Паливний інжектор

1 Паливний інжектор, що містить тримач для закріплення на двигуні, усередині якого закріплений п'єзоелектричний перетворювач енергії, підключений до джерела електричної напруги, сполучений з голкою голчастого клапана, який відрізняється тим, що п'єзоелектричний перетворювач виконано у вигляді п'єзоелектричного осцилятора взаємно-перпендикулярних і зсунутих по фазі акустичних коливань і рухомого елемента, притиснутого до осцилятора в місцях співпадання максимумів коливальних швидкостей згаданих коливань і сполученого з голкою голчастого клапана, а джерело електричної напруги виконано у вигляді генератора радіоімпульсів з частотою заповнення, яка лежить в межах частоти резонансу принаймні одного з коливань, причому п'єзоелектричний осцилятор акустично ізольований від тримача, наприклад, приклеєний до тримача через звукоізолюючу прокладку, а його електроди через виводи і ключі підключені до джерела змінної напруги 2 Паливний інжектор за п 1, який відрізняється тим, що п'єзоелектричний осцилятор виконано у вигляді п'єзоелектричної прямокутної пластини з електродами і поляризацією матеріалу пластини для збудження подовжніх і згинних по довжині пластини акустичних коливань 3 Паливний інжектор за п 1, який відрізняється тим, що п'єзоелектричний осцилятор виконано у вигляді суцільного чи порожнистого циліндра, принаймні частина якого виконана з п'єзокерамічного матеріалу з електродами і поляризацією матеріалу для збудження повздовжніх по довжині циліндра акустичних коливань і перпендикулярних до них і зсунутих по фазі радіальних коливань, причому довжина циліндра дорівнює чи приблизно дорів нює довжині хвилі повздовжніх коливань в межах частот резонансу 4 Паливний інжектор за п 1, який відрізняється тим, що п'єзоелектричний осцилятор виконано у вигляді прямокутної пластини з електродами і поляризацією матеріалу пластини для збудження повздовжніх і зсувних коливань 5 Паливний інжектор за пп 2, 3, 4, який відрізняється тим, що рухомий елемент виконано у вигляді двозубої вилки, в основі якої закріплена голка, причому КІНЦІ зубів вилки охоплюють п'єзоелектричний осцилятор і пружно притиснуті до нього чи безпосередньо, чи через ЗНОСОСТІЙКІ прокладки в місцях максимумів коливальних швидкостей 6 Паливний інжектор за п 3, який відрізняється тим, що рухомий елемент виконано у вигляді коаксіально встановленого з осцилятором і притиснутого до нього торцевою частиною стакана із суцільними чи розрізаними стінками, що охоплюють половину осцилятора, в основі якого закріплена голка 7 Паливний інжектор за п 2, який відрізняється тим, що суцільний електрод нанесено на одну з основних поверхонь пластини, причому п'єзоелемент поляризовано по товщині пластини, причому співвідношення довжини до ширини пластини дорівнює 2±20% 8 Паливний інжектор за пп 5 і 7, який відрізняється тим, що на другу основну поверхню нанесені два електроди у вигляді чотирьох рівних за площею і розташованих у шаховому порядку провідних покрить, кожні два з яких, що розташовані на діагоналях пластини, електрично з'єднані між собою, утворюючи два електроди, а КІНЦІ зубів притиснуті до бічних граней пластини, причому співвідношення довжини до ширини пластини дорівнює 3,7±20% 9 Паливний інжектор за пп 5 і 7, який відрізняється тим, що на другу основну поверхню пластини нанесені два симетрично розташованих електроди, а КІНЦІ зубів притиснуті в центрі граней по довжині пластини 10 Паливний інжектор за п 5, який відрізняється тим, що один електрод, що є спільним, нанесено на бічну грань, а два інших нанесено один під одним на частину площі основних граней, причому п'єзокерамічний матеріал поляризований перпен о> О) 9799 дикулярно їм, а в іншій частині пластини паралельно спільному електроду. 11. Паливний інжектор за пп. З, 6, який відрізняється тим, що п'єзоелектричний осцилятор виконано у вигляді пакета Ланжевена з двома порожнистими циліндричними п'єзоелементами з поляризацією перпендикулярно електродам, між якими розміщено зносостійке кільце, пружноохоплене рухомим елементом. 