ИНЖЕКТОР ДЛЯ ПОДАЧИ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА
GAS FUEL FEED INJECTOR

Изобретение относится к устройству подачи топлива в двигатель автомобиля, в частности, к инжектору для подачи газового топлива в цилиндр двигателя внутреннего сгорания.
Из патента РФ №2331785 (опубликован 20.08.2008; МПК F02M 21/02) известен электромеханический инжектор для подачи газового топлива, содержащий электромагнитный исполнительный механизм, воздействующий на дисковидный механический перекрывающий элемент, выполненный для открытия или перекрытия канала для прохода топлива из подающей магистрали в доставляющую магистраль, соединенную с выходным отверстием. Между доставляющей магистралью и перекрывающим элементом установлен выполненный из эластомерного материала уплотнительный элемент, прикрепленный к перекрывающему элементу и перемещающийся с ним.
В заявке на европейский патент №1231378 (опубликована 14.08.2002; МПК F02M 51/06, F02M 61/20) описан топливный инжектор, в котором контроль потока топлива через впускное и выпускное отверстия осуществляется посредством выполненного в форме диска и имеющего уплотняющую поверхность якоря и размещенного между корпусом инжектора и верхней поверхностью якоря упругого элемента. Упругий элемент обеспечивает дополнительную силу поджима якоря.
Недостатком указанных известных решений является громоздкость конструкции якоря, что не позволяет обеспечить высокую скорость его перемещения.
Европейский патент №1398497 (опубликован 02.11.2005; МПК F02M 51/06, F02M 61/18, F02M 61/16) описывает варианты инжектора, включающие корпус, якорь, седло и пластину с выпускными отверстиями, причем последняя располагается под якорем и может иметь несколько выпускных отверстий для обеспечения «атомизации» потока топлива, попадающего в цилиндр двигателя внутреннего сгорания. Из европейского патента №0681873 (опубликован 26.05.1999; МПК В05В 1/30, В05В 17/06, F02M 61/18, F02M 69/04, F23D 11/34, G05D 7/06) известны различные формы выпускных отверстий пластины-форсунки, также предназначенных для «атомизации» потока топлива. Используемый в газовом инжекторе якорь, имеющий несколько круглых проходных отверстий известен из европейского патента №1021652 (опубликован 11.06.2008; МПК F02M 21/02, F02M 51/06, F02M 61/16).
В этих решениях множество проходных отверстий, выполненных в якоре или дополнительных элементах, предназначено для разбивания потока топлива на более тонкие потоки перед их подачей в цилиндр двигателя внутреннего сгорания.
Заявка на патент Германии №102005046434 (опубликована 29.03.2007; МПК F02M 21/02) описывает газовый инжектор, якорь которого содержит по меньшей мере один газоход. В седле выполнено несколько проходных отверстий цилиндрической формы, расположенных по окружности относительно оси инжектора, которые перекрываются кольцевым уплотнительным элементом, установленным на якоре. Газоход позволяет подводить поток газового топлива с обеих сторон от кромок проходных отверстий. Заявка на патент Германии №102007003213 (опубликована 24.07.2008; МПК F16K 1/34, F02M 21/02) раскрывает аналогичный газовый инжектор, в котором уплотнительный элемент представляет собой не одно кольцо, а два концентрических кольца, так что при их прижиме к седлу проходные отверстия располагаются между ними.
Недостатком обоих вариантов указанных инжекторов является то, что они выполнены проходными, т.е. газовое топливо проходит через весь инжектор вдоль его оси, а значит, высока вероятность повышенного износа движущихся частей вследствие загрязнения посторонними частицами и грязью и, соответственно, снижения срока службы инжектора. Кроме того, якорь выполнен массивным, что сказывается на весе устройства и требованиях к электромагнитному исполнительному механизму, перемещающему якорь между положениями закрытия и открытия. Также следует отметить, что выполнение в седле проходных отверстий цилиндрической формы, безусловно, увеличивает количество газа, проходящего через инжектор, но не в достаточной степени для их применения с двигателями большого объема.
