ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ФОРСУНКА Российский патент 2008 года по МПК F02M51/06 

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

Известна электромагнитная форсунка, содержащая размещенные в общем корпусе электрическую катушку в магнитопроводе, внутри которой находится запорный элемент (ЗЭ) в составе якоря, тяги и клапана, перекрывающего сечение канала в седле, причем якорь и клапан установлены каждый в своей цилиндрической направляющей. Клапан поджат к седлу винтовой пружиной (патент RU №2098653, «Электромагнитная форсунка», МПК F02М 51/06).

К недостаткам такой форсунки можно отнести относительно низкое быстродействие и износ контактных поверхностей, ограничивающих ход ЗЭ. Основными причинами этих недостатков являются

- большая масса ЗЭ, обусловленная его значительной длиной;

- сочетание возрастающей тяговой характеристики электромагнита и падающей характеристики силы, обусловленной гидростатическим давлением в полости, с практически постоянной характеристикой деформирования возвратной винтовой пружины, что обуславливает непрерывное ускорение ЗЭ до момента удара при его перемещении и значительное время отпускания - выстаивания ЗЭ при закрытии форсунки.

Известна также электромагнитная форсунка, содержащая корпус с элементами подвода топлива и управляющего сигнала, электромагнит с электрической катушкой и магнитопроводом, опорное седло с распылителем и запорный элемент из магнитопроводного материала в виде поджатого к седлу винтовой пружиной диска, который через два рабочих зазора замыкает магнитный поток между сердечником и корпусом магнитопровода (патент FR №2542816, «Топливная форсунка», МПК F02M 51/06).

К недостаткам этой конструкции можно отнести относительно низкую скорость перемещения ЗЭ, значительное время выстаивания его при закрытии и износ контактных поверхностей, ограничивающих ход ЗЭ, что снижает быстродействие и ресурс форсунки. Основными причинами этих недостатков являются:

- излишняя масса ЗЭ, обусловленная необходимостью замыкания двух рабочих зазоров;

- перемещение ЗЭ с растущим ускорением, обусловленное сочетанием крутовозрастающей тяговой характеристики, присущей электромагнитам с двумя рабочими зазорами, и падающей характеристики силы, обусловленной гидростатическим давлением в полости форсунки, с практически постоянной характеристикой деформирования возвратной винтовой пружины;

- наклон оси ЗЭ при его перемещении вследствие контакта ЗЭ с его направляющей, неравномерности распределения электромагнитной силы по кольцевому рабочему зазору, что приводит к снижению эффективности демпфирования ударов и соударению в точке вместо соударения контактирующих плоскостей.

В основу разработки изобретения положена задача создания электромагнитной форсунки, которая бы позволила повысить как ресурс форсунки за счет стабилизации положения ЗЭ при его движении и исключения удара или снижения уровня контактных напряжений, так и ее быстродействие за счет сокращения времени выстаивания ЗЭ при закрытии форсунки и уменьшения подвижной массы ЗЭ.

Поставленная задача решается тем, что в электромагнитной форсунке, содержащей корпус, в котором размещены элементы подачи топлива и управляющего сигнала, электромагнит с электрической катушкой и магнитопроводом, магнитопроводный запорный элемент, опорное седло и распылитель, новым является то, что:

- запорный элемент выполнен в виде листовой пружины, центральная часть которой расположена над опорным седлом, а периферийная часть связана с магнитопроводом, например зажата в зазоре между корпусом и магнитопроводом,

- листовая пружина выполнена в виде диска с криволинейными прорезями или вырезами, образующими упругие элементы, связывающие ее центральную часть с периферийной,

- тяговая характеристика электромагнита согласована с характеристиками гидростатической силы и деформирования листовой пружины так, что ее центральная часть имеет положение равновесия в пределах рабочего хода,

- центральная часть листовой пружины выполнена из износостойкого материала, полученного, например, путем химико-термической обработки поверхностного слоя,

- центральная часть листовой пружины установлена над опорным седлом с зазором, проходное сечение которого не превышает суммарного проходного сечения распылителя.

На фиг.1 показан общий вид электромагнитной форсунки,

фиг.2 - схемное изображение зазоров между ЗЭ, опорным седлом и сердечником магнитопровода,

фиг.3 - пример исполнения листовой пружины с прорезями,

фиг.4 - пример исполнения листовой пружины с вырезами,

фиг.5 - характеристики сил, действующих на ЗЭ.

Форсунка содержит корпус 1 из немагнитопроводного материала, в котором расположен электромагнит 2 в составе электрической катушки 3 и цельного магнитопровода 4, включающего сердечник 5, корпус 6, основание 7; запорный элемент 8 из магнитопроводного материала; опорное седло 9. Запорный элемент 8 выполнен в виде листовой пружины, центральная часть 10 которой расположена над опорным седлом 9 и выполняет функции якоря и клапана, а периферийная 11 закреплена как вариант в зазоре между корпусом 1 и магнитопроводом 4. Термин «листовая пружина» предполагает использование любого упругодеформируемого элемента конструкции, изготовленного из листа или подобного листу, пластине и т.п. (Заплетохин В.А., «Конструирование деталей механических устройств», Справочник. - Л.: Машиностроение, Ленинград, отделение, 1990, с.186). Как вариант листовая пружина представляет собой диск с криволинейными прорезями или вырезами, образующими упругие элементы 12, которые связывают ее центральную часть 10 с периферийной 11 и выполняют функцию возвратной пружины (фиг.3 и 4). Конфигурация вырезов или прорезей задается согласно требуемой магнитной проводимости и необходимой жесткости упругих элементов 12. При этом периферийная часть 11 связана с магнитопроводом 4 без возможности осевого перемещения путем закрепления между магнитопроводом 4 и дном корпуса 1. Между центральной частью 10 листовой пружины и торцом сердечника 5 имеется равномерный зазор А (фиг.2), обеспечивающий рабочий ход центральной части 10. Поскольку не все известные магнитопроводные материалы обладают высокими механическими свойствами, то можно придать центральной части 10 листовой пружины необходимые твердость и прочность в поверхностных слоях путем, например, химико-термической обработки, присоединением накладки или иным способом, что обеспечит ей необходимую износостойкость. За опорным седлом 9 расположен распылитель 13. Запорный элемент 8, выполненный в виде листовой пружины, установлен так, что между центральной частью 10 листовой пружины и опорным седлом 9 есть равномерный зазор В (фиг.2), проходное сечение которого не превышает суммарного проходного сечения распылителя 13. Данное условие обеспечивает закрытие проходного сечения между ЗЭ 8 и опорным седлом 9 при подаче давления в полость форсунки за счет перепада давления в полости форсунки и в полости, расположенной между центральной частью 10 листовой пружины и распылителем 13. Равномерность начальных зазоров А и В, то есть параллельность контактирующих поверхностей центральной части 10, опорного седла 9 и сердечника 5 обеспечивается точностью исполнения и сборки этих элементов и корпуса 1, что легко достигается в современном производстве. Для прохождения топлива и охлаждения элементов электромагнита 2 в нем имеется система каналов и отверстий. Корпус 1 герметично соединен с коллектором 14, служащим для подключения к топливной системе через фильтр 15 и к системе управления через клеммы 16. Сердечник 5 магнитопровода 4 имеет возможность осевого перемещения вследствие упругих и пластических деформаций основания 7 под действием винта 17, винтовой пружины 18 и упора 19, что позволяет с высокой точностью как регулировать начальную величину зазора А между сердечником 5 и центральной частью 10 листовой пружины, так и корректировать зазор А в случае его изменения после приработки или эксплуатации. Жесткость основания 7 задается на 2-3 порядка выше жесткости винтовой пружины 18 для достижения точности регулировки зазора на уровне долей микрона. Величина рабочего хода С, равная сумме зазоров А и В (фиг.5), превышает ход полного открытия Д, в пределах которого характеристика гидростатической силы падает от максимального до нулевого значения, на величину запаса хода Е. Тяговая характеристика электромагнита Рм, снижение крутизны которой достигается насыщением элементов магнитопровода, согласована с суммарной характеристикой противодействующих сил Рпд, получаемой суммированием характеристик гидростатической силы Ргидр и деформирования листовой пружины Рдеф таким образом, что точка равновесия F запорного элемента расположена за пределами хода полного открытия Д. Положение точки равновесия F существенным образом зависит от допустимых по условиям эксплуатации колебаний управляющего сигнала, обуславливающих смещение тяговой характеристики Рм в пределах, ограниченных штриховыми линиями G и Н. При возрастающей в пределах хода полного открытия Д суммарной характеристике противодействующих сил Рпд равновесие может быть достигнуто в любой точке рабочего хода, что обеспечивает возможность управления статическим расходом форсунки.

Форсунка работает следующим образом. Первоначально при заданных по ТУ значениях сигнала управления и давления рабочего тела производится регулировка зазора. А между сердечником 5 и центральной частью 10 листовой пружины следующим образом. При подаче давления в полость форсунки зазор В выбирается под действием разницы усилий от гидростатического давления Ргидр и деформирования Рдеф упругих элементов 12. Данное решение позволило существенно уменьшить необходимое для трогания усилие, создаваемое электромагнитом 2. Изначально вывернутый до упора регулировочный винт 17 ввертывается до положения, при котором смещение торца сердечника 5 вследствие давления на основание 7 магнитопровода 4, пружины 17 и упора 19 уменьшает зазор А и вызывает движение центральной части 10 листовой пружины (запорного элемента 8), то есть открывает форсунку. Этот момент при поданном сигнале управления фиксируется по выбросу рабочего тела. Форсунка готова к работе, которая осуществляется в следующем порядке. После подачи сигнала управления на электрическую катушку 3 электромагнитная сила достигает величины силы трогания при открытии Ртр. откр (фиг.5), а затем превышает ее. Под действием этой силы центральная часть 10 листовой пружины (фиг.1) перемещается в направлении сердечника 5, испытывая тормозящее воздействие упругих элементов 12. При этом проходное сечение между опорным седлом 9 и ЗЭ 8 полностью открывается. Сопротивление упругих элементов 12 затормаживает движение ЗЭ 8 вплоть до полной остановки в положении равновесия. На графике (фиг.5) этот момент соответствует точке равновесия F. При этом ЗЭ 8 (фиг.1) отделен зазором от торца сердечника 5. Однако в случае превышения током управления его номинального значения сопротивление упругих элементов 12 может оказаться недостаточным и произойдет соударение центральной части 10 ЗЭ 8 с плоскостью сердечника 5, но сила удара будет незначительной в силу демпфирующего влияния жидкости между плоскостями контакта и сопротивления упругих элементов 12. После выключения тока центральная часть 10 ЗЭ 8 сразу, без выстаивания, начинает ускоренно возвращаться к опорному седлу 9 под действием уменьшающегося усилия деформирования упругих элементов 12, которое в пределах хода полного открытия начинает суммироваться с усилием от гидростатического давления жидкости. Прежде чем центральная часть 10 ЗЭ 8 коснется опорного седла 9, она тормозится упругими элементами 12, направление деформаций которых определено зазором В, и сопротивлением жидкости в зазоре между ЗЭ 8, опорным седлом 9 и дном корпуса 1. Поскольку во время работы центральная часть 10 ЗЭ 8 постоянно удерживается упругими элементами 12, одинаково и равномерно воздействующими на ее края, то ее поверхность всегда остается параллельной своему начальному положению. Так обеспечивается плоское соударение контактирующих поверхностей, которое обуславливает максимальный эффект демпфирования и, как следствие, минимальный их износ.

Таким образом, новые решения, заложенные в рассматриваемой конструкции форсунки, позволяют обеспечить существенно большее быстродействие и долговечность по сравнению с известными конструкциями. Это достигается за счет снижения подвижной массы запорного элемента и увеличения скорости его перемещения с одновременным эффектом интенсивного торможения в крайних положениях во избежание ударов или минимизации их энергии. Последнее обеспечивает достижение необходимого ресурса. Анализ конструктивных особенностей данной форсунки позволяет считать ее высокотехнологичной как в части изготовления деталей, так и в части их сборки, наладки и испытаний. Необходимо отметить ее ремонтопригодность и сравнительно низкую себестоимость в массовом производстве.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам впрыска топлива с электрическим управлением. Изобретение позволяет повысить ресурс форсунки и быстродействие. Форсунка содержит корпус с размещенными в нем элементами подачи топлива и управляющего сигнала, электромагнит с электрической катушкой и магнитопроводом, магнитопроводный запорный элемент, опорное седло и распылитель. Запорный элемент выполнен в виде листовой пружины, центральная часть которой расположена над опорным седлом, а периферийная часть связана с магнитопроводом, например зажата в зазоре между корпусом и магнитопроводом. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электромагнитная форсунка, содержащая корпус с размещенными в нем элементами подачи топлива и управляющего сигнала, электромагнит с электрической катушкой и магнитопроводом, магнитопроводный запорный элемент, опорное седло и распылитель, отличающаяся тем, что запорный элемент выполнен в виде листовой пружины, центральная часть которой расположена над опорным седлом, а периферийная часть связана с магнитопроводом, например, зажата в зазоре между корпусом и магнитопроводом.2. Электромагнитная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что листовая пружина выполнена в виде диска с криволинейными прорезями или вырезами, образующими упругие элементы, связывающие ее центральную часть с периферийной.3. Электромагнитная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что тяговая характеристика электромагнита согласована с характеристиками гидростатической силы и деформирования листовой пружины так, что ее центральная часть имеет положение равновесия в пределах рабочего хода.4. Электромагнитная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что центральная часть листовой пружины выполнена из износостойкого материала, полученного, например, путем химико-термической обработки поверхностного слоя.5. Электромагнитная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что центральная часть листовой пружины установлена над опорным седлом с зазором, проходное сечение которого не превышает суммарного проходного сечения распылителя.