Насос-форсунка
Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к системам топливоподачи дизелей. Применен привод запорного элемента (иглы) на основе короткого магнитострикционного стержня и рычажного мультипликатора. Связь выходного плеча мультипликатора с запорным элементом осуществлена через гибкую тягу. Магнитострикционный стержень размещен в каркасе электрической катушки. Имеется дифференциальный датчик перемещения запорного элемента. Высокое давление топлива создается электрическим зарядом. Насос-форсунка позволяет реализовать различные алгоритмы топливоподачи.
3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Полезная модель относится к двигателестроению, в частности, к системам топливоподачи дизелей с электрическим управлением.
Первые электроуправляемые системы топливоподачи строились на применении электромагнитов. Это направление развивалось многие годы, особенно для аккумуляторных систем топливоподачи (Патент RU 2221930 С2 МПК F02M 51/06; патент RU 2273763 С2 МПК F02M 47/02, 51/06), а также для насос - форсунок с приводом от распредвала двигателя (Патент RU 2120055 С1 МПК F02M 57/02, 59/36). Ограниченное быстродействие электромагнитов привело к применению пьезоэлектрических преобразователей (Патент RU 2191942 С2 МПК F16K 31/02, 31/66; F02M 51/06). Здесь свои проблемы с быстродействием, обусловленные большой электрической емкостью пьезопреобразователей. Большее быстродействие обеспечивают магнитострикционные преобразователи для коммутации высокого давления топлива (Патент RU 2042859 С1 МПК F02K 51/06). Далее появились насос - форсунки в которых высокое давление топлива создается за счет высоковольтного электрического разряда (Авт.свид. SU 1550201 А1 МПК F02M 57/06; патент RU 2053406 С1 МПК F02M 57/06).
Анализируя известные конструкции насос - форсунок следует отметить их низкую технологичность, как следствие большого количества точных кинематических сопряжении. Для насос - форсунок на основе высоковольтного разряда конструкция несколько упрощается, но расположение испарительной камеры вблизи носка ограничивает их применение для малогабаритных двигателей.
Прототипом является насос - форсунка по патенту на полезную модель RU 100144 U1 МПК F02M 57/00, опубл. 10.12.1010 Бюл. 
34, содержащая полый корпус с топливоподводящим каналом и соплом с запорным элементом, установленный в корпусе электрод, изолированный от корпуса втулкой из электроизоляционного материала с образованием испарительной камеры, размещенной со стороны сопла, затвор, сообщающий испарительную камеру с каналом подвода топлива, при этом она снабжена кольцевой соосной электрической катушкой, которая размещена в неподвижной втулке из электроизоляционного материала, запорный элемент выполнен в виде консольного стержня из магнитострикционного материала с наконечником на одном конце со стороны сопла, размещен с зазором внутри электрода и жестко связан с последним вторым концом, электрод снабжен игольчатыми элементами, которые установлены радиально в испарительной камере, а полый корпус выполнен с коническими кольцевыми выступами по внутренней поверхности испарительной камеры, которые расположены в плоскостях 
игольчатых элементов электрода с образованием разрядных промежутков. Как следует из материалов рассматриваемого патента, в исходном положении наружный конус наконечника запорного элемента совмещен с внутренним посадочным конусом сопла и перекрывает его распыливающие отверстия.
Для этой конструкции характерны те же свойства, что и для отмеченных выше аналогов. Расположение испарительной камеры вблизи сопла не позволяет минимизировать размеры носка насос - форсунки, следовательно применить эту конструкцию для малогабаритных двигателей, у которых пространство в головке блока цилиндров ограничено. Представляет определенную техническую трудность исполнение запорного элемента. Это связано с двумя обстоятельствами. Первое - для магнитострикционных материалов характерно, что отрицательные коэффициенты магнитострикции меньше, чем положительные (см. Сорокин B.C. Материалы и элементы электронной техники. В 2 т. Т.2. Активные диэлектрики. / B.C.Сорокин, Б.Л.Антипов, Н.П.Лазарева. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - С.182-184.). В рассматриваемой конструкции запорный элемент из магнитострикционного материала работает на укорочение, т.е. материал имеет отрицательный коэффициент магнитострикции. Это приводит к большой длине запорного элемента. Второе - магнитострикционные материалы хрупкие, поэтому здесь требуются очень высокие точности сопряжения запорного элемента с наконечником и электродом.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение технологичности конструкции, в частности, за счет применения компенсаторов погрешностей, а также снижение размеров носка насос-форсунки с целью использования ее в малогабаритных двигателях.
