СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ
FUEL FEED CONTROL SYSTEM AND METHOD TO OPERATE IT

Изобретение относится к системам управления подачей топлива для двигателей внутреннего сгорания - дизелей, на стационарных установках с дизелями большой мощности, на мобильном транспорте для большегрузных автомобилей, 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 предлагаемой системе управления подачей топлива является система управления подачей топлива в двигатель внутреннего сгорания, выбранная в качестве прототипа (патент США №6557779 В2 от 06.05.2003), включающая форсунку, содержащую распылитель с отверстиями, запирающие элементы с независимыми камерами управления, соединенными через управляющие клапаны с внешним объемом и гидроаккумулятором высокого давления с клапаном регулирования давления, гидроаккумулятор системы подачи топлива высокого давления, соединенный с топливным баком и через топливный фильтр и подкачивающий насос с топливным насосом высокого давления, а его клапан регулирования давления соединен электрически с блоком электронного управления.
Недостатки системы управления подачей топлива:
- не позволяет рекуперировать часть энергии на управление обратно в топливный насос высокого давления;
- большой расход топлива на управление подачей топлива;
- система не позволяет реализовать возможности для текущего мониторинга состава отходящих газов и обеспечить в требуемых пределах управление составом отходящих газов;
- не позволяет подавать топливо с экстремальной повторяемостью впрысков, быстро и точно из-за инерционности электромагнитных процессов в соленоидах управления;
- не позволяет в полной мере реализовать «прямоугольный» закон впрыска топлива из-за инерционности электромагнитных клапанов и наличия большого количества пружин в форсунке;
- не позволяет сочетать достоинства системы топливоподачи с гидроаккумуляторами высокого давления, обеспечивающие постоянство давления при подаче топлива с простотой и надежностью механических систем;
- не позволяет размещать управляющие блоки, например электроклапаны, вне тела форсунки;
- не позволяет применять более двух управляющих блоков.
Наиболее близким к способу работы системы является способ управления подачей топлива в двигателе внутреннего сгорания, выбранный в качестве прототипа (патент США №6557779 В2 от 06.05.2003), включающий независимое открывание двух управляющих клапанов, подачу топлива через дроссель в независимые управляющие камеры над запорными элементами распылителя, соединение камер над запорными элементами распылителя и камер управляющих открытых клапанов с внешним объемом, подачу топлива под высоким давлением на распылитель форсунки через два уровня отверстий в виде двух впрысков по одному на каждый уровень отверстий, закрывание управляющих клапанов и осуществление отсечки подачи топлива.
К недостаткам способа относятся:
- невозможность реализации требуемого по экологии и высокому индикаторному к.п.д числа впрысков топлива, например пяти-семи и более: «пилотный»-«предварительный»-«основной»-«последующий»-«последний;
- невозможность точного дозирования впрыска топлива и невозможность управления объемом и длительностью каждого из требуемого числа впрысков;
- невозможность мониторинга процесса сжигания топлива и оптимизации настройки оптимального впрыска при изменении условий;
- большой расход топлива на управление подачей топлива, отсутствие возможности частичной рекуперации энергии топлива, потраченной на управление.
Целью изобретения является улучшение динамики подачи топлива и повышение индикаторного к.п.д., улучшение экологических показателей, а также упрощение, повышение надежности и снижение стоимости топливоподающей аппаратуры.
Поставленная цель достигается тем, что в системе управления подачей топлива в двигателе внутреннего сгорания, включающей форсунку, содержащую распылитель с отверстиями, запирающие элементы с независимыми камерами управления, соединенными через управляющие клапаны с внешним объемом и гидроаккумулятором высокого давления с клапаном регулирования давления, гидроаккумулятор системы подачи топлива высокого давления, соединенный с топливным баком и топливным насосом высокого давления, а его клапан регулирования давления соединен электрически с блоком электронного управления, согласно изобретению, форсунка выполнена гидроуправляемой, как минимум, с двумя неподпружиненными запирающими элементами и независимыми управляющими клапанами, расположенными в отдельных камерах управления, как минимум, с двумя независимыми промежуточными камерами управления, каждая из которых соединена со своим независимым гидроаккумулятором высокого давления, причем запирающие элементы выполнены соосно без разделения отверстий различных уровней или с их разделением, а в распылителе выполнены кольцевые проточки между отверстиями различных уровней, взаимодействующие с кольцевыми выступами соответствующих запирающих элементов, система снабжена дополнительно, как минимум, двумя независимыми блоками управления подачей топлива с разными программами управления, снабженными направляющими с возможностью перемещения по ним, каждый из которых состоит, как минимум, из одного профилированного кулачка на форсунку с программой, как минимум, одного цикла подачи топлива, взаимодействующего с копиром и плунжером, установленным на платформе, гидроцилиндром, установленным на основании с отверстием, а между платформой и основанием установлена пружина, система снабжена дополнительно аккумулятором низкого давления, гидравлически соединенного, как минимум, с двумя независимыми управляющими камерами форсунки, а также с входом топливного насоса высокого давления и блоком электронного управления.
При этом запирающий элемент первого уровня отверстий выполнен в виде иглы с кольцевой проточкой, а запирающий элемент второго уровня отверстий выполнен в виде втулки, взаимодействующей с кольцевой проточкой корпуса форсунки.
При этом блоки управления подачей топлива соединены механически с независимыми ручными или автоматическими механизмами перемещения блоков управления подачей топлива.
При этом профилированные кулачки с разными программами выполнены на распределительном валу с возможностью их аксиального перемещения.
Выполнение системы управления подачей топлива, в котором форсунка выполнена, как минимум, с двумя неподпружиненными запирающими элементами и независимыми управляющими клапанами, расположенными в отдельных камерах управления, позволяет обеспечить
- подачу топлива в цилиндры с экстремальной повторяемостью впрысков;
- прямоугольный закон впрыска топлива в камеру сгорания через первый, второй уровни отверстий (или более) при постоянном давлении за счет
- надежной постановки двух, трех (или более) независимых запирающих элементов на седло при отсечке топлива;
- надежной постановки двух, трех (или более) независимых запирающих элементов на упор при впрыске топлива в камеру сгорания цилиндра.
Выполнение системы управления подачей топлива, как минимум, с двумя независимыми промежуточными камерами управления, каждая из которых соединена со своим независимым гидроаккумулятором высокого давления, причем запирающие элементы выполнены соосно без разделения отверстий различных уровней или с их разделением, а в распылителе выполнены кольцевые проточки между отверстиями различных уровней, взаимодействующие с кольцевыми выступами соответствующие запирающих элементов, позволяет обеспечить
- соединение через независимые управляющие клапаны, расположенные в отдельных независимых камерах управления, число которых равно числу запирающих элементов и может быть больше двух, независимых камер управления над запирающими элементами с подплунжерными полостями блоков управления подачей топлива, в которых создается разрежение при впрыске;
- падение давления в независимых двух, трех (и более - по числу запирающих элементов) промежуточных камерах управления, каждая из которых соединена каналами с дросселями с гидроаккумулятором высокого давления за счет дросселирования топлива, поступаемого в независимые промежуточные камеры, и за счет разрежения в независимых камерах независимых управляющих клапанов, которое создается в блоках управления подачей топлива при впрыске;
- независимость управления каждым из запирающих элементов форсунки, число которых может быть больше двух, своим независимым управляющим клапаном по схеме: одна независимая камера управления - один независимый управляющий клапан - один независимый запирающий элемент;
- независимый подвод топлива от гидроаккумулятора высокого давления к каждому из отдельных запирающих элементов, число которых может быть больше двух, сверху для управления независимыми запирающими элементами при их установке на седло распылителя и при отсечке подачи топлива, причем отдельный независимый уровень отверстий перекрывается при отсечке своим независимым запирающим элементом, через промежуточные независимые камеры управления и закрытые независимые управляющие камеры независимых управляющих клапанов, как минимум, по двум цепочкам: гидроаккумулятор высокого давления - независимая промежуточная камера управления - независимая камера управления над отдельным независимым запирающим элементом - независимый запирающий элемент;
- независимый отвод топлива сверху от каждого из отдельных запирающих элементов, число которых может быть больше двух, для управления независимыми запирающими элементами при их установке на упор и при впрыске топлива через несколько независимых уровней отверстий, причем каждый отдельный независимый уровень отверстий открывается своим независимым запирающим элементом, отвод топлива осуществляется во внешний независимый блок управления подачей топлива через открытые независимые промежуточные камеры и открытые независимые управляющие камеры независимых управляющих клапанов, как минимум, по двум цепочкам: независимая камера управления над независимым запирающим элементом - независимая промежуточная камера управления - независимая управляющая камера управляющего клапана - независимый внешний блок управления подачей топлива;
- управление впрыском топлива через различные уровни отверстий от различных аккумуляторов высокого давления при изменении их давления за счет так называемой амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) гидравлического давления, которая при наличии двух аккумуляторов высокого давления подачи топлива расширяет возможности текущего мониторинга сжигания топлива, контроля отходящих газов и возможности управления составом отходящих газов при изменении внешних условий;
- впрыск топлива через отверстия различных уровней без их пересечения во времени в случае, если запирающие элементы выполнены соосно без гидравлического разделения отверстий различных уровней;
- впрыск топлива через отверстия различных уровней с их пересечением во времени в случае, если запирающие элементы выполнены соосно с разделением отверстий различных уровней;
- гидравлическое разделение отверстий различных уровней и обеспечение полной независимости управления впрыском через отверстия любого уровня при выполнении кольцевых проточек в распылителе, число которых меньше на единицу числа уровней отверстий для впрыска механическим путем за счет выполнения соответствующих запирающих элементов с кольцевыми выступами, входящими постоянно в соответствующие кольцевые проточки распылителя;
- независимый подвод высокого давления к каждому независимому запирающему элементу снизу: игле и втулке;
- независимый перевод на упор при впрыске топлива каждого, как минимум, из двух запирающих элементов при независимом подводе давления сверху;
- полную независимость подачи топлива как по времени, так и по давлению через отверстия нескольких уровней, например двух, и гидравлическую изоляцию отверстий друг от друга.
