Способ управления подачей топлива и устройство управления подачей топлива
Изобретение относится к способу и устройству для управления подачей топлива в дизель на стационарных установках и мобильном транспорте для больших дизелей. Устройство для реализации способа улучшает динамику подачи топлива, повышает индикаторный кпд, реализует мультивпрыск и регулируемые по длительности впрыски посредством простых механических устройств. Устройство для управления подачей топлива снабжено гидравлическим аккумулятором низкого давления, двумя механическими клапанами со штоками, быстродействующим реверсивным механическим приводом, первый шток первого механического клапана соединен механически с иглой форсунки и перекрывает канал подвода топлива от гидроаккумулятора высокого давления под иглу и втулку, второй шток второго механического клапана соединен механически с иглой форсунки и перекрывает канал, соединяющий камеру над иглой и втулкой с гидроаккумулятором низкого давления, выход которого соединен со входом топливного насоса высокого давления, гидроаккумулятор высокого давления соединен каналом с камерой над иглой и втулкой, одновременно соединен через канал с первым механическим клапаном через кольцевые проточки в корпусе с нижней частью иглы и втулки, подыгольной камерой и камерой втулки, игла форсунки соединена механически с быстродействующим реверсивным механическим приводом для ее линейного перемещения, который снабжен, как минимум, одной пластиной для одного цилиндра с выпуклой поверхностью постоянного радиуса на одном конце пластины определенной длины выпуклой части, валом, соединенным кинематически с коленчатым валом с, как минимум, одним программным профилированным кулачком с, как минимум, одним микропрофилем на нем с постоянной заданной малой высотой, равной для предварительного впрыска и для впрыска после основного, для реализации, как минимум, одного предварительного впрыска и одного впрыска после основного через один уровень отверстий или с микропрофилем на нем с высотой для реализации впрыска после основного, большей, чем высота профиля для предварительного впрыска при реализации впрыска после основного через два уровня отверстий с, как минимум, одним микропрофилем на нем с постоянной заданной большей высотой для реализации, как минимум, одного основного впрыска через два уровня отверстий или, как минимум, одним микропрофилем переменной высоты, изменяющимся по заданному закону по длине микропрофиля для реализации, как минимум, одного основного впрыска, все микропрофили отделены друг от друга промежутками по окружности кулачкового вала для реализации пауз между впрысками или выполнены без промежутков между микропрофилями, программные профилированные кулачки с микропрофилями заданной длины постоянной или переменной высотой выполнены с возможностью последовательного взаимодействия сначала с прямой частью, как минимум, одной пластины при ее перемещении из одного крайнего положения в другое, а затем с выпуклой поверхностью пластины постоянного радиуса при впрысках заданной длительности. Выпуклая поверхность одной пластины выполнена со скосом непрерывной по ширине пластины длиной выпуклой концевой части, микропрофили выполнены с прямыми набегающими краями и косыми сбегающими концами, параллельными скосу выпуклой концевой части или ступенчатой по ширине пластины длиной выпуклой концевой части, а микропрофили при этом выполнены с прямыми набегающими и сбегающими краями, параллельными оси вала при регулировании длительности впрыска. Каждая пластина выполнена с возможностью перемещения вдоль оси штока и иглы форсунки и соединена при этом напрямую или через мультипликатор перемещения с подпружиненным штоком и через него с иглой форсунки. Каждая пластина выполнена с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной или расположенной под углом к оси иглы и штока при регулировании длительности впрыска, и соединена для этого шлицевым соединением со штоком, относительно которого перемещается пластина. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к способам управления подачей топлива и к устройствам управления подачей топлива для двигателей внутреннего сгорания дизелей (в дальнейшем ДВС) на стационарных установках с дизелями большой мощности и мобильном транспорте, на тракторах с любым типом трансмиссии, в частности с электротрансмиссией, для реализации широкого спектра технологий в сельском хозяйстве (пахота, обмолот валков комбайнами, укладка валков жатками), для строительно-дорожных машин и технологий, реализуемых с их помощью, в автомобильном, железнодорожном и водном транспорте, бронетехнике и инженерных машинах.
Из уровня техники известен способ подачи топлива в цилиндры дизеля (Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Ред. Орлин А.С., Круглов М.Г. - М.: "Машиностроение". - 1990. - С.133. 136), заключающийся в том, что во время цикла подачи подают топливо под подпружиненную иглу в цилиндр через распыливающие отверстия при превышении давления топлива над силой пружины и производят отсечку топлива при превышении силы пружины над давлением топлива, количество подаваемого топлива изменяют поворотом плунжера через рейку топливного насоса за счет изменения объема вытесняемого топлива при постоянной длительности впрыска.
Этот способ не позволяет разделить процессы нагнетания и впрыска, которые протекают одновременно, как это имеет место в системах Common Rail.
Способ не позволяет регулировать длительность впрыска в цилиндрах, не позволяет производить несколько впрысков, сильно сужает возможности по улучшению параметров впрыска, снижению токсичности отходящих газов, улучшению экологических параметров при сжигании топлива, не обеспечивает качественное распыливание и качественное смесеобразование.
Способ не позволяет управлять иглой напрямую механическим путем с помощью кулачков с микропрофилями.
Способ не позволяет подавать топливо в форсунку от гидроаккумулятора высокого давления и достигать высоких показателей по экологичности при сжигании топлива.
Известен из уровня техники патент США №6557779 В2, включающий операции подачи топлива через один или два уровня раздельно или одновременно за счет управления подачей топлива через каждый уровень своим независимым управляющим клапаном и своим независимым соленоидом.
Недостаток способа в сложности реализации способа, необходимости встраивания двух соленоидов в конструкцию форсунки, что весьма проблематично.
Из уровня техники известен способ [Л.Г.Гальперович. Системы впрыска судовых двигателей. Проектирование, конструкция. Ленинград. 1961 г., с.163] управления подачей топлива, включающий операцию механического перемещения иглы с помощью рычагов в верхнее крайнее положение при впрыске, перемещение иглы на седло с помощью пружины и путем подачи давления на иглу сверху, изменение длительности впрыска.
Способ крайне сложен в реализации из-за сложной системы рычагов и не нашел своего применения. Кроме того, способ не позволяет осуществлять впрыск топлива через отверстия двух уровней.
Этот способ не обеспечивает разделения движений при впрыске. В нем перемещение иглы из одного крайнего положения в другое осуществляется одновременно с изменением длительности впрыска. Поэтому способ имеет родовой порок, который не позволяет реализовать мультивпрыск с помощью механических средств управления.
Известен из уровня техники патент Германии DE 102006035412 (A1) (прототип), реализующий способ управления подачей топлива через два уровня отверстий.
Этот способ заключается в том, что подают топливо сначала через один уровень отверстий, а затем и позже во время цикла подачи топлива через два уровня отверстий одновременно. Причем сначала подают топливо на второй уровень отверстий, подают топливо через первый уровень отверстий после начала подачи топлива через второй уровень отверстий, подают одновременно топливо через оба уровня отверстий.
Управление подачей топлива через оба уровня отверстий осуществляется подачей топлива извне под втулку, подъем втулки, впрыск топлива через второй уровень отверстий, а после первоначального подъема втулки происходит подъем иглы за счет механического захвата втулкой иглы при движении втулки вверх, происходит одновременный впрыск топлива через отверстия первого и второго уровней.
Способ не обеспечивает оптимальный с точки зрения эффективности сжигания топлива впрыск топлива.
Основная порция топлива подается через второй уровень отверстий. Не обеспечивается при этом оптимальное сжигание топлива. Для оптимального сжигания топлива нужен предварительный впрыск топлива в виде малых порций топлива перед основным впрыском. Это можно обеспечить только подачей топлива сначала через отверстия первого уровня с малым диаметром, а затем основную порцию топлива нужно подавать через отверстия второго уровня.
Известны из уровня техники (Л.В.Грехов, Н.А Иващенко, В.А Марков. Топливная аппаратура и системы управления дизелей. - Москва. Легион. Автодата-2004, с.101-131) системы с гидравлическими аккумуляторами процессы нагнетания и впрыска, включающие в себя систему управления клапаном с помощью соленоидного привода или пьезопривода, причем клапан соединяет камеру над иглой со сливом, гидроаккумулятор высокого давления, топливный насос высокого давления, подпружиненную иглу.
