения объема при впрыске топлива, как минимум, в один цилиндр через, как минимум, один уровень отверстий распылителя, при закрывании дополнительного клапана подают конечный объем топлива через полость второго управляющего клапана форсунки под давлением во вторую камеру конечного объема и в топливный насос высокого давления в период между циклами подачи топлива, топливо из первой управляющей камеры подают под давлением во вторую камеру конечного объема при открывании разгрузочного клапана, подают под давлением топливо через первый дроссель во вторую камеру конечного объема в период переустановки разгрузочного и наполнительного клапанов.
При этом объем первой камеры конечного объема изменяют по программе при разрежении непрерывно от нулевого до максимального во время подачи топлива в цилиндры.
При этом объем первой камеры конечного объема изменяют по программе при разрежении дискретно сначала от нулевого до первого промежуточного постоянного объема, а затем после, как минимум, одной задержки, от первого промежуточного постоянного объема до последующего промежуточного и так до максимального во время цикла подачи топлива.
При этом объем первой камеры конечного объема изменяют по программе при создании давления в полости второго управляющего клапана непрерывно от максимального до нулевого в период между циклами подачи топлива.
При этом давление в камере над вторым управляющим клапаном изменяют клапаном регулирования давления.
Реализация операций способа позволяет организовать процесс впуска топлива с максимальным приближением к циклу с подводом теплоты при постоянном давлении и максимальном индикаторном кпд и минимальных вредных выбросах:
- за счет нескольких последовательных впрысков с крутым фронтом начала и окончания впрыска за время подачи топлива, так как за короткое время при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки можно впрыснуть большое количество топлива отдельными порциями через большее количество отверстий при равномерном распыливании топлива с высоким импульсом и при большом постоянном давлении;
- за счет одинакового быстродействия клапанов управления и запорных элементов при повышении давления управления управляющим клапаном;
- за счет возврата части энергии, потраченной на управление подачей топлива, в топливный насос высокого давления и минимизации энергии на управление;
- подача топлива через два или три отверстия позволяет расширить диапазон управления мощностью путем регулирования давления впрыска при высоком качестве распыливания топлива и пониженном давлении впрыска;
- выполняются требования равномерности распыливания топлива в камере сгорания путем распыливания мелких капель с высоким импульсом при большом давлении и через большое количество отверстий распылителя;
- выполняются требования переменной интенсивности распыливания топлива путем последовательной подачи топлива через отверстия для впрыска первого, второго и третьего уровня;
- давление впрыска остается практически постоянным, что позволяет повысить кпд и уменьшить вредные выбросы за счет равномерности распыливания топлива, которое имеет место при постоянном давлении;
- начало и окончание подачи топлива происходит с крутым фронтом и отдельными порциями, которые следуют друг за другом, что позволяет «своевременно» сжечь топливо малыми порциями, ускоренно передавать энергию на коленчатый вал и также быстро ее прекращать;
- форсунки с двумя или тремя уровнями отверстий позволяют вместе за короткое время впрыснуть большое количество топлива через большее суммарное количество отверстий;
- дополнительная подача топлива через два или три уровня отверстий позволяет расширить диапазон управления мощностью путем регулирования давления впрыска, причем диапазон регулирования давления может быть расширен за счет повышения качества распыливания топлива через большее количество отверстий.
Перечисленные признаки позволяют достичь нового технического результата по управлению подачей топлива с помощью нового способа.
Поставленная задача также осуществляется тем, в устройстве для реализации способа, включающем форсунку с двухпозиционным клапаном со штоком с кольцевой площадкой, камерой управления над запирающим элементом, которая соединена через разгрузочный клапан с внешним объемом, через наполнительный клапан и дроссель соединена с линией высокого давления и распылитель с запирающим элементом, соединенный снизу с линией высокого давления, аккумулятор высокого давления, соединенный с форсункой, топливный насос высокого давления с клапаном регулирования давления, топливный бак, топливный фильтр, соединенные между собой гидравлически, блок электронного управления, соединенный электрически с клапаном регулирования давления, согласно изобретению гидроуправляемая форсунка выполнена, как минимум, с одним подпружиненным или неподпружиненным запирающим элементом, неподпружиненными управляющими клапанами, распылителем, как минимум, с одним уровнем отверстий, второй камерой управления и вторым управляющим клапаном, установленным на штоке двухпозиционного клапана с возможностью одновременного изменения положения вместе с ним, при этом в канале высокого давления установлен второй впускной дроссель, соединяющий вторую камеру управления через второй управляющий клапан с блоком управления подачей топлива, включающем, как минимум, один профилированный кулачок на форсунку с программой, как минимум, одного цикла впрыска, копир, плунжер, пружину, закрепленные на платформе, цилиндр со сквозным отверстием, взаимодействующий с плунжером, закрепленный на основании совместно с пружиной, при этом отверстие цилиндра соединено гидравлически со второй камерой управления форсунки, вторая камера управления соединена через трубопровод с обратным клапаном с аккумулятором низкого давления, содержащим клапан регулирования давления, соединенный с блоком электронного управления и с топливным насосом высокого давления, а через него - с аккумулятором высокого давления, разгрузочный клапан двухпозиционного клапана соединен каналом в форсунке и трубопроводом с аккумулятором низкого давления на входе.
Взаимодействие профилированных кулачков с программой цикла впрыска и копира в блоке управления подачей топлива с подпружиненным плунжером в цилиндре блока управления топливом, гидравлически соединенного с форсункой, позволяет обеспечить реализацию нескольких последовательных впрысков топлива и реализацию высокого индикаторного кпд.
