CC BY
103
УДК 621.436.038
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ СИСТЕМЫ ТОПЛИВОПОДАЧИ
ДИЗЕЛЯ
А.Н. Врублевский, доцент, к. т.н., ХНАДУ, А.В. Грицюк, к.т.н., КП ХКБД, А.И. Воронков, доцент, к.т.н., ХНАДУ, А.М. Бовда, научн. сотр., ННЦ «ХФТИ»
Аннотация. Приведены результаты испытаний новых материалов для быстродействующих электромагнитов топливной аппаратуры дизеля с электронным управлением впрыскивания.
Ключевые слова: электрогидравлическая форсунка (ЭГФ), электромагнитный клапан, магнитопровод, магнитодиэлектрик.
Введение
В дизельной топливной аппаратуре (ТА) с электронным управлением впрыскивания обеспечить процесс топливоподачи возможно только при условии применения эффективных устройств - актюаторов, преобразующих электрический сигнал в перемещение гидравлических клапанов, в том числе иглы распылителя форсунки. В ТА такие устройства используются для привода клапанов:
- регулятора давления в топливном аккумуляторе;
- управления впрыскиванием насос-форсунки;
- электрогидравлической (ЭГФ) или электромеханической (ЭМФ) форсунок;
- дозирующих топливо в топливном насосе высокого давления (ТНВД).
Особенности работы ТА выдвигают повышенные требования к актюаторам. Они должны обеспечивать перемещение не менее 0,05 мм за время, не превышающее 0,1 мс. При этом сила, развиваемая актюатором, должна достигать значений 20 Н (Delphi [1]) и выше. При выборе актюатора следует также учитывать периодичность впрыскивания топлива, которая может составлять менее 30 мс (автомобильный высокооборотный дизель), температурный режим в зоне работы актюатора (максимальная температура может достигать 200°С). Необходимо также учитывать условия организации энергопотребления актюаторов, так как мощность бортовой сис-
темы электропитания транспортного средства ограничена. Так, напряжение в сети тепловоза 110 В, а легкового автомобиля - 12 В или 24 В. Идентичность циклов, обеспечение заданного закона топливоподачи не совместимо с проявлением такого явления как гистерезис. А так как всем без исключения актюаторам явление гистерезиса присуще, то необходимо разработать мероприятия, чтобы минимизировать последствия его проявления.
Анализ публикаций
В аккумуляторных ТА с электронным управлением впрыскивания в качестве привода используются электромагниты и пьезоактюа-торы. Наибольшее распространение получили электромагниты. Так, в ТА с электронным управлением впрыскивания топлива фирм Bosch [2, 3], Denso [4, 5], Delphi [6] применяются электромагниты клапанного типа. Серийно перечисленными фирмами, а также фирмой Siemens, выпускаются ЭГФ с пьезо-актюаторами. На рис. 1 приведено сравнение перемещения иглы ЭГФ в случае применения для привода клапана управления электромагнита и пьезоактюатора. При одинаковой продолжительности управляющего импульса игла ЭГФ с электромагнитом достигает максимального подъема в момент, когда впрыскивание ЭГФ с пьезоактюатором уже завершается. Это указывает на преимущество применения пьезоактюатора. Суще-
ственными недостатками пьезоактюатора является высокая стоимость, недостаточная надежность, проявление явления гистерезиса, сравнительно сложный алгоритм управления.
Во всех отечественных разработках [7, 8 и др.], связанных с созданием электронной системы управления топливоподачи дизелей, в качестве исполнительных устройств используются электромагниты. Для привода управляющих клапанов ТНВД грузовых автомобилей, тепловозов, судовых дизелей используются электромагниты и пьезоактюато-ры [2, 3, 7].
ато
ч Р
Электромагнит
ф ^ * ч
Время
Рис. 1. Сравнение перемещения иглы ЭГФ с электромагнитом и пьезоактюатором [9]
Разработке и исследованию электромагнитов посвящено множество работ. Технологии изготовления электромагнитов постоянно совершенствуются. Однако относительно управляющих клапанов для топливных систем ДВС в литературе встречаются замечания, что «... электромагниты работают вблизи достигнутых на сегодня технических пределов...» [7] и предлагается целый ряд решений, позволяющих снизить требования к данным устройствам, но не улучшить их характеристики.
