Насос-форсунка з електричним керуванням

1. Насос-форсунка з електричним керуванням, що містить корпус із закріпленою на ньому обоймою з електричною котушкою, під якою розташо 43253 на сідло розпилювача і залишається у такому положенні протягом тактів розширення і випуску в циліндрі дизеля. При нижнім положенні плунжера значна частина палива проходить на перепуск через кільцеве виточення на тілі плунжера, охолоджуючи корпус насос-форсунки. Кількість палива на перепуску перевищує в 4-5 разів витрата палива двигуном. Заповнення паливом надплунжерного об'єму відбувається на тактах впуску і стиску. До недоліків насос-форсунки емульсійного типу варто віднести наступне: - знижений тиск упорскування на низьких швидкісних режимах; - відсутність автоматичного регулювання кута випередження; - велика тривалість впорскування палива, особливо на малих швидкісних режимах; - при розрегулюванні механізму приводу плунжер нещільно сідає на сідло розпилювача, що викликає підвищену димність спрацьованих газів і погіршення показників роботи двигуна. Перераховані вище недоліки негативно впливають на якість розпилювання палива і тривалість впорскування, що в підсумку позначається на паливній економічності двигуна. Метою пропонованого винаходу є підвищення економічності роботи двигуна шляхом інтенсифікації впорскування палива. Поставлена мета здійснюється такими ознаками. Ознаки, загальні з прототипом: - корпус, із закріпленою на ньому обоймою з електричною котушкою, під якою розташований якір, плунжер, зворотний клапан, дозуючий жиклер, блок керування, який має електричний зв'язок з котушкою. Ознаки, нові в порівнянні з прототипом: - насос-форсунка містить електродинамічний привід як засіб підвищення тиску; - привід містить плунжер, жорстко з'єднаний з якорем; - якір виконаний зі сталевої основи і покритий з боку, зверненого до котушки, шаром матеріалу з високою питомою електричною провідністю. Істотні ознаки: - авторам не відомі насос-форсунки, у яких як засіб підвищення тиску використовувався б електродинамічний привід, тобто привід, у якому на дозуючі органи діє імпульс електродинамічної сили, що виникає при взаємодії перемінного магнітного поля, створюваного електричною котушкою, і вихрових струмів, наведених цим полем в якорі. Відома конструкція форсунки (див. Патент. України, 3874 С1 F02M51/00. Керована форсунка для двигуна внутрішнього згоряння. Опубл. 27.12.1994. Бюл. № 6-1), у якій функціональне призначення пари електрична котушка-якір складається в перериванні впорскування палива, подаваного насосом високого тиску, шляхом силового впливу якоря на запірну голку. Відома конструкція форсунки (див. Патент України, 11204 С1 F02M51/00. Форсунка для двигуна внутрішнього згоряння. Опубл. 25.12.1996. Бюл. № 4), у якій функціональне призначення двох електричних котушок і якоря, жорстко зв'язаного з запірною голкою і встановленого в зазорі між ко тушками, складається в дозуванні палива, подаваного до розпилювального отвору паливопідкачувальним насосом постійного тиску. У насос-форсунці, що пропонується, функціональне призначення електричної котушки і якоря, жорстко з'єднаного з плунжером, складається в підвищенні тиску палива в надплунжерному об'ємі та подальшому його впорскуванні в циліндр двигуна. На фіг. 1 показаний загальний вигляд форсунки в момент, коли імпульс струму в котушці відсутній, запірний орган насос-форсунки знаходиться в закритому положенні. На фіг. 2 представлені схеми електричні принципові блока керування /БК/, що складає з блока підвищення напруги /БПН/, модуля формування імпульсів струму /МФІ/, електронного пристрою зсуву імпульсів струму /ПЗІ/ і задатчика керуючих сигналів /ЗС/. На фіг. 3 представлені графіки струму і, що протікає через обмотку електричної котушки й електродинамічної сили FД, що діє на якір. На фіг. 4 приведені графіки діючих на плунжер електродинамічної сили FД, сили попереднього затягування пружини FП, сили тиску палива FT у надплунжерному об'ємі, сили тиску газів FГ у циліндрі двигуна і сумарної сили FС. Насос-форсунка з електричним керуванням для двигуна внутрішнього згоряння містить корпус 1 з каналом 2 підведення палива і вхідним жиклером 3, а також зливний канал 4, розпилювач 5 із клапаном 6 і сопловим отвором 7. У корпусі 1 розташована дистанційна втулка 8, втулка 9 з каналами 10 та 11, що підводять паливо, зворотним клапаном 12 і дозуючим жиклером 13, плунжер 14 з'єднаний з якорем 15, що стикається з пружиною 16, на корпусі 1 закріплена обойма 17, у якій розташована електрична котушка 18, що має електричний зв'язок із блоком керування 19, щоу свою чергу з'єднаний з датчиком ВМТ 20, взаємодіючий з відмітчиком ВМТ 21. Підбором сполучення жиклерів 3 і 13 можна регулювати рівномірність подачі палива по окремих циліндрах при регулюванні на стенді. Насос-форсунка працює в такий спосіб. При відсутності напруги на обмотці електричної котушки 18 плунжер 14 знаходиться у верхньому крайньому положенні. Подача палива в циліндр відсутня. При подачі від блока керування 19 імпульсу струму на обмотку електричної котушки 18 у зазорі між останньою і якорем 15 виникає перемінне магнітне поле, що наводить у якорі 15 вихрові струми. Вихрові струми, взаємодіючи з перемінним магнітним полем, створюють імпульс електродинамічної сили, що діє на якір 15 і жорстко зв'язаний з ним плунжер 14. Коли величина імпульсу електродинамічної сили перевищить силу попереднього затягування пружини 16 і силу тиску палива в надплунжерному об'ємі плунжер 14 почне рух. На першому етапі, коли відкритий дозуючий жиклер 13, через нього будуть частково виходити пари палива чи паливо, що залишилося від попереднього циклу (у залежності від режиму роботи), в об'єм каналу 11, від дозуючого жиклера 13 до зворотного клапана 12. На другому етапі, коли дозуючий жиклер 13 буде закритий, почнеться конденсація пари палива, що залишилися в надплунжерному 2 43253 об'ємі, і тиск палива. Як тільки тиск палива перевищить силу пружності елементів клапана 6, що навантажують його, і силу тиску газів на нього, почнеться подача палива через сопловий отвір 7 розпилювача 5. Подача палива продовжуватиметься доти, поки якір 15 не досягне дистанційної втулки 8. При цьому паливо, що надходить з каналу 2 проходить на перепуск через кільцеве виточення на тілі плунжера 14, охолоджуючи корпус 1 форсунки. Паливо, яке пройшло в зазорі між плунжером 14 і втулкою 9, попадає в канал 4, що відводить це паливо через виточення на плунжері 14. До моменту закінчення впорскування палива величина імпульсу електродинамічної сили зменшується і під дією сили стиснутої пружини 16 плунжер 14 починає рухатися в зворотному напрямку, тобто нагору. При русі плунжера 14 нагору в надплунжерному об'ємі утвориться розрядження, при цьому паливо, що залишилося в цьому обсязі, частково випаровується і створюється тиск, що відповідає пружності пари палива. При відкритті торцем плунжера 14 дозуючого жиклера 13 паливо заповнює надплунжерний об'єм. У крайнім верхнім положенні плунжера 14 якір 15 упирається в обойму 17. Плунжер 14 залишається в такому положенні до подачі наступного імпульсу струму на електричну котушку 18. Керування приводом насос-форсунки виробляється від блока керування 19, що також має електричний зв'язок з датчиком ВМТ 20, що взаємодіє з відмітчиком ВМТ 21, встановленим на колінчастому валу двигуна. Тому що тривалість імпульсу струму, подаваного на обмотку електричної котушки, а, отже, і імпульсу електродинамічної сили, є величиною постійної (див. фіг. 3) і не залежить від режиму роботи двигуна, то регулювання циклової подачі забезпечується шляхом зміни тиску палива в каналі, що підводить паливо до форсунки і зміною ефективного прохідного перетину дроселя в цьому каналі (Виверт М.М., Мазинг М.В. Топливная аппаратура автомобильных дизелей. Конструкция и параметры. - М.: Машиностроение, 1978. – 176 с., с. 58-61). Конструкція запірного клапанного вузла з клапаном 6 узята з книги (Беспрецизионные клапанные форсунки быстроходных дизелей. В.Е. Горбаневский, Ю.П. Долгополов, В.Г. Кисилев и др. Под ред. А.И. Ковалева. - К.: Вища шк. Головн. Из-во, 1987. - 142з, с. 112-115). Розглянемо як функціонує блок керування /БК/ див. фіг. 2. Структурно блок керування /БК/ складається з блоку підвищення напруги /БПН/, модуля формування імпульсів струму /МФІ/, пристрою зсуву імпульсів струму /ПЗІ/ і задатчика керуючих сигналів /ЗС/. Блок підвищення напруги /БПН/ містить: Tp1 - силовий підвищувальний трансформатор; R1 - нерегульований резистор; Д1 - напівпровідниковий діод. Модуль формування імпульсів струму /МФІ/ містить: С1 - імпульсний конденсатор; Т1 - силовий тиристор. Електронний пристрій зсуву імпульсів струму /УСІ/ містить: Тр2 - розділовий імпульсний трансформатор; ОПТ - одноперехідний транзистор; СТ - стабілітрон; С2 - оксидно-напівпровідниковий /танталовий/ конденсатор; Д2 - напівпровідниковий діод; R2¸R6 - нерегульовані резистори; R7 - регульований резистор. Задатчик керуючих сигналів /ЗС/, що включає в себе датчик 20 і відмітчик 21, може мати різні принципові і конструктивні виконання. У блоці керування /БК/ показана одна з найпростіших можливих конструкцій ЗС на основі обертового кулачкового механізму, механічно зв'язаного з колінчастим валом двигуна внутрішнього згоряння. При включенні БПН на перемінну напругу за допомогою трансформатора Тр1 відбувається підвищення напруги до заданої величини. Випрямна за допомогою діода Д1 напруга подається на конденсатор С1 модуля формування імпульсу струму МФІ. Резистор R1 необхідний для обмеження зарядного струму конденсатора С1. При цьому конденсатор С1 заряджається до напруги, рівної амплітудному значенню напруги на вторинній обмотці трансформатора Тр1. Після заряду конденсатора С1 до заданої напруги МФІ готовий до роботи. Електронний пристрій зсуву імпульсів струму /УСІ/ працює в такий спосіб. При спрацьовуванні задатчика керуючих сигналів /ЗС/ у заданий момент часу постійна напруга подається на УСІ і починає заряджатися конденсатор С2. Час заряду конденсатора С2 визначається величинами опорів резисторів R5¸R7. Коли напруга на С2 досягне максимальної напруги на емітері транзистора ОПТ останній відмикається і подає керуючий імпульс струму на керуючий електрод тиристора Т2 і відкриває його. Через навантаження (трансформатор Тр2, резистор R2 і керуючий електрод тиристора Т1) починає протікати струм відкриття тиристора Т1. Тиристор Т1 відкривається і через обмотку електричної котушки 18 починає протікати імпульс розрядного струму і конденсатора С1 (фіг. 3). Час протікання цього синусоїдального імпульсу струму дорівнює Dtu і визначається параметрами розрядного контуру (ємністю і напругою заряду конденсатора С1, індуктивністю й омічним опором обмотки електричної котушки 18). Як було показано, при протіканні імпульсу струму і в обмотці електричної котушки 18 на якір 15 діє електродинамічна сила FД, що має форму, близьку до синусоїди, і діє в той же часовий проміжок, що й імпульс струму і. Коли тиристор Т2 відмикається, напруга на ОПТ швидко знижується менш, ніж до 2В. При цьому так само швидко знижується напруга на конденсаторі С2, замикаючи при цьому ОПТ і припиняючи протікання керуючого імпульсу струму через тиристор Т2. Таким чином, вибираючи визначені співвідношення між величинами ємності конденсатора С2 і опору резисторів R5¸R7, можна регулювати витримку часу Dt1 (фіг. 3) від моменту спрацьовування задатчика керуючих сигналів /ЗС/ до відкриття тиристора Т1, тобто до моменту включення електричної котушки 18. При зміні частоти обертання двигуна відбувається зміна інтервалу часу Dt1. Це здійснюється механічним зв'язком реохорди або повзуна регу 3 43253 ктродинамічна сила. Тому що в процесі впорскування палива на якір діє електродинамічна сила завбільшки кілька сотень ньютона, то для забезпечення надійної роботи його необхідно виконувати сталевим і наносити на його поверхню шар металу з високою питомою електричною провідністю. У міру того, як буде рости величина електродинамічної сили, вона переборе силу попереднього затягування пружини і тиск палива в надплунжерному обсязі і почнеться рух плунжера. В міру зменшення об'єму над плунжером буде зростати тиск палива. Як тільки тиск палива перевищить силу пружності елементів, що навантажують запірний клапан, і силу тиску газів на нього, почнеться подача палива через сопловий отвір. Тиск впорскування палива буде монотонно зростати до досягнення максимуму електродинамічної сили, а потім також монотонно зменшуватися до закінчення впорскування палива. Для забезпечення стабільної роботи насос-форсунки на всіх режимах роботи двигуна величину максимальної електродинамічної сили беруть у 1,5-2 рази більше, ніж це потрібно для забезпечення максимального тиску впорскування палива. Таким чином, є можливість забезпечити закінчення впорскування палива при досить високому його тиску. Розрахунок електродинамічної сили з урахуванням змінюваного зазору між електричною котушкою і якорем провадиться за методикою, описаною в (см. Электродинамические усилия в токоведущих частях электрических аппаратов и токопроводах. - И.Ф. Кузнецов, Г.Н. Цицикян. Л.: "Энергоатомиздат", 1989. С. 153-156). льованого резистора R7 з органом керування частотою обертання колінчастого вала двигуна і відповідним підбором величини опору резистора R7. Розрахунок кулачкового механізму задатчика керуючих сигналів /ЗС/ визначається такими основними умовами: - замикання контактів ЗС відбувається в той момент, починаючи від якого за інтервал часу Dt1 колінчастий вал двигуна провернеться на заданий кут від моменту ВМТ; - мінімальний час замкнутого стану контактів ЗС забезпечить надійне спрацьовування тиристора Т2 і, відповідно, тиристора Т1; - максимальний час замкнутого стану контактів ЗС не більш проміжку часу, при якому ПЗІ надійно знеструмлюється до моменту наступного включення електричної котушки 18 на максимальній частоті обертання двигуна. Електродинамічний привід насос-форсунки в сполученні з БК дозволяє усунути недоліки, властиві прототипові. 1. Електродинамічний привід дозволяє забезпечити інтенсивне впорскування палива. 2. Час впорскування на всіх режимах роботи двигуна мало змінюється. 3. БК з пристроєм зсуву імпульсів /ПЗІ/ дозволяє змінювати, у залежності від режиму роботи двигуна, кут випередження упорскування палива. Розглянемо сили, що діють на плунжер у процесі впорскування палива (фіг. 4). До моменту початку дії на плунжер електродинамічної сили, на нього через якір діє сила попереднього затягування пружини і тиск палива в надплунжерному об'ємі. Після подачі імпульсу струму на електричну котушку, на плунжер через якір починає діяти еле 4 43253 Фіг. 1 5 43253 Фіг. 2 6 43253 Фіг. 3 7 43253 Фіг. 4 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ __________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 __________________________________________________________ 8