НАСОС-ФОРСУНКА

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре дизелей с электрическим управлением.
Электрофикация топливной аппаратуры идет по разным направлениям - электрическое управление входной магистралью форсунки [2], применение пьезоэлементов в форсунке [3], создание высокого давления в насос-форсунке путем электрического разряда [5, 6, 7]. Важно для снижения уровня шума двигателя и снижения токсичности отработавших газов обеспечить ступенчатое впрыскивание топлива [1, 4].
Известна насос-форсунка [6], содержащая полый корпус с топливоподводящим каналом и соплом, соосно установленный в корпусе трубчатый электрод, изолированный от корпуса втулкой из электроизолированного материала и жестко связанный с последней с образованием испарительной камеры, размещенной со стороны сопла, затвор, сообщающий испарительную камеру с топливоподводящим каналом, и кольцеобразный разрядный теплообменник, установленный в испарительной камере, в центральном отверстии которого размещен с радиальным зазором нижний конец трубчатого электрода. Форсунка снабжена дополнительным электродом, проходящим внутри трубчатого электрода и изолированным от последнего. Сопло выполнено центрально. Нижний конец дополнительного электрода размещен с кольцевым зазором в сопле.
Такое исполнение электроразрядного промежутка предполагает очень высокое напряжение управляющего электрического импульса. Кроме того, имеет место неопределенность положения плазменных каналов разряда по объему испарительной камеры, что создает нестабильность величины цикловой подачи топлива. Незапираемое сопло не позволяет организовать подвпрыск (дробление впрыска).
Известна насос-форсунка [5], в которой по отношению к предыдущей увеличено количество управляющих электродов, при этом сопловые отверстия остаются открытыми, т.е. не запираемыми. Поэтому этой конструкции сопутствуют те же недостатки, что и предыдущей.
Прототипом является насос-форсунка [7], содержащая полый корпус с топливоподводящим каналом и соплом, установленный в корпусе электрод, изолированный от корпуса втулкой из электроизоляционного материала, жестко связанной с последним с образованием испарительной камеры, размещенной со стороны сопла и надвтулочной полости. Нижний конец электрода размещен в испарительной камере, а верхней - в надвтулочной полости. Имеется кольцеобразный разрядный теплообменник из пористого керамического материала с электропроводными включениями. Втулка из электроизоляционного материала с электродом установлена в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Нижний конец электрода снабжен запорным элементом, а верхний - соединен с возвратной пружиной. Имеется затвор сообщающий испарительную камеру с каналом подвода топлива.
Этому устройству свойственны те же недостатки, что и аналогам. Разрядный теплообменник по причине случайного распределения электропроводных включений создает неопределенность пространственного положения в испарительной камере плазменных каналов разряда. По этой причине возникает нестабильность величины цикловой подачи топлива.
Запорный элемент совмещен с электродом (и втулкой), т.е. со сравнительно большой массой. Наличие большой перемещающейся на впрыске массы снижает быстродействие. Этот эффект усиливается за счет возвратной пружины. Указанные явления не позволяют реализовать подвпрыск или дробление впрыска.
Целью изобретения является обеспечение режима подвпрыска, стабилизации величины цикловой подачи топлива и снижения электрического импульсного напряжения управления насос-форсункой.
Указанная цель достигается тем, что насос-форсунка, содержащая полый корпус с топливоподводящим каналом и соплом с запорным элементом, установленный в корпусе электрод, изолированный от корпуса втулкой из электроизоляционного материала с образованием испарительной камеры, размещенный со стороны сопла, затвор, сообщающий испарительную камеру с каналом подвода топлива, снабжена кольцевой электрической катушкой, которая размещена во втулке, при этом запорный элемент выполнен в виде консольного стержня из магнитострикционного материала с наконечником на одном конце со стороны сопла, размещен с зазором внутри электрода и жестко связан с последним вторым концом, электрод снабжен игольчатыми элементами, которые установлены радиально в испарительной камере, а полый корпус выполнен с коническими кольцевыми выступами по внутренней поверхности испарительной камеры, которые расположены в плоскостях игольчатых элементов электрода с образованием разрядных промежутков.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении разрядные промежутки локализованы, их количество распределено по объему испарительной камеры и равно количеству игольчатых элементов электрода. Малое сечение концов игольчатых элементов совместно с коническими выступами корпуса обеспечивает высокую напряженность электрического поля в разрядных промежутках, что позволяет снизить амплитуду электрического импульса для обеспечения развития разряда. Фиксация пространственного положения разрядных промежутков по объему испарительной камеры стабилизирует энергию подводимую к топливу в испарительной камере, чем достигается постоянство цикловой подачи при заданной энергии управляющего электрического импульса на электроде.
Запорный элемент в виде консольного стержня из магнитострикционного материала изменяет свою длину под действием магнитного поля электрической катушки относительно защемленного конца т.е. весь стержень не перемещается. Это дает малую постоянную времени переходного процесса, следовательно, высокое быстродействие процесса управления соплом.
На фиг. изображена конструктивная схема предлагаемой насос-форсунки.
Основу насос-форсунки составляет полый корпус 1 преимущественно цилиндрической формы. Соосно с корпусом по его внутренней поверхности закреплена втулка 2 из электроизоляционного материала. Одним из вариантов закрепления этой втулки является резьбовое соединение с применением контргайки 3. В нижней части корпуса имеется сопло в виде конической поверхности 4 и ряда сопловых отверстий 5. Внутренний объем корпуса между его нижней частью и втулкой образует испарительную камеру 6. В центральном отверстии втулки неподвижно, например за счет посадки с натягом, закреплен латунный электрод 7 с клеммником 8 для подключения генератора импульсов (принадлежит системе управления и на фиг. не показан). Та часть электрода, которая находится в испарительной камере, содержит группу радиально расположенных стальных игольчатых элементов 9. В плоскостях расположения игольчатых элементов на внутренней поверхности испарительной камеры (корпусной поверхности) выполнены кольцевые конические выступы 10. Таким образом, игольчатые элементы совместно с коническими выступами образуют разрядные промежутки.
Имеется запорный элемент 11, состоящий из стержня 12 со стальным наконечником 13. Стержень выполнен из магнитострикционного материала, установлен соосно с зазором в средней части и закреплен верхним концом на электроде. Наконечник электрода имеет переднюю коническую поверхность такую же, как поверхность седла.
Для управления запорным элементом имеется электрическая катушка 14. Катушка намотана в соосной расточке втулки из электроизоляционного материала, ее выводы 15, 16 оформлены, в верхней части втулки.
Подача топлива в насос-форсунку из магистрали низкого давления двигателя осуществляется через канал 17, который имеет затвор, представленный на фиг. закрепленным на корпусе штуцером 18 с запорным шариком 19 и пружиной 20.
Работает насос-форсунка следующим образом. В исходном положении запорный элемент 11 перекрывает сопловые отверстия 5, т.е. конические поверхности седла 4 и наконечника 13 совмещены. Топливо из магистрали низкого давления двигателя (обычно около 2 МПа) преодолевая сопротивление пружины 20, смещает шарик 19 и по каналу 17 заполняет испарительную камеру 6.
При классическом режиме топливоподачи возможны два варианта алгоритма управления: первый - подается импульс тока в катушку 14, ее магнитное поле укорачивает магнитострикционный стержень 12, наконечник 13 открывает сопловые отверстия 5, далее подается высоковольтный импульс (несколько киловольт) на электрод 7 через клеммник 8 (относительно корпуса 1), происходит электрический заряд между игольчатыми элементами 9 и кольцевыми выступами 10, развивающееся давление в испарительной камере 6 обеспечивает подачу топлива через сопловые отверстия 5. Величина цикловой подачи будет определяться параметрами высоковольтного импульса на электроде. При этом можно использовать несколько импульсов. Второй вариант алгоритма управления - сначала обеспечивается высоковольтный разряд, тем самым создается высокое давление в испарительной камере, затем подается импульс тока в катушку, чем обеспечивается открытие сопловых отверстий и впрыск топлива.
Если организуется режим топливоподачи с подвпрыском, то сначала подается высоковольтный разрядный импульс на электрод, который обеспечит высокое давление в испарительной камере. Затем первый импульс тока в катушку, причем энергия этого импульса должна быть такова, чтобы подъем наконечника был небольшим (реально около 0,06 мм). После окончания первого импульса катушки сопло закрывается, подвпрыск закончится. Далее на катушку подается импульс большой энергии, который обеспечивает подъем наконечника на большую величину (около 0,25 мм), происходит впрыск основной части цикловой подачи. Величина цикловой подачи определяется параметрами импульсов разряда и катушки.
Таким образом, предлагаемая насос-форсунка многофункциональна. Она позволяет организовать разные режимы топливоподачи, обеспечивает стабильность величины цикловой подачи, при сравнительно низкой амплитуде высоковольтного импульса. Конструкция насос-форсунки проста и технологична.
Список документов, цитированных в заявке
1. Современные подходы к созданию дизелей для легковых автомобилей малотоннажных грузовиков / А.Д.Блинов, П.А.Голубев, Ю.Е.Драган и др. Под. ред. B.C.Папонова и A.M.Минеева. - М.: НИЦ «Инженер», 2000.-332 с.
2. Инжектор. Патент США US №6908040 МПК F02D 1/06 от 21.06-2005.
3. Инжектор. Патент США US №4976245 МПК F02M 57/00 от 11.12-1990.
4. Инжектор. Патент США US №4984738 МПК F02M 45/08, 57/02 от 15.01-1991.
5. Насос-форсунка. Патент России RU №2157913 МПК F02M 57/02 опубл. 20.10-2000.
6. Насос-форсунка. Авт. свид. СССР SU №1719704 МПК F02M 57/02 опубл. 15.03-1992, бюл. №10.
7. Насос-форсунка. Авт. свид. СССР SU №1550201 МПК F02M 57/06 опубл. 15.03-1990, бюл. №10 - прототип.