Топливовпрыскивающая система многотопливного дизеля для бессливного процесса топливоподачи

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам впрыскивания топлива в двигатель внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить мощность, экономичность и надежность работы двигателя, а также снизить токсичность. Топливовпрыскивающая система многотопливного дизеля для бессливного процесса топливоподачи содержит форсунку, над иглой которой предусмотрена полость, связанная с подыгольным пространством через канал, в котором установлен перепускной клапан, и трубопроводом высокого давления с плунжерным насосом. В систему дополнительно введены золотник сброса давления топлива в топливопроводе высокого давления и клапан подпитки топливом топливопровода высокого давления. Система также содержит устройство управления золотником сброса давления топлива и клапаном подпитки, аккумулятор высокого давления, беспружинный шариковый перепускной клапан отвода топлива из полости размещения пружины иглы форсунки. 2 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности может использоваться в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.

Наиболее близким решением, выбранным в качестве прототипа, является топливовпрыскивающая система многотопливного дизеля для бессливного процесса топливоподачи (патент РФ № 2202705 от 25.04.2001 г., МПК F 02 M 43/00), содержащая форсунку, над иглой которой предусмотрена полость, связанная с подыгольным пространством через канал, в котором установлен перепускной клапан, и трубопроводом высокого давления с плунжерным насосом при помощи нагнетательного клапана двойного действия, при этом внутренняя поверхность нагнетательного элемента со стороны разгрузочного элемента нагнетательного клапана двойного действия выполнена в виде усеченного конуса, основание которого взаимодействует с разгрузочным элементом.

Однако известная топливовпрыскивающая система имеет ряд недостатков. В случае применения легкого топлива (бензина, керосина и др.) оно будет просачиваться между иглой и распылителем в полость размещения пружин и остаточное давление в топливоподводящем канале форсунки, топливопроводе высокого давления и в штуцере размещения нагнетательного клапана секции топливного насоса высокого давления (ТНВД) будет снижаться. Это приводит к нарушению идентичности цикловой подачи топлива секциями ТНВД в цилиндры двигателя, к увеличению неравномерности работы дизеля, снижению его мощности и экономичности. Кроме того, в системе не предусмотрено устройство для обеспечения подпитки топливопровода высокого давления между следующими друг за другом впрысками топлива.

При понижении давления топлива в топливопроводе высокого давления в случае зависания иглы форсунки во внутреннюю полость форсунки прорываются газы из цилиндра двигателя через распыливающие отверстия. Это приводит к закоксовываниго внутренних каналов форсунки [1, 2].

В момент прекращения подачи топлива игла форсунки садится в седло, объем в полости размещения пружины иглы увеличивается, а давление топлива снижается, и топливо через клапан шарикового типа не будет перетекать из полости размещения иглы в топливоподводящий канал форсунки.

При впрыскивании топлива в цилиндр двигателя игла форсунки будет перемещаться вверх и испытывать повышенное сопротивление движению со стороны топлива, находящегося в полости размещения пружины иглы форсунки. Это приведет как к уменьшению количества впрыскиваемого в цилиндр двигателя топлива, так и к сокращению общей продолжительности процесса впрыскивания.

В процессе эксплуатации дизеля в районах с повышенной температурой окружающей среды, в случае перегрева двигателя, вязкость дизельного топлива бензина, керосина и их смесей будет уменьшаться, что приведет к увеличению утечек топлива между иглой и распылителем и, как следствие, к уменьшению величины остаточного давления в топливопроводе высокого давления.

При износе трущихся поверхностей иглы и распылителя форсунки утечки топлива в плоскость размещения пружины иглы также возрастут, что вызовет падение мощности и экономичности двигателя. Отсутствие хвостовиков (направляющих) у нагнетательного и разгрузочных элементов нагнетательного клапана может привести к смещениям указанных деталей относительно друг друга и относительно седла нагнетательного клапана и, как следствие, к потере герметичности узла нагнетательного клапана и перетеканию топлива из линии высокого давления в надплунжерную полость ТНВД.

Нагнетательный элемент со своим седлом имеет контакт в виде плоской, а не конусной поверхности, что может также привести к нарушению герметичности узла нагнетательного клапана.

