Электронная система впрыска топлива для двигателя с воспламенением от сжатия и блочный силовой узел - RU2117181C1

Чертежи

Описание

Изобретение касается вообще электронных систем регулирования топлива для двигателей с воспламенением от сжатия, в частности систем регулирования впрыска топлива для двигателей с воспламенением от сжатия, содержащих цилиндры с большими рабочими объемами, как, например, двигатели для локомотивов и двигатели судового типа.

В настоящее время нет систем переменного регулирования впрыска для дизельных двигателей локомотивов. Известные локомотивные двигатели обычно имеют постоянную регулировку впрыска с помощью регулятора и механического рычажного механизма, приводящих в действие одновременно ряд устройств подачи топлива. Количество топлива и/или регулировка впрыска топлива в основном заранее задаются для рабочей точки любого данного двигателя и обычно не могут изменяться для изменяющихся режимов. Системы подачи топлива могут выполняться в виде насос-магистраль-форсунки или в форме угла впрыска.

Требования, касающиеся выхлопных газов, скоро будут действовать и в промышленности, выпускающей локомотивные двигатели, чтобы снизить выбросы выхлопных газов до приемлемых уровней. Хотя электронные системы регулирования топлива для снижения выбросов выхлопных газов были разработаны для дизельных двигателей грузовых автомобилей, эти типы систем в основном не подходят для необычных конструкций значительно более крупных дизельных двигателей.

Так, например, рабочий объем одного цилиндра большого шестнадцатицилиндрового дизельного двигателя может составлять порядка 11 л, тогда как рабочий объем одного цилиндра обычного дизельного двигателя грузового автомобиля может быть только порядка 2 л. Поэтому один цилиндр крупного локомотивного двигателя может легко превышать более чем в пять раз крупный дизельный двигатель грузового автомобиля. Это сказывается в основном в очень различных конструктивных ограничениях, поскольку высокие уровни давлений впрыска (порядка 10 - 20 кфунт/кв. дюйм требуются в сочетании со значительно большими величинами объемных расходов (100 - 1600 м³/ход) для обеспечения правильного сгорания в более крупном локомотивном двигателе (патент США N 4297982).

У таких больших двигателей возникает проблема, обусловленная существованием режимов, требующих низкого объемного расхода, например, при работе на холостом ходу (порядка 100 мм³ /ход), и режимов, требующих большого объемного расхода (порядка 1600 мм³/ход), которые должны обеспечиваться во время нормальных условий работы. Поэтому система подачи топлива должна быть способна обеспечивать широкий диапазон объемов топливного потока (объемных расходов) при высоких давлениях впрыска. Приспосабливание таких требований становится особенно трудным, когда механизмы подачи топлива используют систему с постоянным объемом, как известно в данной области. Эти системы обычно заполняют насосную камеру одним и тем же количеством топлива независимо от фактической потребности в нем форсунки. В режимах низкой потребности в топливе избыточное топливо из насосной камеры должно сливаться или рециркулировать в подающий резервуар. Следовательно, как большие объемы слива (например, 1500 мм³/ход), когда потребность в расходе составляет всего 100 мм³/ход), так и высокие давления должны удовлетворяться механизмом подачи топлива. В настоящее время нет механизмов подачи топлива с электронным управлением, удовлетворяющих большим объемом слива и обеспечивающих также высокие давления впрыска.

Другие различия влияют также на тип системы впрыска топлива, которая может использоваться на более крупных двигателях с воспламенением от сжатия. Так, например, локомотивные двигатели обычно создаются для поддержания стабильности регулятора, например для обеспечения относительно постоянной выходной скорости, чтобы создать источник выработки постоянной мощности для больших двигателей постоянного тока, использующихся для приведения в действие колес. Оснащение крупными электродвигателями постоянного тока приводит также к возникновению дополнительных электромагнитных помех, обычно не встречающихся у грузовых автомобилей.

Кроме того, большие локомотивные двигатели сталкиваются с радикальными изменениями нагрузки, что обусловлено включением больших дополнительных нагрузок, как то компрессоров, вентиляторов и силовых нагрузок "гостиниц" (генераторов переменного тока для выработки 110 В, при 60 Гц) в пассажирских поездках. Включение или отключение таких нагрузок приводит к изменениям в нагрузке порядка на 500 л.с. в любой момент.

Большие двигатели создают также большие вибрации. Оказалось проблемной получить точную информацию о скорости двигателя, используя магнитные приемные датчики, поскольку вибрация вызывала неправильное срабатывание, а обычные насечки или метки на маховиках обеспечивали только курсовой или шумовой сигналы, недостаточные обычно для точного электронного управления системами регулирования впрыска. Следовательно, обычные компоненты регулировки и другие электрические устройства не могут выдержать таких суровых условий эксплуатации.