Гидравлическое соединение подплунжерной полости блока управления топливом и полости управляющего клапана форсунки при отсечке и подаче топлива позволяет обеспечить увеличение скорости изменения давления управления управляющим клапаном и реализацию прямоугольного закона начала и окончания впрыска, одинаковое быстродействие управляющего клапана и запирающих элементов форсунки за цикл подачи.
Соединение гидромеханического блока управления топливом с форсункой, соединенной, в свою очередь, с гидроаккумулятором высокого давления, позволяет обеспечить сохранение лучших свойств известных систем подачи топлива с электро- и гидроуправлением с надежностью и простотой механических систем.
Последовательное соединение камеры над управляющим клапаном форсунки при отсечке топлива с дополнительным аккумулятором низкого давления и с насосом высокого давления позволяет обеспечить частичный возврат энергии, затраченной на управление в период между циклами подачи топлива.
Последовательное соединение камеры над запирающими элементами при подаче топлива с дополнительным аккумулятором низкого давления и с насосом высокого давления позволяет обеспечить возврат энергии, затраченной на управление в период переустановки клапанов, и минимизацию потерь на управление.
Большее количество отверстий в форсунке на двух или трех уровнях впрыска позволяет обеспечить высокое качество и равномерность распыливания топлива, и оптимальный диапазон управления мощностью путем регулирования давления впрыска клапаном регулирования давления, соединенного с гидроаккумулятором высокого давления, и, следовательно, количества подаваемого топлива в оптимальном диапазоне.
Надежность и снижение стоимости аппаратуры подачи топлива за счет гидромеханического управления управляющим клапаном в виде блока управления подачей топлива и соединения форсунки с гидроаккумулятором постоянного высокого давления с клапаном регулирования давления впрыска.
Выполнение отверстий для впрыска в распылителе на двух или трех уровнях позволяет обеспечить требования переменной интенсивности распыливания топлива путем последовательной подачи топлива через отверстия для впрыска первого, второго и третьего уровней.
Выполнение запорных элементов без пружин, соединение камеры управления управляющего клапана без пружин с дополнительной полостью изменяемого объема в виде цилиндра с плунжером позволяет обеспечить постоянное давление распыливания для каждого запорного элемента и равномерность распыливания.
Выполнение запорных элементов без пружин позволяет обеспечить надежную постановку запирающих элементов - иглы и втулки на седло при отсечке топлива.
Выполнение запорных элементов с пружинами позволяет обеспечить увеличение временного сдвига между впрысками топлива через отверстия первого и второго уровней, необходимого для эффективного сжигания топлива.
Применение профилированных кулачков с двойным циклом позволяет обеспечить компактность устройства и подачу топлива от одного блока управления топлива в один или несколько цилиндров.
Перечисленные признаки позволяют достичь в целом существенно нового технического результата по управлению подачей топлива посредством нового устройства для реализации способа.
Предлагаемый способ и устройство иллюстрируются следующими чертежами:
- фиг.1 - вариант исполнения гидроуправляемой форсунки для подачи топлива (продольный разрез) с двумя уровнями отверстий для впрыска;
- фиг.2 - вариант исполнения гидроуправляемой форсунки для подачи топлива (продольный разрез) с тремя уровнями отверстий для впрыска;
- фиг.3 - вариант исполнения гидроуправляемой форсунки для подачи топлива (продольный разрез) с двумя уровнями отверстий для впрыска и подпружиненными запирающими элементами;
- фиг.4 - варианты исполнения профилированных кулачков для управления подачей топлива с одним (фиг.4, а) или двумя циклами подачи топлива (фиг.4, б), а также с несколькими профилированными кулачками на одном распределительном валу (фиг.4, в);
- фиг.5, а - схематичное изображение блока управления подачей топлива в цилиндры дизеля и варианты гидравлического (фиг.5, б) и механического соединения блока управления подачей топлива (фиг.5, в) с форсункой;
- фиг.6 - варианты блок-схем устройства для реализации способа, на фиг 6, а показана блок-схема для реализации способа подачи в один цилиндр от одного блока управления подачей топлива, на фиг.6, б показана блок-схема для реализации способа подачи в два цилиндра от одного блока управления подачей топлива при наличии стандартного гидрораспределителя;
- фиг.7 показаны диаграммы давления впрыска (фиг.7, а) при подаче топлива;
на фиг.7, б - диаграммы объемного расхода топлива через отверстия первого, второго и третьего уровней.
