CC BY
280
УДК 621.436.038
Ю. П. МАКУШЕВ Л. Ю. ВОЛКОВА
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
г. Омск
Калининградский государственный технический университет
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО КЛАПАНА УПРАВЛЕНИЯ ХОДОМ ИГЛЫ ФОРСУНКИ
И ЕГО ДИАГНОСТИРОВАНИЕ_
Рассмотрено устройство и принцип работы форсунок с электрогидравлическим управлением хода иглы. Приведена методика расчета клапанного узла форсунки с электрогидравлическим управлением и дана методика его диагностирования.
Ключевые слова: форсунка, электронное управление, клапан, магнитодвижущая сила, инерция, диагностирование.
1. Устройство и принцип действия форсунки с электрогидравлическим управлением хода иглы.
Основным недостатком форсунок с гидромеханическим управлением хода иглы распылителя является то, что они не способны на работающем двигателе изменять характеристику впрыска, угол опережения впрыска, обеспечивать многофазный впрыск топлива. Это ограничивает возможности дальнейшего снижения расхода топлива дизеля и уменьшения токсичности отработавших газов. Указанные недостатки можно устранить путем применения форсунок с гидроэлектрическим или пьезоэлектрическим управлением. Рассмотрим устройство и принцип действия форсунки с электрогидравлическим управлением хода иглы.
На рис. 1 приведена упрощенная схема форсунки с электрогидравлическим управлением хода иглы [1]. Под действием пружины 2 якорь 3 находится в нижнем положении и уплотняющим конусом штока закрывает отсечное (сливное) отверстие 4. Топливо поступает из аккумулятора 12 в подводящий канал 10 форсунки, а через впускное отверстие 11 — в камеру управления 13.
Так как площадь управляющего поршня 5 больше площади иглы, то сила со стороны поршня превышает силу со стороны иглы 8 и она плотно прижимается к посадочному конусу. Впрыск топлива в камеру сгорания не происходит. При подаче управляющего сигнала на обмотку электромагнита 1 якорь 3, преодолевая усилие пружины 2, движется вверх, открывая сливное отверстие 4. Давление в камере управления 13 резко снижается, усилие со стороны иглы 8 будет превышать усилие со стороны поршня 5, и игла начнет движение вверх. Под действием давления в аккумуляторе 12 топливо поступает к сопловым отверстиям 9 и в распыленном виде подается в камеру сгорания двигателя.
Основным недостатком электромагнитного клапана является малая скорость подъема якоря 3 (время подъема 0,3 — 0,4 мс), что может обеспечить только двухфазный впрыск топлива. Для уменьше-
ния времени подъема (менее 0,1 мс) и увеличения быстродействия клапана управления применяют форсунки с пьезоэлектрическим управлением хода иглы [1]. Принцип действия форсунки с пьезо-кварцевым управлением подобен работе форсунки с электрогидравлическим управлением. Только вместо электромагнита используется набор пьезоквар-цевых пластин, разделенных электродами.
При подаче высокого напряжения на элемент (столбик), состоящий, например, из 100 кварцевых пластин, он удлиняется (изменяется форма кристаллической решетки). Пьезоэлектрический элемент воздействует непосредственно через поршень толкателя на переключающий клапан, открывая его. Данная форсунка обладает большим быстродействием. За впрыск распылитель способен до четырех раз открыть и закрыть уплотнение между запорным конусом иглы и седлом, создавая многофазный впрыск топлива.
На рис. 2 показан общий вид форсунки с электрогидравлическим управлением [2, 3]. Когда двигатель находится в нерабочем состоянии, то игла распылителя 2 через втулку 5 прижимается к седлу корпуса распылителя 1 пружиной 6 малой жесткостью. Это предотвращает поступление воздуха в полость форсунки. Пружина 17 через шток якоря 13 прижимает шариковый клапан 12, который закрывает (открывает) сливной жиклёр 11, обеспечивая необходимый перепад давления над управляющим поршнем 10 и иглой распылителя 2. Ход шарика зависит от типа форсунок, варьируется от 0,03 мм до 0,07 мм и регулируется при помощи шайб.
Управляющий поршень (плунжер) 10 имеет, например, наружный диаметр 4,3 мм, входит с диаметральным зазором 2 — 4 мкм во втулку 9, образуя прецизионную пару. Уплотнение поршня 10 и отверстия во втулке 9 выполняется в виде конуса с диаметром основания 1,5 мм.
Игла 2 распылителя имеет наружный диаметр направляющей 4 мм. Давление на входе в форсунку принято 150 МПа. Ход иглы равен 0,3 мм.
Рис. 1. Схема форсунки с электрогидравлическим управлением: 1 — электромагнит; 2, 7 — пружины; 3 — якорь с уплотняющим конусом; 4 — сливное отверстие; 5 — поршень; 6 — корпус форсунки; 8 — игла распылителя; 9 — сопловые отверстия; 10 — подводящий канал; 11 — впускное отверстие; 12 — аккумулятор; 13 — камера управления
Рис. 2. Форсунка с электрогидравлическим управлением: 1 — корпус распылителя; 2 — игла; 3 — гайка; 4 — штифт; 5 — втулка; 6 — пружина; 7 — шток; 8 — канал отвода утечек; 9 — втулка;
10 — управляющий поршень; 11 —сливной жиклёр (ё2 = 0,3 мм); 12 — шариковый клапан; 13 — якорь; 14 — отверстие для отвода утечек; 15 — втулка; 16 — катушка электромагнита; 17 — пружина якоря; 18 — сердечник; 19 — штуцер для отвода утечек топлива; 20 — разъем питания; 21 — наполнительный жиклёр (ё1 = 0,25 мм); 22 — штуцер; 23 и 24 — отверстия
Когда клапан 12 закрыт, давление топлива в камере управления и в полости под иглой 2 распылителя будут равны друг другу. Диаметр поршня 10, который движется во втулке 9, больше, чем диаметр иглы 2. Так как площадь поршня, который действует на иглу через шток 7, больше площади иглы, то усилие со стороны поршня будет больше, чем со стороны иглы и игла 2 конической поверхностью прижимается к посадочному конусу распылителя 1, закрывая доступ топливу к сопловым отверстиям. Впрыск топлива не происходит.
При подаче напряжения на катушку электромагнита по ее проводам потечет ток, создавая магнитное поле. Под действием магнитного поля якорь 13 будет притянут к сердечнику 18, сжимая пружину 17. Шариковый клапан 12 откроется, и топливо через перепускное отверстие будет вытекать из камеры управления, снижая давление над управляющим поршнем (плунжером) 10. Усилие со стороны управляющего поршня резко снижается.
Так как давление топлива под иглой не изменяется (оно равно давлению в аккумуляторе), то игла 2 под действием высокого давления переместится в верхнее положение и откроет доступ к сопловым отверстиям, обеспечивая начало впрыска топлива. Впрыск продолжается до тех пор, пока подается напряжение на катушку 16 электромагнита. При отключении напряжения магнитное поле катушки исчезает, а пружина 17, разжимаясь, закроет клапан 12. Подача топлива в камеру сгорания двигателя прекратится.
2. Расчетное определение основных параметров клапанного узла форсунки с электрогидравлическим управлением хода иглы. На рис. 3 показан клапанный узел (механизм управления) форсунки и силы, действующие на его детали.
Исходные данные:
— давление в камере управления, Р = 150 МПа, (150-106 Н/м2);
— диаметр перепускного отверстия (жиклёра), d2 = 0, 3 мм;
— жесткость пружины, закрывающей клапан (шарик), С = 40 Н/мм;
— число витков катушки электромагнита, п = 17;
— наружный диаметр сердечника, dс =10 мм;
— величина тока втягивания якоря электромагнита, I =20 А;
— масса якоря 3,7 г, пружины 0,7 г, шарика 0,1 г;
— зазор между якорем и сердечником, х = 0,2 мм.
2.1. Определим площадь перепускного (сливного) отверстия
5 = п х d,2 /4 = 3,14х0,32 /4 = 0,07 мм2
п 2 ' ' '
или 0,7- 10-7 м2. (1)
Шарик расположен на конической поверхности и прикасается с ней по окружности диаметром 0,5 мм. Площадь шарика, на которую действует топливо, будет равна 0,2^10-6 м2.
2.2. Вычислим силу, действующую на запорный клапан (шарик), от давления топлива в камере управления
Р = 5 XР = 0,2^10-6х150^106 = 30 Н.
ш п '
(2)
2.3. Определим силу со стороны пружины, при ее предварительном сжатии А! а величину 1,5 мм
Р = СхА! = 40x1,5 = 60 Н.