Другими конструктивными соображениями, в основном необычными для таких крупных двигателей, являются низкая скорость двигателя (число оборотов в минуту) и замедленные перемещения воздуха в камере. Меньшие двигатели обычно работают на скоростях в несколько тысяч оборотов в минуту. Однако крупные локомотивные двигатели обычно работают на скоростях от 0 до 1050 об/мин. Скорость, с которой поршни перемещаются, влияет на скорость поступления воздуха и/или завихрение. Более низкие об/мин обычно сказываются на медленном всасывании воздуха в камере для обеспечения правильного распыления топлива в воздушную смесь, обычно обеспечивается во время хода вниз. Однако в более крупных цилиндрах обычно имеет место значительно меньшее движение воздуха в цилиндре, что приводит к более застойному захваченному объему воздуха. В результате этого требуется приложить большее давление впрыска топлива, чтобы преодолеть внутрицилиндровое сжатие и проникнуть через застойный объем воздуха в достаточно распыленном состоянии, в результате чего унос будет приводить к однородному и стехиометрическому горению воздушно-топливной смеси.

Следовательно, существует потребность в системе переменного регулирования впрыска топлива для больших двигателей с воспламенением от сжатия для уменьшения выхлопных газов, улучшения расхода топлива и устранения ненужных механических компонентов расхода топлива и устранения ненужных механических компонентов и рычажных механизмов. Такая система должна обеспечивать высокие скорости потока топлива и высокое давление впрыска топлива форсунками для обеспечения эффективной работы двигателя.

Целью изобретения является создание электронной системы регулирования впрыска топлива для больших двигателей с воспламенением от сжатия, облегчающей переменное регулирование впрыска с помощью точного программного управления для уменьшения выхлопных газов, сводя к минимуму при этом проблемы, связанные с расходом топлива.

Другой целью изобретения является создание электронной системы регулирования топлива, содержащей механизм подачи топлива постоянного объема, которая может способствовать высоким давлениям впрыска в широких диапазонах объемных расходов топлива для обеспечения надлежащего сгорания.

Еще одной целью изобретения является создание электронной системы регулирования топлива, способной последовательно регулировать впрыск топлива в каждый цилиндр.

Кроме того, целью изобретения является создание электронного устройства регулирования топлива, которое срабатывает на один из многочисленных сигналов требуемой скорости для переменного управления регулированием впрыска для оптимизации расхода топлива, на базе снижения требуемой скорости.

Изобретение содержит индивидуальные механизмы подачи топлива, например топливные насосы и топливную форсунки, для каждого соответствующего цилиндра, а также имеет генератор регулирующего сигнала, как, например, оптическое кодирующее устройство, соединенное с кулачковым валом, для выработки регулирующего сигнала, соответствующего скорости двигателя, и индекс сигнала цилиндра, показывающего по крайней мере какой цилиндр является контрольным. Изобретением содержит такие электронное регулирующее устройство, как, например, большое число индивидуальных регуляторов, срабатывающих на регулирующий сигнал и индекс сигнал цилиндра для электронного управления индивидуальными механизмами подачи топлива. Механизмы подачи топлива срабатывают на выходной сигнал от электронного регулирующего устройства и обеспечивают объемный поток топлива в диапазоне примерно 100 - 1600 мм³/ход (на такт впрыска) в диапазоне давлений впрыска топлива порядка 10 - 20 кфунт/кв. дюйм к соответствующей топливной форсунке.

Механизм подачи топлива имеет соленоидный клапан с электронным управлением, срабатывающий на выходной сигнал для управления отклонением или сливом топливного потока из постоянного объема топливной камеры, например насосной камеры, а также имеет клапан, например селективный клапан, приводящийся в действие управляющим соленоидным клапаном и гидравлически с ним связанный, для обеспечения дополнительного слива из постоянного объема топливной камеры во время режимов запроса более низкого потока топлива.

Электронная система регулирования топлива для крупных двигателей с воспламенением от сжатия согласно изобретению может иметь также специализированный регулятор нагрузки, соединенный с электронным регулирующим устройством для подачи сигнала, соответствующего одному из многочисленных выбранных уровней скорости двигателя. Регулятор нагрузки включает и/или отключает управляемую нагрузку в ответ на получение сигнала, указывающего нагрузку, поступающего с электронного управляющего устройства.

