Система впрыскивания топлива

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливовпрыскивающей аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет упростить управление клапаном и обеспечить надежное прерывание процесса впрыскивания между предварительным и основным впрыскиваниями. Система с топливным насосом высокого давления, имеющим плунжер, который приводится в действие кулачковым приводом по меньшей мере с одним кулачком и который ограничивает надплунжерное пространство, которое служит для подачи доведенного до давления впрыскивания топлива по меньшей мере к одной клапанной форсунке, а также с клапаном с электроприводом. По меньшей мере, один кулачок выполнен таким образом, что на той части его рабочей поверхности, которая служит для управления ходом нагнетания плунжера, имеется первый участок, на котором плунжер совершает ход нагнетания для осуществления предварительного впрыскивания, второй участок, на котором плунжер по окончании предварительного впрыскивания неподвижно удерживается в достигнутом положении или лишь незначительно либо перемещается в направлении подачи, либо отводится назад, и последующий третий участок для осуществления хода нагнетания, предназначенного для основного впрыскивания. Управление клапаном с электроприводом осуществляется таким образом, что при низкой частоте вращения перед началом первого участка он закрыт и открывается в пределах первого участка для окончания предварительного впрыскивания и затем для осуществления основного впрыскивания повторно закрывается в начале третьего участка, в пределах которого перед достижением верхней мертвой точки кулачка снова открывается, а при высокой частоте вращения клапан в пределах второго участка для осуществления основного впрыскивания, проводимого без предшествующего предварительного впрыскивания, закрыт и для окончания основного впрыскивания снова открывается в пределах третьего участка перед достижением верхней мертвой точки кулачка. 3 ил.

Настоящее изобретение относится к системе впрыскивания топлива с топливным насосом высокого давления, имеющим плунжер, который приводится в действие кулачковым приводом по меньшей мере с одним кулачком и который ограничивает надплунжерное пространство, которое служит для подачи доведенного до давления впрыскивания топлива по меньшей мере к одной клапанной форсунке, а также с клапаном с электроприводом, с помощью которого надплунжерное пространство топливного насоса высокого давления соединяется с камерой всасывания или отсоединяется от нее для управления процессом впрыскивания, и с прерыванием процесса впрыскивания между предварительным и основным впрыскиваниями при каждом цикле впрыскивания.

В системе подобного типа, известной, например, из заявки DE-A-3644257, в качестве топливного насоса высокого давления (ТНВД) используется распределительный ТНВД, плунжер которого приводится в возвратно-поступательное и одновременно вращательное движение, причем плунжер при каждом своем повороте и на каждом ходе нагнетания подает топливо, давление которого доведено до давления впрыскивания, в один из нескольких топливопроводов высокого давления, каждый из которых проходит к соответствующей клапанной форсунке. Для разделения процесса впрыскивания на предварительное и основное впрыскивания клапан с электроприводом, в качестве которого используется электромагнитный клапан, открывается на короткое время с целью сбросить давление в надплунжерном пространстве и кратковременно снизить достигнутое давление топлива. Это означает, что необходимо использовать очень быстро переключающийся электромагнитный клапан, который требует значительных затрат на электронную систему управления и на его собственную конструкцию. Особый недостаток при этом состоит в том, что управление прерыванием впрыскивания с помощью магнитного клапана должно быть синхронизировано по времени. В результате этого с увеличением частоты вращения возрастает и та доля от имеющейся в распоряжении величины подъема кулачка, которую необходимо задействовать на прерывание впрыскивания. В сравнении с возможностями рядного ТНВД, у которого каждый из плунжеров насоса приводится в движение одним кулачком, в распределительном ТНВД величина подъема, необходимая для осуществления одного процесса впрыскивания, существенно меньше, поскольку в этом случае максимальный подъем кулачка ограничен длиной рабочей поверхности кулачка. Управление прерыванием впрыскивания с временной синхронизацией путем промежуточного сброса давления из надплунжерного пространства с помощью магнитного клапана означает поэтому существенное ограничение расчетной производительности ТНВД. Кроме того, на соединительном участке между надплунжерным пространством и клапанной форсункой предусматривается также специальный нагнетательный клапан, открывающийся в направлении подачи при подаче топлива под высоким давлением к распылителю форсунки и закрывающийся по окончании впрыскивания и предназначенный для гашения волн давления (ударных волн) между нагнетательным клапаном и клапанной форсункой и поддержания на этом участке установившегося давления на требуемом постоянном уровне в интервалах между впрыскиваниями. При ступенчатом впрыскивании с разделением на предварительное и основное впрыскивания за один рабочий ход поршня соответствующего запитываемого топливом цилиндра двигателя внутреннего сгорания предпочтительно обеспечить постоянную величину установившегося давления в интервалах между впрыскиваниями.

В основу настоящего изобретения была положена задача устранить указанные выше недостатки, присущие системам впрыскивания топлива известной конструкции.

Эта задача решается согласно изобретению благодаря тому, что в системе впрыскивания топлива указанного в начале описания типа по меньшей мере один кулачок выполнен таким образом, что на той части его рабочей поверхности, которая служит для управления ходом нагнетания плунжера, имеется первый участок, на котором плунжер совершает ход нагнетания для осуществления предварительного впрыскивания, второй участок, на котором плунжер по окончании предварительного впрыскивания неподвижно удерживается в достигнутом положении или лишь незначительно либо перемещается в направлении подачи, либо отводится назад, и последующий третий участок для осуществления хода нагнетания, предназначенного для основного впрыскивания, при этом управление клапаном с электроприводом осуществляется таким образом, что при низкой частоте вращения перед началом первого участка он закрыт и открывается в пределах первого участка для окончания предварительного впрыскивания и затем для осуществления основного впрыскивания повторно закрывается в начале третьего участка, в пределах которого перед достижением верхней мертвой точки кулачка снова открывается, а при высокой частоте вращения клапан в пределах второго участка для осуществления основного впрыскивания, проводимого без предшествующего предварительного впрыскивания, закрыт и для окончания основного впрыскивания снова открывается в пределах третьего участка перед достижением верхней мертвой точки кулачка.

Предлагаемое согласно изобретению решение обеспечивает надежное прерывание процесса впрыскивания при каждом цикле между предварительным и основным впрыскиваниями при незначительных требованиях к быстродействию клапана, управление которым осуществляется с временной синхронизацией. При этом на прерывание между предварительным и основным впрыскиваниями вообще не требуется задействовать какую-либо часть участка подъема рабочей поверхности кулачка или требуется задействовать лишь очень небольшую его часть. Благодаря конструктивно заданному с помощью профиля кулачка прерыванию впрыскивания достигается то, что даже при повышенной частоте вращения обеспечивается надежное прерывание процесса впрыскивания между предварительным и основным впрыскиваниями без наложения каких-либо ограничений к профилю того участка подъема рабочей поверхности кулачка, который используется для подачи топлива под высоким давлением. Не зависящее от частоты вращения влияние времени переключения клапана компенсируется вторым участком кулачка, благодаря чему и к быстродействию клапана с электроприводом не должны предъявляться слишком высокие требования.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано: на фиг. 1 - принципиальная схема управляемого электромагнитным клапаном топливного насоса высокого давления; на фиг.2 - характер изменения предлагаемого согласно изобретению профиля кулачка в виде кривой изменения подъема кулачка в зависимости от угла его поворота с первой последовательностью переключений клапана для работы при низкой частоте вращения ДВС; на фиг.3 - характер изменения предлагаемого согласно изобретению профиля кулачка в зависимости от угла его поворота со второй последовательностью переключений клапана для работы при высокой частоте вращения ДВС.

