Клапанная форсунка для впрыскивания топлива и способ управления ею

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет изменять количество дозируемого в единицу времени топлива в зависимости от частоты вращения вала ДВС, а также оптимизировать динамику открытия и закрытия иглы форсунки. Клапанная форсунка для впрыскивания топлива, прежде всего клапанная форсунка для систем впрыскивания топлива двигателей внутреннего сгорания (ДВС) имеет взаимодействующую с первым якорем первую катушку, соединенную с первым якорем с силовым замыканием иглу для приведения в действие запорного элемента, который совместно с контактной поверхностью седла образует место плотной посадки, и вторую катушку. Первый якорь нагружен действующим в направлении закрытия усилием первой возвратной пружины. Второй якорь взаимодействует со второй катушкой таким образом, чтобы при запитывании первой катушки и второй катушки соединенный с иглой упорный элемент упирался во второй якорь. Способ управления клапанной форсункой для впрыскивания топлива, прежде всего клапанной форсункой для систем впрыскивания топлива двигателей внутреннего сгорания (ДВС), имеющей взаимодействующую с первым якорем первую катушку, соединенную с первым якорем с силовым замыканием иглу для приведения в действие запорного элемента, который совместно с контактной поверхностью седла образует место плотной посадки, и вторую катушку. Первый якорь нагружен действующим в направлении закрытия усилием первой возвратной пружины. Второй якорь взаимодействует со второй катушкой таким образом, чтобы при запитывании первой катушки и второй катушки соединенный с иглой упорный элемент упирался во второй якорь. За счет одновременного запитывания первой катушки и второй катушки иглу клапанной форсунки переводят в первое открытое положение с обеспечением первого проходного сечения или за счет запитывания только первой катушки иглу клапанной форсунки переводят во второе открытое положение с обеспечением второго проходного сечения. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение относится к клапанной форсунке для впрыскивания топлива, а также к способу управления такой клапанной форсункой.

В подобных клапанных форсунках время их закрытия увеличивается, во-первых, за счет сил сцепления, действующих в магнитной цепи между якорем и сердечником, и, во-вторых, за счет вихревых токов. Для сокращения такой задержки в срабатывании клапанной форсунки процесс исчезновения остаточного магнитного поля можно, как известно, ускорить, если сразу же после прекращения подачи импульса тока возбуждения на катушку клапанной форсунки пропускать через эту катушку ток в обратном направлении. Однако необходимые для этого соответствующие управляющие элементы имеют сложную конструкцию и позволяют достичь лишь незначительного сокращения времени закрытия форсунки.

Другой возможный подход состоит в создании одного магнитного поля для открытия клапанной форсунки и второго магнитного поля для удерживания форсунки в открытом положении. При этом напряженность удерживающего магнитного поля можно задавать столь малой величины, чтобы возникающие после отключения этого удерживающего поля вихревые токи были незначительными.

Из заявки DE 2306007 С3 известна имеющая электромагнитный привод клапанная форсунка для впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания (ДВС), катушка которой (форсунки) имеет три обмотки, управление каждой их которых осуществляется с помощью трех раздельных электрических цепей. При этом первая электрическая цепь служит для быстрого открытия клапанной форсунки, вторая электрическая цепь предназначена для удержания клапанной форсунки в открытом состоянии, а третья электрическая цепь служит для создания встречного магнитного поля, способствующего исчезновению остаточного магнитного поля, с целью ускорения процесса закрытия клапанной форсунки. Недостаток известной из DE 2306007 С3 клапанной форсунки состоит в исключительно трудоемком изготовлении системы с тремя электрическими цепями, управляющими тремя обмотками катушки.

Помимо этого такая форсунка позволяет впрыскивать топливо только в постоянном количестве в единицу времени, т.е. с постоянным расходом, из-за чего дозирование топлива в меньших количествах в диапазоне пониженных частот вращения вала ДВС можно обеспечить за счет значительного сокращения времени закрытия форсунки, для чего необходимо использовать более сильные возвратные пружины, а также принудительно повышать мощность возбуждения катушек. В результате существенно возрастает нагрузка на электрические компоненты.

Изобретение направлено на усовершенствование клапанной форсунки для впрыскивания топлива, прежде всего для систем впрыскивания топлива ДВС, имеющей взаимодействующую с первым якорем первую катушку, соединенную с первым якорем с силовым замыканием иглу для приведения в действие запорного элемента, который совместно с контактной поверхностью седла образует место плотной посадки, и вторую катушку, при этом первый якорь нагружен действующим в направлении закрытия усилием первой возвратной пружины. В соответствии с изобретением предлагается, чтобы второй якорь взаимодействовал со второй катушкой таким образом, чтобы при запитывании первой катушки и второй катушки соединенный с иглой упорный элемент упирался во второй якорь.

