Патент на изобретение №2295057

(54) СИСТЕМА ВПРЫСКА ТОПЛИВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить надежность пуска двигателей в условиях низких температур. Система впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием содержит бак с топливом, соединенный через всасывающую магистраль с топливным насосом низкого давления. Нагнетательная линия насоса подключена к рабочим и пусковой форсункам. Пусковая форсунка имеет впускное и выпускное отверстия и подключена к системе электрического питания через термореле. Между топливным насосом низкого давления и пусковой форсункой установлен дожимающий насос с впускной и выпускной линиями и воздушный компрессор. Компрессор имеет рабочую камеру, соединенную с всасывающей и нагнетательной линиями. Всасывающая линия дожимающего насоса соединена с нагнетательной линией насоса низкого давления. Нагнетательная линия дожимающего насоса соединена с рабочей камерой компрессора, нагнетательная линия которого соединена с впускным отверстием пусковой форсунки, а всасывающая линия – с атмосферой. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Известны системы впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащие бак с топливом, соединенный через всасывающую магистраль с насосом низкого давления, нагнетательная магистраль которого подключена к рабочим и пусковой форсункам (см., например, кн. Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. – М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2001. – 384 с., стр.228, фиг.7.14).

Известна также система впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащая бак с топливом, соединенный через всасывающую магистраль с насосом низкого давления, нагнетательная магистраль которого подключена к рабочим и пусковой форсункам, причем последняя имеет впускное и выпускное отверстия и подключена к системе электрического питания через термореле (см. кн. А.П.Болштянский, Ю.А.Зензин, В.Е.Щерба. Основы конструкции автомобиля. М.: «Легион-Автодата», 2005. – 312 с., страницы 89, 94, 101, 102, рисунки 21.7, 21.12, 23.1, 23.2).

К недостаткам известных конструкций следует отнести их низкую работоспособность и надежность при пуске двигателя в условиях низких зимних температур (ниже 30-35°С), когда даже легкие фракции топлива практически не испаряются, т.к. топливо поступает в цилиндры двигателя в виде крупных капель (диаметр капли 100 мкм и более), поверхность которых относительно мала, а масса сравнительно велика. Это приводит к невозможности активного испарения топлива при сжатии топливовоздушной смеси и невозможности запуска двигателя, в связи с чем возникает необходимость его постоянного искусственного подогрева. Однако во многих случаях последнее невозможно, из-за чего запуск двигателя при низких зимних температурах становится чрезвычайно затрудненным.

Задачей изобретения является повышение работоспособности и надежности пуска двигателей с системой впрыска топлива в условиях низких зимних температур.

Указанная задача решается тем, что в системе впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащей бак с топливом, соединенный через всасывающую магистраль с топливным насосом низкого давления, нагнетательная линия которого подключена к рабочим и пусковой форсункам, причем последняя имеет впускное и выпускное отверстия и подключена к системе электрического питания через термореле, между топливным насосом низкого давления и пусковой форсункой установлен дожимающий насос с впускной и выпускной линиями и воздушный компрессор, имеющий рабочую камеру, соединенную с всасывающей и нагнетательной линиями, причем всасывающая линия дожимающего насоса соединена с нагнетательной линией насоса низкого давления, а нагнетательная линия дожимающего насоса соединена с рабочей камерой компрессора, нагнетательная линия которого соединена с впускным отверстием пусковой форсунки, а всасывающая линия – с атмосферой, при этом воздушный компрессор и дожимающий насос могут иметь общий приводной вал, который может быть соединен с ротором приводного электродвигателя, подключенного к системе электрического питания пусковой форсунки, а приводной электродвигатель может быть подключен к системе электрического питания через генератор переменного напряжения (мультивибратор) и содержать статор с электрическими обмотками и ротор с короткозамкнутыми электрическими обмотками, причем общий приводной вал дожимающего насоса и воздушного компрессора может быть снабжен магнитной полумуфтой, а ротор приводного электродвигателя – иметь ответную магнитную полумуфту, и между этими полумуфтами может быть установлена непроницаемая для паров топлива перегородка из немагнитного материала. Воздушный компрессор и дожимающий насос могут иметь общий цилиндр с эксцентрично расположенным ротором, соединенным с приводным электродвигателем, причем в цилиндре размещены две разделительные подпружиненные в направлении ротора пластины, установленные в теле цилиндра перпендикулярно его цилиндрической образующей, с образованием в цилиндре двух неравных полостей, большая из которых является рабочей камерой воздушного компрессора, а меньшая – рабочей камерой дожимающего насоса, причем рабочая камера воздушного компрессора содержит всасывающее окно, соединенное с атмосферой, и нагнетательный клапан, соединенный с впускным отверстием пусковой форсунки, а рабочая камера дожимающего насоса имеет два самодействующих клапана, один из которых является всасывающим и соединен с нагнетательной линией насоса низкого давления, а другой клапан – нагнетательный, соединен с рабочей камерой воздушного компрессора.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена полная схема системы впрыска топлива, на фиг.2 – увеличенный фрагмент системы в зоне пусковой форсунки, на фиг.3 – пусковая форсунка, дожимающий насос и воздушный компрессор, имеющие общий цилиндр с эксцентрично размещенным в нем ротором с приводом от асинхронного однофазного электродвигателя, на фиг.4-7 изображено поперечное сечение дожимающего насоса и воздушного компрессора при различном положении их рабочих органов, на фиг.8 – вариант привода дожимающего насоса и воздушного компрессора с использованием электродвигателя постоянного тока и магнитных полумуфт.