Гидроуправляемая форсунка 1 для подачи топлива с двумя уровнями отверстий для впрыска по фиг.1 содержит двухпозиционный управляющий клапан 2 на штоке 3, который состоит из наполнительного клапана 4 и разгрузочного клапана 5, второго управляющего клапана 6, канала для отвода топлива 7 через гидроаккумулятор низкого давления (на фиг.1 не показан), соединенного с разгрузочным клапаном 5 двухпозиционного клапана 2, второй управляющий клапан 6 установлен на верху штока 3 с возможностью перекрытия канала 8 со вторым впускным дросселем (на чертеже не показан) для подвода высокого давления, иглы 9 и втулки 10, расположенной соосно игле 9, распылителя 11 с уплотняющим конусом (конус на фиг.1 не показан), отверстий первого уровня 12 и отверстий второго уровня 13 в корпусе форсунки, кольцевой полости 14 управления впрыском, которая радиальными каналами 15 соединена с кольцевой проточкой иглы 9 (на фиг.1 не показан), первой камеры управления 16 запирающими элементами или перемещением иглы 9 и втулки 10, второй камеры управления 17 двухпозиционным клапаном 2 и вторым управляющим клапаном 6, канала 18 для подвода высокого давления с первым впускным дросселем (дроссель на фиг.1 не показан) для подвода высокого давления к кольцевой проточке (кольцевая проточка на штоке на фиг.1 не показана) в штоке 3 двухпозиционного клапана 2, канала для подвода высокого давления 19 к кольцевой полости 14 в корпусе форсунки 1, соединенной с общим каналом подвода высокого давления (на фиг.1 этот канал не показан), канала для отвода топлива 20 за время отсутствия впрыска в гидроаккумулятор низкого давления форсунки, канала для отвода топлива 21 из второй камеры управления 17 в блок управления подачей топлива (на фиг.1 не показан) за время отсутствия впрыска и для создания разрежения во второй камере управления во время впрыска топлива.
На фиг.2 предложен вариант исполнения форсунки, в которой запирающие элементы распылителя 11 форсунки состоят из двух соосных втулок 10 и 22, а также иглы 9, которые перекрывают три уровня отверстий: игла 9 перекрывает отверстия первого уровня 12, втулка 10 перекрывает отверстия второго уровня 13, втулка 22 перекрывает отверстия третьего уровня 23.
На фиг.3 предложен вариант исполнения форсунки, но с подпружиненной иглой 9 и с подпружиненной втулкой 10, соответственно пружинами 24 и 25.
1
2
1
2
1
1
2
1
3
2
4
2
1
3
3
4
α
γ1
γ2
γ3
γ4
На фиг.4, а показан профилированный кулачок 26 для реализации одного цикла впрыска на одной форсунке 1, содержащий уровни изменения высоты профиля кулачка 26 при вращении кулачка на Δh, Δh, которые соединяются между собой через уровни постоянной высоты профиля с радиусами R, R. Причем при повороте профилированного кулачка 26 на угол γ кулачок 26 поднимается на высоту Δh; при повороте на угол γ кулачок 26 сохраняет высоту, равную R; при повороте на угол γ кулачок 26 поднимается на высоту Δh; при повороте на угол γ кулачок 26 сохраняет высоту, равную R; при повороте профилированного кулачка 26 на угол α=γ+γ+γ+γ происходит подача топлива в цилиндр (на фиг.4, а не показан); при повороте профилированного кулачка 26 на угол β=2π-α происходит подготовка блока управления топливоподачей (в дальнейшем БУТ) к следующему циклу впрыска топлива. При этом общее время топливоподачи t=t+ t+t+t,
α
где t - общее время подачи топлива через форсунку в цилиндр;
γ1
1
t - время поворота профилированного кулачка 26, при котором высота профиля изменяется на Δh;
γ2
1
t - время поворота профилированного кулачка 26, при котором высота профиля не изменяется R=const;
γ3
2
t - время поворота профилированного кулачка 26, при котором высота профиля изменяется на Δh;
γ4
2
t - время поворота профилированного кулачка 26, при котором высота профиля не изменяется при R=const;
2π-α
об.
γ1
γ2
γ3
γ4
2
0
t=t-(t+t+t+t), - время поворота профилированного кулачка 26, при котором высота профиля изменяется от R=const до R=const.
На фиг.4, б показан вариант профилированного кулачка 26 с двойным циклом, который позволяет реализовать одновременно два цикла топливоподачи с двумя разными форсунками в два разных цилиндра
π-α
об.
γ1
γ2
γ3
γ4
При этом время подготовки ко второму циклу подачи топлива во вторую форсунку становится равным t=t/2-(t+t+t+t), угол поворота профилированного кулачка для подготовки впрыска равен β=π-α.
На фиг.4, в показаны два профилированных кулачка 26 на одном валу, который может для установки соответствующего кулачка перемещаться вдоль оси (механизм перемещения на фиг.4, в не показан).
На фиг.5, а показан блок управления топливоподачей (в дальнейшем БУТ) 27, который содержит профилированный кулачок 26 (фиг.2) для работы с одной форсункой 1 (фиг.1), копир 28, жестко соединенный с платформой 29, которая жестко соединена с плунжером 30, расположенным в цилиндре 31, установленном на основании 32 с отверстием 33.
Между основанием 32 и платформой 29 установлена пружина 34, отверстие 33 трубопроводом 35 соединяет БУТ 27 (фиг.5. а) с форсункой 1 и с каналом 21 в ней для подвода топлива в БУТ 27 при создании разрежения в нем (фиг.1) и отвода топлива из него при создании давления в нем с помощью плунжера.
На фиг.5, б показан вариант соединения БУТ 27 с форсункой 1 через трубопровод 35, когда БУТ 27 выполнен в виде приставки к форсунке 1.
На фиг.5, в показан вариант прямого соединения БУТ 27 с форсункой 1, с двухпозиционным клапаном со штоком с кольцевой площадкой, камерой управления над запирающим элементом, которая соединена через разгрузочный клапан со сливом, через наполнительный клапан и дроссель соединена с линией высокого давления и распылитель, соединенный снизу с линией высокого давления, аккумулятор высокого давления, соединенный с форсункой, топливный насос высокого давления с клапаном регулирования давления, топливный бак, топливный фильтр, соединенные между собой гидравлически, блок электронного управления, соединенный электрически с клапаном регулирования давления 21 (фиг.1, фиг.2, фиг.3), и отверстие 33 в основании 32 (фиг.5, а, в) БУТ 27.
