способ управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, снабженного системой топливоподачи с топливным насосом высокого давления и форсункой, между которыми установлен перепускной клапан с электрическим управлением его затвора, а также снабженного системой автоматического управления работой клапана, электрически связанной с генератором управляющих импульсов и имеющей обратные связи по режимным параметрам двигателя, контролируемым блоком датчиков, заключающийся в прекращении впрыскивания топлива открытием затвора и возобновлением впрыскивания закрытием затвора при подаче на его электропривод соответствующего электрического сигнала, сформированного генератором электрических импульсов по результатам контроля режимных параметров двигателя, отличающийся тем, что дополнительно управляют заданным значением давления впрыска топлива во времени путем изменения величины эффективного сечения щели перепускного клапана, определяемого величиной остаточного между затвором и седлом зазора, обеспечиваемого дифференциальной характеристикой управляющего электрического сигнала, подаваемого на электропривод затвора.

2. Система управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, содержащая топливный насос высокого давления и форсунку, между которыми установлен перепускной клапан с электрическим управлением его затвора, открытием которого прекращают впрыск топлива, а закрытием возобновляют его, а также систему автоматического управления работой клапана, электрически связанную с генератором управляющих импульсов и снабженную обратными связями по режимным параметрам двигателя, контролируемым блоком датчиков, отличающийся тем, что в качестве привода затвора перепускного клапана применен пьезоэлектрический привод, а система автоматического управления дополнительно снабжена датчиками перемещения затвора перепускного клапана и давления топлива перед форсункой.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к объекту машиностроения, а именно двигателестроению и, в частности, к управлению характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Известен способ управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания ДВС (Патент РФ №2231672, з. 24.07.2002 г.), снабженного системой топливоподачи с топливным насосом высокого давления и форсункой, между которыми установлен перепускной клапан с электрическим управлением его затвора, а также снабженного системой автоматического управления работой клапана, электрически связанной с генератором управляющих импульсов и имеющей обратные связи по режимным параметрам двигателя, контролируемым блоком датчиков, заключающийся в том, что впрыск топлива прекращают открытием затвора перепускного клапана или возобновляют его путем закрытия затвора, подавая на его электропривод соответствующий электрический сигнал, сформированный генератором электрических импульсов по результатам контроля режимных параметров двигателя.

Известная система управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания (Патент РФ №2231672, з. 24.07.2002 г.) снабжена топливным насосом высокого давления и форсункой, между которыми установлен перепускной клапан с электрическим управлением, открытием затвора которого прекращают подачу топлива в камеру сгорания, а закрытием - возобновляют ее, при этом в качестве привода затвора используют электромагнит, и, кроме того, содержит систему автоматического управления, электрически связанную с генератором управляющих импульсов и блоком датчиков, осуществляющих обратные связи системы автоматического управления с режимными параметрами двигателя внутреннего сгорания.

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не позволяют прежде всего управлять величиной давления впрыскивания топлива в камеру сгорания при постоянной частоте вращения коленчатого вала, что очень важно для обеспечения качественного смесеобразования в диапазоне малых нагрузок и холостого хода двигателя. Это объясняется тем, что изменение амплитуды давления впрыска практически можно обеспечить только изменением площади проходного сечения щели (остаточного зазора) перепускного клапана между уплотняющим пояском затвора и коническим седлом его направляющей втулки, что не обеспечивается электромагнитным приводом, который традиционно управляется электрическими сигналами, формируемыми генератором импульсов по принципу широтно-импульсной модуляции. При этом система обеспечивает изменение фаз и продолжительности впрыска за счет соответствующего изменения фаз открытия и закрытия затвора и продолжительности его выстоя, но не позволяет изменять величину перемещения затвора (остаточного зазора) вследствие большой инерционности подвижных звеньев перепускного клапана - затвора совместно с якорем электромагнита, так как при этом для обеспечения среднего значения амплитуды давления впрыска требуется значительное увеличение частоты управляющих импульсов с малым коэффициентом их заполнения. Использование принципа амплитудной модуляции управляющих сигналов также не позволяет управлять величиной хода затвора (остаточным зазором перепускного клапана) вследствие другой особенности электромагнитного привода, заключающейся в резком снижении его тягового усилия при незначительном увеличении зазора между якорем и статором электромагнита, что не позволяет обеспечивать устойчивую работу затвора в режиме изменения величины его хода и, тем самым, не позволяет обеспечить надежность управления величиной давления впрыска топлива.

