RU2731155C1

RU2731155C1 - Electrically-hydraulic control nozzle

Info

Publication number: RU2731155C1
Application number: RU2019121083A
Authority: RU
Inventors: Валерий Александрович Рыжов
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2020-08-31

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to engine building, particularly, to diesel engines with accumulator fuel system of Common Rail type operating in wide range of rotation frequencies and loads. Nozzle with electrohydraulic control is an assembly module comprising a housing with a damping volume E in it, an electromagnetic control valve with a plate-like locking spring 19, sprayer 1 with locking needle 15, hydraulic booster piston 17 with rod, spring 23 retaining needle 15 on support seat and control chamber in form of volume limited on one side by hydraulic booster piston, and on the other side - drain channel from this volume, closed shutoff gate of control electromagnetic valve.

EFFECT: invention improves inter-cycle stability of fuel feed and nozzle speed by mounting a damping volume built into the nozzle housing upper part, use of hydraulic booster nozzle and plate return spring of electromagnetic valve with normally-closed gate locking fuel drain from nozzle control chamber is used in drive of locking needle.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к дизельным и газодизельным среднеоборотным двигателям, работающим в широком диапазоне частот вращения и нагрузок.The invention relates to engine building, in particular to diesel and gas-diesel medium-speed engines operating in a wide range of speeds and loads.

Известны преимущества аккумуляторных систем питания с электронным управлением, главным из которых является возможность гибкого управления топливоподачей независимо от частоты вращения и режима работы двигателя за счет электронного управления основным исполнительным элементом таких систем - форсункой. Известны принципы управления, положенные в основу конструкций таких форсунок: электрогидравлический, электромагнитный или пьезоэлектрический. Одной из особенностей гидродинамических процессов, протекающих в полости высокого давления между форсункой и гидравлическим аккумулятором, является резкое падение давление на входе в форсунку в момент открытия управляющего клапана или иглы форсунки в следствии формирования отрицательной ударной волны давления, перемещающейся от форсунки к аккумулятору со скоростью звука в топливе. У аккумулятора формируется обратная волна, равная по амплитуде давлению топлива в аккумуляторе. Таким образом, на период движения волн, давление на входе в форсунку оказывается меньше давления в аккумуляторе на величину амплитуды отрицательной ударной волны, что приводит либо к ступенчатой форме импульса давления впрыска, либо к существенному снижению крутизны его переднего фронта, а при переходе на режим малых цикловых подач к занижению давления впрыска (см. Рыжов В.А. Обеспечение качественной подачи топлива в широком диапазоне частот вращения и нагрузок дизеля с помощью электронного управления: Диссертация…канд. техн. наук. - М.: 1984. - 214 с.).The advantages of electronically controlled battery power systems are known, the main of which is the ability to flexibly control the fuel supply regardless of the speed and operating mode of the engine due to the electronic control of the main actuator of such systems - the injector. Known control principles underlying the design of such nozzles: electrohydraulic, electromagnetic or piezoelectric. One of the features of the hydrodynamic processes occurring in the high-pressure cavity between the nozzle and the hydraulic accumulator is a sharp drop in pressure at the inlet to the nozzle at the moment of opening the control valve or the nozzle needle due to the formation of a negative shock pressure wave moving from the nozzle to the accumulator at the speed of sound in fuel. A backward wave is formed at the accumulator, equal in amplitude to the fuel pressure in the accumulator. Thus, for the period of wave movement, the pressure at the inlet to the nozzle turns out to be less than the pressure in the accumulator by the magnitude of the amplitude of the negative shock wave, which leads either to a stepped shape of the injection pressure pulse, or to a significant decrease in the steepness of its leading edge, and upon switching to the low cyclic feeds to understate the injection pressure (see V.A. Ryzhov. Ensuring high-quality fuel supply in a wide range of rotational speeds and diesel loads using electronic control: Dissertation ... Candidate of Engineering Sciences. - M .: 1984. - 214 p.) ...

Эффективным способом устранения отрицательной волны давления является введение в конструкцию форсунки демпфирующего объема в непосредственной близости от управляющего клапана.An effective way to eliminate the negative pressure wave is to introduce a damping volume into the nozzle structure in the immediate vicinity of the control valve.

Известны конструкции форсунок с электрогидравлическим управлением, например, форсунка по авторскому свидетельству №1038527 (СССР), Б.И. №32 за 1983 г.; форсунка по патенту №2016477, Франция, 1970 г.; форсунка фирмы L¹Orange (Brucker Е. Di Entwicklung des Common-Rail Einspritzsistems fur die Bauereihe // MTZ: Motortechnische Zeitschrift. - 1997. - Sonderausgabe. - s. 44-48.).Known designs of nozzles with electrohydraulic control, for example, a nozzle according to copyright certificate No. 1038527 (USSR), B.I. No. 32 for 1983; nozzle according to patent No. 2016477, France, 1970; nozzle from L ¹ Orange (Brucker E. Di Entwicklung des Common-Rail Einspritzsistems fur die Bauereihe // MTZ: Motortechnische Zeitschrift. - 1997. - Sonderausgabe. - s. 44-48.).

Первый прототип содержит демпфирующий объем, расположенный непосредственно перед распылителем, управляющую камеру в виде объема, ограниченного с одной стороны иглой распылителя, а с другой сливным каналом из этого объема закрытым запирающим затвором управляющего электромагнитного клапана. Недостатками такой конструкции являются наличие дросселя перед распылителем и отсутствие запирающей пружины иглы распылителя, что приводит к увеличению гидравлических потерь на входе в распылитель и неопределенному положению иглы распылителя при неработающем двигателе.The first prototype contains a damping volume located directly in front of the atomizer, a control chamber in the form of a volume bounded on one side by the needle of the atomizer, and on the other, a drain channel from this volume by a closed locking shutter of the control electromagnetic valve. The disadvantages of this design are the presence of a throttle in front of the atomizer and the absence of a closing spring for the atomizer needle, which leads to an increase in hydraulic losses at the inlet to the atomizer and an undefined position of the atomizer needle when the engine is not running.

Второй прототип содержит запирающую пружину иглы распылителя и поршень гидроусилителя со штоком. Недостатком конструкции является отсутствие демпфирующего объема, что не позволяет исключить влияния на процесс впрыска отрицательных гидродинамических волн давления, возникающих в момент открытия затвором электромагнитного клапана сливного канала из управляющей камеры.The second prototype contains a locking spring of the sprayer needle and a hydraulic booster piston with a rod. The disadvantage of the design is the absence of a damping volume, which does not allow to exclude the influence on the injection process of negative hydrodynamic pressure waves arising at the moment the drain channel from the control chamber is opened by the gate of the electromagnetic valve.

Третий прототип выполнен в точном соответствии с конструктивной схемой указанного французского патента №2016477 и, следовательно, имеет те же недостатки.The third prototype is made in strict accordance with the structural scheme of the specified French patent No. 2016477 and, therefore, has the same disadvantages.

Задачей настоящего изобретения является устранение отрицательного действия гидродинамических волн давления на входе в распылитель форсунки путем размещения в корпусе форсунки демпфирующего объема, расположенного в непосредственной близости от камеры управления (т.е. рядом с источником формирования отрицательных волн), при одновременном повышении быстродействия форсунки за счет использования гидроусилителя в приводе запирающей иглы распылителя, повышенной жесткости пластинчатой возвратной пружины затвора управляющего электромагнитного клапана и фиксация запирающей иглы распылителя в любом состоянии неработающей форсунки с помощью пружины.The objective of the present invention is to eliminate the negative effect of hydrodynamic pressure waves at the inlet to the nozzle atomizer by placing a damping volume in the nozzle body located in the immediate vicinity of the control chamber (i.e., next to the source of negative waves generation), while increasing the nozzle response speed due to the use of a hydraulic booster in the drive of the locking needle of the sprayer, increased rigidity of the plate return spring of the shutter of the control solenoid valve and fixing the locking needle of the sprayer in any state of the inoperative nozzle using a spring.