Система впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания (фиг.1) состоит из топливного бака 1, соединенного с топливным насосом низкого давления 2, который подает топливо в фильтр тонкой очистки 3. Регулятор давления топлива 4 сбрасывает излишки давления топлива обратно в бак 1, поддерживая постоянным давление топлива, подаваемого по нагнетательной линии 5 на вход пусковой форсунки 6 с электромагнитным приводом и на вход топливных электромагнитных рабочих форсунок 7, впрыскивающих топливо в цилиндры 8 двигателя, на которых установлен общий датчик температуры охлаждающей жидкости 9. Электронный блок управления (ЭБУ) 10 с блоком реле 11 служат для выработки и передачи команд в виде электрических импульсов на все управляемые элементы системы. Датчик 12 служит для определения положения и частоты вращения коленчатого вала и сообщает эту информацию по линии электрической связи в ЭБУ 10. Датчики 13 (выключатель), 14 (высотный корректор) и 15 (расходомер) служат соответственно для определения эффективного проходного сечения впускного тракта 16, давления окружающей среды (атмосферного давления) и расхода воздуха через впускной тракт 16. Термореле 17 представляет собой датчик температуры, измеряющий температуру охлаждающей жидкости, циркулирующей в полостях цилиндров 8, и электрическое реле, соединяющее при низкой температуре охлаждающей жидкости электрическое питание через блок реле 11 с пусковой форсункой 6. Винт качества (состава) смеси на холостом ходу 18, клапан добавочного воздуха 19 и винт количества смеси на холостом ходу 20 служат для регулировки работы двигателя на холостом ходу. Выключатель зажигания 21 (показан в крайнем правом положении «выключено») соединяет в положении «включено» (среднее положение) источник электроэнергии (обозначен знаком «+») с блоком реле 11 и непосредственно с термореле 17 в положении «старт» (крайнее левое положение). Канал 22 служит для подвода разрежения из впускного тракта 16 к регулятору давления топлива 4. Дроссельная заслонка 23 кинематически связана с датчиком 13 и служит для изменения проходного сечения впускного тракта 16, приводится в движение от педали акселератора (не показана). Впускной коллектор 24 соединяет впускной тракт 16 с полостью цилиндра 8, в котором совершает возвратно-поступательное перемещение поршень 25. Клапан 26 служит для впуска рабочей смеси в цилиндр 8, выпускной клапан условно не показан.

На пусковой форсунке 6 (фиг.2) установлен дожимающий насос 27, линия всасывания которого соединена с нагнетательной линией 5 топливного насоса 2, и малорасходный воздушный компрессор 28, электрический привод которых подключен параллельно термореле 17, измеряющего температуру охлаждающей жидкости 29.