Выполнение системы управления подачей топлива такой, что она снабжена дополнительно, как минимум, двумя независимыми блоками управления подачей топлива с разными программами управления, снабжен направляющими с возможностью перемещения по ним, каждый из которых состоит, как минимум, из одного профилированного кулачка на форсунку с программой, как минимум, одного цикла подачи топлива, взаимодействующего с копиром и плунжером, установленным на платформе, гидроцилиндром, установленным на основании с отверстием, а между платформой и основанием установлена пружина, система снабжена дополнительно аккумулятором низкого давления, гидравлически соединенного, как минимум, с двумя независимыми камерами управления форсунки, а также с входом топливного насоса высокого давления и блоком электронного управления позволяет обеспечить
- программное управление впрыском на основе, как минимум, двух независимых блоков управления топливом, реализация которых проще, надежней и дешевле;
- программное управление впрыском на основе, как минимум, двух независимых блоков управления топливом, как минимум, двух запирающих элементов и, как минимум, двух уровней отверстий для впрыска и одновременно независимое или зависимое во времени управление впрыском через каждый отдельный уровень отверстий;
- гидравлическое соединение, как минимум, двух подплунжерных полостей двух блоков управления топливом и, как минимум, двух независимых камер, как минимум, двух управляющих клапанов форсунки при отсечке и подаче топлива, и за счет этого увеличение скорости изменения давления управления управляющими клапанами и реализацию прямоугольного закона начала и окончания впрыска, одинаковое быстродействие двух независимых управляющих клапанов и двух независимых запирающих элементов форсунки - иглы и втулки - за цикл подачи;
- управление подачей топлива в цилиндры, при котором число независимых блоков управления подачей топлива равно числу независимых управляющих камер с независимыми управляющими клапанами, равно числу независимых промежуточных камер управления, равно числу независимых камер управления над независимыми управляющими элементами;
- управление подачей топлива в цилиндры дизеля, при котором число независимых блоков управления подачей топлива больше числа независимых управляющих камер с независимыми управляющими клапанами и при этом блоки управления подачей топлива соединяются для каждой камеры управления независимым клапаном в параллель и реализуют с помощью конкретного управляющего клапана несколько программ впрыска;
- создание при впрыске разрежения в каждом, как минимум, из двух независимых блоках управления подачей топлива путем взаимодействия в каждом блоке управления подачей топлива, как минимум, одного профилированного кулачка с копиром, закрепленным на платформе и плунжером, закрепленным на платформе и установленным в цилиндрическом корпусе и растяжении пружины, уравновешивающей действие профилированного кулачка, а затем разрежение и в независимой камере управления над независимым управляющим клапаном с целью его открывания, причем один профилированный кулачок может реализовать один или несколько впрысков;
- создание числа впрысков более одного (одна программа), что может быть реализовано двумя, тремя профилированными кулачками, расположенными на одном валу, сдвинутыми в пространстве друг относительно друга и взаимодействующими с одним общим для нескольких кулачков копиром из расчета, что отдельный кулачок реализует один впрыск - одну отсечку топлива или отсечку с рекуперацией энергии топлива;
- применение числа независимых блоков управления подачей топлива больше двух из расчета, что один профилированный кулачок, реализующий программу хотя бы одного впрыска, управляет одним блоком управления подачей топлива с отдельным копиром для него, например для устройства с двумя независимыми уровнями отверстий и двумя независимыми запирающими элементами может быть применено три, четыре, пять блоков управления и эти блоки соединяются с двумя независимыми камерами управления гидравлически и в параллель, а число блоков управления подачей топлива при этом пропорционально числу впрысков топлива для одного независимого клапана управления;
- создание при отсечке давления в каждом, как минимум, из двух независимых блоков управления подачей топлива путем взаимодействия в каждом блоке управления подачей топлива, как минимум, одного профилированного кулачка с копиром, закрепленным на платформе, и плунжером, закрепленным на платформе и установленным в корпусе гидроцилиндра, и при сжатии пружины, уравновешивающей действие профилированного кулачка;
- создание давления и в независимой камере управления над независимым управляющим клапаном для его закрытия, и подачу топлива под давлением в аккумулятор низкого давления, причем подачу топлива под давлением в аккумулятор низкого давления может реализовать один профилированный кулачок после одного или нескольких впрысков или несколько кулачков на одном валу, реализующих единую программу впрыска-отсечки топлива по программе «впрыск-отсечка-рекуперация» для каждого из нескольких кулачков;
- компактность форсунки за счет отсутствия в ней пружин для управления двумя запирающими элементами и двумя управляющими клапанами и управления подачей топлива за счет двух независимых гидравлических приставок, выполненных отдельно от форсунки;
- частичную рекуперацию энергии топлива, потраченной на управление при подаче топлива, путем возврата под давлением топлива из подплунжерной полости гидроцилиндра каждого, как минимум, из двух блоков управления подачей топлива в топливный насос высокого давления;
- создание высокого давления в каждой независимой камере управления управляющими клапанами и предотвращение образование газовых пузырьков в ней и, следовательно, надежное запирание форсунки при отсечке топлива за счет надежной установки независимых запирающих элементов на седло распылителя и надежная установка запирающих независимых элементов на упор при впрыске топлива.
- минимальный и максимальный временной интервал между впрысками и возможность формирования факела впрыска на протяжении цикла горения;
- ручное или автоматическое управление длительностью впрыска через различные уровни отверстий;
- расширение возможностей для текущего мониторинга процесса сгорания и управления составом отходящих газов за счет широтно-импульсной модуляции по времени (далее ШИМ) гидромеханических сигналов управления впрыском топлива при впрыске через отверстия различных уровней;
- требуемые пусковые и динамические характеристики дизеля за счет управления на основе ШИМ по времени впрыска;
- работу дизеля на холостом ходу при малых и средних нагрузках;
- минимальный расход топлива на холостом ходу и частичных режимах работы двигателя за счет ШИМ по времени впрыска в сочетании с амплитудно-импульсной модуляцией (далее АИМ) давления при управлении впрыском с помощью, как минимум, двух гидроаккумуляторов высокого давления;
- независимые, управляемые по давлению и времени впрыска программы впрыска позволяют при оптимальном сложении обеспечить текущий мониторинг сжигания газов и внести необходимые оперативные коррективы в процесс впрыска.
