ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ПЬЕЗОФОРСУНКА
ELECTROMECHANICAL PIEZO NOZZLE

Электромеханическая пьезофорсунка относится к топливоподающим системам дизелей и предназначена для подачи и распиливания топлива, поступающего от топливного насоса через аккумулятор высокого давления, в камеру сгорания цилиндра дизеля.
Известна пьезофорсунка (1) для подачи и распиливания топлива в камере сгорания дизеля с электрогидравлическим управлением, состоящая из корпуса форсунки, распиливающего аппарата, иглы форсунки, мультипликатора перемещения, пьезопривода (Патент RU 2521596 С2 Способ управления подачей топлива и устройство управления подачей топлива / Байтимеров P.M., Наумов В.Н.).
Достоинством пьезофорсунки является хорошая управляемость впрыском топлива и законом его подачи.
Известна пьезофорсунка (2) для подачи и распиливания топлива в камере сгорания дизеля с электромеханическим управлением, состоящая из корпуса с элементами подвода топлива, исполнительного звена, выполненного в виде пьезокерамического стержня, состоящего из отдельных дисков, клапана, кинематически связанного с исполнительным звеном (Патент RU 2201522 С2 Форсунка с электрическим управлением для двигателя внутреннего сгорания / Б.К. Зуев, А.С.Батанов).
Достоинством пьезофорсунки является быстродействие и хорошая управляемость процессом впрыска топлива.
Известна пьезофорсунка (3) с электромеханическим управлением, содержащая клапан для дозирования текущей среды, состоящий из окруженного седлом дозирующего отверстия, управляющей дозирующим отверстием иглой с запорной головкой, которая для открытия и закрытия дозирующего отверстия взаимодействует со своим седлом, пьезоэлектрического привода, который воздействует на иглу для открытия дозирующего отверстия, и упругого возвратного элемента, который воздействует на иглу своим усилием для закрытия дозирующего отверстия (Патент RU 2626178 С2 Клапан для дозирования текущей среды / Зебастиан Томас (DE).
Достоинством пьезофорсунки является быстродействие и хорошая управляемость процессом впрыска топлива.
Известна пьезофорсунка (4) для подачи и распиливания топлива в камере сгорания дизеля с электрогидравлическим управлением, состоящая из корпуса форсунки с полостью, выполненной в форме стакана и размещенных в ней пьезоэлемента, гидрокомпенсатора, состыкованного с распылителем с плавающей втулкой и содержащего поршень толкателя, поршень клапана, а также клапана, пружины клапана, клапанной пластины, проставки с блоком дросселей, гайки распылителя, топливоподводящего канала и канала отвода излишек топлива (Пьезофорсунки BOSCH Common RAIL http//reforsbel.blogspot.com) Достоинством пьезофорсунки является разгруженность и небольшая масса иглы распылителя, что способствует высокому быстродействию и хорошей управляемости процессом впрыска, а также применение в конструкции распылителя с плавающей втулкой (5) исключающее растрескивание корпуса распылителя в зоне входа топливоподводящего канала в карман, как это происходит в распылителе традиционной конструкции (Мазинг М.В., Тер-Мкртичьян Г.Г., Богачёв С.А. Распылитель с плавающей втулкой для топливных систем с повышенным давлением впрыскивания // Современные проблемы науки и образования. - 2014. №5.; URL: http//www.science-education. ru/ru/article/view?id=14941)
Известна пьезофорсунка (6) с электромеханическим управлением и непосредственным приводом иглы распылителя состоящая из иглы распылителя, штока, корпуса, слив топлива, пьезопривода и регулировочного винта (А.П. Марченко, д-р техн. наук, Д.В. Мешков, асп., И.В. Рыкова, канд. Техн. Наук. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ФОРСУНОК АККУМУЛЯТОРНЫХ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ TИПА TCOMMON RAIL стр. 72)
Достоинством пьезофорсунки является быстродействие и хорошая управляемость процессом впрыска топлива и применение в конструкции распылителя с плавающей втулкой (5) исключающее растрескивание корпуса распылителя в зоне входа топливоподводящего канала в карман, как это происходит в распылителе традиционной конструкции при минимальном количестве и массе подвижных частей (Мазинг М.В., Тер-Мкртичьян Г.Г., Богачёв С.А. Распылитель с плавающей втулкой для топливных систем с повышенным давлением впрыскивания // Современные проблемы науки и образования. - 2014. №5.; URL: http//www.science-education.ru/ru/article/view?id=14941)
Известна форсунка для дизеля (7) состоящая из корпуса форсунки, распылителя, тарельчатой пружины, штанги, винтовой пружины (патент RU 2480615 С2 Форсунка для дизеля / А.С.Бронштейн, Ю.Е. Хрящёв).