В них процессы нагнетания и впрыска протекают раздельно. Предварительно топливо под высоким давлением нагнетается насосом в аккумулятор, из которого поступает к форсункам. Эта система обеспечивает качественное распыливание и смесеобразование в широком диапазоне нагрузок дизеля. Современные дизели используют технологию с управлением электромагнитными клапанами форсунок от микропроцессорного устройства. Система впрыска Common Rail представляет систему впрыска топлива для дизельных двигателей с аккумулятором высокого давления. Термин "Common Rail" означает "общая балка или рампа" и служит для обозначения общей топливной рампы (аккумулятора давления) для всех форсунок ряда цилиндров. В системе впрыска Common Rail могут использоваться пьезоэлектрические форсунки.
Управление форсунками осуществляется также исполнительным механизмом-клапаном, основанным на использовании пьезоэлемента. Скорость переключения такого механизма во много раз выше, чем у форсунки с электромагнитным клапаном. Кроме того, масса подвижной иглы у распылителя пьезоэлектрической форсунки примерно на 75% меньше, чем у форсунки с электромагнитным приводом.
Это обеспечивает пьезоэлектрическим форсункам следующие преимущества: короткое время переключения, возможность произвести несколько впрысков в течение рабочего такта, точность дозировки впрыска. В настоящее время подавляющее большинство производителей дизельных двигателей используют аппаратуру Common Rail ввиду того, что предыдущие поколения топливных аппаратур не в состоянии обеспечить современные жесткие экологические требования.
Пьезофорсунки для функционирования требуют отдельных источников питания и сложную микропроцессорную систему управления. Кроме того, высокая цена пьезофорсунок сдерживает их широкое применение.
Однако пьезофорсункам может быть альтернатива в виде новых механических систем управления при условии, что они будут равны по техническим и экологическим возможностям или будут превосходить их. При этом стоимость и технологичность, надежность в эксплуатации будут намного выше. Превосходства новых механических форсунок над пьезофорсунками можно добиться, если новые форсунки с механическим управлением будут содержать элементы системы Common Rail, которые обеспечат раздельное протекание процессов нагнетания и впрыска, а также механическое управление длительностью впрыска и мультивпрыск.
Из уровня техники известно устройство (Погуляев Ю.Д., Наумов В.Н. Управление подачей топлива с непрерывным регулированием длительности впрыска ААИ №2 - 2009 - с.40-43) для управления подачей топлива с непрерывным регулированием длительности впрыска, включающее вал с профилированным кулачком с разной шириной программного профиля вдоль оси кулачка, блок управления топливом, выполненный с возможностью осевого перемещения вдоль вала с профилированным кулачком и содержащий подпружиненный плунжер с цилиндром, подплунжерная полость цилиндра соединена с надыгольным объемом.
Устройством реализуются процессы нагнетания и впрыска, которые протекают в разное время, и поэтому устройство относится к системам типа Common Rail.
В то же время устройство не позволяет осуществить более одного впрыска с регулируемой длительностью впрыска. Имеются и другие недостатки, которые ограничивают его возможности.
Одним из самых существенных недостатков является то, что высота профиля кулачка должна быть достаточно большой для того, чтобы в блок управления под плунжер поступал необходимый объем топлива, который поступает в полость конечного изменяемого объема при впрыске, когда над иглой создается разрежение и давление падает, а под иглой концентрируется значительное давление и за счет разности сил над и под иглой происходит подъем иглы.
Этот объем равен объему топлива, идущего на слив, и в известном устройстве является управляющим объемом. Поэтому известное устройство исключает применение кулачков с микропрофилями, а область применения устройств ограничивается дизелями с низкой частотой вращения, ибо динамика не позволяет использовать кулачки с большими профилями при высоких частотах вращения.
Регулирование осуществляется перемещением целого блока управления топливом вдоль оси с профилированными кулачками. Устройство за счет этого усложняется, перемещение цилиндра с управляющим блоком требует гибких трубопроводов.
Устройство не позволяет осуществлять прямой механический привод иглы от профилированных кулачков с микропрофилями при сохранении преимуществ подачи топлива от гидроаккумулятора высокого давления.
Из уровня техники известно устройство управления подачей топлива в двигатель внутреннего сгорания (Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. Орлин А.С. Круглов М.Г. - С.133. 136), включающее форсунку с подпружиненным запирающим элементом, распылителем с одним уровнем отверстий, топливным каналом для подвода топлива высокого давления, топливный насос высокого давления, соединенный с форсункой, топливную емкость, топливоподкачивающий насос, соединенные между собой гидравлически.
Это устройство не позволяет осуществить более одного впрыска за цикл топливоподачи и не позволяет регулировать длительность впрыска.
Количество впрыскиваемого топлива определяется угловым положением плунжера топливного насоса, который поворачивается вокруг своей оси с помощью рейки топливного насоса. При достижении давления начала впрыскивания гидравлическая сила, действующая со стороны топлива на нижний конический торец иглы, становится больше силы предварительной затяжки пружины. Игла поднимается и начинается впрыскивание. Давление начала впрыскивания составляет 15…60 МПа.
При отсечке пружина через штангу прижимает запорный элемент - иглу к поверхности запорного конуса. При малом давлении впрыскивание топлива становится невозможным.
Устройством реализуются процессы нагнетания и впрыска, которые протекают одновременно из-за отсутствия в топливной системе гидроаккумулятора высокого давления с датчиком давления и регулятором давления.
Устройство не позволяет осуществлять прямой механический привод иглы от профилированных кулачков с микропрофилями при сохранении преимуществ подачи топлива от гидроаккумулятора высокого давления.
Это сильно сужает возможности по улучшению параметров впрыска, снижению токсичности отходящих газов, улучшению экологических параметров при сжигании топлива, не обеспечивает качественное распыливание и качественное смесеобразование.
Известен из уровня техники патент Германии DE 10200603 5412 (A1), включающий форсунку с двумя уровнями отверстий, причем игла и втулка связаны между собой кинематически.
Это устройство позволяет осуществлять впрыск топлива через два уровня отверстий.
Недостатком устройства является то, что сначала перемещается втулка и осуществляется основной впрыск через отверстия большего диаметра, а затем втулка перемещается вверх вместе с иглой, "захватывая" ее при движении вверх, в силу кинематической связи между втулкой и иглой и осуществляются два впрыска одновременно.
Это не позволяет реализовать оптимальный впрыск топлива в виде малой порции топлива через первый уровень отверстий с малыми диаметрами, а затем основной впрыск через отверстия второго уровня с большими диаметрами. Для управления используются электроклапаны, которые требуют дополнительных источников энергии, преобразовательных элементов, электронных схем управления, дополнительных датчиков.
Из уровня техники известно [Л.Г.Гальперович. Системы впрыска судовых двигателей. Проектирование, конструкция. Ленинград. - 1961 г., с.163] устройство (прототип), включающее форсунку с подпружиненной иглой, распылитель, топливный канал для подвода топлива высокого давления к игле снизу и сверху, соединенный с гидроаккумулятором высокого давления, регулятор длительности впрыска.
Устройство привода иглы через рычаги, которые приводятся в действие с помощью профилированных кулачков, является сложным, трудным в реализации и не нашло своего применения.
Устройство не позволяет осуществить более одного впрыска за цикл топливоподачи, хотя и позволяет регулировать длительность впрыска. Устройство позволяет осуществлять прямой механический привод иглы от профилированных кулачков с микропрофилями, но не сохраняет преимуществ подачи топлива от гидроаккумулятора высокого давления, поскольку отсутствует управляющий клапан.
Устройство не позволяет осуществлять впрыск топлива через несколько уровней отверстий. Это сильно сужает возможности по улучшению параметров впрыска, снижению токсичности отходящих газов, улучшению экологических параметров при сжигании топлива, не обеспечивает качественное распыливание и качественное смесеобразование.
Целью изобретения является повышение надежности и кпд устройства, снижение его стоимости за счет реализации механически регулируемого мультивпрыска на основе системы CR с прямым механическим и гидромеханическим управлением иглой и втулкой.