Описывается также блочный силовой узел для двигателя с воспламенением от сжатия, имеющего рабочий объем цилиндра по крайней мере 5, 5 л, который содержит цилиндр и соответствующий механизм подачи топлива, снабженный клапаном с электронным управлением, например соленоид, срабатывающий на управляющий сигнал, например, от электронного регулирующего устройства. Механизм подачи топлива также содержит клапан, например селективный клапан, гидравлически связанный с клапаном с электронным управлением, для подачи топлива из постоянного объема топливной камеры, механизм подачи топлива обеспечивает диапазон давлений впрыска топлива порядка 10 - 30 кфунт/кв.дюйм, а клапан с электронным управлением в сочетании с клапаном способствует достижению диапазона объемного расхода топлива порядка 100 - 1600 мм³/ход. Комбинация из клапана с электронным управлением и селективного клапана обеспечивает слив топлива в питающий резервуар из топливной камеры постоянного объема
На фиг. 1 представлен перспективный вид Y-образного дизельного локомотивного двигателя, имеющего электронную систему впрыска топлива; на фиг. 2 - вид с частичным вырезом блочного силового узла, управляемого электронным устройством регулирования впрыска топлива изобретением; на фиг. 3 - блок-схема электронной системы впрыска топлива; на фиг. 4 - диаграмма регулирующего сигнала для использования электронной системой впрыска топлива, показанной на фиг. 3; на фиг. 5 - предпочтительный механизм подачи топлива, встроенный в топливный насос.

На фиг. 1 показан дизельный двигатель 10 с воспламенением от сжатия, использующий электронную систему регулирования топлива в соответствии с изобретением. Двигатель 10 может быть любым крупным дизельным двигателем, например дизельным двигателем модели FD4-12 или FD4-16, который изготавливается Дженерал Электрик, Эрле, Пенсильвания. Такой двигатель может содержать турбонагнетатель 12 и ряд блочных силовых узлов 14. Так, например, 12-й цилиндровый двигатель имеет 12 таких силовых узлов, тогда как 16-й цилиндровый двигатель имеет 16 таких силовых узлов. Двигатель 10 содержит также впускной воздухопровод 16, магистраль 18 подачи топлива к каждому силовому узлу 14, впускной трубопровод 20 для воды, использующийся для охлаждения двигателя, насос 22 для смазочного масла и водяной насос 24, при этом все они известны из предшествующего уровня техники. Промежуточный охладитель 26, соединенный с турбонагнетателем 12, облегчает охлаждение турбонагнетаемого воздуха прежде, чем он поступит в соответствующую камеру сгорания внутри одного из силовых узлов 14. Двигатель может быть Y-образным, как известно в данной области.

На фиг. 2 показан один из многочисленных силовых узлов 14, содержащий цилиндр 28 и соответствующий механизм подачи топлива, обозначенный в общем позицией 30, для подачи топлива в камеру сгорания в цилиндре 28. Каждый блочный силовой узел 14 может содержать также ось 32 плеча коромысла воздушного клапана для перемещения большого числа подпружиненных воздушных клапанов, обозначенных в общем позицией 34. Ось 32 плеча коромысла клапана соединена с штангой 36 толкателя клапана через плечо 38 коромысла клапана. Ось 32 плеча коромысла клапана соединена с штангой 36 толкателя клапана и приводится в действие, как известно в данной области.

Каждый блочный силовой узел 14 содержит также гильзу 40 цилиндра, вставляемую в отверстие (не показано), выполненное в блоке двигателя 10. Блочный силовой узел 14 содержит рубашку цилиндра для размещения в ней цилиндра 28 и взаимодействующих с ним компонентов. Для вышеописанного двигателя 10 предпочтительный диапазон давления впрыска составляет порядка 15 - 20 кфунт/кв. дюйм. Предпочтительный объем подачи топлива составляет 100 - 1600 мм³/ход. Рабочий объем цилиндра может составлять по крайней мере 5,5 л, но предпочтительно составляет 11 л.

Механизм 30 подачи топлива содержит механизм 42 впрыска топлива, соединенный с магистралью 44 впрыска топлива под высоким давлением, которая гидравлически соединена с устройством 46 подача топлива под давлением, например топливным насосом. Такая конструкция известна как контур насос-магистраль-форсунка. Устройство 46 подачи топлива под давлением повышает давление за счет приведения в действие штанги 48, как будет описано ниже. Механизм 30 подачи топлива содержит линию 50 электронного сигнала для приема электронных сигналов от электронного регулирующего устройства. Линия 50 электронного сигнала обеспечивает управляющий сигнал к клапану 52 с электронным управлением, составляющим часть механизма 30 подачи топлива. Блочный силовой узел 14 получил свое название потому, что каждый цилиндр и взаимодействующие с ним элементы (или силовой узел) может быть удален из двигателя индивидуально для облегчения обслуживания. Следовательно, весь двигатель не нужно снимать или заменять, чтобы облегчить ремонт цилиндра или любого взаимодействующего с ним элемента.