Объектом изобретения является также способ управления клапанной форсункой охарактеризованной выше конструкции, заключающийся в том, что за счет одновременного запитывания первой катушки и второй катушки иглу клапанной форсунки переводят в первое открытое положение с обеспечением первого проходного сечения или за счет запитывания только первой катушки иглу клапанной форсунки переводят во второе открытое положение с обеспечением второго проходного сечения.

Преимущество предлагаемой в изобретении клапанной форсунки для впрыскивания топлива и предлагаемого в изобретении способа состоит по сравнению с известными из уровня техники решениями в возможности изменять количество дозируемого в единицу времени топлива в зависимости от частоты вращения вала ДВС, поскольку за счет попеременного запитывания двух катушек, которые взаимодействуют с двумя якорями, игла клапанной форсунки может устанавливаться в одно из двух открытых положений, перемещением в каждое из которых можно управлять избирательно и индивидуально.

Второй якорь может быть поджат в направлении закрытия второй возвратной пружиной, установленной с предварительным сжатием между первым якорем и вторым якорем. При этом усилие второй возвратной пружины может быть существенно меньше усилия первой возвратной пружины.

Для оптимизации динамики открытия наиболее предпочтительно предусмотреть упорный элемент, который в зависимости от схемы запитывания катушек либо перемещает при своем движении второй якорь в направлении открытия, либо упирается в неподвижно удерживаемый второй якорь.

Так, в частности, активное переключение клапанной форсунки на возврат ее иглы из открытого положения в закрытое положение обеспечивает высокую динамику закрытия форсунки, что позволяет исключительно быстро переводить иглу форсунки в закрытое положение из любого из двух возможных ее открытых положений.

Между сердечником и первым якорем может быть предусмотрен первый рабочий зазор, а между упорным элементом и вторым якорем - второй рабочий зазор, при этом первый рабочий зазор больше второго рабочего зазора.

При соответствующем подборе размеров обоих рабочих зазоров клапанная форсунка позволяет формировать струи впрыскиваемого в каждом из открытых положений ее иглы топлива с требуемыми характеристиками.

При наличии вышеупомянутых рабочих зазоров может быть предусмотрена возможность, за счет смыкания второго рабочего зазора при запитывании первой катушки и второй катушки, перевода иглы клапанной форсунки в первое открытое положение с обеспечением первого проходного сечения, что целесообразно прежде всего в диапазоне пониженных частот вращения вала ДВС, поскольку в этом положении можно уменьшить количество дозируемого на впрыскивание топлива. Предпочтительно также предусмотреть возможность, за счет смыкания первого рабочего зазора при запитывании только первой катушки, перевода иглы клапанной форсунки во второе открытое положение с обеспечением второго проходного сечения. При этом первое проходное сечение может быть меньше второго проходного сечения.

При нахождении иглы клапанной форсунки во втором открытом положении форма струи впрыскиваемого в этом положении топлива может быть отлична от формы струи топлива, впрыскиваемого в первом открытом положении иглы.

В частных случаях осуществления предлагаемого способа игла клапанной форсунки может переводиться из первого открытого положения во второе открытое положение за счет отключения тока возбуждения второй катушки. Кроме того, игла клапанной форсунки может переводиться из второго открытого положения в закрытое положение запитыванием второй катушки, формируемое которой при этом магнитное поле создает действующее в направлении закрытия усилие, и отключением тока возбуждения первой катушки.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые упрощенные чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - один из вариантов выполнения предлагаемой в изобретении клапанной форсунки в продольном разрезе и

на фиг.2 - диаграмма, отражающая порядок запитывания катушек показанной на фиг.1 клапанной форсунки для перевода ее иглы в различные открытые положения, а также отражающая зависимость соответствующей указанным открытым положениям длины хода этой иглы в функции времени.

На фиг.1 в продольном разрезе схематично показана расположенная со стороны впрыскивания топлива часть клапанной форсунки 1. Подобная клапанная форсунка 1 предназначена прежде всего для непосредственного впрыскивания топлива в не показанную на чертежах камеру сгорания ДВС с принудительным зажиганием и сжатием рабочей смеси.

Клапанная форсунка 1 имеет сердечник 2 и распылитель 3, которые заключены в корпус 4 клапанной форсунки. В этом корпусе 4 расположены первая 5 и вторая 6 катушки, которые заключены в замыкающие магнитные цепи первое 7 и второе 8 ярма магнитопроводов соответственно. Между сердечником 2 и распылителем 3 расположены первый 9 и второй 10 якоря, взаимодействующие с соответствующими катушками 5 и 6. Первый якорь 9 нагружен действующим в направлении закрытия усилием возвратной пружины 11, а второй якорь 10, когда клапанная форсунка 1 находится в закрытом состоянии, прилегает к торцу распылителя 3. Между первым 9 и вторым 10 якорями установлена предварительно сжатая вторая возвратная пружина 12, поджимающая второй якорь 10 в направлении закрытия. Развиваемое первой возвратной пружиной 11 усилие, т.е. ее упругость, существенно превышает усилие, развиваемое второй возвратной пружиной 12.

С первым якорем 9 соединена игла 13 форсунки, на расположенном со стороны впрыскивания конце которой имеется запорный элемент 14. Этот запорный элемент 14 во взаимодействии с контактной поверхностью 15 седла образует место плотной посадки и удерживается первой возвратной пружиной 11 плотно прижатым к контактной поверхности 15 седла 16. В седле 16 выполнено по меньшей мере одно распылительное отверстие 17.

На иглу 13 форсунки с геометрическим замыканием надет гильзообразный упорный элемент 18. Между первым якорем 9 и сердечником 2 имеется первый рабочий зазор 19. Между вторым якорем 10 и упорным элементом 18 имеется второй рабочий зазор 20. При этом первый рабочий зазор 19 больше второго рабочего зазора 20.

Топливо поступает к месту плотной посадки по центральному подводящему топливопроводу 23 и по выполненным в якорях 9 и 10 топливоподводящим каналам 21а, 21b, а также по центральному отверстию 22 распылителя 3.

При пропускании тока возбуждения через первую катушку 5 первый якорь 9 и соединенная с ним игла 13 перемещаются в направлении открытия. При этом запорный элемент 14 приподнимается от контактной поверхности 15 седла. Если вторая катушка 6 остается обесточенной, то длина совершаемого первым якорем 9 хода соответствует осевой протяженности первого рабочего зазора 19. При этом первый якорь 9 вместе с иглой 13 и закрепленным на ней упорным элементом 18 перемещается в направлении открытия до упора упорного элемента 18 во второй якорь 10. Поскольку второй якорь 10 имеет возможность перемещения против усилия второй возвратной пружины 12, он при дальнейшем перемещении иглы 13 также начинает перемещаться в направлении открытия установленным на ней упорным элементом 18. В момент полной выборки первого рабочего зазора 19 игла форсунки достигает верхнего открытого положения. При этом через распылительное отверстие 17 топливо впрыскивается в камеру сгорания.

В диапазоне пониженных частот вращения вала ДВС игла клапанной форсунки 1 устанавливается не в верхнее, а лишь в нижнее открытое положение. В этом случае длина ее хода соответствует осевой протяженности второго рабочего зазора 20. В рассматриваемом случае для перемещения иглы форсунки в нижнее открытое положение сначала пропускают ток возбуждения через вторую катушку 6. В результате второй якорь 10 удерживается в контакте с распылителем 3. При последующем пропускании тока возбуждения через первую катушку 5 первый якорь 9 вместе с соединенной с ним иглой 13 начинает перемещаться в направлении открытия до тех пор, пока упорный элемент 18 не упрется во второй якорь 10. Поскольку через катушку 6 при этом продолжает протекать ток возбуждения, а второй якорь 10 удерживается тем самым в контакте с распылителем 3, игла клапанной форсунки 1 перемещается только до нижнего открытого положения. Тем самым появляется возможность дозировать топливо в меньшем количестве, струя которого помимо этого характеризуется иными параметрами, например иным угловым распределением (углом распыла).

Для закрытия находящейся в верхнем открытом положении иглы клапанной форсунки 1 через обе катушки 5 и 6 пропускают электрический ток. При отключении пропускаемого через первую катушку 5 тока возбуждения на иглу в направлении ее закрытия действуют усилие первой возвратной пружины 11, а также усилие, создаваемое магнитным полем, формируемым второй катушкой 6. В результате игла клапанной форсунки 1 быстро переключается из открытого в закрытое положение.

