Система управления подачей топлива и способ ее работы
Изобретение относится к системе управления подачей топлива в дизель на стационарных установках и мобильном транспорте для больших дизелей, в частности на тракторах при выполнении различных технологий в сельском хозяйстве и в дорожном строительстве при выполнении земляных работ. Предлагаемое изобретение позволяет подавать топливо по прямоугольным законам при крутом фронте нарастания и спада давления при впрыске и при максимальном давлении впрыска, при равномерном распыливании топлива и подаче его через большое число отверстий форсунками с двумя отверстиями. Система управления подачей топлива в двигателе внутреннего сгорания включает форсунку, которая выполнена гидроуправляемой. Запирающие элементы выполнены соосно без гидроизоляции отверстий различных уровней или с их гидроизоляцией. В этом случае в распылителе выполнены кольцевые проточки между отверстиями различных уровней, взаимодействующих с кольцевыми выступами соответствующих запирающих элементов, система снабжена дополнительно как минимум двумя независимыми блоками внешнего управления подачей топлива, каждый из который состоит из первого и второго плунжеров, установленных на платформе, первого и второго гидроцилиндров. Между платформой и основанием установлена пружина, система снабжена дополнительно как минимум двумя управляющими гидрораспределителями, выполненными с возможностью аксиального линейного перемещения золотников гидрораспределителей, соединенных с соленоидами управления или пьезоприводом. Блоки внешнего управления подачей топлива соединены через управляемые гидрораспределители с форсункой. Способ работы системы управления подачей топлива в двигателе внутреннего сгорания заключается в том, что подают топливо под давлением при отсечке как минимум через две независимые камеры независимых управляемых клапанов в дополнительную, как минимум одну, внешнюю полость конечного изменяемого 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 время заполнения конечного изменяемого объема в разное время или одновременно в как минимум двух независимых внешних полостях изменяемого конечного объема, в которых создавалось разрежение при впрыске, а также в как минимум двух независимых полостях изменяемого конечного объема, в которых создавалось давление при впрыске. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.
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.
К недостаткам системы управления подачей топлива относятся:
- не позволяет рекуперировать часть энергии на управление обратно в топливный насос высокого давления и повысить реальный индикаторный к.п.д;
- 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, расположенных в теле форсунки;
- не позволяет в полной мере реализовать «прямоугольный» закон впрыска топлива из-за инерционности электромагнитных клапанов и наличия большого количества пружин в форсунке;
- не позволяет использовать дизель как источник управляемого момента при наличии возмущений случайного характера на его входе за счет независимой подачи топлива и реализации принципа комбинированного управления дизелем, заключающемся в комбинации фундаментальных принципов управления по возмущению и отклонению;
- не позволяет размещать управляющие блоки, например электроклапаны, вне тела форсунки.
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.
- 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 реализация комбинированного управления дизелем, 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 заявленному изобретению форсунка выполнена гидроуправляемой, как минимум с двумя неподпружиненными запирающими элементами и независимыми управляющими клапанами, расположенными в независимых камерах управления, как минимум с двумя независимыми промежуточными камерами управления, каждая из которых соединена со своим независимым гидроаккумулятором высокого давления через дроссель, при этом запирающие элементы выполнены соосно без гидроизоляции отверстий различных уровней или с их гидроизоляцией, причем в этом случае в распылителе выполнены кольцевые проточки между отверстиями различных уровней, взаимодействующих с кольцевыми выступами соответствующих запирающих элементов, система снабжена дополнительно как минимум двумя независимыми блоками внешнего управления подачей топлива, каждый из который состоит из первого и второго плунжеров, установленных на платформе, первого и второго гидроцилиндров, установленных на основании с отверстиями для подвода топлива в первый и второй гидроцилиндры, а между платформой и основанием установлена пружина, система снабжена дополнительно как минимум двумя управляющими гидрораспределителями, выполненными с возможностью аксиального линейного перемещения золотников гидрораспределителей, соединенных с соленоидами управления или пьезоприводом, при этом блоки внешнего управления подачей топлива соединены через управляемые гидрораспределители с форсункой, причем первый гидроцилиндр каждого блока управления подачей топлива соединен через гидрораспределитель с форсункой соответствующим независимыми каналами при впрыске и отсечке топлива, а второй гидроцилиндр каждого блока управления соединен или через управляемый гидрораспределитель или через управляемый гидрораспределитель и дроссель с независимым гидроаккумулятором высокого давления подачи топлива при впрыске топлива и через гидрораспределитель - с независимой камерой управления форсунки при отсечке топлива.
При этом дроссель, через который подается топливо во второй гидроцилиндр независимого внешнего блока управления подачей топлива, выбран с большим проходным сечением, чем проходное сечение дросселя, через который подается топливо в промежуточные независимые камеры 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 пружины независимых блоков внешнего управления подачей топлива выполнены с постоянным усилием сжатия.
Выполнение системы управления подачей топлива, в которой пружины блоков управления топливом выполнены с постоянным усилием сжатия, позволяет обеспечить: меньший расход энергии на управление подачей топлива.
Выполнение системы с как минимум двумя независимыми блоками внешнего управления подачей топлива, каждый из который состоит из первого и второго плунжеров, установленных на платформе, первого и второго гидроцилиндров, установленных на основании с отверстиями для подвода и отвода топлива в первый и второй гидроцилиндры, а между платформой и основанием установлена пружина для первого плунжера, позволяет обеспечить:
- создание разрежения в первом гидроцилиндре подачей топлива и под первым плунжером и по всему каналу управления подачей топлива за счет быстрого перемещения второго силового плунжера;
- рекуперацию энергию топлива в топливный насос высокого давления через отверстия в основании для подвода и отвода топлива из первого и второго гидроцилиндров.
Выполнение системы такой, что второй гидроцилиндр каждого блока управления соединен через гидрораспределитель и дроссель с аккумулятором высокого давления при впрыске топлива и через гидрораспределитель - с независимой камерой управления форсунки при отсечке топлива, при этом дроссель, через который подается топливо во второй гидроцилиндр независимого внешнего блока управления подачей топлива, выбран с большим проходным сечением, чем проходное сечение дросселя, через который подается топливо в промежуточные независимые камеры управления, позволяет обеспечить:
- быстрое перемещение обоих плунжеров и создание разрежения в первом из них, в который топливо поступает через дроссель меньшего сечения;
- поступление большего количества топлива в единицу времени во второй гидроцилиндр, который является силовым и служит для растяжения пружины, большее давление под его плунжером, перемещение обоих плунжеров вверх;
- растяжение пружины, подпружинивающей первый плунжер с помощью усилия, создаваемого вторым плунжером, запасание в ней потенциальной энергии для последующей рекуперации ее энергии через энергию топлива в источник энергии - топливный насос высокого давления.
