Форсунка с электрогидравлическим управлением
ELECTRICALLY-HYDRAULIC CONTROL NOZZLE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к дизельным и газодизельным среднеоборотным двигателям, работающим в широком диапазоне частот вращения и нагрузок.
Известны преимущества аккумуляторных систем питания с электронным управлением, главным из которых является возможность гибкого управления топливоподачей независимо от частоты вращения и режима работы двигателя за счет электронного управления основным исполнительным элементом таких систем - форсункой. Известны принципы управления, положенные в основу конструкций таких форсунок: электрогидравлический, электромагнитный или пьезоэлектрический. Одной из особенностей гидродинамических процессов, протекающих в полости высокого давления между форсункой и гидравлическим аккумулятором, является резкое падение давление на входе в форсунку в момент открытия управляющего клапана или иглы форсунки в следствии формирования отрицательной ударной волны давления, перемещающейся от форсунки к аккумулятору со скоростью звука в топливе. У аккумулятора формируется обратная волна, равная по амплитуде давлению топлива в аккумуляторе. Таким образом, на период движения волн, давление на входе в форсунку оказывается меньше давления в аккумуляторе на величину амплитуды отрицательной ударной волны, что приводит либо к ступенчатой форме импульса давления впрыска, либо к существенному снижению крутизны его переднего фронта, а при переходе на режим малых цикловых подач к занижению давления впрыска (см. Рыжов В.А. Обеспечение качественной подачи топлива в широком диапазоне частот вращения и нагрузок дизеля с помощью электронного управления: Диссертация…канд. техн. наук. - М.: 1984. - 214 с.).
Эффективным способом устранения отрицательной волны давления является введение в конструкцию форсунки демпфирующего объема в непосредственной близости от управляющего клапана.
1
Известны конструкции форсунок с электрогидравлическим управлением, например, форсунка по авторскому свидетельству №1038527 (СССР), Б.И. №32 за 1983 г.; форсунка по патенту №2016477, Франция, 1970 г.; форсунка фирмы LOrange (Brucker Е. Di Entwicklung des Common-Rail Einspritzsistems fur die Bauereihe // MTZ: Motortechnische Zeitschrift. - 1997. - Sonderausgabe. - s. 44-48.).
Первый прототип содержит демпфирующий объем, расположенный непосредственно перед распылителем, управляющую камеру в виде объема, ограниченного с одной стороны иглой распылителя, а с другой сливным каналом из этого объема закрытым запирающим затвором управляющего электромагнитного клапана. Недостатками такой конструкции являются наличие дросселя перед распылителем и отсутствие запирающей пружины иглы распылителя, что приводит к увеличению гидравлических потерь на входе в распылитель и неопределенному положению иглы распылителя при неработающем двигателе.
Второй прототип содержит запирающую пружину иглы распылителя и поршень гидроусилителя со штоком. Недостатком конструкции является отсутствие демпфирующего объема, что не позволяет исключить влияния на процесс впрыска отрицательных гидродинамических волн давления, возникающих в момент открытия затвором электромагнитного клапана сливного канала из управляющей камеры.
Третий прототип выполнен в точном соответствии с конструктивной схемой указанного французского патента №2016477 и, следовательно, имеет те же недостатки.
Задачей настоящего изобретения является устранение отрицательного действия гидродинамических волн давления на входе в распылитель форсунки путем размещения в корпусе форсунки демпфирующего объема, расположенного в непосредственной близости от камеры управления (т.е. рядом с источником формирования отрицательных волн), при одновременном повышении быстродействия форсунки за счет использования гидроусилителя в приводе запирающей иглы распылителя, повышенной жесткости пластинчатой возвратной пружины затвора управляющего электромагнитного клапана и фиксация запирающей иглы распылителя в любом состоянии неработающей форсунки с помощью пружины.
Поставленная задача решается путем использования конструкции форсунки с электрогидравлическим управлением, представленной на Фиг. 1, содержащей корпус с размещенными в нем распылителем, проставочными кольцами, пружиной, фиксирующей запирающую иглу распылителя на седле, гидроусилитель в виде прецизионной пары поршень-втулка, управляющий электромагнитный клапан, управляющую камеру в виде объема, ограниченного с одной стороны поршнем гидроусилителя, а с другой стороны – затвором конической формы электромагнитного управляющего клапана, удерживаемого на седле пружиной и демпфирующий объем, соединенный с каналом подвода топлива. При этом демпфирующий объем установлен параллельно подводящему топливному каналу, управляющий электромагнитный клапан установлен между демпфирующим объемом и отверстием для штуцера подвода топлива, а возвратная пружина якоря электромагнита, одновременно являющегося затвором электромагнитного управляющего клапана, выполнена в виде тарельчатой пружины установленной над верхним торцом электромагнита управляющего электромагнитного клапана.
Форсунка состоит из составного корпуса (нижняя, средняя и верхняя части, соответственно позиции 3, 13, 2), к которому с помощью колпака 4 прикреплены распылитель 1 с запирающей иглой 15, проставки 9, 5 и 26. Игла форсунки удерживается в исходном (нижнем) положении с помощью пружины 23 опирающейся на промежуточную тарелку 10. В нижней части корпуса форсунки установлены гидроусилитель, представляющий собой прецизионную пару поршень 17 со втулкой 16, и модуль электромагнитного клапана состоящий из стакана 24, опирающегося на направляющую 7 подвижной части сердечника 20 электромагнита 18. С целью жесткой фиксации модуля электромагнитного клапана в корпусе форсунки стакан 24 и направляющая подвижной части сердечника электромагнита 7 прижаты к средней части корпуса форсунки пружинным кольцом 21, опирающимся на втулку гидроусилителя 16. Неподвижная часть сердечника электромагнитного клапана с катушкой 18 запрессована в верхнюю часть стакана 24. Подвижная часть сердечника 20 электромагнита выполнена в виде тарельчатого клапана с наконечником конической формы являющимся затвором электромагнитного клапана, запирающим слив топлива из управляющей камеры (полость над поршнем 17) при помощи тарельчатой пружины 19, усилие от которой передает на подвижную часть сердечника электромагнита стержень 22 квадратного сечения. В средней части корпуса выполнено резьбовое отверстие для штуцера подвода топлива (вид Б-Б), уплотнение которого осуществляется конусным сопряжением. В верхней части корпуса расположен демпфирующий объем, соединенный с каналом подвода топлива.
2
Для обеспечения быстродействия форсунки площадь поршня 17 гидроусилителя в 1,15-1,25 раза больше площади иглы распылителя. Торцевые уплотнения частей корпуса форсунки выполнены в виде сопряженных притертых поверхностей прижатых к друг другу стяжными винтами 11 с усилием, обеспечивающим удельные давления в уплотняемых стыках 5-10 кГс/см. Форсунка устанавливается в центре крышки цилиндров. Слив топлива из форсунки осуществляется по каналам Ж непосредственно в полость между форсункой и крышкой цилиндров, которая уплотнена кольцами 8 и 25. В верхней части корпуса форсунки предусмотрено резьбовое глухое отверстие для присоединения приспособления для выемки форсунки из крышки цилиндров. Для предотвращения засорения распыливающих отверстий во время транспортировки форсунки предусмотрены защитные колпаки 14. Для вывода проводов катушки электромагнита предусмотрен канал 3 (вид А-А). Контактный разъем 12 расположен на торце верхней части корпуса форсунки (вид Г).
Форсунка работает следующим образом. В исходном состоянии (до подачи на электромагнит управляющего сигнала) давления на входе в форсунку, в полости распылителя, в управляющей камере и демпфирующем объеме равны давлению топлива в аккумуляторе. Игла распылителя прижата к седлу силой пружины 23 и силой давления в управляющей камере (т.е. в полости между поршнем 17 гидроусилителя и затвором 20 электромагнитного клапана). При подаче на катушку электромагнита 18 управляющего сигнала подвижная часть сердечника электромагнита (якорь) под действием электромагнитной силы притягивается к электромагниту 18, открывая слив топлива из управляющей камеры. Давление в ней резко падает из-за того, что сечение канала на входе в управляющую камеру меньше канала, по которому топливо поступает к распылителю. Сила давления, действующая на поршень управляющей камеры, оказывается меньше суммы сил от давления, действующего на иглу распылителя снизу и силы пружины, действующей на иглу сверху, игла распылителя поднимается вверх до упора, идет процесс впрыска в цилиндр. В момент начала истечения топлива из управляющей камеры из-за инерционности массы топлива возникает отрицательная ударная волна давления, движущаяся в сторону топливного аккумулятора и вызывающая падение давления на короткий промежуток времени ее пробега до демпфирующей емкости. За счет объема демпфирующей емкости отрицательная волна давления гасится, а давление в канале подвода топлива к распылителю увеличивается до исходного. При отключении управляющего электрического импульса тарельчатая пружина 19, действуя на стержень 22, сажает конический затвор якоря 20 на седло, перекрывая слив топлива из управляющей камеры. Давление в управляющей камере ввиду ее малого объема быстро растет. Из-за разности площадей поршня гидроусилителя и иглы распылителя и дополнительного действия пружины, действующей на иглу, суммарная сила, действующая на иглу 15 распылителя 1, сажает иглу на седло прекращая подачу топлива в цилиндр.
Применение тарельчатой пружины 19, расположенной сверху катушки электромагнита 18, позволяет увеличить площадь нижнего торца электромагнита, в результате чего увеличивается его тяговое усилие, а, следовательно, и быстродействие форсунки. Демпфирующий объем гасит отрицательную волну давления, возникающую в момент открытия электромагнитного клапана, что приводит к увеличению полноты импульса давления впрыска и сокращению продолжительности впрыска, оказывая положительное влияние на рабочий процесс двигателя. Применение поршня 17 гидроусилителя сокращает время задержки окончания впрыска от момента окончания управляющего электрического импульса до посадки иглы распылителя на седло, за счет чего увеличивается быстродействие форсунки. Минимизация величины объема управляющей камеры и проходного сечения канала подвода топлива к ней сокращает время задержки начала впрыска от момента подачи управляющего электрического импульса до начала подъема иглы распылителя, увеличивая быстродействие форсунки.