НАСОС-ФОРСУНКА

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности, к системам топливоподачи дизелей с электрическим управлением.
В последние годы стремительно растет парк транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания, выхлопные газы которых содержат ряд токсичных веществ. Снижение экологической нагрузки возможно за счет совершенствования систем топливоподачи. В монографии [Современные подходы к созданию дизелей для легковых автомобилей и малотоннажных грузовиков/А.Д. Блинов, П.А.Голубев, Ю.Е. Драган и др. Под ред. B.C. Панова и A.M. Минеева. - М.: НИЦ «Инженер», 2000 г - 332 с.] показано, что подвпрыск (дробление впрыска) существенно снижает как токсичность газов двигателя, так и уровень шума. При проектирование систем топливоподачи необходимо иметь в виду и экономическую эффективность, а она определяется трудоемкостью изготовления, т.е. технологичностью конструкции.
Первые электроуправляемые системы топливоподачи строились на применении электромагнитов. Это направление развивалось для аккумуляторных систем топливоподачи (Патент RU 2221930, опубл. 20.01.2004; Патент RU 2273763, опубл. 10.04.2006), а также для насос-форсунок с приводом от распредвала двигателя (Патент RU 2120055, опубл. 10.10.1992). Ограниченное быстродействие электромагнитов привело к применению пьезоэлектрических преобразователей (Патент RU 2191942, опубл. 27.10.2002). Но их быстродействие ограничено большой электрической емкостью. Большее быстродействие обеспечивают магнитострикционные преобразователи для коммутации высокого давления топлива (Патент RU 2042859, опубл. 27.08.1995). Появились насос-форсунки, в которых высокое давление топлива (давление впрыска) создается высоковольтным электрическим разрядом (Авт. свид. SU1550201, опубл. 15.03.1990. Бюл. №10; Патент RU 2053406, опубл. 27.01.1996).
Анализируя конструкции известных насос-форсунок следует отметить их низкую технологичность, обусловленную большим количеством точных сопряжении.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является насос-форсунка по патенту на полезную модель RU 100144 U1 МПК F02M 57/00, опубл. 10.12.2010. Бюл. №34, содержащая полый корпус с топливоподводящим каналом и соплом с запорным элементом, установленный в корпусе электрод изолированный от корпуса втулкой из электроизоляционного материала со стороны сопла, затвор, сообщающий испарительную камеру с каналом подвода топлива, при этом она снабжена кольцевой сосной корпусу электрической катушкой, которая размещена в неподвижной втулке (каркасе) из электроизоляционного материала.
В этой конструктивной схеме втулка игольчатого электрода и каркас электрической катушки представлены в виде единой детали, но она выполняет две функции. Первая функция - обеспечение пространственного положения и электроизоляцию игольчатого электрода. Вторая функция - обеспечение пространственного положения и электроизоляцию электрической катушки. Из технологических соображений при разработке рабочих чертежей на основе данной схемы эта деталь может выполняться из двух соединенных деталей - каркаса электрической катушки и втулки игольчатого электрода, при этом каркас электрической катушки расположен вне испарительной камеры.
Запорный элемент выполнен в виде консольного стержня из магнитострикционного материала с наконечником на одном конце со стороны сопла, размещен с зазором внутри электрода (соответственно, внутри его втулки) и жестко связан с последним вторым концом, электрод снабжен игольчатыми элементами, которые установлены радиально в испарительной камере, а полый корпус выполнен с коническими кольцевыми выступами по внутренней поверхности испарительной камеры, которые расположены в плоскостях игольчатых элементов электрода с образованием разрядных промежутков. Как следует из материалов рассматриваемого патента, в исходном положении наружный конус наконечника запорного элемента совмещен с внутренним посадочным конусом (ответной поверхностью) сопла и перекрывает его распыливающие отверстия.
Таким образом, рассматриваемое техническое решение предполагает расположение основных элементов на общей геометрической оси (соосно). Электрическая катушка расположена в каркасе снаружи испарительной камеры. Запорный элемент установлен с радиальным зазором внутри каркаса электрической катушки и втулки игольчатого электрода.
Для этой конструкции характерны те же свойства, что и для отмеченных выше аналогов, т.е. низкая технологичность. Здесь, не смотря на кажущуюся простоту конструкции, существенна технологическая проблема, связанная с изготовлением и установкой запорного элемента. Магнитострикционные материалы очень хрупкие, поэтому обеспечить посадки с натягом, как для наконечника, так и в заделке очень трудно, операция чревата технологическим браком. К тому же заделка магнитострикционного стержня расположена в глубоком глухом отверстии корпуса электрода. Магнитострикционные материалы с положительным коэффициентом магнитострикции имеют больший модуль (Сорокин B.C. Материалы и элементы электронной техники. В 2 т, Т.2. Активные диэлектрики, магнитные материалы, элементы электронной техники: учебник для студ. высш. учеб. заведений / B.C. Сорокин, Б.Л. Антипов, Н.П. Лазарева. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. С.182). Здесь применен материал для запорного элемента с отрицательным коэффициентом магнитострикции. Малый модуль отрицательного коэффициента магнитострикции приводит к большей длине запорного элемента при заданном ходе наконечника. Низкая технологичность в широком смысле связана с размещением насос-форсунки в головке блока цилиндров двигателя. Радиальное расположение игольчатых элементов электрода ограничивает минимальный диаметр носка насос-форсунки, что сужает варианты компоновочных решений при проектировании головки блока.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение технологичности конструкции насос-форсунки.
Указанный результат достигается тем, что насос-форсунка, содержащая полый корпус с топливоподводящим каналом и соплом с запорным элементом, установленный в корпусе игольчатый электрод изолированный от корпуса втулкой из электроизоляционного материала с образованием испарительной камеры, размещенной со стороны сопла, кольцевую соосную корпусу электрическую катушку, размещенную в присоединенном снаружи испарительной камеры к втулке игольчатого электрода каркасе из электроизоляционного материала, при этом запорный элемент расположен с радиальным зазором внутри каркаса электрической катушки и втулки игольчатого электрода, снабжена магнитострикционной втулкой, которая установлена с радиальным зазором внутри каркаса электрической катушки с опорой одним торцом на втулку игольчатого электрода, запорный элемент выполнен в виде подпружиненного ступенчатого стержня, его часть меньшего диаметра, имеющая на конце коническую поверхность, взаимодействующую с ответной поверхностью сопла, размещена с радиальным зазором внутри магнитострикционной втулки, а ступенчатая часть поджата к второму торцу магнитострикционной втулки. Указанный результат также достигается тем, что игольчатые элементы электрода размещены по кольцу втулки электрода и ориентированы в осевом направлении, при этом насос-форсунка снабжена датчиком перемещения подпружиненного ступенчатого стержня, который выполнен в виде двух электроизолированных металлических колец, установленных неподвижно с возможностью взаимодействия посредством электрического поля со ступенчатой частью подпружиненного ступенчатого стержня.
На фиг. 1 приведена конструктивная схема насос-форсунки (осевой разрез); на фиг. 2 показан вид сверху (вид А); на фиг. 3 - сечение Б-Б; на фиг. 4-6 представлено оформление электрических выводов: катушки - фиг. 4, высоковольтного провода игольчатого электрода - фиг. 5, датчика перемещения - фиг. 6.
Насос - форсунка устроена следующим образом. Имеется полый корпус 1 (он может быть составным), в котором выполнены топливоподводящий канал 2 и паз 3 для размещения высоковольтного провода 4. Возможны элементы технологического назначения, например на фиг. 1 показано отверстие с винтовой заглушкой 5, предназначенное для выполнения части топливоподводящего канала.
В системе топливоподачи двигателя имеется затвор, который конструктивно может принадлежать разным элементам общей системы. Для удобства изложения на фиг. 1 затвор включен в состав насос-форсунки и представлен штуцером 6 с запирающим шариком 7,который поджат пружиной 8.
Монтажной основой функциональных элементов служит каркас 9 из электроизоляционного материала электрической катушки 10. К этому каркасу присоединена втулка 11 игольчатого электрода, представленного электропроводным кольцом 12 и игольчатыми элементами 13. Внутри каркаса катушки установлена магнитострикционная втулка 14, а внутри этой втулки и втулки игольчатого электрода размещена часть меньшего диаметра подпружиненного ступенчатого стержня 15. На конце этой части имеется коническая поверхность, которая взаимодействует с ответной (конической) поверхностью сопла 16, которое, в свою очередь, имеет отверстия 17. Верхняя часть подпружиненного ступенчатого стержня имеет больший диаметр, чем нижняя и во внутреннем осевом глухом отверстии содержит пружину 18. Верхняя часть конструктивно может быть выполнена отдельной деталью прикрепленной к нижней части, например посредством развальцовки. При обесточенной катушке нижний конический конец ступенчатого стержня 15 поджат к конической поверхности сопла 16 пружиной 18, при этом ступенчатая часть стержня 15 нижним (ориентация чертежа) торцом опирается на верхний торец магнитострикционной втулки 14, а нижний торец последней опирается на верхнюю плоскость втулки 11 игольчатого электрода. Если подать в электрическую катушку ток, то появится магнитное поле, которое обеспечит удлинение магнитострикционной втулки 14, последняя опираясь на верхнюю плоскость втулки 11 поднимет за верхнюю ступеньку ступенчатый стержень 15 сжимая пружину 18. Для реализации этого движения магнитострикционная втулка имеет радиальные зазоры в сопряжениях с подпружиненным ступенчатым стержнем и с каркасом 9 электрической катушки.
Как показывает конструктивная схема насос-форсунки все основные элементы по форме имеют в основе тело вращения (детали токарной группы), расположены на общей геометрической оси, т.е. соосно друг другу. Это обстоятельство обеспечивает технологичность конструкции. Запорный элемент занимает центральную часть, он расположен с радиальным зазором внутри втулки игольчатого электрода и магнитострикционной втулки, т.е. внутри каркаса электрической катушки.
Геометрическая простота формы деталей (следовательно технологичность) относится и к исполнению высоковольтного канала. Так игольчатый электрод выполнен в виде электропроводного кольца 12 с торцовыми отверстиями для установки игольчатых элементов 13. Торцовое расположение отверстий технологически проще радиального. Как следует из чертежа фиг. 1 форма игольчатых элементов предельно проста - это цилиндрические стержни небольшого диаметра. Учитывая, что игольчатый электрод находится под высоковольтным импульсным напряжением он помещен во втулку 77 из электроизоляционного материала, которая имеет простую форму (деталь токарной группы). При таком исполнении кольца 72 игольчатые элементы ориентированы в осевом направлении, т.е. параллельно общей геометрической оси насос-форсунки. Это обстоятельство повышает технологичность в широком смысле, т.к. позволяет уменьшить диаметр корпуса в передней (носковой) части, за счет этого расширяются возможности компоновки насос-форсунки в головке блока двигателя.
Из соображений технологичности электрическая катушка выполнена кольцевой, т.е. ее электроизоляционный каркас 9 по форме представляет собой токарную (кольцевую) деталь, кольцевой объем в этом каркасе имеет и собственно катушка (обмотка) 10. Осевые линии каркаса 9 и катушки 10 совпадают с общей геометрической осью насос-форсунки, т.е. эти элементы соосны. Для удобства сборки (повышения технологичности операции сборки) каркас 9 электрической катушки 10 расположен снаружи испарительной камеры и присоединяется к втулке 11 игольчатого электрода. Кроме удобства сборки такое расположение элементов позволяет последовательно выполнять контрольные операции, в частности, после установки в корпус сборочной единицы «разрядник» (втулка 11, кольцо 12, игольчатые элементы 13, высоковольтный провод 4) можно проверить напряжение пробоя разрядного промежутка в испарительной камере.
Как отмечалось выше, подпружиненный ступенчатый стержень установлен с небольшим радиальным зазором во всех сопряжениях - с магнитострикционной втулкой 14, втулкой 11 игольчатого электрода, каркасом 9 электрической катушки и элементами датчика перемещения. Также имеется радиальный зазор между магнитострикционной втулкой 14 и каркасом 9 электрической катушки. При указанных посадках в случае подачи электрического тока в катушку 10 возникающее магнитное поле обеспечит удлинение магнитострикционной втулки 14, которая опираясь нижним торцом (ориентация чертежа) на втулку 11 игольчатого электрода своим верхним торцом поднимет подпружиненный ступенчатый стержень за нижний торец ступенчатой части.
Изложенная конструктивная схема позволяет ввести компенсатор погрешностей в виде прокладки в форме шайбы. Прокладка может быть установлена при любом торце магнитострикционной втулки: либо между нижним торцом и верхней плоскостью втулки 11 игольчатого электрода, либо между верхним торцом и ступенькой стержня 15. Наличие прокладки (на чертеже не показана) существенно снижает требования по точности изготовления деталей, тем самым повышает технологичность и снижает трудоемкость изготовления.
Пространство (объем), ограниченное корпусом 2, соплом 16, втулкой 11 игольчатого электрода с игольчатыми элементами 13 и частью меньшего диаметра подпружиненного ступенчатого стержня образует испарительную камеру. Испарительная камера призвана обеспечить высокое давление топлива при его впрыске в камеру сгорания двигателя через сопловые отверстия 17. Давление реализуется за счет высоковольтного (несколько киловольт) электрического разряда между игольчатыми элементами 13 электрода и корпусом (конкретнее соплом 16). Высокотемпературная плазма разрядного шнура испаряет часть топлива в камере, что и обеспечивает повышение давления.
Качество любого канала управления существенно повышается обратной связью. В предлагаемой насос-форсунке для использования в цепи обратной связи канала управления топливоподачей двигателя предусмотрен датчик перемещения запорного элемента. Датчик представлен неэлектропроводным корпусом 19 и двумя электропроводными (металлическими) кольцами 20 и 21. Корпус датчика присоединен сверху к каркасу 9 электрической катушки. В исходном положении (подпружиненный ступенчатый стержень внизу) кольца датчика расположены в осевом направлении симметрично наружной поверхности ступенчатой части стержня 15 с некоторым радиальным зазором. При таком расположении, электрические емкости каждого кольца по отношению к ступеньке стержня 15 одинаковы. При подъеме подпружиненного ступенчатого стержня одна емкость (по кольцу 20) взрастает, а другая (по кольцу 21) уменьшается. Датчик может использоваться при дифференциальном включении.
Все функциональные элементы насос-форсунки закреплены в корпусе 1 с помощью гайки 22 через металлическую шайбу 23, имеющую освобождения (отверстия) для электрических выводов.
Электрические выводы оформлены однотипно. Выводы электрической катушки 10 (на фиг. 4 показан один) содержат клеммы 24, 25 в виде завальцованных в каркас 9 трубчатых элементов. Для монтажа в каркасе предусмотрена радиальная выборка. Моточный провод 26 электрической катушки продевается в отверстия клемм и запаивается.
Вывод игольчатого электрода (фиг. 1, 5) содержит высоковольтный провод 4, токонесущая жила которого одним концом припаяна к электропроводному кольцу 12 игольчатого электрода, верхний конец провода проходит через отверстия каркаса катушки и корпуса датчика перемещения, а токонесущая жила продевается через отверстие клеммы 27 и подпаивается.
На фиг. 6 приведено исполнение одного электрического вывода датчика перемещения. Здесь также использованы трубчатые клеммы - 28, 29. Применительно к выводу нижнего кольца21 соединительный провод 30 размещен в радиальном пазу 31 корпуса 19 датчика перемещения, продет в отверстие клеммы 28 и подпаян к кольцу и верхнему концу клеммы. Поскольку корпус датчика перемещения выполнен из электроизоляционного материала организовать электрический вывод от верхнего кольца 20 на клемму 29 не представляет трудностей, поэтому здесь не приводим.
Пространственное положение всех клемм приведено на фиг. 2. Электрически общим (общая шина) является корпус 1 насос-форсунки, с присоединенным к нему электропроводным элементами - соплом 16, шайбой 23 и гайкой 22.
Приведенное описание конструкции показывает, что детали насос-форсунки имеют простую форму, образованную плоскостями и цилиндрическими поверхностями (детали токарной группы). Их расположение по общей геометрической оси упрощает операцию сборки.
Работает насос-форсунка следующим образом. Как было отмечено выше, в исходном положении подпружиненный ступенчатый стержень 15 нижним коническим концом перекрывает сопловые отверстия 17, а его ступенчатая часть поджата пружиной 18 к верхнему торцу магнитострикционной втулки 14. Перекрытие колец 20, 21 датчика перемещения внешним цилиндрическим выступом верхней части подпружиненного ступенчатого стержня одинаковы, следовательно величины электрической емкости по выводам 28, 29 равны. Топливо из магистрали низкого давления двигателя преодолевая сопротивление пружины 8 смещает шарик 7 и по топливоподводящему каналу 2 заполняет испарительную камеру (пространство между соплом 16, корпусом 1, втулкой 11 игольчатого электрода с игольчатыми элементами 13 и частью меньшего диаметра подпружиненного ступенчатого стержня 15).
При классическом режиме топливоподачи возможны два варианта алгоритма управления: первый - подается импульс тока на катушку 10 (через клеммы 24, 25), при этом ее магнитное поле удлиняет магнитострикционную втулку 14, последняя поднимает подпружиненный ступенчатый стержень 15, сжимая пружину 18, что приводит к открытию сопловых отверстий 17. Перемещению запирающего стержня будет соответствовать увеличение электрической емкости датчика перемещения по выводу 29 и уменьшение по выводу 28. Вслед за импульсом на катушку подается высоковольтный импульс (несколько киловольт) на игольчатый электрод через клемму 27. Происходит электрический разряд между игольчатыми элементами 13 и корпусом, т.е. соплом 16. Развивающееся давление в испарительной камере обеспечит подачу топлива через сопловые отверстия 17. Величина цикловой подачи будет определяться параметрами высоковольтного импульса. При этом можно использовать несколько импульсов.
Второй вариант алгоритма управления - сначала обеспечивается высоковольтный разряд, тем самым создается высокое давление в испарительной камере, затем подается импульс тока в катушку. При этом величина цикловой подачи будет регулироваться параметрами токового импульса в катушке.
Если организуется режим топливоподачи с подвпрыском, то сначала подается высоковольтный импульс на игольчатый электрод (клемма 27), который обеспечит высокое давление в испарительной камере. Затем первый импульс тока в катушку (клеммы 24, 25), причем энергия этого импульса должны быть такова, чтобы подъем подпружиненного ступенчатого стержня 15 был небольшим (реально около 0,06 мм). После окончания первого импульса катушки сопловые отверстия закрываются, подвпрыск закончен. Далее на катушку подается импульс большой энергии, который обеспечит подъем подпружиненного ступенчатого стержня на большую величину (около 0,25 мм), происходит впрыск основной части цикловой подачи.
Таким образом, предлагаемое техническое решение отличается высокой технологичностью. Конструкция составлена из деталей простой формы, предполагает применение простейшего компенсатора погрешностей, что существенно снижает требования к точности изготовления. Насос-форсунка позволяет реализовать любые режимы топливоподачи, в том числе с обратной связью по каналу управления.
Перечень обозначений
1. Полый корпус.
2. Топливоподводящий канал.
3. Паз корпуса.
4. Высоковольтный провод.
5. Винтовая заглушка.
6. Штуцер.
7. Запирающий шарик.
8. Пружина.
9. Каркас.
10. Электрическая катушка.
11. Втулка игольчатого электрода.
12. Электропроводное кольцо.
13. Игольчатые элементы.
14. Магнитострикционная втулка.
15. Подпружиненный ступенчатый стержень.
16. Сопло.
17. Отверстия сопла.
18. Пружина ступенчатого стержня.
19. Корпус датчика перемещения.
20, 21. Электропроводные кольца.
22. Гайка.
23. Шайба.
24, 25. Клеммы.
26. Моточный провод.
27. Клемма.
28, 29. Клеммы.
30. Соединительный провод.
31. Паз корпуса датчика перемещения.