На фиг. 3 схематично показана система 58 впрыска топлива, снабженная электронным управляющим устройством 60 для обеспечения переменной регулировки каждого соответствующего механизма 30 подачи топлива двигателя 10. Электронное регулирующее устройство 60 в предпочтительном варианте содержит регулятор 62 правого блока цилиндров, как, например, Лукас Контроллер Модели 24CU и регулятор 64 левого блока цилиндров, который также может быть Лукас Контроллер Модели 24 CU, изготавливаемые Лукас (ИЦГ) Сиренчестер, Англия. Регуляторы 62 и 64 определяют количество топлива и правильную регулировку впрыска на базе многочисленных входных сигналов от датчиков и хранящихся просмотровых таблиц. Электронное регулирующее устройство 60 содержит также регулятор 66 нагрузки и модуль 68 формирования сигнала, служащие в качестве интерфейса между регуляторами 62 и 64 блоков цилиндров и регулятором 66 нагрузки, в результате чего уровни сигналов от одного типа регулятора могут подниматься другим регулятором. Система 58 впрыска топлива содержит также генератор 70 регулирующего сигнала, как, например, оптический многоканальный дисковый кодер или кодирующее устройство, соединенный с одним из кулачковых валов 71 двигателя.

Последовательная коммуникационная связь 65, как, например, ряд последовательных проходов, служит в качестве коммуникационной среды между регулировкой или контроллерами 62 и 64 блоков цилиндров. Контроллер правого блока цилиндров контролирует впрыск в правый блок цилиндров, тогда как контроллер 64 левого блока цилиндров контролирует впрыск топлива в левый блок цилиндров. Каждый контроллер периодически сравнивает входной сигнал, поступающий по связи 65 от другого контроллера, чтобы определить имеет ли место неправильное срабатывание в каком-либо контроллере.

Контроллеры 62 и 64 получают ряд входных сигналов от различных датчиков, установленных по всему двигателю 10. Некоторые из этих датчиков включают, например, датчики температуры охладителя давления в воздуховоде, температуры в воздуховоде, сигнала, указывающего скорость двигателя от оптического многоканального кодирующего устройства 70, и индекс-сигнал от оптического многоканального кодирующего устройства 70. Получив эти входные сигналы, контроллеры определяют какой из цилиндров должен воспламеняться и в какой конкретный промежуток времени, а также определяют необходимую регулировку впрыска и продолжительность периода впрыска топлива, во время которого форсунка подает топливо в цилиндр. Контроллеры последовательно приводят в действие механизм 30 подачи топлива соответствующий каждому цилиндру. Особенность переменного регулирования и последовательное управление механизмом 30 подачи топлива обеспечивает более эффективный расход топлива, меньший выброс выхлопных газов по сравнению с известными механическими системами, обычно приводящими в действие механизм подачи топлива блоков цилиндров на постоянной основе.

Чтобы дополнительно улучшить эффективность работы двигателя контроллеры 62 и 64 могут программироваться, чтобы периодически пропускать обычный порядок работы цилиндров для обеспечения удара большого числа цилиндров или одного цилиндра, чтобы определить обеспечивает ли данный цилиндр номинальную мощность. Так, например, контроллеры 62 и 64 могут не давать топливо в ряд выбранных цилиндров и замерять скорость двигателя, чтобы определить дают или нет невоспламеняющиеся цилиндры необходимую величину мощности двигателя. Если установлено, что цилиндр не работает как ожидалось, то контроллер затем подает больше или меньше топлива и/или осуществляет регулирующее упреждение того конкретного цилиндра, основанное на определении эффективности с помощью метода пропуска воспламенения. Последовательные пропуск-зажигание могут осуществляться в любой подходящий момент, например сразу после запуска двигателя, или периодически в процессе обычной работы двигателя в зависимости от местности или нагрузочных требований двигателя в любой данный момент времени. Очевидно также, что контроллер может программироваться, чтобы делать цилиндр неработающим на холостом ходу в целях экономии топлива. Кроме того, контроллеры правого и левого блоков цилиндров обеспечивают также защитные функции двигателя на базе входных сигналов от датчика давления масла, датчика давления воды и сигнала 80 запроса нагрузки. Контроллеры 62 и 64 вырабатывают также сигнал проверки двигателя с целью показать, что один из контроллеров неисправен.

Контроллер 66 нагрузки может быть типа GE модели N 17F4 264 и предназначается для регулирования различных дополнительных нагрузок 72, как то двигателей вентиляторов, приводных двигателей колес, двигателей компрессоров и силовых генераторов переменного тока, а также для определения соотношения топлива/воздуха на основе текущего протокола МАП, сигнала уровня топлив (PWM-ши одно-импульсный модулятор) и входных сигналов датчика барометрического давления (ВР).

Как отмечалось раньше, дизельный двигатель 10, применительно для локомотива, служит в основном в качестве мощного генератора постоянной скорости. Потребности в мощности двигателя непосредственно запрашиваются оператором двигателя для ввода выбора выемки, например, когда оператор двигателя перемещает рычаг выбора выемки в одну из многочисленных выемок (что определяется об/мин двигателя и уровнем мощности). Эта запрашиваемая потребность в мощности переводится управлением в сигнал запроса скорости, представляемый цифровым сигналом через сигнальные линии av, bv, cv и dv от контроллера или контроллера 66. Логические состояния сигнальных линий av, bv, cv и dv представляют заранее заданный требуемый уровень оборотов в минуту двигателя. Так, например, цифровая комбинация из 0000 может означать требование двигателя на 336 об/мин, тогда как цифровая комбинация из 1111 может означать требование двигателя на 888 об/мин. Сигнал запроса скорости (av, bv, cv и dv) служит в качестве входного сигнала регулирования скорости для контроллера 62 правого блока цилиндров и контроллера 64 левого блока цилиндров.