Поставленная задача решается путем использования конструкции форсунки с электрогидравлическим управлением, представленной на Фиг. 1, содержащей корпус с размещенными в нем распылителем, проставочными кольцами, пружиной, фиксирующей запирающую иглу распылителя на седле, гидроусилитель в виде прецизионной пары поршень-втулка, управляющий электромагнитный клапан, управляющую камеру в виде объема, ограниченного с одной стороны поршнем гидроусилителя, а с другой стороны – затвором конической формы электромагнитного управляющего клапана, удерживаемого на седле пружиной и демпфирующий объем, соединенный с каналом подвода топлива. При этом демпфирующий объем установлен параллельно подводящему топливному каналу, управляющий электромагнитный клапан установлен между демпфирующим объемом и отверстием для штуцера подвода топлива, а возвратная пружина якоря электромагнита, одновременно являющегося затвором электромагнитного управляющего клапана, выполнена в виде тарельчатой пружины установленной над верхним торцом электромагнита управляющего электромагнитного клапана.The problem is solved by using the electrohydraulic control nozzle design shown in FIG. 1, containing a housing with an atomizer located in it, spacer rings, a spring fixing the locking needle of the atomizer on the seat, a hydraulic booster in the form of a precision piston-sleeve pair, a control solenoid valve, a control chamber in the form of a volume limited on one side by a hydraulic booster piston, and with on the other hand, a conical shutter of the electromagnetic control valve held on the seat by a spring and a damping volume connected to the fuel supply channel. In this case, the damping volume is installed parallel to the fuel supply channel, the control solenoid valve is installed between the damping volume and the hole for the fuel supply connection, and the return spring of the armature of the electromagnet, which is also the gate of the electromagnetic control valve, is made in the form of a disk spring installed above the upper end of the electromagnet of the control solenoid valve ...

Форсунка состоит из составного корпуса (нижняя, средняя и верхняя части, соответственно позиции 3, 13, 2), к которому с помощью колпака 4 прикреплены распылитель 1 с запирающей иглой 15, проставки 9, 5 и 26. Игла форсунки удерживается в исходном (нижнем) положении с помощью пружины 23 опирающейся на промежуточную тарелку 10. В нижней части корпуса форсунки установлены гидроусилитель, представляющий собой прецизионную пару поршень 17 со втулкой 16, и модуль электромагнитного клапана состоящий из стакана 24, опирающегося на направляющую 7 подвижной части сердечника 20 электромагнита 18. С целью жесткой фиксации модуля электромагнитного клапана в корпусе форсунки стакан 24 и направляющая подвижной части сердечника электромагнита 7 прижаты к средней части корпуса форсунки пружинным кольцом 21, опирающимся на втулку гидроусилителя 16. Неподвижная часть сердечника электромагнитного клапана с катушкой 18 запрессована в верхнюю часть стакана 24. Подвижная часть сердечника 20 электромагнита выполнена в виде тарельчатого клапана с наконечником конической формы являющимся затвором электромагнитного клапана, запирающим слив топлива из управляющей камеры (полость над поршнем 17) при помощи тарельчатой пружины 19, усилие от которой передает на подвижную часть сердечника электромагнита стержень 22 квадратного сечения. В средней части корпуса выполнено резьбовое отверстие для штуцера подвода топлива (вид Б-Б), уплотнение которого осуществляется конусным сопряжением. В верхней части корпуса расположен демпфирующий объем, соединенный с каналом подвода топлива.The nozzle consists of a split body (lower, middle and upper parts, respectively, positions 3, 13, 2), to which, by means of a cap 4, are attached sprayer 1 with a locking needle 15, spacers 9, 5 and 26. The nozzle needle is held in the original (lower ) position by means of a spring 23 resting on an intermediate plate 10. In the lower part of the nozzle body, a hydraulic booster is installed, which is a precision pair of a piston 17 with a sleeve 16, and a solenoid valve module consisting of a glass 24 resting on the guide 7 of the movable part of the core 20 of the electromagnet 18. In order to rigidly fix the solenoid valve module in the nozzle body, the cup 24 and the guide of the movable part of the electromagnet core 7 are pressed against the middle part of the nozzle body by the spring ring 21 resting on the hydraulic booster bushing 16. The fixed part of the solenoid valve core with the coil 18 is pressed into the upper part of the cup 24. The movable part of the core 20 of the electromagnet vy It is made in the form of a poppet valve with a conical tip, which is a shutter of the solenoid valve, which closes the drain of fuel from the control chamber (cavity above the piston 17) using a disk spring 19, the force from which transfers the rod 22 of square section to the movable part of the electromagnet core. In the middle part of the body, a threaded hole is made for the fuel supply connection (type B-B), the sealing of which is carried out by a conical coupling. In the upper part of the body there is a damping volume connected to the fuel supply channel.

