ФОРСУНКА
ATOMISER

Предлагаемое техническое решение относится к области двигателестроения, а именно к устройствам впрыска топлива, и может быть использовано в системах распределенного и непосредственного впрыска, а также в дизельных системах как с плунжерными насосами, так и аккумуляторного типа.
Известна форсунка, содержащая седло, корпус, размещенный в его рабочей полости подвижный клапан и пружину, усилие деформирования которой, так же как и гидравлическая сила от перепада давлений в рабочей и подклапанной полостях, всегда направлены на закрытие, т.е. прижимают клапан к седлу. Такое решение обуславливает необходимость использования привода, в данном случае электромагнитного, создающего на клапане тяговое усилие, направленное на его открытие (RU, п. №2097595, «Электромагнитная форсунка» по кл. F02M 51/06). Для форсунки такого типа характерно изменение давления в подклапанной полости, соединенной выпускными отверстиями седла с полостью впрыска, в диапазоне от минимального значения - давления в полости впрыска при нулевом зазоре между клапаном и седлом, до максимального давления в рабочей полости, практически при зазоре полного открытия, соответствующем равенству проходных сечений зазора и выпускных отверстий. Размеры этих отверстий обеспечивают высокое качество распыления топлива только на расчетных режимах полного открытия форсунки. Поэтому сокращение длительности процессов ее открытия и закрытия, для которых характерно низкое качество распыления топлива, является одним из основных технических требований к форсунке и обеспечивается повышением ее быстродействия, которое необходимо также для расширения возможностей управления впрыском, например для осуществления многофазного впрыска. Быстродействие указанной форсунки определяется длительностью процессов нарастания и падения тягового усилия электромагнитного привода при его включении и выключении. Длительность этих процессов практически пропорциональна сумме усилий, поджимающих клапан к седлу в момент открытия форсунки.
Недостатком форсунки является низкое качество распыления топлива и ограничение возможностей управления впрыском в системах высокого давления, поскольку увеличение давления в рабочей полости приводит к росту гидравлической силы, который не компенсируется пружиной клапана и требует увеличения тягового усилия электромагнитного привода с соответствующим снижением быстродействия.
Известна также форсунка, содержащая корпус, связанное с ним седло, размещенный в рабочей полости корпуса подвижный клапан, выполненный в виде центральной части листовой пружины, упругую подвеску клапана в виде упругих элементов средней части листовой пружины, элементы связи упругой подвески с клапаном и корпусом форсунки, соответственно, в виде зоны перехода центральной части листовой пружины в упругие элементы ее средней части и в виде периферийной части листовой пружины, защемленной между поверхностями корпуса форсунки и электромагнитного привода. Изначально упругая подвеска удерживает клапан в положении частичного открытия, а при его поджатии гидравлической силой к седлу создает направленное от седла усилие, называемое в дальнейшем отрицательным «натяжением упругой подвески». Термин «упругая подвеска» использован авторами в данном описании для обозначения совокупности любых образующих ее элементов, обеспечивающих создание направленного от седла усилия на клапане, по крайней мере на части его рабочего хода. Термин «натяжение упругой подвески» означает величину и направление создаваемого упругой подвеской усилия на контактирующем с седлом клапане. При этом положительному натяжению соответствует направление этого усилия к седлу, а отрицательному натяжению - от седла. Величина отрицательного натяжения определяется жесткостью упругой подвески и начальным зазором между клапаном и седлом, который может быть изменен при изготовлении или регулировке форсунки путем относительных смещений седла или элементов связи упругой подвески с клапаном или с корпусом, например, изменением глубины запрессовки седла в отверстие корпуса, или смещением клапана относительно упругой подвески, например, путем установки накладки на обращенную к седлу поверхность центральной части листовой пружины (RU, п. №2327897, «Электромагнитная форсунка» по кл. F02M 51/06 - прототип).