Так, например, когда оператор хочет увеличить мощность двигателя, то четырехразрядный входной сигнал будет отражать другой сигнал, указывающий на увеличение запрашиваемой скорости, в результате чего контроллеры правого и левого блоков цилиндров впрыскивают более количество топлива в цилиндры, чтобы удовлетворить потребность в запрашиваемой мощности. Цифровой входной сигнал запроса скорости сконфигурирован таким образом, что большое число фиксированных дискретно представленных одиночных уровней скорости могут вводиться в контроллеры.

Как показано на фиг. 3 и 4, генератор 70 регулирующего сигнала вырабатывает регулирующий сигнал S_T, соответствующий скорости двигателя, и индекс-сигнал S_I, обеспечивающий импульс каждого цилиндра, а также подающий дополнительный импульс, определяющий первый цилиндр (N 1) в последовательности соответствующих цилиндров двигателя. Эти сигналы имеют пересечения нулевого уровня, которые определяются контроллерами 62 и 64. Генератор 70 регулирующего сигнала вращается в зависимости от вращения кулачкового вала. Кулачковый вал 71 вращается со скоростью, равной половине скорости коленчатого вала. Генератор регулирующего сигнала может быть оптическим кодирующим устройством, которое изготавливается BEI Motion Systems Company. Однако может использоваться любое кодирующее устройство. Генератор на базе светового сигнала является менее чувствительным к электромагнитным помехам, встречающимся в локомотивных двигателях, приводящих в действие двигатели постоянного тока, а также обеспечивает более стабильный и точный сигнал, чем обычные датчики магнитного сопротивления, соединенные со снабженными выемками маховиками.

Регулирующий сигнал S_T (или сигнал скорости) и индекс-сигнал S_I подаются в оба контроллера 62 и 64, в результате чего если один из них неисправен, то другой может по-прежнему выдавать достаточный профиль регулирования форсунки, чтобы поддержать двигатель в рабочем состоянии, пока не будет устранена неисправность. Следовательно, дублирование контроллеров правого и левого блоков цилиндров обеспечивает большую гибкость в случае возникновения неисправности.

Модуль 68 формирования сигнала служит в качестве модуля сопряжения между контроллерами 62 и 64 блоков цилиндров и контроллером 66 нагрузки. Так, например, модуль 68 может содержать схему пересчета напряжения и фильтрационную схему, в результате чего уровни напряжений между контроллером нагрузки и контроллерами блоков цилиндров являются совместными. Однако такой модуль формирования сигнала может и не потребоваться, если уровни входа и выхода контроллеров 62 и 64 блоков цилиндров совместимы с контроллером 66 нагрузки.

Переменная регулировка впрыска осуществляется через управление программным обеспечением контроллеров 62 и 64 правого и левого блоков цилиндров соответственно. Каждый контроллер содержит устройство памяти, хранящее ряд просмотровых таблиц, использующихся для определения оптимальных профилей регулирования на базе различных вводов, как, например, расчетном объеме впрыска топлива, вводе протокола МАП, вводе широтно-импульсного модулятора (МАТ), входном сигнале скорости и температуры охладителя. Когда выбранная скорость вводится в контроллеры через сигнальные линии av, bv, cv и dv, то контроллеры, используя встроенный центральный процессор, достают выбранную просмотровую таблицу для определения соответствующей регулировки, приведенной для требуемой скорости, входным данным датчика и режимам нагрузки двигателя.

Регулирующий сигнал S_T служит в качестве сигнала обратной связи с контроллерами 62 и 64. Последние используют регулирующий сигнал S_T для определения действительной скорости двигателя и ее сравнения с требуемой скоростью, определенной частично по количеству впрыснутого топлива. В случае если контроллер определяет, что действительная скорость не может поддерживаться по сравнению с требуемой скоростью (сигнал запроса скорости), то уровневый сигнал запроса перегрузки будет выходным для контроллера нагрузки. Уровневый сигнал 80 запроса перегрузки служит для уведомления контроллера 66 нагрузки о том, чтобы некоторые нагрузки или часть нагрузок должны быть сняты, чтобы требуемая скорость могла поддерживаться. Контроллеры 62 и 64 программируются, чтобы облегчить переменную ограничительную функцию скорости ускорения/замедления, в результате чего контроллеры могут ограничивать изменения скорости с любой одной из выбранных цифровых скоростей av, bv, cv и dv (16 регулировок скоростей) на другую из выбранных регулировок скоростей.

