ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE ELECTRICALLY-CONTROLLED FUEL INJECTOR

Изобретение относится к топливоподающим системам двигателей внутреннего сгорания, а именно к электроуправляемым форсункам для впрыскивания топлива в двигатель внутреннего сгорания, и может быть использовано для впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Известны электроуправляемые форсунки с гидравлическим запиранием иглы (Астахов И.В. и др. «Топливные системы и экономичность дизелей», М., Машиностроение, 1996 г., с.277-283; Грехов Л.В. Аккумуляторные топливные системы двигателей внутреннего сгорания типа Common Rail -М.: МГТУ, 2000 г. - 64 с.), однако они имеют конструктивные и технологические недостатки вследствие сложности конструкции и изготовления электрогидравлического привода. Кроме того, топливоподающие системы, оснащенные электроуправляемыми форсунками подобного типа, обладают существенными энергетическими потерями на управление процессом топливоподачи и большими потерями времени на реализацию управляющих сигналов.
Таких недостатков лишены форсунки, оснащенные магнитоактивным материалом.
Например, известна электроуправляемая форсунка для впрыска топлива (пат. RU 2439362 С2), содержащая корпус электроуправляемой форсунки, к которому с одной стороны привернут с помощью гайки распылителя корпус распылителя, внутри которого установлен стержень клапана, один конец которого, имеющий коническую поверхность, выставлен наружу корпуса распылителя таким образом, что образует с ним клапанный узел, открывающийся при движении стержня клапана в сторону камеры сгорания поршневого двигателя внутреннего сгорания, а с другой стороны в корпусе электроуправляемой форсунки размещен стакан, в котором установлена и зафиксирована гайкой электромагнита обмотка электромагнита с сердечником электромагнита внутри (прототип).
Известны также и другие конструкции (патенты WO 2011015405 А1, DE 102008037276 В4), в которых тоже применено непосредственное управление движением стержня клапана форсунки с помощью магнитострикционного или пьезоэлектрического привода. Преимуществом таких конструкций является обеспечение высокого быстродействия, а недостатками их конструкции является трудоемкость изготовления пьезопривода или магнитострикционного привода, незначительный (0,03-0,04 мм) ход управляющего элемента и, следовательно, стержня клапана форсунки, чем ограничивается область их применения, поскольку невозможно осуществлять впрыск большого количества топлива за короткий промежуток времени, что требуется, например, для впрыска топлива в рабочие цилиндры дизелей большегрузных автомобилей.
Задачей изобретения является обеспечение высокого качества распыливания топлива при упрощении конструкции форсунки и применении более простого в изготовлении, чем пьезопривод или магнитострикционный привод, электромагнитного привода с сохранением быстродействия указанных выше конструкций.
Задача решается следующим образом: предлагается электроуправляемая форсунка для впрыскивания топлива в поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащая корпус электроуправляемой форсунки, к которому с одной стороны привернут с помощью гайки распылителя корпус распылителя с коническим седлом, причем внутри корпуса распылителя установлен с возможностью осевого перемещения стержень клапана, один конец которого, имеющий коническую поверхность, выставлен наружу корпуса распылителя таким образом, что образует с коническим седлом клапанный узел, а с другой стороны в корпусе электроуправляемой форсунки размещен электромагнит, корпус которого, содержащий обмотку с сердечником электромагнита внутри нее, зафиксирован гайкой электромагнита. В корпусе распылителя установлена подпружиненная с помощью клапанной пружины относительно него направляющая клапана коаксиально со стержнем клапана и жестко связанная с ним, а в корпусе форсунки с возможностью осевого перемещения установлен ударник, прижатый с помощью пружины ударника к сердечнику электромагнита таким образом, что между другим концом ударника и направляющей клапана образован зазор, причем величина его должна быть меньше величины магнитного зазора, диаметр направляющей клапана должен быть больше минимального диаметра окружности конического седла в месте его контакта с конической поверхностью стержня клапана, а масса сердечника электромагнита совместно с массой ударника должна быть больше массы направляющей клапана совместно с массой стержня клапана. Требование к соотношению подвижных масс электроуправляемой форсунки продиктовано необходимостью обеспечения импульса движения после удара ударником по направляющей клапана, достаточного для их перемещения в сторону камеры сгорания, чтобы открыть клапанный узел. От соотношения величин зазоров (магнитного и зазора между ударником и направляющей клапана) зависит площадь пропускного сечения клапанного узла.
Существенным отличием предлагаемой конструкции является возможность осуществления привода направляющей клапана, жестко соединенной со стержнем клапана, при помощи ударного воздействия ударника по направляющей клапана, что приводит, во-первых, к открыванию клапанного узла, а во-вторых, к созданию волны топлива высокого давления, способствующей улучшению распыливания топлива. Ударный импульс позволяет использовать электромагнит меньшей мощности, чем потребовалось бы для открытия клапанного узла непосредственно от сердечника электромагнита напрямую.
Кроме того, предлагаемая конструкция электроуправляемой форсунки обеспечивает возможность закрывания клапанного узла путем прижатия к коническому седлу стержня клапана усилием, возникающим от давления топлива в корпусе распылителя по причине того, что диаметр направляющей клапана больше минимального диаметра конического седла в месте его контакта с конической поверхностью стержня клапана. Причем это усилие пропорционально давлению топлива в аккумуляторе и, соответственно, в распылителе и пропорционально соотношению разности квадратов диаметров направляющей клапана и минимального диаметра конического седла в месте его контакта с конической поверхностью стержня клапана. В результате параметрического анализа конструкции электроуправляемой форсунки можно оптимизировать ее размеры с целью уменьшения усилий, развиваемых электромагнитом, а значит его мощности и габаритных размеров. Усилие клапанной пружины незначительно, и им можно пренебречь, так как она предназначена для закрывания клапанного узла при нулевом давлении топлива в аккумуляторе и распылителе. В этом состоит новизна предлагаемой конструкции.