Целью изобретения является повышение качества смесеобразования в камере сгорания в широком диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя за счет расширения технологических возможностей системы управления характеристиками впрыскивания топлива.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, снабженного системой топливоподачи с топливным насосом высокого давления и форсункой, между которыми установлен перепускной клапан с электрическим управлением его затвора, а также снабженного системой автоматического управления работой клапана, электрически связанной с генератором управляющих импульсов и имеющей обратные связи по режимным параметрам двигателя, контролируемым блоком датчиков, впрыск топлива прекращают открытием затвора перепускного клапана или возобновляют его путем закрытия затвора, подавая на его электропривод соответствующий электрический сигнал, сформированный генератором электрических импульсов по результатам контроля режимных параметров двигателя, согласно предлагаемому изобретению дополнительно управляют заданным значением давления впрыска топлива во времени путем изменения величины эффективного сечения щели перепускного клапана, определяемого величиной остаточного между затвором и седлом зазора, обеспечиваемого дифференциальной характеристикой управляющего электрического сигнала, подаваемого на электропривод затвора. При этом требуемого изменения давления впрыска топлива достигают соответствующим обратно пропорциональным изменением величины эффективного сечения щели перепускного клапана.

Поставленная цель достигается также тем, что в системе управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, содержащей топливный насос высокого давления и форсунку, между которыми установлен перепускной клапан с электрическим управлением его затвора, открытием которого прекращают впрыск топлива в камеру сгорания, а закрытием - возобновляют его, а также систему автоматического управления работой клапана, электрически связанную с генератором управляющих импульсов и снабженную обратными связями по режимным параметрам двигателя, контролируемым блоком датчиков, согласно предлагаемому изобретению в качестве привода затвора перепускного клапана применен пьезоэлектрический привод, а система автоматического управления дополнительно снабжена датчиками перемещения затвора перепускного клапана и давления топлива перед форсункой.

Возможность изменять величину эффективного проходного сечения щели перепускного клапана за счет изменения величины остаточного зазора между затвором и седлом его направляющей втулки в процессе впрыска топлива позволяет, кроме возможности изменять фазы и продолжительность впрыска, дополнительно управлять заданным значением давления впрыска топлива во времени путем перепуска части топлива из нагнетательной магистрали на слив, что значительно расширяет возможности и повышает эффективность системы управления характеристиками впрыскивания топлива.

При этом изменение величины остаточного зазора перепускного клапана достигается соответствующим изменением величины перемещения затвора в процессе его посадки на седло за счет применения в качестве привода затвора пьезоэлектрического привода, управляемого аналоговым электрическим сигналом, формируемым генератором управляющих импульсов в соответствии с режимом работы двигателя, параметры которого контролируются штатным блоком (набором) датчиков, что позволяет упростить и повысить надежность работы системы управления впрыском топлива вследствие снижения частотной характеристики управляющего сигнала. Дополнительное использование в системе управления впрыском топлива датчиков перемещения затвора перепускного клапана и давления топлива перед форсункой обеспечивает обратную связь системы автоматического управления с дифференциальными характеристиками перемещения затвора и давления впрыска топлива.

На фиг.1 приведена схема системы, обеспечивающей предлагаемый способ управления характеристиками впрыскивания топлива; на фиг.2 схематично показана осциллограмма давления впрыска топлива; на фиг.3 приведен пример устройства ТНВД со встроенным пьезоэлектрическим перепускным клапаном.

Для осуществления предлагаемого способа управления характеристиками впрыскивания топлива двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 1 (фиг.1) имеет блок (набор) штатных датчиков (БД) 2, контролирующих параметры работы двигателя, и систему подачи топлива, содержащую топливный насос высокого давления (ТНВД) 3 и форсунку (Ф) 4, гидравлически соединенные нагнетательным трубопроводом 5, проходящим через перепускной клапан (ПК) 6, затвор которого (не показан) имеет пьезоэлектрический привод (ПЭП) 7, управляемый аналоговым электрическим сигналом, формируемым в соответствии с режимом работы двигателя генератором управляющих импульсов (ГУИ) 8. Система подачи топлива содержит также систему автоматического управления (САУ) 9 и датчики соответственно перемещения затвора (ДП) 10 и давления топлива (ДД) 11 перед форсункой. Кроме того, ГУИ 8 имеет функциональную связь 12 с ПЭП 7, а САУ 9 - функциональную связь 13 с ГУИ 8 и обратные связи 14, 15 и 16 соответственно с БД 2, ДП 10 и ДД 11.