Поставленная цель достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что подают топливо сначала через один уровень отверстий, а затем и позже во время цикла подачи топлива через два уровня отверстий одновременно, согласно заявленному изобретению, осуществляют, как минимум, один предварительный до основного и, как минимум, один впрыск после основного, при этом на каждом предварительном впрыске перемещают иглу вверх механическим путем в течение времени переключения заданного при впрыске с помощью кулачков с микропрофилями с малой высотой, на каждом впрыске после основного перемещают иглу вверх механическим путем в течение времени переключения заданного при впрыске с помощью кулачков с микропрофилями с высотой, равной высоте микропрофилей для предварительного впрыска, взаимодействующих с пластиной, кинематически соединенной с иглой форсунки, одновременно с иглой форсунки перемещают шток первого механического клапана вверх, открывают канал для подвода топлива под иглу форсунки пропорционально подъему штока первого механического клапана, подают топливо под иглу форсунки и в отверстия распылителя, одновременно с иглой форсунки перемещают шток второго механического клапана вверх, открывают канал для отвода топлива от камеры управления над иглой, отводят топливо из камеры над иглой в гидроаккумулятор низкого давления, удерживают иглу форсунки, штоки первого и второго механических клапанов в верхнем положении на время длительности каждого предварительного впрыска и каждого впрыска после основного впрыска механическим путем при взаимодействии микропрофилей с заданной малой высотой, равной для предварительного впрыска и для впрыска после основного, с выпуклой поверхностью постоянного радиуса на конце пластины, после окончания каждого предварительного впрыска и каждого впрыска после основного иглу форсунки перемещают в нижнее крайнее положение, одновременно штоки первого и второго механических клапанов перемещают вниз, закрывают канал для подвода топлива под иглу и перекрывают канал для отвода топлива от камеры управления над иглой в гидроаккумулятор низкого давления, подают топливо под высоким давлением в камеру управления над иглой при перемещении иглы вниз, удерживают в течение времени, заданного при каждой отсечке между двумя последовательными впрысками, иглу форсунки и штоки первого и второго механических клапанов в крайнем нижнем положении, осуществляют, как минимум, один основной впрыск одновременно через отверстия первого и второго уровней с длительностью основного впрыска, для этого перемещают иглу в верхнее положение механическим путем в течение времени переключения, заданного при впрыске, с помощью кулачков с микропрофилями с большей высотой, взаимодействующих с пластиной, одновременно с иглой форсунки перемещают шток первого механического клапана вверх на постоянную высоту, пропорциональную высоте микропрофиля, для реализации основного впрыска, открывают канал для подвода топлива под иглу и втулку форсунки пропорционально подъему штока первого механического клапана, одновременно с иглой форсунки перемещают шток второго механического клапана вверх, открывают канал для отвода топлива от камеры управления над иглой и втулкой, отводят топливо из камеры управления над иглой и втулкой в гидроаккумулятор низкого давления, подают топливо под давлением сначала под иглу через отверстия первого уровня после перемещения иглы на некоторую промежуточную высоту, затем перемещают одновременно иглу и втулку и штоки первого и второго механических клапанов в верхнее положение и подают топливо под давлением под втулку в отверстия второго уровня, осуществляют основной впрыск через отверстия второго уровня большего диаметра одновременно с впрыском через отверстия первого уровня, удерживают иглу и втулку в верхнем положении на время длительности основного впрыска механическим путем при взаимодействии микропрофиля с большей высотой с выпуклой поверхностью постоянного радиуса на конце пластины или дополнительно перемещают иглу, втулку и штоки первого и второго механических клапанов по заданному закону на время длительности основного впрыска при взаимодействии микропрофилей с заданной переменной высотой по длине микропрофиля с выпуклой поверхностью постоянного радиуса, после окончания каждого основного впрыска с заданной постоянной или переменной высотой микропрофиля для реализации основного впрыска иглу и втулку форсунки перемещают в нижнее крайнее положение с помощью пружин, одновременно с иглой штоки первого и второго механических клапанов перемещают вниз, перекрывают канал для подвода топлива высокого давления под иглу и втулк, перекрывают канал для отвода топлива от камеры управления над иглой и втулкой в гидроаккумулятор низкого давления, подают топливо под высоким давлением в камеру управления над иглой и втулкой при перемещении иглы и втулки вниз, удерживают в течение времени, заданного при каждой отсечке между двумя последовательными впрысками, иглу и втулку форсунки, а также штоки первого и второго механических клапанов в положении при отсечке или осуществляют впрыск после основного одновременно через отверстия первого и второго уровней с высотой микропрофилей, взаимодействующих с пластиной с выпуклым концом, соединенной с иглой кинематически, равной или большей высоты микропрофилей, для реализации основного впрыска, перемещают пластину вдоль оси вала кулачка с микропрофилями с набегающей кромкой микропрофиля, параллельной оси кулачка, и сбегающей кромкой микропрофиля на кулачке, параллельной скосу выпуклой поверхности, на конце пластины изменяют длину выпуклой поверхности вдоль скоса при непрерывном управлении и изменяют длительность каждого впрыска непрерывно или перемещают пластину вдоль оси вала кулачка с микропрофилями с набегающей кромкой микропрофиля, параллельной оси вала кулачка, и сбегающей кромкой микропрофиля, параллельной оси вала кулачка, изменяют длину выпуклой поверхности вдоль оси вала ступенчато и изменяют длительность впрыска ступенчато.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для управления подачей топлива, включающее форсунку с подпружиненной иглой с механическим приводом, мультипликатор перемещения, механический регулятор длительности впрыска, распылитель с одним уровнем отверстий, топливный насос высокого давления, гидравлический аккумулятор высокого давления, соединенный гидравлически с надыгольной и подыгольной камерами форсунки, согласно заявленному изобретению, форсунка выполнена с иглой и соосной ей втулкой с двумя уровнями отверстий, устройство снабжено гидравлическим аккумулятором низкого давления, двумя механическими клапанами со штоками, быстродействующим реверсивным механическим приводом, первый шток первого механического клапана соединен механически с иглой форсунки и перекрывает канал подвода топлива от гидроаккумулятора высокого давления под иглу и втулку, второй шток второго механического клапана соединен механически с иглой форсунки и перекрывает канал, соединяющий камеру над иглой и втулкой с гидроаккумулятором низкого давления, выход которого соединен со входом топливного насоса ывсокого давления, гидроаккумулятор высокого давления соединен каналом с камерой над иглой и втулкой, одновременно соединен через канал с первым механическим клапаном через кольцевые проточки в корпусе с нижней частью иглы и втулки, подыгольной камерой и камерой втулки, игла форсунки соединена механически с быстродействующим реверсивным механическим приводом для ее линейного перемещения, который снабжен, как минимум, одной пластиной для одного цилиндра с выпуклой поверхностью постоянного радиуса на одном конце пластины определенной длины выпуклой части, валом, соединенным кинематически с коленчатым валом с, как минимум, одним программным профилированным кулачком с, как минимум, одним микропрофилем на нем с постоянной заданной малой высотой, равной для предварительного впрыска и для впрыска после основного, для реализации, как минимум, одного предварительного впрыска и одного впрыска после основного через один уровень отверстий или с микропрофилем на нем с высотой для реализации впрыска после основного, большей, чем высота профиля для предварительного впрыска при реализации впрыска после основного через два уровня отверстий с, как минимум, одним микропрофилем на нем с постоянной заданной большей высотой для реализации, как минимум, одного основного впрыска через два уровня отверстий или, как минимум, одним микропрофилем переменной высоты, изменяющимся по заданному закону по длине микропрофиля для реализации, как минимум, одного основного впрыска, все микропрофили отделены друг от друга промежутками по окружности кулачкового вала для реализации пауз между впрысками или выполнены без промежутков между микропрофилями, программные профилированные кулачки с микропрофилями заданной длины постоянной или переменной высотой выполнены с возможностью последовательного взаимодействия сначала с прямой частью, как минимум, одной пластины при ее перемещении из одного крайнего положения в другое, а затем с выпуклой поверхностью пластины постоянного радиуса при впрысках заданной длительности, выпуклая поверхность, как минимум, одной пластины выполнена со скосом непрерывной по ширине пластины длиной выпуклой концевой части, микропрофили выполнены с прямыми набегающими краями и косыми сбегающими концами, параллельными скосу выпуклой концевой части или ступенчатой по ширине пластины длиной выпуклой концевой части, а микропрофили при этом выполнены с прямыми набегающими и сбегающими краями, параллельными оси вала при регулировании длительности впрыска, каждая пластина выполнена с возможностью перемещении вдоль оси штока и иглы форсунки и соединена при этом напрямую или через мультипликатор перемещения с подпружиненным штоком и через него с иглой форсунки, каждая пластина выполнена с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной или расположенной под углом к оси иглы и штока при регулировании длительности впрыска, и соединена для этого шлицевым соединением со штоком, относительно которого перемещается пластина.