Достоинством форсунки является простота конструкции и технологичность изготовления.
Недостатками пьезофорсунки (1) являются сложность гидравлической системы двигателя и сложность системы управления работой каждой форсунки системой с двумя внешними индивидуальными клапанами с пьезоприводами и гидравлическим аккумулятором низкого давления, а также высокая себестоимость изготовления.
Недостатками пьезофорсунки (2) являются необходимость применения специального материала с низким коэффициентом линейного расширения и сложность точной настройки запаса хода исполнительного звена до начала открытия клапана.
Недостатками пьезофорсунки (3) являются сложность конструкции дозирующего клапана и влияние на качество работы форсунки отсутствия компенсации изменения размеров деталей вследствие температурных колебаний.
Недостатками пьезофорсунки (4) являются сложный способ адаптации работы форсунки к изменению размеров деталей при температурных колебаниях и, как следствие, сложность конструкции, требующая высокой точности обработки подвижных соединений с высокой себестоимостью изготовления, а также сложность обслуживания форсунки в эксплуатации вследствие трудной извлекаемости щелевого фильтра.
Недостаток пьезофорсунки (6) - отсутствие системы компенсации изменения размеров деталей при температурных колебаниях, что может иметь решающее значение для оценки качества ее работы с учетом минимальных значений перемещений иглы распылителя.
Недостаток форсунки (7) - механическое управление впрыском топлива и недостаточное быстродействие.
В качестве прототипа выбрана пьезофорсунка для подачи и распыливания топлива в камере сгорания дизеля с электрогидравлическим управлением (4), как отвечающая техническим требованиям и хорошо зарекомендовавшая себя в процессе эксплуатации.
Задачами изобретения являются предложение простой конструкции адаптации работы форсунки к изменению размеров деталей при температурных колебаниях, предложение вместо распылителя с плавающей втулкой, специализированного для работы в форсунке с электрогидравлическим управлением, другой конструкции распылителя исключающей, при высоких давлениях топлива, концентрацию напряжений и растрескивание корпуса распылителя в зоне входа топливного канала в карман распылителя, как это происходит в распылителе традиционной конструкции, а также предложение конструкции легко извлекаемого щелевого фильтра.
Современный тренд совершенствования конструкции распыливающего аппарата форсунок заключается в увеличении количества распыливающих отверстий при уменьшении их диаметра. Предельный вариант этого тренда - узкая кольцевая щель.
Сущность изобретения заключается в применении, для адаптации работы пьезофорсунки к изменению размеров деталей при температурных колебаниях, простой электромеханической конструкции, содержащей упор и циклично воздействующий на него пьезофиксатор, в применении вместо распылителя с плавающей втулкой, распылителя, корпус которого сопрягается с корпусом форсунки по принципу инструментальных конусов, а вход топлива в полость иглы распылителя осуществляется через топливный канал расположенный под углом, исключающим концентрацию напряжений и растрескивание корпуса распылителя в этой зоне и соединяющийся с кольцевой проточкой, а также в замене трудно извлекаемого щелевого фильтра на легко извлекаемый.