Для обеспечения быстродействия форсунки площадь поршня 17 гидроусилителя в 1,15-1,25 раза больше площади иглы распылителя. Торцевые уплотнения частей корпуса форсунки выполнены в виде сопряженных притертых поверхностей прижатых к друг другу стяжными винтами 11 с усилием, обеспечивающим удельные давления в уплотняемых стыках 5-10 кГс/см². Форсунка устанавливается в центре крышки цилиндров. Слив топлива из форсунки осуществляется по каналам Ж непосредственно в полость между форсункой и крышкой цилиндров, которая уплотнена кольцами 8 и 25. В верхней части корпуса форсунки предусмотрено резьбовое глухое отверстие для присоединения приспособления для выемки форсунки из крышки цилиндров. Для предотвращения засорения распыливающих отверстий во время транспортировки форсунки предусмотрены защитные колпаки 14. Для вывода проводов катушки электромагнита предусмотрен канал 3 (вид А-А). Контактный разъем 12 расположен на торце верхней части корпуса форсунки (вид Г).To ensure the speed of the nozzle, the area of the piston 17 of the hydraulic booster is 1.15-1.25 times the area of the sprayer needle. The mechanical seals of the parts of the nozzle body are made in the form of mating lapped surfaces pressed against each other by tightening screws 11 with a force that provides specific pressures in the sealed joints of 5-10 kgf / cm ² . The injector is installed in the center of the cylinder head. The fuel is drained from the injector through channels G directly into the cavity between the injector and the cylinder cover, which is sealed with rings 8 and 25. A threaded blind hole is provided in the upper part of the injector body for attaching a device for removing the injector from the cylinder cover. To prevent clogging of the spray holes during the transportation of the nozzle, protective caps 14 are provided. Channel 3 (type A-A) is provided for the output of the wires of the electromagnet coil. The connector 12 is located at the end of the upper part of the nozzle body (view D).

Форсунка работает следующим образом. В исходном состоянии (до подачи на электромагнит управляющего сигнала) давления на входе в форсунку, в полости распылителя, в управляющей камере и демпфирующем объеме равны давлению топлива в аккумуляторе. Игла распылителя прижата к седлу силой пружины 23 и силой давления в управляющей камере (т.е. в полости между поршнем 17 гидроусилителя и затвором 20 электромагнитного клапана). При подаче на катушку электромагнита 18 управляющего сигнала подвижная часть сердечника электромагнита (якорь) под действием электромагнитной силы притягивается к электромагниту 18, открывая слив топлива из управляющей камеры. Давление в ней резко падает из-за того, что сечение канала на входе в управляющую камеру меньше канала, по которому топливо поступает к распылителю. Сила давления, действующая на поршень управляющей камеры, оказывается меньше суммы сил от давления, действующего на иглу распылителя снизу и силы пружины, действующей на иглу сверху, игла распылителя поднимается вверх до упора, идет процесс впрыска в цилиндр. В момент начала истечения топлива из управляющей камеры из-за инерционности массы топлива возникает отрицательная ударная волна давления, движущаяся в сторону топливного аккумулятора и вызывающая падение давления на короткий промежуток времени ее пробега до демпфирующей емкости. За счет объема демпфирующей емкости отрицательная волна давления гасится, а давление в канале подвода топлива к распылителю увеличивается до исходного. При отключении управляющего электрического импульса тарельчатая пружина 19, действуя на стержень 22, сажает конический затвор якоря 20 на седло, перекрывая слив топлива из управляющей камеры. Давление в управляющей камере ввиду ее малого объема быстро растет. Из-за разности площадей поршня гидроусилителя и иглы распылителя и дополнительного действия пружины, действующей на иглу, суммарная сила, действующая на иглу 15 распылителя 1, сажает иглу на седло прекращая подачу топлива в цилиндр.The nozzle works as follows. In the initial state (before the control signal is applied to the electromagnet), the pressures at the inlet to the nozzle, in the atomizer cavity, in the control chamber and in the damping volume are equal to the fuel pressure in the accumulator. The spray needle is pressed against the seat by the force of the spring 23 and the pressure force in the control chamber (i.e., in the cavity between the hydraulic booster piston 17 and the solenoid valve shutter 20). When a control signal is applied to the coil of the electromagnet 18, the moving part of the electromagnet core (armature) is attracted by the electromagnetic force to the electromagnet 18, opening the fuel drain from the control chamber. The pressure in it drops sharply due to the fact that the cross-section of the channel at the entrance to the control chamber is smaller than the channel through which the fuel enters the atomizer. The force of pressure acting on the piston of the control chamber turns out to be less than the sum of forces from the pressure acting on the needle of the atomizer from below and the force of the spring acting on the needle from above, the needle of the atomizer rises up to the stop, the injection process into the cylinder is in progress. At the moment of the beginning of the outflow of fuel from the control chamber, due to the inertia of the fuel mass, a negative shock pressure wave arises, moving towards the fuel accumulator and causing a pressure drop for a short period of time of its travel to the damping capacity. Due to the volume of the damping tank, the negative pressure wave is extinguished, and the pressure in the fuel supply channel to the atomizer increases to the initial one. When the control electric pulse is turned off, the Belleville spring 19, acting on the rod 22, sets the conical shutter of the armature 20 onto the seat, blocking the fuel drain from the control chamber. The pressure in the control chamber increases rapidly due to its small volume. Due to the difference in the areas of the hydraulic booster piston and the sprayer needle and the additional action of the spring acting on the needle, the total force acting on the needle 15 of the sprayer 1 puts the needle on the seat stopping the fuel supply to the cylinder.

Применение тарельчатой пружины 19, расположенной сверху катушки электромагнита 18, позволяет увеличить площадь нижнего торца электромагнита, в результате чего увеличивается его тяговое усилие, а, следовательно, и быстродействие форсунки. Демпфирующий объем гасит отрицательную волну давления, возникающую в момент открытия электромагнитного клапана, что приводит к увеличению полноты импульса давления впрыска и сокращению продолжительности впрыска, оказывая положительное влияние на рабочий процесс двигателя. Применение поршня 17 гидроусилителя сокращает время задержки окончания впрыска от момента окончания управляющего электрического импульса до посадки иглы распылителя на седло, за счет чего увеличивается быстродействие форсунки. Минимизация величины объема управляющей камеры и проходного сечения канала подвода топлива к ней сокращает время задержки начала впрыска от момента подачи управляющего электрического импульса до начала подъема иглы распылителя, увеличивая быстродействие форсунки.The use of a Belleville spring 19, located on top of the coil of the electromagnet 18, makes it possible to increase the area of the lower end of the electromagnet, as a result of which its tractive effort increases, and, consequently, the speed of the nozzle. The damping volume dampens the negative pressure wave that occurs when the solenoid valve opens, which leads to an increase in the fullness of the injection pressure pulse and a reduction in the injection duration, having a positive effect on the engine's workflow. The use of the hydraulic booster piston 17 reduces the delay time of the end of the injection from the end of the control electrical impulse to the landing of the sprayer needle on the seat, thereby increasing the speed of the nozzle. Minimization of the volume of the control chamber and the flow area of the channel for supplying fuel to it reduces the delay time of the start of injection from the moment the control electric pulse is supplied to the start of lifting the nozzle needle, increasing the speed of the nozzle.

Claims

An electro-hydraulic nozzle containing a housing with an atomizer located in it, spacer rings, a spring fixing the locking needle of the atomizer on the seat, a hydraulic booster in the form of a precision piston-sleeve pair, a control solenoid valve, a control chamber in the form of a volume limited on one side by a hydraulic booster piston , and on the other hand - by a conical shutter of the electromagnetic control valve held on the seat by a spring, and a damping volume connected to the fuel supply channel, characterized in that the damping volume is installed parallel to the fuel supply channel, the control solenoid valve is installed between the damping volume and the hole for the fuel supply fitting, and the return spring of the armature of the electromagnet, which is also the gate of the electromagnetic control valve, is made in the form of a Belleville spring installed above the upper end of the electromagnet of the control electromagnetic valve.