Проектирование и расчет электромагнитных форсунок двигателей с принудительным воспламенением Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

т

Проектирование и расчет электромагнитных форсунок двигателей с принудительным воспламенением

В.И. Ерохов,

профессор Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ), д.т.н.

Разработан метод расчета электромагнитных форсунок современных двигателей. Изложены основные положения предложенного метода. Рассмотрен механизм формирования управляющих сигналов в микропроцессорных системах управления двигателей. Приведена конструктивная схема электромагнитной форсунки современного двигателя. Проанализированы временные фрагменты осциллограмм переходных процессов электромагнитной форсунки. Разработана принципиальная схема формирования управляющих импульсов электромагнитной форсунки. Приведены расчет-но-аналитические и экспериментальные результаты исследований электромагнитной форсунки.

Ключевые слова: электромагнитная форсунка, принципиальная и конструктивная схема электромагнитной форсунки, метод проектирования и расчета электромагнитной форсунки, система управления, эффективность разработанной электромагнитной форсунки.

Designing and calculation of electromagnetic atomizers of engines with compulsory ignition

V.I. Erokhov

The method of calculation of electromagnetic atomizers of modern engines is developed. Substantive provisions of the offered method are stated. The mechanism of formation of operating signals in microprocessor control systems of engines is considered. The constructive scheme of an electromagnetic atomizer of the modern engine is resulted. Time fragments of oscillograms of transients of an electromagnetic atomizer are analysed. The basic scheme of formation of operating impulses of an electromagnetic atomizer is developed. Settlement-analytical and experimental results of researches of an electromagnetic atomizer are resulted.

Keywords: an electromagnetic atomizer, the basic and constructive scheme of an electromagnetic atomizer, a method of designing and calculation of an electromagnetic atomizer, a control system, efficiency of the developed electromagnetic atomizer.

Научные разработ

Существующие аналитические методы для расчета конструкций электромагнитных форсунок (ЭМФ) современных двигателей недостаточно эффективны. Экспериментальные методы не позволяют в полной мере использовать современные технологии их проектирования.

Рассмотрим в обобщенной форме методологию проектирования и расчета ЭМФ современных ДВС. Электромагнитная форсунка (рис. 1) представляет собой быстродействующий клапан для дозированной подачи топлива в цилиндры двигателя.

Форсунка состоит из корпуса 7 с размещенной в нем катушкой электромагнита 9 с выводами, выходного патрубка 1, якоря 4, размещенного в сердечнике 19, и нагруженной пружины 18, расположенной со стороны входного штуцера 15.

Запирающий конус 23 перемещается в корпусе 21 клапана в вертикальном направлении при минимальных боковых зазорах, обеспечивающих подачу топлива. Ход конуса ограничивается упором 6. Магнитопровод форсунки содержит катушку 9, на корпусе которой размешена латунная или медная обмотка. Выводы обмотки сообщены с внешним электрическим разъемом 11. Обмотка электромагнита форсунки одним выводом 10 через главное реле системы или реле топливного насоса подключена к положительной клемме аккумулятора, вторым - к блоку управления. Электронный блок подключает ее к массе автомобиля, замыкая цепь питания.

В обесточенном состоянии запирающий конус 23 дозатора (распылитель) прижат пружиной 18 к его седлу. При подаче импульса тока на обмотку электромагнита электрическое поле, преодолевая сопротивление пружины 18, приподнимает запирающий конус 23 на 0,1 мм над седлом распылителя, и топливо поступает через образовавшийся калиброванный кольцевой зазор 22. Якорь 4 электромагнита вместе с запирающим

ш

Рис. 1. Принципиальная схема электромагнитной форсунки бензинового двигателя с электронным управлением: 1 - патрубок; 2, 12 - резиновое уплот-нительное кольцо; 3 - уплотнительная шайба; 4 - якорь электромагнита; 5, 20

- уплотнитель; 6 - ограничительная шайба; 7 - корпус; 8 - изолятор; 9 - катушка электромагнита; 10 - электрический контакт; 11- электрический разъем; 13 -топливный фильтр; 14 - топливная трубка; 15- штуцер; 16 - топливный канал; 17

- крышка; 18 - пружина; 19 - сердечник; 21 - корпус клапана дозатора; 22 - калиброванный зазор; 23 - запирающий конус; 24 - полость

где А1рз - начальный рабочий зазор, м; Д2рз - конечный рабочий зазор, м.