Выполнение системы с возможностью аксиального линейного перемещения золотников гидрораспределителей, соединенных с соленоидами управления или пьезоприводом, причем блоки внешнего управления подачей топлива соединены через управляемые гидрораспределители с форсункой, при этом первый гидроцилиндр с подпружиненным плунжером каждого блока управления подачей топлива соединен через гидрораспределитель с форсункой соответствующими независимыми каналами при впрыске и отсечке топлива, а второй гидроцилиндр каждого блока управления соединен через гидрораспределитель и дроссель с аккумулятором высокого давления при впрыске топлива и через гидрораспределитель - с независимой камерой управления форсунки при отсечке топлива, позволяет обеспечить:
- программное управление впрыском с изменением длительности впрыска с помощью соленоидов управления, пьезопривода или механического привода по программам управления от электронного блока управления (широтно-импульсная модуляция по длительности);
- взаимодействие блоков внешнего управления подачей топлива с форсункой для реализации независимой подачи топлива через каждый отдельный уровень отверстий, осуществляемое через управляемый гидрораспределитель, близким по быстродействию к пьезоприводу;
- применение соленоидов управления, которые расположены вне тела форсунки, с большим быстродействием с целью реализации прямоугольного закона подачи топлива;
- применение быстродействующего пьезопривода для управления впрыском через любое возможное число уровней отверстий, например через два, три и более уровней отверстий.
Выполнение системы с как минимум двумя независимыми промежуточными камерами управления, каждая из которых соединена со своим независимым гидроаккумулятором высокого давления через дроссель, позволяет обеспечить:
- независимое управление впрыском топлива через каждый отдельный независимый уровень отверстий с регулированием подачи топлива изменением давления гидроаккумулятора (амплитудно-импульсная модуляция по давлению).
Выполнение системы управления подачей топлива, в которой 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 для подачи топлива (НГАВДПТ), причем запирающие элементы выполнены соосно без разделения отверстий различных уровней или с их разделением, а в этом случае в распылителе выполнены кольцевые проточки между отверстиями различных уровней, взаимодействующих с кольцевыми выступами соответствующих 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 (и более - по числу запирающих элементов) промежуточных камерах управления, каждая из которых соединена каналами с дросселями с НГАВДПТ, за счет дросселирования топлива, поступающего в независимые промежуточные камеры управления, 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 НГАВДПТ к каждому из отдельных независимых 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 закрытых независимых управляющих камерах независимых управляющих клапанов как минимум по двум цепочкам: НГАВДПТ - независимая промежуточная камера управления - независимая камера управления над отдельным независимым запирающим элементом - независимый запирающий элемент;
- независимый отвод топлива сверху от каждого из отдельных независимых 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 и гидравлически изолированных 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 - управляемый гидрораспределитель (УГР) с электромагнитным или пьезоприводом - блок внешнего управления подачей топлива;
- управление впрыском топлива через различные уровни отверстий от различных независимых аккумуляторов высокого давления при изменении их давления за счет так называемой амлитудно-импульсной модуляции (АИМ) гидравлического давления, которая при наличии двух НГАВД для 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 гидравлической изоляции отверстий различных уровней при подаче топлива от двух НГАВДПТ;
- впрыск топлива через отверстия различных уровней с их пересечением во времени в случае, если запирающие элементы выполнены соосно с гидравлической изоляцией отверстий различных уровней;
- гидравлическая изоляция 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 или нескольким запирающим элементам при числе их больше двух от НГАВД, число которых равно числу уровней отверстий;
- независимый перевод на упор при впрыске топлива каждого как минимум из двух независимых запирающих элементов при независимом подводе давления сверху от как минимум двух НГАВДПТ;
- 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, система, снабжена дополнительно как минимум двумя независимыми блоками внешнего управления подачей топлива с разными программами управления, каждый из который состоит из первого и второго плунжеров, установленных на платформе, первого и второго гидроцилиндров, установленных на основании с отверстиями для подвода топлива в первый и второй гидроцилиндры, а между платформой и основанием установлена пружина для первого плунжера, система снабжена дополнительно как минимум двумя управляющими гидрораспределителями, выполненными с возможностью аксиального линейного перемещения золотников гидрораспределителей, соединенных с соленоидами управления или пьезоприводом, при этом блоки внешнего управления подачей топлива соединены через управляемые гидрораспределители с форсункой, причем первый гидроцилиндр с подпружиненным плунжером каждого блока управления подачей топлива соединен через гидрораспределитель с форсункой соответствующими независимыми каналами при впрыске и отсечке топлива, а второй гидроцилиндр каждого блока управления соединен через управляемый гидрораспределитель и дроссель с аккумулятором высокого давления при впрыске топлива и через гидрораспределитель - с независимой камерой управления форсунки при отсечке топлива, позволяет обеспечить:
- программное управление впрыском на основе как минимум двух независимых блоков внешнего управления топливом, реализация которых проще, надежней и дешевле при внешнем исполнении;
- программное управление впрыском на основе как минимум двух независимых блоков внешнего управления подачей топлива (НБВУПТ), 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 НБВУПТ 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 НБВУПТ 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 НБВУПТ больше числа независимых управляющих камер с независимыми управляющими клапанами и при этом НБВУПТ соединяются для каждой камеры управления независимым клапаном в параллель и реализуют с помощью конкретного управляющего клапана несколько программ впрыска через один уровень отверстий;
- создание при впрыске разрежения в каждом как минимум из двух независимых блоках внешнего управления подачей топлива путем взаимодействия каждого блока внешнего управления подачей топлива с управляемым гидрораспределителем с электромагнитным приводом или пьезоприводом, когда один управляемый электромагнитный или пьезопривод могут реализовать один или несколько впрысков;
- применение числа НБВУПТ больше двух из расчета, что один соленоид или один пьезопривод с одним управляемым гидрораспределителем, реализующий программу хотя бы одного впрыска, управляется одним блоком внешнего управления подачей топлива, например: для устройства с двумя независимыми уровнями отверстий и двумя независимыми запирающими элементами может быть применено три, четыре, пять блоков управления и, соответственно, три, четыре, пять УРГ с электроприводом или пьезоприводом, эти блоки соединяются с двумя независимыми камерами управления гидравлически и в параллель, а число блоков внешнего управления подачей топлива при этом пропорционально числу впрысков топлива для одного независимого клапана управления;
- создание давления и в независимой камере управления над независимым управляющим клапаном для его закрытия и подачу топлива под давлением в гидроаккумулятор низкого давления (ГАНД) через форсунку, причем подача топлива под давлением в ГАНД реализуется через два плунжера, которые вытесняют топливо под давлением, развиваемым силой пружины первого подпружиненного плунжера;
- компактность форсунки за счет отсутствия в ней пружин для управления двумя запирающими элементами и двумя управляющими клапанами и управления подачей топлива за счет двух НБВУПТ, выполненных отдельно от форсунки;
- частичную рекуперацию энергии топлива, потраченной на управление при подаче топлива, путем возврата под давлением топлива из подплунжерных полостей двухгидроцилиндров каждого как минимум из двух блоков управления подачей топлива в топливный насос высокого давления (ТНВД);
- создание высокого давления в каждой независимой камере управления управляющими клапанами и предотвращение образования 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;
- расширение возможностей для мониторинга процесса сжигания топлива и управления составом отходящих газов за счет широтно-импульсной модуляции по времени (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 и 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 управлении обеспечить мониторинг сжигания газов и внести необходимые оперативные коррективы в процесс впрыска и сжигания топлива при изменении внешних условий.