12. Паливний інжектор за п. 1, який відрізняється тим, що рухомий елемент сполучено з голкою голчастого клапана через підпружинену діафрагму. Корисна модель паливного інжектора відноситься до регуляторів подачі палива і може бути використана у двигунобудуванні, як елемент для автоматизованого керування роботою двигуна з метою зниження витрат палива і зменшення викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами в навколишнє середовище та зменшення рівня шуму при роботі двигуна. Відомі паливні інжектори з електромагнітним перетворювачем енергії. Відомі також інжектори з п'єзоелектричним перетворювачем енергії, які побудовані на зміні лінійних розмірів п'єзоелектричного стовпа за рахунок зворотного п'єзоефекту, [див. патент США № 20020008159АІ від 24.01.2002р]. Це технічне рішення є найбільш близьким по технічній суті, і узято за прототип. Паливний інжектор, відповідно до прототипу, що містить тримач для закріплення на двигуні, усередині якого закріплений п'єзоелектричний перетворювач енергії, підключений до джерела електричної напруги, сполучений з голкою розпилювача голчастого клапана, причому згаданий п'єзоелектричний перетворювач енергії виконаний у вигляді стовпа, що складається з великої кількості (близько 300) паралельно з'єднаних електричне тонких ( товщиною 0,08мм ) п'єзоелектричних пластин, з виводами для підключення до джерела електричних імпульсів постійної напруги. Паралельне з'єднання великого числа п'єзоелектричних пластин істотно знижує надійність пристрою, тому що пробій однієї пластини призводить до руйнування всього перетворювача. Крім того, очевидна висока вартість таких стовпів, що перевищує $300. У зв'язку з тим, що деформація таких стовпів змінюється з часом , установка голки в потрібному положенні вимагає застосування додаткових датчиків положення голки розпилювача. Задачею даного винаходу є підвищення швидкості спрацьовування паливного інжектора, зниження вартості й підвищення точності позиціонування голки розпилювача. Ця задача вирішується за рахунок застосування як виконавчого механізму п'єзоелектричного перетворювача з безпосереднім приводом голки розпилювача інжектора. П'єзоелектричний перетворювач має більш високу швидкість спрацьовування, чим електромагнітний, що дозволяє більш точно здійснювати процес подачі палива в камеру згоряння дизеля. А маючи можливість безпосередньо впливати на голку розпилювача, можна управляти не тільки моментом початку подачі палива й тривалістю упорскування, але й законом паливоподачі, що особливо важливо при адаптації вітчизняних дизелів до сучасних норм токсичності відпрацьованих газів. Одночасно із цим такий тип інжектора має меншу кількість прецизійних деталей, чим паливна апаратура з електромагнітним перетворювачем. А отже має й більше низьку вартість виготовлення. Запропонований паливний інжектор, на відміну від конструкцій з електрогідравлічним перетворювачем, не має втрат тиску на керування, що додатково заощаджує паливо. У п'єзоелектричному перетворювачі практично немає рухомих деталей, при зношуванні яких можливе погіршення параметрів паливоподачі, отже має високий рівень надійності роботи. Ця задача виконується за рахунок того, що паливний інжектор містить тримач для закріплення його на двигуні, у середині якого закріплений п'єзоелектричний перетворювач енергії, підключений до джерела електричної напруги і сполучений з голкою розпилювача голчастого клапана. Новим є те, що п'єзоелектричний перетворювач виконано у вигляді п'єзоелектричного осцилятора взаємно-перпендикулярних і зсунутих по фазі акустичних коливань та рухомого елемента, притиснутого до осцилятора в місцях співпадання максимумів коливальних швидкостей згаданих коливань і сполученого з голкою розпилювача голчастого клапана, а джерело електричної напруги виконано у вигляді генератора радіоімпульсів з частотою заповнення, яка лежить в околиці частоти резонансу, принаймні одного з коливань, причому п'єзоелектричний осцилятор акустичне ізольований від тримача, наприклад, будучи приклеєним до тримача через звукоізолюючу прокладку, а його електроди через виводи і ключі підключені до джерела змінної напруги. П'єзоелектричний осцилятор виконано у вигляді п'єзоелектричної прямокутної пластини з електродами і поляризацією матеріалу пластини для збудження повздовжніх і згинних по довжині пластини акустичних коливань. П'єзоелектричний осцилятор може бути виконаний також у вигляді прямокутної пластини з електродами і поляризацією матеріалу пластини для збудження повздовжніх і зсувних коливань. Ще одним варіантом є виконання п'єзоелектричного осцилятора у вигляді суцільного чи полого циліндра, принаймні, частина якого виконана з п'єзоелектричного матеріалу з електродами і поляризацією матеріалу для збудження повздовжніх по довжині циліндра акустичних коливань і перпендикулярних до них і зсунутих по фазі радіальних коливань, причому довжина циліндра дорівнює чи приблизно дорівнює довжині хвилі повздовжніх коливань, в межах частот резонансу. Рухомий елемент паливного інжектора виконано у вигляді двозубої вилки, в основі якої закріплена голка, причому юнці зубів вилки охоплюють 9799 п'єзоелектричний осцилятор і пружно притиснуті до нього чи безпосередньо, чи через зносостійкі прокладки в місцях максимумів коливальних швидкостей. При застосуванні циліндричного осцилятора рухомий елемент виконують у вигляді коаксиально встановленого з осцилятором і притиснутого до нього торцевою частиною стакану із суцільними чи розрізаними стінками, що охоплюють половину осцилятора. В основі якого закріплена голка голчастого клапана. При виконанні п'єзоелектричного осцилятора у вигляді пластини та при збудженні повздовжніх коливань, суцільний електрод наносять на одну з основних поверхонь пластини, причому п'єзоелемент поляризовано по товщині пластини, причому співвідношення довжини до ширини пластини дорівнює 2±20%. На другу основну поверхню пластини нанесені два симетрично розташованих електроди, а кінці зубів притиснуті в центрі граней по довжині пластини. При збудженні поздовжніх та згинних коливань на другу основну поверхню пластини нанесені два електроди у вигляді чотирьох рівних за площею і розташованих у шаховому порядку провідних покрить, кожні два з яких, що розташовані на діагоналях пластини, електричне з'єднані між собою, утворюючи два електроди, а кінці зубів вилки притиснуті до бічних граней пластини, причому співвідношення довжини до ширини пластини дорівнює 3,7±20%. При збудженні повздовжніх та зсувних коливань в пластині один електрод, що є спільним, нанесено на бічну грань, а два інших нанесено один під одним на частину площі основних граней, причому п'єзокерамічний матеріал поляризований перпендикулярно їм, а в іншій частині пластини паралельно спільному електроду. Для збільшення потужності пристрою п'єзоелектричний осцилятор виконано у вигляді пакета Ланжевена з двома подими циліндричними п'єзоелементами з поляризацією перпендикулярно електродам, між якими розміщено зносостійке кільце, пружно охоплене рухомим елементом, Для запобігання попадання палива на фрикційний контакт рухомий елемент сполучено з голкою голчатого клапана через підпружинену діафрагму. Сутність винаходу пояснюється кресленнями: На Фіг.1 показана конструкція паливного інжектора на основі п'єзоелектричного осцилятора зі збудженням повздовжніх коливань по двох напрямках. На Фіг.2 показано вузол інжектора на основі осцилятора зі збудженням згинно-повздовжних коливань. На Фіг.З показано вузол інжектора на основі осцилятора зі збудженням повздовжніх і зсувних коливань. На Фіг.4 показано вузол інжектора на основі осцилятора зі збудженням повздовжньорадіальних коливань. На Фіг.5 показано вузол інжектора на основі пакета Ланжевена. На Фіг.6. Показано форму радіоімпульсу з антизвонною складовою. Перетворювач електричної енергії в механічну виконано у вигляді п'єзоелектричного осцилятора 1 (Фіг.1) з п'єзоелектричне активною частиною 2 з п'єзокерамічного поляризованого матеріалу, в окремому випадку, ця частина виконана у вигляді прямокутної пластини довжиною L і шириною В. На Фіг.1, і надалі напрямок поляризації Р показано стрілками. На основних поверхнях пластини з однієї сторони нанесено (наприклад, напилюванням металу) суцільний, спільний електрод 3 з виводом 4 для підключення до джерела живлення 5. З іншої сторони пластини симетрично нанесені два електроди 6 і 7 з виводами 8 і 9 для почергового підключення за допомогою ключів 10 і 11 до джерела живлення. П'єзоелектричний осцилятор закріплено у тримачі 12, наприклад, будучи приклеєним до нього через ізолюючу прокладку 13, наприклад, з гуми. Тримач є одночасно захисним корпусом перетворювача і пристосований для безпосередньої установки на двигуні внутрішнього згоряння. Рухома частина 14 у розглянутому прикладі виконана у вигляді вилки 15. Зуби 16 вилки, кінці яких пружно притиснуті через закріплені на них зносостійкі прокладки 17, наприклад, з кераміки на основі окису алюмінію, до середин бічних граней по довжині осциллятора L. Голка 18 голчастого клапана закріплена в ніжці 19 основи вилки. Вона встановлена у тримачі 12 через підпружинену пружиною 21 діафрагму 22. Оптимальне співвідношення довжини пластини L до її ширини В знаходиться у співвідношенні (2:1) ±20%. При необхідності збільшення ресурсу пристрою в п'єзоелектричний осцилятор включають зносостійкий елемент 20, наприклад, у вигляді прокладки зі скла, що приклеюють до п'єзоелектричне активноїчастини. Для тих задач, коли необхідно збільшити швидкість руху голки 18, співвідношення L/B обирається рівним (3,7:1) ± 20%. У цьому випадку спільний електрод 3 зберігається, як показано на Фіг.2, а на другу основну поверхню нанесені чотири однакових провідних покриття в шаховому порядку і ці покриття, що лежать на діагоналях пластини, електричне з'єднані між собою, утворюючи електроди 6 і 7. Коли, навпаки, необхідно збільшити зусилля, що розвивається, у порівнянні з двома раніше описаними прикладами, спільний електрод наноситься на бічну грань, а два інших наносять один під одним на частину площі основних граней, причому п'єзокерамічний матеріал поляризується перпендикулярно їм, а в частині пластини, що залишилася - паралельно спільному електроду. До цього електрода і до протилежної бічної грані притиснуті зносостійкі прокладки рухомої частини 14.(Фіг.З). Подальше збільшення зусилля досягається при виготовленні рухомої частини у вигляді стакану з прорізами в стінках (Фіг.4) . Осцилятор для приводу рухомої частини виконується у вигляді п'єзокерамічного полого циліндра, коаксиально встановленого з рухомою частиною 14 і з електродами, нанесеними на зовнішню і внутрішню циліндричні поверхні. Напрямок поляризації Р при цьому є радіальним. 9799 Подальше збільшення потужності пристрою досягається виконанням рухомої частини у вигляді стакану з прорізами (Фіг.5) .Осцилятор, при цьому, виконано у вигляді пакета Ланжевена з двома подими циліндричними п'єзоелементами, між якими може бути розміщене зносостійке кільце, наприклад, із ситалу. Внутрішні циліндричні поверхні п'єзоелементів мають електроди, що контактують з металевим болтом і гайкою. Разом вони утворюють спільний електрод 3. Два інших електроди нанесено на зовнішні циліндричні поверхні п'єзоелемента. Довжина пакета Ланжевена обрана з умови збудження 2-ої моди повздовжніх коливань по довжині осцилятора, а його діаметр обраний з умови резонансу радіальних коливань. Для збільшення швидкодії спрацьовування клапана формуються радіоімпульси з протилежними фазами несучої частоти, як показано на Фіг.6. Епюри розподілу коливальних швидкостей по різних напрямках, приведені на фігурах для ясності викладу роботи пристрою. Працює пристрій у такий спосіб. При включенні ключа 10 (Фіг. 1) електрична напруга від джерела живлення 5 через виводи 4 і 8 подається на електроди 3 і 6 п'єзоелектричне активної частини 2 п'єзоелектричного осцилятора 1. П'єзоелектричне активна частина завдяки п'єзоефекту змінює свої розміри. Виникають хвилі деформацій по різних напрямках, зокрема повздовжні хвилі деформації. Ці хвилі, відбиваючись від границь осцилятора, утворюють стоячі хвилі по тим напрямкам осцилятора, по яким його розміри кратні половині довжини хвилі А,. Виникає резонанс деформацій. Частота несучої радіосигналу в розглянутому випадку вибирається такою, щоб резонанс мав місце по ширині пластини, коли В = А/2 (1-ша мода коливань по ширині) і довжині пластини, коли L = А (2-га мода коливань по довжині пластини). Якщо частота джерела живлення збігається з резонансними частотами, по довжині і ширині пластини, то зсув фаз між коливаннями дорівнює 0 і тоді точки осцилятора рухаються по прямій лінії. При зсуві фаз відмінним від 0 точки осцилятора рухаються по еліптичній траєкторії. При цьому знаходячись у фрикційному контакті зі зносостійкою прокладкою 17 чи безпосередньо з кінцями зубів 16 (якщо зуби виконані зі зносостійкого матеріалу, наприклад, зі сталі), коливальний рух точок поверхні осцилятора призводить до руху рухомої частини 14 і сполученої з нею голки 18 голчастого клапана, наприклад, відкриваючи клапан для подачі палива. Щоб закрити клапан потрібно розімкнути ключ 10 і замкнути ключ 11. Тоді електрична напруга через виводи 4 і 9 прикладається до електродів 3 і 7. Фаза повздовжніх коливань по ширині пластини В не змінюється від місця прикладення електричної напруги (як це видно з епюр деформацій ), а фаза повздовжніх коливань по довжині пластини зміниться на 180°. У результаті рух точок поверхні осцилятора по еліптичній траєкторії буде відбуватися в протилежному напрямку і рухома частина 14 почне переміщати голку 18 у зворотному напрямку, закриваючи клапан. Зсув фаз досягається підбором розмірів осцилятора. Звичайно, змінюють один розмір до одер 8 жання оптимального зсуву фаз рівному 90°. При цьому співвідношення L/B зберігається рівним 2±20%. У цій області співвідношень перетворювач зберігає працездатність. Відмінною частиною розглянутого пристрою є місце притиску зносостійкої прокладки рухливої частини до осциллятора. Оптимальним місцем є те місце, де коливальні швидкості мають максимальне значення для коливань по двох напрямках. Таким місцем для осцилятора зі збудженням подовжніх коливань є середина бічних по довжині пластини граней. Для осцилятора у вигляді суцільного чи полого циліндра (Фіг.4,5) таким місцем є смужка циліндричної поверхні в його середній частині. Робота перетворювачів з циліндричним осцилятором принципово не відрізняється від вище розглянутого приклада, тому що збудження радіальних коливань це окремий випадок збудження подовжніх коливань по радіусу циліндра, Однак, збільшення маси п'єзоелектричного матеріалу призводить до істотного збільшення зусилля, що розвивається перетворювачем, по відношенню до перетворювача на основі прямокутної пластини. Це зусилля визначається межею міцності п'єзокераміки на розрив. Стискаючи кераміку болтовим з'єднанням у пакет Ланжевена (Фіг.5), додатково збільшують зусилля, яке може розвинути перетворювач. Потужність перетворювача на основі прямокутної пластини також може бути збільшена за рахунок підвищення робочої частоти його збудження. Для цього частину п'езокерамічного матеріалу, поляризують паралельно спільному електроду З, що дає можливість збудити високочастотні поперечні коливання зсуву, (Фіг.З). Ці коливання перпендикулярні повздовжнім коливанням, тому при зсуві фаз між ними, точки поверхні, що лежать на бічних гранях паралельних вектору поляризації, рухаються по еліптичних траєкторіях, у взаємно протилежних напрямках на різних гранях. Це забезпечує односпрямований рух зубів рухомої частини. Для малопотужних паливних інжекторів, для яких визначальним є швидкість переміщення голки голчастого клапана, зниження робочої частоти дозволяє підвищити швидкість переміщення рухомої частини. Зниження робочої частоти досягнуто шляхом збудження поперечних (згинних) коливань по довжині прямокутної пластини другої моди коливань і першої моди повздовжніх коливань також по довжині пластини (Фіг.2). Асиметричне розташування електродів на прямокутній п'єзокерамічній пластині приводить одночасно до виникнення деформації стиску - розтягування і згину пластини по її ширині. При співвідношенні розмірів І_/ВЗ,7/1±2О%, частоти резонансів згаданих мод приблизно збігаються, що забезпечує синхронний рух торцевих поверхонь по еліптичних траєкторіях у протилежних напрямках. Притиснуті до цих поверхонь зуби 16 вилки 15 через зносостійкі прокладки 17 і елементи 20, якщо такі маються, зазнають односпрямоване зусилля, що від рухомої частини передається голці 18 голчастого клапана. 9799 Це зусилля буде відчутно менше, якщо паливо буде змащувати фрикційні контакти між осцилятором і рухомою частиною. Установка у тримачі через підпружинену діафрагму 22 ізолює п'єзоелектричний перетворювач від палива. Пружина 21 при цьому частково компенсує зусилля, створюване тиском палива на голку. Втрати акустичної" енергії за рахунок проникнення коливань у тримач 12 усуває звукоізолююча прокладка 13. Для підвищення швидкодії п'єзоелектричного перетворювача радіоімпульс формують із двох сигналів (Фіг.6). Перша частина з t =t1, збуджує коливальну систему, що після закінчення 9 L 6 7 г 19 Фіг. 1 10 імпульсу продовжує коливання. Друга частина з t =t2 гасить ці коливання, оскільки несучі двох частин імпульсу знаходяться в протифазі. Розглянуті приклади виконання осциляторів і рухомих частин описують загальні принципи розробки паливних інжекторів на основі коливальних систем - осциляторів. Використання більш високих мод коливань, різні відомі еквівалентні варіації розташування електродів і поляризації, форма виконання рухомої частини з однієї, трьома і більш контактними площадками не може претендувати на новизну технічного рішення. 11 12 9799 Х/2 ТІ 7 16 Фіг. 2 Х/2 Фіг. З '/У/У/УЖ/У/УЛ У////////////А Фіг. 4 13 9799 14 Фіг. 5 ;; 5 Фіг. 6 Комп'ютерна верстка М Мацело Підписне Тираж 26 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ - 4 2 , 01601