Выполнение системы управления такой, в которой запирающий элемент первого уровня отверстий выполнен в виде иглы с кольцевой проточкой, а запирающий элемент второго уровня отверстий выполнен в виде втулки, взаимодействующей с кольцевой проточкой корпуса форсунки позволяет обеспечить подвод топлива к двум и более запирающим элементам при впрыске и отсечке топлива.
Выполнение системы управления такой, в которой блоки управления подачей топлива соединены механически с независимыми ручными или автоматическими механизмами перемещения блоков управления подачей топлива позволяет обеспечить:
- ручное управление процессом впрыска;
- автоматическое управление длительностью процессов впрыска и возможность формирования программ управления подачей топлива при изменении внешних условий при мониторинге сжигания топлива.
Выполнение системы управления подачей топлива с профилированными кулачками с разными программами на распределительном валу с возможностью их аксиального перемещения позволяет обеспечить
- смену программ управления подачей топлива;
- расширение возможностей формирования программ управления подачей топлива при изменении внешних условий при мониторинге сжигания топлива.
Выполнение системы управления подачей топлива с кулачком такого профиля, который обеспечивает гомогенный впрыск, позволяет обеспечить
- хорошее смешивание топлива с воздухом в течение большего промежутка времени, если впрыск осуществлять у НМТ или в момент впуска воздуха;
- меньшие вредные выбросы на всем протяжении процесса горения;
- реализацию режимов малых нагрузок и низких оборотов дизеля.
Система управления подачи топлива позволяет повысить экономичность и надежность топливной аппаратуры, снизить его стоимость.
Поставленная цель достигается тем, в способе работы системы управления подачей топлива в двигателе внутреннего сгорания, включающем независимое открывание управляющих клапанов, подачу топлива в независимые управляющие камеры над запорными элементами и их соединение с внешним объемом, впрыск топлива под высоким давлением на каждый уровень отверстий, закрывание управляющих клапанов и осуществление отсечки подачи топлива, согласно изобретению, создают разрежение, как минимум, по одной заданной программе для каждой, как минимум, из двух независимых внешних полостей изменяемого конечного объема, как минимум, с одним шагом изменения объема с реализацией, как минимум, одного впрыска, открывают, как минимум, два независимых управляющих клапана, последовательно соединяют, как минимум, две независимые внешние полости изменяемого конечного объема, как минимум, две независимые камеры независимых управляющих клапанов, как минимум, две управляющие камеры, как минимум, над двумя запорными элементами, в которые подают топливо, как минимум, от одного гидроаккумулятора высокого давления, через, как минимум, две независимые промежуточные камеры, подают топливо, как минимум, под два запирающих элемента, как минимум, через два уровня отверстий распылителя одновременно или в разное время, создают давление, как минимум, в двух независимых полостях изменяемого конечного объема, подают топливо под давлением, как минимум, через две независимые камеры независимых управляемых клапанов во вторую, как минимум, одну, внешнюю полость конечного объема, закрывают, как минимум, два независимых управляющих клапана, одновременно или в разное время, подают давление, как минимум, к двум запирающим элементам сверху, производят отсечку топлива, изменяют одновременно или в разное время уровень конечного изменяемого объема, как минимум, в двух независимых полостях изменяемого объема вручную или автоматически.
При этом подают топливо у нижней мертвой точки цилиндра или в момент подачи воздуха в цилиндр.
Реализация способа позволяет организовать многоэтапный процесс впрыска топлива с максимальным приближением к циклу с подводом теплоты при постоянном давлении и максимальном индикаторном к.п.д. и минимальных вредных выбросах
- за счет нескольких последовательных впрысков с крутым фронтом начала и окончания впрыска за время подачи топлива, когда за короткое время при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки можно впрыснуть относительно большое количество топлива через большее количество отверстий при равномерном и более тонком распыливании топлива;
- за счет одинакового быстродействия клапанов управления и запирающего элемента и, как следствие, ускоренного выделения энергии сгорания для передачи на коленчатый вал и внезапного ее прекращения;
- за счет того, что выполняются требования равномерности распыливания топлива в камере сгорания путем распыливания мелких капель с высоким импульсом при большом давлении и через большое количество отверстий распылителя;
- за счет того, что выполняются требования переменной интенсивности распыливания топлива путем последовательной подачи топлива через отверстия для впрыска первого и второго (третьего) уровней;
- за счет того, что заданное давление впрыска при неподпружиненных форсунках и подаче топлива от аккумуляторов высокого давления остается практически постоянным, что позволяет повысить к.п.д. и уменьшить вредные выбросы за счет равномерности распыливания топлива, которое имеет место при постоянном давлении;
- за счет того, что 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.
Способ позволяет реализовать независимый впрыск, как минимум, через два уровня отверстий.
Способ позволяет осуществлять независимое управление длительностью впрыска за счет изменения внешнего объема блока управления подачей топлива в каждом, как минимум, из двух внешних блоков управления.
Способ позволяет осуществлять независимое управление давлением впрыска за счет управления давлением при подаче топлива через каждый отдельный уровень отверстий, число которых, как минимум, равно двум.
Способ позволяет осуществлять управление впрыска посредством изменения программ впрыска через каждый отдельный уровень отверстий.
Форсунки, как минимум, с двумя уровнями отверстий позволяют за короткое время впрыснуть большое количество топлива через большее суммарное количество отверстий при более его тонком распыливании, и расширяет возможности управления мощностью, в том числе управления мощностью по заданным законам, обусловленными технологическими требованиями.
Способ позволяет реализовать текущий мониторинг сжигания топлива за счет многообразия операций управления впрыском и реализацию оптимальных программ впрыска при изменении внешних условий.
Способ позволяет осуществлять гомогенный впрыск топлива во время, предшествующее впрыску основного объема топлива.
Предлагаемая система управления подачей топлива и способ ее работы иллюстрируются следующими чертежами, где
- фиг.1 - продольный разрез гидроуправляемой форсунки для подачи топлива с двумя уровнями отверстий для впрыска;
- фиг.2 - продольный разрез гидроуправляемой форсунки для подачи топлива с двумя уровнями отверстий для впрыска и с кольцевой проточкой в распылителе между двумя уровнями отверстий и кольцевым выступом на втулке, взаимодействующим с кольцевой проточкой распылителя (вариант);
- фиг.3 - вариант исполнения профилированного кулачка для первого независимого блока управления подачей топлива с возможностью реализации трех впрысков через отверстия первого уровня двух впрысков цикла: первого «пилотного», а также четвертого - «последующего» и пятого - «последнего» объединенных впрысков и впрыска для гомогенизации топлива у НМТ;
- фиг.4 - схематичное изображение первого независимого блока управления подачей топлива с возможностью его перемещения по направляющим с помощью привода;
- фиг.5, а - вариант исполнения профилированного кулачка для второго независимого блока управления подачей топлива с возможностью реализации второго - «предварительного» впрыска и третьего - «основного» впрыска в виде двух объединенных впрысков;
- фиг.5, б - вариант исполнения профилированного кулачка для второго независимого блока управления подачей топлива с возможностью реализации второго - «предварительного» впрыска и третьего - «основного» впрыска и четвертого «последующего» в виде трех условно объединенных впрысков;
- фиг.6 - схема выполнения двух кулачков на распределительном валу с различными программами впрыска с возможностью аксиального перемещения вала для смены кулачков, взаимодействующих с копиром;
- фиг.7 - схематичное изображение второго независимого блока управления подачей топлива с возможностью его перемещения по направляющим с помощью привода;
- фиг.8 - блок-схема устройства для реализации системы управления подачей топлива;
- на фиг.9, а показаны временные диаграммы независимого объемного расхода топлива без временного перекрытия подачи через иглу и втулку в рабочем режиме;
- на фиг.9, б показаны временные диаграммы независимого объемного расхода топлива без временного перекрытия подачи топлива через иглу и втулку регулированием изменения положения независимых блоков управления подачей топлива - с помощью широтно-импульсной модуляции по времени (далее ШИМ) подачи топлива;
- на фиг.9, в показаны временные диаграммы независимого объемного расхода топлива без временного перекрытия подачи топлива через иглу и втулку регулированием давления аккумулятора высокого давления, подающего топливо только под втулку, амплитудно-импульсной модуляции давления при управлении впрыском (далее АИМ);
- на фиг.9, г показаны временные диаграммы независимого объемного расхода топлива без временного перекрытия подачи топлива через иглу и втулку регулированием давления аккумулятора высокого давления, подающего топливо только под иглу (АИМ);
- на фиг.9, д показаны временные диаграммы независимого объемного расхода топлива без временного перекрытия подачи топлива через иглу и втулку регулированием давления аккумуляторов высокого давления, подающих топливо под иглу и втулку одновременно (АИМ);
- на фиг.9, е показаны временные диаграммы независимого объемного расхода топлива без временного перекрытия подачи топлива через иглу и втулку регулированием давления двух аккумуляторов высокого давления, подающих топливо под иглу и втулку (АИМ), и регулированием путем перемещения двух независимых блоков управления подачей топлива (ШИМ);
- на фиг.10 показана временная диаграмма подачи топлива с временным перекрытием впрысков через отверстия первого и второго уровней при гидравлически изолированных друг от друга отверстиях для впрыска различного уровня.
На фиг.1 показана форсунка 1 с двумя независимыми запирающими элементами - иглой 2, втулкой 3, отверстиями первого уровня 4 и отверстиями второго уровня 5, распылителем 6, с первыми двумя независимыми камерами управления 7 и 8, двумя независимыми управляющими клапанами 9 и 10 в камерах управления 7 и 8 с направляющими (на фиг.1 не показаны), перекрывающими соответственно первый и второй независимые каналы 11 и 12, вторыми двумя независимыми промежуточными камерами управления 13 и 14, соединенными с первыми двумя независимыми камерами управления 7 и 8 гидравлически независимыми каналами 11 и 12.
Первые две независимые камеры управления 7 и 8 соединены соответственно на выходе каналами 15 и 16 с двумя независимыми блоками управления топливоподачей (далее БУТ 32 и БУТ 46, которые на фиг.1 не показаны) и двумя независимыми каналами, соответственно, 17 и 18 для отвода топлива с гидроаккумулятором низкого давления форсунки (далее ГАФ61, который на фиг.1 не показан).
Независимая камера управления 19 иглой 2 и независимая камера 2 управления 20 втулкой 3 соединены с промежуточными независимыми камерами управления соответственно 13 и 14.
Канал 21 служит для подвода топлива высокого давления ко втулке 3 от аккумулятора высокого давления (далее ГА64, который на фиг.1 не показан).
Канала 22 служит для подвода топлива высокого давления к игле 2 и через дроссель к промежуточной независимой камере управления 13 от аккумулятора высокого давления (далее ГА67, который на фиг.1 не показан).
Канал 23 с дросселем (дроссель на фиг.1 не показан) служит для подвода топлива высокого давления к промежуточной независимой камере управления 14 от аккумулятора высокого давления (ГА 64 на фиг.1 не показан), связанной гидравлически с камерой 20 управления втулкой 3.
Канал 22 соединен каналом для подвода топлива высокого давления 24 от аккумулятора высокого давления (ГА67 на фиг.1 не показан) под иглу 2.
Полукольцевая полость в игле 2 (на фиг.1 не показана) форсунки 1 соединена с каналом 22 для подвода топлива высокого давления от (ГА 67 на фиг.1 не показан) с одной стороны, а осевым каналом 25 и радиальным каналом 26 в игле 2 с кольцевой проточкой 27 в игле 2 с другой, для подвода топлива под иглу 2 к отверстиям первого уровня 4.
Канал для подвода высокого давления 21 под втулку 3 к отверстиям второго уровня 5 от аккумулятора высокого давления (ГА64 на фиг.1 не показан) соединен с кольцевой проточкой 28 в корпусе 1 между корпусом и внешней стороной втулки 3.
На фиг.2 показан вариант исполнения форсунки 1 с радиальным выступом 29, который является продолжением втулки 3 и входит в кольцевую проточку 30 в распылителе 6 между отверстиями первого уровня 4 и отверстиями второго уровня 5 и разделяет их при впрыске.
1
0
1
1
5
1
Г
1
На фиг.3 показан профилированный кулачок 31, содержащий уровень изменения высоты Δh, при повороте от R до радиуса R причем при повороте на углы γ-γ в пределах цикла впрыска кулачок 31 поднимается на высоту Δh; в пределах угла подачи топлива для его гомогенизации γ изменение высоты профиля кулачка также составляет Δh.
Г
1
0
1
1
0
При повороте на угол γ вблизи НМТ (гомогенный впрыск) кулачок 31 изменяет высоту на Δh, от R до радиуса R, при впрыске топлива и от радиуса R до R при рекуперации энергии топлива, потраченного на управление.
1
2
3
4
5
Суммарный угол поворота кулачка α=γ+γ+γ+γ+γ при впрыске, состоящий из нескольких этапов, без учета гомогенного впрыска, который производится отдельно от общего.
1
4
5
При повороте кулачка 31 на углы γ и γ+γ происходит впрыск топлива через отверстия первого уровня 4, перекрываемые иглой 2; при повороте кулачка 31 на угол
2
γ и угол β>α происходит отсечка топлива и рекуперация энергии топлива, потраченного на управление подачей топлива.
На фиг.4 показан первый независимый блок управления подачей топлива 32 (далее БУТ 32), с платформой 33, соединенной с копиром 34 и плунжером 35 в гидроцилиндре 36, установленном на основании 37, с отверстием 38, пружиной 39 между основанием 37 и платформой 33, трубопроводом 40 для соединения с форсункой 1 и каналом 15 в ее корпусе (фиг.1).
Основание 37 и платформа 33 установлены в направляющих 41 и 42 соответственно, зафиксированных на корпусе дизеля (на фиг.3 не показано).
Основание 37 соединено механической связью 43 с блоком 44 для вертикального перемещения блока БУТ 32 относительно кулачка 31 в ручном или автоматическом режимах.
2
0
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
На фиг.5, а показан профилированный кулачок 45, входящий в независимый БУТ 46 (на фиг.5,а не показан), содержащий уровни изменения высоты профиля - Δh при повороте от R до радиуса R при повороте кулачка 45 на углы γ+γ при впрыске топлива и углы γ+γ при его отсечке и при рекуперации энергии управления в пределах α=γ+γ+γ+γ+γ - суммарного угла подачи топлива при впрыске.
2
0
1
2
3
На фиг.5, б показан профилированный кулачок 45, входящий в независимый БУТ 46 (на фиг.5, 6 не показан), содержащий уровни изменения высоты профиля - Δh, при повороте кулачка 45 от R до радиуса R при повороте кулачка 45 на углы γ+γ
3
5
1
2
3
4
5
+γ при впрыске топлива и углы γ (и β>α) при его отсечке и при рекуперации энергии управления в пределах α=γ+γ+γ+γ+γ - суммарного угла подачи топлива при впрыске.
На фиг.6 показан распределительный вал (на фиг.6 позиция не показана) с двумя кулачками 45 с разными программами (фиг.5,а и фиг.5,б) разных по длительности впрысков топлива через отверстия второго уровня 5 (фиг.1, фиг.2), который может перемещаться в аксиальном направлении (механизм перемещения не показан на фиг.6).
На фиг.7 показан второй независимый блок управления топливом 46 (в дальнейшем БУТ 46) с платформой 47, копиром 48 и плунжером 49, соединенными с ней, корпусом гидроцилиндра 50 плунжера 49, установленным на основании 51 с отверстием 52 в основании 51, пружиной 53 между платформой 47 и основанием 51, трубопроводом 54 для соединения форсунки 1 с каналом 16.
Основание 51 и платформа 47 установлены в направляющих 55 и 56, зафиксированных на корпусе дизеля (на фиг.7 не показано), основание 51 соединено механической связью 57 с блоком 58 для вертикального перемещения БУТ 46 относительно кулачка 45.
На фиг.8 показана блок-схема работы устройства для реализации способа, содержащая БУТ 32 и БУТ 46, соединенные соответственно трубопроводами 40 (фиг.4) и 54 (фиг.7) с форсункой 1 и ее каналами 15 и 16 (фиг.1) для отвода топлива в независимые блоки управления подачей топлива БУТ 32 и БУТ 46, причем во время подачи топлива в гидроцилиндры 36 (фиг.4) и 50 (фиг.7) и во время отсечки подачи топлива.
Каналы для отвода топлива 17 и 18 (фиг.1) в аккумулятор низкого давления ГАФ 61 (фиг.8) форсунки 1 соединены соответственно трубопроводами 59 и 60 с обратными клапанами и дросселями (на фиг.8 обратные клапаны и дроссели не показаны) с гидроаккумулятором низкого давления форсунки 61 (далее ГАФ 61) с датчиком давления 62 и клапаном регулирования давления 63 (далее КРД 63, фиг.8).
Форсунка 1 соединена трубопроводом с независимым гидроаккумулятором высокого давления 64 системы подачи топлива к втулке 5 (далее ГА 64) с датчиком давления 65 (фиг.8) и клапаном регулирования давления 66 (далее КРД 66).
Форсунка 1 соединена трубопроводом (на фиг.8 не показан) с независимым гидроаккумулятором высокого давления 67 системы подачи топлива к игле (далее ГА 67) с датчиком давления 68 и клапаном регулирования давления 69 (далее КРД 69).
Блок электронного управления 70 (далее БЭУ 70) соединен электрически с датчиками давления 62, 65, 68, КРД 63 и КРД 66, КРД 69 соответственно.
ГА 64 и ГА 67 соединены с топливным баком 71 через КРД 66 и КРД 69, через фильтр топлива 72 и топливоподкачивающий насос 73 с топливным насосом высокого давления (далее ТНВД) 74, который соединен со входами ГА 64 и ГА 67.
ГАФ 61 соединен через КРД 63 с ТНВД 74 на входе для частичной рекуперации энергии управления подачей топлива.
На фиг.9, а показан номинальный режим работы системы управления подачей топлива, когда независимые БУТ 32 и БУТ 46 находятся в крайнем нижнем положении и нет временного пересечения впрысков через нижний уровень отверстий 4 и верхний уровень отверстий 5.
На фиг.9, б показан режим работы системы управления, когда БУТ 32 и БУТ 46 находятся в промежуточном положении, а давление, развиваемое ГА 67 и ГА 64 максимально и нет временного пересечения впрысков через отверстия первого уровня 4 и отверстия второго уровня 5.
На фиг.9, в показан режим работы системы, когда ГА 67, подающий топливо к игле 2, отключен и нет временного пересечения впрысков через отверстия первого уровня 4 и отверстия второго уровня 5, а топливо подается через отверстия второго уровня 5 и от ГА 64.
На фиг.9, г показан режим работы системы управления, когда один ГА 64, подающий топливо к втулке 3, отключен и нет временного пересечения впрысков через отверстия первого уровня 4 и отверстия второго уровня 5, а топливо подается через отверстия первого уровня 4 и от ГА 67.
На фиг.9, д показан режим системы управления, когда ГА 67 и ГА 64, подающие топливо, соответственно, к игле 2 и втулке 3, подключены и задан определенный уровень давления в каждом из них посредством, соответственно КРД 69 и КРД 66 (действует АИМ управления давлением впрыска), а оба независимые БУТ 32 (фиг.4) и БУТ 46 (фиг.7) находятся в крайнем нижнем положении (ШИМ по времени впрыска не работает) и нет временного пересечения впрысков через отверстия первого уровня 4 и отверстия второго уровня 5.
На фиг.9, е показан режим работы системы управления подачей топлива, когда ГА 67 и ГА 64, подающие топливо соответственно к игле 2 и втулке 3, подключены и задан определенный уровень давления в каждом из них (действует АИМ давления при управлении), а БУТ 32 и БУТ 46 находятся в промежуточном положении (действует ШИМ по времени при управлении впрыском), а впрыски через отверстия первого уровня 4 и отверстия второго уровня 5 не имеют пересечения во времени.
На фиг.10 показан номинальный режим работы системы управления подачей топлива, когда ГА 67 и ГА 64, подающие топливо, соответственно, к игле 2 и втулке 3, подключены и задан номинальный уровень давления в каждом из них (действует АИМ давления при управлении впрыском за счет управления КРД 69 и КРД 66, фиг.8), а БУТ 32 и БУТ 46 (фиг.4 и фиг.7) находятся в крайнем нижнем положении (не действует ШИМ по времени управления впрыском топлива), а впрыски через отверстия первого уровня 4 и отверстия второго уровня 5 пересекаются во времени.
Рассмотрим работу системы управления с минимальным количеством уровней отверстий для впрыска, равного двум.
Работа системы управления подачей топлива при условии, что впрыски через отверстия первого уровня 4 и отверстия второго уровня 5 не имеют пересечения во времени.
1
2
3
4
5
Рассмотрим работу системы управления подачей топлива при условном разделении угловой зоны впрыска на пять частей α=γ+γ+γ+γ+γ и работе БУТ 32 и БУТ 46 без перекрытия во времени импульсов впрыска при подаче топлива. Число БУТ минимально и равно двум, число профилированных кулачков также равно двум.
Это означает, что при работе ГА 67 и работе БУТ 32, управляющего иглой 2, не работают ГА 64 и БУТ 46, управляющий втулкой 3.
При работе ГА 64 и работе БУТ 46, управляющего втулкой 3, не работают ГА 67 и БУТ 32, управляющий иглой 2.
Аккумуляторы высокого давления при числе их больше одного могут работать только независимо, если они настроены на разные уровни давления. Если аккумуляторы высокого давления топлива настроены на один уровень давления, то нет необходимости применять более одного аккумулятора.
1
2
3
4
5
Углы γ+γ+γ+γ+γ не равны друг другу. Величина каждого угла обеспечивает свою длительность впрыска. При фиксированном давлении аккумуляторов для подачи топлива происходит точный дозированный впрыск фиксированного объема топлива.
Изменение длительности впрыска путем изменения угла впрыска (ШИМ по времени управления впрыском: блок 44 - фиг.4 и блок 58 - фиг.8) и величин давления от ГА 67 и ГА 64 (фиг.8) посредством КРД 69 и КРД 66 соответственно, позволяет точно дозировать объем впрыскиваемого топлива с целью регулирования состава отходящих газов при мониторинге процесса сжигания топлива в зависимости от внешних условий.
1
2
3
4
5
При наличии пяти блоков управления (случай не рассматривается) каждый из углов γ, γ, γ, γ, γ впрыска отрабатывается бы своим кулачком.
Не рассматриваются в силу их аналогичности случаи подачи топлива с тремя и более уровнями отверстий для впрыска.
Г
1
4
5
4
5
При повороте кулачка 31 на углы γ, γ, γ+γ происходит впрыск топлива в камеру сгорания. При повороте кулачка 31 на угол ух реализуется «пилотный» впрыск при независимом управлении иглой, при подаче давления через отверстия первого уровня 4, при повороте кулачка 31 γ+γ реализуются «последующий» и «последний» этапы впрыска, которые отличаются длительностью и в данном условно случае объединены.
Г
При повороте кулачка 31 на угол γ реализуется впрыск у НМТ для слабой гомогенизации топливной смеси перед ее сжиганием.
Г
Гр
После окончания впрыска с углом γ у НМТ происходит рекуперация энергии топлива в ТНВД 74 за время поворота кулачка 31 на угол γ и отсечка подачи топлива. Гомогенизация топлива необходима для дизелей больших размеров, с большим ходом поршней для улучшения полноты сгорания топлива и улучшения экологических показателей дизелей, а также при низких оборотах дизеля, при слабых и средних нагрузках.
1
2
После окончания «пилотного» впрыска (угол γ) вблизи высшей мертвой точки (далее ВМТ) после поворота кулачка 31 на угол γ происходит отсечка и частичная рекуперация энергии топлива в ТНВД 74.
4
5
После окончания впрыска γ+γ при движении поршня к НМТ происходит отсечка (угол β>α) топлива и частичная рекуперация энергии топлива, потраченной на управление в ТНВД 74.
2
3
При повороте кулачка 45 на углы γ+γ происходит впрыск топлива в камеру сгорания через отверстия второго уровня 5.
Объединенный условно «предварительный» и «основной» впрыски, которые могут быть реализованы раздельно различными кулачками при независимом управлении независимыми внешними блоками управления (на фиг.4 не показаны).
Гр
2
4
5
При повороте кулачка 31 (фиг.3, фиг.4) на углы γ, γ β>α происходит рекуперация энергии топлива в ТНВД 74 при повороте кулачка 31 на угол γ+γ.
При этом независимое управление впрыском через отверстия двух (или трех, четырех уровней) позволяет реализовать экстремальную повторяемость впрысков. «Пилотный» впрыск при этом максимально приближается к основному, а на деле основной практически сразу следует за «пилотным». Имеет место экстремальная повторяемость впрысков, необходимая для лучшего сжигания топлива.
Впрыск через отверстия первого уровня 2 происходит следующим образом.
Копир 34, жестко соединенный с платформой 33 при взаимодействии с кулачком 31 (фиг.4) поднимает платформу 33 БУТ 32 с определенной скоростью и ускорением, обусловленными профилем кулачка 31.
Поднимается плунжер 35, жестко соединенный с платформой 33, в цилиндре 36, растягивается пружина 39, закрепленная между основанием 37 и платформой 33.
Пружина 39 при растяжении запасает потенциальную энергию, которая при рекуперации частично возвращается в дизель через энергию возвращаемого в ТНВД 74 (фиг.8) топлива.
В подплунжерной полости гидроцилиндра 36 (фиг.4) создается разрежение. Независимый управляющий клапан 9 открывается от сил, создаваемых разрежением под плунжером 35.
Поскольку в подплунжерной полости гидроцилиндра 36 (фиг.4) создается разрежение, то разрежение создается в канале 15, независимой камере управления 7 независимого управляемого клапана 9, в канале 11, в независимой промежуточной управляющей камере 13, в управляющей полости 19 над иглой 2 при открытом независимом управляющем клапане 9.
Одновременно на независимый управляющий клапан 9 снизу действует сила давления топлива, поступаемого из промежуточной камеры управления 13 по каналу 11 (фиг.1).
К промежуточной управляющей камере 13 топливо поступает по каналу высокого давления 22 с дросселем (дроссель на фиг.1 не показан), по каналу 24 от ГА 67 (фиг.8).
Результирующая сила, направленная вверх, переводит мгновенно независимый управляющий клапан 9 в крайнее верхнее положение.
В подплунжерную полость гидроцилиндра 36 по каналу 15 и трубопроводу 40 поступает топливо по цепочке: канал 15 - независимая управляющая камера 7 - канал 11 - независимая промежуточная управляющая камера 13 - канал для подвода высокого давления 22 с дросселем - канал 24 - ГА 67.
Давление в независимой камере управления 19 над иглой 2 резко падает при создании разрежения в гидроцилиндре 36 (фиг.4).
Топливо подается под давлением от аккумулятора ГА 67 под иглу 2 по каналу 24, по каналу 22, через полукольцевую полость в игле (полукольцевая полость на фиг.1 не показана), по осевому каналу 25 и радиальному каналу 26 к кольцевой проточке 27 в игле 2 и к отверстиям первого уровня 4 под иглой 2.
Вследствие разности давлений над и под иглой 2 игла 2(фиг.1) перемещается вверх и надежно становится на упор при отсутствии пружин, подпружинивающих иглу 2.
Происходит впрыск топлива через отверстия 4 первого уровня.
Когда копир 34 (фиг.4) достигает верхней точки механической программы профилированного кулачка 31 при повороте последнего, то плунжер 35 на мгновение останавливается и далее при повороте профилированного кулачка 31 начинает движение вниз под действием результирующей силы сжимающейся пружины 39. Результирующая сила меняет знак и направление.
В момент остановки плунжера 35 происходит резкое торможение топлива, поступаемого под плунжер 35 гидроцилиндра 36, резкое нарастание давления в подплунжерной полости гидроцилиндра 36, которое приводит к мгновенному закрытию независимого управляющего клапана 9 и перекрытию клапаном 9 отверстия в канале 11.
Топливо из-под плунжерной полости гидроцилиндра 36 (фиг.4) для БУТ 32 поступает под давлением, обусловленным силой сжимающейся пружины 39, через отверстие 38 основания 37 по трубопроводу 40 и каналу 15 в независимую камеру управления 7 независимого управляющего клапана 9.
Затем по каналу 17 и по трубопроводу 59 с обратным клапаном и дросселем (на фиг.8 не показаны) топливо под давлением, которое создает сжимающаяся пружина 39 (фиг.4) поступает в ГАФ 61 с датчиком давления 62 и КРД 63.
КРД 63 (фиг.8) устанавливает величину давления на уровне, который препятствует случайному открытию независимого клапана 9.
Из ГАФ 61 (фиг.8) топливо под давлением поступает в ТНВД 74 (фиг.8) и через него в оба независимых аккумулятора ГА 67 и ГА 64. При установленном уровне давлении в ГА 64 и ГА 67 посредством КРД 66 и КРД 69 соответственно избыточное топливо поступает в топливный бак 71 через фильтр 72 и топливоподкачивающий насос 73 в ТНВД 74.
ГР
2
Г
4
4
5
Происходит частичная рекуперация энергии топлива при повороте профилированного кулачка 31(фиг.3, фиг.4) на углы γ, γ, β>α, задействованного в управлении подачей топлива на этапах γ (впрыск для гомогенизации топливной смеси), «пилотного» впрыска γ, четвертого - «последующего» (γ) и пятого «последнего» (γ) впрысков.
Величина давления, под которым топливо поступает в ГАФ 61, задается настройкой клапана 63 ГАФ 61 и согласуется с силой затяжки пружины 39 для БУТ 32.
Сила затяжки пружины 39 выбирается таковой, чтобы отсутствовали прорывы топлива по каналу 11 при отсечке и рекуперации энергии топлива.
При закрытом независимом управляющем клапане 9 давление топлива в камере управления 19 над иглой 2 и под иглой 2 становятся равными друг другу и давлению ГА 67.
В силу разностей площадей над иглой 2 и дифференциальной площадки под иглой 2 результирующая сила, действующая вниз, надежно и практически мгновенно переводит иглу 2 в крайнее нижнее положение, устанавливая ее на седло распылителя 6.
Отверстия первого уровня 4 распылителя 6 перекрываются иглой 2. Происходит отсечка топлива.
Г
1
Таким образом, через отверстия первого уровня 4 распылителя 6 реализуются впрыск для гомогенизации топлива у НМТ (угол γ), первый - «пилотный» впрыск топлива (угол γ), четвертый («последующий») и пятый («последний») объединенные
4
5
(γ+γ) впрыски топлива.
1
2
«Пилотный» впрыск заканчивается при повороте кулачка 45 на угол γ. При повороте кулачка 31 на угол γ происходит рекуперации энергии топлива при управлении БУТ 32.
Аналогично происходит отсечка и для других этапов впрыска.
Гомогенный впрыск необходим для реализации режимов низкой и средней нагрузки, при низких оборотах, когда смешивание топлива и воздуха происходит менее интенсивно. Топливо подается в камеру сгорания (на фиг.1 не показана) до фактической инициации процесса горения, например у НМТ или при впуске воздуха в цилиндр. При движении поршня к ВМТ при сжатии или при движении поршня к НМТ при впуске воздуха и при гомогенном впрыске происходит хорошее перемешивание топлива с воздухом, что при сгорании обеспечивает полное сгорание топлива и минимальный выброс твердых частиц и окислов азота.
2
3
4
5
При повороте профилированного кулачка 45(фиг.5,а) на углы γ+γ происходит второй и третий этапы впрыска топлива: «предварительный» и «основной», которые объединены в устройстве, а затем последующая отсечка и частичная рекуперация энергии топлива в пределах поворота профилированного кулачка на углы γ+γ.
2
3
При γ<γ во время «предварительного» впрыска будет впрыснуто меньше количества топлива, чем при «основном» впрыске.