Указанный результат достигается тем, что насос-форсунка, содержащая полый корпус с топливоподводящим каналом и соплом с запорным элементом, установленный в корпусе электроизолированный электрод с игольчатыми частями с образованием испарительной камеры, кольцевую электрическую катушку, которая размещена в электроизолированном каркасе, снабжена приводом и датчиком перемещения запорного элемента, последний выполнен в виде ступенчатого стержня, составленного из запорной иглы с наружным конусом на одном конце и цанговой втулки на другом конце, привод перемещения запорного элемента содержит магнитострикционный стержень, размещенный внутри каркаса электрической катушки, и рычажный мультипликатор с упругой тягой, при этом свободный конец магнитострикционного стержня кинематически связан со входным плечом рычажного мультипликатора, выходное плечо которого через упругую тягу соединено с цанговой втулкой запорного элемента.
В насос-форсунке рычажный мультипликатор выполнен на основе крестообразного рычага, в крестовой части которого прикреплены одним концом две пары плоских пружин, при этом другие концы плоских пружин закреплены на корпусе, образуя угол 90°, а упругая тяга имеет длину, реализующую предварительную деформацию плоских пружин рычажного мультипликатора, обеспечивающую исходную силу поджатия наружного конуса иглы запорного элемента к посадочному конусу сопла.
Датчик перемещения запорного элемента выполнен в виде двух электроизолированных металлических колец, установленных неподвижно с возможностью взаимодействия посредством электрического поля с внешней поверхностью цанговой втулки запорного элемента.
На фиг.1 приведена конструктивная схема насос-форсунки (осевой разрез); на фиг.2 показана стилизованное исполнение мультипликатора; на фиг.3 дан вид А, здесь некоторые элементы заднего плана не отражены; на фиг.4 показано исполнение электрических выводов игольчатого электрода и датчика перемещения.
Монтажной основой насос - форсунки является составной корпус, представленный из соединенных винтами 1 собственно корпуса 2 и основания 3. В корпусе установлена электроизоляционная втулка 4 игольчатого электрода, состоящего из кольца 5 и игольчатых частей 6. В корпусе, соосно размещен запорный элемент, предоставленный ступенчатым стежнем, составленным из иглы 7 круглого сечения и цанговой втулки 8. В нижней части корпуса (здесь и далее ориентация по чертежу) закреплено сопло в виде резьбовой втулки 9 с посадочным конусом и с распыливающими отверстиями 10. В исходном положении конические части иглы и резьбовой втулки сопла совмещены. Сравнительно длинный участок нижней части корпуса, достаточный для размещения в головке блока цилиндров двигателя, имеет цилиндрическую форму малого диаметра, при этом кольцевой зазор 11 между корпусом и иглой образует топливоподводящий канал. Пространство 12, ограниченное корпусом, изоляционной втулкой с игольчатым электродом и иглой, представляет собой испарительную камеру. Подвод топлива в испарительную камеру осуществляется через затвор, который представлен штуцером 13, шариком 14 и пружиной 15. Заметим, что затвор может принадлежать любому участку общей системы топливоподачи двигателя. Здесь, для удобства изложения, он включен в состав насос-форсунки.
Для создания цепи обратной связи системы управления топливоподачей двигателя в состав насос-форсунки включен датчик перемещения запорного элемента. Датчик представлен корпусом датчика 16 тороидальной формы из электроизоляционного материала. По торцам в этом корпусе запрессованы два электропроводных кольца 17, 18, при этом корпус датчика закреплен на втулке игольчатого электрода винтами 19. В исходном положении наружная цилиндрическая поверхность большого диаметра цанговой втулки ступенчатого стержня в осевом направлении расположена симметрично по отношению к электропроводным кольцам в их средней части. В результате в исходном положении электрическая емкость, определяемая площадью перекрытия, зазором и диэлектрической проницаемостью воздуха в зазоре, окажется одинаковой применительно к каждому кольцу. Датчик может использоваться при дифференциальном включении, что исключает влияния возможных факторов - температуры, влажности. На фиг.4 показано оформление электрических выводов датчика перемещения. Монтажные провода 20 уложены в радиальных пазах 21 корпуса датчика и подпаяны к электропроводным кольцам. На этом чертеже показано также исполнение электрического вывода игольчатого электрода. Высоковольтный провод 22 проходит через отверстия корпуса датчика перемещения и электроизоляционной втулки игольчатого электрода и подпаивается к кольцу игольчатого электрода. Монтажный зазор заполняется компаундом.
Привод перемещения запорного элемента, состоящего из иглы и цанговой втулки, организован следующим образом. Функцию двигателя в приводе осуществляет магнитострикционный стержень 23 с положительным коэффициентом магнитострикции материала, который размещен внутри каркаса 24 электрической катушки 25. Под действием магнитного поля катушки с током магнитострикционный стержень удлиняется. Перемещение свободного конца магнитопроводного стержня через мультипликатор передается запорному элементу. Основу мультипликатора составляет крестообразный рычаг 26, на котором закреплены две пары плоских пружин - горизонтальные 27 (ориентация чертежа) и вертикальные 28. Крепление пружин на рычаге реализовано винтами 29 через накладки в виде прямоугольных шайб 30. Свободные концы вертикальных пружин закреплены на переднем кронштейне 31 с помощью винтов 32, накладок 33 (аналогичных накладкам 30) и бобышек 34. Крепление свободных концов горизонтальных пружин устроено аналогично - они прикреплены винтами 35 с накладками через бобышки 36 к основанию 3. К этому же основанию винтами 37 закреплен передний кронштейн, имеющий в нижний части окно для размещения крестообразного рычага мультипликатора. Каркас электрической катушки зафиксирован четырьмя винтами 38 на переднем кронштейне и винтами 39 на заднем кронштейне 40, который в свою очередь прикручен винтами 41 к основанию.
Рассмотренная конструкция из двух пар пружин образует ленточный упругий шарнир, для которого характерно отсутствие зазоров в кинематических парах и, соответственно, «мертвого» хода. Как показывают исследования (Исследование симметричного перекрестного шарнира / В.Н.Желудков // Изв. вузов СССР, Приборостроение, 1973, т.VIII, 6, С:109-114) подобные шарниры имеют высокую линейность моментной характеристики и очень малое смещение геометрической оси в функции угла поворота. Передаточное отношение мультипликатора ' определяется соотношением плеч крестообразного рычага.
Взаимодействие свободного конца магнитострикционного стержня с ведущим концом крестообразного рычага мультипликатора осуществляется через регулируемый упор, состоящий из винта 42 и контргайки 43. Рабочий торец винта имеет бомбинированную форму (сфера большого радиуса) за счет чего реализуется точечный механический контакт и расчетное контактное механическое напряжение. На ведомом конце крестообразного рычага мультипликатора имеется ступенчатое резьбовое отверстие 44 (см. фиг.2). Ведомый конец крестообразного рычага мультипликатора соединен с запорным элементом тягой 45 в виде стальной проволоки. При малом диаметре и сравнительно большой длине тяга имеет большую продольную и малую изгибную жесткость. Концы тяги закреплены цанговыми зажимами - верхний конец цангой 46, при этом функцию гайки выполняет ступенчатое резьбовое отверстие ведомого конца" крестообразного рычага, а нижний конец тяги зафиксирован в цанговой втулке ступенчатого стержня с помощью гайки 47. Расчет на устойчивость сжатой осевой силой тяги по методу Эйлера показывает работоспособность (устойчивость) в широком диапазоне соотношений длина - диаметр.
При сборке насос-форсунки рабочую длину тяги 45 реализуют несколько больше расчетной величины с тем, чтобы обеспечить предварительное поджатие конусного конца иглы 7 запорного элемента (ступенчатого стержня) к конической поверхности сопла 9. При этом упругий шарнир мультипликатора выполняет дополнительную функцию - функцию замыкающего упругого звена. Далее с помощью винта 42 регулируемого упора выбирают зазор между ним и свободным концом магнитопроводного стержня 23. Результат фиксируют контргайкой 43.
Таким образом, предлагаемое конструктивное решение предполагает высокую технологичность. Большинство деталей не требуют повышенной точности. Погрешности изготовления нивелируются двумя компенсаторами - регулируемым упором (винт 42 с контргайкой 43) и рабочей длиной тяги 45, которая регулируется в цанговых зажимах при юстировке. Носок корпуса 2 минимизирован по внешнему диаметру, т.к. в нем установлена только игла 7 запорного элемента. Последнее обстоятельство позволит разместить насос-форсунку в головке блока цилиндров малогабаритных двигателей. Весьма важное значение имеет простая форма короткого магнитострикционного стержня 23 и низкие требования к точности его изготовления.