пр
Рис. 3. Общий вид клапанного узла: 1 — пружина; 2 — сердечник электромагнита; 3 — катушка; 4 — якорь; 5 — направляющая; 6 — шарик; 7 — перепускное отверстие
¥ = п х5 х(1хп)2 / 2х2,
эл 1 О Я ' ' '
¥ = 4 п-10-7х0,7-10- 4х
эл
х (20^17)2/2 (0,2^ 10-3)2 = 127 Н.
Максимальная величина тока в цепи катушки доходит до 19 — 20 А (начальная стадия процесса впрыска) [5]. Большое значение подводимого тока становится возможным благодаря разрядке конденсатора, который заряжается до 70 В за период между впрысками топлива. В дальнейшем якорь электромагнита удерживается силой тока от 10 до 12 А в связи с тем, что величина воздушного зазора уменьшается.
На рис. 4 показан разрез электромагнита, у которого катушка выполнена из медного провода диаметром 0,5 мм с числом витков 28.
Общая масса подвижных деталей клапанного узла (с учетом 30 % массы пружины) равна М =4 г. Ход якоря принимаем 0,2 мм. Предположим, что форсунки данного типа установлены на двигатель КамАЗ-740-73-400 мощностью 294 кВт при частоте вращения коленчатого вала пк = 1900 мин-1. Общая продолжительность впрыска топлива ф = 24 градуса поворота коленчатого вала.
2.5. Время впрыска I (с) зависит от продолжительности ф (град) и от частоты вращения коленчатого вала в минуту пк.
t =
Ф
24
6 • п„
6•1900
= 0,0021 с.
(6)
В работе [5] указано, что шток якоря 13 (рис. 2) доходит до упора сердечника 18 за время, равное 0,4^10-3 с. С учетом формулы (6), подъем якоря соответствует 4,6 градуса поворота коленчатого вала. Зависимость пути якоря от времени представим в виде уравнения прямой линии. Разобьем пройденный путь якоря при его подъеме на четыре участка. Шаг расчета одного участка будет равен 0,1 мс. Якорь в начале подъема за время 0,1 мс пройдет путь 0,05 мм. На этом участке максимальная скорость будет равна 0,5 м/с, а ускорение а = 5000 м/с2.
2.6. Определим силу инерции от движущихся масс клапанного узла
¥ = Мха = 4^ 10 -3х5000 = 20 Н.
ин
(7)
Рис. 4. Разрез катушки электромагнита
Из анализа формул (2) и (3) следует, что усилие на пружине ¥пр больше усилия, которое действует на шарик ¥ш со стороны топлива, и клапан будет закрыт, пока электромагнит не притянет якорь и не сожмет пружину. Усилие электромагнита должно быть на 30 — 50 % больше усилия со стороны сжатой пружины.
2.4. Втягивающую силу электромагнита без учета сил трения, магнитного сопротивления сердечника и якоря определим из выражения [4]
(4)
где |1о — магнитная постоянная (абсолютная магнитная проницаемость), Гн/м; 5я — площадь сердечника с учетом отверстия для установки пружины, м2; I — величина тока, А; п — число витков катушки; х — зазор между якорем и сердечником, м (при зазоре 0,2 мм величина х = 0,2^10 -3 м).
Расчеты показывают, что втягивающая сила электромагнита значительно превышает суммарное значение силы инерции от поступательных масс клапанного узла и силы сопротивления пружины (¥ > ¥ + ¥ ) . Усилие пружины также больше
эл ин пр
усилия, действующую на запорный клапан (шарик), со стороны давления топлива в камере управления и силы инерции (¥ > ¥ + ¥ ). Выполнение ука-
^ 1 ' пр ш ин'
занных условий (баланса сил) обеспечит работоспособность клапанного механизма.
Окончательные конструктивные и регулировочные параметры узла электрогидравлического клапана уточняются в процессе доводочных испытаний форсунок на стенде и их работе на двигателе.
3. Диагностирование форсунок с электрогидравлическим управлением хода иглы распылителя. Электрическую часть форсунки проверяют следующим образом:
3.1. С разъема форсунки отключают провод питания, идущий к катушке.
3.2. При помощи тестера определяют контакт выводов катушки с «массой» форсунки. Сопротивление цепи должно быть равно бесконечности.
3.3. При помощи тестера определяют сопротивление катушки индуктивности электромагнитного клапана, оно должно соответствовать 0,3 Ома.
3.4. Силу тока в обмотке электромагнитного клапана определяют в процессе работы двигателя. Для этого используют токоизмерительные клещи или осциллограф. Сила тока втягивания якоря к сердечнику должна составлять 19 — 20 А, а удержания не менее 10 А.
