Патент на изобретение №2341677

(54) ГАЗОВЫЙ ИНЖЕКТОР

(57) Реферат:

Газовый инжектор относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Изобретение повышает износоустойчивость, быстродействие и стабильность рабочих характеристик изделия. Инжектор содержит корпус с подводящим и отводящим каналами. В корпусе вдоль его продольной оси расположены электромагнит, подвижный якорь, жестко соединенный с запорным органом, и седло клапана. Между якорем и сердечником электромагнита имеется зазор, превышающий величину хода запорного органа. Электромагнит применяется броневого типа со специальным сплошным цилиндрическим полюсом. Между сердечником электромагнита и якорем расположена неферромагнитная упругая пластина, имеющая форму кольца с радиальными прорезями с внутренней стороны кольца, образующими зубцы. Зубцы отогнуты в сторону якоря. Между якорем и запорным органом расположена жестко соединенная с ними перфорированная мембрана. Жесткость мембраны в радиальных направлениях больше ее жесткости в осевом направлении. Угловая жесткость мембраны вокруг продольной оси больше ее угловых жесткостей вокруг радиальных осей. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к газотопливным системам двигателей внутреннего сгорания. Изобретение может быть также применено в медицинской технике, в частности в реанимационной аппаратуре.

В настоящее время актуальна задача создания газовых инжекторов с большим быстродействием, производительностью, износостойкостью, высокой стабильностью параметров и умеренной стоимостью.

Известны электромагнитные клапанные устройства [патент РФ №2217640, F16K 31/02, публ. 2003 г., патент РФ №2142088, F16K 31/02, публ. 1999 г., А.С. СССР №561799, F02M 51/08, публ. 1977 г.] на базе штифтового запорного механизма – аналога бензиновых форсунок. Ряд иностранных фирм оснащает автомобили газовыми инжекторами собственной конструкции также на базе штифтового запорного механизма.

Основой штифтового механизма является цилиндрический якорь электромагнита, жестко соединенный с запорным элементом и расположенный с некоторыми зазорами внутри замкнутого магнитопровода электромагнита. При этом обеспечена возможность перемещения якоря вдоль оси симметрии электромагнита, причем магнитное поле электромагнита входит в якорь по его торцевой поверхности, а выходит – по цилиндрической поверхности. В статическом состоянии запорный элемент прижимается к седлу клапана пружиной. При протекании через катушку электромагнита тока якорь притягивается к полюсу электромагнита, и запорный элемент открывает отверстие для прохода рабочего тела. Магнитный поток, проходящий через торец якоря, создает полезную силу, перемещающую якорь, а магнитные потоки, проходящие через цилиндрическую поверхность якоря, создают радиальные децентрирующие силы, прижимающие его вместе с запорным элементом к направляющим поверхностям. Последнее обстоятельство является причиной возникновения сухого трения, препятствующего перемещению якоря и запорного элемента, и снижения износостойкости устройства. Для преодоления сил сухого трения увеличивают мощность электромагнита и жесткость пружины, что приводит к увеличению сил ударного взаимодействия якоря и запорного элемента с ограничителями их хода, что, в свою очередь, снижает износостойкость устройства.

В качестве ближайшего аналога авторами выбрано электромагнитное клапанное устройство [патент РФ №2217640, F16K 31/02, публ. 2003 г.]. Устройство содержит корпус с подводящим и отводящим каналами, расположенные вдоль продольной оси корпуса катушку электромагнита, неподвижный сердечник, подвижный якорь, нижняя часть которого соединена с запорным органом, при этом между якорем и сердечником имеется зазор, превышающий рабочий ход якоря. В устройстве запорный орган выполнен в виде шайбы, расстояние верхней поверхности до упорной поверхности, определяющей рабочий ход, меньше величины зазора между якорем и сердечником электромагнита.

Ожидаемым положительным свойством устройства является малое непосредственное влияние ударов при открытии и закрытии клапана на параметры ферромагнитных материалов устройства, так как соударяющиеся элементы не входят в магнитную цепь.

Для данного устройства, как штифтового механизма, характерны отмеченные ранее негативные свойства. Кроме того, в данном устройстве трудно обеспечить при изготовлении и в течение всего срока работы весьма малый, например 0,05 мм, гарантированный зазор между якорем и сердечником электромагнита, поскольку этот зазор зависит от размера большого количества деталей.

Задачей заявляемого изобретения является повышение износоустойчивости, быстродействия, производительности и стабильности рабочих характеристик устройства, а также снижение трудоемкости его изготовления. Сущность изобретения заключается в том, что в газовом инжекторе, содержащем корпус с подводящим и отводящим каналами, расположенные вдоль продольной оси корпуса электромагнит и подвижный якорь, жестко соединенный с запорным органом, а также седло, при этом между якорем и сердечником электромагнита имеется зазор, превышающий ход запорного органа, согласно изобретению применяется электромагнит броневого типа, а якорь электромагнита имеет форму диска, перекрывающего магнитопровод электромагнита, причем между якорем и магнитопроводом электромагнита расположена упругая неферромагнитная пластина, имеющая форму кольца с радиальными прорезями с внутренней стороны кольца, образующими зубцы, отогнутые в сторону якоря, при этом между якорем и запорным органом расположена упругая перфорированная мембрана, жестко соединенная с ними, с большим соотношением жесткостей в радиальных направлениях к жесткости в осевом направлении и большим соотношением угловой жесткости вокруг продольной оси к угловым жесткостям вокруг радиальных осей.

Возможен вариант выполнения газового инжектора, в котором в седле клапана используется несколько дросселирующих втулок, симметрично расположенных относительно продольной оси корпуса и перекрываемых одним запорным органом.

Возможен вариант исполнения газового инжектора с параллельно подключенной к катушке электромагнита цепью из последовательно соединенных между собой резистора и диода с полярностью, обеспечивающей протекание через электромагнит тока после прекращения управляющего токового импульса.

В предлагаемой конструкции газового инжектора применяется электромагнит броневого типа со сплошным цилиндрическим полюсом, взаимодействующий с якорем в форме диска, перекрывающего магнитопровод электромагнита. При этом магнитное поле электромагнита входит в центральную часть диска, а выходит по его периферической области. Возникающие результирующие силы взаимодействия электромагнита с якорем в обеих указанных областях направлены вдоль продольной оси инжектора и являются полезными. Такое выполнение электромагнита обеспечивает малую протяженность магнитных силовых линий и малый объем используемого ферромагнитного материала сердечника электромагнита, подвергающегося намагничиванию. Отмеченные обстоятельства способствуют повышению быстродействия инжектора и снижению его электропотребления.

Между якорем и сердечником электромагнита расположена упругая неферромагнитная пластина, имеющая форму кольца с радиальными прорезями с внутренней стороны кольца, образующими зубцы, отогнутые в сторону якоря. Эта пластина обеспечивает гарантированный минимальный зазор между сердечником электромагнита и якорем, что исключает залипание последнего. Кроме того, уменьшаются силы ударного взаимодействия между якорем и пластиной при протекании через электромагнит импульса тока. Наличие в пластине прорезей снижает величины протекающих в ней вихревых токов, что способствует повышению быстродействия инжектора. Зубцы пластины, упруго деформированные при протекании через электромагнит тока, при его обесточивании выполняют функции возвратной пружины, заставляя якорь двигаться в направлении седла. Между якорем и запорным органом, выполненным в виде диска, расположена жестко связанная с ними упругая перфорированная мембрана. Жесткость мембраны в радиальных направлениях больше ее жесткости в осевом направлении. Угловая жесткость мембраны вокруг продольной оси больше ее угловых жесткостей вокруг радиальных осей. В статическом состоянии мембрана установлена так, чтобы ее начальный натяг обеспечивал прилегание запорного диска к седлу клапана. В этом же состоянии малая угловая жесткость мембраны вокруг радиальных осей способствует плотному прилеганию запорного диска к плоскости седла, компенсируя неточности изготовления деталей и сборки устройства. В динамическом режиме мембрана обеспечивает пространственную ориентацию подвижной части устройства и выполняет функции возвратной пружины. Малая угловая жесткость мембраны вокруг радиальных осей способствует также плотному прилеганию якоря к неферромагнитной пластине при протекании через электромагнит тока. Отсутствие сил сухого трения и самоориентация подвижной части устройства обеспечивают его износостойкость, высокое быстродействие и стабильность характеристик, а также снижают требования к точности изготовления деталей и сборки устройства.

Снижение требований к точности изготовления деталей и уменьшение их количества обусловливают меньшую трудоемкость изготовления устройства по сравнению с прототипом.

Применение вместо одного седла клапана нескольких дросселирующих втулок, симметрично расположенных относительно продольной оси и перекрываемых одним запорным диском, увеличивает отношение производительности устройства, т.е. возможных значений объемов проходящего через него газа, к необходимой для открытия клапана силе, обусловленной разностью давлений газа на подводящем и отводящем каналах устройства.

Это свойство обусловлено тем, что дросселирующим проходящий газ элементом являются в основном кольцевые щели между торцевыми поверхностями втулок и запорным диском, а приложенная к диску упомянутая сила пропорциональна площади отверстий втулок. При заданной суммарной длине кольцевых щелей, определяющей производительность устройства, увеличение количества втулок и уменьшение их диаметров приводит к уменьшению суммарной площади отверстий втулок, поскольку длина каждой кольцевой щели линейно зависит от диаметра втулки, а площадь ее отверстия пропорциональна квадрату диаметра. Такое конструктивное решение при заданных параметрах электромагнита позволяет повысить производительность устройства и его быстродействие.

Подключение параллельно катушке электромагнита цепи из последовательно соединенных между собой диода и резистора, величина которого подбирается при регулировке устройства, позволяет установить время закрытия клапана равным времени его открытия, что обеспечивает линейность характеристик устройства. Такое техническое решение снижает требования к точности изготовления деталей и сборке устройства.

На чертеже представлен предлагаемый газовый инжектор для примера с 6-ю втулками, две из которых попали в диаметральное сечение чертежа.

Инжектор содержит корпус 1 с подводящим каналом 2 и отводящим каналом 3. Вдоль продольной оси корпуса расположены электромагнит с ферромагнитным сердечником 4 и катушкой 5, упругая неферромагнитная пластина 6, подвижный ферромагнитный якорь 7, жестко соединенный с упругой мембраной 8 и запорным органом 9, выполненным, например, в виде диска, и дросселирующие втулки 10, 11.

Диск 9 нагружен упругой мембраной 8, что обеспечивает его прилегание к торцам втулок 10, 11. Дополнительная нагрузка диска 8 обусловлена превышением давления рабочего тела в подводящем канале 2 над давлением рабочего тела в отводящем канале 3.

Между сердечником 4 и якорем 7 имеется зазор.

Инжектор работает следующим образом. При подаче напряжения на катушку 5 якорь 7 притягивается к сердечнику 4, упруго деформируя мембрану 8 и зубцы пластины 6. При этом между якорем 7 и сердечником 4 образуется зазор, равный толщине пластины 6, а между запорным органом 9 и торцами втулок 10, 11 образуется зазор, что обеспечивает проход газа из подводящего канала 2 в отводящий канал 3. При снятии напряжения с катушки 5 якорь 7 и жестко соединенный с ним запорный орган 9 под действием усилий, развиваемых пластиной 6, мембраной 8 и давлением рабочего тела, перемещаются к втулкам 10, 11, перекрывая проход газа из канала 2 в канал 3.

Формула изобретения

1. Газовый инжектор, содержащий корпус с подводящим и отводящим каналами, расположенные вдоль продольной оси корпуса электромагнит и подвижный якорь, жестко соединенный с запорным органом, а также седло клапана, при этом между якорем и сердечником электромагнита имеется зазор, превышающий рабочий ход запорного органа, отличающийся тем, что применяется сердечник электромагнита броневого типа со сплошным цилиндрическим полюсом, а якорь электромагнита имеет форму диска, перекрывающего магнитопровод электромагнита, причем между якорем и сердечником электромагнита расположена неферромагнитная упругая пластина в виде кольца с радиальными прорезями с внутренней стороны кольца, образующими зубцы, отогнутые в сторону якоря, при этом между якорем и запорным органом расположена упругая перфорированная мембрана с большим соотношением жесткостей в радиальных направлениях к жесткости в радиальном направлении, а также большим соотношением угловой жесткости вокруг продольной оси к угловым жесткостям вокруг радиальных осей.

2. Газовый инжектор по п.1, отличающийся тем, что в нем используется несколько дросселирующих втулок, расположенных симметрично относительно продольной оси инжектора и перекрываемых одним запорным органом.

3. Газовый инжектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что параллельно катушке электромагнита подключена цепь из последовательно соединенных диода и резистора.

РИСУНКИ