На фиг.6, а показана блок-схема устройства для реализации способа на примере подачи топлива к одной форсунке.
Форсунка 1 соединена трубопроводом 35 с блоком управления топливоподачей БУТ 27, каналы 7 и 20 для отвода топлива в аккумулятор низкого давления форсунки 1 соединены трубопроводом 36 с дросселем (дроссель на фиг.6, а не показан) с гидроаккумулятором низкого давления 37 форсунки 1 (в дальнейшем ГАФ). Форсунка 1 соединена трубопроводом высокого давления на (фиг.6, а не показан) с гидроаккумулятором 38 системы топливоподачи высокого давления (в дальнейшем ГАСТ - фиг.6, а) - с клапаном регулирования давления 39 (в дальнейшем КРД) и датчиком давления 40, управляемого от блока электронного управления 41 (в дальнейшем БЭУ), блок ГАСТ 38 соединен с топливным насосом высокого давления 42 (в дальнейшем ТНВД) на выходе. КРД 39 соединен с топливным баком 43, а через фильтр топлива 44 - со входом ТНВД 42. Блок БЭУ 41 соединен электрически с клапанами регулирования давления 39 блока ГАСТ 38 и блока ГАФ 45.
На фиг.6, б - показана блок-схема устройства подачи топлива к двум форсункам с профилированными кулачками 26 с двойным циклом. Эта схема включает профилированный кулачок 26, реализующий цикл топливоподачи для двух форсунок 1. Профилированный кулачок 26 (фиг.4,6) входит в блок БУТ 27, который соединен через гидравлический стандартный распределитель 46 с двумя форсунками.на фиг.6,б выполнение стандартного распределителя не показано). Гидрораспределитель 46, выполненный в виде пары «втулка - цилиндр», вращающийся синхронно с кулачком 26 (фиг.4, б), поочередно соединяет БУТ 27 с двумя форсунками 1.
1
3
3
4
На фиг.7, а показан прямоугольный закон изменения давления впрыска во время переустановки двухпозиционного клапана 2 и второго управляющего клапана 6 (фиг.1, а) из нижнего положения в верхнее за счет гидромеханических сил и показано время управления топливоподачей в углах поворота профилированного кулачка γ, γ, γ, γво время подачи топлива.
γ1
1
На фиг.7, б показан объемный расход топлива через отверстия первого, второго и третьего уровней при подаче топлива за время t при повороте профилированного кулачка на угол γ.
Работа устройства для реализации способа осуществляется следующим образом.
2π-α
об.
γ1
γ2
γ3
γ4
2
0
(1+2)плунжеpa
Профилированный кулачок 26 (фиг.4, а) поворачивается во время отсечки подачи топлива на угол β=2π-α за время t=t-(t+t+t+t). Высота профиля изменяется от R до R под действием копира 28, взаимодействующего с платформой 29 БУТ 27. Плунжер 30 перемещается в цилиндре 31, установленном на основании 32, под воздействием пружины 34 (фиг.5, а) вниз и вытесняет объем топлива V через отверстие 33 (фиг.5, а) БУТ 27, по трубопроводу 35 и каналу 21 для отвода топлива, соединяющему форсунку 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) и БУТ 27 (фиг.5, а), во вторую управляющую камеру 17 над вторым управляющим клапаном 6 форсунки 1(фиг.1, фиг.2, фиг.3), а затем по каналу 20 для отвода топлива из форсунки 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) в аккумулятор низкого давления 37 (фиг.6) и трубопроводу 36 с обратным клапаном и дросселем (обратный клапан и дроссель в трубопроводе 36 на фиг 6, а не показаны) в ГАФ 37 (фиг.6, а) и в ТНВД 42. Происходит рекуперация (возврат) энергии, затраченной на растягивание пружины 34 при создании разрежения в цилиндре 31 и передача ее в ТНВД. Наличие дросселя (позиции дросселя на фиг.6, а не обозначены) в трубопроводе 36 позволит сгладить возможные пульсации давления во второй управляющей камере 17 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) при переустановке клапанов 6 и 2 в процессе отсечки подачи топлива.
Второй управляющий клапан 6 и двухпозиционный клапан 2 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) мгновенно перемещаются вниз с момента, когда профилированный кулачок 26 (фиг.4, а) начинает при повороте отрабатывать угол межцикловой отсечки топлива β=2π-α.
Результирующая сила, действующая на систему «второй управляющий клапан 6 - двухпозиционный клапан 2» устанавливает второй управляющий клапан 2 и двухпозиционный клапан 6 в крайнем нижнем положении. При этом открывается наполнительный клапан 4 и закрывается разгрузочный клапан 5 двухпозиционного клапана 2 (фиг.1, фиг.2, фиг.3).
Одновременно топливо высокого давления по каналу для подвода высокого давления 18 с дросселем (дроссель на фиг.1 не обозначен) поступает через кольцевую проточку штока 3 в первую управляющую камеру 16 от блока ГАСТ 38 (фиг.6, а), практически мгновенно достигает максимального значения и перемещает иглу 9 и втулку 10 (фиг.1, фиг.3), для случая (по фиг.2) дополнительно перемещает втулку 22 в крайнее нижнее положение. Результирующая сила при этом направлена вниз.