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.
Система управления подачи топлива позволяет повысить экономичность и надежность топливной аппаратуры, снизить ее стоимость, повысить индикаторный к.п.д. за счет рекуперации энергии топлива в ТНВД, повысить к.п.д. дизеля за счет мелкодисперсного распыления топлива через число отверстий больше двух, использовать дизель как источник управляемого момента при реализации комбинированного управления инвариантного к возмущениям.
Поставленная цель достигается тем, что 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 через каждый уровень отверстий, закрывание управляющих клапанов и осуществление отсечки подачи топлива, согласно заявленному изобретению, создают давление как минимум по одной заданной программе для каждой, как минимум двух, независимых внешних полостей изменяемого конечного объема, одновременно создают разрежение как минимум по одной заданной программе для каждой, как минимум двух, других независимых внешних полостей изменяемого конечного объема, как минимум с одним шагом изменения объема при реализации как минимум одного впрыска за цикл подачи топлива, открывают как минимум два независимых управляющих клапана, последовательно соединяют как минимум две независимые внешние полости изменяемого конечного объема в которых создавалось разрежение, а также как минимум две независимые полости изменяемого конечного объема, в которых создавалось давление, как минимум две независимые камеры управления независимых управляющих клапанов, как минимум две независимые управляющие камеры запирающими элементами, в которые подают топливо как минимум от одного независимого, управляемого по давлению, гидроаккумулятора высокого давления, через как минимум две независимые промежуточные камеры управления, подают топливо как минимум под два запирающих элемента, как минимум через два уровня отверстий распылителя в камеру сгорания одновременно или в разное время, создают давление как минимум в двух независимых полостях изменяемого конечного объема, в которых создавалось разрежение при впрыске и в как минимум в двух независимых полостях изменяемого конечного объема, в которых создавалось давление при впрыске, подают топливо под давлением при отсечке как минимум через две независимые камеры независимых управляемых клапанов в дополнительную, как минимум одну, внешнюю полость конечного изменяемого 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 время заполнения конечного изменяемого объема в разное время или одновременно в как минимум двух независимых внешних полостях изменяемого конечного объема, в которых создавалось разрежение при впрыске, а также в как минимум двух независимых полостях изменяемого конечного объема, в которых создавалось давление при впрыске
При этом топливо в как минимум две независимые внешние полости изменяемого конечного объема, в которых создается разрежение при впрыске, и как минимум в две независимые внешние полости изменяемого конечного объема, в которых создается давление при впрыске, подают с разной скоростью.
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 так же быстро ее прекращать.
Способ позволяет реализовать независимую подачу топлива как минимум через два уровня отверстий, а при реализации независимой подачи через несколько уровней отверстий впрыска способ позволяет достичь абсолютного максимума к.п.д для мощных дизелей за счет распыливания топлива в виде мелкодисперсных частиц -«тумана из топлива» с высоким кинетическим импульсом при оптимальном давлении впрыска.
Способ позволяет осуществлять непрерывное независимое управление длительностью впрыска за счет непрерывного изменения времени заполнения внешнего объема и регулированием электронным путем времени работы электромагнитного привода или пьезопривода в каждом как минимум из двух блоков внешнего управления подачей топлива и при этом реализуется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) времени впрыска.
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 и при этом реализуется амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) давлением впрыска.
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 расширяются возможности управления мощностью, в том числе управления мощностью по заданным законам, обусловленными технологическими требованиями.
Способ позволяет реализовать совершенно независимый впрыск топлива через два и более уровней отверстий и за счет этого реализовать эффективное комбинированное инвариантное управление дизелем при наличии внешних возмущений момента сопротивления случайного характера
Способ позволяет реализовать текущий мониторинг сжигания топлива за счет максимально возможного многообразия операций управления впрыском и реализацию оптимальных программ впрыска при изменении внешних условий.
Предлагаемая система управления подачей топлива и способ ее работы устройство иллюстрируются следующими чертежами:
- 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 гидроизолированных отверстий для впрыска (вариант);
- фиг.3 - схематичное изображение первого независимого блока внешнего управления подачей топлива (НБВУПТ);
- фиг.4 - схематичное изображение второго независимого блока внешнего управления подачей топлива (НБВУПТ);
- фиг-5 - блок-схема работы системы управления подачей топлива;
- на фиг.6,а - блок-схема пьезопривода для управления первым уровнем отверстий;
на фиг.6,б - блок-схема пьезопривода для управления вторым уровнем отверстий;
На фиг.1 представлена форсунка 1, выполненная с двумя независимыми запирающими элементами: иглой 2 и втулкой 3, содержащая отверстия первого 4 и второго уровней 5, выполненные в распылителе 6, независимые камеры управления 7 и 8 (НКУ 7 и НКУ 8), размещенные в них независимые управляющие клапаны 9 и 10 (НУК 9 и НУК 10) и связанные с НКУ 7 и НКУ 8 независимыми каналами 11 и 12, независимыми промежуточными камерами управления 13 и 14 (НПКУ 13 и НПКУ 14). НКУ 7 и НКУ 8 соединены соответственно на выходе каналами 15 и 16 с двумя независимыми блоками внешнего управления подачей топлива (НБВУПТ, которые на фиг.1 не показаны) и двумя независимыми каналами, соответственно 17 и 18, для отвода топлива, с гидроаккумулятором низкого давления форсунки (далее ГАНД, который на фиг.1 не показан).
Независимые камеры управления запирающими элементами 19, иглой 2 (НКУЗЭ 19) и НКУЗЭ 20 втулкой 3 соединены с НПКУ 13 и НПКУ 14. Канал 21 служит для подвода топлива высокого давления ко втулке 3 снизу от независимого аккумулятора высокого давления подачи топлива (НГАВДПТ, который на фиг1. не показан). Канал 22 служит для подвода топлива высокого давления к игле 2 сверху и через дроссель к НПКУ 13 от другого независимого аккумулятора высокого давления - подачи топлива (НГАВДПТ, который на фиг.1 не показан). Канал 23 с дросселем (дроссель на фиг.1 не показан) служит для подвода топлива высокого давления к НПКУ 14 от НГАВДПТ аккумулятора высокого давления (НГАВДПТ на фиг.1 не показан), связанной гидравлически с НКУЗЭ 20 и, следовательно, ко втулке 3 сверху.
Канал 22 соединен каналом для подвода топлива высокого давления 24 от НГАВДПТ (НГАВДПТ 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 НГАВДПТ (НГАВДПТ 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 снизу к отверстиям первого уровня 4.
Канал для подвода высокого давления 21 под втулку 3 к отверстиям второго уровня 5 от НГАВДПТ (НГАВДПТ на фиг.1 не показан) соединен с кольцевой проточкой 28 в корпусе 1 между корпусом форсунки 1 и внешней стороной втулки 3.