Пьезоэлектрический перепускной клапан (ПЭПК) (фиг.3) состоит из основного корпуса 17, корпуса 18 открывающей пружины 19 с регулировочной прокладкой 20, корпуса 21 пьезоэлектропривода с пьезопакетом 22 и крышкой 23. Одним своим, в частности правым, торцом пьезопакет 22 упирается в крышку 23, а его другой - подвижный левый торец содержит шток 24, на левом торце которого закреплен центрально расположенный закаленный стальной шарик 25. В основном корпусе 17 запрессована направляющая втулка 26 с коническим седлом малой опорной площадью (например, с размерами катетов уплотняющего пояска 0,1×0,1 мм), расположенным с ее правого торца. В центральном отверстии втулки 26 расположен затвор 27, снабженный с одной стороны хвостовиком с уплотняющей цилиндрической поверхностью 28, а с другой, в частности правой, стороны - головкой 29 с уплотняющим по внешнему контуру усеченным конусом, сопрягаемым с седлом втулки 26. Затвор 27, благодаря воздействию на него усилия открывающей пружины 19, торцом своей головки 29 посредством шарика 25 кинематически замкнуто связан со штоком 24. Использование шарика 25 позволяет максимально уменьшить боковые нагрузки на затвор 27 и пьезопакет 22, возникающие от технологических неточностей сопряжения торцов головки 29 затвора 27 и штока 24 пьезопакета 22. Между головкой 29 затвора 27 и его уплотняющей цилиндрической поверхностью 28 имеется проточка 30, образующая в центральном отверстии втулки 26 полость 31, гидравлически связанную с каналом 32 подвода топлива высокого давления. Со стороны головки 29 затвора 27 расположена сливная полость 33, образованная частью осевого отверстия в основном корпусе 17, используемая под установку втулки 26 и соединенная со сливным каналом 34 в корпусе 18 посредством нескольких сквозных продольных периферийно выполненных во втулке 26 отверстий 35 и выточки 36 корпуса 18.

Конструкция ПЭПК выполнена в виде пакетного соединения основного корпуса 17 с корпусом 18 открывающей пружины 19, корпусом 21 пьезоэлектропривода и крышкой 23, осуществляемого с помощью стяжных болтов соответственно 37 и 38, а уплотнение по плоским сопрягаемым поверхностям указанных корпусных элементов устройства обеспечивается унифицированными резиновыми кольцами 39. Для контроля перемещения затвора 27 ПЭП снабжен, например, емкостным датчиком 40 перемещения штока 24 пьезопакета 22.

Предлагаемый способ управления характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания ДВС осуществляется следующим образом. В процессе работы ДВС 1 (фиг.1) его режимные параметры, в частности, частота вращения и крутящий момент коленчатого вала, давление наддува и др., контролируются блоком (штатным набором) датчиков 2, информация от которых в виде измеренных импульсов передается по каналу обратной связи 14 на САУ 9, в которой измеренные значения режимных параметров сравниваются с заданными, устанавливаемыми в соответствии с требуемым режимом работы ДВС. Полученная в результате сравнения заданных значений параметров с их измеренными величинами информация передается в виде сигналов рассогласования от САУ 9 по функциональному каналу связи 13 на ГУИ 8, где формируется соответствующий управляющий электрический сигнал, направляемый по функциональному каналу связи 12 на ПЭП 7, управляющий работой ПК 6 путем открытия, закрытия, а также изменения хода его нормально открытого затвора (не показан) для осуществления заданной характеристики подачи топлива ТНВД 3 через нагнетательный трубопровод 5 на форсунку 4.

При максимальном ходе затвора ПК 6 полностью открыт, что соответствует максимальной площади S_max (фиг.2) его проходного сечения. При этом все топливо, подаваемое ТНВД 3 (фиг.1), направляется на слив и впрыск топлива форсункой не производится, а давление топлива Рт в нагнетательном трубопроводе 5 перед форсункой 4 равно минимальному остаточному давлению Рт ₀ (фиг.2).

Для осуществления впрыска топлива с максимальным давлением Рт=Рт_max от ГУИ 8 (фиг.1) направляется электрический сигнал максимальной амплитуды на ПЭП 7, посредством которого затвор перемещается на максимальную величину своего хода, полностью закрывая ПК 6, что соответствует нулевой величине площади его проходного сечения S=0 (фиг.2).

Для осуществления впрыскивания топлива с промежуточными амплитудами давления Рт=Рт _i (Рт_max>Рт_i >Рт₀), оптимально выбираемыми для заданных режимов работы ДВС, в ГУИ 8 (фиг.1) формируются электрические сигналы соответствующих амплитуд, которые обеспечивают пропорциональное изменение величины перемещения ПЭП 7, который выполняет при этом роль регулируемого упора, ограничивающего ход затвора и обеспечивающего тем самым обратно пропорциональное изменение площади проходного сечения ПК 6 и соответствующее ей дросселирование части топлива, перепускаемого из нагнетательного трубопровода 5 на слив.

Система (фиг.1) позволяет также управлять дифференциальным законом (формой осциллограммы давления) впрыска и обеспечивать многофазный впрыск топлива (фиг.2, не показано) путем формирования ГУИ 8 (фиг.1) соответствующих дифференциальных законов управляющих электрических сигналов, подаваемых на ПЭП 7.