Конструктивный параметр (КП) разработанной электромагнитной форсунки может быть определен по следующей зависимости

ЮТ = 110_3Л/т\/5Я, (2)

где Рэ - тяговое усилие электромагнита, Н; 8я - перемещения якоря электромагнита, м.

На первом этапе Рэ выбирают ориентировочно по разработанной номограмме.

Ход якоря электромагнита в общем виде может быть представлен зависимостью

5 = Д

1рз "

(3)

конусом 23 в процессе работы колеблется с высокой частотой. Сопротивление обмотки электромагнита находится в пределах 2...16 Ом. Наибольшее распространение подучили ЭМФ с коническим уплотнением клапана, обеспечивающим в процессе эксплуатации необходимые топ-ливно-экономические показатели.

Воздушные зазоры ЭМФ, оказывающие заметное влияние на электротехнические параметры и технико-эксплуатационные показатели, могут быть определены по формуле [1, 2]

Др3 = Д1рз + Дгрз, (1)

Сложные переходные процессы в ЭМФ моделировали на специальной установке [1]. Эффективность ЭМФ в целом определялась согласованностью тяговой и механической характеристик. Тяговая характеристика - это зависимость электромагнитного усилия Рэ от перемещения 8я якоря, механическая - зависимость противодействующей силы Рм, обусловленной действием пружины и силой тяжести, от перемещения якоря.

КП форсунки позволяет по специальной номограмме выбирать диаметр якоря, наружный и внутренний диаметры электромагнита, параметры катушки электропривода (длина, высота, сопротивление и диаметр обмотки катушки). На завершающем этапе из расчета ЭМФ определяют жесткость пружины и электротехнические параметры электромагнита [3, 4].

Тяговое усилие электромагнита (магнитодвижущая сила) может быть представлено зависимостью

Рз=(ц0фЧ2Я)/25>,

(4)

где - магнитная постоянная Гн/м; Ф - поправочный коэффициент; Г - магнитодвижущая сила катушки, А; 5 - площадь уплотнительного пояска якоря, м2.

Полная магнитодвижущая сила катушки электромагнита 9 может быть определена по формуле

рэ = (шг/э)/дэ, (5)

где ю - число витков катушки электромагнита; иэ - напряжение, В; Яэ - сопротивление катушки электромагнита, Ом.

В идеальном случае время открытого состояния клапана ЭМФ соответствует продолжительности импульса тока, поступающего на обмотку электромагнита. Развиваемое усилие электромагнита пропорционально магнитному потоку в его сердечнике.

Магнитный поток в магнитопро-воде ЭМФ достигает максимального значения не мгновенно, а через расчетный промежуток времени

тах

= (4...5)^МФ/гЭМФ, (6) где ¿ЭМФ - индуктивность обмотки электромагнита форсунки, Гн; гЭМФ -активное сопротивление обмотки форсунки, Ом.

Быстродействие разработанной ЭМФ определяется жесткостью возвратной пружины, массой запирающего элемента и индуктивностью обмотки. В разработанной ЭМФ применены две цепи электронного управления. Для быстрого открытия клапана форсунки использована первая (форсирующая) обмотка, по которой течет ток большой силы для преодоления силы инерции запирающего конуса ЭМФ и силы сопротивления пружины.

Для удержания клапана ЭМФ в открытом состоянии ток большой силы не требуется, и управление электромагнитом переходит на удерживающую цепь с большим сопротивлением, обеспечивая четкое срабатывание ЭМФ и ее низкую тепловую напряженность.

Временные осциллограммы переходных процессов, происходящих в электрической и механической частях форсунки, приведены на рис. 2. Выбранная форма и длительность управляющего импульса представлены осциллограммой напряжения 1. Частота следования прямоугольных импульсов напряжения современного бензинового ДВС, зависящая от частоты вращения КВ, числа цилиндров

и катушек зажигания, может быть определена следующим образом:

/• _ **цил

ими >

30 кг

(7)

где п - частота вращения КВ двигателя, мин-1; гцил - число цилиндров двигателя; к - тактность двигателя; г - число катушек зажигания.

Ток, проходящий через обмотку ЭМФ, после ее срабатывания изменяется по экспоненциальному закону (кривая 2), что обусловлено нечетким

Рис. 2. Осциллограммы переходных

процессов, происходящих в электрической и механической частях форсунки за время £ а - напряжение и ток в обмотке; б - высота перемещения (открытия) клапана; в - цикловые подачи (теоретическая qцтеор и фактическая дц);

I - напряжение; 2-4 - импульс тока; 5 -закрытое положение клапана; 6 - движение клапана; 7 - открытое состояние клапана; 8 - задержка открытого состояния клапана; 9 - обратный перелет клапана; 10 - задержка цикловой подачи топлива;

II - линия начала цикловой подачи топлива; 12 - теоретическая подача топлива; 13 - теоретическое снижение подачи топлива; 14 - фактическая подача топлива; 15 - область увеличения цикловой подачи топлива; 16 - область снижения цикловой подачи топлива; 0 - закрытое положение клапана;

точки: а - начало движения клапана; Ь - окончание движения клапана; с - окончание импульса тока; - начало обратного движения клапана; е - окончания движения клапана

характером отпускания клапана во времени (кривая 4), а затем и недостаточно точным дозированием топлива. На токовой осциллограмме (кривая 2) точка, соответствующая точке Ь - время срабатывания Гсраб , - определяет моментупора клапана в седло.

В процессе работы ЭМФ сначала срабатывает электромагнит. Во время переходного процесса от начального положения 0 к конечному положению Ь (рис. 3) электромагнит в течение времени ■ остается неподвижным, а затем смещается на величину, соответствующую точке Ь на оси Икл. В первоначальный момент срабатывания электромагнита ток в его обмотке достигает величины /сраб, обеспечивая равенство электромагн итной силы и сил, противодействующих движению сердечника. Продолжительность срабатывания Гсраб, в течение которой ток нарастает до /сраб , зависит от схемы включения обмотки в систему управления, условий ее питания, параметров электромагнита и его нагрузки. Для одного и того же электромагнита при различной нагрузке продолжительность срабатывания будет различной.

После окончания действия управляющего импульса магнитный поток исчезает не сразу. Усилие, обеспечивающее притягивание якоря к сердечнику, уменьшается постепенно. На частотах 500 Гц и выше время срабатывания и время отпускания электромагнита не зависят от продолжительности импульса тока в обмотке и являются неуправляемыми временными параметрами, заложенными конструктивно. Магнитный поток из-за наличия индуктивности катушки достигает своего максимума через некоторое время после приложения напряжения к обмотке электромагнита.

В разработанной ЭМФ клапан открывается и закрывается не одновременно с началом поступления и окончанием управляющего импульса подачи тока, а с некоторым запаздыванием.

Общая продолжительность срабатывания ЭМФ соответствует началу подачи импульса до полного открытия ЭМФ. При подаче напряжения на выводы катушки якорь задерживается на месте (клапан закрыт), так как в этом случае ток не достигает необходимой силы. После снятия напряжения ток спадает не мгновенно. Пружина и поток топлива помогают движению клапана, повышая быстродействие ЭМФ. Продолжительность от момента поступления управляющего импульса до полного закрытия ЭМФ называют временем отпускания. Задержка срабатывания форсунки сопровождается уменьшением расхода топлива, а увеличение продолжительности отпускания клапана - избытком его подачи.

Конструктивно между якорем управляющего электромагнита и топливным запирающим узлом существует жесткая связь, поэтому временная диаграмма срабатывания однозначно связана с динамикой электромагнитной части форсунки.

Продолжительность циклового впрыска ЭМФ можно представить уравнением

(8)

^ -г -к ,+t ,) +

цв имп V тр1 дв1/

где Гимп - длительность электрического управляющего импульса, мс; ■ и Гтр2 - время трогания затвора при открытии (запаздывание начала движения) и закрытии (время зависания), мс; ■ и Гдв2 - время движения затвора при открытии и закрытии, мс.

Продолжительность переходных электротехнических процессов в зависимости от момента приложения напряжения к обмотке электромагнита до начала движения якоря называется временем начала запаздывания движения (отрезок 0-а). На перелет якоря из положения, соответствующего закрытому клапану, в открытое положение Ь требуется определенное время, называемое временем перелета якоря (отрезок а-Ь). Под временем

и и исследования

lijitii

Рис. 3. Фрагмент осциллограммы срабатывания и отпускания ЭМФ

срабатывания (отрезок 0-Ь) электромагнита понимается сумма времени начала движения и времени перелета якоря (время движения).

Выключение тока в обмотке сопровождается задержкой магнитного потока в сердечнике электромагнита. Усилие, притягивающее якорь к сердечнику электромагнита, не сразу достигает значения, при котором начинается обратный перелет якоря.

Время уменьшения усилия от максимального значения до величины, воздействующей на якорь со стороны запорной пружины, представляет собой время зависания - время запаздывания закрытия (отрезок с-ё). Время обратного перелета якоря (отрезок ё-е) соответствует времени отпускания электромагнита, продолжительность управляющего импульса -отрезку 0-с, а время отпускания клапана - отрезку с-е. Быстродействие ЭМФ характеризуется неуправляемой продолжительностью открытия и закрытия затвора.

В общем виде продолжительность срабатывания (отпускание) можно представить формулой

'ср^+'дв. (9)

где (■ - время трогания, измеряемое от момента подачи (снятие) напряжения на электромагнит до момента начала движения клапана дозатора с якорем электромагнита, с; (дв - время

R

(12)

движения клапана дозатора вместе с якорем электромагнита из закрытого состояния в открытое (или наоборот), с.

Неуправляемая продолжительность открывания (срабатывание) клапана включает время трогания и прямого движения [3, 4]

'окл = Ча+*аЬ- (Ю)

Неуправляемая продолжительность закрытия (отпускание) включает время задержки закрытия клапана и обратного его движения [3, 4]

*з«п =*«*+*&■ (И)

Продолжительность срабатывания и отпускания электромагнита - неуправляемые временные параметры - не зависит от величины импульса тока в обмотке, а существенно зависит от конструкции и материала магнитопровода (наличие вихревых токов в нем), массы подвижных частей ЭМФ, трения при перемещении этих частей, а также соотношения индуктивного и активного сопротивлений цепи форсунки и амплитуды тока, управляющего работой электромагнита. При закрытии форсунки скачок обратного напряжения достигает 60 В. Экспериментально эти величины определяют по точкам излома кривых тока и напряжения в обмотке ЭМФ, наблюдаемых на экране осциллографа.

Продолжительность трогания электромагнитного клапана может быть представлена зависимостью

где ¿кэ - индуктивность катушки электромагнита постоянного тока, зависящая от числа ее витков, Гн; К - активное сопротивление катушки электромагнита, Ом; /у - установившийся ток в катушке электромагнита, А; / - ток трогания клапана дозатора с якорем электромагнита, А.

Магнитный поток достигает максимального значения через некоторое время после приложения напряжения к обмотке электромагнита. Нарастание магнитного потока сопровождается увеличением силы притяжение якоря электромагнита к сердечнику магнитопровода.

Продолжительность движения клапана дозатора с якорем электромагнита можно в первом приближении определить из уравнения равноускоренного движения этих деталей

_ я max

50 а

(13)

где а - ускорение клапана дозатора с якорем электромагнита, м/с2.

Ускорение клапана дозатора с якорем электромагнита зависит от действующих на них сил и их массы

а=Р"~Р", (14)

где Рм - усилие электромагнита, Н; Рд - усилие, возникающее в результате перепада давлений на входе и выходе дозатора, Н; m - масса клапана дозатора с якорем электромагнита, кг.

Усилие от перепада давлений на входе и выходе дозатора равно

РЯ=(Р,к,шх-Ршшп)3> (15)

где р - максимальное давление на

m г вх max m

входе дозатора, Па; рвх min - минимальное давление на выходе дозатора, Па; S - площадь уплотнительного пояска якоря, м2.

Из формул (13-15) получим усилие электромагнита

a02SMm (16)

м 9 \гЪх1шх гвктпу

Если задать время срабатывания дозатора ■ = 2,0 мс и принять соответственно t =1,0 мс и ■ =1,0 мс, то

тр дв

можно сформулировать требования к основным элементам дозатора. В формуле (12) при /тр/ 1у < 0,3 (реально для быстродействующих электромагнитов / / / еще меньше) значение

тр у

натурального логарифма будет 0,5 и менее. Следовательно, для электромагнита дозатора должно выполняться условие

-^А_<0,002 С. (17)

К

Преобразуя уравнение (15), получим усилие, развиваемое электромагнитом ЭМФ,

^=0,02 8ятит+ (18)

+ СРвхтах _Л«тш) $ •

Усилие электромагнита пропорционально величине магнитного потока в его сердечнике. Магнитный поток из-за наличия индуктивности катушки достигает максимального значения через некоторое время после приложения напряжения к обмотке электромагнита.

Управляющим параметром ЭМФ является продолжительность открытого ее состояния. Изменение жесткости возвратной пружины не оказывает существенного влияния на дозирование. Количество подаваемого топлива определяется длительностью электрического импульса, поступающего от ЭБУ на обмотку ЭМФ. Частота срабатывания дозатора, равная частоте следования тактов впуска двигателя, обеспечивает необходимую равномерность распределения горючей смеси по цилиндрам. Период следования импульсов ■ управления дозатором четырехтактного двигателя может быть представлен зависимостью

г -

•/* ш

(19)

где /тах - максимальная частота срабатывания дозатора для четырехтактного двигателя, с -1.

Продолжительность срабатывания дозатора должна быть на порядок меньше периода следования импульсов его управления. Быстродействие форсунки обеспечивается подбором электромагнитного привода. Сердечник электромагнита имеет продольные прорези, уменьшающие вихревые токи. Эффективность работы ЭМФ характеризуется скважностью импульсов, то есть соотношением продолжительности открытого и закрытого ее состояния.

К важнейшим гидравлическим характеристикам ЭМФ относятся статическая и динамическая производительности. Статическая производительность характеризуется количеством топлива, проходящим через ЭМФ в единицу времени при заданном давлении и полном открытии клапана.

£„=ецт/^> (20)

где 0„

цикловая подача топлива

при полной мощности, см3; ■ - продолжительность впрыскивания, мин.

Цикловая подача топлива ЭМФ в зависимости от длительности и формы электрического управляющего импульса может быть определена по следующей зависимости

бцт -Цф/ф*цвл/2/Рт л[Рср , (21) где цф / - площадь эффективного

сечения дозирующего отверстия форсунки, см2; рср - средний перепад давления на дозирующем отверстии между входом (давление в рампе) и выходом форсунки (впускной трубопровод), Па; рт - плотность топлива, кг/см3; ■ - время открытого состояния форсунки (впрыск), с.

Продолжительность одного оборота КВ

В уравнении (21) величины цф /ф, рт и рср являются постоянными, поэтому топливоподачей управляют путем изменения продолжительности управляющего импульса, подаваемого на обмотку ЭМФ.

Динамическую производительность (мм3/„икл) определяют путем подачи на форсунку серии импульсов с заданным периодом ■=10 мс (частота импульсов 100 Гц) и заданной контрольной длительностью, которую выбирают на режиме холостого хода (импульс ХХ). Расходную характеристику строят по нескольким точкам. Большая часть зависимости цикловой подачи от длительности импульса имеет линейный характер, но в начале и в конце она теряет линейность. Для форсунки разработанной конструкции достаточно использовать по одной точке статической и динамической характеристик.

Нелинейность характеристики

определяет скважность - отношение

длительности импульсов ■ к пет ' имп

риоду их следования выраженное в процентах. При ■ =5 мс и ■=10 мс

имп

скважность равна 50 %. Нелинейный участок начинается не при больших длительностях импульса, а при больших скважностях, то есть когда между окончанием предыдущего импульса и началом следующего остается слишком мало времени. Клапан просто не успевает нормально закрыться, и происходит подача лишнего топлива. ЭМФ остается полностью открытой не только при скважностях, равных 100 %, но и меньших, близких к ним. Изменение ■ в этих пределах не

имп

приводит к изменению цикловой подачи, то есть форсунка становится неуправляемой.

Если увеличить усилие возвратной пружины, то время срабатывания

Параметр Частота вращения КВ, мин-1

600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000

Продолжительность, мс

одного оборота КВ 100 50 33 25 20 16 14 12 11 10

одного такта 50 25 16,5 12,5 10 8 7 6 5,5 5

возрастет, а время отпускания уменьшится. Регулируя жесткость пружины, можно управлять фазированной подачей топлива. Разница между минимальным и максимальным потреблением воздуха современным двигателем постоянно увеличивается, что сопровождается уменьшением частоты вращения на режимах ХХ, а также увеличением числа оборотов при максимальной мощности и принудительной подачи воздуха нагнетателями.