Отрицательное натяжение упругой подвески обеспечивает разгрузку клапана от направленной к седлу гидравлической силы, что позволяет многократно снижать суммарное усилие поджатия клапана к седлу и использовать быстродействующий электромагнитный привод с малым тяговым усилием в системах высокого давления. Жесткость и натяжение упругой подвески при заданных параметрах седла, клапана, электромагнитного привода и величине рабочего давления рассчитываются из условий возможности закрытия и возможности открытия форсунки, согласно которым в пределах рабочего хода клапана направленное от седла усилие деформирования упругой подвески не превышает гидравлической силы, а их равнодействующая не превышает тягового усилия электромагнитного привода. Следствием такого технического решения является зависимость быстродействия форсунки от натяжения упругой подвески и давления в рабочей полости, поскольку их изменения приводят к соответствующему изменению соотношения действующих на клапан сил при открытии и закрытии форсунки. Характеристиками этой зависимости являются отличия реального действующего давления в рабочей полости от величины давления, называемого в дальнейшем «давлением запирания», при превышении которого тягового усилия электромагнитного привода становится недостаточно для отрыва клапана от седла, а также «давления самооткрытия», при котором форсунка открывается без воздействия тягового усилия электромагнитного привода, т.е. самопроизвольно. В случае увеличения отрицательного натяжения упругой подвески величины давления самооткрытия и запирания возрастают, что приводит к повышению быстродействия форсунки при открытии и снижению быстродействия при закрытии. Заданное соотношение длительности процессов открытия и закрытия обеспечивается регулировкой натяжения упругой подвески при номинальном давлении в рабочей полости форсунки.
К недостаткам данного устройства можно отнести высокую чувствительность к случайным изменениям величины давления в рабочей полости, которые во время работы не могут компенсироваться соответствующим изменением отрицательного натяжения упругой подвески. При значениях этого давления, близких к давлению самооткрытия или давлению запирания, не обеспечивается высокое качество распыления топлива из-за снижения быстродействия, соответственно, при закрытии или открытии форсунки. Кроме того, свойство самооткрытия форсунки ограничивает возможности ее использования в системах впрыска с электрическим управлением, а использование этого свойства для управления впрыском путем изменения давления в рабочей полости ограничено низким качеством распыления топлива, поскольку при постоянном натяжении упругой подвески зазор между клапаном и седлом не превышает начального.
В основу разработки изобретения положена задача создания форсунки, которая позволила бы повысить качество распыления топлива и расширить возможности управления впрыском за счет управления натяжением упругой подвески в процессе работы форсунки.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемой форсунке, содержащей корпус, связанное с ним седло, размещенный в рабочей полости корпуса подвижный клапан, упругую подвеску клапана, связанную с корпусом и клапаном посредством элементов связи, новым является то, что седло или/и элементы связи упругой подвески клапана снабжены, по крайней мере, одним приводом управления натяжением упругой подвески клапана; при этом привод управления может быть выполнен в виде гидравлического упругочувствительного привода, рабочая полость которого соединена с рабочей полостью корпуса.
На фиг.1 - общий вид форсунки с приводом управления натяжением упругой подвески, перемещающим седло,
фиг.2 - общий вид форсунки с приводом управления натяжением упругой подвески, перемещающим элементы связи упругой подвески клапана с корпусом.
Форсунка (фиг.1) имеет трубчатый корпус 1, седло 2, размещенный в рабочей полости B корпуса 1 подвижный клапан 3, его упругую подвеску 4, выполненную в виде двух пружин сжатия, элементы ее связи с клапаном 3 в виде опорных торцовых поверхностей клапана 3 и с корпусом 1 в виде расположенного в нижней части последнего буртика 5 и запрессованного в отверстие корпуса 1 сердечника 6 с регулировочным винтом 7, а также упругочувствительный привод 8 управления натяжением упругой подвески 4 в виде сильфона, связывающего корпус 1 с седлом 2. Клапан 3 поджат к сердечнику 6 разницей усилий предварительного деформирования сильфона упругочувствительного привода 8, передаваемого через седло 2, и направленного к седлу 2 усилия, обусловленного предварительным положительным натяжением упругой подвески 4. Рабочая полость упругочувствительного привода 8 совпадает с рабочей полостью B корпуса 1 и при изменении давления в ней, подклапанной полости C и полости впрыска (на чертеже не показана) привод 8 соответственно перемещает подвижное седло 2, что, в свою очередь, обуславливает изменение натяжения упругой подвески 4. Снаружи корпуса 1 расположены элементы электромагнитного привода 9, рабочий зазор Z которого, образуемый торцовыми поверхностями сердечника 6 и клапана 3, выполняющего функции якоря, в исходном положении равен нулю. Рабочая полость В соединена с каналом подвода топлива 10 через отверстия в клапане 3, а подклапанная полость С через выпускные отверстия 11 соединена с полостью впрыска.
В системах с постоянным давлением в рабочей полости В форсунка работает следующим образом.
При подаче рабочего давления в полость В седло 2 и клапан 3 из исходного положения смещаются совместно в сторону полости впрыска, создавая между сердечником 6 и клапаном 3 рабочий зазор Z электромагнитного привода 9 и занимая рабочие положения закрытия. При этом смещение седла 2 определяется воздействием давления на поверхность седла 2 за пределами границы его контакта с клапаном 3 и на поверхность сильфона упругочувствительного привода 8, а также усилием воздействия клапана 3. Это усилие равно разности гидравлической силы и усилия деформирования упругой подвески 4, которое, вследствие смещения клапана 3, направлено от седла 2. Таким образом достигается отрицательное натяжение упругой подвески 4 клапана 3 без потери герметичности. При подаче управляющего сигнала на электромагнитный привод 9 начинает возрастать его тяговое усилие, притягивающее клапан 3 к сердечнику 6. Клапан 3 и седло 2 начинают совместное перемещение в сторону сердечника 6, сопровождающееся снижением усилия взаимодействия клапана 3 и седла 2 до нулевого значения. С этого момента начинаются противоположно направленные движения седла 2 и клапана 3, обусловленные ростом давления в полости C. Процесс открытия форсунки завершается постановкой клапана 3 на упор в сердечник 6 и подходом седла 2 к положению равновесия сильфона упругочувствительного привода 8. При этом усилие деформирования упругой подвески 4 направлено в сторону седла 2. При снятии управляющего сигнала с электромагнитного привода 9 усилие притяжения клапана 3 к сердечнику 6 начинает падать и клапан 3 начинает движение в сторону седла 2 под действием усилия упругой подвески 4. С момента частичного перекрытия зазора между клапаном 3 и седлом 2 давление в полости С начинает падать, что ускоряет встречные движения клапана 3 и седла 2 до их соприкосновения в рабочем положении закрытия.
В системах с переменным давлением в рабочей полости В форсунка работает следующим образом.
При отсутствии управляющего сигнала на электромагнитном приводе 9 цикл изменения давления в рабочей полости В обеспечивает совместное смещение клапана 3 и седла 2 в сторону полости впрыска и обратно без открытия форсунки, то есть с пропуском впрыска. При этом натяжение упругой подвески 4 клапана 3 изменяется от положительного значения до отрицательного и обратно. При наличии управляющего сигнала на электромагнитном приводе 9 клапан 3 подтягивается к сердечнику 6, обеспечивая возможность срабатывания в режиме работы форсунки с неподвижным клапаном и подвижным седлом. При этом форсунка открывается и закрывается при перепадах давления в полости B и полости впрыска, определяемых предварительным натяжением сильфона упругочувствительного привода 8. При необходимости форсунка может закрываться при любом давлении в полости B путем снятия управляющего сигнала с электромагнитного привода 9 в соответствующий момент времени. В этом случае возврат клапана 3 в исходное положение происходит при снижении давления в полости В за счет возврата седла 2 в исходное положение.
Форсунка /фиг.2/ имеет корпус 1, в нижней части которого выполнено седло 2 с выпускными отверстиями; подвижный клапан 3, нагружаемый гидравлическим усилием, обусловленным перепадом давления в рабочей полости B и подклапанной полости C; упругую подвеску 4, выполненную в виде прорезной пружины, соединенной посредством элемента связи 5 с одного конца с клапаном 3, а с другого через элемент связи 6 с поршнем 7, который, в свою очередь, подвижно связан с корпусом 1. Поршень 7 одновременно является элементом упругочувствительного привода 8 управления натяжением упругой подвески 4, включающего в свой состав также проставку 9, толкатель 10, пружину 11, регулировочную шайбу 12 и обойму 13. Упругочувствительный привод 8 изменяет натяжение упругой подвески 4 при изменении величины перепада давлений в его рабочей полости В и полости А обоймы 13. При этом рабочая полость В корпуса 1 является одновременно рабочей полостью привода 8 управления натяжением упругой подвески 4. Толкатель 10 поджат к проставке 9 пружиной 11, усилие деформирования которой задается путем подбора толщины регулировочной шайбы 12. При этом часть усилия пружины 11 через толкатель 10 передается на поршень 7, что обеспечивает предварительное положительное натяжение упругой подвески 4 и наличие осевого зазора между поршнем 7 и проставкой 9. Полость А через канал 14 соединена с трубопроводом слива (на чертеже не показан) топлива, проникающего через зазор между поршнем 7 и стенками цилиндрической направляющей корпуса 1. Рабочая полость В через канал 15 соединена с магистралью (на чертеже не показана) высокого давления.