Устройство позволяет реализовать мультивпрыск, а также регулируемый по длительности впрыск за счет применения простых быстродействующих реверсивных механических приводов (БРМП), вала с профилированными программными кулачками с микропрофилями заданной высоты и длины для, как минимум, одного впрыска в сочетании с пластинами для перемещения запирающих элементов и для регулирования длительности впрысков и отсечек с возможностью их одновременного перемещения во взаимно перпендикулярных плоскостях;
устройство позволяет реализовать оптимальный впрыск топлива за счет подачи требуемого количества топлива на всех стадиях впрыска, а также подачу топлива по оптимальному требуемому закону во время основного впрыска;
устройство позволяет управлять перемещением втулки за счет перемещения иглы и захвата иглой втулки при движении вверх;
устройство позволяет реализовать разделение «движений»: первое движение - это движение по перемещению иглы форсунки на заданную величину из одного крайнего положения в другое с помощью микропрофилей для предварительного впрыска, основного впрыска и впрыска после основного; второе движение - это удержание в заданном положении на время впрыска или отсечки иглы в заданном положении; и позволяет использовать микропрофили для реализации мультивпрыска;
устройство содержит два управляющих механических клапана, перемещаемых синхронно с иглой в том числе и по заданному с помощью микропрофилей закону, которые позволяют с максимальной эффективностью управлять процессом впрыска;
устройство позволяет управлять подачей топлива под иглу и втулку форсунки с помощью управляющего регулируемого клапана, перекрывающего канал для подачи топлива высокого давления, в силу того, что этот клапан перемещается вверх вместе с иглой и позволяет регулировать подачу топлива пропорционально подъему иглы и в том числе по заданному закону;
устройство позволяет при отсечке не подавать топливо под иглу и втулку, что позволяет использовать в форсунке пружины меньшей жесткости, способствует надежному запиранию иглы и втулки на всех рабочих режимах;
для перемещения двух управляющих механических клапанов с механическим приводом не требуется двух специальных электрических привода или пьезоприводов, а также специального электрического и электронного оборудования для их управления в виде, например, сложных электромагнитов с двумя обмотками с несколькими устойчивыми уровнями тяговой силы;
в предлагаемом устройстве механические управляющие клапаны используются в качестве дозирующих клапанов, которые управляются с помощью микропрофилей;
предлагаемое устройство позволяет удешевить в максимальной степени стоимость топливной аппаратуры;
предлагаемые для управления микропрофили и механические клапаны позволяют реализовать эффективное независимое управление фазовыми и амплитудными параметрами впрыска: моментом начала и продолжительностью каждого впрыска, давлением впрыска и интенсивностью его нарастания в начале подачи и по заданному закону в течение впрыска;
механический привод управляющих клапанов, синхронизированный с приводом иглы, снижает зависимость впрыска от режимных параметров.
Эти преимущества позволяют создать форсунки, удовлетворяющие все возрастающим требованиям экологии и рыночным требованиям.
Устройство иллюстрируется чертежами, на которых представлены его варианты для реализации способов:
на фиг.1 показана форсунка с двумя уровнями отверстий с иглой и втулкой (продольный разрез) с мультипликатором перемещения и с выходным штоком для иглы, механическим клапаном для подачи топлива в камеру управления над иглой;
фиг.2, а) показана кинематическая схема (вид с торца кулачкового вала) устройства подачи топлива с косым скосом выпуклой поверхности с БРМП; б) показана кинематическая схема (вид со стороны пластины) устройства подачи топлива со скосом выпуклой поверхности с БРМП;
на фиг.3 показаны отдельные элементы конструкции: а) пластина с выпуклой поверхностью на конце со скосом и шлицами; б) вал с микропрофилями и микропрофили для основного впрыска в увеличенном виде;
фиг.4, а) показана кинематическая схема (с торца кулачкового вала и боковой вид БРМП) устройства подачи топлива со ступенчатой выпуклой поверхностью с БРМП; б) показана кинематическая схема (вид со стороны пластины и кулачка с микропрофилями и с торца кулачкового вала) устройства подачи топлива со ступенчатой выпуклой поверхностью с БРМП;
на фиг.5 показаны отдельные элементы конструкции: а) пластина с выпуклой ступенчатой поверхностью на конце и шлицами; б) вал с микропрофилями и микропрофили в увеличенном виде;
на фиг.6 показана блок-схема устройства управления подачей топлива при реализации способа управления подачей топлива.
Устройство на фиг.1 состоит из корпуса 1, распылителя 2 с отверстиями 3 для впрыска топлива первого уровня и с отверстиями 4 для впрыска топлива второго уровня, иглы 5, втулки 6, радиального канала 7 с дросселем в корпусе форсунки 1 для подвода топлива от гидроакуумулятора высокого давления (дроссель и ГАВД не показаны на фиг.1), радиального канала 8 с кольцевой проточкой на наружной поверхности втулки 6, радиально-осевого канала 9 с кольцевой проточкой на поверхности иглы 5, радиального канала 10 с кольцевой проточкой 11 на внутренней поверхности втулки 6, крышки со стаканом 12, канала 13 в крышке 12 для отвода топлива к ГАНД с дросселем (дроссель и ГАНД на фиг.1 не показаны), пружины 14 между втулкой 6 и крышкой со стаканом 12, общей камеры 15 над иглой 5 и втулкой 6, штока 16 второго механического клапана с конусной запирающей поверхностью, соединенного механически рычагом 17 со штоком (на фиг.1 не показан) и через него с иглой 5, канала 18 для подвода топлива от ГАВД в камеру 15 над иглой 5 и втулкой 6, штока 19 первого механического клапана с конусной запирающей поверхностью, соединенного рычагом 20 со штоком и иглой 5 мультипликатора перемещения 21 (МП 21), соединенного с одной стороны с иглой 5 штоком (не показан на фиг.1), пружины 22, расположенной со стороны МП 21, обратной игле 5 на штоке (шток на фиг.1 не показан), входящим в стойку 23.
Устройство на фиг.2а состоит из кинематической схемы привода в виде быстродействующего реверсивного механического привода (БРМП) из кулачка 24 на кулачковом валу 25, установленном в стойке 23, выпуклой поверхности 26 (ВП 26) для задания и регулирования длительности впрыска, микропрофилей 27 с разной высотой профиля для предварительного впрыска, основного впрыска и впрыска после основного на поверхности кулачка 24, взаимодействующего с выпуклой поверхностью 26 (ВП 26); пластины 28, пластины 29, соединенной жестко с пластиной 28 со шлицами 30, по которым перемещается конец штока 31, шлицев 32 на штоке 31 и в стойке 23, пружины 22 между стойкой 23 и мультипликатором перемещения 21 (МП 21).
На фиг.2б показаны кулачок 24, стойка 23, кулачковый вал 25, установленный в стойке 23, выпуклая поверхность 26 (ВП 26) со скосом при непрерывном управлении, микропрофили 27 с разной высотой профиля для предварительного впрыска, основного впрыска и впрыска после основного, с высотой, меньшей, чем для реализации основного впрыска реализации предварительного впрыска с прямой набегающей кромкой, параллельной оси кулачкового вала 22, и косой сбегающей кромкой, параллельной скосу ВП 26, шлицы 30, по которым перемещается конец штока 3; шлицы 32 на штоке 31 и в стойке 23; пружина 22 между стойкой 23 и МП 21.
Устройство фиг.3 состоит из отдельно показанных: а) кулачка 24, ВП 26 со скосом, пластины 28, пластины 29, шлицов 30 в пластине 29; б) кулачкового вала 25, кулачка 26 микропрофилей 27 разной высоты для предварительного впрыска, основного впрыска и впрыска после основного, которые показаны в увеличенном виде для основного впрыска с постоянной высотой или с переменной высотой микропрофиля 27 по окружности кулачка 24.
Устройство фиг.4 а) и б) состоит из кулачка 24, стойки 23, на которой установлен кулачковый вал 25, ступенчатой ВП 26, микропрофилей 27 разной высоты для предварительного впрыска, основного впрыска и впрыска после основного, взаимодействующих с ВП 26; пластины 29 со шлицами 30, по которым перемещается конец штока 31 со шлицами 32 по его основной длине, которые входят в стойку 23, пружины 22 между стойкой 23 и МП 21.