Более подробно пусковая форсунка 6 изображена на фиг.3. Она содержит запорную иглу 30, прижатую пружиной 31 к седлу 32, соединенному с выпускным отверстием 33 и далее с впускным коллектором 24. Управление положением запорной иглы 30 осуществляется электрической обмоткой 34, подключенной через термореле 17 к ЭБУ 10 (см. фиг.2 и 1). Впускное отверстие 35 пусковой форсунки 6 через канал 36 в корпусе 37 соединено с обратным самодействующим клапаном 38, установленным на линии нагнетания 39 воздушного компрессора 28 (фиг.2), установленного в корпусе 40. Компрессор 28 в данном примере имеет приводной асинхронный электродвигатель 41, содержащий статор с электрическими обмотками 42, подключенными параллельно обмотке 34 пусковой форсунки 6 через генератор переменного тока (мультивибратор) 43. Короткозамкнутый ротор 44 асинхронного электродвигателя 41 закреплен на приводном валу 45, на свободном конце которого на шпонке установлен эксцентрик 46. На эксцентрике 46 с возможностью свободного вращения установлен ротор 47, совершающий орбитальное движение в цилиндре 48 с эксцентриситетом относительно оси цилиндра 48 (см. также фиг.4-7).

Цилиндр 48 (фиг.4) подпружиненными пластинами 49 и 50, имеющими ширину этого цилиндра, разделен на две части – компрессорную полость 51, выполняющую функцию рабочей камеры воздушного компрессора 28 (фиг.2), и насосную полость 52, выполняющую функцию рабочей камеры дожимающего насоса 27 (фиг.2). Компрессорная полость 51 имеет впускное окно 53, соединенное через всасывающую магистраль (не показана) с атмосферой, и линию нагнетания 39, соединенную с обратным самодействующим клапаном 38 (см. фиг.3). Насосная полость 52 (фиг.4) содержит всасывающую линию 54 с обратным самодействующим клапаном 55 (соединена с нагнетательной линией 5 топливного насоса низкого давления, фиг.2) и нагнетательную линию 56 с обратным самодействующим клапаном 57 (соединена с компрессорной полостью 51 в зоне впускного окна 53). Проводники 58 (фиг.3) служат для подключения обмоток статора 42 к генератору переменного тока (мультивибратору) 43.

Привод воздушного компрессора и дожимающего насоса от электродвигателя постоянного тока показан на фиг.8. В этом варианте конструкции используется отдельный приводной вал 59 с дисковой полумуфтой 60, на которой по окружности закреплены постоянные магниты 61. Ответная полумуфта 62 с постоянными магнитами 63 отделена от полумуфты 60 тонкой герметичной пластиной 64 из немагнитного материала (например, из меди, латуни, дюралюминия). Полумуфта 62 жестко соединена с валом 65 электродвигателя постоянного тока, содержащего ротор с электрическими обмотками 66, к которым постоянный электрический ток подается по проводникам 67 через щетки 68 и коллектор 69, и статор с электрическими обмотками 70, к которым постоянный электрический ток подается через проводники 71.

Система впрыска топлива работает следующим образом (фиг.1). При работающем двигателе топливо из бака 1 топливным насосом низкого давления 2 через фильтр тонкой очистки 3 подается к рабочим форсункам 7 и впрыскивается во впускной патрубок 24 в зоне впускного клапана 26. Далее топливо смешивается с воздухом, образуя горючую смесь, которая сгорает в цилиндре 8 после сжатия поршнем 25. Количество поступающего в патрубок воздуха регулируется водителем с помощью дроссельной заслонки 23 и контролируется датчиком 15. Количество впрыскиваемого топлива регулируется временем открытого и закрытого состояния электромагнитных рабочих форсунок 7, которое оптимизируется ЭБУ 10, получающим информацию от датчика (выключателя) 13 положения дроссельной заслонки 23, датчика 14 (высотного корректора), контролирующего величину атмосферного давления, датчика-распределителя зажигания 12, следящего за положением и частотой вращения коленчатого вала, датчика 15 (расходомера) и датчика 9 температуры охлаждающей жидкости. Включение и выключение (открытие и закрытие) электромагнитных рабочих форсунок 7 осуществляется блоком реле 11 по командам ЭБУ 10.

При пуске холодного двигателя выключатель зажигания 21 находится в крайнем левом (по чертежу) положении (при этом двигатель вращается стартером, который на чертеже не показан), температура охлаждающей жидкости 29 (фиг.2) низкая, и термореле 17 по команде ЭБУ 10 через блок реле 11 подключает пусковую форсунку 6, которая при этом открывается, т.е. магнитное поле, создаваемое обмоткой 34 (фиг.3), поднимает запорную иглу 30 вверх.