Согласно изобретению предложена электромеханическая пьезофорсунка для дизеля, включающая корпус содержащий две полости в форме стаканов, одна из которых имеет кольцевую проточку и, совместно со стержнем, имеющим фильтрующие щели, образует щелевой фильтр, другая полость соединена с каналом для отвода излишек топлива и сопрягается с корпусом распылителя, с установленной в нем иглой распылителя, а также с пьезоэлементом и с упором, при этом на упор циклично воздействует, установленный в корпусе пьезофорсунки сбоку от него, пьезофиксатор.
В одном из вариантов корпус распылителя сопрягается с корпусом форсунки по принципу инструментальных конусов, а вход топлива в полость иглы распылителя осуществляется через топливный канал расположенный под углом, исключающим концентрацию напряжений и растрескивание корпуса распылителя в этой зоне и соединяющийся с кольцевой проточкой.
В одном из вариантов стержень щелевого фильтра выполнен совместно со штуцером подвода топлива высокого давления, содержит топливные каналы и, расположенные на его поверхности, пары эквидистантных топливопроводящих пазов с фильтрующими щелями между ними и сопрягается с поверхностью полости в корпусе форсунки по принципу инструментальных конусов.
На фиг. 1 показана схема пьезофорсунки в сборе.
Пьезофорсунка состоит из корпуса 1, содержащего две полости в форме стаканов, одна из которых имеет кольцевую проточку 2 и по принципу инструментальных конусов сопрягается с посадочными поясками 3 и 4 стержня 5, с одной стороны которого выполнен штуцер 6 с каналами 7 и 8, а на его поверхности расположены несколько пар эквидистантных топливопроводящих пазов 9 и 10 постоянной глубины, причем один паз каждой пары соединен с кольцевой проточкой 2, другой выходит в полость, соединенную с топливным каналом 11, а между пазами расположены фильтрующие щели 12; другая полость соединена с каналом для отвода излишек топлива 13, содержит кольцевую проточку 14 и по принципу инструментальных конусов (7) сопрягается с корпусом распылителя 15, в котором выполнен топливный канал 16 и установлена игла распылителя 17, имеющая возможность перемещаться относительно корпуса распылителя; на торец корпуса распылителя 15 установлены опорная шайба 18, пружина 19, опорная шайба 20, через которую усилие пружины 19 передается хвостовику иглы распылителя и прижимает ее запорный конус к запорной кромке корпуса распылителя 15; хвостовик иглы распылителя взаимодействует с пьезоэлементом 21, взаимодействующим с упором 22, контактирующим с пьезофиксатором 23 и опорной шайбой 24, поддерживающей пружину 25 и опорную шайбу 26. Жесткость пружины 19 больше жесткости пружины 25. После сборки пьезофорсунки под действием пружины 25 пьезоэлемент 21 и упор 22 без зазоров контактируют между собой и хвостовиком иглы распылителя 17. Пьезофиксатор 23 устанавливается в корпус форсунки 1 после монтажа всех деталей в полость корпуса 1.
Осевое базирование пьезофорсунки в головке блока цилиндров может быть выполнено, например на коническую поверхность корпуса 1. Демонтаж корпуса распылителя 15 из корпуса 1 легко может быть выполнен навинчиванием гайки на резьбовой наконечник 27 корпуса распылителя 15 до упора в корпус 1.
Демонтаж стержня 5 из корпуса 1 может быть быстро выполнен навинчиванием гайки на штуцер 6 до упора в корпус 1.
На схеме не показана система электропитания, место расположения которой целесообразно определить в ходе проектирования.