Важным направлением является увеличение кратности подачи ЭМФ, достигаемой путем сокращения времени срабатывания/отпускания. Оптимальным является уменьшение сопротивления катушки электромагнита, позволяющее увеличить ток в обмотке и скорость его нарастания, то есть существенно уменьшить время торможения якоря с клапаном. Разработанная низкоомная ЭМФ наиболее перспективна для современных ДВС.

Г7 11 и 5 10° 1 Г ¡Л 31 >0° 51 0° ( Г 540

У/Ш/А 3 1

ч Т ША \ —% 1

II к п Ч К ¡1 К К к к

1 1 ^—

III п 1 Г 1 1 "1 п г 1

IV 1/2п 1/2а

«О' \

и и

■ VI \ V а .

п и п п

и

/ VII \ Щ I

1и— — р

Рис. 4. Принципиальная схема формирования импульсов, управляющих работой электромагнитных форсунок (верхняя шкала - ° ПКВ): I - номера цилиндров двигателя; II - электрические сигналы; III - формирователь импульсов; IV - делитель частоты вращения КВ; V - мультивибратор, управляющий делением импульсов; VI -перемножающее звено; VII - усилитель (конечный каскад); п -частота вращения КВ двигателя; - цикловой расход воздуха; - длительность импульса цикловой подачи воздуха за период зарядки конденсатора; 1т - длительность импульса цикловой подачи воздуха за период разрядки конденсатора; I,, - временная коррекция импульса; - длительность импульса подачи воздуха; ^-длительность импульса подачи топлива; к- коэффициент перемножения; ■ - продолжительность открытия впускного клапана двигателя; Ш - момент подачи искры зажигания

Повышение циклового расхода топлива связано с увеличением продолжительности управляющего импульса. Увеличение частоты вращения КВ двигателя сопровождается возрастанием импульса впрыска. Целесообразно проанализировать возможность увеличения длины импульса на основе одного импульса за оборот КВ двигателя (таблица).

Продолжительность одного оборота КВ при максимальной частоте вращения показывает возможность увеличения длительности управляющего импульса. Анализ продолжительности одного такта ДВС позволяет правильно понять и организовать работу современной форсунки.

Чтобы форсунки не потеряли управляемость при максимальных цикловой подаче и частоте вращения КВ двигателя, между управляющими импульсами должна быть пауза продолжительностью не менее времени отпускания Готп. Максимальная продолжительность управляющих импульсов может быть определена как г <г -г ■ (22)

цтах — тт *0ТП

Чтобы форсунка не потеряла управляемость при минимальной цикловой подаче, минимальная продолжительность управляющих импульсов должна быть равна или больше времени срабатывания клапана: £ ^ £ • (23)

ттгпш — ср

Время задержки открытия и закрытия ЭМФ находится в диапазоне

1,5___1,2 мс. Задержка срабатывания

клапана составляет 1 мс, продолжительность открытого состояния -2_5 мс в зависимости от необходимого количества топлива, напряжение системы привода форсунки - 4 В.

Дискретность приводит к неравномерности распределения топлива по длине впускного трубопровода. При любых схемах впрыска

¥ =

(24)

где tцт - время подачи топлива, мс; ГКВ - продолжительность одного оборота КВ, мс.

Принципиальная схема формирования импульсов, управляющих работой ЭМФ, приведена на рис. 4.

Электрические сигналы II проходят формирователь импульсов III, обеспечивающий получение от поступающего сигнала импульсов прямоугольной формы, которые приходят на делитель частоты IV, позволяющий получить два импульса. Начало подачи импульса соответствует началу впрыска топлива форсункой.

Формирователь III импульсов сообщен электрической цепью с делителем IV частоты вращения КВ двигателя и мультивибратором V, управляющим делением импульсов. Перемножающее звено VI обеспечивает изменение ширины импульса, а конечный каскад (усилитель) VII - усиление выходного каскада.

Импульс Гмультивибратора Vсо-держит информацию, относящуюся к одному ходу поршня двигателя. Перемножающее звено VI обеспечивает обогащение горючей смеси при пуске и прогреве двигателя, а также при работе на холостом ходу и полной его нагрузке.

Продолжительность управляющего импульса определяет базовое количество топлива, впрыскиваемого за такт впуска без учета каких-либо корректирующих факторов. Чем больше поступает количество воздуха при каждом такте, тем длиннее базовая продолжительность впрыскивания. Импульсы Гр далее поступают на вход каскада умножения длительности, принцип работы которого аналогичен принципу работы управляющего мультивибратора. Наряду с увеличением ширины импульсов на отдельных режимах осуществляется также коррекция по времени ^, компенсирующая изменения быстродействия электромагнитов форсунок, обусловленные колебаниями напряжения в сети. В ширину полученного импульса уже входит вся информация о потребности двигателя в топливе. Этот импульс шириной Ги приводит

в действие конечный каскад, непосредственно управляющий впрыски-ваниемтоплива

К=*р+*т ■ (25)

Перемножающее звено VI осуществляет обогащение горючей смеси, необходимое при пуске и прогреве двигателя, на холостом ходу и при полной нагрузке. В каскаде умножения длительности формируется и импульс ^, продолжительность которого является функцией напряжения в бортовой сети автомобиля. Длительность результирующего импульса Г, управляющего работой электромагнитных форсунок, равна общей продолжительность впрыска

+ * + * . (26) I и х р т б •

Продолжительность начала подъема якоря Г =1,4 мс, время прямого перелета составляет 0,6 мс, полное время срабатывания Гср=2 мс, время зависания составляет 1,3 мс, время обратного перелета - 0,6 мс, а время отпускания - 2 мс. Цикловая подача зависит от длительности управляющего импульса. Поле разброса цикловой подачи ЭМФ при малой длительности управляющего импульса должно быть ±3,5 %, а при больших ±2,5%.

Расчет базового времени Г для систем впрыска содержит исходную информацию в виде матрицы, заносимой в программное запоминающее устройство (ПЗУ) электронного блока управления. ЭБУ получает от датчиков информацию о частоте вращения

КВ п, нагрузке двигателя 0 и находит в ПЗУ соответствующие им оптимальные значения длительности импульса Г. При отличии одной из входных переменных 0 и п от дискретных значений, записанных в ПЗУ, ЭБУ выполняет интерполяцию. После определения Г ЭБУ корректирует базовую величину.

Базовая продолжительность впрыскивания адаптируется к различным условиям работы каскадом умножения в ЭБУ. Этот каскад управляется делителем с помощью импульсов продолжительностью Гр. Он накапливает информацию о различных режимах двигателя (запуск холодного двигателя, прогрев, полная нагрузка и др.), на основе чего вырабатывается корректирующий коэффициент к, умножаемый на базовую продолжительность Гр, вычисленную мультивибратором управления делением. Полученное время ^ добавляется к базовой продолжительности впрыскивания Гр, то есть продолжительность впрыскивания увеличивается, а смесь обогащается.

Параметр ^ называют коэффициентом обогащения. В холодную погоду форсунки впрыскивают топлива в 2 раза больше в начале периода прогрева. Наряду с увеличением ширины импульсов осуществляется коррекция по времени ^, компенсирующая изменения быстродействия электромагнитов форсунок, обусловленные колебаниями напряжения в сети.

-360° Порядок работы 1

3

4

2

0° 180е 360° 540° 720" 900° 1080° ПКВ

амт цил. 1 I

1 4 шш I 4 ш

¡ш I 4

I I

I I н Ш! I 7

I I

ж и □

¡ппо

Рис. 6. Диаграмма работы (а) и схема включения (б) форсунок при фазированном впрыске топлива. а: 1-4 - номер цилиндра; впуск; И - впрыск; Ш-зажигание; б\ 1-4-форсунка; 5- ЭБУ; 6-9-силовой ключ

б

а

Для обеспечения соответствующей дозы 0цв при разных режимах длительность и форма электрического управляющего импульса будут зависеть от характеристик переходных процессов ЭМФ

^имп + ^тр2 ■ (27)

Экономичная регулировка (а=1,10...1.15), обеспечивающая минимальный удельный расход топлива, соответствует режиму работы двигателя на частичных нагрузках (рис. 5, участок в-д). На режимах

полных нагрузок система питания должна обеспечивать состав смеси, соответствующий мощностной регулировке (а=0,8...0,9), что вызывает необходимость увеличения цикловой подачи топлива. Мощностный режим работы двигателя (участок д-е) характеризуется малым давлением в впускном трубопроводе (ВТ), то есть близким к давлению окружающей среды.