Контроллер 62 правого блока цилиндров подает уровневый сигнал 82 топлива, модулированный по ширине импульса, представляющий величину топлива, которая запрашивается контроллером 62, а 64 выравнивает получаемую величину заправки топлива. Контроллер 62 правого блока цилиндров рассчитывает расчетную величину, которая требуется при использовании входного сигнала скорости, и величину требующегося в настоящее время топлива, чтобы рассчитать примерное количество топлива, которое должно быть распределено через механизм 30 подачи топлива. Как известно в данной области, каждый контроллер содержит центральный процессор и взаимодействующую память для хранения программ, облегчающих управление регулированием топлива и требованиями продолжительности впрыска топлива, а также регулированием других входных параметров.

Контроллеры 62 и 64 облегчают также защиту двигателя за счет контроля за чрезмерной скоростью и перегрузкой. Когда скорость двигателя превышает заданный уровень оборотов в минуту дольше заданного периода времени, то потребность в топливе устанавливается на ноль, в результате чего в режиме чрезмерной скорости двигатель останавливается, чтобы избежать выхода в разнос или других нежелательных последствий, связанных с эти режимом.

Как отмечалось ранее, контроллеры 62 и 64 обеспечивают также внешнюю индикацию всякий раз, когда запрошенное топливо превышает предел существующего в настоящее время максимального количества топлива. Случай перегрузки возникает, когда запрашиваемая скорость не может быть достигнута или поддержана. Уровневый сигнал запроса нагрузки, модулированный по ширине импульса, имеет рабочий цикл, пропорциональный запросу перегрузки двигателя. Так, например, 90%-ный рабочий цикл представляет условие "несброса нагрузки", и 10%-ный рабочий цикл может представлять состояние полного "сброса нагрузки".

Контроллер 66 нагрузки требует уровня топлива, чтобы рассчитать соотношение воздуха и топлива для определения надлежащей величины нагрузки. Сигнал 82 уровня топлива является выходным сигналом, модулированным по ширине импульса, имеющим рабочий цикл, пропорциональный объему, распределенному в настоящее время топлива, который рассчитывается с помощью контроллеров 62 и 64.

На фиг. 5 схематично изображен предпочтительный механизм 30 подачи топлива, встроенный в топливный насос 46. Последний содержит систему слива 85 с электронным управлением, включающую соленоидный клапан 52 с электронным управлением, гидравлически связанный с селективным клапаном 88 или другим подходящим усиливающим поток устройством, и путь 90 слива, гидравлически соединенный с питающим резервуаром (не показан). Топливный насос 46 содержит также плунжер 92 и нагнетающую топливо камеру 94 постоянного объема. Топливо в последнюю поступает через впускной контрольный клапан 96. Разгружающий давление подающий контрольный клапан 98, известный в данной области, встраивается между камерой 94 и топливной форсункой (не показана). Такой подающий контрольный клапан обычно содержит часть 100 движущегося вперед или переднего потока и часть 102 реверсивного потока.

Селективный клапан 88 содержит смещающее устройство 104, например пружину, установленную между верхним буртом 106 и губкой 108 корпуса для упругого смещения селективного клапана 88. Центральный канал или сверление 110 простирается по длине клапана для обеспечения гидравлического сообщения между соленоидным клапаном 52 и камерой 94. Центральное сверление имеет управляющее отверстие 112 на одном своем конце, расположенном ближе к корпусу селективного клапана 88. Кольцевое пространство 114 располагается между поверхностями, на которых находятся седла на корпусе селективного клапана. Топливо проходит через кольцевую полость, когда селективный клапан открыт (не сидит), как будет описано ниже.

Нагнетающая камера 94 может иметь объем, превышающий максимальный объем топлива, требующийся двигателю во время такта впрыска. Так, например, камера может иметь рабочий объем порядка 8000 мм³/ход, тогда как двигатель может требовать только объем подачи порядка 1600 мм³/ход. Следовательно, объем слива может превышать 6000 мм³/ход. Больший объем камеры обеспечивает диапазон регулирования, в течение которого может подаваться все количество топлива.

Существует пять основных правил и принципов работы электронного насоса 84 впрыска топлива. Эти пять (5) основных этапов подачи могут быть сформулированы следующим образом: заполнение, нагнетание, слив, подача и отвод. Этапы слива и подачи единственно отличаются электронно управляемыми, переменными началом и продолжением впрыска. Эти этапы будут более подробно описаны в конце.

Первые два режима являются последовательными и происходят повторно в зависимости от вращения двигателя. Один раз за оборот кулачкового вала каждый плунжер 92 в насосе 84 отводится (это не касается вышеупомянутого этапа "отвода") вниз за счет перемещения штанги толкателя 48 (как показано на фиг. 2). Это приводит к всасыванию топлива (находящегося уже под давлением в питающем резервуаре) через впускной контрольный клапан 96, осуществляя полное заполнение насосной камеры 94 (ограниченной плунжером, цилиндром и верхней частью камеры).