Давление над запирающими элементами 9 - иглой с конусом и 10 - втулки с конусом (фиг.1, фиг.3) и втулки 22 с конусом (фиг.2) станет больше давления под запирающими элементами 9, 10 (фиг.1, фиг.3) и 9, 10 и 22 (фиг.2) из-за разницы площадей запорных элементов 9 и 10 сверху и дифференциальных площадок иглы 9 и втулки 10 снизу (фиг.1, фиг.3) и втулки 22 (фиг.2), к которым высокое давление подводится по каналу 19, через кольцевую полость 14 радиальные каналы 15 во втулке 10, кольцевую проточку в игле (фиг.1, фиг.3 не показана), а также кольцевую проточку во втулке 10 (на фиг.2 не показана).
Отверстия 12 и 13 первого нижнего и второго верхнего уровня распылителя 11 (фиг.1, фиг.3) запираются конусными поверхностями (седлами) иглы 9 и втулки 10, которые взаимодействуют при этом с уплотнительной конусной поверхностью (позиция не обозначена на фиг.1, фиг.3) распылителя 11. Аналогично запираются отверстия третьего уровня 23 второй втулкой 22 (фиг.2).
Причем происходит надежное запирание в силу отсутствия для запирающих элементов поджимающих пружин (фиг.1, фиг.2), которые препятствуют своевременной посадке иглы и втулки на седло.
Надежное запирание отверстий первого - 12, второго - 13 и третьего - 23 уровней для впрыска обеспечивается также в силу значительно более высокого давления по отношению к атмосферному во второй камере управления 17, которое препятствует образованию парогазовых пузырьков во второй камере управления 17 и способствует своевременной переустановке двухпозиционного клапана 2 и второго управляющего клапана 6 в нижнее положение, при котором и осуществляется отсечка топлива.
Отверстие в канале 8 с дросселем (дроссель на фиг.1, фиг.2, фиг.3 не показан) перекрыто, ибо клапан 6 находится под давлением топлива, вытесняемого плунжером 30 из цилиндра 31 под действием пружины 34 (фиг.1) во вторую камеру управления 17 форсунки 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.3).
пр
T.lДP
пр
T.lДP
Величина давления в камере 17 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) в конце процесса вытеснения топлива плунжером определяется: клапаном регулирования давления 45 блока ГАФ-37 (фиг.6, а), силой затяжки пружины 34 (фиг.5, а) F, а также силой давления топлива F, поступающего через первый впускной дроссель в канале 18 и определяемого площадью кольцевой выточки в штоке 3 двухпозиционного клапана 2 (фиг.1, фиг.2, фиг.3), причем в конце процесса отсечки топлива F>F и это соотношение определяется силой затяжки пружины 34 (фиг.5, а) и настройкой клапана КРД-45 (фиг 6, а) аккумулятора низкого давления - ГАФ-37.
Обеспечение этого соотношения, в том числе, зависит от соотношения площадей кольцевой выточки в штоке 3 и площади над штоком 3 - площади верхней поверхности клапана 6. Через клапан регулирования давления 45 блока ГАФ-37 топливо подается в насос высокого давления 42 (фиг.6, а) и затем в гидроаккумулятор системы топливоподачи 38, который соединен с форсункой 1.
β
БУТ-27 (фиг.5, а) представляет собой, помимо всего прочего, своеобразный подкачивающий насос, действующий во время межцикловой отсечки топлива t (фиг.4, а; фиг.5, а) и во время подачи топлива в ТНВД-42 (фиг.6, а) через ГАФ-37 с клапаном КРД-45, когда реализуется операция способа по рекуперации энергии, и часть энергии, потраченной на управление подачей топлива, возвращается в топливный насос высокого давления.
γ1
1
Возврат энергии - это управляющая функция БУТ при отсечке топлива, сочетается с реализацией в нем другой управляющей функции, которая проявляются при впрыске и создании режима разрежения в камере 17 управления форсункой 1 (во время t) и режиме резкого торможения жидкости в камере 17 и в подплунжерной полости цилиндра 31 БУТ-27 с резким повышением давления в них (фиг.3, а) в период перехода профильного кулачка 26 (фиг.4, а) в режим работы с R=const.
Подача топлива.
γ1
1
0
Подача топлива в цилиндр осуществляется за время t, когда профилированный кулачок 26 поворачивается на угол γ, (фиг.4, а) высота профиля изменяется от R до
1
1
2
2
R (фиг.4, а) на величину Δh. Клапаны 2 и 6 изменяют положение во время переустановки и занимают крайнее верхнее положение. Положение профилированного кулачка в позиции R=const соответствует первой внутрицикловой отсечке топлива. Положение профилированного кулачка в позиции R=const соответствует второй внутрицикловой отсечке топлива (фиг.4, а).
При внутрицикловых отсечках подачи топлива энергия не рекуперируется в ТНВД-42 (фиг.6, а) при повороте профилированных кулачков 26 (фиг.4, а, б)
2
4
на углы γ и γ.
0
1
1
1
2
3
Рекуперация происходит в момент переустановки клапанов 6 и 2 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) и во время вытеснения объема топлива из первой управляющей камеры 16 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) в ТНВД-42 (фиг.6, а), в самом начале поворота профилированного кулачка 26 и изменении его радиуса от R до R (угол γ- фиг.4, а) и от R до R (угол γ - фиг.4, а).
При этом топливо через канал для подвода топлива 18 с первым впускным дросселем (дроссель на фиг.1, фиг.2, фиг.3 не показан) воздействует на площадку под штоком 3, образованную кольцевой проточкой в штоке 3 и практически мгновенно перемещает шток 3, двухпозиционный клапан 2 и второй управляющий клапан 6 на нем в верхнее крайнее положение.