На режимах принудительного холостого хода (ПХХ) минимальный

Основные параметры разработанной электромагнитной бензиновой форсунки

Статическая производительность, г/с.....................................................................................19

Время запаздывания, мс

открытия клапана.............................................................................................................1,5

закрытия клапана.............................................................................................................1,0

Рабочее давление, МПа..........................................................................................................0,3

Угол конуса распыливания, градус..........................................................................................40

Напряжение питание ЭМФ от бортовой сети, В...............................................................8...16

Потребляемый ток, А..................................................................................................................4

Кратность цикловых подач, %.................................................................................................16

Сопротивление обмотки при температуре +20 °С, Ом.................................................2,5±0,05

Частота срабатывания, Гц......................................................................................Не менее 250

Тип клапанной пары...............................................................................................Метал-метал

Максимальный расход, кг/ч....................................................................................Не менее 7,5

Погрешность измерения массового расхода воздуха, %...................................Не более ±1,0

Диапазон рабочих температур, °С...............................................................................-40.100

Линейность характеристики цикловой подачи

при длительности импульса 2 мс, %...................................................................................± 2,5

расход топлива и снижение выброса ВВ обеспечивают отключением подачи топлива (участок в-г). На режимах полных нагрузок необходимое наполнение цилиндров поддерживают дополнительными корректирующими элементами.

Для бесперебойной работы двигателя при резком открытии дроссельной заслонки предусмотрены устройства, позволяющие увеличивать цикловую подачу, а также средства регулирования подачи топлива на режимах пуска и прогрева двигателя (участок а-в-г).

Момент подачи управляющего импульса на форсунку каждого цилиндра увязывается с моментом открытия впускного клапана в этом цилиндре и даже может изменяться в зависимости от режима работы двигателя. Подобная схема (рис. 6) требует более совершенного блока управления, обеспечивающего лучшие характеристики работы двигателя на неустановившихся режимах.

В современных двигателях масса топлива, поступающая в цилиндр, рассчитана исходя из условий наполнения ДВС воздухом. Испытанные форсунки обладают оптимальными расходными характеристиками. При нарушении характера протекания расходных характеристик необходимо переписывать управляющую программу. Ресурс работы ЭМФ

оценивается в 100 тыс. км пробега автомобиля или 360 млн циклов, она легко ремонтируется с минимальными финансовыми и временными затратами.

Таким образом, была сформулирована концепция ЭМФ современных систем впрыскивания топлива, разработаны теоретические и методологические предпосылки создания электромагнитных форсунок, а также получены экспериментально-аналитические результаты исследований электромагнитных форсунок с различными функциональными элементами.

Метод проектирования и расчета ЭМФ нового поколения двигателя с искровым зажиганием позволяет определить ее параметры. Быстродействие таких форсунок достигается путем уменьшения массы и трения подвижных деталей. Для повышения быстродействия якорь и сердечник электромагнита имеют

продольные прорези, уменьшающие вихревые токи. Увеличение затяжки пружины повышает время запаздывания открытия ЭМФ и снижает время запаздывания ее закрытия.

Параметр цикловой подачи топлива удобнее оценить параметром продолжительности открытия форсунки. Они связаны линейной зависимостью.

На частотах 500 Гц и выше время срабатывания и время отпускания

электромагнита не зависят от продолжительности импульса тока в обмотке и являются неуправляемыми временными параметрами, заложенными конструктивно.

Фазированное впрыскивание представляет собой наиболее прогрессивный и современный способ подачи топлива в цилиндры ДВС, обеспечивающий максимально возможную экономичность и экологич-ность современного двигателя.

Литература

1. Ерохов В.И. Системы впрыска бензиновых двигателей (конструкция, расчет, диагностика). - М.: Горячая линия. Учебник для ВУЗОВ, 2011. - 567 с.

2. Куске Е.Я. Применение расчетных методов к анализу динамики затвора клапана в форсунках электронно-управляемых систем бензиновых двигателей // Двигателестроение. - 1984. - № 9. - С. 28-31.

32. Электротехнический справочник. Под ред. П.Г. Грудинского. Том 1. - М: Энергия, 1971. - 880 с.

4. Казаков Л.А. Электромагнитные устройства РЭА: справочник. - М.: Радио и связь, 1991. - 352 с.