При включении пусковой форсунки 6 (см. также фиг.2) одновременно включается воздушный компрессор 28 и дожимающий насос 27, повышающий давление топлива, подаваемого вместе с сжатым компрессором 28 воздухом к пусковой форсунке 6.

При выполнении электродвигателя компрессора 28, расположенного в корпусе 40, в виде асинхронного двигателя переменного тока (см. фиг.3) последний при пуске двигателя получает питание от генератора переменного тока (мультивибратора) 43. Это питание поступает к обмоткам 42 статора, в результате чего короткозамкнутый ротор 44 вместе с приводным валом 45 совершает вращение, вращая и жестко установленный на приводном валу 45 эксцентрик 46. В результате вращения эксцентрика 46 ротор 47 совершает орбитальное движение в цилиндре 48 (см. фиг.4-7), обкатывая его по образующей цилиндр 48 окружности. При этом в связи с наличием двух подпружиненных разделительных пластин 49 и 50 образуются две полости переменного объема – компрессорная полость 51 и насосная полость 52.

В компрессорной полости 51, благодаря наличию соединенных с ней впускного окна 53 и обратного самодействующего клапана 38 (см. также фиг.3), установленного на линии нагнетания 39, происходит всасывание атмосферного воздуха, его сжатие и нагнетание в канал 36 и далее во впускное отверстие 35, а при поднятой запорной игле 30 – во впускной коллектор 24. При сжатии воздуха его температура существенно увеличивается, достигая при степени сжатия 5-6 (отношение давления нагнетания к давлению всасывания) величины порядка 250-300°С в конце процесса сжатия.

Одновременно топливо, поступая в насосную полость 52 из линии 5 (фиг.2) через всасывающую линию 54, при увеличении насосной полости 52 всасывается в нее, а при уменьшении сжимается до высокого давления, определяемого сечением нагнетательной линии 56, и в виде крупнодисперсных капель (диметр капли 150-200 мкм) впрыскивается в зону впускного окна 53 компрессорной полости 51 (фиг.4-7). Ударяясь о стенки компрессорной полости 51 капли дробятся до диаметра порядка 50-100 мкм и увлекаются потоком воздуха, проходящего через компрессорную полость 51. При этом происходит нагрев топлива сжатым горячим воздухом и его активное испарение. Таким образом, к каналу 36 и впускному отверстию 35 пусковой форсунки 6 практически поступает смесь горячего сжатого воздуха и паров топлива.

В дальнейшем, проходя через выпускное отверстие 33 пусковой форсунки 6 и смешиваясь с холодным атмосферным воздухом во впускном коллекторе 24, топливовоздушная смесь, созданная в полости 51, остывает, и при этом часть топлива остается в парообразном состоянии, а часть успевает сконденсироваться в виде мельчайших капель с диаметром порядка 1-5 мкм.

Таким образом, в цилиндры двигателя при пуске попадает следующая смесь: холодный атмосферный воздух + крупные капли холодного топлива из основных топливных электромагнитных форсунок 7 + мельчайшие подогретые капли топлива + пары топлива.

При сжатии этой смеси в цилиндре ее температура повышается, что приводит к практически полному испарению мельчайших подогретых капель топлива и незначительному частичному испарению крупных холодных капель топлива. Таким образом, в цилиндре на первых же ходах поршня образуется достаточное для пуска двигателя количество паров топлива за счет несконденсировавшихся паров топлива, образовавшихся в компрессорной полости 51 при испарении топлива, и полностью вторично испарившихся мельчайших частиц топлива, образовавшихся при частичной конденсации паров, образовавшихся в компрессорной полости 51 при подогреве топлива от сжатого горячего воздуха.

После успешного пуска двигателя выключатель зажигания 21 (фиг.1) переводится в среднее по чертежу положение. При этом отключается стартер и пусковая форсунка 6 с малорасходным компрессором 28 и дожимающим насосом 27 (фиг.2).

Использование для привода компрессора и насоса асинхронного электродвигателя позволяет обеспечить безопасность работы системы пуска двигателя внутреннего сгорания, т.к. в таком электродвигателе отсутствуют скользящие электрические контакты, в связи с чем попадание паров топлива в полость электродвигателя безопасно.

