ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН ДЛЯ ВПРЫСКА ТОПЛИВА Российский патент 1997 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к двигателестроению, а также может быть использовано в различного рода электромагнитных форсунках, инжекторах импульсной подачи различного вида топлива-бензин, метанол и пр.

Основными проблемами, связанными с конструкциями электромагнитных клапанов, являются создание напpавленного магнитного потока в магнитопроводе за минимально короткое время, а также использование материалов, из которых изготовлены элементы клапана, обеспечивающих прочность конструкции, коррозионную стойкость, износостойкость и быстродействие клапана.

Так известны конструкции электромагнитных клапанов, где в качестве немагнитного материала корпуса используется пластик, термопластик, синтетические материалы, что позволяет создать направленный магнитный поток только в магнитопроводе (см. например, патенты США N 4953825, кл. F 16 K 31/06, 1990, N 4987920, кл. F 16 K 31/06, 1991; N 4988073, кл. F 16 K 31/06, 1991).

Недостатком известных конструкций является их небольшая прочность. В работе в агрессивных средах, высоких температурах, при воздействии импульсных нагрузок синтетические материалы недолговечны.

Кроме того, для обеспечения быстродействия клапана необходимо использовать в магнитопроводах магнитные материалы с высокой проницаемостюь магнитного потока. Так известно выполнение электромагнитного клапана, где корпус выполнен из стали, имеющей по толщине анизотропию магнитных свойств/см. например, заявку ФРГ N 4020188, кл. F 02 M 51/06, 1991).

Недостатком известного устройства является значительная масса деталей что ухудшает быстродействие клапана. Кроме того, анизотропия магнитных свойств по толщине стали, из которой изготовлен корпус известного клапана позволяет направить магнитный поток, ориентировать вдоль магнитопровода, шунтируя его в направлении кожуха. В то время как свойства этого магнитного потока зависят только от свойств материала корпуса и якоря, магнитный поток неизменен.

Задачей настоящего изобретения является повышение быстродействия электромагнитного клапана. Технический результат достигается благодаря использованию материалов, из которых изготовлены детали клапана, обладающих специальными свойствами применительно к физике процесса, проходящего в электромагнитном клапане.

Так корпус и якорь магнитопровода выполнены из ферромагнитного материала. Согласно изобретению они выполнены из нелегированной электротехнической стали, насыщенной алюминием до его содержания 3 4% по всему сечению деталей. Кроме того, эти детали имеют магнитную анизотропию с увеличением магнитной проницаемости в направлении, совпадающем с направлением рабочего магнитного потока в магнитопроводе. Данный признак обеспечивает усиление намагничивания в направлении потока согласно физике процесса. Петля Гистерезиса, характеризующая намагничивание магнитопровода в заявляемой конструкции электромагнитного клапана, имеет прямоугольную форму, отражающую повышение составляющей, связанной магнитной вязкостью материала.

Данные свойства сталь приобретает в результате ее химико-термической обработки в вакууме и в магнитных полях, направление одного из которых выбрано в соответствии с направлением рабочего магнитного поля в деталях при их эксплуатации в электромагнитных клапанах.

Быстродействие электромагнитного клапана достигается также за счет того, что кожух, шток, толкатель и втулка выполнены из алюминиевого сплава, имеющего малый удельный вес. При этом поверхность деталей на глубину 0,1.0,15 мм имеет слой из окиси алюминия Al₂O₃. Эта поверхность имеет свойства корунда, т. е. очень высокую твердость, коррозио- и износостойкость. В связи с этим подвижные детали (шток и толкатель) имеют малый вес и твердую поверхность, хорошо работающую на трение при взаимодействии с корпусом, что обеспечивает хорошие динамические качества всего клапана.

Данные свойства алюминиевого сплава могут быть получены при помещении деталей в электролит и создании в нем разряда от потенциала в 1000 В. В процессе микроплазменного окисления поверхности алюминиевого сплава образуется диффузионное покрытие высокой твердости, имеющее хорошую адгезию по отношению к матрице.