(1)плунжера
1
1
Этому способствует то, что в это время плунжер 30 перемещается вверх в цилиндре 31 под воздействием копира 28 и платформы 29, создает разрежение в цилиндре 31 и полости 17 над клапаном 6 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) и в цилиндр 31 блока БУТ-27 (фиг.5, а) поступает топливо объемом Vв промежуточном (R - фиг.5, а) положении плунжера 30, обусловленном поворотом кулачка 26 (фиг.4, а) на угол γ.
В итоге на двухпозиционный клапан 2 и второй управляющий клапан 6 со штоком 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) действует результирующая сила одного знака, которая мгновенно переустанавливает двухпозиционный клапан 2 и второй управляющий клапан 6 в верхнее крайнее положение.
Пружина 34 (фиг.3, а) в блоке БУТ-27 растягивается и запасает потенциальную энергию на первом шаге цикла подачи топлива.
При подаче топлива через дроссель в канале для подвода топлива высокого давления 18 во время переустановки двухпозиционного клапана 2 в верхнее крайнее верхнее положение падает давление в наполнительном клапане 4 (фиг.1, фиг.2, фиг.3). Величина его во время переустановки двухпозиционного клапана 2 и второго управляющего клапана 6 определяется давлением, на которое настроен клапан регулирования давления 45 (фиг.6, а) в ГАФ-37.
Во время переустановки двухпозиционного клапана 2 и второго управляющего клапана 6 топливо через наполнительный клапан 4, канал 7 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) поступает в ГАФ-37 и через его клапан КРД-45 рекуперируется в ТНВД-42. Так осуществляется первая внутрицикловая рекуперация энергии в ТНВД-42.
По мере перемещения клапанов 6 и 2 вверх наполнительный клапан 4 закрывается полностью и происходит полная переустановка клапанов 2 и 6. После этого топливо через дроссель канала 18 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) не поступает в канал 7 и в ГАФ-37 (фиг.6, а) и через клапан 45 в топливный насос высокого давления 42.
Рекуперация энергии после закрытия наполнительного клапана 4 во время переустановки клапанов прекращается.
Давление в первой камере управления 16 после закрытия наполнительного клапана 4 и открытия разгрузочного клапана 5 также определяется давлением, на которое настроен клапан регулирования давления 45 (фиг.6, а), которое значительно больше атмосферного.
Во время и после переустановки двухпозиционного клапана 2 и второго управляющего клапана 6 первая управляющая камера 16 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) соединяется через канал 7 для отвода топлива со второй внешней камерой - аккумулятором низкого давления ГАФ-37 (фиг.6, а) и топливо из первой управляющей камеры 16 подается под давлением в ГАФ-37 и в ТНВД-42 (фиг.6, а).
Обратный клапан в трубопроводе 36 (на фиг.6, а не показан) препятствует прохождению топлива в камеру 17 (фиг.1, фиг.2, фиг.3), в которой создается разрежение во время впрыска топлива, и обеспечивает более четкое изменение положения или переустановку двухпозиционного клапана 2 и второго управляющего клапана 6.
1
Давление, под которым топливо поступает в ГАФ-37, обеспечивается более высоким давлением под запирающими элементами - иглой 9 и втулкой 10 (фиг.1, фиг.3), и втулкой 22(фиг.2) в то время, когда кулачок 26 поворачивается на угол γ (фиг.4, а) и в самом начале поворота кулачка 26.
Топливо под более высоким давлением от ГАСТ-38 (фиг.6, а), которое выше давления на входе ГАФ-37 и в полости 17, разгрузочном клапане 5 и канале 7 для отвода топлива в аккумулятор низкого давления - 37, поступает по каналу для подвода топлива высокого давления 19 в кольцевую полость 14, радиальные каналы 15 во втулке 10 к игле 9 и затем втулке 10, которые под действием более высокого давления перемещаются поочередно вверх, причем игла, как более легкая и менее инерционная, начинает перемещение первой до верхнего упора. Затем, с небольшой разницей во времени, перемещается втулка 10, как более инерционная, также до своего верхнего упора (фиг.1, фиг.3, фиг.7, б), а также втулка 22 (фиг.2, фиг.3, фиг.7, б).
Игла 9 и втулка 10 (фиг.1, фиг.3), а также втулка 22 (фиг.2) вытесняют топливо из первой управляющей камеры 16 через канал 7 для отвода топлива в аккумулятор низкого давления 37 (фиг.6, а) форсунки 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) в трубопровод 36 (фиг.6, а) с обратным клапаном и дросселем (на фиг.6,а обратный клапан и дроссель в трубопроводе 36 не показаны), в ГАФ-37 с КРД-45 и ТНВД-42.
Происходит вторая внутрицикловая рекуперация энергии топлива при вытеснении объема топлива из камеры 16 в момент переустановки запирающих элементов 9, 10, 22 (фиг.1, фиг.2, фиг.3).
1
0
1
2
1
2
Вторая внутрицикловая рекуперация энергии, как и первая внутрицикловая рекуперация энергии, происходит в самые начальные моменты, когда профилированный кулачок 26 (фиг.4, а) начинает при повороте на угол γ и положении с R=const переходить в положение с R=const до первой внутрицикловой отсечки, а также начинает при повороте на угол γ из положения с R=const переходить в положение с R=const до второй внутрицикловой отсечки за счет вытеснения объема топлива из первой управляющей камеры 16 (фиг.1, фиг.2, фиг.3), расположенной над запирающими элементами 9, 10, 22.