На фиг.2 показан вариант исполнения форсунки 1 с кольцевым выступом 29, который является продолжением втулки 3 и входит в кольцевую проточку 30 в распылителе 6 между отверстиями первого 4 и второго уровня 5 и разделяет их при впрыске.
На фиг.3 показан первый независимый блок внешнего управления подачей топлива 31 (НБВУПТ 31), платформа блока 32, первый плунжер 33 НБВУПТ 31, первый гидроцилиндр 34, пружина 35, второй плунжер 36, второй гидроцилиндр 37, основание 38, первое отверстие 39 в основании 38, второе отверстие 40 в основании 38; трубопроводы 41, 42 для подвода и отвода топлива к НБВУПТ 31, корпус управляющего гидрораспределителя 43 (УГР 43), золотник 44, пружина 45, корпус управляющего соленоида 46, обмотка соленоида 47, сердечник соленоида 48, каналы золотника 49, 50 УГР 43 для подачи топлива в НБВУПТ 31 при впрыске топлива; отверстия в корпусе УГР 51, 52 для подачи топлива в НБВУПТ 31 при впрыске топлива; каналы золотника 53, 54 УГР 43 при отсечке подачи топлива в форсунку и при рекуперации топлива; отверстия в корпусе 55, 56 УГР 43; трубопровод 57, соединяющий корпус УГР 43 с отверстием 51 с форсункой 1 и ее каналом 15 при впрыске топлива; трубопровод 58, соединяющий корпус УГР 43 с отверстием 52 с первым независимым гидроаккумулятором высокого давления (НГАВДПТ) при впрыске топлива; дроссель 59 в трубопроводе 58; трубопровод 60, соединяющий корпус УГР 43 с отверстием 55 с форсункой 1 и ее каналом 15 при отсечке топлива и рекуперации топлива; трубопровод 61, соединяющий корпус УГР 43 с отверстием 56 с форсункой 1 и ее каналом 15 при отсечке топлива и рекуперации топлива; трубопровод 62, соединяющий корпус УГР 43 с отверстием 55 с форсункой 1 и ее каналом 15 при отсечке топлива и рекуперации топлива; трубопровод 63, соединяющий корпус УГР 43 с отверстием 56 с БВУФ 31 через трубопровод 42.
На фиг.4 показан первый независимый блок внешнего управления форсункой 64 (НБВУПТ 64), платформа блока 65, первый плунжер 66 НБВУПТ 64, первый гидроцилиндр 67, пружина 68, второй плунжер 69, второй гидроцилиндр 70, основание 71, первое отверстие 72 в основании 71, второе отверстие 73 в основании 71; трубопроводы 74,75 для подвода и отвода топлива к НБВУПТ 64, корпус управляющего гидрораспределителя 76 (УГР 76), золотник 77, пружина 78, корпус управляющего соленоида 79, обмотка управляющего соленоида 80, сердечник соленоида 81; каналы золотника 82, 83 УГР 76 для подачи топлива в НБВУПТ 64 при впрыске топлива; отверстия в корпусе золотника 84, 85 для подачи топлива в БВУФ 64 при впрыске топлива; каналы золотника 86, 87 УГР 76 для отсечки подачи топлива в форсунку 1 и при рекуперации топлива; отверстия 88, 89 в корпусе УГР 76; трубопровод 90, соединяющий корпус УГР 76 с отверстием 84 с форсункой 1 и ее каналом 15 при впрыске топлива; трубопровод 91, соединяющий корпус УГР 76 с отверстием 85 с форсункой 1 второго независимого гидроаккумулятором высокого давления подачи топлива (НГАВДПТ); дроссель в трубопроводе 91; трубопровод 93, соединяющий корпус УГР 76 с отверстием 88 с форсункой 1 и ее каналом 15 при отсечке топлива и рекуперации топлива; трубопровод 94, соединяющий корпус УГР 76 с отверстием 89 с форсункой 1 и ее каналом 15 при отсечке топлива и рекуперации топлива; трубопровод 95, соединяющий корпус УГР 76 с отверстием 88 с форсункой 1 и ее каналом 15 при отсечке топлива и рекуперации топлива; трубопровод 96, соединяющий корпус УГР 76 с отверстием 89 с БВУФ 64 через трубопровод 75.
На фиг.5 показана блок-схема работы системы управления для реализации способа, содержащая НБВУПТ 31 и НБВУПТ 64, соединенные соответственно группами трубопроводов 41, 42 62, 63 и 74, 75, 95, 96 с корпусами УГР 43 и УГР 76, которые соединены с управляющими соленоидами 46 и 79.
Корпуса УГР 43 и УГР 76 соединены группами трубопроводов 57, 60, 61 и 90, 93, 94 с форсункой 1 и ее каналами 15 и 16 соответственно. Гидроаккумулятор низкого давления 97 (ГАНД 97) с датчиком давления 98 и клапаном регулирования давления 99 (КРД 99) соединен соответственно трубопроводами 100 и 101 с дросселями (дроссели на фиг.5 не показаны) с каналами 17 и 18 форсунки 1 (фиг.1, фиг.2)
Первый независимый гидроаккумулятор высокого давления для подачи топлива 102 (НГАВДПТ 102) с датчиком давления 103 и клапаном регулирования давления 104 (КРД 104) соединен трубопроводом 105 с форсункой 1 и трубопроводом 58 с дросселем 59, с корпусом УГР 43 и каналом 50 золотника 44 через отверстие 52 корпуса УГР 43.
Второй независимый гидроаккумулятор высокого давления для подачи топлива 106 (НГАВДПТ 102) с датчиком давления 107 и клапаном регулирования давления 108 (КРД 108) соединен трубопроводом 109 с форсункой 1 и трубопроводом 91 с дросселем 92 с корпусом УГР 76, а также с каналом 83 золотника 77 через отверстие 85 корпуса УГР 76.
Электронный блок управления 110 (ЭБУ 110) соединен электрически с управляющими соленоидами 46 и 79, с датчиками давления 98,103,107, а также с КРД99, КРД104 и КРД 108.
Топливный бак 111, фильтр топлива 112, топливоподкачивающий насос 113 и топливный насос высокого давления 114 (ТНВД 114) соединены между собой гидравлически.
При этом ТНВД 114 соединен с выходом ГАНД 97 через его КРД 99, а на выходе соединен с первым НГАВДПТ 102 и вторым НГАВДПТ 106, которые в свою очередь соединены с топливным баком 111.
С ЭБУ 110 соединен блок датчиков 115, включающий датчики концентрации окислов азота, датчик частоты вращения выходного вала дизеля и другие.
На фиг.6,а показана блок-схема пьезопривода, состоящая из пьезопривода 116, мультипликатора хода столбика из пьезокристаллов 117, УГР 43 для подачи топлива через первый уровень отверстий 4;
На фиг 6,б показана блок-схема пьезопривода, состоящая из пьезопривода 118, мультипликатора хода столбика из пьезокристаллов 119, УГР 76 для подачи топлива через второй уровень отверстий 5.
