Система подачи топлива

УДК 629.063

Ю.Д. Погуляев, д.т.н., Южно-Уральский ГУ

Система управления отражает все признаки новой концепции подачи топлива [1, 2]. Рассмотрим работу системы на примере форсунки с гидроизоляцией отверстий различного уровня (рис. 1). На рис. 2 и рис. 3 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. Электромагнитные 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 регламентирует длительность и число отсечек подачи топлива, когда на катушки управляющих соленоидов напряжение не подается от ЭБУ 110. При этом 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 (рис. 1) нижнего 4 и верхнего 5 уровней.


Рисунок 1. Продольный разрез гидроуправляемой форсунки для подачи топлива с двумя уровнями гидроизолированных отверстий для впрыска: 1– форсунка; 2, 3 – игла и втулка; 4, 5 – отверстия первого и второго уровней; 6 – распылитель; 7, 8 – независимые камеры управления (НКУ 7 и НКУ 8); 9, 10 – независимые управляющие клапаны (НУК 9 и НУК 10); 11,12 – независимые каналы; 13, 14 – независимые промежуточные камеры управления (НПКУ 13 и НПКУ 14); 15, 16 – каналы для соединения НКУ 7 и НКУ 8 с двумя независимыми блоками внешнего управления подачей топлива (НБВУПТ, которые на рис. 1 не показаны); 17 и 18 каналы для отвода топлива в гидроаккумулятор низкого давления форсунки (ГАНД, который на рис. 1 не показан); 19, 20 – независимые камеры управления запирающими элементами иглы 2 (НКУЗЭ 19) и втулки 3 (НКУ-ЗЭ 20); 21 – канал для подвода топлива высокого давления к втулке 3 снизу к отверстиям второго уровня 5 от независимого аккумулятора высокого давления подачи топлива (НГАВД); 22 – канал для подвода топлива высокого давления к игле 2 сверху и через дроссель к НПКУ 13 от другого независимого аккумулятора высокого давления подачи топлива; 23 – канал с дросселем для подвода топлива высокого давления к НПКУ 14 от НГАВД и к втулке 3 сверху; 24 – канал для подвода топлива высокого давления от НГАВД под иглу 2; 25, 26 – осевой и радиальный каналы; 27 – кольцевая проточка в игле 2 для подвода топлива под иглу 2 снизу к отверстиям первого уровня 4; 28 – кольцевая проточка в корпусе 1 между корпусом форсунки 1 и внешней стороной втулки 3; 29 – кольцевой выступ; 30 – кольцевая проточка в распылителе.

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 НГАВД 102 и второго НГАВД 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 (рис. 1), 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 37, 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 относительное разрежение от, например, 10-15 МПа и ниже. 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 НГАВД 102 по трубопроводу 105 в канал высокого давления 24 форсунки 1, канал высокого давления 22 с дросселем в НПКУ 13, по каналу 11 в НКУ 7 и НУК 9 и через канал 15 в БВУПТ 31 (рис. 1);

- топливо подается от второго НГАВД 106 по трубопроводу 109 в канал высокого давления 23 форсунки 1 с дросселем (на рис. 1) в НПКУ 14, по каналу 12 в НКУ 8 и НУК 10 и через канал 16 в НБВУПТ 64 (рис. 2).


Рисунок 2. Схематичное изображение первого независимого блока внешнего управления подачей топлива (НБВУПТ): 31 – независимый блок внешнего управления подачей топлива (НБВУПТ 31); 32 – подвижная платформа; 33 – первый плунжер; 34 – первый гидроцилиндр; 35 – пружина; 36 – второй плунжер; 37 – второй гидроцилиндр; 38 – неподвижное основание; 39 и 40 – первое и второе отверстия; 41 и 42 – трубопроводы для подвода и отвода топлива к НБВУПТ 31; 43 – корпус управляющего гидрораспределителя (УГР 43); 44 – золотник; 45 – пружина; 46, 47, 48 – соответственно корпус, обмотка, сердечник соленоида; 49, 50 – каналы золотника УГР 43; 51, 52 – отверстия в корпусе УГР 43; 53, 54 – каналы золотника УГР 43; 55, 56 – отверстия в корпусе УГР 43; 57, 58 – трубопроводы; 59 – дроссель; 60, 61, 62, 63 – трубопроводы.

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 рис. 4 обратные клапаны не показаны) препятствуют поступлению топлива из ГАФ 97 в подплунжерные полости первых гидроцилиндров 34 и 67 НБВУПТ 31 и НБУВПТ 64 во время впрыска топлива. Топливо, поступающее в подплунжерные полости гидроцилиндров 34 и 67, тормозится до некоторой величины давления, достаточной для того, чтобы в НКУ 7, НКУ 8, 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 во время 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 так-же разницы давлений над и под иглой 2, над 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 НГАВД 102 по трубопроводу 105 (рис. 4), каналу для подвода высокого давления 22, полукольцевой полости в игле 2 (на рис. 1 полукольцевая полость не показана), осевому каналу 25, радиальному каналу 26, кольцевой проточке 27 в игле 2. Максимальное давление к втулке 3 снизу подводится от второго НГАВД 106 по трубопроводу 109 (рис. 3), каналу для подвода топлива высокого давления 21, кольцевой проточке 28 между корпусом форсунки 1 и внешней стороной втулки 3.