Устройство фиг.5 состоит из а) ступенчатой ВП 26, пластины 28, пластины 29, шлицов 30 в пластине 29; б) кулачка 24, кулачкового вала 25, микропрофилей 27 разной высоты для предварительного впрыска, основного впрыска и впрыска после основного, которые показаны в увеличенном виде разной протяженности, с постоянной или переменной высотой микропрофилей по окружности кулачка 24 для реализации основного впрыска. Устройство на фиг.6 состоит из топливного бака 33, соединенного трубопроводом 34 с топливоподкачивающим насосом 35; трубопровода 36, которым топливоподкачивающий насос 35 соединен с топливным насосом высокого давления 37 (ТНВД 37), который трубопроводом 38 соединен с гидроаккумулятором высокого давления 39 (ГАВД 39) с регулятором давления 40 (РД 40); ГАВД 39 соединен трубопроводами 41, 42 высокого давления с каналами (фиг.1) для подвода топлива под высоким давлением под иглу 5 и втулку 6; регулятор давления 40 на выходе ГАВД 39 соединен трубопроводом 43 с гидроаккумулятором низкого давления 44 с регулятором давления 45, который соединен трубопроводом 46 с ТНВД 37.
Работа устройства, реализующего способ
Реализация предвпрыска. При вращении коленчатого вала вращается кулачковый вал 25 (фиг.2а, б; фиг.4а, б; фиг.5, 6) с микропрофилями 27 разной высоты на кулачках 24. На фиг.2а, б; фиг.4а, б; фиг.5, 6 показан один кулачок с тремя микропрофилями, которые сдвинуты по окружности одного кулачка 24. Устройство может быть выполнено и с несколькими кулачками 24 с одним или несколькими микропрофилями 27 на каждом из них. При этом, разумеется, что микропрофили 27 каждого отдельного кулачка 24 будут взаимодействовать со своей пластиной 28 со своим скосом на ВП 26 или одной пластиной, но с разными скосами ВП 26 по ее ширине для взаимодействия с разными кулачками 24 со своими микропрофилями 27.
При впрыске через отверстия 3 первого уровня микропрофиль 27 кулачка 24, вращающегося с частотой, пропорциональной частоте коленчатого вала, меньшей высоты (для реализации предвпрыска или впрыска топлива перед основным впрыском) взаимодействует сначала с пластиной 28 (фиг.2а, б; фиг.4а, б) и перемещает ее в крайнее положение при впрыске через отверстия 3 первого уровня.
Вместе с пластиной 28 перемещается пластина 29, сжимается пружина 22 на штоке 31 со шлицами 32. Через МП 21 перемещается шток, соединенный жестко с иглой 5. Пружина 22 может быть расположена после МП 21 со стороны иглы 5.
Игла 5 перемещается в то верхнее положение, которое она может занять при взаимодействии пластины 28 с микропрофилем 27 меньшей высоты.
Одновременно с иглой 5 перемещается вверх шток 19 механического клапана с коническими запирающими поверхностями, соединенный через рычаг 20 со штоком (шток, жестко соединенный с иглой 5, на фиг.1 не показан) и иглой 5 (фиг.1). Канал 7 с дросселем (дроссель на фиг.1 не показан) открывается тем больше, чем больше вверх перемещается игла 5 и соединенный с ней шток 19 механического клапана с коническими запирающими поверхностями. Поэтому механический клапан со штоком 19 выступает в роли клапана-дозатора топлива, подаваемого через отверстия 3.
В начале движения иглы 5 вверх топливо поступает под высоким давлением от ГАВД 39 по трубопроводам 41, 42 (фиг.6), канал 7 в корпусе форсунки, который открывается при перемещении штока 19 первого механического клапана вверх одновременно с иглой 5, канал 8 с кольцевой проточкой на наружной поверхности втулки 6, радиально-осевой канал 9 с кольцевой проточкой на поверхности иглы 5, радиальный канал 10 с кольцевой проточкой 11 на внутренней поверхности втулки 6, под иглу 5. При этом топливо под давлением поступает в отверстия 3 распылителя 2 и начинается впрыск. Подаваемое давление под иглу 5 может изменяться с помощью регулятора давления 40 (РД 40), что расширяет возможности устройства по управлению количеством или объемом впрыскиваемого топлива за счет давления впрыска. Одновременно топливо воздействует на конусную площадку иглы 5 снизу и способствует перемещению иглы 5 вверх, помогает через МП 21 сжимать пружину 22, уменьшает тем самым усилие взаимодействия микропрофилей 27 и пластины 28.
Одновременно с иглой 5 и штоком 19 первого механического клапана перемещается вверх шток 16 второго механического клапана с конической запирающей поверхностью, соединенный через рычаг 17 со штоком и иглой 5 (фиг.1), и открывает канал 13 с дросселем (дроссель на фиг.1 не показан), соединенный с ГАНД 44 (фиг.6) При впрыске топливо от ГАВД 39 поступает через открытый механический клапан со штоком 16 с конусной запирающей поверхностью, по каналу 13 с дросселем в ГАНД 44. Его количество определяется сечением дросселя в канале 13. При впрыске, когда игла 5 перемещается вверх, топливо вытесняется из камеры 15 над иглой втулкой по каналу 13 в ГАНД 44 через открывающийся механический клапан со штоком 16 и конусной запирающей поверхностью. Происходит рекуперация энергии топлива, участвующего в управлении.
Поэтому пружина 22 в этом случае будет сжиматься за счет двух сил.
Первая сила возникает за счет взаимодействия микропрофиля 27 меньшей высоты и ВП 26 и действует на иглу 5 сверху через шток 31 со шлицами 32 и через МП 21, выходной шток которого соединен жестко с иглой 5.
Вторая сила - сила давления топлива, которая действует на иглу 5 снизу и перемещает ее вверх и также перемещает иглу 5. Обе силы действуют согласно при впрыске и обе силы сжимают пружину 22 на штоке 31.
Усилие, которое действует на иглу 5 сверху зависит от передаточного отношения МП 21 и может быть определено и оптимизировано для конкретной форсунки.
Способ может быть реализован для дизелей с низкой частотой вращения и без МП 21. При этом также достигается цель изобретения так же, как и при наличии МП 21. В изобретении имеющаяся альтернативность признаков направлена на реализацию одной цели.
Впрыск через отверстия 3 первого уровня длится во время взаимодействия микропрофиля меньшей высоты 27 с ВП 26. При этом набегающий край микропрофиля 27 меньшей высоты перемещает иглу 5 на некоторую величину, когда верхняя часть иглы 5 достигнет выступа на внутренней части втулки 6. Но при этом игла 5 еще не будет воздействовать на втулку 6 механически и втулка 6 перемещаться не будет вверх под действием иглы 5.
Когда микропрофиль 27 меньшей высоты при повороте кулачка 24 выйдет из контакта с ВП 26, то пружина 22, сжатая при впрыске, разжимается и, передавая усилие, через МП 21 перемещает иглу 5 на седло 2. Топливо прекращает поступать в отверстия 3, происходит отсечка. Механический клапан со штоком 16 перекрывает канал 13 и топливо прекращает поступать из камеры 15 в ГАНД 44.
Поскольку происходит отсечка камеры 15 от ГАНД 44, то топливо от ГАВД 39 под высоким давлением поступит в камеру 15 над иглой 5 и способствует, наряду с пружиной 22, быстрому перемещению иглы 5 вниз на седло 2 форсунки 1.
Происходит надежное запирание иглы 5 под действием давления от ГАВД 39 и пружины 22 при отсечке подачи топлива в отверстия 3 первого уровня. Механический клапан со штоком 19 перекрывает канал 7 и топливо прекращает поступать от ГАВД 39 под иглу 5, что принципиально важно. Во время отсечки топливо высокого давления не воздействует на иглу 5 снизу. Это означает, что пружина 22 может быть выбрана меньшей жесткости. Таким образом, первый механический клапан со штоком 19 играет очень эффективную роль в управлении подачей топлива.
Далее реализуется основной впрыск топлива через отверстия 4 второго уровня одновременно с впрыском через отверстия 3 первого уровня. При дальнейшем повороте кулачка 24, вращающегося с частотой, пропорциональной частоте коленчатого вала, микропрофиль 27 большей высоты взаимодействует сначала с пластиной 28 (фиг.2а, б; фиг.4а, б) и перемещает ее в крайнее положение при впрыске.
Вместе с пластиной 28 перемещается пластина 29, сжимается пружина 22 на штоке 31 со шлицами 32. Через МП 21 перемещается шток, соединенный жестко с иглой 5 на противоположной стороне МП 21.