На фиг.1 изображена электроуправляемая форсунка для впрыскивания топлива в двигатель внутреннего сгорания; на фиг.2 приведена иллюстрация процесса управления подачей топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания с помощью электроуправляемой форсунки.
1
Конструкция электроуправляемой форсунки для впрыскивания топлива в поршневой двигатель внутреннего сгорания (фиг.1) содержит корпус 1 электроуправляемой форсунки, к которому с одной стороны привернут с помощью гайки 2 распылителя корпус 3 распылителя с коническим седлом 4, причем внутри корпуса 3 распылителя установлен с возможностью осевого перемещения стержень 5 клапана, один конец которого, имеющий коническую поверхность, выставлен наружу корпуса 3 распылителя таким образом, что образует с коническим седлом 4 клапанный узел, а с другой стороны в корпусе 1 электроуправляемой форсунки размещен электромагнит, корпус 6 которого, содержащий обмотку 7 с сердечником 8 электромагнита внутри нее, зафиксирован гайкой 9 электромагнита. В корпусе 3 распылителя установлена подпружиненная с помощью клапанной пружины 10 относительно него направляющая 11 клапана коаксиально со стержнем 5 клапана и жестко связанная с ним, а в корпусе 1 электроуправляемой форсунки с возможностью осевого перемещения установлен ударник 12, прижатый с помощью пружины 13 ударника к сердечнику 8 электромагнита таким образом, что между другим концом ударника 12 и направляющей 11 клапана образован зазор Х. Сборка направляющей 11 клапана со стержнем 5 клапана осуществляется непосредственно в корпусе 3 распылителя.
Управление процессом подачи топлива представлено диаграммами на фиг.2, причем обозначено: U - напряжение управляющего импульса; i -электрический ток в обмотке; X - линейные координаты; t - время. От электронного блока управления могут поступать три управляющих импульса, чему соответствуют следующие индексы: ф - форсирующий импульс; уд -удерживающий импульс; p - размагничивающий импульс. Кроме упомянутых может быть еще одно состояние электроуправляемой форсунки, когда обмотка обесточена.
Процесс подачи топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания с помощью описанной выше электроуправляемой форсунки для подачи топлива заключается в следующем.
2
1
Если обмотка 7 электромагнита обесточена, то усилием пружины 13 ударника ударник 12 прижат к сердечнику 8 электромагнита таким образом, что образуются зазоры: магнитный - величиной Х и зазор между ударником 12 и направляющей 11 клапана величиной Х. Стержень 4 клапана прижат к корпусу 3 распылителя запирающим усилием Р, развиваемым давлением топлива Р в распылителе из подводящей магистрали.
Запирающее усилие F может быть рассчитано по формуле:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>P</mi><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>d</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>d</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>−</mo><mi>f</mi><mo>,</mo></mrow>
где Р - давление топлива;
f - усилие предварительного натяжения клапанной пружины;
1
d - диаметр седла в месте его контакта с конической поверхностью стержня клапана;
2
d - диаметр направляющей клапана.
Усилие f предварительного натяжения клапанной пружины пренебрежимо мало и его можно не учитывать.
ф
ф
тр.ф
дв.ф
1
дв.ф
2
2
1
ог
<mrow />
Если на обмотку 7 электромагнита подается электрический ток, вызываемый форсирующим напряжением U
(фиг.2), подаваемым в течение времени t, причем через промежуток времени t на сердечнике 8 электромагнита появляется тяговое усилие F и начинается его трогание совместно с ударником 12, затем в течение промежутка времени t осуществляется их движение в пределах зазора X до соприкосновения с направляющей 11 клапана, и далее в течение времени открывания t осуществляется совместное движение сердечника 8 электромагнита, ударника 12, направляющей 11 клапана и стержня 5 клапана в пределах зазора Х, открывая таким образом клапанный узел на величину (Х- Х) и образуя конический щелевой зазор, через который осуществляется впрыскивание топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания. Возрастание электрического тока ограничено электронным блоком управления величиной i, поскольку форсирование целесообразно до выхода сердечника электромагнита на упор, так как максимальная скорость движения к этому моменту уже достигнута, а электромагнитная сила, создаваемая электрическим током в обмотке, не может быть существенно выше значения, соответствующего насыщению материала магнитопровода.
ф
уд
уд
Далее по сигналу электронного блока управления величина форсирующего напряжения U уменьшается до значения удерживающего напряжения U, после чего происходит уменьшение величины электрического тока, но величина конического щелевого зазора остается неизменной, чему соответствует продолжение процесса впрыскивания топлива в течение времени t удерживающего импульса.
уд
р
закр
впр
Затем по сигналу электронного блока управления производится уменьшение величины удерживающего напряжения U до величины напряжения размагничивающего импульса U, что приводит к уменьшению величины электрического тока вплоть до отрицательных значений. Электромагнитная сила 4, удерживающая сердечник 8 электромагнита, исчезает, и он возвращается в исходное положение совместно с ударником 12. Направляющая 11 клапана совместно со стержнем 5 клапана под действием усилия, вызываемого давлением топлива, также возвращаются в исходное положение, и клапанный узел закрывается в течение времени t. Впрыскивание топлива прекращается, таким образом величиной времени впрыскивания t определяется величина цикловой подачи топлива.
у
ф
Если требуется подача топлива малой величины, то время управляющего импульса t может быть меньше времени форсирующего импульса t.
Экономический эффект от применения предлагаемой электроуправляемой форсунки следует ожидать за счет уменьшения ее технологической себестоимости, повышения быстродействия и улучшения качества распыливания топлива.