Рассмотрим работу системы на примере форсунки с гидроизоляцией отверстий различного уровня (фиг.2)
На фиг.3 и фиг.4 золотники 44 и 77 находятся в крайнем левом положении. Это означает, что на катушки 47,80 управляющих соленоидов 46,79 подается напряжение от ЭБУ 110, электромагнитная силы, развиваемые управляющими соленоидами 46, 79, преодолевают сопротивление пружин 45 и 78, притягивают золотники 44 и 47 к сердечникам 48 и 81 и фиксируют их в крайнем левом положении на время подачи программных управляющих импульсов напряжения от ЭБУ 110.
ЭБУ 110 регламентирует длительность импульсов подачи напряжения на катушки 47,80 соленоидов 46, 79 и, следовательно, длительность и число впрысков топлива по алгоритмам, которые вырабатываются на основании информации от группы датчиков 115, а также на основании возможностей системы управления подачей топлива.
ЭБУ 110 также регламентирует по задаваемым программам длительность и число отсечек подачи топлива, когда на катушки управляющих соленоидов напряжение не подается от ЭБУ 110 и золотники 44, 77 под действием пружин 45, 78 перемещаются в крайнее правое положение.
ЭБУ 110 регламентирует число впрысков, длительность впрысков, давление впрысков топлива посредством КРД 104, КРД 108, через отверстия (фиг.2) нижнего 4 и верхнего уровней 5.
При нахождении золотников 44 и 77 в крайнем левом положении совмещаются каналы 49, 82 и каналы 50, 83 в золотниках 44 и 77 соответственно с отверстиями 51, 84 и 52, 85 в корпусах УГР 43 и УГР 76. Топливо поступает от первого НГАВДПТ 102 и второго НГАВДПТ 106 при совмещении каналов 50, 83 по трубопроводам 58, 91 с дросселями большего проходного сечения 59, 92, чем проходные сечения дросселей в каналах 22 и 23 форсунки 1 (фиг.2), в подплунжерные полости первого 36 и второго гидроцилиндров 69 в НБВУПТ 31, 64 по трубопроводам 42, 75.
Под действием топлива плунжеры 36,69 перемещаются вверх, растягивают пружины 35 и 68, подпружинивающие плунжеры в гидроцилиндрах 34, 67 и 67, 70, соответственно в НБВУПТ 31 и НБВУПТ 64.
Поскольку плунжеры 33 и 66 движутся одновременно с плунжерами 36 и 69, то в подплунжерных полостях первых гидроцилиндров 34 и 67 создается разрежение.
Одновременно по мере создания разрежения в них, в подплунжерные полости первых гидроцилиндров 34 и 67 подается топливо от форсунки 1 через каналы 15 и 16 соответственно.
Цепочки подачи топлива следующие: топливо подается от первого
НГАВДПТ 102 по трубопроводу 105 в канал высокого давления 24 форсунки 1, канал высокого давления 22 с дросселем (на фиг.2 дроссель не показан) в НПКУ 13, по каналу 11 в НКУ 7 и НУК 9 и через канал 15 - в БВУПТ 31 (фиг.3); топливо подается от второго НГАВДПТ 106 по трубопроводу 109 в канал высокого давления 23 форсунки 1 с дросселем (на фиг.2 дроссель не показан) в НПКУ 14, по каналу 12 в НКУ 8 и НУК 10 и через канал 16 - в НБВУПТ 64 (фиг.4).
НУК 9 и НУК 10 практически мгновенно открываются как под действием разрежения, которое создается в подплунжерных полостях гидроцилиндров 34 и 67, так и под действием давления топлива на клапаны НУК 9 и НУК 10 снизу.
Обратные клапаны в трубопроводах 100 и 101 (на фиг.5 обратные клапаны не показаны) препятствуют поступлению топлива из ГАНД 97 в подплунжерные полости первых гидроцилиндров 34 и 67 НБВУПТ 31 и НБУВПТ 64 во время впрыска топлива.
Топливо, поступаемое в подплунжерные полости гидроцилиндров 34 и 67, тормозится до некоторой величины давления, достаточной для того, чтобы в НКУ 7, НКУ8, а также в НПКУ 13 и НПКУ 14, а также в НКУЗЭ 19 и НКУЗЭ 20 из топлива не выделялись пузырьки воздуха.
Этот момент важен для того, чтобы при отсечке установка иглы 2 и втулки 3 осуществлялась надежно на седло и был невозможен прорыв газов из камеры сгорания через отверстия 4 и 5 в форсунку 1 вовремя отсечки топлива. В итоге в системе управления подачей топлива топливо находится всегда под таким давлением, при котором выделение пузырьков воздуха невозможно
Из-за разности поверхностей площадок иглы 2 и втулки 3 сверху и дифференциальных площадок иглы 2 и втулки 3 снизу, а также разницы давлений над 2 и под иглой 2, над 3 и под втулкой 3, игла 2 и втулка 3 мгновенно перемещаются при отсутствии пружин в верхнее крайнее положение и становятся на упор.
Максимальное давление к игле 2 снизу подводится от первого НГАВДПТ 102 по трубопроводу 105 (фиг.5), каналу для подвода высокого давления 22, полукольцевой полости в игле 2 (на фиг.2 полукольцевая полость не показана), осевому каналу 25, радиальному каналу 26, кольцевой проточке 27 в игле 2.
Максимальное давление ко втулке 3 снизу подводится от второго НГАВДПТ 106 по трубопроводу 109 (фиг.5), каналу для подвода топлива высокого давления 21, кольцевой проточке 28 между корпусом форсунки 1 и внешней стороной втулки 3.
Топливо под высоким давлением поступает в отверстия первого 4 и второго уровней 5. Происходит впрыск топлива через отверстия обоих уровней в камеру сгорания.
Регулирование длительности впрыска осуществляется с помощью ЭБУ 110, который задает требуемую длительность импульсов напряжения, подаваемого на электропривод 46 и 79 (или пьезопривод 116, 118) УГР 44 и УГР 77 соответственно. При этом реализуется множество программ впрыска, поскольку программы впрыска изменяются в зависимости от внешних условий по информации, поступаемой с блока датчиков 115 в ЭБУ 110 в случае мониторинга процесса сжигания или при реализации комбинированного инвариантного к возмущениям случайного характера управления дизелем.
Так осуществляется широтно-импульсная модуляция длительности управления впрыском или временем впрыска.
Когда втулка 3 становится на упор, то кольцевой выступ 29 не выходит полностью из кольцевой проточки 30 и обеспечивает постоянную гидроизоляцию отверстий первого 4 и второго уровней 5.
Это позволяет регулировать количество подаваемого при впрыске топлива изменением давления первого НГАВДПТ 102 для иглы 2 и второго НГАВДПТ 106 для втулки 3 и реализовать амплитудно-импульсную модуляцию подавлению.