В системах с переменным давлением в рабочей полости В форсунка работает следующим образом.
При увеличении давления в рабочей полости В до величины, уравновешивающей воздействие пружины 11 на поршень 7, усилие поджатия клапана 3 к седлу 2 достигает максимального значения. Дальнейшее увеличение давления приводит к перемещению поршня 7 из исходного положения в сторону полости A, растяжению упругой подвески 4 и увеличению ее отрицательного натяжения вплоть до момента подхода поршня 7 к положению, называемому «положением открытия», и отрыва клапана 3 от седла 2. Положение открытия поршня 7 удалено от его исходного положения на расстояние, превышающее зазор полного открытия, поэтому ход открытия клапана 3 также превышает величину зазора полного открытия. С момента отрыва от седла 2 и до достижения зазора полного открытия, при котором гидравлическая сила падает практически до нуля, клапан 3 движется с возрастающим ускорением, что определяет скачкообразный характер его открытия, после чего клапан 3 смещается с падающим ускорением до положения, соответствующего нулевому значению усилия деформирования упругой подвески 4. Скачкообразность хода клапана 3 обуславливает высокое быстродействие при открытии форсунки. Поскольку по окончании хода открытия клапан 3 и поршень 7 разгружаются от создаваемого упругой подвеской 4 усилия, то с этого момента они перемещаются как единое целое. При этом диапазон перемещений поршня 7 ограничен проставкой 9 и «положением закрытия» поршня 7, при котором упругая подвеска 4 удерживает клапан 3 на расстоянии зазора полного открытия от седла 2. Величина подачи топлива в рабочую полость В, равная постоянному расходу топлива из полости C и обеспечивающая неподвижность поршня 7 в положении, близком к положению закрытия, называется «критической подачей» и разделяет диапазон возможных подач на поддиапазоны, соответствующие режимам однократного и многократного срабатывания клапана 3. Подачи, превышающие критическое значение, обеспечивают однократное срабатывание клапана, вследствие чего форсунка осуществляет однофазный непрерывный впрыск с высоким качеством распыления топлива, обусловленным соответствием расхода топлива через выпускные отверстия седла 2 его оптимальным расчетным значениям. Завершение однофазного впрыска начинается с момента снижения подачи до ее критической величины, например, в случае перекрытия магистрали подачи топлива в полость B. Поршень 7, смещаясь в сторону седла 2, выдавливает топливо из рабочей полости В, компенсируя снижение подачи. При прохождении поршнем 7 положения закрытия зазор между клапаном 3 и седлом 2 становится меньше зазора полного открытия и под действием возрастающей гидравлической силы клапан 3 начинает закрываться, опережая поршень 7. Поскольку положению закрытия поршня 7 соответствует меньшее отрицательное натяжение упругой подвески 4, чем при открытии, то направленная на закрытие гидравлическая сила возрастает по ходу закрытия клапана 3 быстрее, чем направленное на открытие усилие растяжения упругой подвески 4. В результате клапан 3 смещается с возрастающим ускорением до момента закрытия, что определяет скачкообразный характер хода закрытия клапана 3 и обеспечивает высокое быстродействие форсунки при закрытии. При отсутствии слива топлива из полости В через канал 15 клапан 3 поджимается к седлу 2 гидравлической силой, превышающей усилие отрицательного натяжения упругой подвески 4. Слив топлива из рабочей полости B, обеспечивающий смещение поршня 7 в сторону седла 2 до момента подхода толкателя 10 к проставке 9, приводит форсунку в исходное положение. Остаточное давление в полости B и магистрали 15 уравновешивает воздействие пружины 11 и обеспечивает максимальное усилие поджатия клапана 3 к седлу 2, что исключает прорыв газов из полости впрыска в рабочую полость В. В случае работы форсунки в режиме, требующем полного сброса давления из рабочей полости В, усилие поджатия клапана 3 к седлу 2 может оказаться недостаточным для предотвращения попадания газов из полости впрыска внутрь форсунки. Во избежание подобного явления поршень 7 предлагается снабдить упором, передающим на