Перемещению до упора при отсутствии пружины ничто не мешает. Под иглой 9 и втулкой 10 формируются постоянные объемы топлива при их установке на упоре, через которые и подается топливо при впрыске (фиг.1, фиг.2). Давление впрыска и объемный расход для разных уровней впрыска (фиг.7, а, б) при впрыске в силу отсутствия изменения подыгольного объема (фиг.1, фиг.3) остается постоянным и определяется давлением КРД-39 (фиг.6, а) на выходе аккумулятора высокого давления
Все запирающие соосные друг другу элементы, а это игла 9, втулка 10 становятся на упор (фиг.1, фиг.2) и обеспечивают постоянство давления впрыска из-за отсутствия колебаний неподпружиненных запирающих элементов.
В случае, когда игла 9 подпружинена пружиной 24, втулка 10 подпружинена пружиной 25 (фиг.3), также часть объема топлива из камеры 16 поступает в ГАФ-37 через трубопровод 36 в ТНВД-42 (фиг.6, а).
В этом случае запирающие элементы 9 и 10 не становятся на упор, либо их ход ограничивается упругими элементами: пружинами 24 для подпружинивания иглы 9 и пружины 25 для подпружинивания втулки 10 (фиг.3).
Объем под иглой 9 и втулкой 10 будет изменяться в процессе впрыска в силу упругости пружин, и впрыск будет происходить при переменном объеме.
Закон впрыска топлива приближается к прямоугольному при только достаточно жестких пружинах 25(фиг.3).
Этот вариант выполнения запирающих элементов необходим для обеспечения большего временного сдвига между впрыском топлива через отверстия иглы и форсунки.
Сначала происходит впрыск, так называемый «пилотный» впрыск, через отверстия первого уровня 12, а затем происходит первый основной впрыск через отверстия второго уровня 13. (фиг.1). Для случая (фиг.2) происходит и второй основной впрыск через отверстия 23 при подъеме втулки 22 еще более инерционной, чем игла 9 и втулка 10.
Число отверстий второго и третьего уровня больше, чем число отверстий первого уровня. Первая малая порция при сжигании создает факел, который поджигает вторую порцию топлива и улучшает сгорание второй более объемной порции топлива.
Аналогично происходит и с третьей порцией топлива. Впрыск происходит при постоянном давлении (фиг.7, а) от ГАСТ-38, давление в котором регулируется посредством КРД-39, управляемого от БЭУ-41 (фиг 6, а). Ограничителем перемещения иглы 9 и втулки 10 (фиг.1) и втулки 22 (фиг.3) является корпус форсунки 1.
Имеет место одинаковое быстродействие двухпозиционного клапана 2 и второго управляющего клапана 6 и запирающих элементов 9, 10 (фиг.1), и запирающих элементов 9, 10, 22 (фиг.2) при повышении давления управления двухпозиционным клапаном 2 и вторым управляющим клапаном 6 при отсутствии пружин в форсунке, которые придают процессу переустановки клапанов инерционность.
Давление управления над вторым управляющим клапаном 6 (следовательно, силы, действующей на второй управляющий клапан 6 сверху - (фиг.1, фиг.2, фиг.3) определяется давлением во второй управляющей камере 17 при отсечке подачи топлива и определяется величиной, задаваемой КРД-45 аккумулятора низкого давления ГАФ - 37.
В обоих случаях (фиг.1, фиг.3) впрыск топлива как для иглы 9, так и для втулки 10 (для случая по фиг 2 и втулки 22), осуществляется при постоянном зазоре между посадочным седлом для иглы 9 и втулки 10 (втулки 22 - фиг.2), который определяется ходом иглы 9 и втулки 10 (втулки 22 - фиг.2) до упора, которые могут быть выбраны равными или разными. Этот зазор и определяет постоянство давления впрыска, задаваемое КРД-39 (фиг.6, а) гидроаккумулятора высокого давления ГАСТ-38.
γ1
Подача топлива в цилиндры длится практически время t поворота профилированного кулачка 26 (фиг.5, а, фиг.6, а), ибо имеет место крутой фронт нарастания давления в начале процесса впрыска, а закон подачи топлива практически прямоугольный.
При открытом втором управляющем клапане 6 топливо подается во вторую управляющую камеру 17 через второй дроссель в трубопроводе 8 (дроссель на фиг.1, фиг.2, фиг.3 не показан) для подвода высокого давления во время создания разрежения в цилиндре 31 посредством плунжера 30 (фиг.5, а).
1
Когда плунжер 30 (фиг.3, а) при движении вверх достигает первого постоянного уровня R=const, мгновенно происходит переустановка двухпозиционного клапана 2 и второго управляющего клапана 6 в крайнее нижнее положение с перекрытием канала 8 для подвода высокого давления со вторым впускным дросселем (на фиг.1, фиг.2, фиг.3 впускной дроссель канала 8 не показан). Поскольку переустановка двухпозиционного клапана 2 и второго управляющего клапана 6 происходит практически мгновенно, то и гидравлические потери при этом будут минимальными.
Так происходит первая внутрицикловая отсечка подачи топлива в форсунку 1.
