УДК 629.113

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ФОРСУНКА С ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Белов Андрей Борисович1, Гумелёв Василий Юрьевич2
1Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище (военный институт) имени генерала армии В.Ф. Маргелова, канд. техн. наук, доцент
2Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище (военный институт) имени генерала армии В.Ф. Маргелова, канд. техн. наук

Аннотация
Проведен сравнительный анализ существующих способов повышения быстродействия электромагнитных форсунок бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. Рассмотрен новый способ, основанный на высоковольтном управлении форсункой с накоплением энергии в индуктивности. Приведена электрическая схема устройства для реализации предложенного способа.

Ключевые слова: бензиновый двигатель, впрыск топлива, высоковольтное управление форсункой, электромагнитная форсунка


ELECTROMAGNETIC INJECTO WITH HIGH-VOLTAGE DIRECTION

Belov Andrey Borisovich1, Gumelev Vasiliy Yuryevich2
1Ryazan high airborne command school (the military institute) name of the General of the army V. Margelov, candidate of technical Sciences, associate professor
2Ryazan high airborne command school (the military institute) name of the General of the army V. Margelov, candidate of technical Sciences

Abstract
A comparative analysis of the current ways of the rise of electromagnetic injectors of gasoline engines with direct injection of fuel is examined. A new way based on the high-voltage direction of the injector with the accumulation in inductance is offered. An electric scheme of a device for the realization of this method is presented.

Keywords: direct injection, electromagnetic injector, gasoline engine, high-voltage direction of the injector


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Белов А.Б., Гумелёв В.Ю. Электромагнитная форсунка с высоковольтным управлением // Современные научные исследования и инновации. 2013. № 10 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2013/10/26753 (дата обращения: 02.06.2017).

Электромагнитные форсунки (далее ЭМФ) являются исполнительным механизмом аппаратуры впрыскивания, дозирующим и распределяющим топливо по цилиндрам двигателя. ЭМФ представляет собой гидравлический клапан с приводом от быстродействующего электромагнита [1]. Клапан работает в импульсном режиме и имеет два устойчивых состояния – полностью закрытое и полностью открытое. ЭМФ изображена на рисунке 1.

1 – топливный фильтр; 2 – электрический контакт; 3 – обмотка электромагнита; 4 – пружина; 5 – якорь; 6 – игла; 7 – штифт

Рисунок 1 – Электромагнитная форсунка

В идеальном случае время открытого состояния клапана должно быть равным продолжительности электрического управляющего импульса, подаваемого на обмотку электромагнита. Однако в реальной форсунке клапан открывается и закрывается с запаздыванием. Это обусловлено тем, что магнитный поток в магнитопроводе форсунки достигает своего максимального значения не мгновенно, а через промежуток времени, практически равный (4–5)L/r, где L – индуктивность обмотки электромагнита, а r – ее активное сопротивление [2]. С нарастанием магнитного потока увеличивается сила, с которой якорь клапана притягивается к сердечнику магнитопровода. По прошествии некоторого времени усилие достигает величины, достаточной для трогания с места якоря, и клапан открывается. Таким образом, время срабатывания tср
состоит из времени трогания tтр и времени перелета t′пер
якоря. После окончания управляющего импульса магнитный поток исчезает также не сразу. Следовательно, усилие, с которым якорь притягивается к сердечнику, уменьшается постепенно. Через промежуток времени, который обычно называют временем «залипания» tзал якоря, усилие падает до значения отпускания, и клапан закрывается. Время «залипания» и время обратного перелета якоря в сумме составляют время отпускания tотп клапана.

На рисунке 2 представлены осциллограммы тока 1 и напряжения электромагнита, характеристика «время – сечение» 3 и даны все временные параметры клапана форсунки.

Рисунок 2 – Осциллограммы тока и напряжения на обмотке форсунки

Рассмотрим основные временные отрезки работы электромагнита: точки а и – начало и конец движения якоря, с – конец импульса тока, и е – начало и конец обратного движения якоря, Оа и ab – время трогания tтр и движения якоря t′перOb – время срабатывания якоря tсрОс – продолжительность управляющего электрического импульса, cd и de – время «залипания» tзал и обратного перелета якоря t′′персе – время отпускания якоря tотп..

Время срабатывания и время отпускания не зависит от продолжительности управляющего импульса, то есть для данной конструкции электромагнитной форсунки являются неуправляемыми временными параметрами характеристики «время – сечение» клапана.

При соизмеримых значениях продолжительности управляющих импульсов и неуправляемых временных параметров неуправляемые параметры отрицательно сказываются на точности дозирования топлива. Например, минимальное управляемое время открытого состояния клапана определяется временем его отпускания, которым задается минимальная цикловая подача. А именно при ней возможно управляемое дозирование. Чем короче время срабатывания и отпускания клапана, тем выше быстродействие электромагнитной системы, а, значит, вносится меньше погрешностей при дозировании топлива.