Давление от НГАВДПТ 102 и НГАВДПТ 106, подаваемое под иглу 2 и втулку 3, регулируется КРД 104 и КРД 108 соответственно через ЭБУ 110, что позволяет изменять количество подаваемого топлива при впрыске.
Когда по команде с ЭБУ 110 напряжение снимается с катушек 47 и 80 управляющих соленоидов 46, 79, то электромагнитная сила мгновенно уменьшается до нуля и золотники 44 и 77 под действием пружин 45 и 78 перемещаются на величину Δh вправо и занимают крайнее правое положение.
Соленоиды с внешним управлением выполняются с минимальной индуктивностью катушек 47 и 80, а следовательно, с максимальным быстродействием, близким к быстродействию пьезопривода 116,118 (фиг.6а, б).
При этом перекрываются каналы 49, 82 и 50, 83 в УГР 43 и УГР 76, которые обеспечивали впрыск топлива и открываются каналы 53, 86 и 54, 87 для реализации отсечки топлива, которые совмещаются с отверстиями 55, 88 и 56 и 89 соответственно при управлении иглой 2 и втулкой 3.
Пружины 35, 68 начинают сжиматься и создают давление в гидроцилиндрах 34, 67 и 37, 70, воздействуя на плунжеры 33, 66 и 36, 69 соответственно при управлении впрыском через первый 4 и второй уровень 5 отверстий.
Топливо под давлением поступает в форсунку 1 по двум цепочкам соответственно при управлении впрыском через первый 4 и второй уровень 5 отверстий: через отверстия 39, 40 от НБВУПТ 31, трубопроводы 41, 42, трубопроводы 62, 63, отверстия 55, 56, каналы 53, 54 золотника 44 УГР 43, канал 15 форсунки 1, в НКУ 7, закрывая НУК 9, канал 17, трубопровод 100 с обратным клапаном и дросселем (на фиг.5 обратный клапан и дроссель не показаны) в ГАНД 97 и через его КРД 99 - в ТНВД 114, осуществляя рекуперацию энергии топлива, потраченного на управление иглой 2;
через отверстия 72, 73 от НБВУПТ 64, трубопроводы 74, 75 трубопроводы 95, 96 отверстия 88, 89 каналы 86, 87 золотника 77 УГР 76, канал 16 форсунки 1, в НКУ 8, закрывая НУК 10, канал 18, трубопровод 101 с обратным клапаном и дросселем (на фиг.5 обратный клапан и дроссель не показаны) в ГАНД 97 и через его КРД 99 в ТНВД 114, осуществляя рекуперацию энергии топлива, потраченного на управление втулкой 3.
НУК 9 и НУК 10 закрываются от давления топлива на них сверху. Топливо под давлением рекуперируется в ТНВД 114 по цепочкам соответственно при управлении впрыском через первый 4 и второй уровень 5 отверстий: канал 15, НКУ 9, канал 17, трубопровод 100 (фиг.5), ГАНД 97, КРД 99, ТНВД 114; канал 16, НКУ 10, канал 18, трубопровод 101 (фиг.5), ГАНД 97, КРД 99, ТНВД 114. При этом с помощью КРД 99 устанавливается в НКУ 7 и НКУ 8 давление, при котором исключено самопроизвольное открывание НУК 9 и НУК 10. Сила сжатия пружин 35 и 68 выбирается больше максимального давления, которое может быть установлено посредством КРД 99.
Дроссели в трубопроводах 100 и 101 (на фиг.5 не показаны) служат для демпфирования колебаний в НКУ 7 и НКУ 8 при отсечке подачи топлива и при частичной рекуперации энергии топлива, потраченной на управление форсункой 1 при впрыске, в ТНВД 114.
Это позволяет повысить реальный индикаторный к.п.д. дизеля и сделать работу форсунки более экономичной.
Отсечкой завершается первый впрыск топлива через отверстия первого 4 и второго уровней 5.
При отсечке игла 2 и втулка 3 мгновенно и надежно устанавливаются на седло распылителя 6 при отсутствии подпружинивающих элементов, реализуется при этом прямоугольный закон впрыска топлива.
Топливо подается от НГАВДПТ 102 к игле 2 и от НГАВДПТ 106 ко втулке 3 по двум цепочкам соответственно при управлении впрыском через первый 4 и второй уровень 5 отверстий: к игле 2 по трубопроводу 105 к каналу 24 форсунки 1, каналу 22 с дросселем (дроссель на фиг 2 не показан), в НПКУ 13 по каналу (на фиг.2 не показан) в НКУЗЕ 19; ко втулке 3 по трубопроводу 109, каналу 23 с дросселем форсунки 1 (дроссель на фиг 2 не показан), в НПКУ 14 по каналу (на фиг.2 не показан) в НКУЗЕ 20.
Давление в НКУЗЕ 19 над 2 и под иглой 2 выравниваются.
Поскольку площадь иглы 2 сверху больше и дифференциальной площадки иглы 2 снизу, то игла 2 мгновенно перемещается вниз и становится на седло распылителя 6, перекрывая отверстия первого уровня 4.
Давление в НКУЗЕ 20 над 3 и под втулкой 3 выравниваются.
Поскольку площадь втулки 3 сверху больше и дифференциальной площадки втулки 3 снизу, то она мгновенно перемещается вниз и становится на седло распылителя 6, перекрывая отверстия второго уровня 5.
Происходит отсечка топлива, и топливо не подается через отверстия первого 4 и второго уровней 5.
Частный случай управления может быть реализован при отсутствии временного пересечения впрысков через отверстия (фиг.1) первого 4 и второго уровней 5. В случае отсутствия гидроизоляции отверстий первого 4 и второго уровней 5 (фиг.1) работа системы осуществляется аналогичным образом. Разница только в том, что впрыск топлива через отверстия первого уровня 4 и через отверстия второго уровня 5 реализуется в разных временных интервалах.
Иначе говоря, осуществляется раздельное по времени управление впрыском через отверстия двух уровней для случая подачи топлива от двух НГАВДПТ: от НГАВДПТ 102 и НГАВДПТ 106.
Эта система имеет ограниченное применение. При впрыске топлива через отверстия первого уровня 4 и управлении посредством НБВУПТ 102 управляющим соленоидом 46 и УГР 43 дизель работает на холостом ходу и при малых нагрузках. При впрыске топлива через отверстия второго уровня 5 и управлении посредством НБВУПТ 106 управляющим соленоидом 79 и УГР 76 дизель работает на средних нагрузках и при нагрузках, приближающихся к номинальным.
Выше был рассмотрен случай одновременного впрыска топлива через отверстия первого 4 и второго уровней 5, причем впрысков равной длительности.
Число впрысков при внешнем управлении с помощью электромагнитного привода 46, 79 или с помощью пьезопривода 116, 118 может быть выполнено столько, сколько потребуется для реализации максимального индикаторного к.п.д.