Пьезофорсунка работает следующим образом. Топливо под высоким давлением через каналы 7 и 8, кольцевую проточку 2, паз 9 фильтрующую щель 12, паз 10, топливный канал 11, кольцевую проточку 14 и топливный канал 16 поступает в полость иглы распылителя 17, создавая давление на нее как со стороны направляющей поверхности, так и со стороны запорного конуса, придавая ей равновесие и возможность перемещения в процессе работы без больших усилий. При подаче управляющего сигнала на пьезофиксатор 23, он прижимает упор 22 к стенке полости корпуса форсунки 1 и неподвижно фиксирует его. Далее управляющий сигнал подается на пьезоэлемент 21, который сжимает пружину 19 и перемещает иглу распылителя 17, создавая между ней и корпусом распылителя 15 кольцевую щель, через которую осуществляется впрыск топлива в камеру сгорания. Излишки топлива, просочившиеся через прецизионное соединение иглы 17 и корпуса распылителя 15 по каналу 13 отводятся в топливный бак дизеля.
Диапазон перемещений иглы распылителя определяется количеством пластин в пьезоэлементе 21, которое например, может быть подобрано так, чтобы μf-эффективное проходное сечение кольцевой щели было эквивалентно μf-эффективному проходному сечению распыливающих отверстий распылителя форсунки-прототипа. Это обеспечит эквивалентную форсунке-прототипу пропускную способность и потребует совсем небольшого хода иглы распылителя 17, что повысит быстродействие форсунки и сохранит большое давление впрыскиваемого топлива, количество которого может регулироваться продолжительностью подъема иглы распылителя 17. При небольшом подъеме иглы распылителя, стабильная работа форсунки может быть обеспечена повышением тонкости фильтрации топлива. Для этого на поверхности стержня 5 щелевого фильтра, имеющего диаметр и площадь боковой поверхности больше, чем у форсунки-прототипа, может быть выполнено больше пазов 3 и 4 и фильтрующих щелей 12. При этом увеличится и общая длина фильтрующих щелей 12 что, при сохранении пропускной способности фильтра, позволит уменьшить их высоту и повысить тонкость фильтрации топлива. По окончании впрыска топлива одновременно прекращается подача управляющего сигнала на пьезоэлемент 21 и пьезофиксатор 23. При этом пружина 19 разжимается и возвращает иглу распылителя 17 в исходное положение, а пьезофиксатор 23 освобождает упор 22, не препятствуя его перемещению при изменении размеров деталей. Далее цикл повторяется.
Существенные отличия от прототипа заключаются: в применении, для адаптации работы пьезофорсунки к изменению размеров деталей вследствие температурных колебаний, простой электромеханической конструкции, содержащей упор и, установленный в корпусе пьезофорсунки сбоку от него и циклично воздействующий на него пьезофиксатор, в применении вместо распылителя с плавающей втулкой распылителя, корпус которого сопрягается с корпусом форсунки по принципу инструментальных конусов, а топливный канал входит в полость иглы распылителя под углом, исключающим концентрацию напряжений и растрескивание корпуса распылителя в этой зоне и соединяющийся с кольцевой проточкой, а также в замене трудно извлекаемого щелевого фильтра на легко извлекаемый, для чего он выполнен совместно со штуцером подвода топлива высокого давления и сопрягается с полостью корпуса форсунки по принципу инструментальных конусов.
Таким образом полезность изобретения заключается в повышении технологичности и снижении себестоимости изготовления конструкции пьезофорсунки, и в повышении технологичности ее обслуживания в эксплуатации.
Источники информации.
1. Способ управления подачей топлива и устройство управления подачей топлива Патент RU 2521696 С2
2. Патент RU 2201522 С2
3. Патент RU 2626178 С2 Клапан для дозирования текущей среды.
4. Пьезофорсунки BOSCH COMMON RAIL http://reforsbel.blogspot.com
5. Мазинг М.В., Тер-Мкртичьян Г.Г., Богачёв С.А. Распылитель с плавающей втулкой для топливных систем с повышенным давлением впрыскивания // Современные проблемы науки и образования. - 2014. №5.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=14941
6. А.П. Марченко, д-р техн. наук, Д.В. Мешков, асп., И.В. Рыкова, канд. техн. наук. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ФОРСУНОК АККУМУЛЯТОРНЫХ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ ТИПА COMMON RAIL стр. 72.
7. Форсунка для дизеля. Патент RU 2480615 С2