Процесс переустановки двухпозиционного клапана 2 и второго управляющего клапана 6 вниз происходит лавинообразно с крутым фронтом за счет внутренней обратной связи по давлению в системе «подплунжерная полость цилиндра 31 (фиг.5, а) - вторая управляемая камера 17 (фиг.1) - трубопровод 8 высокого давления с дросселем, по которому поступает топливо во вторую управляемую камеру 17 при мгновенной остановке плунжера 30 в цилиндре 31 (фиг.5, а). Это давление воздействует на площадку второго управляющего клапана 6 сверху и переводит мгновенно второй управляющий клапан 6 и двухпозиционный клапан 2 в крайнее нижнее положение.
При этом открывается наполнительный клапан 4 и закрывается разгрузочный клапан 5, закрывается канал для подвода высокого давления 8 с дросселем вторым управляющим клапаном 6, который перемещается вниз под действием давления во второй управляющей камере 17.
Топливо по наполнительному клапану 4 поступает в первую управляющую камеру 16 и перемещает иглу 9 и втулку 10 (фиг.1, фиг.3), а также втулку 22 (фиг.2) в крайнее нижнее положение. Перекрываются отверстия для впрыска первого - 12, второго - 13 (фиг.1, фиг.3), а также отверстия для впрыска третьего уровня - 23 (фиг.2)
γ2
2
1
Топливо не подается в цилиндры во время t поворота профилированного кулачка 26 на угол γ, при котором высота профиля не изменяется R=const. Происходит первая внутрицикловая отсечка топлива.
Устройство реализует способ как в варианте соединения БУТ-27 по схеме (фиг.4, б), так и по схеме (фиг.4, в) с корпусом форсунки 1.
γ3
2
Аналогично: t - время поворота профилированного кулачка 26, при котором высота профиля изменяется на Δh, и топливо снова подается в цилиндры через два уровня отверстий: первый уровень - 12 и второй уровень - 13 (фиг.1, фиг.3) форсунки или три уровня отверстий: первый уровень отверстий - 12, второй уровень отверстий - 13, третий уровень отверстий - 22 (фиг.1, фиг.2, фиг.3), а в начале второго шага подачи топлива происходит также рекуперация энергии во время переустановки второго управляющего клапана 6 и двухпозиционного клапана 2 и во время вытеснения объема топлива под давлением из второй управляющей камеры 16 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) запирающими элементами: иглы 9, втулки 10, втулки 22 (фиг.1, фиг.2, фиг.3) во время их постановки на упор перед впрыском топлива в цилиндр дизеля.
γ4
2
Аналогично: t - время поворота профилированного кулачка 26, при котором высота профиля не изменяется при R=const и топливо снова не подается в цилиндры. Происходит вторая внутрицикловая отсечка топлива.
Таким образом, за время подачи топлива предлагаемым устройством можно осуществить четное (4, 6) впрысков во время цикла подачи топлива с крутым фронтом нарастания давления впрыска и с постоянным давлением впрыска.
При работе устройства по варианту (фиг.2) процессы происходят аналогично описанному с той разницей, что число впрысков увеличивается до шести, когда поршень цилиндра находится вблизи от верхней мертвой точки при наличии третьего уровня отверстий 23, которые перекрываются третьим запирающим элементом 22.
Впрыск происходит последовательно через отверстия первого 12, второго 13 и третьего уровня 23 при перестановке на упор иглы 9, втулки 10 и второй втулки 21.
При работе устройства по варианту (фиг.3) процессы происходят аналогично описанному с той лишь разницей, что время подачи топлива через отверстия второго уровня уменьшается за счет того, что подъем иглы 9 и втулки 10 из-за противодействия пружин 24 и 25 соответственно происходит медленнее, чем при ее отсутствии. Пружины необходимы только для сдвига фаз впрыска через отверстия первого и второго уровней и могут быть выбраны с меньшей жесткостью (фиг.3).
Регулирование количества подаваемого топлива осуществляется через клапан регулирования давления 39 блока ГАСТ-38 (фиг.6, а).
Таким образом, система топливоподачи не является жесткой механической нерегулируемой системой, а регулируется извне путем изменения давления подачи топлива и может быть включена в систему автоматического управления подачей топлива. Регулирование давления гидроаккумулятора высокого давления 38 с помощью клапана регулирования давления 39 позволяет реализовать мощность выше номинальных значений, что важно для реализации кратковременных форсированных режимов.
Регулирование подачи топлива реализуется кулачками разных профилей. Переустановка профилей осуществляется автоматически (механизм не показан) за счет осевого перемещения распределительного вала, на котором установлены профилированные кулачки (фиг.4, в).
В этом случае может быть реализован режим экономичной работы дизеля при малой подаче топлива и низком давлении (холостой ход). Один из кулачков на валу по (фиг.4, в) рассчитан на укороченный режим подачи топлива. Этот укороченный режим подачи топлива и его малых доз может быть реализован при малом давлении при работе дизеля на холостом ходу, что чрезвычайно важно для работы дизеля.
β
α
При использовании профилированного кулачка с двойным или большим количеством циклов (фиг.4, б) работа устройства, реализующего способ, происходит аналогично. Разница лишь в том, что в устройство добавляется стандартный гидрораспределитель 46 (фиг.6, б), который работает синхронно с профилированным кулачком. Во время первого цикла устройство подает топливо в первую форсунку во время второго цикла - во вторую форсунку и т.д. При этом сокращается вдвое время t>t, которое будет вдвое меньше, чем в случае с одной форсункой. Все форсунки соединены с блоком ГАСТ-38 и блоком ГАФ-37 (фиг.6, б), как в случае с одной форсункой.