ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ELECTROMECHANICAL NOZZLE FOR ICE FUEL ACCUMULATION SYSTEM

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам питания двигателей внутреннего сгорания аккумуляторного типа с электронным управлением.
ц
кул
Известны форсунки с замкнутым надыгольным объемом для дизельных систем непосредственного действия, предназначенных для совместной работы с топливным насосом высокого давления с кулачковым приводом плунжеров, см. с. 176 в книге «Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей». / Под общ. ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. - 3-е изд. перераб. и доп.  М.: Машиностроение, 1985. - 456 с. Как показали проведенные экспериментальные и расчетные исследования, они обеспечивают более высокое давление впрыскивания, уменьшают производную скоростной характеристики подачи g=f(n), устраняют сливной трубопровод и др., см. «Улучшение экологических и экономических показателей автотракторных двигателей интенсификацией впрыскивания методом аккумулирования утечек надыгольной полости». / Грехов Л.В., Коротнев А.Г., Ивин В.И. и др. // Тепловые двигатели. - 1999. - N2. - С. 34-38. Однако некоторые из этих достоинств не относятся к форсункам аккумуляторных топливных систем с электронным управлением.
Известны электромеханические форсунки (ЭМФ) двигателей внутреннего сгорания, т.е. форсунки, в которых запорный орган (обычно - игла) открывается под действием электропривода (обычно электромагнитного). Такие форсунки применяются для подачи бензина во впускную систему или цилиндр двигателей. Например, патент RU 2230214, МПК F02M 51/00, 04.02.2002.
Известны ЭМФ с гидравлически разгруженной иглой, которые позволяют осуществлять кратковременное впрыскивание топлива под высоким давлением. Гидравлическая разгрузка в таких ЭМФ осуществляется дополнительной прецизионной парой с разгружающим плунжером. В одних ЭМФ высокое давление аккумулятора поступает в пространство между иглой и плунжером (они имеют связь, работающую на растяжение), см. патент RU 2075622, МПК F02M 51/00, F02M 51/06, 28.04.1994. В других ЭМФ высокое давление компенсируется путем подачи его в карман распылителя и над плунжером, см. Крупский М.Г., Кузин В.Е., Рыжов В.А. «Микроэлектронная аккумуляторная система подачи топлива для дизелей». // Вестник ВНИИЖТ. - 2000. - N 1. - С. 20-24. В этом случае связь между ними работает на сжатие. Диаметр плунжера определяется в этих двух случаях по-разному. Но в отличие от более сложных электрогидравлических форсунок, использующих для подъема иглы эффект гидроусиления, такие ЭМФ отличаются простотой, возможностью подач малых порций топлива, отсутствием потерь топлива на управление.
Одной из наиболее эффективных конструкций и близких к предлагаемому техническому решению, принятому за прототип для предлагаемого технического решения, является ЭМФ, известная из патента US 3797756 МПК B05B 1/30, U.S.CI. 239/585, патент DE 2210213 МПК F02M 51/06, 1972.
Недостатками описанных ЭМФ с разгружающим плунжером, в частности прототипа, как показали расчетно-аналитические и экспериментальные исследования, является, во-первых, узкий диапазон устойчивой работы. Фиг. 1 иллюстрирует области и характер неустойчивого впрыскивания (переход от однофазного к многофазному впрыскиванию, сопровождающийся скачком цикловой подачи).
Вторым недостатком ЭМФ-прототипа является недостаточное быстродействие, что объясняется недостаточностью открывающей и закрывающей иглу равнодействующих сил на фоне других силовых воздействий (инерции, трения, усилия электромагнитного привода). Особенно неблагоприятна для рабочего процесса дизельного двигателя "вялая" посадка иглы. В результате этого ухудшается экономичность дизеля, растут выбросы с отработавшими газами твердых частиц, несгоревших углеводородов, окиси углерода.
ц
эл-прив
ц
эл-прив
ц
эл-прив
акк
Третьим недостатком ЭМФ-прототипа с жиклером распылителя является неудовлетворительное протекание нагрузочной характеристики g=f(τ). Зависимость g=f(τ) имеет неустранимый провал в области малых и средних подач (фиг. 2), что неприемлемо для регулирования топливоподачи - см. книгу Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. «Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов». - М.: Изд-во Легион-Автодата, 2005. - 344 с. Изменение dg/d(τ) связано с переходом от режима работы без выхода иглы на упор на режим с выходом на упор. Этот недостаток не удается устранить ни изменением хода иглы, ни P, ни диаметра плунжера, ни сечения жиклера распылителя и др.
ц
эл-прив
Задачи, на решение которых направлено заявленное изобретение, заключаются в повышении эффективности работы форсунки за счет расширения диапазона устойчивой работы ЭМФ с гидравлически разгруженной иглой, обеспечении монотонной характеристики g=f(τ) и обеспечения более интенсивной посадки иглы.
Поставленная задача решается за счет того, что в электромеханической форсунке двигателя с впрыскиванием топлива в цилиндр, имеющей распылитель, размещенную в нем запорную иглу, надыгольную и подыгольную полости, сообщенные с питающим форсунку аккумулятором, электропривод иглы, разгружающий плунжер, обращенный по одному из своих торцов к наружной полости, а по другому - к внутренней полости, сообщенной с надыгольной полостью, а плунжер жестко соединен со стороны внутренней полости с иглой, а также с электроприводом, согласно изобретению наружная полость плунжера выполнена замкнутой. Конструкция предложенного устройства показана на фиг. 3.
По сравнению с известной ЭМФ с разгружающим плунжером в предлагаемом техническом решении - ЭМФ с разгружающим плунжером и замкнутой наружной полостью плунжера - достигается наибольшая скорость закрытия иглы и, соответственно, наибольшее среднее давление впрыскивания (фиг. 4). С учетом простоты реализации это решение имеет также несомненное достоинство. Подпитка замкнутой наружной полости разгружающего плунжера производится за счет перетечек в нее из внутренней полости по зазору между плунжером и корпусом за длительный период между впрыскиваниями.
ц
эл-прив
нп
пл
p
нп
пл
p
ц
эл-прив
Оптимизацией замкнутой наружной полости плунжера удается добиться монотонности характеристики g=f(τ) (фиг. 5). Такой эффект достигается при оптимальном объеме замкнутой наружной полости плунжера - не ниже 1,5…2,0 от объемной номинальной цикловой подачи (фиг. 6) или в соотношении конструктивных параметров - V<125·d·(µF), где V - объем наружной полости; d - диаметр плунжера; (µF) - эффективное сечение распылителя. При меньшем объеме замкнутой наружной полости нарушается нормальная работа форсунки из-за неустойчивой подачи, становятся существенными технологические отклонения. При существенно большем - падает давление впрыскивания, и характеристика g=f(τ) становится неудовлетворительной из-за появления участка с отрицательной производной, т.е свойства ЭМФ начинают сходиться со свойствами известного технического решения - с открытой на слив наружной полостью плунжера (прототипа). Однако здесь нет универсальной четкой границы и значение объема замкнутой наружной полости плунжера находится оптимизацией конкретной конструкции на различных характерных режимах работы дизеля (номинал, холостой ход, пуск).
и
конт
ф0
акк
пл
конт.
ц
эл-прив
пл
конт
Диаметр разгружающего плунжера с позиции наибольшей эффективности ЭМФ подбирается с учетом относительной величины дифференциальной площадки иглы, наличия возвратной пружины и ее усилия предварительной затяжки (давления начала впрыскивания), соотношения между сечениями запорного конуса и распыливающих сопел, условий устойчивой работы на всех режимах дизеля. Так обеспечение последнего условия при максимальном проявлении положительных свойств технического решения происходит при выполнении условия: , где d - диаметр иглы; d - диаметр линии контакта; P - давление начала впрыскивания; P - максимальное значение топлива в аккумуляторе. В более простом для описания виде это условие выглядит так: d<1,4 d Это неравенство отражает условие беспрепятственной работы ЭМФ (расширения диапазона устойчивой работы ЭМФ) при максимальном проявлении ее достоинств (максимальной эффективности: повышения давления впрыскивания, обеспечения монотонной характеристики g=f(τ) и обеспечения более интенсивной посадки иглы). В случае отсутствия пружины работоспособность ЭМФ сохраняется (хотя и ухудшаются ее свойства путем приближения к свойствам открытой форсунки). В этом случае диаметр разгружающего плунжера должен соответствовать условию сохранения работоспособности: d<d.
Для расширения диапазона устойчивой подачи ЭМФ в ней может использоваться жиклер распылителя между подыгольной полостью и питающим форсунку аккумулятором. Его эффективное сечение в 5…14 раз превышает эффективное сечение распылителя. При меньшем значении существенное падение давления впрыскивания, при большем - мало проявляется факт его присутствия.
Таким образом, достигаемый технический результат от использования новой ЭМФ заключается в:
- обеспечении более интенсивной посадки иглы;
- повышении среднего давления впрыскивания;
ц
эл-прив
- обеспечении монотонной характеристики g=f(τ);
- расширении интервалов устойчивой работы ЭМФ при изменении ее важнейших конструктивных и режимных параметров (при использовании жиклера распылителя).