На величину неуправляемых временных параметров оказывают значительное влияние конструкция и материалы магнитопровода, масса подвижных деталей форсунки, наличие трения при перемещении этих деталей, амплитуда импульса тока, управляющего работой форсунки, противодействующее усилие, а также соотношение между индуктивным и активным сопротивлениями цепи форсунки. Одной из основных причин повышенных значений неуправляемых временных параметров электромагнита являются вихревые токи в материале магнитопровода, которые препятствуют нарастанию магнитного потока при включении и поддерживают магнитный поток при выключении тока. Неуправляемые временные пара-метры зависят также и от ряда побочных факторов, таких как точность обработки деталей магнитопровода, качество их рабочих поверхностей, состояние магнитопровода после механической обработки и др.

Форсунка должна обладать огромным быстродействием: время открытого состояния запорной иглы составляет несколько миллисекунд, а частота срабатывания колеблется от 6 – 7 до 30 – 50 герц. При этом требования к точности дозирования в каждый момент открытия форсунки предъявляются высочайшие. Поэтому рассмотрим известные способы повышения быстродействия [1].

Сократить время поднятия и опускания иглы возможно, снизив индукционность катушки, то есть уменьшив ее магнитную инерцию. Для этого нужно уменьшить число витков в обмотке. Но так как при этом возрастает ток до недопустимых величин, то необходимо последовательно с обмоткой форсунки устанавливать дополнительное сопротивление. Данный способ используется на двигателях фирм «Тойота» и «Ситроен».

Во многих конструкциях быстродействующих электромагнитов с целью уменьшения времени отпускания между ярмом и якорем в притянутом положении оставляют немагнитный зазор. Конструктивно такой зазор осуществляется или введением бурта и упорной шайбы из немагнитного твердосплавного материала, ограничивающих ход якоря, как выполнено в форсунке фирмы «Бош», или введением между ярмом и якорем прокладки соответствующей толщины, обычно латунной или получаемой гальваническим нанесением слоя хрома на плоскость якоря со стороны, прилегающей к полюсным наконечникам. В подобных конструкциях от неизменности остаточного немагнитного зазора будет зависеть постоянство времени отпускания, а следовательно, и стабильность показателей форсунки.

Другие способы повышения быстродействия ЭМФ появились благодаря созданию моторов, работающих на сверхбедных смесях. Так как время открытия форсунки в таких двигателях не должно превышать 0,5 миллисекунд, конструкторы фирм «Митсубиши», «Дженерал Моторс» и «Бош» стали использовать новый способ – способ высоковольтного управления. Фирмы «Митсубиши» и «Дженерал Моторс» используют способ Peak-n-Hold, а «Бош» – широтно-импульсную модуляцию. В основе обоих способов лежит получение импульсов высокого напряжения (50 – 100 В) бустерным конденсатором. При этом обмотка форсунки не сгорает, так как этому препятствует ЭДС самоиндукции. Магнитное поле быстро достигает максимального значения, и ток в обмотке не успевает превысить допустимого значения.

Анализ способов повышения быстродействия ЭМФ позволяет сделать вывод о том, что на сегодняшний день наиболее эффективным является направление, связанное с использование высоковольтного управления ЭМФ.

Однако использование в высоковольтном управлении бустерного конденсатора связано с одним существенным недостатком – сложность и громоздкость конструкции.

В качестве альтернативы предлагается использовать способ высоковольтного управления ЭМФ с накоплением энергии в индуктивности.

Для реализации данного способа разработано специальное устройство. Структурная схема устройства показана на рисунке 3.

1 – ЭМФ; 2, 3 – электронные ключ; 4 – схема управления (электронный блок управления); 5 – катушка индуктивности; 6 – первый диод; 7 – второе сопротивление; 8 – первое сопротивление; 9 – второй диод

Рисунок 3 – Устройство для повышения быстродействия ЭМФ

При срабатывании электромагнитной форсунки 1 импульс с блока управления 4 закрывает ключ 2. Энергия, запасенная в катушке индуктивности 5, через диод 6 поступает на резистор 7 и электромагнитную форсунку 1.

При этом затухающий переходной процесс протекает достаточно быстро, а токи принимают большие значения. Именно это обеспечивает срабатывание электромагнитной форсунки 1 с повышенной скоростью. Резистор 8 и диод 9 обеспечивают открытое состояние электромагнитной форсунки 1 до окончания импульса со схемы управления 4, закрывающего ключ 3.

Краткие выводы

Сравнительный анализ с имеющимися техническими решениями предлагаемого способа и устройства для его реализации показывает, что представленное в данной работе устройство позволяет повысить скорость срабатывания электромагнитных форсунок, но при этом оно обладает низкой себестоимостью и достаточно высокой надежностью.

 


Библиографический список
  1. Бурячко, В. Р., Гук А. В. Автомобильные двигатели. СПб. : НПИКЦ, 2009. 292 с.
  2. Сливинская, А. Г. Электромагниты и постоянные магниты. М.: Энергия, 1972.


Все статьи автора «Гумелёв Василий Юрьевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Один комментарий к “Электромагнитная форсунка с высоковольтным управлением”

  1. 19.07.2015 в 22:42

    Есть потенциал применеия данной наработки в “народном хозястве”. Хотелось бы побеседовать с автором.

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: