ФОРСУНКА С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02M51/06 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам впрыска топлива с электрическим управлением.

Известны форсунки, оснащенные электромагнитным приводом форсуночной иглы, включающие в себя корпус с магнитоприводом, соленоид, якорь, кинематически связанный с запорным органом.

Общим недостатком данного класса форсунок является значительная инерционность срабатывания, связанная с перемещением относительно больших масс под действием относительно малых тяговых усилий исполнительного звена и возвратной пружины. Кроме того, в данных форсунках отсутствует возможность управления ходом форсуночной иглы (клапана) в зависимости от режима работы двигателя, так как якорь перемещается от упора до упора. Указанные недостатки существенно ограничивают возможности форсунки в части обеспечения оптимальных характеристик впрыска, особенно при эксплуатации двигателя в широком диапазоне мощностей и частот вращения коленчатого вала.

Известна форсунка по патенту США US 4022166, МПК F 02 M 51/06 с пьезоэлектрическим силовым приводом клапана, действие которого основано на явлении "обратного пьезоэффекта", сущность которого заключается в изменении линейных размеров пьезоэлемента при подаче на его полюса электрического напряжения.

В форсунке по данному патенту (фиг.2) пьезоэлектрический привод клапана выполнен в виде полого стержня, набранного из отдельных пьезоэлементов в форме диска. Внутри стержня расположен подпружиненный плунжер гидравлического преобразователя величины перемещения (хода) клапана, взаимодействующего с иглой клапана посредством гидравлической среды.

По варианту фиг.7 преобразователь хода выполнен в виде механической системы, включающей двуплечий Г-образный рычаг, один конец которого взаимодействует с пьезоэлектрическим приводом, а другой - с иглой клапана.

Общим недостатком данных форсунок является сложность конструкции, связанная с наличием преобразователя (гидравлического или механического) для увеличения хода иглы клапана.

Известен также клапан с непосредственным впрыском топлива по патенту Германии DЕ 19843570, МПК F 02 M 51/06, управление которым осуществляется пьезоэлектрическим или магнитострикционным приводом.

Данное устройство также содержит гидравлический преобразователь, который увеличивает ход иглы клапана по сравнению с ходом самого привода.

Клапан имеет два исполнения: с открыванием наружу ("сидящий клапан", фиг.1) и открыванием внутрь (фиг.2).

Недостаток - сложность конструкции, как и в решении по патенту US 4022166.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату при использовании является техническое решение на "Способ впрыска топлива в дизель и топливные системы для его осуществления (Пат. 2042859, МПК6 F 02 M 51/06, Бюл. 24 от 27.08.95, форсунка по варианту фиг.13, прототип).

Форсунка содержит корпус 48 с каналами подвода и отвода топлива 60,61,65,85, распылитель 58, соединенный с корпусом накидным резьбовым кольцом 57.

В корпусе форсунки размещен магнитострикционный силовой привод 26 (исполнительное звено), включающий в себя соленоид возбуждения 25, ферромагнитный стержень 40, магнитопровод 47.

Нижний (активный) конец стержня 40 кинематически связан с форсуночной иглой 42, а верхний (пассивный) через сухарь 82 опирается на вспомогательный плунжер 81, который, в свою очередь, выступает в камеру демпфирования 83.

Особенностью данной форсунки является отсутствие гидравлического преобразователя хода, однако в ней достигается возможность при относительно малом ходе иглы открывать достаточно большое сечение впрыска за счет правильного подбора геометрических параметров клапана и седла.

Это выгодно отличает настоящую форсунку от вышеописанных, однако при таком решении возникает необходимость в компенсации разности удлинений температурного происхождения корпуса форсунки и исполнительного звена, т.к. эта разность может оказать существенное отрицательное влияние на работу форсунки при формировании доз впрыскиваемого топлива.

Для компенсации разности удлинений температурного происхождения в форсунке предусмотрено гидравлическое компенсирующее устройство, или, в другом варианте, механическое, представляющее собой самоюстирующийся клиновой разжимной подшипник.

И в том, и в другом случае это ведет к значительному усложнению и удорожанию конструкции.

Кроме того, к недостаткам можно отнести и высокую трудоемкость изготовления, связанную с наличием магнитопровода, соленоида, плунжерных пар и глубоких отверстий малого диаметра.

В основу изобретения положена задача упрощения конструкции, снижения трудоемкости изготовления, повышения надежности, улучшения характеристик впрыска и расширения возможностей применения в различных системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в том числе для дизелей.

Технический результат достигается тем, что в форсунке с электрическим управлением, содержащей корпус с элементами подвода топлива, исполнительное звено, выполненное в виде пьезокерамического стержня, состоящего из отдельных дисков, клапан, кинематически связанный с исполнительным звеном,
- диски, составляющие стержень, заключены в обойму, жестко связанную с корпусом и выполненную из диэлектрического материала с низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), причем между дисками расположены контактные пластины, выполненные за одно целое с тоководами, соединяющими одноименные полюса всех дисков с источником управляющего напряжения;
- исполнительное звено выполнено с фиксированным при нормальной температуре запасом хода до начала открытия клапана, величина которого составляет 0,2...0,3 максимального хода клапана.

Такое решение позволяет исключить компенсатор температурных удлинений гидравлического или механического типа и тем самым значительно упростить конструкцию.

Как известно, в форсунках прямого действия (без преобразователей увеличения хода), работающих на пьезоэлектрическом или магнитострикционном принципе, разность температурных удлинений исполнительного звена и корпуса может оказывать существенное влияние на работу форсунки в интервале рабочих температур.

В заявляемой конструкции вопрос выравнивания температурных удлинений исполнительного звена и корпуса решается путем выполнения части корпуса (обоймы), содержащей исполнительное звено, из диэлектрика с низким ТКЛР, например из керамики.

В этом случае разница в абсолютных удлинениях исполнительного звена и обоймы (центра и периферии) очень мала, поскольку ТКЛР пьезокерамики и керамики очень близки по своим значениям, а удлиняемые участки центра и периферии примерно равны.

Значение ТКЛР для керамики и пьезокерамики лежит в пределах (2,5... 4)•10^-6 oС^-1, что в несколько раз меньше, чем у металлов. Этим объясняется малость абсолютных температурных удлинений центра и периферии. Разница в удлинениях при этом еще меньше.

Однако в реальных условиях подбором материалов и линейных размеров деталей не удается в полной мере скомпенсировать указанную разность удлинений температурного происхождения во всем диапазоне рабочих температур. Это связано с нелинейным характером изменения ТКЛР в зависимости от температуры для металлов и неметаллов, а также с другими причинами конструктивного характера.

При малости хода исполнительного звена, обусловленного природой пьезоэффекта, нескомпенсированная разность удлинений может оказывать заметное влияние на процесс открытия - закрытия клапана, особенно при отрицательных температурах окружающей среды.

Поэтому в данной форсунке, на стадии сборки, предусмотрено предварительное создание некоторого запаса хода исполнительного звена (стержня) до начала открытия клапана, т.е. холостого хода. Причем процесс выставления холостого хода осуществляют в условиях нормальной температуры, которая по ГОСТ 15150-69 п. 3.15 (соответствует международному стандарту МЭК 68-1:1988) составляет 25±10^oС.

Для этого производят некоторое ослабление поджатия дисков стержня между собой, т. е. как бы его растяжение, путем ввинчивания клапана в толкатель, контактирующий с нижним (активным) концом стержня, до упора запирающей поверхности клапана в седло и далее на определенный угол с натягом, сжимая возвратную пружину.

Таким образом, появляется запас хода, который позволяет компенсировать разницу температурных удлинений, не приводя к несанкционированному открытию клапана.

Фиксированная температура сборки форсунки и известный интервал температур эксплуатации позволяют рассчитать максимальные удлинения центра и периферии и разницу между ними и, таким образом, определить угол натяга (т.е. величину предварительного растяжения стержня), который остается постоянным для данных материалов и размеров форсунки.

Величину холостого хода выбирают в пределах 0,2...0,3 от максимального хода клапана. Здесь нижний предел позволяет исключить самопроизвольный впрыск топлива во всем диапазоне рабочих температур, который мог бы быть из-за не скомпенсированной разности температурных удлинений центра и периферии, возникающей в реальных условиях эксплуатации, а верхний предел определяет максимально допустимую потерю рабочего хода клапана, не приводящую к ухудшению характеристик впрыска.

Следует отметить также, что выполнение обоймы из диэлектрика (керамики) с низким ТКЛР наряду с вышеописанными положительными свойствами позволяет обеспечить надежную электрическую изоляцию разноименных полюсов всех соединений внутри форсунки без применения дополнительных мер.

На фиг.1 представлена форсунка для ДВС с распределенным впрыском топлива, продольный разрез;
на фиг.2 - разрез по А-А;
на фиг.3 - разрез по Б-Б;
на фиг. 4 - форсунка для впрыска топлива в дизельном двигателе, продольный разрез;
на фиг.5 - разрез по В-В.

Форсунка состоит из корпуса 1 (фиг.1), жестко соединенного посредством закатки с керамической обоймой 2. Между внутренней стенкой корпуса и наружной обоймы расположено уплотнительное кольцо 3. В центральном канале обоймы расположен стержень 4, набранный из дисков 5, между которыми расположены контактные пластины 6 (фиг.2), концы которых образуют тоководы 7 (правый и левый) (фиг.1,2,3), соединяющие одноименные полюса всех дисков в стержне. В верхней части обоймы неподвижно установлен центральный контакт 8 (фиг.1). Диски поджаты друг к другу и к центральному контакту возвратной пружиной 9 клапана 10 с образованием электрической цепи, в которой положительные полюса дисков соединены правым тоководом 7 с центральным контактом, а отрицательные - левым тоководом через сферическую опору 11, толкатель 12 и возвратную пружину с корпусом. Высота сферической опоры определяется как сумма величин утопания стержня за нижний торец обоймы и толкателя за плоскость корпуса, в которую упирается обойма, измеренных при действии силы, равной рабочему усилию возвратной пружины. Поскольку эти величины связаны с набегом допусков деталей форсунки по высоте, то сферическая опора изготавливается переменной высоты, в некотором интервале, через каждые 0,02 мм и ставится в форсунку в зависимости от результатов замеров. Тоководы расположены в продольных пазах 13 (фиг. 2) обоймы. Клапан 10 (фиг.1) связан с толкателем посредством резьбового соединения с возможностью самостопорения за счет натяга в резьбе и наличия цанговых прорезей в толкателе, при этом сферическая запирающая поверхность клапана контактирует с седлом 14 корпуса с натягом, позволяющим стержню увеличить свою длину приблизительно на 0,01...0,02 мм и обеспечить, таким образом, запас хода до открытия клапана. Сферическая опора, расположенная между нижним концом стержня и толкателем, обеспечивает осевую передачу усилия при открывании клапана. Буртик толкателя имеет лыски (не показано), взаимодействующие с пазом в корпусе, которые препятствуют повороту толкателя при ввинчивании в него клапана, имеющего на торцевой поверхности шлиц под отвертку (не показано). В наружной кольцевой канавке корпуса расположено резиновое кольцо 15, уплотняющее стык форсунки с посадочным гнездом. Подача топлива к форсункам осуществляется через центральный канал 16 (фиг.2,3) в топливной планке 17 (фиг.1,2,3), гидравлически связанной с форсунками гнездами 18 (фиг. 3), в которых установлены уплотнительные кольца 19,20 (фиг. 1,3). При этом в обойме на уровне топливных карманов гнезд 18 выполнено боковое отверстие, в котором установлен фильтр 21 (фиг.1,2).

В дизельной форсунке (фиг.4,5) возвратная пружина 22 (фиг.4) выполнена в виде прорезной пружины, рабочее усилие которой значительно выше, чем у возвратной пружины 9 (фиг. 1) в форсунке двигателя с искровым зажиганием. Это связано с необходимостью удержания клапана в закрытом положении при давлениях впрыска, соответствующих дизельному циклу. По этой же причине соединение форсунки с цилиндром двигателя выполнено резьбовым, а топливоподающая арматура, соединяющая все форсунки двигателя с односекционным топливным насосом высокого давления, включает в себя втулку 23 (фиг.4,5), охватывающую обойму на уровне отверстия с фильтром, подводящий 24 (фиг.5) и отводящий 25 патрубки, резьбовые втулки 26 и уплотнительные кольца 27 (фиг.4). В остальном конструкция дизельной форсунки аналогична вышеописанной.

Форсунка работает следующим образом.

Топливо от питающего насоса через центральный канал 16 (фиг.2,3) топливной планки 17 (фиг.1,2,3), боковое отверстие с фильтром 21 (фиг.1,2) подается в полость форсунки. При отсутствии напряжения на обкладках дисков 5 (фиг.1) стержня 4 возвратная пружина 9 удерживает клапан 10 в закрытом положении. При подаче управляющего импульса напряжения на центральный контакт 8 и корпус 1 на обкладках дисков 5 посредством тоководов 7 и контактных пластин 6 (фиг. 2) возникают электрические заряды разного знака. При этом, вследствие обратного пьезоэффекта, стержень 4 (фиг.1) удлиняется в направлении оси, выбирая вначале холостой ход и далее совершая рабочий. Поскольку верхний конец стержня 4 уперт в центральный контакт 8, жестко связанный через обойму 2 с корпусом 1, то его нижний конец совершает линейное перемещение вниз, воздействуя на толкатель 12 через сферическую опору 11. При этом толкатель 12, преодолевая сопротивление пружины 9, открывает связанный с ним клапан 10. Через образовавшуюся щель между клапаном 10 и седлом 14 топливо под давлением впрыскивается в цилиндр двигателя. Величина хода клапана 10 пропорциональна управляющему напряжению. После окончания процесса впрыска, т. е. снятия напряжения с обкладок дисков 5, стержень 4 восстанавливает свои первоначальные размеры и, при содействии возвратной пружины 9, осуществляет посадку клапана 10 на седло 14.

Данная форсунка отличается простотой конструкции, быстродействием, обусловленным гораздо большим тяговым усилием исполнительного звена и сопротивлением возвратной пружины клапана, а также возможностью варьирования ходом клапана в зависимости от величины управляющего напряжения, что позволяет повысить точность цикловых подач топлива и тем самым оптимизировать процесс впрыска на всех режимах работы двигателя. Перечисленные достоинства расширяют функциональные возможности форсунки и позволяют использовать ее как в бензиновых двигателях с искровым зажиганием топлива, так и в дизелях.

Для изготовления пьезокерамических дисков, из которых собирается исполнительное звено форсунки, может быть рекомендована пьезокерамика с высоким пьезомодулем, выпускаемая отечественной промышленностью, а для изготовления обоймы может быть рекомендована керамика, используемая при изготовлении обычных запальных свечей.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам впрыска топлива с электрическим управлением. Изобретение позволяет упростить конструкцию форсунки, снизить трудоемкость изготовления, повысить надежность, улучшить характеристики впрыска, расширить возможность применения в различных системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания, в том числе для дизелей. Форсунка с электрическим управлением для двигателя внутреннего сгорания содержит корпус с элементами подвода топлива, исполнительное звено, выполненное в виде пьезокерамического стержня, состоящего из отдельных дисков, клапан, кинематически связанный с исполнительным звеном. Диски, составляющие стержень, заключены в обойму, жестко связанную с корпусом и выполненную из диэлектрического материала с низким температурным коэффициентом линейного расширения. Между дисками расположены контактные пластины, выполненные за одно целое с тоководами, соединяющими одноименные полюса всех дисков с источником управляющего напряжения. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Форсунка с электрическим управлением для двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус с элементами подвода топлива, исполнительное звено, выполненное в виде пьезокерамического стержня, состоящего из отдельных дисков, клапан, кинематически связанный с исполнительным звеном, отличающаяся тем, что диски, составляющие стержень, заключены в обойму, жестко связанную с корпусом и выполненную из диэлектрического материала с низким температурным коэффициентом линейного расширения, причем между дисками расположены контактные пластины, выполненные за одно целое с тоководами, соединяющими одноименные полюса всех дисков с источником управляющего напряжения. 2. Форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что исполнительное звено выполнено с фиксированным при нормальной температуре запасом хода до начала открытия клапана, величина которого составляет 0,2-0,3 максимального хода клапана.