Возможность независимого управления длительностью впрысков через отверстия первого 4 и второго уровней 5 в силу гидроизоляции отверстий различных уровней кольцевым выступом 29, входящим в кольцевую проточку 30, а также возможность управления давлением впрыска от независимых НГАВДПТ 102 через КРД 104 (управление впрыском через отверстия первого уровня 4) и НГАВДПТ 106 через КРД 108 (управление впрыском через отверстия второго уровня 5) раскрывает максимальные возможности для реализации мониторинга сжигания газов и оперативного формирования оптимальных программ впрыска, реализуемых автоматически при изменении внешних условий.
Кроме того, реализация впрыска по предлагаемого способу может быть реализована для трех и более уровней отверстий.
При этом сохраняется описанный принцип управления.
Абсолютно аналогично происходит управление пьезоприводом 116 (управление впрыском через первый уровень отверстий 4 за счет управления иглой 2), 118 (управление впрыском через второй уровень отверстий 5 за счет управления втулкой 3), фиг.6.
При внешнем управлении пьезоприводы 116 (управление впрыском через первый уровень отверстий 4 за счет управления иглой 2) и 118 (управление впрыском через первый уровень отверстий 5 за счет управления иглой 3) набираются из большего числа пьезокристаллических пластин, и обеспечивается требуемый ход золотников 44 и 77 для УГР 43 и УГР 76 соответственно. Для увеличения хода золотников 44 и 77 применяются мультипликаторы хода 117, 119 что позволяет увеличить диаметр отверстий плунжера и расширить возможности управления для мощных дизелей.
Блок датчиков 115, соединенный с ЭБУ 110, позволяет изменять длительность впрыска и число впрысков, например, при превышении уровня NOx, выше допустимого по экологическим требованиям. При этом увеличивается частота впрысков и снижается их длительность, а следовательно, снижается температура сжигания топлива и, как следствие, величина NOx.
Датчик частоты вращения из блока 115 и задатчик частоты вращения из ЭБУ 110 позволяют поддерживать за счет изменения длительности, частоты впрысков, давления впрысков частоту вращения в узких пределах. Это позволяет реализовать на дизеле комбинированное управление, когда реализуются в комбинации фундаментальные принципы управления: фундаментальный принцип управления по возмущению и фундаментальный принцип управления по отклонению.
При этом реализуется с помощью ЭБУ и управление по производной отклонения частоты вращения от заданной, равно и любого другого управляющего параметра. Дизель приобретает новое качество: он становится источником управляемого момента.
При случайном увеличении или уменьшении нагрузки увеличивается или уменьшается длительность управляющих импульсов от ЭБУ 110 или длительность и давление впрыска через НГАВДПТ 102 и КРД 104.
Это реализуется в предлагаемом варианте с форсункой с двумя уровнями (отверстия 4 и 5 соответственно) гидроизолированных отверстий, впрыск через которые реализуется совершенно независимыми каналами управления.
Например, основное возмущение и при номинальной мощности Рдиз=const и частоте вращения коленчатого вала дизеля nдиз=const реализуется впрыском топлива через отверстия второго уровня 5, число которых больше числа отверстий первого уровня 4, с соблюдением экологических требований при управлении от ЭБУ 110.
При снижении частоты вращения от nдиз=const и при увеличении момента сопротивления топливо подается дополнительно через второй уровень отверстий 4. В камере сгорания сжигается дополнительное количество топлива, возрастает мощность дизеля (его цилиндров) и компенсируется возросший момент сопротивления с учетом того, что 
Так реализуется принцип «внешнего энергетического дополнения» мощности, а дополнительная мощность требуется кратковременно для управления большого числа рабочих органов тракторных агрегатов.
При этом проблема дополнительного увеличения количества воздуха, требуемого для сжигания дополнительного количества топлива, решается установкой на дизель компрессор с увеличенной мощностью с настройкой его оптимальной работы на номинальный режим и режим выше номинального.
При отклонениях частоты вращения вала дизеля от заданной nдиз=const в сторону увеличения (в сторону снижения момента сопротивления) отключается канал управления впрыском топлива через отверстия первого уровня 4, а независимый канал управления подачей топлива через отверстия второго уровня 5 уменьшает длительность впрыска и/или давление впрыска через КРД 108 с помощью ЭБУ 110. В камере сгорания сжигается меньшее, чем при номинальном режиме, количество топлива, уменьшается мощность дизеля (его цилиндров) и компенсируется более низкий момент сопротивления
Согласно заявленному изобретению число уровней отверстий может быть более двух, например три уровня отверстий, при независимом управлении подачей топлива через любой из трех уровней отверстий и гидроизоляции всех трех уровней отверстий.
Для реализации независимого впрыска через три уровня отверстий при этом используется три электропривода или пьезопривода, три УГР, три НКУ, три НУК, три НПКУ, три НКУЗЭ.
Использование трех уровней отверстий (или более) для подачи топлива позволяет получить идеальное по дисперсности топливо в виде «тумана из топлива», подаваемого в камеру сгорания под большим, но оптимальным давлением через большое количество отверстий малого сечения, расположенных на трех (или более) уровнях.
К.п.д. дизелей, особенно для дизелей большой и максимальной мощности, может быть увеличен до максимальной верхней границы, которая до сих пор не достигнута. Дизель с такой системой подачи топлива будет самым экологичным из всех существующих.
В этом случае реализация комбинированного инвариантного управления получает новые возможности в силу различных комбинаций независимого автоматического управления числом независимых уровней отверстий, а также длительностью впрысков через каждый из уровней отверстий или величинами давлений от трех НГАВДПТ.
Например, два первых независимых и гидроизолированных уровня отверстий 4 и 5 реализуют основное возмущение и выполнение фундаментального принципа управления по возмущению, а третий уровень независимых и гидроизолированных (от первых двух) отверстий реализует, совместно с первыми двумя, фундаментальный принцип управления по отклонению. Возможны и иные комбинации комбинированного управления.
Главное заключается в том, что управление любым уровнем отверстий для впрыска абсолютно независимое и осуществляется своим независимым каналом управления. Это и позволяет реализовать инвариантные от возмущений (одного или нескольких) оптимальные законы управления при реализации целого ряда оптимальных технологий как при стабилизации номинального уровня мощности, который в настоящее время не достигается, так и при изменении мощности дизеля по определенным законам. Известно, что для стабилизации номинального режима мощности используются очень дорогие и сложные изодромные регуляторы, имеющие ограниченное применение.
Например, при пахоте с помощью современных машинно-тракторных агрегатов с центробежными регуляторами подачи топлива, которые не позволяют поддерживать номинальный режим Рдиз=const, производительность агрегата снижается на 20% и более. Причина в том, что дизели с центробежными регуляторами, спроектированные на работу с «запасом» по моменту, не справляются с увеличением момента, что имеет место в силу гетерогенности грунта, снижая при увеличении момента сопротивления и скорость агрегата и мощность.