Контроль фаз работы ПК 6 (фиг.1) и величины его проходного сечения осуществляется посредством датчика перемещения 10 ПЭП 7, а регистрация давления впрыска (перед форсункой 4) обеспечивается датчиком давления 11, информация от которых передается на САУ 9 по каналам обратной связи соответственно 15 и 16.

Работа пьезоэлектрического перепускного клапана (фиг.3) осуществляется следующим образом.

При отсутствии электрического сигнала, подаваемого на пьезоэлектрический привод 21, пьезопакет 22 имеет минимальный осевой размер и его шток 24 с шариком 25 на левом торце занимает крайнее правое положение, а затвор 27 под действием усилия открывающей пружины 19 занимает соответственно свое крайнее правое положение, упираясь торцом головки 29 в шарик 25 штока 24. В этом случае ПЭПК находится в нормально открытом состоянии и впрыск топлива форсункой отсутствует, так как все топливо, подаваемое ТНВД по каналу 32 подвода топлива высокого давления, из полости 31 направляется через щель максимального проходного сечения, соответствующего максимальному зазору S _max (фиг.2), между головкой 29 (фиг.3) и седлом втулки 26 в сливную полость 33, откуда, пройдя через отверстия 35 втулки 26 и выточку 36, отводится в сливной канал 34. При этом давление топлива Рт перед форсункой равно минимальному остаточному - Рт ₀.

Для осуществления впрыска топлива форсункой с максимальным давлением Рт=Рт_max (фиг.2) ПЭПК переводится в закрытое положение, для чего на пьезопакет 22 ПЭП 21 (фиг.3) подается электрический сигнал максимальной амплитуды, в результате чего осевой размер пьезопакета 22 увеличивается до максимального значения. При этом пьезопакет 22 посредством штока 24 с шариком 25 преодолевает усилие открывающей пружины 19 и перемещает затвор 27 в крайнее левое положение. В момент касания головки 29 затвора 27 седла направляющей втулки 26 ПЭПК оказывается полностью закрытым. Затвор 27 в этом положении удерживается упруго-напряженным состоянием кинематически замкнутой конструкции ПЭПК, обеспечиваемого статическим усилием, развиваемым пьезопакетом 22. В этом положении подвижных элементов ПЭПК величина зазора между головкой 29 затвора 27 и седлом направляющей втулки 26 равен нулю (S=0, фиг.2). При этом все топливо с давлением Рт=Рт _max подается через канал 32 на форсунку,

Для осуществления впрыска топлива форсункой с промежуточными амплитудами давления (Рт=Рт_i, фиг.2) ПЭПК осуществляется частичный перепуск топлива из канала 32 подвода топлива высокого давления в сливной канал 34. Для этого на ПЭП 21 подается управляющий электрический сигнал соответствующей амплитуды, обеспечивающий такое изменение осевого размера пьезопакета 22, а следовательно, и величину остаточного зазора S=S_i (фиг.2) между головкой 29 затвора 27 и седлом втулки 26 (фиг.3), при котором расход перепускаемой части топлива обеспечивает заданную величину давления впрыска Рт=Рт_i. При этом диапазон регулирования давления впрыска топлива определяется соотношением Рт₀ Рт_i Рт_max и зависит от гидравлической характеристики ПЭПК.

Кроме обеспечения заданной амплитуды давления впрыска топлива, применение пьезоэлектрического привода позволяет легко управлять фазами и дифференциальной характеристикой подачи топлива на форсунку, а также осуществлять ступенчатый (многофазный) впрыск топлива, что достигается формированием и подачей на пьезопакет 22 управляющих электрических сигналов соответствующих дифференциальных характеристик.

Надежность перемещения затвора 27 при открытии ПЭПК обеспечивается регулировкой посредством прокладки 20 усилия затяжки открывающей пружины 19, величина которого выбирается из условия гарантированного преодоления сил трения скольжения и гидравлического сопротивления при перемещении затвора 27 в экстремальных условиях работы ПЭПК, соответствующих наиболее нагруженному режиму работы ДВС.

Применение для перемещения затвора 27 ПЭП на основе пакета пьезоэлементов позволяет значительно упростить конструкцию, а также повысить надежность и быстродействие перепускного клапана за счет снижения инерционности его подвижных элементов, что расширяет его функциональные возможности и технические характеристики. Пьезоэлектрический привод, обладая высоким быстродействием и способностью развивать большие и стабильные во всем диапазоне его удлинения тяговые усилия, обеспечивает более высокие динамические качества перепускного клапана, повышая его возможности по управлению характеристиками впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания.