УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВПРЫСКА ТОПЛИВА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ
FUEL INJECTOR AND METHOD OF CONTROL THEREOF

Настоящее изобретение относится к средствам для впрыска топлива, частности для двигателей внутреннего сгорания, и к способу управления такими средствами.
Из патента FR 2854664 известно устройство для впрыска, содержащее трубчатый корпус, в котором установлена игла. Игла заканчивается головкой, образующей клапан вместе с седлом, выполненным на конце трубчатого корпуса. Внутрь трубчатого корпуса подается топливо под давлением, которое задерживается клапаном. Игла содержит внутреннюю полость, в которой размещают электроактивный материал. При возбуждении электроактивного материала он удлиняется, в результате чего происходит упругое удлинение иглы и, следовательно, отделение головки от седла. В этот момент клапан открывается, топливо проходит между седлом и головкой и впрыскивается в камеру сгорания.
В таком инжекторе время реагирования для максимального подъема клапана является очень коротким, обычно менее 50 мкс. Поэтому можно контролировать степень открывания клапана практически в любой момент во время фазы впрыска. Таким образом, управляют мгновенным расходом топлива и образованием капелек топлива.
Вместе с тем, необходимо, чтобы электроактивный элемент находился в непосредственной близости от головки. Однако, учитывая близость камеры сгорания, электроактивный элемент может подвергаться воздействию температур, которые отрицательно сказываются на его работе. Кроме того, его нахождение вблизи сопла инжектора может создавать габаритные проблемы.
Поэтому настоящее изобретение направлено на выполнение устройства для впрыска топлива, в котором положением головки клапана можно управлять точно с хорошим временем отклика и в котором электроактивный элемент находится в приемлемых условиях работы.
В этой связи объектом настоящего изобретения является устройство для впрыска топлива, содержащее цилиндрический корпус, иглу, один конец которой содержит головку, образующую клапан на седле, выполненном на конце цилиндрического корпуса, привод с электроактивным материалом, при этом привод содержит стержень и выполнен с возможностью приведения в движение головки для открывания клапана, массу на продолжении стержня, средства предварительного нагружения, удерживающие иглу и массу в положении опоры на противоположные концы стержня. Игла выполнена коаксиально с цилиндрическим корпусом в виде жесткого штока, при этом игла выполнена с возможностью вхождения в осевой резонанс, когда на нее действует привод осевыми импульсами на заданной частоте возбуждения, накладывая, таким образом, колебательное движение головки на общее движение иглы.
Длина штока позволяет устанавливать привод в корпусе устройства на удалении от головки и, следовательно, он меньше подвержен воздействию тепла от камеры сгорания. Частоту возбуждения выбирают близкой к собственной частоте иглы, чтобы получить явление резонанса за счет последовательных циклов сокращения и удлинения иглы в осевом направлении. Кроме того, возможность приведения штока в резонанс в осевом направлении устройства позволяет получить режим перемещения головки в осевом направлении на выбранной частоте возбуждения. Частоту выбирают, например, таким образом, чтобы период колебания был намного меньше продолжительности фазы впрыска. Колебания головки позволяют модулировать расход топлива и, таким образом, контролировать образование сверхмелких капелек топлива. Эти колебания (в результате колебательного движения) накладываются на общее движение иглы. Оба действия происходят одновременно. Когда стержень деформируется под действием сигнала, он опирается одним концом на иглу и другим концом на массу. Реакция массы на стержень позволяет передавать основную часть движения от стержня на иглу.
Например, частота возбуждения находится в диапазоне от 10 до 30 кГц. Таким образом, можно добиваться образования сверхмелких капелек во время фазы впрыска.
В первом варианте выполнения стержень выполняют из магнитострикционного материала, и он охвачен катушкой, выполненной с возможностью создания магнитного поля в стержне. Когда на такой материал действует магнитное поле, он претерпевает удлинение, которое передается на иглу. Игла перемещается в осевом направлении в положение открывания клапана. В зависимости от частоты магнитного поля игла перемещается полностью при низкой частоте или удлиняется и сокращается в состоянии резонанса, если магнитное поле имеет частоту возбуждения, способную привести иглу в резонанс, то есть близкую к собственной частоте иглы.
Предпочтительно катушка охвачена трубкой из ферромагнитного материала. Таким образом, магнитное поле, создаваемое в стержне, получается замкнутым благодаря трубке, что повышает эффективность катушки.
Во втором варианте выполнения стержень выполняют из пьезоэлектрического материала.
Предпочтительно комплексное сопротивление массы превышает комплексное сопротивление иглы. Комплексное сопротивление определяется произведением плотности и скорости звука в материале массы. Комплексное сопротивление характеризует динамическое поведение материала. Поскольку комплексное сопротивление массы больше, вызываемое перемещение скажется в основном на игле в виде деформации или перемещения. Таким образом, даже если масса не закреплена на корпусе устройства, комплекс, образованный иглой, стержнем и массой, ведет себя на используемых частотах так, как если бы масса была закреплена.
В частности, средства предварительного нагружения содержат трубчатую втулку, содержащую массу и привод, пружину предварительного натяжения, опирающуюся на втулку и стремящуюся прижать массу к стержню, и упругую шайбу, при этом игла содержит буртик, а упругая шайба опирается на буртик, прижимая иглу к стержню. Предварительное натяжение сжатием стержня позволяет увеличить амплитуду работы стержня. В этой конфигурации приложение предварительного натяжения тоже позволяет прижимать массу и иглу к стержню. Кроме того, движение конца стержня, находящегося в контакте с иглой, обеспечивается упругой деформацией шайбы.
Согласно изобретению узел, включающий иглу, средства предварительного нагружения и привод, установлен с возможностью скольжения в цилиндрическом корпусе, при этом опорные средства действуют на указанный узел и стремятся привести головку в положение опоры на седло. Этот монтаж позволяет компенсировать различные расширения в устройстве, связанные с различиями температур деталей и характеристик расширения каждой детали. Фазы впрыска, во время которых головка иглы больше не опирается на седло, являются достаточно короткими, чтобы узел, состоящий из иглы, средств предварительного нагружения и привода, не успевал переместиться и закрыть клапан.
Объектом настоящего изобретения является также способ управления описанным выше устройством впрыска, согласно которому фазой впрыска управляют путем подачи на привод непрерывного сигнала в течение продолжительности впрыска и периодического сигнала на частоте возбуждения, которая может привести иглу в состояние резонанса. В результате непрерывного сигнала происходит перемещение иглы полностью, тогда как периодический сигнал приводит иглу в состояние резонанса. Можно модулировать амплитуду перемещения иглы, а также амплитуду ее колебаний. Амплитуду этих двух сигналов можно модулировать во время фазы впрыска.
Согласно изобретению, накладывают демпфирующий сигнал, полученный инверсированием смоделированного колебательного движения головки, в случае прерывания управляющего сигнала. Если резко прервать управляющий сигнал, головка иглы возвращается в положение на седло с большой скоростью по причине наложения друг на друга двух сигналов, что приводит к удару. Моделируя движение головки в отсутствие седла, получают колебательное движение вокруг положения покоя головки. Применяя инверсирование смоделированного колебательного движения головки, получают демпфирующий сигнал, который при наложении на управляющий сигнал позволяет получить амортизированное движение головки. В этом случае головка плавно стыкуется с седлом в конце периода впрыска.
Настоящее изобретение, его отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на чертеж, на котором в продольном разрезе показано устройство в соответствии с настоящим изобретением.
Устройство 1 для впрыска в соответствии с настоящим изобретением, показанное на чертеже, предназначено для впрыска топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания или во впускной воздушный канал, которые на чертеже не показаны.
Устройство для впрыска содержит цилиндрический корпус, выполненный из двух коаксиальных частей: передней части 10 и задней части 11, соединенных между собой путем свинчивания с помощью муфты 12.
Передняя часть 10 цилиндрического корпуса содержит отверстие 15, коаксиальное цилиндрическому корпусу, и седло 14 на конце передней части 10. Игла 2 установлена с возможностью скольжения в отверстии 15. Она содержит головку 20, образующую вместе с седлом 14 клапан. В пространстве между отверстием 15 и иглой 2 выполнен канал 16 для подачи топлива к седлу 14. Канал 16 питается через трубопровод 13, выполненный в цилиндрическом корпусе, начиная от соединительного отверстия 17.
Задняя часть 11 цилиндрического корпуса содержит трубчатую втулку 37, установленную с возможностью скольжения вдоль оси цилиндрического корпуса. Трубчатая втулка 37 стремится переместиться назад под действием пружины 4 втулки, опирающейся на первый заплечик 110 цилиндрического корпуса и на второй заплечик 370 трубчатой втулки 37.
На своем конце, противоположном головке 20, игла 2 содержит буртик 21, на который опирается упругая шайба 33. Упругая шайба 33 опирается также на третий заплечик 371 трубчатой втулки, передавая усилие пружины 4 втулки на иглу 2 через упругую шайбу 33 и прижимая, таким образом, головку 20 иглы к седлу 14.
В задней части иглы 2 устройство 1 для впрыска содержит соленоид 3 с электроактивным материалом и массу 34. В описанном варианте выполнения соленоид 3 содержит стержень 30 из магнитострикционного материала, охваченный катушкой 31 и трубкой 32 из ферромагнитного материала. Стержень 30 выполнен, например, из материала «Терфенол» (зарегистрированное товарное наименование). Стержень 30 сжимается средством предварительного нагружения, содержащим пружину 35 предварительного натяжения, опирающуюся на заглушку 36, ввинченную во втулку 37 и стремящуюся прижать массу 34 к стержню 30. Трубка 32 из ферромагнитного материала насажена на направляющий цилиндр 340, выполненный на конце массы 34 со стороны стержня 30.
Длину иглы 2 определяют с учетом ее материала, чтобы игла входила в резонанс, когда она подвергается осевым колебаниям на частоте возбуждения, находящейся в диапазоне от 10 до 30 кГц. Резонанс достигается, когда игла подвергается воздействиям на частоте, близкой к собственной частоте колебаний иглы. Если игла имеет длину L, то имеются разные собственные частоты fn, поскольку
fn=(2n+1)С/(4×L), где n является целым положительным числом или нулем, а С является скоростью звука в материале иглы.
-3
-1
Массу 34 выполняют из такого материала, чтобы ее комплексное сопротивление превышало комплексное сопротивление иглы. Массу 34 выполняют, например, из вольфрама, тогда как иглу 2 выполняют из стали или из титана. Комплексное сопротивление определяют по формуле Z=ρС, где ρ - плотность в кг·м, а С - скорость звука в материала в м·с. Комплексное сопротивление можно также выразить в виде Z=√ρE, где Е - модуль Юнга материала в Па. В случае стали Z примерно равно 40000000, для вольфрама Z примерно равно 80000000, и для титана Z примерно равно 22000000. Чем больше комплексное сопротивление массы 34 превышает комплексное сопротивление иглы, тем больше движение стержня будет передаваться на иглу, что повышает эффективность системы.
Когда управляют фазой впрыска, на привод в течение времени впрыска подают непрерывный сигнал и периодический сигнал на выбранной частоте возбуждения. Для этого при помощи не показанных на чертеже средств на катушку 31 подают ток, содержащий непрерывный сигнал и периодический сигнал. В результате стержень 30 удлиняется в среднем в зависимости от силы непрерывного тока и периодически на частоте возбуждения. Учитывая разные значения линейного комплексного сопротивления, стержень 30 опирается на массу 34 и приводит в движение и в колебательное движение иглу 2. Наведенное движение головки 20 иглы является, например, средним перемещением от 20 до 30 мкм, и колебания вокруг этого среднего положения составляют примерно 10-20 мкм.
Настоящее изобретение не ограничивается описанным вариантом выполнения, представленным исключительно в качестве примера. Привод можно выполнить со стержнем из пьезоэлектрического материала.