Изодромные регуляторы для поддержания номинального режима мощности на тракторных агрегатах не применяются. Мало того, управление пониженной мощностью производится с запаздыванием из-за инерционности цепочки преобразования момента сопротивления от движителя через гидро- или электропередачу, требует выделения основных частот колебаний момента сопротивления, которые доходят до дизеля и вызывают снижение его мощности, с целью их своевременной компенсации за счет управления рабочими органами машинно-тракторных агрегатов (МТА). Это не всегда возможно из-за невозможности оперативного амплитудно-частотного анализа возмущений момента сопротивления.
Задача подержания постоянства мощности на номинальном уровне с целью достижения максимальной производительности никогда не разрешается современными МТА и недостижима на них в принципе. Частично она решается за счет установки упругих звеньев между дизелем и движителем и за счет применения прогрессивных тракторных передач. Потери в производительности огромны.
Попытки сделать механическую ступенчатую коробку передач автоматически управляемой для более полного использования мощности пока не увенчались успехом.
Предлагаемая в заявленном изобретении система управления подачей топлива с независимым управлением впрыском через несколько уровней гидроизолированных друг от друга отверстий изменяет подход к управлению дизелем. Дизель становится источником управляемого момента (при nдиз=const) за счет практически мгновенного изменения крутящего момента на валу дизеля путем мгновенного дополнительного впрыска топлива через соответствующий уровень отверстий при поддержании постоянства оборотов дизеля.
Предлагаемая система управления подачей топлива с независимым управлением впрыском через несколько уровней гидроизолированных друг от друга отверстий позволяет реализовать различные законы управления мощностью дизелей в зависимости от технологических требований и требований наивысшей производительности.
Независимое управление впрыском по нескольким независимым каналам управления через несколько независимых и гидроизолированных уровней отверстий расширяет до максимально возможных пределов возможности по управлению процессом подачи топлива.
Это, в свою очередь, позволяет реализовать мониторинг сжигания газов, изменять оперативно параметры процесса сжигания газов, выполнять самые жесткие требования по экологии и по экономии топлива за счет рекуперации энергии и мелкодисперсного распыливания при оптимальных давлениях.
Независимое управление впрыском топлива через несколько уровней отверстий (в том числе и через два уровня отверстий) позволяет расширить возможности дизеля как управляемого объекта и использовать дизель как источник управляемого момента
Это в свою очередь значительно расширит область применения дизелей в промышленности и в сельском хозяйстве на агрегатах, которые работают переменной нагрузкой случайного характера.
Поэтому предлагаемая система подачи топлива реализует все операции способа и достигается поставленная цель изобретения.
1. Система управления подачей топлива в двигателе внутреннего сгорания, 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 топливным насосом высокого давления, а его клапан регулирования давления соединен электрически с блоком электронного управления, отличающаяся тем, что форсунка выполнена гидроуправляемой, как минимум, с двумя неподпружиненными запирающими элементами и независимыми управляющими клапанами, расположенными в независимых камерах управления, как минимум, с двумя независимыми промежуточными камерами управления, каждая из которых соединена со своим независимым гидроаккумулятором высокого давления через дроссель, при этом запирающие элементы выполнены соосно без гидроизоляции отверстий различных уровней или с их гидроизоляцией, причем в этом случае в распылителе выполнены кольцевые проточки между отверстиями различных уровней, взаимодействующих с кольцевыми выступами соответствующих запирающих элементов, система снабжена дополнительно, как минимум, двумя независимыми блоками внешнего управления подачей топлива, каждый из который состоит из первого и второго плунжеров, установленных на платформе, первого и второго гидроцилиндров, установленных на основании с отверстиями для подвода топлива в первый и второй гидроцилиндры, а между платформой и основанием установлена пружина, система снабжена дополнительно, как минимум, двумя управляющими гидрораспределителями, выполненными с возможностью аксиального линейного перемещения золотников гидрораспределителей, соединенных с соленоидами управления или пьезоприводом, при этом блоки внешнего управления подачей топлива соединены через управляемые гидрораспределители с форсункой, причем первый гидроцилиндр каждого блока управления подачей топлива соединен через гидрораспределитель с форсункой соответствующими независимыми каналами при впрыске и отсечке топлива, а второй гидроцилиндр каждого блока управления соединен или через управляемый гидрораспределитель, или через управляемый гидрораспределитель и дроссель с независимым гидроаккумулятором высокого давления подачи топлива при впрыске топлива и через гидрораспределитель с независимой камерой управления форсунки при отсечке топлива.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что дроссель, через который подается топливо во второй гидроцилиндр независимого внешнего блока управления подачей топлива, выбран с большим проходным сечением, чем дроссель, через который подается топливо в промежуточные независимые камеры управления.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что 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.
4. Система по п.1, отличающаяся тем, что пружины независимых блоков внешнего управления подачей топлива выполнены с постоянным усилием сжатия.
5. Способ работы системы управления подачей топлива в двигателе внутреннего сгорания, включающий независимое открывание управляющих клапанов, подачу топлива в независимые управляющие камеры над запорными элементами и их соединение с внешним объемом, впрыск топлива под высоким давлением через каждый уровень отверстий, закрывание управляющих клапанов и осуществление отсечки подачи топлива, отличающийся тем, что создают давление, как минимум, по одной заданной программе для каждой, как минимум, двух независимых внешних полостей изменяемого конечного объема, одновременно создают разрежение, как минимум, по одной заданной программе для каждой, как минимум, двух других независимых внешних полостей изменяемого конечного объема, как минимум, с одним шагом изменения объема при реализации, как минимум, одного впрыска за цикл подачи топлива, открывают, как минимум, два независимых управляющих клапана, последовательно соединяют, как минимум, две независимые внешние полости изменяемого конечного объема, в которых создавалось разрежение, а также, как минимум, две независимые полости изменяемого конечного объема, в которых создавалось давление, как минимум, две независимые камеры управления независимых управляющих клапанов, как минимум, две независимые управляющие камеры запирающими элементами, в которые подают топливо, как минимум, от одного независимого, управляемого по давлению, гидроаккумулятора высокого давления через, как минимум, две независимые промежуточные камеры управления, подают топливо, как минимум, под два запирающих элемента, как минимум, через два уровня отверстий распылителя в камеру сгорания одновременно или в разное время, создают давление, как минимум, в двух независимых полостях изменяемого конечного объема, в которых создавалось разрежение при впрыске, и как минимум, в двух независимых полостях изменяемого конечного объема, в которых создавалось давление при впрыске, подают топливо под давлением при отсечке, как минимум, через две независимые камеры независимых управляемых клапанов в дополнительную, как минимум, одну внешнюю полость конечного изменяемого 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 время заполнения конечного изменяемого объема в разное время или одновременно в, как минимум, двух независимых внешних полостях изменяемого конечного объема, в которых создавалось разрежение при впрыске, а также в, как минимум, двух независимых полостях изменяемого конечного объема, в которых создавалось давление при впрыске.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что топливо в, как минимум, две независимые внешние полости изменяемого конечного объема, в которых создается разрежение при впрыске, и, как минимум, в две независимые внешние полости изменяемого конечного объема, в которых создается давление при впрыске, подают с разной скоростью.