Одновременно с иглой 5 перемещается вверх шток 19 первого механического клапана с коническими запирающими поверхностями, соединенный через рычаг 20 со штоком (шток, жестко соединенный с иглой 5, на фиг.1 не показан) и иглой 5 (фиг.1). Канал 7 с дросселем (дроссель на фиг.1 не показан) открывается тем больше, чем больше вверх перемещается игла 5 и соединенный с ней шток 19 первого механического клапана с коническими запирающими поверхностями. Поэтому первый механический клапан со штоком 19 выступает в роли клапана-дозатора топлива, подаваемого через отверстия 3 и отверстия 4 во время впрыска.
Одновременно, как в случае реализации предварительного впрыска или впрыска после основного впрыска, перемещается вверх шток 16 второго механического клапана с рычагом 17 (фиг.1) и открывает канал 13 с дросселем (дроссель на фиг.1 не показан), соединенный с ГАНД 44 (фиг.6).
Топливо по каналам 13 поступает из общей камеры 15 над иглой 5 и втулкой 6 и от ГАВД 39 в ГАНД 44 и через него в ТНВД 37. Топливо поступает также в ГАНД 44 по каналу 16 от ГАВД 39 через камеру 15. Количество топлива, поступаемого в ГАНД 44, определяется сечением дросселя в канале 15 (на фиг.1 дроссель не показан).
Одновременно топливо воздействует на конусную площадку иглы 5 снизу и способствует перемещению иглы 5 вверх, помогает через МП 21 сжимать пружину 22, уменьшает тем самым усилие взаимодействия микропрофилей 27 и пластины 28.
Игла 5 перемещается в верхнее крайнее положение. Выбирается зазор между ней и внутренней частью втулки 6.
Затем игла своим верхним выступом (на фиг.1 не показан) воздействует механически на втулку 6, начинает ее перемещать в верхнее крайнее положение. Пружина 14 сжимается. Пружина 14 выбирается с большой жесткостью. Для ее сжатия необходимо воздействовать на нее механически через иглу 5 и гидравлически путем подачи топлива под втулку 6.
Топливо, после того как втулка 6 начала перемещаться вверх под действием иглы 5, поступает под втулку 6 и через отверстия 4 большего диаметра впрыскивается в цилиндр.
Топливо под высоким давлением поступает от ГАВД 39 под конусную площадку втулки 6, воздействует на нее и способствует перемещению втулки 6 вверх. Пружина 14 при этом сжимается. В ней запасается потенциальная энергия.
Впрыск через отверстия 3 и 4 обоих уровней происходит во время взаимодействия микропрофиля 27 большей высоты с ВП 26. Длина дуги ВП 26 и длина микропрофиля 27 большей высоты при заданной постоянной частоте вращения коленчатого вала и кулачкового вала 25 определяет длительность впрыска.
На большем диаметре распылителя может быть выполнено большее количество отверстий 4. Это необходимо для впрыскивания большей основной порции топлива. Впрыск происходит, таким образом, через два уровня отверстий 3 и 4 одновременно. Объем топлива, впрыскиваемый через отверстия первого уровня 3, мал и мало влияет на величину объема, впрыскиваемого через второй уровень отверстий 4.
Пружина 14, подпружинивающая втулку 6, в этом случае будет сжиматься за счет двух сил.
Первая сила возникает за счет взаимодействия микропрофиля 27 большей высоты и ВП 26 и действует на втулку 6 за счет того, что игла 5 перемещается вверх и механически воздействует на втулку 6, заставляя двигаться совместно вверх.
Вторая сила - сила давления топлива, которая действует на втулку 6 снизу и перемещает ее вверх. Обе силы действуют согласно при впрыске и обе силы сжимают пружину 14 между втулкой 6 и корпусом форсунки 1.
Если микропрофиль 27 с большей высотой, управляющий основным впрыском, выполнен с переменной высотой по его длине, то и основной впрыск осуществляется по определенному закону, поскольку объем под втулкой 6 и под иглой 5 изменяются также по определенному, например, возрастающему закону. Возрастает давление под иглой и втулкой, растет по определенному закону и объем топлива, впрыскиваемого через отверстия 3 и отверстия 4. Имеет место дозируемый по определенному закону основной впрыск. Это позволяет создать закон подачи топлива, оптимальный с точки зрения экологии.
Параллельность сбегающей кромки микропрофиля 27 линии скоса необходима для того, чтобы усилия сжатия и тангенциальные усилия, которые действуют на микропрофиль 27, распределялись равномерно вдоль сбегающей кромки микропрофиля 27 и скоса ВП 26. Возможны самые различные сочетания по протяженности ВП 26 и микропрофилей 27 разной высоты при регулировании длительности впрыска (фиг.5б).
Один или два предвпрыска через отверстия первого уровня 3 можно осуществлять при минимальных длинах микропрофиля 27 и ВП 26 и без регулирования их длительности, равно как и один или два впрыска после подачи основного объема топлива через отверстия 4 второго уровня.
Основной впрыск осуществляется с регулированием длительности с постоянной или переменной высотой микропрофиля 27.
При этом при изменении высоты микропрофиля 27 изменяется, например увеличивается, высота подъема иглы 5 и втулки 6 по задаваемому возрастающему закону, возрастает количество топлива, подаваемого в цилиндр через отверстия 3 и 4.
Когда взаимодействие ВП 26 и микропрофиля 27 с большей высотой заканчивается, то пружина 14 разжимается и возвращает втулку 6 в исходное положение. Пружина 22 разжимается и возвращает иглу 5 на седло в исходное положение.
Пружины 14 и 22 должны иметь определенную жесткость. При отсечке перемещение иглы 5 и втулки 6 осуществляется не только за счет пружин, которые должны при отсечке преодолевать давление топлива от гидроаккумулятора высокого давления и давление газов в цилиндре, но и за счет давления топлива, которое поступает в общую камеру управления 15 над иглой 3 и втулкой 4. За счет этого жесткость пружин 14 и 22 может быть уменьшена.
В предлагаемом устройстве при отсечке канал 7 перекрывается первым механическим клапаном со штоком 19. Поэтому во время отсечки топливо под высоким давлением не поступает под иглу 5 и втулку 6. Это способствует уверенному запиранию иглы 5 и втулки 6 и надежному удержанию иглы 5 и втулки 6 на седле во время отсечки. Механический клапан со штоком 19 перекрывает канал 7 и топливо прекращает поступать от ГАВД 39 под иглу 5, что принципиально важно. Во время отсечки топливо высокого давления не воздействует на иглу 5 снизу. Это означает, что пружина 22 может быть выбрана меньшей жесткости. Таким образом, первый механический клапан со штоком 19 играет очень эффективную роль в управление подачей топлива.
Когда микропрофиль 27 меньшей высоты при повороте кулачка 24 выйдет из контакта с ВП 26, то пружина 22, сжатая при впрыске, разжимается передает усилие через МП 21, перемещает иглу 5 на седло. Топливо прекращает поступать в отверстия 3 и происходит отсечка топлива. Механический клапан со штоком 16 перекрывает канал 13 и топливо прекращает поступать из камеры 15 в ГАНД 44.
Поскольку производится отсечка камеры 15 от ГАНД 44, то топливо от ГАВД 39 под высоким давлением поступает в камеру 15 над иглой 5 и втулкой 6 и способствует, наряду с пружиной 22, быстрому перемещению иглы 5 вниз на седло 2 форсунки 1.
Впрыск топлива после основного впрыска необходим для дожигания продуктов неполного сгорания. Этот впрыск малой длительности, при котором впрыскивается небольшой объем топлива. Возможны два варианта реализации впрыска. Первый вариант реализации - это впрыск через отверстия первого уровня и меньшего диаметра, когда задействована игла 5 и микропрофили 27 меньшей высоты, чем при реализации основного впрыска
Реализуется этот впрыск так же, как и предвпрыск, но длительность его несколько больше, чем длительность предвпрыска. В этом случае микропрофиль 27 кулачка 24, вращающегося с частотой, пропорциональной частоте коленчатого вала, меньшей высоты и равный высоте микропрофиля 27 для реализации предварительного впрыска, взаимодействует сначала с пластиной 28 (фиг.2, фиг.4) и перемещает ее в крайнее положение при впрыске через отверстия 3 первого уровня.
Вместе с пластиной 28 перемещается пластина 29, сжимается пружина 22 на штоке 31 со шлицами 32. Через МП 21 перемещается шток, соединенный жестко с иглой 5.
Игла 5 перемещается в то верхнее положение, которое она может занять при взаимодействии пластины 28 с микропрофилем 27 меньшей высоты.
Одновременно с иглой 5 перемещается вверх шток 19 первого механического клапана с коническими запирающими поверхностями, соединенный через рычаг 20 со штоком (шток, жестко соединенный с иглой 5, на фиг.1 не показан) и иглой 5 (фиг.1).