Заметим, что при разработке компоновки размещения предлагаемой конструктивной схемы в головке блока цилиндров двигателя можно, не меняя сущности, установить электрическую катушку 25 в каркасе 24 осевой линией параллельно осевой линии запорного элемента.
Работает насос-форсунка следующим образом. Как было отмечено выше, в исходном положении наружный конус иглы 7 совмещен с посадочным конусом сопла и перекрывает распыливающие отверстия 10. Указанное перекрытие гарантируется силой, передаваемой через тягу 45 от предварительно деформированных плоских пружин 27,28 рычажного мультипликатора.
Топливо из магистрали низкого давления двигателя, через затвор, преодолевая сопротивление пружины 15, смещает шарик 14 и заполняет испарительную камеру 12 и топливоподводящий канал 11.
При классическом режиме топливоподачи возможны два варианта алгоритма управления: первый - подается импульс тока на электрическую катушку 25, ее магнитное поле удлиняет магнитострикционный стержень 23, который через рычажный мультипликатор (крестообразный рычаг 26) и тягу 45 поднимает запирающий элемент и игла 7 открывает распыливающие отверстия 10 сопла. Вслед за импульсом тока в катушку подается высоковольтный импульс (несколько киловольт) на электрод с игольчатыми частями 6 (импульс подается через провод 22). В испарительной камере 12 происходит электроразряд между частями 6 и корпусом 2, часть топлива переходит в пар. Развивающееся давление в испарительной камере обеспечит подачу топлива через открытые распыливающие отверстия. Величина цикловой подачи будет определяться параметрами высоковольтного импульса. Второй вариант алгоритма управления предполагает обратную последовательность управляющих импульсов: первым высоковольтным импульсом на электрод создается высокое давление топлива в насос-форсунке, а вторым токовым импульсом на электрическую катушку 25 обеспечивается подъем иглы 7 и открытие распыливающих отверстий 10.
Если организуется режим топливоподачи с подвпрыском, то импульс тока в катушку формируется двойным. Энергия первого импульса должна быть такова, чтобы подъем иглы 7 был небольшим (реально около 0,06 мм). После окончания первого импульса распыливающие отверстия закрываются, подвпрыск закончен. Второй импульс на катушку обеспечивает подъем иглы на большую величину (около 0,25 мм), происходит впрыск основной части цикловой подачи.
Таким образом, предлагаемая насос-форсунка позволяет реализовать любые режимы топливоподачи. Наличие высокочувствительного (дифференциального) датчика перемещения запорного элемента обеспечивает обратную связь канала управления, что стабилизирует параметры цикловой подачи. За счет применения двух компенсаторов погрешностей большинство размеров деталей не требуют жестких допусков, чем реализуется высокая технологичность конструкции. Размещаемая в головке блока цилиндров часть насос-форсунки (носок) имеет минимальные размеры, что позволяет применять насос-форсунку для комплектации малогабаритных двигателей.
1. Насос-форсунка, содержащая полый корпус с топливоподводящим каналом и соплом с запорным элементом, установленный в корпусе электроизолированный электрод с игольчатыми частями с образованием испарительной камеры, кольцевую электрическую катушку, которая размещена в электроизолированном каркасе, отличающаяся тем, что она снабжена приводом и датчиком перемещения запорного элемента, последний выполнен в виде ступенчатого стержня, составленного из запорной иглы с наружным конусом на одном конце и цанговой втулки на другом конце, привод перемещения запорного элемента содержит магнитострикционный стержень, размещенный внутри каркаса электрической катушки, и рычажный мультипликатор с упругой тягой, при этом свободный конец магнитострикционного стержня кинематически связан со входным плечом рычажного мультипликатора, выходное плечо которого через упругую тягу соединено с цанговой втулкой запорного элемента.
2. Насос-форсунка по п.1, отличающаяся тем, что рычажный мультипликатор выполнен на основе крестообразного рычага, в крестовой части которого прикреплены одним концом две пары плоских пружин, при этом другие концы плоских пружин закреплены на корпусе, образуя угол 90°.
3. Насос-форсунка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что упругая тяга имеет длину, реализующую предварительную деформацию плоских пружин рычажного мультипликатора, обеспечивающую исходную силу поджатия наружного конуса иглы запорного элемента к посадочному конусу сопла.
4. Насос-форсунка по п.1, отличающаяся тем, что датчик перемещения запорного элемента выполнен в виде двух электроизолированных металлических колец, установленных неподвижно с возможностью взаимодействия посредством электрического поля с внешней поверхностью цанговой втулки запорного элемента.