При плохой герметичности перепускного клапана, нарушается характеристика впрыска топлива, что приводит к ухудшению экономичности дизеля.
Из сливного отверстия (жиклера) 11 (рис. 2) при его открытии вытекает топливо (для процесса управления) за впрыск объемом, равным
V -»ж • t = цРж
2 АР Рт
t,
Выводы.
1. Расчеты показали, что при данных конструктивных параметрах клапана управления его электромагнит способен преодолевать силы инерции, усилие пружины, прижимающей шариковый клапан к седлу, и открывать его.
2. Сила со стороны пружины значительно выше силы, действующей на поверхность шарика (запорного органа) от давления топлива в камере управления и сил инерции, что обеспечит его плотное закрытие.
3. Баланс сил, действующих в электрогидравлическом клапане, обеспечит его работоспособность и управление ходом иглы.
4. Приведена методика диагностирования электрической и гидравлической части клапанного узла
(8) форсунки.
где — эффективное проходное сечение жиклера, м2; — скорость истечения топлива через жиклер, м/с; АР — средняя величина давления топлива в камере управления, Н/м2; рТ — плотность топлива, кг/м3; t — время впрыска, с.
При среднем давлении топлива в камере управления АР = 150 106 Н/м2; рТ = 850 кг/м3;
= 0,5^10-7 м2 (диаметре жиклера 0,3 мм, коэффициент расхода |i= 0,7) и времени впрыска 0,0021 с количество сливаемого топлива из камеры управления за впрыск составит 62^10-9 м3, или 62 мм3. За 1 мин совершается 950 впрысков топлива в камеру сгорания и объем сливаемого топлива из камеры управления составит 59 000 мм3, или 59 см3.
Допустимое диагностическое значение сливаемого топлива вместе с утечками через зазоры в распылителе и управляющем поршне не должны превышать 150 см3 за 1 мин для одной форсунки [5]. При исправном состоянии форсунок величина утечек топлива из штуцера 19 (рис. 2) у всех форсунок должна быть одинаковой (например, 100 ± 5 см3).
Если сливаемое топливо вместе с утечками превысит 150 см3, то вначале проверяют герметичность клапана управления, а при необходимости притирают его или заменяют. Комплект форсунок подбирается с одинаковыми гидравлическими и электрическими характеристиками.
Каждая форсунка имеет собственный индивидуальный код, определяющий такие характеристики, как расход топлива, время реакции, зависимость рабочих параметров от давления. Коды предназначены для точного управления впрыском топлива в каждый из цилиндров. Замена, настройка форсунок выполняется с использованием специального тестового оборудования. Выбраковка одной форсунки обычно требует замены или регулировки всего комплекта форсунок.
Библиографический список
1. Макушев, Ю. П. Системы питания двигателей внутреннего сгорания : метод. указания к лабораторным и практическим работам по профилю подготовки «Двигатели внутреннего сгорания» / Ю. П. Макушев. - Омск : СибАДИ, 2012. -84 с.
2. Иващенко, Н. А. Дизельные топливные системы с электронным управлением / Н. А. Иващенко, В. А. Вагнер, Л. В. Грехов. — Барнаул : Изд-во АлГТУ им. И. И. Ползунова, 2000. — 111 с.
3. Макушев, Ю. П. Расчет систем и механизмов двигателей внутреннего сгорания математическими методами : учеб. пособие / Ю. П. Макушев, Т. А. Полякова, Л. Ю. Михайлова, А. В. Филатов. — Омск : Изд-во СибАДИ, 2011. — 284 с.
4. Касаткин, А. С. Электротехника : учеб. для вузов / А. С. Касаткин, М. В. Немцов. — 9-е изд. — М. : Академия, 2005. — 544 с.
5. Губертус, Гюнтер. Диагностика дизельных двигателей / Гюнтер Губертус ; пер. с нем. Ю. Г. Грудского // Сер. Автомеханик. — М. : ЗАО КЖИ «За рулем», 2004. — 176 с.
МАКУШЕВ Юрий Петрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры тепловых двигателей и автотракторного электрооборудования Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии, г. Омск. Адрес для переписки: makusev321@mail.ru ВОЛКОВА Лариса Юрьевна, старший преподаватель кафедры судовых энергетических установок и теплоэнергетики Калининградского государственного технического университета. Адрес для переписки:volkova0969@mail.ru
Статья поступила в редакцию 29.04.2015 г. © Ю. П. Макушев, Л. Ю. Волкова