Канал 7 с дросселем (дроссель на фиг.1 не показан) открывается тем больше, чем больше вверх перемещается игла 5 и соединенный с ней шток 19 механического клапана с коническими запирающими поверхностями. Поэтому механический клапан со штоком 19 выступает в роли клапана-дозатора топлива, подаваемого через отверстия 3.
В начале движения иглы 5 вверх топливо поступает под высоким давлением от ГАВД 39 по трубопроводам 41, 42 (фиг.6), канал 7 корпуса форсунки 1, канал 8 с кольцевой проточкой на наружной поверхности втулки 6, радиально-осевой канал 9 с кольцевой проточкой на поверхности иглы 5, радиальный канал 10 с кольцевой проточкой 11 на внутренней поверхности втулки 6, под иглу 5. При этом топливо под давлением поступает в отверстия 3 и начинается впрыск. Одновременно топливо воздействует на конусную площадку иглы 5 снизу и способствует перемещению иглы 5 вверх, помогает через МП 21 сжимать пружину 22, уменьшает тем самым усилие взаимодействия микропрофилей 27 и пластины 28.
Одновременно со штоком 19 первого механического клапана перемещается вверх шток 16 второго механического клапана с коническими запирающими поверхностями, соединенный через рычаг 17 со штоком и иглой 5 (фиг.1), и открывает канал 13 с дросселем (дроссель на фиг.1 не показан), соединенный с ГАНД 41 (фиг.6).
Топливо из общей камеры 15 над иглой 5 и втулкой 6 по каналу 13 с дросселем поступает (дроссель на фиг.1 не показан) в ГАНД 44 и через него в ТНВД 37.
Наиболее тяжелый режим работы устройства при малых давлениях ГАВД 39. В этом случае при подъеме иглы 5 и втулки 6 для осуществления впрыска большое усилие необходимо развивать при взаимодействии микропрофиля 27 с пластиной 28 и ВП 26 для сжатия пружин 22 и 14. Оптимальный режим работы при малых давлениях топлива от ГАВД 39 выбирается за счет выбора оптимального передаточного отношения МП 21.
Необходимо выбирать такой МП 21, при котором большие усилия сосредоточивались бы на выходной к игле стороне МП 21.
В этом случае имеется возможность увеличить высоту микропрофилей 27, уменьшить тангенциальные усилия и усилия сжатия на микропрофилях 27 до допустимых и с обеспечением многократного запаса.
Техническая реализация малых перемещений в устройствах, реализующих способ, не является проблемой. Использование МП 21 позволяет увеличить или уменьшить эти перемещения в зависимости от мощности дизеля.
Когда микропрофиль 27 меньшей высоты при повороте кулачка 24 выйдет из контакта с ВП 26, то пружина 22, сжатая при впрыске, разжимается и, передавая усилие, через МП 21 перемещает иглу 5 на седло 2. Топливо прекращает поступать в отверстия 3, происходит отсечка. Механический клапан со штоком 16 перекрывает канал 13 и топливо прекращает поступать из камеры 15 в ГАНД 44. Поскольку происходит отсечка камеры 15 от ГАНД 44, то топливо от ГАВД 39 под высоким давлением поступит в камеру 15 над иглой 5 и способствует, наряду с пружиной 22, быстрому перемещению иглы 5 вниз на седло 2 форсунки 1.
Происходит надежное запирание иглы 5 под действием давления от ГАВД 39 и пружины 22 при отсечке подачи топлива в отверстия 3 первого уровня. Механический клапан со штоком 19 перекрывает канал 7 и топливо прекращает поступать от ГАВД 39 под иглу 5, что принципиально важно. Во время отсечки топливо высокого давления не воздействует на иглу 5 снизу. Это означает, что пружина 22 может быть выбрана меньшей жесткости. Таким образом, первый механический клапан со штоком 19 играет очень эффективную роль в управлении подачей топлива. Впрыск после основного требует подачи большего количества топлива, чем предварительный впрыск.
Второй вариант реализации впрыска после основного заключается в том, что впрыск реализуется, как и основной, через отверстия 3 первого уровня и отверстия 4 второго уровня. Отличие только в том, что длительность впрыска после основного через отверстия 3 и 4 двух уровней значительно меньше основного, но будет протекать как основной впрыск.
В этом случае микропрофиль 27 для реализации впрыска после основного выбирается по высоте, несколько большей, чем высота микропрофиля 27 для реализации предварительного впрыска (на фиг.2а, б; фиг.4а, б; фиг.5б это отличие не отражено). Высота этого микропрофиля 27 для реализации впрыска после основного может равняться или быть больше или меньше высоты микропрофиля 27 для реализации основного впрыска, но в любом случае больше высоты микропрофиля 27 для реализации предварительного впрыска.
Поэтому, как и при реализации основного впрыска, впрыск после основного будет происходить через отверстия 3 первого уровня и отверстия 4 второго уровня. При этом с помощью микропрофиля 27 высотой, большей, чем высота микропрофиля 27 для предварительного впрыска, будет подниматься игла 5, а затем при своем движении и вверх она будет «захватывать» втулку 6. Поэтому будут открываться последовательно отверстия 3 первого уровня и отверстия 4 второго уровня.
Отличием этого впрыска от основного является то, что он будет по длительности гораздо меньше основного. Его длительность будет меньше или равна длительности предварительного впрыска. Во всяком случае при впрыске после основного через отверстия 3 и 4 двух уровней можно подать большее количество топлива за тоже время, что при впрыске через один уровень отверстий 3 или подать тоже количество топлива через отверстия 3, 4 за меньшее время.
Альтернативный признак по впрыску после основного реализует одну цель изобретения.
Регулирование длительности в устройстве реализуется за счет перемещения пластин 28 с ВП 26 с помощью электропривода, гидропривода или вручную вдоль оси вала 25 с профилированными программными кулачками 24 на величину Δhрег (фиг.2а, б; фиг.4а, б).
При непрерывном уменьшении длины ВП 26 со скосом (фиг.2а, б; фиг.3а) будет непрерывно уменьшаться длительность впрыска за счет уменьшения времени взаимодействия ВП 26 с микропрофилем 27.
Параллельность сбегающей кромки микропрофиля 27 линии скоса необходима для того, чтобы усилия сжатия и тангенциальные усилия, которые действуют на микропрофиль 27, распределялись равномерно вдоль сбегающей кромки микропрофиля 27 и скоса выпуклой части пластины ВП 26.
При дискретном уменьшении длины выпуклой поверхности ВП 26 пластины 28 будет ступенчато уменьшаться длительность впрыска за счет ступенчатого уменьшения времени взаимодействия ВП 26 с микропрофилем 27. Дискретное управление (фиг.4а,б; фиг.5а) будет отличаться от непрерывного тем что пластина 28 перемещается сразу на некоторую величину, после которой длина ВП 26 изменяется скачком. При этом набегающая кромка и сбегающая кромка микропрофиля 27 будут параллельны оси вала 25.
Реализация основного впрыска, предварительного впрыска и впрыска после основного может осуществляться с нулевой паузой между ними. В этом случае после окончания предварительного впрыска через отверстия первого уровня сразу начинается основной впрыск через отверстия первого и второго уровней, а после окончания основного впрыска сразу начинается впрыск после основного через отверстия первого уровня.
Применение механического привода может быть ограничено только динамическими факторами, в частности за счет возникновения больших импульсов силы при взаимодействии микропрофиля 27, пластины 28 и ВП 26 за малое время и при больших линейных скоростях.
Поэтому с большой уверенностью можно сказать, что предлагаемая система подачи топлива может быть внедрена на дизелях с частотой вращения до 1000 об/мин (судовые дизели, мощные транспортные дизели, дизели дорожных и строительных машин) без всяких технологических затруднений. При больших частотах вращения необходимо решить вопросы жесткости конструкции БРМП и вопросы минимизации его массы как многокритериальной задачи оптимизации.
Полностью реализуются все операции способа с помощью предлагаемого устройства.