При использовании электродвигателя постоянного тока (фиг.8) зона электродвигателя отделена от комбинированной конструкции воздушного компрессора 28 и дожимающего насоса 27 непроницаемой для паров топлива пластиной 64, в связи с чем возможное искрение щеток 68 о коллектор 69 не может вызвать возгорание топлива.

Принцип работы конструкции, изображенной на фиг.8, аналогичен вышеописанной с асинхронным электродвигателем. Разница состоит в способе передачи крутящего момента от вала 65 электродвигателя к приводному валу 59. Если при использовании асинхронного электродвигателя это общий вал (поз.45 на фиг.3), то в данном случае (фиг.8) передача крутящего момента происходит путем взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов 61 и 63 – при вращении постоянных магнитов 63 вместе с валом 65 и дисковой полумуфтой 60 их магнитное поле увлекает за собой постоянные магниты 61, установленные на дисковой полумуфте 60 и приводном валу 59.

Таким образом, в предложенной конструкции в отличие от известных при пуске двигателя внутреннего сгорания с системой впрыска топлива при низкой температуре окружающей среды на первых же ходах поршней в цилиндрах создается большое количество паров топлива, способных к быстрому воспламенению, обеспечивающему легкий пуск двигателя. В то же время в известных системах в условиях низких зимних температур это количество паров незначительно, что ведет к затруднению при пуске двигателя и даже к невозможности пуска без предварительного внешнего прогрева, что далеко не всегда возможно, а очень часто и не безопасно при применении для прогрева двигателя открытого пламени.

То есть, предложенная система впрыска топлива обеспечивает повышение работоспособности и надежности пуска двигателей с системой впрыска топлива в условиях низких зимних температур.

Формула изобретения

1. Система впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащая бак с топливом, соединенный через всасывающую магистраль с топливным насосом низкого давления, нагнетательная линия которого подключена к рабочим и пусковой форсункам, причем последняя имеет впускное и выпускное отверстия и подключена к системе электрического питания через термореле, отличающаяся тем, что между топливным насосом низкого давления и пусковой форсункой установлен дожимающий насос с впускной и выпускной линиями и воздушный компрессор, имеющий рабочую камеру, соединенную с всасывающей и нагнетательной линиями, причем всасывающая линия дожимающего насоса соединена с нагнетательной линией насоса низкого давления, а нагнетательная линия дожимающего насоса соединена с рабочей камерой компрессора, нагнетательная линия которого соединена с впускным отверстием пусковой форсунки, а всасывающая линия – с атмосферой.

2. Система впрыска топлива по п.1, отличающаяся тем, что воздушный компрессор и дожимающий насос имеют общий приводной вал, причем этот вал соединен с ротором приводного электродвигателя, подключенного к системе электрического питания пусковой форсунки.

3. Система впрыска топлива по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что приводной электродвигатель подключен к системе электрического питания через генератор переменного напряжения (мультивибратор) и содержит статор с электрическими обмотками и ротор с короткозамкнутыми электрическими обмотками.

4. Система впрыска топлива по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что общий приводной вал дожимающего насоса и воздушного компрессора снабжен магнитной полумуфтой, а ротор приводного электродвигателя имеет ответную магнитную полумуфту, причем между этими полумуфтами установлена не проницаемая для паров топлива перегородка из немагнитного материала.

5. Система впрыска топлива по п.1, отличающаяся тем, что воздушный компрессор и дожимающий насос имеют общий цилиндр с эксцентрично расположенным ротором, соединенным с приводным электродвигателем, причем в цилиндре размещены две разделительные подпружиненные в направлении ротора пластины, установленные в теле цилиндра перпендикулярно его цилиндрической образующей с образованием в цилиндре двух неравных полостей, большая из которых является рабочей камерой воздушного компрессора, а меньшая – рабочей камерой дожимающего насоса, причем рабочая камера воздушного компрессора содержит всасывающее окно, соединенное с атмосферой, и нагнетательный клапан, соединенный с впускным отверстием пусковой форсунки, а рабочая камера дожимающего насоса имеет два самодействующих клапана, один из которых является всасывающим и соединен с нагнетательной линией насоса низкого давления, а другой клапан – нагнетательный соединен с рабочей камерой воздушного компрессора.

РИСУНКИ