Кроме того, в известной топливовпрыскивающей системе значительное влияние на продолжительность и величину подачи топлива секцией ТНВД в цилиндры дизеля оказывает дросселирование (сопротивление перетеканию топлива) во впуском и отсечном каналах гильзы секции ТНВД. Дросселирование при отсечке подачи приводит к тому, что в надплунжерном пространстве будет в течение некоторого периода времени сохраняться давление, достаточное для подачи топлива через распыливающие отверстия форсунки в цилиндр двигателя. Таким образом, дросселирование увеличивает продолжительность подачи топлива по сравнению с теоретической. Это приводит к увеличению жесткости работы дизеля, к увеличению дымности и токсичности отработавших газов.

Технический результат направлен на повышение мощности, экономичности и надежности работы двигателя, а также на уменьшение жесткости рабочего процесса, дымности и токсичности отработавших газов.

Технический результат достигается тем, что топливовпрыскивающая система многотопливного дизеля для бессливного процесса топливоподачи, содержащая форсунку, над иглой которой предусмотрена полость, связанная с подыгольным пространством через канал, в котором установлен перепускной клапан, и трубопроводом высокого давления с плунжерным насосом, при этом в систему дополнительно введены золотник сброса давления топлива в топливопроводе высокого давления и клапан подпитки топливом топливопровода высокого давления в комплексе с устройством управления золотником сброса давления топлива и клапаном подпитки, аккумулятор высокого давления, беспружинный шариковый перепускной клапан отвода топлива из полости размещения пружины иглы форсунки.

Отличительным признаком от прототипа является то, что в заявляемой топливовпрыскивающей системе многотопливного дизеля для бессливного процесса топливоподачи дополнительно введены золотник сброса давления топлива в топливопроводе высокого давления и клапан подпитки топливом топливопровода высокого давления в комплексе с устройством управления золотником сброса давления топлива и клапаном подпитки, аккумулятор высокого давления, беспружинный шариковый перепускной клапан отвода топлива из полости размещения пружины иглы форсунки.

На фиг.1 показана топливовпрыскивающая система многотопливного дизеля для бессливного процесса топливоподачи, на фиг.2 - структурная электрическая схема устройства управления золотником сброса давления топлива в топливопроводе высокого давления и клапаном подпитки.

Топливовпрыскивающая система многотопливного дизеля для бессливного процесса топливоподачи (фиг.1, 2) содержит форсунку, секцию топливного насоса высокого давления, топливопровод высокого давления 22, золотник сброса давления 30 из топливопровода высокого давления, клапан подпитки топливом 25 топливопровода высокого давления, аккумулятор давления 23, устройство управления золотником сброса давления топлива 30 и клапаном подпитки 25.

Система содержит корпус 1 форсунки, к которому с помощью накидной гайки 2 крепится распылитель 3 с иглой 4 и проставкой 5. В корпусе 1 образована полость 6, в которой размещена пружина 7 иглы 4.

В распылителе 3, проставке 5 и в корпусе 1 выполнены каналы 8,9 и 10 для подвода топлива к распыливающим отверстиям 11 форсунки. В распылителе 3 форсунки под нижним конусным пояском иглы 4 размещен пьезоэлектрический датчик Д₂ (фиг.1, 2).

В корпусе 1 форсунки установлен беспружинный перепускной шариковый клапан 12, предназначенный для отвода топлива из полости 6 размещения пружины 7 в топливоподводящий канал 10. Перепускной клапан 12 размещен в конусном седле 13, которое соединено каналом 14 с полостью 6 размещения пружины 7, а каналом 15 - с топливоподводящим каналом 10.

Секция ТНВД содержит плунжер 16 с гильзой 17, нагнетательный клапан 18 с седлом 19 и с возвратной пружиной 20, топливоподводящий канал 21. В конусной части седла 19 нагнетательного клапана 18 установлен пьезоэлектрический датчик Д₁.