Реализация предлагаемого согласно изобретению технического решения в описываемом ниже варианте выполнения рассматривается на примере распределительного топливного насоса высокого давления (ТНВД), схематично показанного на фиг. 1. Хотя при этом речь идет о распределительном ТНВД аксиально-поршневого типа, настоящее изобретение может найти применение и в других ТНВД, как, например, распределительных ТНВД радиально-поршневого типа, или в насосных секциях ТНВД, имеющих всего один плунжер для подачи топлива в один отдельный цилиндр двигателя внутреннего сгорания (ДВС), или в рядных ТНВД. Однако особые преимущества согласно настоящему изобретению достигаются прежде всего в отношении распределительного ТНВД, поскольку в этом случае максимальный подъем кулачка из-за ограниченной длины рабочей поверхности кулачка меньше, чем, например, у рядного ТНВД. В распределительном ТНВД, показанного на фиг. 1 типа, имеется плунжер 1, который может совершать возвратно-поступательное и вращательное движение в цилиндрическом отверстии 2 и который своим торцем ограничивает надплунжерное пространство 10. При этом плунжер кинематически связан, например, через не показанную на чертеже пружину с кулачковым диском 6, имеющим обращенные в осевом направлении вниз кулачки 5 предлагаемой согласно изобретению формы. Привод кулачкового диска во вращение, в частности, синхронно частоте вращения двигателя внутреннего сгорания, в который топливо подается ТНВД, осуществляется известным образом с помощью не показанного на чертеже приводного вала, при этом кулачковый диск, поджимаемый пружиной, обкатывается по известному неподвижному в осевом направлении кольцу с роликами, приводя в результате этого вращающийся плунжер распределительного ТНВД в возвратно-поступательное движение для нагнетания и впуска топлива. Качением роликов по рабочей поверхности кулачка определяется, таким образом, положение плунжера на соответствующем ходе в зависимости от времени, соответственно от угла поворота. При своем вращении во взаимосвязи с ходом нагнетания, во время которого топливо под высоким давлением вытесняется из надплунжерного пространства 10, плунжер через распределительное отверстие 8, выполненное сбоку плунжера распределительного ТНВД, соединяется с одним из нескольких топливопроводов 7 высокого давления. При этом распределительное отверстие через продольный канал 9 постоянно сообщается с надплунжерным пространством. Каждый из топливопроводов высокого давления через нагнетательный клапан 12 проходит к клапанной форсунке 13 соответствующего цилиндра ДВС.

Подача топлива в надплунжерное пространство 10 осуществляется по впускной линии 15, по которой топливо поступает из камеры 17 всасывания, контур которой на чертеже лишь обозначен штрихпунктирной линией и которая заключена внутри корпуса ТНВД. В камеру всасывания топливо подается топливоподкачивающим насосом 18, привод которого осуществляется синхронно с ТНВД, например приводным валом, и который таким образом нагнетает топливо в камеру всасывания в количестве, зависящем от частоты вращения. С помощью дополнительного редукционного клапана 19 давление в камере всасывания обычно регулируется в зависимости от частоты вращения, если при помощи данного давления необходимо управлять дополнительными функциями ТНВД. Через перепускной дроссель 22 топливо постоянно стекает обратно в бак 23, обеспечивая таким путем охлаждение топливного насоса, соответственно отвод газов из камеры всасывания. Впускной трубопровод 15 сообщается с надплунжерным пространством через обратный клапан 16, при этом последний открывается в направлении надплунжерного пространства. Параллельно указанному обратному клапану предусмотрен клапан 24 с электроприводом, который управляет байпасным трубопроводом 21, проходящим к нагнетательному клапану 16, и с помощью которого при открытии клапана надплунжерное пространство 10 соединяется с камерой 17 всасывания, а при закрытии клапана надплунжерное пространство 10 запирается. Управление клапаном 24 с электроприводом, условно изображенным на чертеже в виде электромагнитного клапана, осуществляется известным образом блоком 25 управления в соответствии с параметрами режима работы ДВС. Однако при достаточно большом проходном сечении клапана 24 обратный клапан 16 можно и не использовать. В этом случае надплунжерное пространство на ходе впуска заполняется топливом исключительно через клапан с электроприводом.

Указанный клапан с электроприводом управляет началом подачи плунжером топлива под высоким давлением. С помощью этого же клапана в конечном итоге может регулироваться и начало впрыскивания. Наряду с указанной возможностью начало впрыскивания можно регулировать с помощью отдельного регулятора (обычно муфты опережения впрыскивания), который, как известно, имеет приводную часть с кулачком, поворачивающуюся относительно плунжера, контактирующего с этим кулачком. При закрытии клапана давление в надплунжерном пространстве 10 в результате совершения плунжером движения подачи возрастает до необходимого давления впрыскивания. Топливо, давление которого доведено таким путем до давления впрыскивания, через продольный канал 9 и распределительное отверстие 8 подается в один из топливопроводов 7 высокого давления. При повторном открытии клапана с электроприводом подача топлива под высоким давлением прерывается. Продолжительностью нахождения клапана в закрытом состоянии определяется количество впрыскиваемого топлива, и при необходимости с помощью этого клапана можно также, как указано выше, регулировать момент начала впрыскивания.

Согласно изобретению рабочие поверхности кулачков 5, управляющие фазой подачи топлива под высоким давлением, имеют такую геометрию, что они, как показано в качестве примера на фиг.2 или 3, обеспечивают возвратно-поступательное движение плунжера в зависимости от времени по такому закону, который подразделяется на первый участок V, начинающийся с хода нагнетания плунжера и заканчивающийся после малого хода нагнетания, на второй участок Р, на котором плунжер либо остается неподвижным, либо перемещается в направлении нагнетания на столь незначительную величину, что на этом участке подача топлива под высоким давлением фактически прекращается и тем самым возникает интервал между впрыскиваниями, и, наконец, на третий участок Н, на котором рабочая поверхность кулачка снова имеет участок подъема, перемещающий плунжер для дальнейшей подачи на впрыскивание основного количества топлива. На участке Р рабочая поверхность кулачка может иметь горизонтальный, слегка поднимающийся или же слегка спадающий профиль. Управление предварительным впрыскиванием при этом осуществляет клапан с электроприводом, а именно, он закрывается, когда ролики входят на второй участок Р.

Как видно на диаграмме по фиг.2, при работе на малых оборотах (низкая частота вращения) клапан с электроприводом, например электромагнитный клапан или клапан с пьезоприводом, закрывается при нахождении плунжера в н.м.т. (нижняя мертвая точка), т. е. до достижения плунжером участка подъема от основной окружности на рабочей поверхности кулачка, определяя момент начала подачи предварительно впрыскиваемого количества топлива, и снова открывается на участке V перед достижением плунжером участка Р на рабочей поверхности кулачка. Затем после выдерживания определенной паузы между впрыскиваниями на участке Р клапан 24 повторно закрывается вместе с началом подачи основного количества впрыскиваемого топлива по достижении плунжером на рабочей поверхности кулачка последующего участка Н, на котором затем за счет открытия клапана 24 подача топлива под высоким давлением снова прекращается, завершая основное выпрыскивание. В точке повторного закрытия требования, предъявляемые к точности управления моментом закрытия, ниже, чем при управлении началом впрыскивания.

При работе на больших оборотах (высокая частота вращения) разделение впрыскивания на предварительное и основное не является столь же необходимым, как при работе на малых оборотах, поскольку в этом случае в результате протекающих практически постоянно во времени процессов сгорания момент воспламенения смещается в направлении вращения за в.м.т (верхняя мертвая точка) поршня ДВС, а запаздывание самовоспламенения впрыснутого количества топлива при этом уже не столь отрицательно влияет на создание шума, чтобы его уровень был ощутимым. При этом, как показано на фиг.3, управление клапаном 24 осуществляется таким образом, чтобы он закрывался лишь на участке Р рабочей поверхности кулачка, и поэтому этот клапан находится в закрытом положении, не допуская предварительного впрыскивания, когда топливо должно подаваться исключительно только на основное впрыскивание на участке Н рабочей поверхности кулачка, примыкающем к участку Р. Управление окончанием впрыскивания снова осуществляется путем открытия клапана, которое в этом случае, как правило, происходит еще до достижения плунжером в.м.т. на рабочей поверхности кулачка ТНВД.