клапан 3 усилие натяжения пружины 11, что увеличит усилие поджатия клапана 3 к седлу 2 в исходном положении. При этом между проставкой 9 и толкателем 10 должен быть обеспечен зазор, а натяжение упругой подвески 4 может быть как положительным, так и отрицательным. При подачах топлива в полость B, меньших критического значения, в форсунке сразу же после отхода клапана 3 от седла 2 и начала впрыска начинается описанный выше процесс закрытия. C момента достижения поршнем 7 положения закрытия и посадки клапана 3 на седло 2 начинается следующее открытие. Работа форсунки в это случае происходит в режиме многофазного впрыска с чередованием периодов открытого и закрытого состояний, длительность которых является функцией величины подачи топлива в рабочую полость B. Минимально возможный объем впрыска практически равен изменению объема полости B, обусловленному смещением поршня 7 от положения открытия до положения закрытия. При многофазном впрыске суммарная длительность переходных режимов открытия и закрытия по сравнению с однофазным впрыском возрастает пропорционально количеству циклов, однако при высокой скорости перемещений клапана 3 доля топлива, распыленного на этих режимах, незначительна по сравнению с общим объемом впрыска. Кроме того, незначительное снижение качества распыления топлива компенсируется возможностью оптимизации распределения общего объема впрыска по времени работы двигателя, а также простотой управления, например, путем поочередного соединения рабочей полости B с магистралью слива и дросселируемой пропорциональным электромагнитным клапаном магистралью подачи топлива от гидроаккумулятора. Особенностью предлагаемой форсунки является зависимость процессов открытия и закрытия клапана 3 от перемещений поршня 7. Поэтому поршень 7 может быть снабжен фиксатором его осевого положения, например электромагнитным замком, управление которым обеспечивает возможность применения форсунки такой конструкции в системах с одноплунжерным насосом. В этом случае насос питает общую для группы форсунок магистраль высокого давления, а электромагнитные замки обеспечивают необходимый порядок срабатывания форсунок. Кроме того, указанные перемещения поршня 7 могут обеспечиваться путем управления давлением в полости A при постоянном давлении в рабочей полости B. В этом случае время и дистанция перемещения поршня 7, потребные для перехода клапана 3 из положения полного открытия в положение закрытия и обратно, могут быть минимизированы, с целью достижения максимального быстродействия, путем согласования жесткости упругой подвески 4 с параметрами действующей на клапан 3 гидравлической силы при заданном давлении в рабочей полости В.
Таким образом, преимуществами предлагаемой форсунки являются:
- отсутствие ограничения диапазона давления в рабочей полости форсунки с электромагнитным приводом клапана по критерию возможности закрытия, а также отсутствие зависимости быстродействия от колебаний давления в рабочей полости, которые компенсируются пропорциональным изменением натяжения упругой подвески клапана;
- возможность управления впрыском путем изменения давления в рабочей полости форсунки, при этом, в случае наличия электромагнитного привода, он может использоваться для выполнения функций распределительного устройства, обеспечивающего поочередное срабатывание форсунок в системе, питаемой одноплунжерным насосом;
- возможность управления впрыском путем дросселирования магистрали подачи топлива в рабочую полость от гидроаккумулятора, при этом могут быть реализованы как непрерывный однофазный, так и прерывистый многофазный впрыск;
- возможность управления впрыском путем изменения давления в управляющей полости упругочувствительного гидропривода, при этом повышение быстродействия форсунки достигается благодаря короткому ходу привода;
- невозможность распыления топлива на стационарных режимах частичного открытия форсунки, поскольку в пределах зазора полного открытия форсунки клапан не имеет устойчивых промежуточных положений, при этом высокая скорость перемещения клапана из одного устойчивого положения в другое позволяет сократить время открытия и закрытия.