Далее в начале подъема кулачка перемещение плунжера вверх служит для сжатия захваченного объема топлива.

Быстрое повышение давления (обычно до уровней порядка 18 кфунт/кв. дюйм) топлива, нагнетаемого/сжимаемого в соответствии с площадью плунжера, скоростью подъема и сопротивлением сжатию топлива, может снижаться/рассеиваться одним из двух способов. Топливо может сливаться/рециркулировать обратно в питающий резервуар из насосной камеры 34, или топливо может подаваться через часть 100 переднего потока разгружающего давление подающего контрольного клапана 98 в магистраль 44 высокого давления (как показано на фиг. 2), ведущую к форсунке, через которую топливо в конечном счете впрыскивается. Наконец и вслед за каждым тактом впрыска высокое давление топлива снижается до достаточно более низкого уровня, благодаря наличию и приведению в действие части 102 реверсивного потока разгружающего давления ("отводящего") подающего контрольного клапана 98.

Основная идея, позволяющая осуществлять впрыскивание как при высоком давлении (до 20 кфунт/кв. дюйм), так и большом потоке (до 1600 мм³/ход) в диапазоне регулировок (окно в 40^o кривошипа от начала изменяемости), заключается в присущей функциональной возможности сливной системы 85. Селективный клапан 88 управляется гидравлически соленоидным клапаном 52, приводящимся в действие электронно через линии 50.

Система слива 85 работает в основном по принципу двухпозиционного запорного клапана. Вообще, включение селеноидного клапана 52 касается слива или рециркуляции топлива из насосной камеры 94 обратно в питающий резервуар. Это приводит к отклонению топлива от, в других случаях, умышленной траектории в сторону форсунки.

Включение соленоидного клапана 52 приводит к его закрытию, что сопровождается повышением давления выше селективного клапана 88 и преодолению смещающего усилия пружины 104, в результате чего клапан 88 садится/закрывается в корпусе ближе к насосной камере 94. Сидящий/закрытый селективный клапан начинает и поддерживает впрыск, тогда как открытый/поднятый селективный клапан прекращает впрыск за счет установления разветвленной траектории слива топлива как через селективный, так и соленоидный клапаны.

И, наоборот, отключение соленоидного клапана 52 приводит к открытию клапана через упругое смещающее устройство 116 (действующее в качестве надежного слива в противоположность устранению неисправности впрыска) и ослаблению гидравлического запирания, которое, в свою очередь, позволяет селективному клапану 88 в сочетании с давлением впрыска и насосной камере 94 открываться. Это открытие селективного клапана 88 снова устанавливает свободную траекторию слива через кольцевую камеру 114 в питающий резервуар, которая по своему характеру является линией наименьшего сопротивления протеканию топлива, прекращает такт впрыска. Электронные и гидравлические задержки (запаздывания системы), хотя они в большинстве своем являются незначительными, отображаются в течение всего рабочего диапазона и компенсируются при окончательном определении начальной и конечной точек для электронного командного импульса к соленоиду.

Соленоидный клапан 52, неспособный справляться с более высокими скоростями слива, требующимися для электронной системы впрыска топлива, имеющей такой большой диапазон потока топлива (т.е. 100 - 1600 мм³/ход), полагается устанавливать на механизм селективного клапана, что эффективно "усиливает" или "увеличивает" усилия соленоидного клапана по сливу. По существу, эта двухступенчатая клапанная конструкция выполнена, чтобы действовать как одна вспомогательная система слива, состоящая из пассивного усилителя потока (селективный клапан), который включается меньшим, чем если бы использовался отдельный, соленоидным клапаном.

Гидравлическая функциональная возможность селективного клапана 88 приспосабливается к оптимальному срабатыванию на электронное включение соленоидным клапаном 52. В связи с этим геометрия селективного клапана определяется вместе с соленоидным клапаном скоростями сплава и дополнительно настраивается относительно его гидравлической камеры и соединяющих каналов. К особым конструктивным признакам и/или соображениям можно отнести общий подъем или перемещение селективного клапана, его массу/инерцию упругие смещающие усилия пружины 104 и характерные перепады давлений (т.е. треугольника по обоим нижнему наружному буртику к соответствующему "сидящему конусу" кольцевой полости и нижнему управляющему отверстию).

