ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД УПРАВЛЯЮЩЕГО КЛАПАНА ФОРСУНКИ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области двигателестроения, в частности к системам подачи топлива в дизели.
Уровень техники
Для подачи топлива в дизели используются аккумуляторные системы, например, система Common Rail (Dieselmotor-Management 3rd Edition, Robert Bosch GmbH, 2002 P.O. Box 10 60 50, D-70049 Stuttgart, Federal Republic of Germany, ISBN 3-528-13873-4). Формирование характеристики впрыска в аккумуляторных системах подачи топлива осуществляется клапаном, установленным в форсунке. Клапан перемещается под действием электромагнитного привода, также установленного в форсунке. Электрический сигнал на привод подается из электронного блока системы управления дизелем.
Известна форсунка аккумуляторной системы подачи топлива Common Rail фирмы Bosch (Dieselmotor-Management 3rd Edition, Robert Bosch GmbH, 2002 P.O. Box 10 60 50, D-70049 Stuttgart, Federal Republic of Germany, ISBN 3-528-13873-4), содержащая корпус с топливными полостями и магистралями, в котором установлены распылитель, клапан, пружины, электромагнитный привод клапана. Привод состоит из электромагнита и якоря, который соединен с клапаном. При подаче на электромагнитный привод напряжения из электронного блока системы управления якорь перемещает клапан, который открывается и соединяет топливную полость клапана с магистралью слива топлива. В результате образовавшейся разности сил давления топлива распылитель перемещается и открывает сопловые отверстия форсунки, происходит впрыск топлива. После снятия напряжения возвратная пружина перемещает якорь с клапаном, который закрывается и разъединяет топливную полость клапана с магистралью слива. Распылитель перемещается в обратном направлении и закрывает сопловые отверстия, впрыск топлива заканчивается.
Известна форсунка системы Common Rail (US 6,244,250 В1), состоящая из корпуса, в котором установлены распылитель, промежуточный поршень, сервопоршень, клапан, электромагнитный привод клапана, возвратная пружина. Отличительной особенностью форсунки является наличие промежуточного поршня и сервопоршня. Распылитель связан с промежуточным поршнем, который, в свою очередь, связан с сервопоршнем. Седло клапана расположено в сервопоршне.
Известен электромагнитный клапан управления впрыском двигателя внутреннего сгорания (US 6,764,061 В2), содержащий корпус, в котором установлены электромагнит, имеющий магнитную катушку и магнитный сердечник, якорь, клапан, возвратную пружину. Якорь не имеет механических направляющих и может свободно перемещаться в радиальном направлении. Дальнейшее развитие конструкции предполагает при подаче тока на электромагнит возможность выравнивания положения якоря в радиальном направлении под действием магнитной силы и сил сопротивления с центрированием якоря по осевой линии электромагнита.
Известна насос-форсунка системы топливоподачи двигателя внутреннего сгорания, в которой установлены плунжер для нагнетания топлива, распылитель, пружина, электромагнитный клапан управления впрыском (US 6,520,150 В1). При закрытом управляющем клапане силы давления топлива на распылителе уравновешены, пружина держит игольчатый клапан распылителя закрытым. При открытии управляющего клапана направленная вверх сила давления топлива открывает игольчатый клапан распылителя, производя впрыск топлива. При закрытии управляющего клапана создается сила давления топлива, направленная вниз, и игольчатый клапан распылителя закрывается.
Известна система Common Rail подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания (US 6,672,290 В2), в которой в магистрали между топливным насосом высокого давления и общим нагнетательным трубопроводом установлен управляемый с помощью электромагнита клапан для слива излишнего топлива в сливной трубопровод. В корпусе клапана установлен электромагнит, пружина, якорь, соединенный с клапаном. Сила электромагнита действует в сторону открытия клапана, сила пружины - в сторону закрытия. В зависимости от режима работы двигателя блок управления подает на электромагнит различное напряжение, определяя тем самым ток в катушке и величину электромагнитной силы. При токе, равном нулю, клапан полностью закрыт и давление топлива в нагнетательном трубопроводе максимально. При увеличении тока возрастает электромагнитная сила, и клапан открывается в импульсном режиме, перепуская некоторое количество топлива в сливную магистраль. Давление топлива в нагнетательном трубопроводе снижается пропорционально увеличению тока.