При отключении пропускаемого через первую катушку 5 тока возбуждения первый якорь 9 вместе с соединенной с ним иглой 13, а также второй якорь 10 приобретают под действием возвратного усилия первой возвратной пружины 11 ускорение, способствующее их перемещению из верхнего открытого положения в направлении закрытия, при этом второй якорь 10 под действием усилия, создаваемого магнитным полем, формируемым второй катушкой 6, эффективно притягивается в направлении закрытия. В результате взаимодействия подобных различных сил, а также благодаря тому факту, что первая возвратная пружина 11 должна придавать ускорение в направлении закрытия только первому якорю 9 и игле 13, но не второму якорю 10, удается существенно сократить время закрытия клапанной форсунки.

Закрытие находящейся в нижнем открытом положении иглы клапанной форсунки 1 также осуществляется отключением пропускаемого через первую катушку 5 тока возбуждения. Поскольку при этом второй якорь 10 удерживается в контакте с распылителем 3 остающейся под напряжением второй катушкой 6, ускорение в направлении закрытия требуется придать только первому якорю 9 вместе с иглой 13. В этом случае закрытие иглы клапанной форсунки 1 обеспечивается возвратным усилием первой возвратной пружины 11. Благодаря малой длине хода запорный элемент 14 может быстро установиться обратно в исходное - закрытое - положение, что также позволяет сократить время закрытия клапанной форсунки.

На фиг.2 для пояснения процессов, происходящих при срабатывании клапанной форсунки в подключенном к источнику тока и обесточенном состоянии первой 5 и второй 6 катушек, приведена диаграмма, на которой представлена зависимость хода h иглы, соответственно ее запорного элемента от времени t. Электрический ток, пропускаемый через первую катушку 5, обозначен через I₁, а электрический ток, пропускаемый через вторую катушку 6, обозначен через I₂. В диапазоне пониженных частот вращения вала ДВС, в котором топливо требуется дозировать в малых количествах, игла клапанной форсунки 1 переводится в нижнее открытое положение. С этой целью сначала пропускают ток возбуждения через вторую катушку 6, удерживающую второй якорь 10 в контакте с распылителем 3. В результате при последующем запитывании катушки 5 первый якорь 9 вместе с соединенной с ним иглой 13 может приподниматься только до тех пор, пока упорный элемент 18 не упрется во второй якорь 10. Закрытие клапанной форсунки 1 при нахождении ее иглы в нижнем открытом положении осуществляется за счет отключения тока I₁ возбуждения первой катушки 5 (левая часть диаграммы).

При необходимости перевести иглу клапанной форсунки в верхнее открытое положение вторую катушку 6 оставляют в обесточенном состоянии, а через первую катушку 5 пропускают ток возбуждения. В результате первый якорь 9 может приподнимать иглу 13 до тех пор, пока она не упрется в сердечник 2, т.е. пока полностью не будет выбран первый рабочий зазор 19. Для завершения процесса открытия клапанной форсунки запитывают также вторую катушку 6. При этом, однако, первый якорь 9 вместе с соединенной с ним иглой 13 остается в контакте с сердечником 2. При последующем отключении тока I₁ возбуждения первой катушки 5 создаваемое ею магнитное поле исчезает, и первый якорь 9 отходит от сердечника 2. При этом первый якорь 9 под действием возвратного усилия первой возвратной пружины 11 и усилия, создаваемого магнитным полем, формируемым второй катушкой 6, возвращается обратно в закрытое положение. Тем самым создается возможность значительно ускорить процесс закрытия клапанной форсунки, поскольку этому процессу закрытия дополнительно к возвратному усилию первой возвратной пружины способствует усилие, создаваемое магнитным полем, формируемым второй катушкой 6 (правая часть диаграммы).

При необходимости перевести иглу клапанной форсунки 1 сначала в нижнее, а затем в верхнее открытое положение катушки 5 и 6 запитывают по следующей схеме. Сначала для удержания второго якоря 10 в контакте с распылителем 3 возбуждают вторую катушку 6. При последующем запитывании первой катушки 5 первый якорь 9 вместе с соединенной с ним иглой 13 перемещается в направлении открытия до тех пор, пока упорный элемент 18 не упрется во второй якорь 10. Тем самым игла форсунки устанавливается в первое стабильное открытое положение. При этом ток возбуждения протекает через первую 5 и вторую 6 катушки. Для перевода иглы клапанной форсунки из первого - нижнего - открытого положения во второе - верхнее - открытое положение отключают ток I₂ возбуждения второй катушки 6. В результате магнитное поле, удерживающее второй якорь 10 в контакте с распылителем 3, исчезает, благодаря чему первый якорь 9 и увлекаемый им второй якорь 10 могут глубже втянуться в создаваемое первой катушкой 5 магнитное поле до полного смыкания первого рабочего зазора 19. По достижении иглой верхнего открытого положения ток возбуждения пропускают только через вторую катушку.