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.
На фиг. 1 иллюстрируется проблема работоспособности известных ЭМФ с разгружающим плунжером: изображена цикловая подача ЭМФ в функции диаметра разгружающего плунжера и сечения жиклера распылителя: а - зона устойчивого однофазного впрыскивания, б - зона многократного впрыскивания, остальное - нерабочая область.
эл.прив
На фиг. 2 иллюстрируется проблема работоспособности известных ЭМФ с разгружающим плунжером: изображена нагрузочная характеристика подачи ЭМФ с плунжером и жиклером распылителя в функции времени включения электропривода; левая часть кривой до т<0,2 мс соответствует нерабочей области.
На фиг. 3 представлена схема предмета изобретения - электромеханической форсунки с замкнутой наружной полостью разгружающего плунжера: 1 - распылитель; 2 - подыгольная полость распылителя; 3 - игла; 4 - жиклер распылителя; 5 - электропривод иглы; 6 - возвратная пружина; 7 - разгружающий плунжер; 8 - наружная полость разгружающего плунжера; 9 - внутренняя полость разгружающего плунжера; 10 - надыгольная полость. Наружная полость 8 плунжера выполнена замкнутой, т.е. не сообщается со сливом или аккумулятором.
На фиг. 4 иллюстрируются свойства ЭМФ с замкнутой наружной полостью разгружающего плунжера: мгновенные давления в замкнутой наружной полости, в подыгольной полости и впрыскивания.
акк
На фиг. 5 иллюстрируются свойства ЭМФ с замкнутой наружной полостью разгружающего плунжера: нагрузочная характеристика подачи ЭМФ в функции времени открытия иглы (клапана) при давлении P=150 МПа.
ц
эл-прив
На фиг. 6 иллюстрируются свойства ЭМФ с замкнутой наружной полостью разгружающего плунжера: зависимость среднего давления впрыскивания от относительного объема замкнутой наружной полости плунжера, отнесенной к объемной номинальной цикловой подаче топлива; зачерненная слева зона - зона неустойчивой работы, справа - отрицательной производной на нагрузочной характеристике g=f(τ) при максимальном давлении в аккумуляторе.
Электромеханическая форсунка (фиг. 3) имеет запорную иглу 3, размещенную в распылителе 1. Игла механически связана с электроприводом (например, якорем электромагнита) 5, а также с разгружающим плунжером 7. С подвижной системой игла - электропривод - плунжер взаимодействует возвратная пружина 6. Аккумулятор или иной источник питания форсунки высоким давлением топлива сообщен каналами с внутренней полостью 9 разгружающего плунжера, надыгольной полостью 10 и подыгольной полостью 2 форсунки. Между этими полостями может быть установлен жиклер распылителя 4.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии игла 3 заперта неуравновешенной гидравлической силой от давления аккумулятора, приложенной сверху к полной площади иглы и снизу к дифференциальной площадке, т.е. кольцевой площади  меньшей величины. При срабатывании форсунки (подъеме иглы) сжимается топливо в наружной полости и повышается давление в ней. Благодаря этому проявляется важнейшая особенность устройства: появившееся дополнительное усилие на плунжер со стороны наружной полости компенсирует гидравлическую неуравновешенность иглы. Это оказалось возможным только в предлагаемом техническом решении благодаря сжатию топлива в наружной полости, для чего она выполнена замкнутой.
Степень неуравновешенности может регулироваться подбором размеров деталей и, возможно, возвратной пружиной. Эта неуравновешенность выбирается минимально необходимой для надежного запирания иглы и в то же время ограничивается величиной, не препятствующей срабатыванию относительно маломощного электрического привода (его усилия всегда малы по сравнению с гидравлическими силами от высоких давлений). Таким образом, наличие возвратной пружины 6 возможно, но необязательно для функционирование ЭМФ, выполненной по схеме нормальной закрытой форсунки (т.е. с запорной иглой).
При подаче сигнала на электропривод игла, преодолевая неуравновешенную гидравлическую силу и, возможно, усилие возвратной пружины, поднимается. Осуществляется впрыскивание топлива. В результате подъема разгружающего плунжера в наружной полости плунжера давление повышается. Уместно заметить, что замедленный подъем иглы, особенно на конечной стадии в результате повышения давления в наружной полости не следует рассматривать как недостаток. Скорее наоборот, требования снижения выбросов окислов азота формируют требования к характеристике впрыскивания по переднему фронту такими, что начало подъема иглы желательно быстрое, а конец - замедленный. В любом случае, закономерность в поведении форсунки благоприятная, а количественные характеристики процесса требуют и допускают оптимизацию для конкретных условий. При прекращении работы электрического привода гидравлические силы и, возможно, возвратная пружина вынуждают иглу прийти в исходное положение. При этом дополнительное усилие, действующее на верхний торец разгружающего плунжера со стороны наружной полости плунжера, способствует ускоренному закрытию форсунки. Таким образом, устраняется давний известный и очень вредный для экологических и экономических показателей дизелей недостаток: замедленное закрытие форсунки.
Жиклер распылителя способствует перераспределению давлений в надыгольной и подыгольной полостях, также способствующий ускоренному закрытию форсунки. Применение дополнительного гидродогружения плунжера со стороны наружной полости плунжера принципиально не является эквивалентом увеличения усилия возвратной пружины. Это обусловлено тем, что по режимам работы современных дизелей давление в аккумуляторе от пускового режима и холостого хода до номинального изменяется в 5-6 раз (см. см. книгу Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. - М.: Изд-во Легион-Автодата, 2005. - 344 с.). Предложенное техническое решение адаптируется относительно изменяющегося давления в аккумуляторе, а пружина не изменяет предварительного усилия затяжки по режимам работы дизеля. Эта проблема известна и является одной из основных при конструировании, например, электрогидравлических форсунок систем Common Rail с неразгруженным управляющим клапаном.
Реализация форсунки не требует дополнительных конструктивных решений, не описанных выше, или каких-либо подготовительных операций. Наружная полость 8 плунжера, первоначально, как и все другие полости форсунки, заполнена воздухом. В начале функционирования под действием значительного перепада давлений между внутренней полостью 9 и наружной полость 8 плунжера по зазору между корпусом и плунжером имеют места перетечки топлива. Благодаря им наружная полость быстро заполняется топливом. В данной форсунке, т.е. форсунке аккумуляторной топливной системы это происходит приблизительно в 20 раз быстрее, чем в традиционных топливных системах непосредственного действия, т.к. форсунка запитана топливом высокого давления не менее 5% времени цикла двигателя, а постоянно (100% времени цикла). Пока воздух не будет замещен топливом, форсунка, сохраняя работоспособность (как все известные аналоги и прототип), все же будет работать неоптимально. Однако этот переходный период кратковременен. Воздух в замкнутой полости сжимается топливом и растворяется в нем. Так известно, что следов газовой фазы в топливе уже не удается обнаружить при сжатии до 10…12 МПа даже в быстропротекающем процессе (см. классические работы: Топливные системы и экономичность дизелей / И.В. Астахов, Л.Н. Голубков, В.И.Трусов и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.; Грехов Л.В., Габитов И.И., Неговора А.В. Конструкция, расчет и технический сервис топливной аппаратуры современных дизелей: Учебное пособие. - М.: Изд-во Легион-Автодата, 2013. - 292 с.). В аккумуляторной топливной системе, для которой предназначена данная электромеханическая форсунка, используются давления подачи от 20 МПа (бензиновые двигатели непосредственного впрыскивания) до 200…250 МПа (дизели). Таким образом, замкнутая полость быстро и полностью заполняется топливом автоматически без необходимости применения дополнительных конструктивных или процессуальных технических решений.
-5
Объем замкнутой наружной полости не может быть произвольным, т.к. связан с дополнительным давлением при сжатии топлива в ней. Он может оптимизироваться от желаемых показателей форсунки и сорта топлива. Для дизельного топлива коэффициент сжимаемости при интервале рабочих давлений можно оценивать в диапазоне (55…35)·10 1/МПа. В данной заявке (п.2 формулы изобретения) ограничивается лишь минимальное значение замкнутой наружной полости из соображения обеспечения работоспособности (т.е. отсутствия "гидрозаклинивания" иглы от сжатия топлива в излишне малом замкнутом объеме).
Таким образом, изобретение, охарактеризованное совокупностью вышеперечисленных признаков, является новым, т.к. предложенная совокупность признаков не описана в известных источниках информации, использованных для определения уровня технического развития топливоподающей аппаратуры дизелей. Кроме того, предлагаемая совокупность существенных признаков не является очевидной, поскольку не следует непосредственно из уровня технического развития топливоподающей аппаратуры дизелей. При этом предлагаемое техническое решение осуществимо в промышленных условиях и обеспечивает повышение эффективности предложенной электромеханической форсунки.