Рисунок 3. Схематичное изображение второго независимого блока внешнего управления подачей топлива (НБВУПТ): 64 – второй независимый блок внешнего управления форсункой (НБВУПТ 64); 65 – подвижная платформа; 66 – первый плунжер; 67 – первый гидроцилиндр; 68 – пружина; 69 – второй плунжер; 70 – второй гидроцилиндр; 71 – неподвижное основание; 72, 73 – отверстия; 74, 75 – трубопроводы; 76 – корпус управляющего гидрораспределителя (УГР 76); 77 – золотник; 78 – пружина; 79, 80, 81 – соответственно корпус, обмотка, сердечник соленоида; 82, 83 – каналы золотника УГР 76; 84, 85 – отверстия в корпусе золотника; 86, 87 – каналы золотника УГР 76; 88, 89 – отверстия в корпусе УГР 76; 90, 91 – трубопроводы; 92 – дроссель; 93, 94, 95, 96 – трубопроводы.

Топливо под высоким давлением поступает в отверстия первого 4 и второго 5 уровней. 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 электроприводы 46 и 79 (или пьезоприводы) 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 5 уровней (рис. 1). Это позволяет регулировать количество подаваемого при впрыске топлива изменением давления первого НГАВД 102 для иглы 2 и второго НГАВД 106 для втулки 3 и реализовать амплитудно-импульсную модуляцию по давлению.

Давление от НГАВД 102 и НГАВД 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 dh 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.

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 5 уровень отверстий.

Топливо под давлением поступает в форсунку 1 по двум цепочкам соответственно при управлении впрыском через первый 4 и второй 5 уровень 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 рис. 4 обратный клапан и дроссель не показаны) в ГАФ 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 рис. 4 обратный клапан и дроссель не показаны) в ГАФ 97 и через его КРД 99 в ТНВД 114, осуществляя рекуперацию энергии топлива, потраченного на управление втулкой 3.


Рисунок 4. Блок-схема работы системы управления. 31, 64 – НБВУПТ; 41, 42, 62, 63 – трубопроводы, соединенные с УГР 43 и соленоидом 46; 74, 75, 95, 96 – трубопроводы, соединенные с УГР 76 и соленоидом 79; 57, 60, 61 – трубопроводы, соединенные с корпусом УГР 43, форсункой 1 и её каналом 15; 90, 93, 94 – трубопроводы, соединенные с корпусом УГР 76, форсункой 1 и её каналом 16; 17, 18 – каналы форсунки 1; 97 – гидроаккумулятор низкого давления (ГАНД 97); 98 – датчик давления; 99 – клапан регулирования давления (КРД 99); 100, 101 – трубопроводы с дросселями; 102 – первый независимый гидроаккумулятор высокого давления для подачи топлива 102 (НГАВД 102); 103 – датчик давления; 104 – клапан регулирования давления (КРД 104); 105, 58 – трубопроводы; 106 – второй независимый гидроаккумулятор высокого давления для подачи топлива (НГАВД 106); 107, 108 – датчик давления и клапан регулирования давления (КРД 108); 109 – трубопровод; 110 – электронный блок управления (ЭБУ 110); 111 – топливный бак; 112 – фильтр топлива; 113 – топливоподкачивающий насос; 114 – топливный насос высокого давления (ТНВД 114); 115 – блок задатчиков.

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 (рис. 4), ГАНД 97, КРД 99, ТНВД 114; канал 16, НКУ 10, канал 18, трубопровод 101 (рис. 4), ГАНД 97, КРД 99, ТНВД 114. При этом с помощью КРД 99 в НКУ 7 и НКУ 8 устанавливается 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 рис. 4 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 5 уровней. При отсечке игла 2 и втулка 3 мгновенно и надежно устанавливаются на седло распылителя 6 при отсутствии подпружинивающих элементов, при этом реализуется прямоугольный закон впрыска топлива.

Топливо подается от НГАВД 102 к игле 2 и от НГАВД 106 к 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 рис. 2 не показан), в НПКУ 13 по каналу (на рис. 2 не показан) в НКУЗЭ19; к втулке 3 по трубопроводу 109, каналу 23 с дросселем форсунки 1 (дроссель на рис. 2 не показан), в НПКУ 14 по каналу (на рис. 2 не показан) в НКУЗЭ 20. Давление в НКУЗЭ 19 над и под иглой 2 выравниваются.

Поскольку площадь иглы 2 сверху больше дифференциальной площадки иглы 2 снизу, то игла 2 мгновенно перемещается вниз и становится на седло распылителя 6, перекрывая отверстия первого уровня 4. Давление в НКУЗЭ 20 над и под втулкой 3 выравниваются. Поскольку площадь втулки 3 сверху больше 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 5 уровней.

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 5 уровней, причем впрысков равной длительности. Число впрысков при внешнем управлении с помощью электромагнитного привода 46, 79 или с помощью пьезопривода может быть выполнено столько, сколько потребуется для реализации максимального индикаторного к.п.д.

Продолжение читайте в следующем номере

Список литературы

1. Погуляев Ю.Д., Наумов В.Н., Левченко В.В. Новый подход к решению проблемы подачи топлива//Механизация строительства №4 — 2009 — С. 4-7.

2. Погуляев Ю.Д., Наумов В.Н., Левченко В.В. Новый подход к решению проблемы подачи топлива//Механизация строительства №5 — 2009 — С. 7-12

3. ПогуляевЮ.Д. Новые возможности управления дизелем//Автомобильная промышленность. — 2010. — №1 — с. 10–12.