Для последующего закрытия клапанной форсунки 1 вновь запитывают вторую катушку 6. После создания второй катушкой 6 магнитного поля достаточно высокой напряженности первую катушку 5 обесточивают. В результате игла клапанной форсунки 1 возвращается обратно в исходное положение (центральная часть диаграммы).

Предлагаемое в изобретении решение не ограничено рассмотренным выше вариантом, а допускает его применение в клапанных форсунках 1 различных иных конструкций.

1. Клапанная форсунка (1) для впрыскивания топлива, прежде всего клапанная форсунка для систем впрыскивания топлива двигателей внутреннего сгорания (ДВС), имеющая взаимодействующую с первым якорем (9) первую катушку (5), соединенную с первым якорем (9) с силовым замыканием иглу (13) для приведения в действие запорного элемента (14), который совместно с контактной поверхностью (15) седла образует место плотной посадки, и вторую катушку (6), при этом первый якорь (9) нагружен действующим в направлении закрытия усилием первой возвратной пружины (11), отличающаяся тем, что второй якорь (10) взаимодействует со второй катушкой (6) таким образом, чтобы при запитывании первой катушки (5) и второй катушки (6) соединенный с иглой (13) упорный элемент (18) упирался во второй якорь (10).

2. Клапанная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что второй якорь (10) поджат в направлении закрытия второй возвратной пружиной (12), установленной с предварительным сжатием между первым якорем (9) и вторым якорем (10).

3. Клапанная форсунка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что усилие второй возвратной пружины (12) существенно меньше усилия первой возвратной пружины (11).

4. Клапанная форсунка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что между сердечником (2) и первым якорем (9) имеется первый рабочий зазор (19), а между упорным элементом (18) и вторым якорем (10) имеется второй рабочий зазор (20), при этом первый рабочий зазор (19) больше второго рабочего зазора (20).

5. Клапанная форсунка по п.4, отличающаяся тем, что предусмотрена возможность за счет смыкания второго рабочего зазора (20) при запитывании первой катушки (5) и второй катушки (6) перевода иглы клапанной форсунки (1) в первое открытое положение с обеспечением первого проходного сечения.

6. Клапанная форсунка по п.5, отличающаяся тем, что предусмотрена возможность за счет смыкания первого рабочего зазора (19) при запитывании только первой катушки (5) перевода иглы клапанной форсунки (1) во второе открытое положение с обеспечением второго проходного сечения.

7. Клапанная форсунка по п.5 или 6, отличающаяся тем, что первое проходное сечение меньше второго проходного сечения.

8. Клапанная форсунка по любому из пп.4-7, отличающаяся тем, что при нахождении иглы клапанной форсунки (1) во втором открытом положении форма струи впрыскиваемого в этом положении топлива отлична от формы струи топлива, впрыскиваемого в первом открытом положении иглы.

9. Способ управления клапанной форсункой (1) для впрыскивания топлива, прежде всего клапанной форсункой для систем впрыскивания топлива двигателей внутреннего сгорания (ДВС), имеющей взаимодействующую с первым якорем (9) первую катушку (5), соединенную с первым якорем (9) с силовым замыканием иглу (13) для приведения в действие запорного элемента (14), который совместно с контактной поверхностью (15) седла образует место плотной посадки, и вторую катушку (6), при этом первый якорь (9) нагружен действующим в направлении закрытия усилием первой возвратной пружины (11), а также имеющей второй якорь (10), который взаимодействует со второй катушкой (6) таким образом, чтобы при запитывании первой катушки (5) и второй катушки (6) соединенный с иглой (13) упорный элемент (18) упирался во второй якорь (10), заключающийся в том, что за счет одновременного запитывания первой катушки (5) и второй катушки (6) иглу клапанной форсунки (1) переводят в первое открытое положение с обеспечением первого проходного сечения или за счет запитывания только первой катушки (5) иглу клапанной форсунки (1) переводят во второе открытое положение с обеспечением второго проходного сечения.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что иглу клапанной форсунки (1) переводят из первого открытого положения во второе открытое положение за счет отключения тока возбуждения второй катушки (6).

11. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что иглу клапанной форсунки (1) переводят из второго открытого положения в закрытое положение запитыванием второй катушки (6), формируемое которой при этом магнитное поле создает действующее в направлении закрытия усилие, и отключением тока возбуждения первой катушки (5).