«Предварительный» и «основной» впрыски могут быть реализованы отдельными кулачками при управлении отдельными независимыми блоками управления подачи топлива. Этот случай не показан.
При этом происходит следующее.
Кулачок 45 (фиг.5, а) при взаимодействии с копиром 48 (фиг.7) поднимает платформу 47 БУТ 46 со скоростью и ускорением, обусловленными профилем кулачка 45.
Поднимается плунжер 49, в гидроцилиндре 50, растягивается пружина 53 и запасает потенциальную энергию.
В подплунжерной полости гидроцилиндра 50 создается разрежение. Независимый управляющий клапан 10 открывается от сил, создаваемых разрежением в гидроцилиндре 50.
Поскольку в подплунжерной полости гидроцилиндра 50 создается разрежение, то разрежение создается в независимой полости 8 независимого управляемого клапана 10, в канале 12, в независимой промежуточной камере управления 14, в независимой управляющей полости 20 над втулкой 3 при открытом независимом управляющем клапане 10.
На независимый управляющий клапан 10 снизу действует сила давления топлива, поступаемого из промежуточной камеры управления 14 по каналу 12 (фиг.1).
К независимой промежуточной управляющей камере 14 топливо поступает по каналу высокого давления 23 с дросселем (дроссель на фиг.1 не показан) по трубопроводу от независимого ГА 64 (фиг.8).
Результирующая сила, направленная вверх, переводит мгновенно независимый управляющий клапан 10 (фиг.1) в крайнее верхнее положение.
В подплунжерную полость гидроцилиндра 50 по каналу 16 и трубопроводу 54 поступает топливо, которое тормозится в подплунжерной камере гидроцилиндра 50 до определенной величины, большей атмосферного давления.
Эта величина обусловлена скоростью перемещения плунжера (фиг.7) 47, объемом подплунжерной полости гидроцилиндра 50, величиной отверстия, перекрываемого клапаном 10.
Величина этого давления достаточна для того, чтобы при управлении из топлива не выделялись пузырьки топлива и надежно происходила установка втулки 3 на седло распылителя 6 при отсечке топлива, впрыскиваемого через отверстия второго уровня 5.
Величина этого давления достаточна для предотвращения прорыва топлива через отверстие, перекрываемое клапаном 10 (фиг.1) при отсечке, и регламентируется настройкой КРД 63 (фиг.8) ГАФ 61.
Давление в камере управления 20 над втулкой 3 падает.
Между тем, от канала 21 по кольцевой проточке 28 в корпусе форсунки подается топливо под давлением от независимого аккумулятора ГА 64 под втулку 3 к отверстиям второго уровня 5.
Вследствие разности давлений над и под втулкой 3 втулка 3 перемещается вверх и надежно становится на упор при отсутствии связанных с ней подпружиненных элементов. Происходит впрыск топлива через отверстия второго уровня 5.
2
3
Когда копир 48 (фиг.7) достигает верхней точки механической программы профилированного кулачка 45 при повороте последнего на углы γ+γ, то плунжер 49 на мгновение останавливается и начинает движение вниз под действием сжимающейся пружины 53, в которой запасена при растяжении значительная потенциальная энергия.
В момент остановки плунжера 49 (фиг.7) происходит резкое торможение жидкости, поступаемой под плунжер 49 в гидроцилиндр 50.
Происходит резкое нарастание давления в подплунжерной полости гидроцилиндра 50 (фиг.7), которое приводит к мгновенному закрытию независимого управляющего клапана 10 (фиг.1).
Жидкость из подплунжерной полости гидроцилиндра 50 БУТ 46 поступает под давлением, обусловленным силой сжимающейся пружины 51 БУТ 46, через отверстие 52 в основании 51 и по трубопроводу 54, каналу 15 в независимую камеру управления 8 независимого управляющего клапана 10 (фиг.1).
Затем по каналу 18 и по трубопроводу 60 (фиг.8) со вторым обратным клапаном и вторым дросселем (обратный клапан и дроссель на фиг.8 не показаны) поступает в ГАФ 61 с датчиком давления 62 и КРД 63.
Дроссель служит для сглаживания пульсаций давления в независимой камере управления 8 (фиг.1).
Из ГАФ 61 (фиг.8) топливо под давлением поступает в ТНВД 74 и через него в ГА 67 и ГА 64. Происходит частичная рекуперация энергии топлива, задействованного в управлении подачей топлива на этапах «предварительного» и «основного» впрыска.
При закрытом независимом клапане 10 (фиг.1) в независимой камере управления 8 давления над втулкой 3 и под втулкой 3 становятся равными друг другу и давлению ГА 64.
В силу разностей площадей над втулкой 3 дифференциальной площадки под втулкой 3 результирующая сила действует вниз, надежно и практически мгновенно переводит втулку 3 в крайнее нижнее положение, устанавливая ее на седло распылителя 6 (фиг.1).
Надежность постановки втулки 3 на седло обусловлено отсутствием пружин, связанных с втулкой 3.
Отверстия второго уровня 5 распылителя 6 перекрываются втулкой 3. Происходит отсечка топлива.
2
3
Так реализуются второй и третий этапы - «предварительный» и «основной» впрыски топлива, различающиеся по длительности (γ<γ), которые реализуются через отверстия второго уровня 5 (фиг.1).
Возможно в рабочем номинальном режиме индивидуальное регулирование впрыска только по длительности совместного («предварительный» впрыск + «основной» впрыск) впрыска выбором соответствующего профиля кулачка 45 и по величине давления, ибо давление впрыска устанавливается независимым ГА 64 посредством датчика давления 65 и КРД 66 (фиг.8).
Широтно-импульсное временное управление впрыском осуществляется путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ по времени управления впрыском) временных импульсов управления подачей топлива одновременно или раздельно для каждого из уровней отверстий (двух, трех и более).
При управлении на основе ШИМ по времени впрыском топлива через отверстия первого уровня 4 временные импульсы формируются временем взаимодействия профилей кулачков 31 с копиром 34 (фиг.4) и кулачков 45 с копиром 48 (фиг.7).
При нахождении блоков БУТ 32 (фиг.4) и БУТ 46 (фиг.7) в крайнем нижнем положении и длительность импульсов управления впрыском максимальна (фиг.9, а - номинальный режим).
При перемещении БУТ 32 по направляющим 41 и 42 копир 34 вместе с БУТ 32 перемещается вверх относительно кулачка 31 вверх через жесткую тягу 43 (фиг.4) посредством автоматического блока 44 или вручную.
Уменьшается при этом время взаимодействия копира 34 с профилем кулачка 31, уменьшается длительность импульсов управления впрыском (фиг.9, б).
Совершенно аналогично происходит управление длительностью импульсов при управлении подачей топлива через второй уровень отверстий 5.
При перемещении БУТ 46 по направляющим 55, 56 (фиг.7) копир 48 вместе с БУТ 46 поднимается вверх относительно кулачка 45, так как жесткая тяга 57, соединенная с основанием 51, перемещается блоком 58 для ручного или автоматического перемещения БУТ46.
Уменьшается при этом время взаимодействия копира 48 БУТ 46 с профилем кулачка 45, уменьшается длительность импульсов управления впрыском (фиг.9, б).
Управление впрыском реализуется посредством ГА 64 и ГА 67, управляющие, соответственно, втулкой 3 и иглой 2 и впрыском топлива через отверстия второго 5 и первого уровней 4 соответственно.
Рассмотрим крайние случаи.
2
3
На фиг.9, в показан случай, когда отключен ГА 67, связанный с управлением иглой 2 и реализацией впрыска через отверстия первого уровня 4. Топливо подается от ГА 64 только в период поворота профилированного кулачка 45 на углы γ+γ через отверстия второго уровня 5. При этом ШИМ по времени не работает и длительность импульсов впрыска топлива через отверстия второго уровня 5 максимальная.
Г
1
4
5
На фиг.9, г показан случай, когда отключен ГА 64, связанный с управлением втулкой 3 и реализацией впрыска через отверстия 5 второго уровня. Топливо подается от ГА 67 только в период поворота профилированного кулачка 31 на углы γ, γ, γ+γ через отверстия 4 первого уровня. При этом ШИМ по времени не работает и длительность импульсов впрыска топлива через отверстия 4 первого уровня максимальная.