Аккумулятор высокого давления 23 предназначен для хранения топлива под давлением. Корпус аккумулятора высокого давления 23 соединен трубопроводом 24 с клапаном подпитки 25, установленным на топливопроводе высокого давления 22. Клапан подпитки 25 предназначен для поддержания повышенного давления (10-13 МПа) в топливопроводе высокого давления 22 путем перепуска в него топлива из аккумулятора давления 23 в промежуток времени после посадки иглы 4 в седло распылителя 3 и подъемом нагнетательного клапана 18 при последующей подаче топлива. Клапан подпитки 25 прижимается к седлу с помощью возвратной пружины 26.

К клапану подпитки 25 крепится сердечник 27, на котором с зазором установлена электрическая обмотка 28. Сердечник 27 и электрическая обмотка 28 образуют соленоид, соединенный электрической линией 29 с устройством управления клапаном подпитки и золотником слива (фиг.2).

Клапан подпитки 25 в заявляемой топливовпрыскивающей системе многотопливного дизеля, поддерживает давление в топливопроводе высокого давления 22, равное 10,0-13,0 МПа, по сравнению с давлением 1,0-5,0 МПа в системах питания современных дизелей ЯМЗ, КамАЗ, типа В-2, MAN, Ford и др. Увеличение избыточного давления в топливопроводе высокого давления обеспечивает увеличение давления впрыскивания топлива в цилиндр при одной и той же объемной скорости подачи топлива плунжером [1].

С увеличением давления впрыскивания топлива повышается как скорость течения топлива по каналам распылителя 3 форсунки, так и скорость истечения из него топлива в цилиндр. В связи с этим, во-первых, усиливаются турбулентные движения внутри струи и на ее периферии, и, во-вторых, вследствие усиления аэродинамических сил на поверхность струи при более высоких скоростях истечения повышается дробящее действие среды, в которую впрыскивается топливо.

В итоге совместного влияния указанных факторов значительно облегчается распад струи топлива и обеспечивается получение более мелких и однородных по размерам капелек топлива, т.е. улучшается тонкость и однородность распыливания.

Все указанные факторы благоприятно влияют как на эффективность протекания процесса сгорания в цилиндрах двигателя, так и на улучшение его мощности и экономичности и на снижение дымности и токсичности отработавших газов.

Золотник сброса давления топлива 30 предназначен для резкого снижения давления топлива до 0,1-0,15 МПа в топливопроводе высокого давления 22 в промежуток времени между посадкой нагнетательного клапана 18 в седло 19 и посадкой иглы 4 форсунки в свое седло в распылителе 3 форсунки. Вследствие резкого снижения давления в топливопроводе 22 игла 4 форсунки быстро садится в седло. Это будет способствовать приближению продолжительности действительной подачи топлива в цилиндр к задаваемой теоретической (геометрической) подаче.

Золотник сброса давления топлива 30 размещен в корпусе 31, в котором выполнено отверстие 32 для подвода топлива к золотнику 30 из топливопровода высокого давления 22 через трубопровод 33. Топливо отводится от корпуса 31 золотника 30 по топливопроводу 34 в топливоподводящий канал 21 секции ТНВД. Между нижним торцом золотника 30 и корпусом 31 установлена пружина 35. В золотнике 30 выполнено радиальное отверстие 36. К золотнику 30 крепится сердечник 37, на котором с зазором установлена электрическая обмотка 38. Сердечник 37 и электрическая обмотка 38 образуют соленоид, соединенный электрической линией 39 с устройством управления золотником сброса давления топлива 30 из топливопровода высокого давления 22.

Устройство управления золотником сброса давления топлива 30 из топливопровода высокого давления 22 и клапаном подпитки 25 топливом топливопровода высокого давления 22 (фиг.2) состоит из двух пьезоэлектрических датчиков Д₁ и Д₂, двух усилителей сигналов A₁ и А₂, двух триггеров Шмитта T₁ и Т₂, RS-триггера, силовых ключей VT₁ и VT₂, двух соленоидов 27 и 38, схемы предварительной установки в "ноль" при включении питания в момент пуска двигателя.

Принцип действия устройства управлением золотником сброса давления топлива 30 и клапаном подпитки 25 заключается в том, что после посадки нагнетательного клапана 18 секции ТНВД в свое седло давление топлива в топливопроводе высокого давления с целью быстрой посадки иглы 4 форсунки в седло распылителя 3 резко снижается до величины 0,1-0,15 МПа путем отвода топлива через золотник сброса давления 22 в топливоподводящий канал ТНВД. После посадки иглы 4 форсунки в седло распылителя 3 топливо нагнетается в топливопровод высокого давления 22 под давлением 10-15 МПа из аккумулятора высокого давления 23 через клапан подпитки 25 с целью увеличения давления впрыскивания топлива в цилиндр двигателя. Пьезодатчики Д₁ и Д₂ используются в качестве преобразователей импульсов электрического тока, возникающих вначале при ударной посадке нагнетательного клапана 18 в седло 19 секции ТНВД, а затем при ударной посадке иглы 4 в седло распылителя 3 форсунки. Пьезоэлектрический датчик Д₁ установлен в конической части седла 19 нагнетательного клапана, а пьезоэлектрический датчик Д₂ - в конической части седла распылителя 3 форсунки.

Сигналы пьезоэлектрических датчиков Д₁ и Д₂ усиливаются усилителями A₁ и А₂ и подаются на триггеры Шмитта T₁ и T₂, предназначенные для формирования выходного сигнала с крупными перепадами, длительность которых не зависит от скорости нарастания или спада входного сигнала.

Сформированный сигнал с триггера Шмитта Т₁, связанного с выходом усилителя А₁ пьезоэлектрического датчика Д₁, подается на S вход RS-триггера Т₃, на вход асинхронной устааовки триггера в единичное включенное состояние. Сигнал с пьезоэлектрического датчика Д₂ через усилитель А₂ и триггер Шмитта T₂ и через схему ИЛИ поступает на R вход (вход сброса) RS-триггера Т₃ для переключения его в исходное - выключенное состояние.

Выход Q триггера Т₃ связан с силовым ключом VT₁, выполненным на транзисторе. Нагрузкой силового ключа VT₁ является электрическая обмотка 38 соленоида золотника сброса давления топлива 30. Сброс триггера Т₃ в исходное состояние при включений питания осуществляется импульсом с емкостной цепочки через схему ИЛИ.

При пуске двигателя на схему подается напряжение питания и происходит заряд емкости "С" в схеме сброса, что приведет к установке триггера Т₃ в нулевое состояние, электронный силовой ключ VT₁ заперт, электрическая обмотка 37 соленоида обесточена, золотник сброса давления топлива 30 под действием пружины 35 находится в корпусе 31 золотника в верхнем положении, при этом радиальное отверстие 36 в золотнике сброса давления топлива 30 не совпадает с каналом 32 корпуса 31 золотника.

Устройство управления содержит две независимые схемы сброса. Первая, включающая элементы R₁, R₂ и С₁, предназначена для установки RS-триггера Т₃ в исходное состояние при пуске двигателя. Вторая, состоящая из элементов R₃, R₄, и С₂, предназначена для сброса мультивибратора G₁ в момент пуска двигателя для исключения ложного срабатывания. Резисторы R₁ и R₃ предназначены для ограничения тока заряда емкостей C₁ и С₂ в момент подачи питания, а также совместно с резисторами R₂ и R₄ формирует необходимое напряжение, соответствующее высокому уровню напряжения для данного типа микросхем. Значение емкостей C₁ и C₂ определяет длительность импульса сброса.

Устройство управления клапаном подпитки 25 состоит из ждущего мультивибратора G₁, схемы установки ждущего мультивибратора G₁ в исходное состояние при пуске двигателя, силового ключа VT₂ и обмотки соленоида 27. Ждущий мультивибратор связан с инверсным выходом Q RS-триггера Т₃, вход R связан со схемой сброса, прямой выход мультивибратора соединен с силовым ключом, выполненным на транзисторе VT₂.

Топливоподающая система многотопливного дизеля для бессливного процесса топливоподачи работает следующим образом.

При перекрытии плунжером 16 секции ТНВД верхней кромки топливопроводящего канала 21, выполненного в гильзе 17, над плунжером 16 создается повышенное давление топлива, нагнетательный клапан 18 открывается, сжимая пружину 20. Топливо истекает по топливопроводу высокого давления 22 в каналы 10, 9 и 8 форсунки и через распыливающие отверстия 11 распылителя 3 впрыскивается в цилиндр дизеля. При этом часть топлива по зазору между иглой 4 и распылителем 3 просачивается в полость 6, в которой размещена пружина 7 иглы 4 форсунки. Перепускной шариковый клапан 12 закрыт в седле 13 под действием давления топлива, передаваемого из каналов 10 и 15.

Электрический ток в электрической схеме устройства управления золотником сброса давления топлива и клапаном подпитки не возникает, так как не происходит ударного воздействия на пьезоэлектрические датчики Д₁ и Д₂. Золотник сброса давления топлива 30 под действием пружины 35 находится в верхнем положении и канал 32, выполненный в корпусе 31, не совпадает с радиальным отверстием 36 золотника 30. Следовательно, при впрыскивании топлива секцией ТНВД в цилиндр двигателя топливо не будет перетекать из трубопровода высокого давления 22 в топливоподводящий канал 21 гильзы 16 секции ТНВД.

При окончании подачи топлива давление в надплунжерном пространстве 40 секции ТНВД снижается, и нагнетательный клапан садится в седло 19. Давление в топливопроводе 22 и форсунке также уменьшится, и игла 4 садится в седло распылителя 3. Подача топлива в цилиндр двигателя прекращается.

При посадке иглы 4 в седло распылителя 3 струя топлива, движущаяся в каналах форсунки 8, 9 и 10, останавливается. При этом скорость движения топлива будет равна нулю и согласно закону Д. Бернулли давление топлива в этот момент в каналах 8, 9 и 10 будет возрастать. Так как в топливопроводе высокого давления 22 давление топлива будет меньшим, то топливо из каналов 8, 9 и 10 форсунки через трубопровод 22 будет перетекать в полость размещения пружины 20 закрытого нагнетательного клапана 18. Давление в полости размещения пружины 20 нагнетательного клапана 18 возрастает, а в каналах 8, 9 и 10 уменьшается, и струя топлива будет двигаться в обратном направлении в каналы 8, 9 и 10 форсунки. То есть в каналах форсунки 8, 9 и 10, топливопровода высокого давления 22 и полости размещения пружины 20 нагнетательного клапана 18 возникает колебательный процесс изменения давления, приводящий к возникновению гидравлических ударов на конусные элементы иглы 4 форсунки. Если в этом случае давление топлива, действующее на иглу 4 форсунки в вертикальном направлении, превысит силу предварительной затяжки пружины 20 иглы 4, то игла форсунки 4 поднимается и произойдет подвпрыск (дополнительный впрыск) топлива. Таких подвпрысков может быть несколько. Характеристика впрыскивания топлива будет нарушена, что приведет к ухудшению мощностных, экономических и экологических показателей дизеля.

В заявляемой топливовпрыскивающей системе многотопливного дизеля для бессливного процесса топливоподачи подвпрысков топлива в цилиндр не происходит, т.к. в момент посадки нагнетательного клапана 18 в свое седло 19 происходит ударное воздействие конусной части нагнетательного клапана 18 на пьезодатчик Д₁ (фиг.1, 2). Сформированный на пьезодатчике Д₁ электрический сигнал, передается через усилитель А₁ (фиг.2) на триггер T₁. При этом силовой ключ переводится в открытое состояние, и электрический ток поступает по электрической линии 39 в обмотку 38 соленоида открытия золотника сброса давления 30 из топливопровода высокого давления 22.

Под действием магнитной силы, возникающей в обмотке 38, сердечник 37 вместе с золотником 30 будет опускаться вниз до совпадения радиального отверстия 36, выполненного в золотнике 30, с топливопроводом 34 подвода к топливоподводящему каналу 21 секции ТНВД.

Топливо из топливопровода высокого давления 22 поступает по топливопроводу 33 через радиальное отверстие 36 золотника 30 и топливопровод 34 в топливоподводящий канал 21 секции ТНВД. Резкое снижение давления топлива в топливопроводе высокого давления и в каналах 10, 9 и 8 форсунки до величины 0,1-0,15 МПа исключает возникновение в них гидравлических ударов, а следовательно, исключает создание условий для протекания подвпрысков топлива в цилиндр двигателя. Давление топлива у конусной части иглы 4 быстро уменьшается, что способствует быстрому опусканию иглы 4 форсунки в седло распылителя 3 и резкому окончанию впрыскивания топлива.

При опускании иглы 4 форсунки в распылитель 3 происходит ударное воздействие нижнего конуса иглы 4 на пьезодатчик Д₂, размещенный в седле распылителя 3 форсунки. Электрический сигнал от пьезодатчика Д₂ передается через усилитель А₂ на триггер T₂ и сбрасывает триггер Т₃ в исходное состояние. Силовой ключ закрывается, и электрический ток в электрическую обмотку 37 соленоида управления золотником 29 слива поступать не будет. Под действием пружины 35 золотник 30 поднимается вверх, радиальное отверстие 36 в золотнике и канал 31 в корпусе золотника 30 будут разобщены. Топливо из топливопровода высокого давления 22 в корпус аккумулятора 23 давления поступать не будет.

При возникновении значительных утечек легких топлив через неплотности между нагнетательным клапаном 18 и его седлом 19 секции ТНВД, а также между иглой 4 и распылителем 3 форсунки давление топлива в топливопроводе высокого давления 22 будет меньше, чем давление топлива в корпусе аккумулятора давления 23.

В этом случае топливо из канала аккумулятора давления 23 будет истекать через топливопровод 25 и открытый клапан 27 подпитки в топливопровод высокого давления 22. Поддержание давления топлива в пределах определенной заданной величины в топливопроводе высокого давления 22 позволяет оптимизировать как величину подачи топлива в отдельные цилиндры двигателя, так и продолжительность подачи по времени вследствие уменьшения влияния дросселирования во впускном и отсечном каналах гильзы 17 секции ТНВД.

При превышении силы давления топлива, действующего на внешнюю часть тарелки клапана подпитки 25, и силы упругости пружины 26 над силой давления топлива, действующего на внутреннюю часть тарелки клапана подпитки 25, клапан 25 закрывается.

Процесс топливоподачи в заявляемой системе является бессливным, т.к. топливо из полости 6 для размещения пружины 7 иглы 4 форсунки удаляется не в топливный бак, а в топливный канал 10 через открытый перепускной шариковый клапан 12, каналы 14 и 15. Шариковый клапан 12 будет открываться при прохождении через топливный канал 10 волн разрежения при закрытых игле 4 форсунки и нагнетательном клапане 18 секции ТНВД, а топливо из полости 6 для размещения пружины 7 будет перетекать в топливный канал 10. При прохождении в топливном канале 10 волн давления клапан 12 будет закрыт под действием собственного веса и давления топлива. Клапан 12 является самоустанавливающимся и не имеет пружины, что упрощает конструкцию клапанного узла.

Таким образом, заявляемая топливовпрыскивающая система многотопливного дизеля для бессливного процесса топливоподачи обладает большей надежностью работы по сравнению с прототипом за счет введения золотника сброса давления топлива в топливопровод высокого давления с устройством управления золотником сброса и клапаном подпитки топливом топливопровода высокого давления, аккумулятора давления, беспружинного шарикового перепускного клапана отвода топлива из полости размещения пружины иглы форсунки.

Применение заявляемой топливовпрыскивающей системы позволяет повысить мощностные, экономические и экологические показатели двигателя.

Источники информации

1. Б.Н.Файнлеб. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1974. - 263 с.

2. П.M.Белов, В.Р.Бурячко, Е.И.Акатов. Двигатели армейских машин. - М.: Воениздат, 1971. - 508 с.

Топливовпрыскивающая система многотопливного дизеля для бессливного процесса топливоподачи, содержащая форсунку, над иглой которой предусмотрена полость, связанная с подыгольным пространством через канал, в котором установлен перепускной клапан, и трубопроводом высокого давления с плунжерным насосом, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введены золотник сброса давления топлива в топливопроводе высокого давления и клапан подпитки топливом топливопровода высокого давления в комплексе с устройством управления золотником сброса давления топлива и клапаном подпитки, аккумулятор высокого давления, беспружинный шариковый перепускной клапан отвода топлива из полости размещения пружины иглы форсунки.