Преимущество такой настройки селективного клапана дает высокочувствительное двухступенчатое устройство слива. Селективный клапан является нормально поднятым (упругое смещение плюс периодический подъем, осуществляемый давлением нагнетаемого топлива из насосной камеры ниже). Когда поднят, селективный клапан сливает топливо через свое центральное высверливание 110, но главным образом через свою нижнюю кольцевую полость 114 между буртиком и седлом. Как только соленоидный клапан включается/закрывается и поток топлива через центральное высверливание 110 ослабевает, то перепад давлений на управляющем отверстии 112 и в кольцевой полости 114 приводит к дисбалансу гидравлического давления, в результате чего селективный клапан садится в свое нижнее положение в корпусе. Этот дисбаланс давления обусловлен частично зонами высокого давления, образовавшимися выше селективного клапана (вследствие отсутствие потока), и зоной высокого давления, существующей ниже селективного клапана (вследствие нагнетания) только против небольшой площади нижнего торца между нижним буртиком и управляющим отверстием селективного клапана. Этот дисбаланс обусловлен также тем, что падение давления по-прежнему существует, так как топливо движется за кольцевую полость 114 буртика, оказываясь только на части давления нагнетания, действующего вверх на диафрагменный конус селективного клапана. Падение давления на управляющем отверстии 112 затем осуществляет повторный подъем селективного клапана после окончания действия управляющего периода включения/впрыска. Более низкое/уменьшенное давление, созданное непосредственно над управляющим отверстием 112 в этом случае, вследствие восстановления потока, содействует гидравлическому подъему, которому снова помогает подъемное действие давления нагнетаемого топлива из насосной камеры.

Необычный механизм 30 подачи топлива, содержащий электронно-управляемый соленоидный клапан 52 и клапан 88 усилителя потока, обеспечивает более высокие объемы топлива, чем это ранее допускалось с помощью других конструкций. Такой необычный признак облегчает электронное управление потоком топлива к обозначенному цилиндру на основе переменного регулирования.

Хотя изобретение было описано со ссылками на Y-образный дизельный локомотивный двигатель, однако будет очевидно, что изобретательская система может быть пригодна для любого рядного двигателя или аналогичных размеров двигателя с воспламенением от сжатия, использующегося для других целей, например для морского применения или в качестве стационарной генераторной установки.

В другом варианте функции контроллеров 62 и 64 правого и левого блоков цилиндров могут быть объединены, в результате чего может использоваться один процессор. Кроме того, модуль 68 сопряжения формирующего сигнала может быть также устранен, когда контроллер 66 нагрузки и процессор имеют сопоставимый протокол обмена сигналами. Еще в одном варианте функции контроллера 66 нагрузки, модуля 68 формирования сигнала и контроллеров 62 и 64 правого и левого блоков цилиндров могут быть заключены в одном устройстве управления, которое затем соединяется с многочисленными другими модулями управления, например модулями управления тягой и т.д.

Будет очевидно, что хотя механизм подачи топлива для каждого цилиндра был описан со ссылками на конструкцию насос-магистраль-форсунка, однако изобретательская система может быть применена к конструкциям блочного впрыска, в которой топливная форсунка встроена в магистраль топливного насоса и установлена над цилиндром. Будет очевидно также, что более крупный соленоид с электронным управлением, обеспечивающий необходимый объемный расход топлива по крайней мере 100 - 1600 мм³/ход, может использоваться также вместо объединенной комбинации из электронных соленоидного и селективного клапанов. Будет очевидно также, что система может быть модифицирована для создания более высоких давлений впрыска.

Конкретные варианты нового устройства для электронной системы впрыска топлива для крупных двигателей с воспламенением от сжатия были описаны с тем, чтобы показать способ, которым изобретение может использоваться и выполняться. Следует иметь в виду, что могут иметь место другие изменения и модификации изобретения, очевидные для специалиста, и что изобретение не ограничивается конкретными вариантами. Таким образом, предполагается, что изобретение охватывает любые и все модификации, изменения или эквиваленты, которые находятся в пределах области и сущности основных признаков, описанных и предлагаемых здесь.

Реферат

Электронная система впрыска топлива для обеспечения переменного регулирования впрыска для двигателя с воспламенением от сжатия, имеющего рабочий объем каждого цилиндра по крайней мере 5,5 л, содержит индивидуальные механизмы подачи топлива, как, например, топливный насос, имеющий камеру нагнетания топлива постоянного объема, и топливные форсунки для каждого соответствующего цилиндра, а также имеется генератор регулирующего сигнала, например многоканальное оптическое кодирующее устройство, соединенное с кулачковым валом, для выработки регулирующего сигнала и индекс-сигнала цилиндра. Изобретение содержит также электронное регулирующее устройство, например большое число индивидуальных контроллеров, реагирующих на входные сигналы различных датчиков, к которым относятся регулирующий сигнал и индекс-сигнал цилиндра для электронного управления индивидуальными механизмами подачи топлива. Последние срабатывают на выходные сигналы от контроллера и обеспечивают объемный расход топлива в диапазоне от 100 до 1600 мм³/ход в диапазоне давлений впрыска топлива порядка 10 - 20 кфунт/кв.дюйм к соответствующей топливной форсунке. Каждый механизм подачи топлива имеет соленоидный клапан с электронным управлением, срабатывающий на выходной сигнал, в сочетании с селективным клапаном, гидравлически связанным с соленоидом, обеспечивают большой объем сливаемого топлива из камеры нагнетания топлива постоянного объема. 4 с. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула