Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ ДИЗЕЛЯ

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания.

Известны электрогидравлические форсунки для дизеля, содержащие корпус с каналами, по одному из которых подводят топливо в подыгольное пространство распылителя, а другой сообщен с гидрозапорной камерой, ограниченной поршнем, сопряженным с иглой распылителя, гидрозапорная камера снабжена сливным каналом со встроенным в нем неразгруженным от давления топлива клапаном с электромагнитным управлением, а также дросселирующим узлом с жиклером, размещенным или в сливном канале [Системы управления дизельными двигателями. Перевод с немецкого. Первое издание. - М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2004. стр. 296…299] или в дополнительном канале [Патент RU №2193103 С2, ⁷F02M 47/02, опубл. 20.11.2002. Бюл. №32]. Для снижения расхода топлива на управление между гидрозапорной камерой и сливным каналом выполнен дросселирующий узел, регулирующий элемент которого жестко связан с поршнем и иглой распылителя. Недостатки указанных форсунок заключаются в использовании неразгруженных от давления топлива клапанов с электромагнитным управлением, которые требуют усилия электропривода в несколько раз больше по сравнению с разгруженными управляющими клапанами [Грехов Л.В. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: учебник для вузов / Л.В.Грехов, Н.А.Иващенко, А.В.Марков. - М.: Легион - Автодата. 2004. - 344 с.], что особенно важно при реализации высоких и сверхвысоких (до 350…400 МПа) давлений впрыскивания топлива.

Известна также электрогидравлическая форсунка с разгруженным от давления топлива управляющим клапаном с электромагнитным приводом, содержащая корпус с каналами, по одному из которых через дросселирующий узел с жиклером топливо подводят в подыгольное пространство распылителя, а другой сообщен при помощи дросселя с гидрозапорной камерой, снабженной сливным каналом со встроенным в нем клапаном, имеющим электромагнитное управление, между гидрозапорной камерой и сливным каналом выполнен дросселирующий узел, регулирующий элемент которого жестко связан с иглой, и, для увеличения стабильности малых цикловых подач между гидрозапорной камерой и сливным каналом установлен дополнительный канал с дросселем [АС СССР №909262, кл. F02M 47/2 / Опубл. 28.02.1982. Бюл. №8]. Описанная электрогидравлическая форсунка принята в качестве прототипа.

Однако в рассматриваемой форсунке эффективное проходное сечение дросселя в дополнительном канале подбирается по заданным давлениям на входе в форсунку и установившемуся давлению впрыска, что не позволяет использовать запатентованный метод подбора дросселя в дополнительном канале при условии широкого изменения давления в форсунке. Дроссель, установленный в канале подвода топлива в подыгольное пространство, заметно снижает давление впрыскивания топлива, что также нежелательно. При работе дизеля на малых цикловых подачах слив топлива производится не только через дополнительный канал с калиброванным дросселем (жиклером), но и через дроссель с регулирующим элементом, не имеющим калиброванного жиклера, что приводит к нестабильности работы форсунки на указанных режимах.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение возможности впрыскивания топлива в широком диапазоне давлений, включающих высокие и сверхвысокие давления впрыскивания (до 350…400 МПа), при сохранении управляемости топливоподачей (монотонном возрастании цикловых подач, начиная с самых малых (1…2 мм³) при увеличении времени управляющего импульса).

Технический результат достигается тем, что электрогидравлическая форсунка для дизеля с разгруженным от давления управляющим клапаном с электромагнитным приводом содержит корпус с каналами, один из которых сообщен с подыгольным пространством распылителя, а другой сообщен посредством наполнительного дросселя с гидрозапорной камерой, снабженной сливным каналом со встроенным в нем клапаном, имеющим электромагнитное управление. Между гидрозапорной камерой и сливным каналом установлен перепускной узел, регулирующий элемент которого жестко связан с иглой, и установлен дополнительный канал со сливным дросселем, при этом перед проходным сечением управляющего клапана в нем выполнен вспомогательный дроссель, проходное сечение которого f₃ связано с проходным сечением f₂ наполнительного дросселя, подводящего топливо в гидрозапорную камеру, и с проходным сечением f₂ сливного дросселя, установленного в дополнительном канале между гидрозапорной камерой и сливным каналом, следующими соотношениями 1,2≥f₃/f₁≥l,l, 0,5≥f₃/f₂≥0,45, при этом игла распылителя выполнена подпружиненной с предварительной деформацией, обеспечивающей силу, отнесенную к площади поперечного сечения иглы, в пределах 7…11 МПа.

Выполнение в управляющем клапане перед проходным сечением вспомогательного дросселя позволяет стабилизировать количество топлива на управления и сохранить управляемость топливоподачей на частичных режимах, при которых игла не достигает упора и, следовательно, перепускной узел открыт для слива топлива. В сочетании с предложенными сочетаниями проходных сечений всех трех дросселей и пределов относительной силы пружины иглы распылителя вспомогательный дроссель позволяет расширить диапазон стабильных цикловых подач и давлений впрыскивания топлива.

Конструктивное выполнение подпружиненной иглы распылителя с регулирующим элементом и реализация предложенных соотношений проходных сечений вспомогательного дросселя f₃ и сливного дросселя, установленного в дополнительном канале, f₂, а также проходных сечений f₃ и наполнительного дросселя, подводящего топливо в гидрозапорную камеру f₁ обеспечивает стабильное впрыскивание и возможность обеспечения управляемости топливоподачей, начиная от самых малых цикловых подач в широком диапазоне давлений впрыскивания, включающем сверхвысокие давления (до 350-400 МПа), а также минимизацию расходов топлива на управление.

Предварительная деформация пружины и соотношение дросселей выбраны расчетным путем с использованием ЭВМ из условий обеспечения стабильной работы форсунки в диапазоне давлений на входе 40…400 МПа и монотонного возрастания цикловых подач, начиная от 1…2 мм³, при увеличении управляющего импульса и минимизации расходов на управление.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на Фиг.1 изображена схема конкретного выполнения электрогидравлической форсунки, на Фиг.2 - зависимость цикловой подачи топлива от продолжительности управляющего импульса. На чертеже (Фиг.1) использованы следующие условные обозначения: f₁, f₂, f₃ - проходные сечения дросселей 3, 9 и 10; ЭМ - электромагнит управляющего клапана 6; р_а - давление на входе в форсунки; q_упр - расход топлива на управление.

В корпусе электрогидравлической форсунки находится канал 1, подводящий топливо в подыгольное пространство 2 распылителя и канал 3 с наполнительным дросселем 4, питающий гидрозапорную камеру 5, снабженную сливным каналом 6 со встроенным в нем управляющим клапаном 7, имеющим электромагнитное управление и пружину 13, между гидрозапорной камерой и сливным каналом выполнен перепускной узел, регулирующий элемент 8 которого жестко связан с иглой 9, и установлен дополнительный канал со сливным дросселем 10. Перед проходным сечением управляющего клапана в клапане 7 выполнен вспомогательный дроссель 11. Проходное сечение f₃ вспомогательного дросселя 11 связано с проходными сечениями f₁ - наполнительного дросселя 4 и f₂ - сливного дросселя 10 следующими соотношениями 1,2≥f₃/f₁≥1,1, 0,5≥f₃/f₂≥0,45. При этом предварительная деформация пружины 12 обеспечивает силу, отнесенную к площади поперечного сечения иглы 9, в пределах 7…11 МПа.

Электрогидравлическая форсунка работает следующим образом.

При отсутствии управляющего импульса, подаваемого на обмотку электромагнита (ЭМ), пружина 8 удерживает управляющий клапан 7 в закрытом состоянии. Причем клапан 7 является разгруженным от давления топлива, так как при нахождении клапана в закрытом состоянии силы, действующие в сторону открытия и удержания клапана, равны вследствие равенства соответствующих площадей. Это обстоятельство позволяет при сверхвысоких давлениях топлива осуществлять управление, используя сравнительно небольшие усилия электропривода и, следовательно, приемлемые компоновочные параметры электромагнита и его пружины. При закрытом управляющем клапане 7 давление во всех полостях электрогидравлической форсунки одинаково и равно давлению р_а в гидроаккумуляторе (не показан). Силы, действующие на иглу распылителя со стороны гидрозапорной камеры 5, поддерживают иглу распылителя в нижнем положении и, следовательно, распылитель закрыт. При подаче управляющего импульса на обмотку электромагнита (ЭМ) клапан 7, преодолевая сопротивление пружины, поднимается и сообщает гидрозапорную камеру 5 со сливом. Давление в гидрозапорной камере падает, и игла 9 под действием давления топлива в полости 2 распылителя, которое не уменьшается за счет дросселирования в канале 1, преодолевает силы пружины 10 и давления топлива на иглу 9 со стороны гидрозапорной камеры 5. В период, пока игла 9 распылителя не достигнет упора, давление топлива в гидрозапорной камере 5 определяется соотношением между расходом топлива, подаваемого через наполнительный дроссель 4 с проходным сечением f₁ и расходом топлива, сливаемого из гидрозапорной камеры через перепускной узел, частично перекрываемый регулирующим элементом 8, и через сливной дроссель 10 с проходным сечением f₂. Важно, что расход сливаемого топлива определяется также вспомогательным дросселем 11 с проходным сечением f₃, который стабилизирует поток сливаемого топлива и обеспечивает устойчивую работу электрогидравлической форсунки при малых цикловых подачах, при которых игла 9 не достигает упора.

После того как игла 9 распылителя достигнет упора, регулирующий элемент закроет слив, давление в гидрозапорной камере будет определяться соотношением между расходом топлива, подаваемого через наполнительный дроссель 4 с проходным сечением f_1, и, учитывая сравнительно большое проходное сечение управляющего клапана 7, расходом топлива через последовательно установленные дроссели 10 и 11 с проходными сечениями f₂ и f₃ соответственно. Как при низких, так и при высоких давлениях топлива р_а, подаваемого из гидроаккумулятора, устойчивость работы электрогидравлической форсунки определяют не только подобранные соотношения площадей f₁, f₂ и f₃, но и пределы изменения силы пружины 12.

После прекращения подачи управляющего импульса на обмотку электромагнита (ЭМ) управляющего импульса клапан 7 под действием пружины 13 закрывается, давление в гидрозапорной камере 5 и сливном канале 6 восстанавливается, и игла 9 под действием перепада давлений топлива и пружины 8 опускается, и впрыскивание топлива прекращается.

На фиг.2 показаны зависимости цикловой подачи топлива V_ц от продолжительности управляющего импульса τ_им при давлении на входе в электрогидравлическую форсунку р_а=40 МПа (в - на фиг.2), которое типично для малых нагрузок и холостого хода дизеля, и давлений р_а=400 МПа (а - на фиг. 2), которое является в настоящее время максимальным из прогнозируемых в будущем давлениях в аккумуляторной топливной системе типа Common Rail. Результаты, приведенные на фиг.2, как и обоснованные соотношения параметров электрогидравлической форсунки, получены с помощью расчетного исследования.

Как видно из фиг.2, управляемость топливоподачей (монотонное возрастание цикловых подач при увеличении управляющего импульса) сохраняется во всем диапазоне цикловых подач, включая подачи, соответствующие предвпрыску (1…2 мм³).

Таким образом, предложенное изобретение позволяет обеспечить возможность стабильного впрыскивания топлива в широком диапазоне давлений топлива, включая сверхвысокие давления (до 350-400 МПа).