Известен магнитный клапан (RU 2,209,337 С2), предназначенный для использования в аппаратуре впрыска топлива в двигатели внутреннего сгорания с клапанным управлением. В корпусе форсунки установлен клапан, электромагнит, якорь, возвратная пружина и демпфирующее устройство. Якорь выполнен с возможностью перемещения под действием своей собственной инерционной массы относительно соединенной с клапанным элементом промежуточной детали, которая выполнена в форме стержня, установленного с возможностью скольжения в расположенной неподвижно в магнитном клапане направляющей гильзе скольжения, против усилия предварительно сжатой возвратной пружины в направлении закрытия клапанного элемента. Взаимодействующее с якорем и неподвижным элементом и работающее с вытеснением топлива демпфирующее устройство обеспечивает гашение переходных колебаний якоря при его перемещении.
Известна форсунка топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания (RU 2,517,518 С2), отличительной чертой которой является якорь электромагнита, состоящий из двух частей. Изобретение позволяет устранить явление дребезга якоря при закрытии электромагнитного клапана, что позволяет сократить интервалы времени между последовательными процессами впрыскивания топлива. Форсунка, предназначенная, прежде всего, для применения в системах подачи топлива Common Rail, имеет подвижно установленный в ее корпусе клапанный элемент для закрытия или открытия распылительных отверстий и организации процесса впрыска топлива. Форсунка содержит гидроклапан для управления перемещением клапанного элемента путем изменения давления в управляющей полости форсунки. Управляющий клапан имеет электромагнитный привод с катушкой и якорем, который состоит из взаимодействующей с электромагнитным приводом якорной пластины и установленного подвижно относительно нее и якорного стержня, положение которого определяет давление в управляющей полости форсунки. Якорный стержень выполнен в виде якорной втулки, которая подвижно в осевом направлении по скользящей посадке установлена на якорной пластине.
Наиболее близким аналогом к полезной модели является патент США № US 6,764,061 В2 фирмы Бош "Solenoid valve for controlling an injection valve of an internal combustion engine".
В аналогах полезной модели основное внимание уделяется клапану управления подачей топлива и, практически, не раскрываются конструкция и характеристики электромагнитного привода. Однако параметры электромагнитного привода оказывают существенное влияние на работу клапана. Наиболее важными показателями функционирования клапана являются действующая на него со стороны привода электромагнитная сила, быстродействие (скорость перемещения клапана), надежность и стабильность работы. Эти показатели зависят от параметров электромагнитного привода.
Особенность электромагнитных приводов клапанов аккумуляторных систем подачи топлива в дизели типа Common Rail состоит в том, что они располагаются непосредственно в корпусе форсунки в ограниченных габаритах, определяемых конструкцией форсунки. В связи с этим возникает задача конструирования и подбора параметров привода, обеспечивающих требуемые показатели по его силовым характеристикам и быстродействию привода в условиях его размещения в ограниченных габаритах. Наиболее часто требуется обеспечить максимально возможные значения показателей привода.
Электромагнитная сила, развиваемая приводом, и скорость ее нарастания зависят от таких параметров катушки электромагнита, как средний диаметр, длина, диаметр провода, количество слоев обмотки. Большое влияние на параметры электромагнита оказывает конструкция и материал магнитопровода, в который входят сердечник магнита, якорь и воздушные зазоры. Надежность и стабильность работы электромагнитного привода зависят от конструктивного выполнения узла контакта якоря с сердечником магнита в положении, когда клапан открыт и якорь находится на минимальном расстоянии от магнита.
В аналогах полезной модели не приводятся достаточные сведения и конструктивные варианты, направленные на решение важной задачи разработки электромагнитных приводов клапанов аккумуляторных систем подачи топлива в дизели.
Технической задачей, решаемой в полезной модели, является повышение эффективности электромагнитного привода клапана форсунки аккумуляторных систем подачи топлива в дизели.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в использовании конструктивных решений для магнитопровода и катушки магнита, направленных на повышение таких параметров привода, как электромагнитная сила и быстродействие в условиях размещения привода в заданных габаритах.
Раскрытие сущности полезной модели
Полезная модель представляет собой электромагнитный привод клапана аккумуляторной системы подачи топлива в дизель, который выполнен как электромагнит цилиндрической формы в виде соленоида, содержащий катушку, магнитопровод, якорь с клапаном, корпус, возвратную пружину.
Величина электромагнитной силы, развиваемой приводом, и скорость ее изменения, то есть быстродействие срабатывания привода, определяются параметрами катушки магнита и формой магнитопровода. Основными параметрами катушки являются: средний диаметр и высота катушки, диаметр провода, число витков в слое и количество слоев в обмотке. В полезной модели катушка электромагнита расположена так, что ее высота составляет 80% от высоты сердечника магнита, средний диаметр составляет 80% от диаметра привода. Катушка содержит два слоя, намотанных таким образом, что выходы обмотки расположены в верхней части привода.
Электромагнитная сила пропорциональна току в катушке и количеству витков в обмотке. Но при увеличении числа витков возрастает индуктивность катушки, которая снижает скорость изменения тока и, следовательно, скорость нарастания электромагнитной силы. Обмотка в два слоя является компромиссным конструктивным решением, наиболее приемлемым как с точки зрения величины электромагнитной силы, так и с точки зрения быстродействия привода.
Выбор предложенных относительных размеров катушки (среднего диаметра и высоты) обусловлен необходимостью использования в полной мере материала магнитопровода для усиления электромагнитной силы, так как при предложенных относительных размерах катушки силовые линии магнитного поля наиболее эффективно распределяются по материалу магнитопровода.
С внешней стороны катушки расположен корпус из магнитного материала, который также участвует в усилении магнитного поля. Внешний диаметр корпуса равен габаритному размеру привода в радиальном направлении. Толщина стенки корпуса с учетом относительного размера среднего диаметра катушки достаточна для прохождения через него силовых линий магнитного поля. Корпус имеет конструкцию в виде стакана, в днище которого выполнено отверстие, в котором с минимальным зазором расположена нижняя часть магнитопровода. Якорь с клапаном расположены вблизи днища корпуса. Наружный диаметр якоря составляет 90% от диаметра привода. При таком конструктивном решении силовые линии магнитного поля проходят через магнитопровод неподвижной части привода и якорь с наименьшим магнитным сопротивлением, так как зазор между неподвижной частью магнитопровода и якорем минимальный.
В предложенной конструкции привода клапана топливоподачи достигается рациональное соотношение размеров катушки и магнитопровода, что обеспечивает создание приводом значительной электромагнитной силы при высоком быстродействии срабатывания привода, расположенного в заданных габаритах форсунки дизеля.
На чертеже приведена конструктивная схема электромагнитного привода (в виде разреза).
Осуществление полезной модели
cp
cp
2
1
Привод цилиндрической формы содержит неподвижную часть магнитопровода 1 высотой Н. Диаметр привода D. На магнитопроводе расположена катушка магнита 2 высотой h и средним диаметром D. Высота h катушки магнита 2 составляет 80% от высоты Н неподвижной части магнитопровода 1. Средний диаметр D катушки составляет 80% от диаметра привода D. Наружная часть катушки закрыта корпусом 3, имеющим форму стакана с отверстием в днище. Корпус 3 выполнен из магнитного материала. Наружный диаметр корпуса 3 равен диаметру привода D. Толщина днища корпуса b равна толщине корпуса в радиальном направлении b. В отверстии днища корпуса 3 расположена нижняя часть магнитопровода 1. Радиальный зазор Δ между отверстием в днище корпуса 3 и нижней частью магнитопровода 1 составляет величину порядка 0,1 мм. В центральном отверстии магнитопровода 1 установлена возвратная пружина 4. В якоре 5 электромагнита расположен клапан управления процессом топливоподачи 6. Якорь выполнен из магнитного материала.
Электромагнитный привод работает следующим образом.
При отсутствии напряжения на катушке 2 электромагнитного привода возвратная пружина 4 устанавливает якорь 5 с клапаном топливоподачи 6 в нижнее положение, при котором клапан закрыт.
При подаче из электронного блока системы управления напряжения на катушку 2 вокруг катушки образуется магнитное поле, которое усиливается неподвижной частью магнитопровода 1, корпусом 3 и якорем 5. В приводе возникает электромагнитная сила, которая притягивает якорь 5 с клапаном 6 к неподвижной части магнитопровода 1. Предложенная конструкция электромагнитного привода обеспечивает значительную величину электромагнитной силы привода при высоком быстродействии срабатывания привода. Под действием электромагнитной силы якорь 5 с клапаном 6 двигаются вверх и открывают проходное сечение клапана топливоподачи. Осуществляется впрыск топлива в цилиндр двигателя. Процесс движения якоря с клапаном топливоподачи вверх заканчивается посадкой клапана 6 на магнитопровод 1. Возвратная пружина 4 находится в сжатом состоянии.
После снятия напряжения, подаваемого электронным блоком системы управления на катушку 2 привода, перестает действовать электромагнитная сила, и под действием силы возвратной пружины 4 якорь 5 с клапаном 6 перемещаются в обратном направлении, закрывая проходное сечение клапана топливоподачи. Впрыск топлива заканчивается.