Преимущество такого регулирования состоит в том, что при высоких частотах вращения надплунжерное пространство ТНВД может заполняться достаточным количеством топлива, поскольку фаза заполнения в этом случае в сравнении с управлением при низких частотах вращения является более продолжительной, а поршень при движении в направлении заполнения, т.е. на ходе впуска, должен доходить только до той зоны, на которой находится второй участок Р. При этом благодаря тому, что подача топлива под высоким давлением осуществляется лишь начиная с участка Р, уменьшается количество топлива, требуемое для заполнения надплунжерного пространства. Следовательно, клапан с электроприводом закрывается лишь на участке Р рабочей поверхности кулачка, благодаря чему ход впуска при обкатывании участка V рабочей поверхности кулачка может полностью использоваться для всасывания топлива. Всасывание продолжается еще и в начальной части рабочей поверхности кулачка перед участком Р до тех пор, пока клапан не закроется окончательно.

В отдельных случаях профиль кулачка можно также изменить с целью обеспечить требуемое разделение фаз впрыскивания и повысить эффективность осуществляемого клапаном управления. Вместо перемещения плунжера в обратном направлении его можно также лишь удерживать на месте или перемещать далее лишь на столь малую величину таким образом, чтобы этого движения было недостаточно для впрыскивания сколько-нибудь существенного количества топлива, в результате чего даже и без влияния клапана между впрыскиваниями фактически наступит пауза, продолжительность которой определяется конструктивными параметрами и которая настолько сократит подачу топлива в камеру сгорания ДВС, что повышение давления в камере сгорания замедлится и таким путем можно достичь практически бесшумного сгорания топлива.

Формула изобретения

Система впрыскивания топлива с топливным насосом высокого давления, имеющим плунжер, который приводится в действие кулачковым приводом по меньшей мере с одним кулачком и который ограничивает надплунжерное пространство (10), которое служит для подачи доведенного до давления впрыскивания топлива по меньшей мере к одной клапанной форсунке (13), а также с клапаном (24) с электроприводом, с помощью которого надплунжерное пространство (10) топливного насоса высокого давления соединяется с камерой (17) всасывания или отсоединяется от нее для управления процессом впрыскивания, и с прерыванием процесса впрыскивания между предварительным и основным впрыскиваниями при каждом цикле впрыскивания, отличающаяся тем, что по меньшей мере один кулачок выполнен таким образом, что на той части его рабочей поверхности, которая служит для управления ходом нагнетания плунжера, имеется первый участок (V), на котором плунжер совершает ход нагнетания для осуществления предварительного впрыскивания, второй участок (Р), на котором плунжер (1) по окончании предварительного впрыскивания неподвижно удерживается в достигнутом положении или лишь незначительно либо перемещается в направлении подачи, либо отводится назад, и последующий третий участок (Н) для осуществления хода нагнетания, предназначенного для основного впрыскивания, причем управление клапаном (24) с электроприводом осуществляется таким образом, что при низкой частоте вращения перед началом первого участка (V) он закрыт и открывается в пределах первого участка (V) для окончания предварительного впрыскивания и затем для осуществления основного впрыскивания повторно закрывается в начале третьего участка, в пределах которого перед достижением верхней мертвой точки кулачка снова открывается, а при высокой частоте вращения клапан в пределах второго участка (Р) для осуществления основного впрыскивания, проводимого без предшествующего предварительного впрыскивания, закрыт и для окончания основного впрыскивания снова открывается в пределах третьего участка перед достижением верхней мертвой точки кулачка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2