1. Способ управления подачей топлива, заключающийся в том, что подают топливо сначала через один уровень отверстий, а затем и позже во время цикла подачи топлива через два уровня отверстий одновременно, отличающийся тем, что осуществляют, как минимум, один предварительный до основного и, как минимум, один впрыск после основного, при этом на каждом предварительном впрыске перемещают иглу вверх механическим путем в течение времени переключения, заданного при впрыске, с помощью кулачков с микропрофилями с малой высотой, на каждом впрыске после основного перемещают иглу вверх механическим путем в течение времени переключения заданного при впрыске с помощью кулачков с микропрофилями высотой, равной высоте микропрофилей для предварительного впрыска, взаимодействующих с пластиной, кинематически соединенной с иглой форсунки, одновременно с иглой форсунки перемещают шток первого механического клапана вверх, открывают канал для подвода топлива под иглу форсунки пропорционально подъему штока первого механического клапана, подают топливо под иглу форсунки и в отверстия распылителя, одновременно с иглой форсунки перемещают шток второго механического клапана вверх, открывают канал для отвода топлива от камеры управления над иглой, отводят топливо из камеры над иглой в гидроаккумулятор низкого давления, удерживают иглу форсунки, штоки первого и второго механических клапанов в верхнем положении на время длительности каждого предварительного впрыска и каждого впрыска после основного впрыска механическим путем при взаимодействии микропрофилей с заданной малой высотой, равной для предварительного впрыска и для впрыска после основного, с выпуклой поверхностью постоянного радиуса на конце пластины, после окончания каждого предварительного впрыска и каждого впрыска после основного иглу форсунки перемещают в нижнее крайнее положение, одновременно штоки первого и второго механических клапанов перемещают вниз, закрывают канал для подвода топлива под иглу и перекрывают канал для отвода топлива от камеры управления над иглой в гидроаккумулятор низкого давления, подают топливо под высоким давлением в камеру управления над иглой при перемещении иглы вниз, удерживают в течение времени, заданного при каждой отсечке между двумя последовательными впрысками, иглу форсунки и штоки первого и второго механических клапанов в крайнем нижнем положении, осуществляют, как минимум, один основной впрыск одновременно через отверстия первого и второго уровней с длительностью основного впрыска, для этого перемещают иглу в верхнее положение механическим путем в течение времени переключения, заданного при впрыске, с помощью кулачков с микропрофилями с большей высотой, взаимодействующих с пластиной, одновременно с иглой форсунки перемещают шток первого механического клапана вверх на постоянную высоту, пропорциональную высоте микропрофиля, для реализации основного впрыска, открывают канал для подвода топлива под иглу и втулку форсунки пропорционально подъему штока первого механического клапана, одновременно с иглой форсунки перемещают шток второго механического клапана вверх, открывают канал для отвода топлива от камеры управления над иглой и втулкой, отводят топливо из камеры управления над иглой и втулкой в гидроаккумулятор низкого давления, подают топливо под давлением сначала под иглу через отверстия первого уровня, после перемещения иглы на некоторую промежуточную высоту, затем перемещают одновременно иглу и втулку и штоки первого и второго механических клапанов в верхнее положение и подают топливо под давлением под втулку в отверстия второго уровня, осуществляют основной впрыск через отверстия второго уровня большего диаметра одновременно с впрыском через отверстия первого уровня, удерживают иглу и втулку в верхнем положении на время длительности основного впрыска механическим путем при взаимодействии микропрофиля с большей высотой с выпуклой поверхностью постоянного радиуса на конце пластины или дополнительно перемещают иглу и втулку и штоки первого и второго механических клапанов по заданному закону на время длительности основного впрыска при взаимодействии микропрофилей с заданной переменной высотой по длине микропрофиля с выпуклой поверхностью постоянного радиуса, после окончания каждого основного впрыска с заданной постоянной или переменной высотой микропрофиля для реализации основного впрыска иглу и втулку форсунки перемещают в нижнее крайнее положение с помощью пружин, одновременно с иглой штоки первого и второго механических клапанов перемещают вниз, перекрывают канал для подвода топлива высокого давления под иглу и втулку, перекрывают канал для отвода топлива от камеры управления над иглой и втулкой в гидроаккумулятор низкого давления, подают топливо под высоким давлением в камеру управления над иглой и втулкой при перемещении иглы и втулки вниз, удерживают в течение времени, заданного при каждой отсечке между двумя последовательными впрысками, иглу и втулку форсунки, а также штоки первого и второго механических клапанов в положении при отсечке или осуществляют впрыск после основного одновременно через отверстия первого и второго уровней с высотой микропрофилей, взаимодействующих с платиной с выпуклым концом, соединенной с иглой, кинематически равной или большей высоты микропрофилей, для реализации основного впрыска, перемещают пластину вдоль оси вала кулачка с микропрофилями с набегающей кромкой микропрофиля, параллельной оси кулачка, и сбегающей кромкой микропрофиля, параллельной скосу выпуклой поверхности на конце пластины, изменяют длину выпуклой поверхности вдоль скоса при непрерывном управлении и изменяют длительность каждого впрыска непрерывно или перемещают пластину вдоль оси вала кулачка с микропрофилями с набегающей кромкой микропрофиля на кулачке, параллельной оси вала кулачка, и сбегающей кромкой микропрофиля, параллельной оси вала кулачка, изменяют длину выпуклой поверхности вдоль оси вала ступенчато и изменяют длительность впрыска ступенчато.
2. Устройство для управления подачей топлива, включающее форсунку с подпружиненной иглой с механическим приводом, мультипликатор перемещения, механический регулятор длительности впрыска, распылитель с одним уровнем отверстий, топливный насос высокого давления, гидравлический аккумулятор высокого давления, соединенный гидравлически с надыгольной и подыгольной камерами форсунки, отличающееся тем, что форсунка выполнена с иглой и соосной с ней втулкой с двумя уровнями отверстий, устройство снабжено гидравлическим аккумулятором низкого давления, двумя механическими клапанами со штоками, быстродействующим реверсивным механическим приводом, первый шток первого механического клапана соединен механически с иглой форсунки и перекрывает канал подвода топлива от гидроаккумулятора высокого давления под иглу и втулку, второй шток второго механического клапана соединен механически с иглой форсунки и перекрывает канал, соединяющий камеру над иглой и втулкой с гидроаккумулятором низкого давления, выход которого соединен со входом топливного насоса высокого давления, гидроаккумулятор высокого давления соединен каналом с камерой над иглой и втулкой, одновременно соединен через канал с первым механическим клапаном через кольцевые проточки в корпусе с нижней частью иглы и втулки, подыгольной камерой и камерой втулки, игла форсунки соединена механически с быстродействующим реверсивным механическим приводом для ее линейного перемещения, который снабжен, как минимум, одной пластиной для одного цилиндра с выпуклой поверхностью постоянного радиуса на одном конце пластины определенной длины выпуклой части, валом, соединенным кинематически с коленчатым валом с, как минимум, одним программным профилированным кулачком с, как минимум, одним микропрофилем на нем с постоянной заданной малой высотой, равной для предварительного впрыска и для впрыска после основного, для реализации, как минимум, одного предварительного впрыска и одного впрыска после основного через один уровень отверстий или с микропрофилем на нем высотой для реализации впрыска после основного, большей, чем высота профиля для предварительного впрыска при реализации впрыска после основного через два уровня отверстий с, как минимум, одним микропрофилем на нем с постоянной заданной большей высотой для реализации, как минимум, одного основного впрыска через два уровня отверстий или, как минимум, одним микропрофилем переменной высоты, изменяющимся по заданному закону по длине микропрофиля для реализации, как минимум, одного основного впрыска, все микропрофили отделены друг от друга промежутками по окружности кулачкового вала для реализации пауз между впрысками или выполнены без промежутков между микропрофилями, программные профилированные кулачки с микропрофилями заданной длины постоянной или переменной высотой выполнены с возможностью последовательного взаимодействия сначала с прямой частью, как минимум, одной пластины при ее перемещении из одного крайнего положения в другое, а затем с выпуклой поверхностью пластины постоянного радиуса при впрысках заданной длительности, выпуклая поверхность, как минимум, одной пластины выполнена со скосом непрерывной по ширине пластины длинной выпуклой концевой части, микропрофили выполнены с прямыми набегающими краями и косыми сбегающими концами, параллельными скосу выпуклой концевой части или ступенчатой по ширине пластины длинной выпуклой концевой части, а микропрофили при этом выполнены с прямыми набегающими и сбегающими краями, параллельными оси вала, при регулировании длительности впрыска, каждая пластина выполнена с возможностью перемещении вдоль оси штока и иглы форсунки и соединена при этом напрямую или через мультипликатор перемещения с подпружиненным штоком и через него с иглой форсунки, каждая пластина выполнена с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной или расположенной под углом к оси иглы и штока, при регулировании длительности впрыска и соединена для этого шлицевым соединением со штоком, относительно которого перемещается пластина.