Г
1
4
5
2
3
На фиг.9, д представлен случай, когда работают одновременно ГА 64, связанный с управлением втулкой 3 и реализацией впрыска через отверстия 5 второго уровня, и ГА 67, связанный с управлением иглой 2 и реализацией впрыска через отверстия первого уровня 4. Топливо подается в период поворота профилированного кулачка 31 на углы γ, γ, γ+γ через отверстия первого уровня 4 и топливо подается в период поворота профилированного кулачка 45 на углы γ+γ через отверстия второго уровня 5. В ГА64 и ГА67 заданы определенные уровни давления.
Г
Топливо подается во время всего цикла подачи топлива, определяемого углом поворота распределительного вала α в несколько этапов, в том числе при повороте профилированного кулачка 31 на угол γ в случае предварительного впрыска топлива вблизи НМТ с целью предварительной частичной гомогенизации топлива перед сжиганием топлива.
При этом ШИМ по времени при управлении впрыском не работает и длительность импульсов впрыска топлива через отверстия первого уровня 4 и отверстия второго уровня 5 максимальная.
На фиг 9, е представлен случай, когда работают одновременно ГА 64, связанный с управлением втулкой 3 и реализацией впрыска через отверстия второго уровня 5 и ГА 67, связанный с управлением иглой 2 и реализацией впрыска через отверстия первого уровня 4, которые регулируют давление впрыска.
Но при этом для двух уровней отверстий 4 и 5 (фиг.1) работает ШИМ по времени, когда длительность импульсов впрыска топлива регулируется перемещением, соответственно БУТ 32 и БУТ 46 вверх относительно крайнего нижнего положения (фиг.4, фиг.7) блоками управления, соответственно 44 и 58.
Г
1
Топливо подается в период поворота профилированного кулачка 31 на углы γ, γ,
4
5
2
3
γ+γ через отверстия первого уровня 4 и топливо подается в период поворота профилированного кулачка 45 на углы γ+γ через отверстия второго уровня 5.
Работа системы управления подачей топлива при условии, что впрыски через отверстия первого уровня 4 и отверстия второго уровня 5 имеют пересечения во времени.
Работа происходит аналогично описанному выше.
Отличие в следующем. Кольцевой выступ 29 (фиг.2) на втулке 3 постоянно входит в кольцевую проточку 30 распылителя 6.
При этом управление впрыском через отверстия первого уровня 4 и отверстия второго уровня 5 происходят совершенно независимо. Поэтому возможна совместная работа отверстий 4 и 5 и совместная реализация, впрысков самых различных по длительности сочетаниях.
2
3
4
4
5
4
Если кулачок 45 с профилем (фиг.5, б и фиг.7) будет взаимодействовать с БУТ 46 (фиг.7), то имеет место картина впрыска (фиг.10) в номинальном режиме. Кулачок 45 реализует три этапа впрыска при повороте на угол (γ+γ+γ). Кулачок 31 работает на впрыск в пределах поворота кулачка 31 на угол (γ+γ). Поэтому впрыски в пределах угловой зоны γ складываются (фиг.10).
2
3
2
3
4
Технически это осуществляется путем аксиального механического перемещения распределительного вала (фиг.6) с различными профилями кулачков 45 (фиг 5, б - угловая зона впрыска «γ+γ» и фиг.5, 6 угловая зона впрыска «γ+γ+γ»).
Рассмотрена работа устройства (фиг.2, фиг.6 фиг.10) с двумя независимыми БУТ 32 и БУТ 46 для подачи топлива через два уровня отверстий 4 и 5 при условии, что впрыски через отверстия первого 4 и второго 5 уровней пересекаются во времени, то есть реализуются абсолютно независимо.
Регулирование подачи топлива может осуществляться на основании мониторинга процесса сгорания для текущей и автоматической коррекции объема впрыскиваемого топлива при наличии самых широких возможностей для изменения подачи топлива.
На фиг.8 представлена блок-схема устройства с двумя независимыми гидроаккумуляторами ГА 64 и ГА 67. При равных давлениях, развиваемых этими аккумуляторами устанавливаемыми КРД 66 и КРД 69 эта блок-схема превращается в блок-схему с одним гидроаккумулятором по сути достигаемого результата. Эта блок-схема отдельно не показана, но она будет работать при отсутствии пересечения во времени впрысков также, как блок-схема с двумя независимыми гидроаккумуляторами, но при равных давлениях ГА 64 и ГА 67.
Представленная блок-схема с двумя гидроаккумуляторами ГА 67 и ГА 64 работает как при отсутствии временного пересечения впрысков через отверстия первого 4 и отверстия второго 5 уровней (фиг.1) и при отсутствии гидравлической изоляции отверстий первого уровня 4 и отверстий 5 второго уровня 5 друг от друга.
Она работает и при наличии временного пересечения впрысков через отверстия первого 4 и отверстия второго 5 уровней (фиг.1) и при наличии гидравлической изоляции отверстий первого уровня 4 и отверстий второго уровня 5 друг от друга (фиг.2).
Гидравлическая изоляция отверстий первого уровня 4 и отверстий второго уровня 5 друг от друга (фиг.2) осуществляется за счет радиального выступа 29 у втулки 3 и кольцевой проточки 30 в распылителе 6, в которую входит этот выступ во все время работы форсунки.
При постановке втулки 3 на упор радиальный выступ 29 не выходит из зацепления и взаимодействия с кольцевой проточкой 30. Поэтому гидравлическая изоляции отверстий первого уровня 4 и отверстий второго уровней 5 будет иметь место при любых режимах работы форсунки, а управление впрыском через отверстия первого уровня 4 и отверстия второго уровня 5 всегда будет осуществляться совершенно независимо.
Абсолютно аналогично будет работать система управления с тремя или четырьмя независимыми блоками управления и тремя или четырьмя запирающими элементами, с тремя или четырьмя уровнями отверстий для впрыска (не представлены на чертежах).
Для этого нужно реализовать три или четыре цепочки: уровень отверстий - запирающий элемент управления, камера управления запирающим элементом - независимая промежуточная камера управления, соединенная через дроссель с аккумулятором высокого давления - канал, перекрываемый независимым клапаном - независимая камера управления независимым клапаном - канал, соединяющий независимую камеру управления с независимым блоком управления подачей топлива, снабженного устройством для ШИМ времени управления длительностью импульсов для впрыска.
Форсунки с тремя и более уровнями отверстий будут иметь преимущество по тонкости распыла топлива через большое количество отверстий и, следовательно, преимущества по индикаторному к.п.д. при применении в больших дизелях.
Система управления подачей топлива могут быть выполнены с двумя уровнями отверстий для впрыска, но с числом блоков независимого управления подачей топлива больше двух, а также с числом независимых управляемых клапанов, равным двум.
В этом случае каждый этап впрыска будет независимым в части ШИМ по времени управления впрыском топлива и применение в этом случае числа блоков независимого управления больше двух и равное числу этапов впрыска в одном цикле впрыска является целесообразным.
Число профилированных кулачков на валу может быть выбрано более одного на цилиндр с разными программами впрыска в части длительности впрыска для каждого уровня отверстий. Механическая замена кулачка с одним профилем на кулачок с другим профилем является также целесообразной с точки зрения непрерывного мониторинга сгорания топлива и подбора соответствующих профилей кулачков для выполнения экологических условий при работе дизеля.
Таким образом, система управления подачи топлива позволяет реализовать все задачи, поставленные в цели изобретения, и предложить новый класс форсунок, отличающихся сочетанием простоты, дешевизны и надежности механических систем подачи с возможностью работы с гидроаккумуляторами высокого давления системы Common Rail.
Новая система управления подачи топлива позволяет реализовать наивысший индикаторный к.п.д. путем реализация реального изобарного процесса, путем снижения энергии на управление подачей топлива за счет ее частичной рекуперации.
Новая система управления подачи топлива позволяет осуществлять реальный мониторинг процесса сгорания, автоматически настраивать процесс сгорания и впрыска топлива на оптимальный и за счет соответствующих управляющих действий изменять его при изменении условий сгорания в течение всего периода эксплуатации.