К известным мероприятиям, позволяющим получить необходимые характеристики электромагнитов, относятся следующие. Включение электромагнита не непосредственно на напряжение источника, а в различные схемы, в которых последовательно или параллельно включаются добавочные сопротивления, индуктивности, емкости. Использование для получения необходимого быстродействия специальных схем включения [10, 11] и алгоритмов управления.
Кроме выбора схемы включения-отключения, важным условием эффективной работы быстродействующего электромагнита явля-
ется выбор материала магнитопровода, позволяющего получить максимально возможную магнитодвижущую силу Ртаг и максимально снизить влияние вихревых токов и магнитного гистерезиса. Материалы, используемые в электромагнитах ТА, подвергаются воздействию быстроменяющегося магнитного поля. Это приводит к нагреву магнитопровода. Нагрев является следствием внутреннего трения, возникающего при непрерывной переориентации магнитных доменов. Как известно, величина потерь энергии в каждом цикле, выделяющейся в виде тепла, пропорциональна площади, ограничиваемой петлей гистерезиса. Для уменьшения площади петли гистерезиса необходимы материалы с малой коэрцитивной силой. Магнитные материалы, в каждом зерне которых существует один домен, демонстрируют отсутствие гистерезиса и называются суперпарамагнетиками. Данные материалы состоят из наночастиц размером 10 - 15 нм и их применение тесным образом связано с развитием нанотехнологий [12].
Цель и постановка задачи
Цель данной работы - определить эффективность применения новых материалов, разработанных в ННЦ «ХФТИ» для электромагнитного клапана отечественной электрогидравлической форсунки. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
- предложить методику испытаний образцов электромагнитов;
- провести испытания электромагнитов и на основании результатов испытаний провести оценку эффективности применения в электрогидравлической форсунке образцов маг-нитопроводов разработки ННЦ «УФТИ».
Объект исследования - опытные образцы магнитопровода
Объектом исследования являются опытные образцы магнитопровода для электромагнита постоянного тока клапанного типа. Образцы получены в результате применения технологий порошковой металлургии специалистами института твердого тела ННЦ «ХФТИ» НАН Украины. Для испытания были предложены магнитопроводы, состоящие из различных материалов. При изготовлении образцов использовались различные технологии. Описание составов и технологий не является целью
данной работы и поэтому в статье не приводится.
Магнитопровод является составной частью электромагнита, который также включает в себя катушку, якорь и пружину. Якорь электромагнита соединяется с управляющим клапаном электрогидравлической форсунки. Пружина выполняет функции возврата якоря в исходное положение в период отключения питания катушки, также пружина обеспечивает закрытие клапана управления между впрыскиваниями.
Новые материалы магнитопроводов
Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи целесообразно магнитопровод изготавливать либо шихтованным [9], либо из маг-нитодиэлектриков [3 - 5], в которых вихревые токи очень малы из-за большого сопротивления этих материалов. Магнитоди-электрики представляют собой связанную в единый конгломерат смесь частиц ферромагнитного порошка с размерами от 1 до 100 мкм и связки — диэлектрика (например, бакелита, полистирола, резины, эпокситной смолы). Магнитодиэлектрики в макрообъёмах обладают высоким электрическим сопротивлением, зависящим от количества и типа связки. Ферромагнитные частицы, смешанные с диэлектриком, можно прессовать и тем самым придавать ему необходимую форму. Применение магнитодиэлектрика дает двойной положительный эффект.
Во-первых, уменьшаются вихревые токи, в результате чего доля потерь на них становится соизмеримой с другими потерями.
Во-вторых, наличие зазоров между отдельными частицами ферромагнетика, заполненных изолирующим составом, создает эффект внутреннего размагничивания, который хотя и уменьшает проницаемость, но одновременно резко снижает отдельные составляющие потерь.
Первые опыты по изготовлению магнитоди-электриков были проведены более ста лет тому назад. Ферромагнитными частицами являлись железные опилки, а наполнителем -воск. Проницаемость такого магнитодиэлек-трика была очень мала из-за большого количества воска, а попытки уплотнить его прессованием приводили к разрыву
изоляционных оболочек, вследствие чего возрастали потери на вихревые токи.
Первые магнитопроводы из диэлектрика с удовлетворительными свойствами были получены в 20-х годах прошлого века путем прессования порошка карбонильного железа со связующим компонентом. Частицы карбонильного железа имеют сферическую форму диаметром от 1 до 20 мкм. Данная форма препятствует разрушению изоляционной оболочки при прессовании. Проведенные исследования магнитодиэлектриков [13] позволили определить возможные способы воздействия на их свойства. А именно:
- воздействие на магнитные свойства регулированием степени чистоты ферромагнитного порошка;
- подбор размера частиц ферромагнетика;
- выбор изолятора и регулирование его доли в магнитодиэлектрике;
- выбор давления во время прессования.
Учеными ННЦ «ХФТИ» специально для электрогидравлической форсунки разработана технология изготовления магнитопрово-дов. Успешное решение задачи создания быстродействующего электромагнита получено благодаря использованию концепции одновременного проектирования гидромеханической системы электрогидравлической форсунки и поиска материала для изготовления электромагнитного клапана.
На сегодняшний день найдено решение проблемы обеспечения скорости перемещения электромагнитного клапана (0,15 м/с и более) за счет применения магнитопровода, состоящего из частиц магнитомягкого и магнитот-вердого материала в соответствующих пропорциях. Очевидно, что при реализации данного решения пришлось идти на компромисс. Так как замещение магнитомягкого материала магнитотвердым неизбежно приводит к уменьшению магнитодвидущей силы.
Результаты испытаний
Испытания опытных образцов магнитопро-водов проводились в лабораториях института твердого тела ННЦ «ХФТИ» и топливной аппаратуры КП ХКБД. В ННЦ «ХФТИ» получены кривые намагничивания (рис. 2) эталонного образца (Лгшко железо) и новых материалов для магнитопровода. Размеры
образцов соответствовали размерам магни-топровода, спроектированного для ЭГФ дизельного двигателя серии 4ДТНА. Форма кривых намагничивания показывает, что в случае применения для магнитопровода порошка магнитомягкого материала с 2 % связующего в магнитном поле, напряженностью более 200 кА/м магнитная индукция В достигает значений, полученных при выходе на насыщение Лгшко железа. В то же время следует учесть, что при работе электромагнита в составе ЭГФ напряженность магнитного поля Н не может превысить 80 кА/м. Следовательно, необходимо иметь наибольшую крутизну кривой намагничивания, так как сила магнитного притяжения прямо пропорциональна магнитной индукции В. Очевидно, что выполнению данного условия не отвечают образцы 4 и 5 (рис. 2).
й
2,0
и
0J
Т.ч \ —— \
..—■— —"
/ \
у / --L- >
V - ■—■
40
SO
120
160
200
240
Н. кА/'м
Рис. 2. Кривые намагничивания: 1 - Armko железо; 2 - магнитодиэлектрик с 2 % связующего; 3, 4, 5 - магнитодиэлек-
трик с различном долей магнитотвердо-го порошка В лаборатории топливной аппаратуры КП ХКБД проведены испытания электромагнитов с опытными магнитопроводами. В процессе проведения испытаний с помощью тен-зодатчика с кольцевой балкой определялось перемещение якоря электромагнита. Сигналы об изменении тока в катушке электромагнита и с тензоусилителя датчика перемещения с помощью аналогово-цифрового преобразователя Е14-140 поступал в персональный компьютер, где обрабатывался средствами программы Power Graph 3.3.7.
Первые образцы магнитопроводов, обеспечившие работу электрогидравлической форсунки (обр. №1, обр. №2, обр. №3 на рис. 3), при одинаковом составе исходного магнито-мягкого материала отличались технологией изготовления. В результате испытания данных образцов получены идентичные по форме кривые изменения максимальной скорости перемещения клапана в зависимости от силы предварительной затяжки пружины клапана (рис. 3).
Указанная зависимость изменяется при включении магнитотвердого компонента. Применение магнитопровода с долей постоянных магнитов до 10 % (обр. №4, обр. №5, обр. №6 на рис. 3) позволяет при прочих равных условиях увеличить скорость перемещения клапана при предварительной затяжке клапана более 40 Н.
0.25
скорость, м/с
0.2
0.15
0.1
0.05
20
30
40
50
сила, Н
70
Рис. 3. Зависимость скорости перемещения якоря электромагнита от силы предварительной затяжки пружины клапана для различных материалов магнитопровода
В целом зависимость скорости от силы становится более пологой. Как и следовало ожидать, дальнейшее увеличение доли маг-нитотвердой составляющей (обр. №7, обр. №8 на рис. 3) приводит к резкому снижению максимальной скорости уже при силе предварительной затяжки 20 Н.
Выводы
В ходе разработки ЭГФ, проведенной совместно КП ХКБД, ХНАДУ и ННЦ «ХФТИ», получены новые материалы для магнитопро-водов быстродействующих электромагнитов.
Получены кривые намагничивания, анализ которых позволяет определить рациональные пределы изменения состава материала маг-нитопровода.
Определен способ изготовления магнитопро-водов, обеспечивающих компромиссное решение задачи получения высокого быстродействия электромагнита при магнитодвижущей силе 40 Н и более.
В результате испытаний опытных образцов определены рациональные соотношения состава материала магнитопровода, которые обеспечивают скорость перемещения клапана 0,15 м/с и более при силе предварительной затяжки клапана 40 - 70 Н.
Литература
1. Dober G. The Impact of Injection Strategies
on Emissions Reduction and Power Output of Future Diesel Engines / G. Dober, S. Tullis, G. Greeves, N. Milovanovic, M. Hardy, S. Zuelch // SAE Technical Paper Series. - 2008. - № 2008-01-0941.- P. 11.
2. Системы управления дизельными двига-
телями. Перевод с немецкого. С40 Первое русское издание. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 480 с.
3. Electromagnet for controlling the metering
valve of a fuel injector Пат. 5608368 США, МПК 7F02M 047/02 Ricco, Mario; Bruni, Giovanni; Elasis Sistema Ricerca Fiat Nel Mezzogiorno Societa Consortile per Azioni; Заявл. 1994-12-28, Опубл. 1997-03-04.
4. Compressed powder magnetic core and
method for fabricating same Пат. 5160447
США, МПК 7F02M 047/02 Ishikawa, Ma-sayuki; Taguchi, Tadashi; Tsuchihashi, Yasuhiko; Kabushiki Kaisha Sankyo Seiki Seisakusho; Заявл. 1989-02-21, Опубл. 1992-11-03.
5. Electromagnetic actuator, manufacturing
method thereof, and fuel injection valve Пат. 7053741 B2 США, МПК 7 H01F 7/08; Senta Tojo, Shinji Abo; Denso Corporation; Заявл. 03.08.2004, Опубл. 30.05.2006.
6. Fuel injector Пат. 6889918 США, МПК7
F02M 59/00; Anthony Harcombe; Delphi Technologies, Inc.; Заявл. 27.03.2002, Опубл. 10.05.2005.
7. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков Л.В.
Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. - М.: Легион - Автодата, 2004. - 344 с.
8. Хачиян А.С., Алексеев С.Н., Алексеев А.Б.
Аккумуляторная топливная система с электроуправляемыми гидроприводными насос-форсунками нового поколения: Сборник научных трудов МАДИ (ГТУ) «Перспективы развития поршневых двигателей в ХХ1 веке». - М. -2002.- С. 73 - 86.
9. Evaluation of the Potential of Passenger Car
Common Rail Injection by Simultaneous Application of In-Cylinder Fuel and Flame Detection // C. Fettes, *C. Heimgartner and A. Leipertz / The Fifth International Symposium on Diagnostics and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines (COMODIA 2001), July 1-4, 2001, Nagoya. P. 38 - 43.
10. Пинский Ф.И., Давтян Р.И., Черняк Б.Я.,
Пинский Ф.И. Микропроцессорные системы управления автомобильными двигателями внутреннего сгорания.- М.: Легион-Автодата, 2001.- 136 с.
11. Гордон А.В., Сливинская А.Г. Электро-
магниты постоянного тока. - М.: Энер-гоиздат, 1960. - 448 с.
12. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. - М.:
Техносфера, 2005. - 336 с.
13. Рейнбот Г. Магнитные материалы и их
применение: Пер. с нем. / Под ред. А.А. Преображенского. - Л.: Энергия, 1974. - 384 с.
Рецензент: И. П. Гладкий, ХНАДУ.
профессор, к.т.н.,
Статья поступила в редакцию 15 июня 2009 г.