В заявке на патент Германии №102007004560 (опубликована 31.07.2008; МПК F02M 21/02) как вариант исполнения проходных отверстий предлагается использовать щелевидные отверстия, изогнутые по окружности, центр которой совпадает с осью инжектора. Данное решение позволяет существенно увеличить поток проходящего через инжектор газового топлива. Однако этот инжектор также выполнен проходным со всеми вышеуказанными недостатками данного типа исполнения инжектора.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является инжектор, описанный в международной заявке WO8804727 (опубликована 30.06.1988; МПК F02M 51/06, F02M 51/08). Заявка раскрывает электромагнитный инжектор, якорь которого выполнен в форме шайбы из магнитного материала и располагается между седлом и промежуточным элементом, также выполненным из магнитного материала. Поджим якоря осуществляется посредством пружины. На внешнем диаметре промежуточного элемента установлена немагнитная направляющая, роль которой заключается в магнитной изоляции якоря от промежуточного элемента, а также в центровке якоря по его внешнему диаметру. Второй направляющей для якоря служит выточка в выполненном из немагнитного материала седле, обеспечивающая дополнительную центровку якоря по его внешнему диаметру. Ввод топлива в двигатель осуществляется через верхнее отверстие в упоре, далее через осевой канал промежуточного элемента и далее - через каналы в якоре.
Недостатком прототипа является то, что проход топлива осуществляется фактически через весь инжектор. С топливом внутрь инжектора могут поступать мелкие частицы, что существенно сокращает срок его службы по причине повышенного износа трущихся поверхностей - прежде всего, между промежуточным элементом и якорем, - и влияет на стабильность времени открытия-закрытия инжектора. Во-вторых, направление движения и центровка якоря, выполненного в виде шайбы, требует повышенной точности изготовления соприкасающихся поверхностей якоря, немагнитной вставки и седла. В противном случае малейший перекос вызовет нарушение поступательного движения якоря и, как следствие, изменение заданного расхода газа.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков прототипа и других известных из уровня техники решений, а именно, обеспечение конструкции инжектора, уменьшающей или исключающей поступление инородных частиц в области трущихся поверхностей, обеспечивающей минимальный ход якоря с сохранением величины проходящего через инжектор потока газового топлива, а также обеспечивающей многократное срабатывание инжектора с высокой повторяемостью времени открытия-закрытия.
Скорость перемещения якоря можно увеличить за счет уменьшения массы якоря и соединенных с ним запорных элементов, уменьшения высоты подъема якоря, уменьшения общей массы инжектора, уменьшения сопротивления катушки электромагнитного исполнительного механизма.
3
Для обеспечения прохождения достаточно большого потока газового топлива за один цикл открытия-закрытия требуется увеличить не только площадь проходного отверстия, но и высоту подъема якоря. Например, в инжекторе с седлом, имеющим одно центральное проходное отверстие, при требуемом перепаде давления порядка 0,3 МПа для достижения расхода в 18 м/час проходное отверстие должно иметь диаметр не менее 3,2 мм. Тогда высота подъема якоря, величина которой определяется как не менее 1/4 диаметра проходного отверстия седла, составляет не меньше 0,8 мм. Соблюдение этой зависимости позволяет исключить высоту подъема якоря как фактор, влияющий на заданный расход, т.е. дальнейшее увеличение высоты подъема якоря не приводит к увеличению расхода газа, что обеспечивает стабильность расходной характеристики инжектора в течение всего срока службы. Однако ход якоря от 0,6 до 0,8 мм ослабляет действие магнитного потока на якорь, что сказывается на времени отрыва якоря от седла. Увеличивается временной интервал от начала подачи электрического сигнала на обмотку катушки инжектора до начала пропускания инжектором полного (заданного) потока газа.
Уменьшая общую массу инжектора можно уменьшить время насыщения магнитного поля всей системы, а значит, момент отрыва якоря от седла наступает раньше при одной и той же конструкции.
Инжектор согласно настоящему изобретению содержит корпус с разъемом питания катушки и размещенными внутри него катушкой, сердечником и седлом. Седло может быть жестко установлено в корпусе или подпираться фиксирующей гайкой. В седле выполнены по меньшей мере два проходных отверстия. В сердечнике расположен упор, имеющий возможность регулируемого перемещения вдоль оси сердечника. Якорь с выполненным в нем по меньшей мере одним газоходом перемещается между сердечником и седлом из крайнего закрытого положения в крайнее открытое положение. Якорь поджимается к седлу посредством пружины, установленной в продольном канале упора. В проточке сердечника установлена парамагнитная вставка, торцевая поверхность которой выступает над торцевой поверхностью сердечника, так что в крайнем открытом положении якорь упирается в торцевую поверхность парамагнитной вставки. Наличие парамагнитной вставки исключает контакт между якорем и сердечником. Внешняя поверхность упора, выступающая над торцевой поверхностью парамагнитной вставки, служит направляющей для возвратно-поступательного движения якоря при его перемещении между крайними открытым и закрытым положениями.
В данной конструкции инжектора предлагается одна длинная направляющая, предназначенная для обеспечения возвратно-поступательного движения якоря, что упрощает конструкцию, повышает надежность и стабильность работы инжектора. Кроме того, проход газового топлива через инжектор осуществляется в районе якоря, т.е. по максимально короткому пути, причем поток газа направлен так, что инородные частицы не будут оседать на трущихся поверхностях и приводить к их преждевременному износу.
Над катушкой может быть установлен поджимной диск для поджима катушки внутри корпуса. Поджимной диск фиксируется в корпусе механически прочным способом, например, завальцовкой выступающей над поджимным диском части корпуса или свариванием лазером. Поджимной диск и корпус выполнены из магнитомягкого материала и образуют единый магнитопровод, который в поперечном сечении напоминает перевернутую букву «Ш», где средней частью является сердечник с направляющей, по которой движется якорь, а крайние «ножки» перевернутой буквы «Ш» формируют с внешним диаметром якоря магнитные зазоры системы.
Поджимной диск также может быть выполнен как в виде отдельной детали инжектора, так и заодно с корпусом инжектора, т.е. в виде единой с корпусом детали.
Сердечник может быть размещен в корпусе с возможностью регулируемого перемещения вдоль оси сердечника для удобства регулировки хода якоря. Регулируемое перемещение сердечника может быть осуществлено посредством резьбового соединения сердечника с поджимным диском, что обеспечивает высокую точность подстройки хода якоря.
Предпочтительно, если парамагнитная вставка выполнена из твердосплавного материала, что позволяет увеличить срок службы инжектора.
Также предпочтительно, если инжектор содержит центрирующую шайбу для дополнительной центровки сердечника в корпусе. Аналогично поджимному диску, центрирующая шайба может быть выполнена не только в виде отдельной детали инжектора, но и заодно с корпусом инжектора, т.е. в виде единой с корпусом детали.
Для надежного прилегания якоря к седлу на прижимной поверхности якоря может быть размещена перекрывающая шайба, выполненная, например, из эластомерного материала. Соединение якоря с шайбой производится методом совулканизации.
Предпочтительно, если проходные отверстия седла выполнены в виде щелевидных отверстий, расположенных по окружности относительно оси симметрии седла.
3
2
Возвращаясь к вышеописанному примеру, обеспечение расхода порядка 18 м/час при перепаде давления 0,3 МПа с предпочтительной скоростью срабатывания инжектора в диапазоне 1,2÷3,0 мсек возможно посредством выполнения в седле щелевидного проходного отверстия шириной не более 0,4÷0,5 мм. При этом отношение ширины щели к подъему якоря, при котором якорь перестает влиять на расход газа, равно h=0,7L, где h - высота подъема якоря, L - ширина щели. При указанных условиях и площади щели S примерно 8 мм высота подъема якоря h составит 0,35 мм, что значительно меньше 0,8 мм для случая седла с одним центральным отверстием.
Важной особенностью использования щелевого проходного отверстия является также то, что за счет выполненных в якоре внутренних газоходов подвод газового топлива к щелевому проходному отверстию осуществляется не только к его внешней кромке, но также и к внутренней. Дополнительный приток газа к внутренней кромке щелевого проходного отверстия обеспечит сохранение заданного расхода газа при уменьшении хода якоря и, следовательно, уменьшение времени срабатывания инжектора, увеличение магнитной силы, воздействующей на подъем якоря. Количество подводимого в внутренней кромке газа определяется размером газоходов, выполненных в якоре.
Далее изобретение более подробно поясняется со ссылками на прилагаемые фигуры.
На фиг.1 представлен вариант исполнения инжектора согласно изобретению.
На фиг.2 представлено увеличенное изображение сердечника, упора, якоря и седла.
На фиг.3 представлены вид сбоку и вид сверху на седло с двумя проходными щелевыми отверстиями.
На фиг.4 представлены вид сбоку и вид сверху на седло с тремя проходными щелевыми отверстиями.
Общий вид варианта исполнения инжектора приведен на фиг.1. Инжектор содержит корпус (1) с размещенными внутри него катушкой (2), сердечником (3), седлом (5), которое может быть жестко установлено в корпусе (1) или, как показано на фиг.1, подпираться фиксирующей гайкой (4), и разъем питания (6) катушки. В сердечнике расположен упор (7), имеющий возможность регулируемого перемещения вдоль оси (8) сердечника, например, посредством исполнения резьбового соединения упора (7) с сердечником (3). Якорь (9) с выполненными в нем газоходами (10) перемещается между сердечником (3) и седлом (5) из крайнего закрытого положения (показано на фиг.1) в крайнее открытое положение и обратно. В крайнем закрытом положении якорь (9) поджимается к седлу (5) посредством пружины (11), установленной в продольном канале (12) упора.
В проточке сердечника (3) установлена парамагнитная вставка (13), торцевая поверхность (14) которой выступает над торцевой поверхностью (15) сердечника (фиг.2). В крайнем открытом положении якорь (9) упирается в торцевую поверхность (14) парамагнитной вставки, чем исключается контакт якоря (9) и сердечника (3).
При заданной величине расстояния между торцевой поверхностью (15) сердечника и торцевой поверхностью якоря (9) в закрытом положении величина выступа торцевой поверхности (14) парамагнитной вставки над торцевой поверхностью (15) сердечника фактически определяет величину зазора между якорем (9) в открытом положении и седлом (5), а значит, влияет на количество газового топлива, проходящего через инжектор. Наиболее оптимальные величины выступа торцевой поверхности (14) парамагнитной вставки над торцевой поверхностью (15) сердечника лежат в диапазоне от 0,05 мм до 0,15 мм. При большей величине выступа уменьшается магнитная сила, воздействующая на подъем якоря (9), а значит, не будет обеспечен нужный расход газа при заданном перепаде давления, а в случае увеличения перепада давления, например, вследствие неисправности редуцирующего устройства или из-за падения бортового напряжения, инжектор может не открыться. При меньшей величине выступа может произойти касание якоря (9) и сердечника (15), что приведет к резкому увеличению времени закрытия и, соответственно, нарушению заданного расхода газа.
Внешняя поверхность (16) упора служит направляющей для якоря (9). Одна длинная направляющая для возвратно-поступательного движения якоря (9) обеспечивает простую конструкцию инжектора, повышает надежность и стабильность работы его. Предпочтительно, если отношение длины контакта внешней поверхности (16) упора с якорем (9) вдоль оси (8) сердечника, фактически являющейся длиной направляющей, к диаметру внешней поверхности (16) упора составляет от 1:1 до 1:3. При меньших длинах направляющей возможно возникновение колебаний якоря (9) относительно оси (8) сердечника, а при больших длинах увеличивается масса якоря (9) инжектора.
Для прохода топлива через инжектор в седле (5) выполнены по меньшей мере два проходных отверстия (17).
Предпочтительно, если газоходы (10) обеспечивают подвод к внутренним кромкам проходных отверстий (17) по меньшей мере 50% общего потока газа, а в наиболее предпочтительном варианте - не менее 70% общего потока газа. При этом минимальная площадь поперечного сечения газоходов (10) должна составлять не менее 50% общей площади проходных отверстий (17).
В рабочих условиях инжектор подвергается вибрациям, перепадам температуры и давления, что может приводить к небольшим смещениям катушки, а значит, влиять на время открытия-закрытия инжектора. С целью уменьшения этого эффекта в корпусе (1) может быть установлен поджимной диск (18). В этом случае поджимной диск (18) является частью магнитного контура и дополнительно обеспечивает жесткость конструкции и надежную фиксацию катушки (2) внутри корпуса (1). Поджимной диск (18) выполнен из магнитомягкого материала.
В альтернативном варианте исполнения инжектора согласно настоящему изобретению поджимной диск (18) может быть выполнен заодно с корпусом (1) в виде единой детали.
Сердечник (3) может быть размещен в корпусе (1) с возможностью регулируемого перемещения вдоль оси (8) сердечника для удобства регулировки времени открытия-закрытия инжектора. Простым и надежным вариантом точной регулировки положения сердечника (3) в корпусе (1) является, например, выполнение резьбового соединения сердечника (3) с поджимным диском (18), как показано на фиг.1.
Для увеличения срока службы инжектора предпочтительно, если парамагнитная вставка (13) выполнена из твердосплавного материала, например ВН-8, поскольку ее торцевая поверхность (14) за время службы инжектора подвергается большому количеству ударов со стороны торцевой поверхности якоря (9).
В корпусе (1) инжектора дополнительно может быть установлена центрирующая шайба (19), предназначенная для центровки и фиксации сердечника (3) в корпусе (1) с целью сохранения соосности сердечника (3), якоря (9) и седла (5) в условиях вибрации, перепадов температуры и давления.
В альтернативном варианте исполнения инжектора согласно настоящему изобретению центрирующая шайба (19) может быть выполнена заодно с корпусом (1) в виде единой детали.
Для надежного прилегания якоря (9) к седлу (5) на прижимной поверхности якоря (9) может быть размещена перекрывающая шайба (20), выполненная, например, из эластомерного материала.
Устройство работает следующим образом.
В закрытом положении инжектора якорь (9) поджимается пружиной (11), так что перекрывающая шайба (20) плотно прилегает к седлу (5), перекрывая проходные отверстия (17).
Газовое топливо поступает через входное отверстие (21) во внутренний объем инжектора, ограниченный, как показано на фиг.1 и фиг.2, преимущественно корпусом (1), обращенной к нему внешней боковой поверхностью якоря (9), газоходами (10) и полостью (22) между нижней торцевой поверхностью якоря (9), верхней поверхностью седла (5) и внутренней боковой поверхностью (20b) перекрывающей шайбы. Таким образом, газовое топливо подводится к седлу (5) с обеих сторон от перекрывающей шайбы (20).
При подаче питания на катушку (2) через разъем питания (6) катушки якорь (9) перемещается в крайнее открытое положение, упираясь своей верхней торцевой поверхностью в торцевую поверхность (14) парамагнитной вставки. При этом открываются проходные отверстия (17), газовое топливо проходит через газоход (10) и образовавшийся зазор между перекрывающей шайбой (20) и седлом (5) и далее через проходные отверстия (17) попадает в цилиндр двигателя (не показан).
Поток газового топлива через инжектор определяется количеством, формой и площадью проходных отверстий (17). Для примера, на фиг.3 показан вариант исполнения седла инжектора с двумя щелевидными проходными отверстиями (17), размещенными по окружности относительно оси симметрии седла (5), а на фиг.4 - вариант с тремя щелевидными проходными отверстиями (17). Проходные отверстия (17) имеют внешнюю кромку (17а) проходного отверстия и внутреннюю кромку (17b) проходного отверстия, которые с некоторым запасом перекрываются перекрывающей шайбой (20) (фиг.4). Пунктиром на фиг.4 показаны внешняя боковая поверхность (20а) перекрывающей шайбы и внутренняя боковая поверхность (20b) перекрывающей шайбы.
Если требуется увеличить поток газового топлива в цилиндр двигателя, можно предусмотреть больший диаметр размещения щелевых проходных отверстий (17) при сохранении типичной ширины щели, т.е. расстояния между внешней кромкой (17а) и внутренней кромкой (17b) в диапазоне 0,4÷0,5 мм.
Ввиду малой ширины щелевых проходных отверстий (17) они могут изготавливаться методом лазерной прорези или электро-эрозионным способом.
Высокая степень центровки хода якоря (9), обеспечиваемая длинной направляющей, устраняет угловые колебания, или биение, якоря (9) относительно оси (8) сердечника. Это позволяет уменьшить расстояние между внешней кромкой (17а) и внешней боковой поверхностью (20а), а также между внутренней кромкой (17b) и внутренней боковой поверхностью (20b), то есть уменьшить площадь как самой перекрывающей шайбы (20), так и площадь контакта перекрывающей шайбы (20) с поверхностью седла (5). Тем самым минимизируется возможность прилипания якоря (9) к седлу (5) в закрытом состоянии, которое возможно при скапливании грязи, лаковых и масляных отложений на поверхности седла (5), особенно после длительного бездействия инжектора или при температуре окружающей среды ниже нуля градусов по Цельсию.
При этом сохраняется возможность впуска большого количества газового топлива в цилиндр двигателя за один цикл открытия-закрытия.
Уменьшение площади контакта перекрывающей шайбы (20) с поверхностью седла (5) также снижает требования к силе тока, пропускаемого через катушку (2) для открытия инжектора, что положительно сказывается на общем ресурсе работы инжектора, уменьшении эффекта залипания якоря (9), повышении точности и стабильности времени открытия-закрытия инжектора.
При снижении напряжения на катушке (2) ниже заданной пороговой величины якорь (9) возвращается в крайнее закрытое положение и проход газового топлива через инжектор прекращается.
Техническим результатом предлагаемой конструкции газового инжектора является увеличение рабочего давления газового топлива; увеличение магнитной силы, поднимающей якорь, за счет минимизации магнитного зазора между якорем и сердечником благодаря щелевому седлу; уменьшение времени открытия и закрытия якоря; уменьшение физического размера инжектора; обеспечение выполнения функции инжектора при большем сопротивлении обмотки; уменьшение потребления тока при прочих равных условиях; гарантированное срабатывание при меньших напряжениях бортовой электросети. Все это делает газовый инжектор более универсальным и позволяет повысить надежность и точность его работы, обеспечить оптимальное сочетание минимальной материалоемкости инжектора при максимальном расходе газа, а также увеличить срок его службы.