Кожух, имеющий такое покрытие Al₂O₃ позволяет защитить от теплового потока извне всю электрическую часть клапана, работающего в камере сгорания двигателя в зоне высоких температур вместе с ударными импульсными нагрузками.

В то же время конструкция позволяет решить задачу отвода тепла, связанного с работой электромагнитной катушки, из корпуса.

В данном случае технология изготовления деталей позволяет исключить образование поверхностных слоев кожуха и корпуса на участке их контакта. При этом возникает прямое воздействие металлов обеих деталей, установленных по прессовой посадке и передающих тепло непосредственно от одной детали к другой без защитных слоев.

Следует отметить, что наличие в клапане деталей, изготовленных из однородных по химическому составу материалов, исключает образование гальванических пар, ведущих к контактной коррозии при работе в агрессивных средах, являющихся электролитом.

Изобретение позволяет упростить конструкцию клапана в части исключения средств недохода деталей магнитопровода-корпуса и якоря т.е. обеспечение немагнитного зазора между ними.

Вследствие остаточного намагничивания магнитопровода остаточная индукция в материале корпуса и якоря обуславливает наличие силы их взаимодействия. Для исключения подобного нежелательного взаимодействия обычно применяют регулировочные прокладки, размещаемые между штоком и толкателем, и тем самым обеспечивают создание немагнитного воздушного зазора между деталями магнитопровода. Технологически достижимым считается обеспечение воздушного зазора в 0,05 мм, обеспечивающего физику процесса размыкания якоря и корпуса.

Немагнитный зазор в изобретении реализуется за счет насыщения поверхностного слоя деталей магнитопровода азотом, алюминием кислородом и углеродом, т.е. за счет создания химического соединения в поверхностном слое металла, обладающем парамагнитными свойствами, а также созданием магнитной анизотропии. Контактные поверхности корпуса и якоря немагнитны на глубину указанного слоя в 0,02 мм и при полном контакте поверхностей обеспечивается немагнитный зазор в магнитопроводе.

Изобретение решает задачу охлаждения подвижных частей клапана, работающих в зоне впрыска и сгорания топлива. В данном случае охладителем является топливо. Втулка, в которой размещен толкатель с клапаном, выполнена с продольными шлицевыми проточками, а толкатель имеет крестообразное сечение образующее четыре ребра, наружный диаметр которых равен внутреннему диаметру втулки. Таким образом топливо, проходя через каналы толкателя и полости продольных шлицевых проточек втулки, имеет большую поверхность контакта с ней и способствует интенсивному отводу тепла. Кроме того, на участке толкателя, расположенном во втулке на каждом ребре выполнена проточка.

Данное выполнение обеспечивает минимальный контакт толкателя и втулки, а при рабочем ходе толкателя в 0,1 мм трение между ними практически отсутствует, что также увеличивает быстродействие клапана.

На фиг. 1 схематически изображен электромагнитный клапан в разрезе; на фиг. 2 поперечный разрез втулки и толкателя.

Электромагнитный клапан со держит электромагнитную катушку 1, магнитопровод, включающий корпус 2 и якорь 3. Корпус и якорь выполнен из нелегированной электротехнической стали, поверхностный слой которой насыщен азотом, углеродом и кислородом. По всему сечению детали насыщены алюминием до 3.4% Детали магнитопровода имеют магнитную анизотропию с увеличением магнитной проницаемости в направлении, совпадающем с направлением рабочего магнитного потока в магнитопроводе.

Якорь жестко связан с полым штоком 4, свободно опирающимся на торец толкателя 5. Второй торец толкателя жестко соединен с запорным органом 6 в виде конического элемента. Толкатель 5 подпружинен в направлении к штоку 4. Часть толкателя с запорным органом расположена во втулке 7, выполненной с седлом на которое устанавливается запорный орган 6. Толкатель имеет крестообразное поперечное сечение, образующее четыре ребра 8, на которых выполнены проточки 9, соответствующие участку толкателя, расположенному во втулке. Она выполнена с внутренними шлицевыми проточками 9. Осевая полость штока выполнена сообщающейся с каналами, образованными крестообразным сечением толкателя и далее с полостями, образованными шлицевыми проточками втулки. Магнитопровод, шток и толкатель с втулкой расположены в кожухе 11. Шток 4, толкатель 5, втулка 7 и кожух 11 выполнены из немагнитного материала, например, из алюминиевого сплава. Поверхность этих деталей имеет слой окиси алюминия Al₂O₃ глубиной 0,1.0,15 мм.

Согласно требованиям к работоспособности электромагнитного клапана якорь должен быть установлен строго перпендикулярно корпусу, что обеспечивает создание равномерного зазора между ними. В клапане по изобретению якорь установлен на штоке с помощью резьбового соединения 12 на хвостовике якоря, центрирован с помощью направляющих 13 и закреплен контргайкой 14. Данное соединение обеспечивает точное позиционирование якоря относительно корпуса и строгое его осевое перемещение.

Электромагнитный клапан работает следующим образом. Под действием пружины толкатель прижат к торцу штока, а клапан плотно установлен в седле втулки. Топливо через осевую полость штока, каналы, образованные крестообразным сечением толкателя и шлицевые проточки втулки подается к клапану. При включении электромагнитной катушки в магнитопроводе создается магнитный поток, замкнутый на якоре. Якорь 3, жестко связанный со штоком, притягивается к корпусу, перемещает шток в направлении подачи топлива. Шток опирается на толкатель и перемещает его, преодолевая сопротивление пружины, клапан отходит от седла втулки.

Благодаря незначительной массе подвижных деталей клапана значительно повышается его быстродействие. Кроме того, быстродействие повышается благодаря тому, что материал деталей магнитопровода усиливает образование магнитного потока. Клапан имеет повышенный ресурс его работы, определяемый также свойствами используемых материалов, свойствами их поверхности. Твердый коррозийный и жаростойкий поверхностный слой деталей клапана позволяет долговременно эксплуатировать его в высокотемпературных агрессивных средах.

Использование: в двигателестроении, в частности, в электромагнитных форсунках, инжекторах импульсной подачи топлива. Сущность изобретения: электромагнитный клапан содержит кожух, подпружиненный толкатель с запорным органом, установленный во втулке с седлом, и подвижный шток, связанный с якорем. Во втулке выполнены продольные шлицевые проточки. Толкатель выполнен с крестообразным поперечным сечением, образующим четыре ребра, на которых выполнены проточки. Магнитопровод содержит якорь и корпус, выполненные из нелегированной электротехнической стали. Поверхностный слой стали насыщен азотом, углеродом и кислородом. Детали магнитопровода выполнены с анизотропией магнитных свойств в направлении рабочего магнитного потока. Кожух, втулка, шток и толкатель выполнены из алюминиевого сплава с поверхностным слоем окиси алюминия. 2 ил.

Электромагнитный клапан для впрыска топлива, содержащий выполненные из немагнитного материала кожух с размещенными в его рабочей полости втулкой и подпружиненным толкателем с запорным органом, подвижный шток, а также электрокатушку, установленную внутри магнитопровода из ферромагнитного материала, включающего корпус, контактирующий с поверхностью кожуха, и якорь, жестко связанный со штоком, отличающийся тем, что во втулке выполнены продольные шлицевые проточки, а толкатель выполнен цилиндрическим с крестообразным поперечным сечением, образующим четыре ребра, наружный диаметр которых равен внутреннему диаметру втулки, причем на участке толкателя, расположенном во втулке, на каждом ребре выполнена проточка, при этом магнитопровод выполнен из нелегированной электротехнической стали, насыщенной алюминием до 3 4% по всему сечению деталей с поверхностным слоем, насыщенным азотом, углеродом и кислородом, и магнитной анизотропией с увеличением магнитной проницаемости в направлении, совпадающем с направлением рабочего магнитного потока в магнитопроводе, а кожух, втулка, шток и толкатель выполнены из алюминиевого сплава с поверхностным слоем окиси алюминия Al₂O₃ глубиной 0,1 0,15 мм, причем на кожухе слой окиси алюминия Al₂O₃ расположен на его наружной поверхности и на поверхности рабочей полости.