Рис. 27. Конструктивная схема электромагнитной форсунки и ее временные параметры
В идеальном с точки зрения регулирования случае время открытого состояния клапана должно быть равным продолжительности электрического управляющего импульса, поступающего на обмотку электромагнита. Однако в реальной форсунке клапан открывается и закрывается не одновременно с началом поступления и окончанием управляющего импульса, а 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. 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 движения tпер 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 называется 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 рис. 27, б представлены осциллограммы тока 1 и напряжения 2 электромагнита, характеристика «время—сечение» 3 и даны все временные параметры клапана форсунки: точки а и 6 — начало и конец движения якоря, с — конец импульса тока, due — начало и конец обратного движения якоря, оа и аb — время трогания tтр, и движения якоря tпер, ob — время срабатывания якоря tср, ос — продолжительность управляющего импульса, cd и de — время залипания tзал и обратного перелета якоря tпер, се — время отпускания якоря tотп. Как время срабатывания, так и время отпускания не зависят от продолжительности управляющего электрического импульса, т. е. для данной конструкции форсунки являются неуправляемыми временными параметрами характеристики время—сечение клапана.
При соизмеримых значениях продолжительности управляющих импульсов и неуправляемых временных параметров неуправляемые параметры следует отнести к нежелательным явлениям, отрицательно сказывающимся иа точности дозирования. Так, например, минимальное управляемое время открытого состояния клапана определяется временем его отпускания. Также этим временем определяется минимальная цикловая подача, при которой возможно управляемое дозирование. Естественно, что чем короче время срабатывания и время отпускания, тем выше быстродействие электромагнитной системы, тем меньше вносится погрешностей при дозировании топлива и тем шире могут быть диапазоны используемых длительностей управляющих импульсов.
На величину неуправляемых временных параметров оказывают значительное влияние конструкция и материалы магнитопровода, величина массы подвижных деталей форсунки, наличие трения при перемещении этих деталей, амплитуда импульсов тока, управляющего работой форсунки, величина противодействующего усилия, 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 параметры зависят также и от ряда побочных факторов, таких, как точность обработки деталей магнитопровода, качество их рабочих поверхностей, состояние магнитопровода после механической обработки.
Применяемые в современных системах впрыска с электронным управлением электромагнитные форсунки выполнены по единой принципиальной схеме, но отличаются значительным разнообразием конструктивного оформления основных элементов.
Наиболее употребительны два типа форсунок. Электромагнитная система первого типа выполняется по соленоидной системе, для второго типа характерно применение системы с плоским якорем. В первом случае уплотняющая поверхность клапана обычно коническая, а распыливающее сечение представляет собой кольцевую щель, образованную цапфой клапана и его седлом. Во втором случае типично использование плоского клапана с распылителем — пластиной с одним или несколькими калиброванными отверстиями.
К первому типу относится электромагнитная форсунка аппаратуры Бош. Продольный разрез форсунки показан на рис. 28. В корпусе форсунки 1 смонтированы распылитель 2 с запорной иглой 3 и электромагнит, втягивающий якорь 12, соединенный с иглой распылителя. Обратное движение якоря осуществляется усилием пружины 6. Топливо поступает в корпус форсунки через штуцер 9, в котором расположен фильтрующий элемент 8. При включении обмотки электромагнита 11 в цепь (выводы обмотки соединены с контактами штепсельного разъема) якорь 12 поднимает иглу, открывая^топливу выход из распылителя. Ход иглы, равный 0,15 мм, ограничен упором бурта 4 в шайбу 5 из твердосплавного материала. Такая конструкция гарантирует сохранение зазора между якорем 12 и сердечником электромагнита 7, что предотвращает износ деталей, выполненных из мягкого железа, а также улучшает временные характеристики форсунки. Для повышения быстродействия якорь и сердечник электромагнита имеют продольные прорези, уменьшающие вихревые токи. Дозирующее сечение распылителя представляет собой кольцевую щель шириной 0,085 мм, являющуюся зазором между распылителем 2 и штифтом иглы. Объем заклапанного пространства незначителен и составляет около 0,6—0,8 мм3. Для подстройки форсунок на идентичность цикловых подач предусмотрен винт 10, изменяющий усилие возвратной пружины 6. Особенностью конструкции форсунки является её неразборность. По данным фирмы, форсунки ремонту не подлежат. В форсунке Бош использована электромагнитная система броневого типа со втяжным якорем и плунжерный клапан с коническими запорными элементами, образующими кольцевую дозирующую щель. Такое решение обеспечивает хорошее распыливание топлива, но довольно сложно в производстве.
Рис. 28. Электромагнитная форсунка Бош
В ЦНИТА были проведены испытания форсунок Бош, устанавливаемых на автомобиле Фольксваген 1600. На рис. 29, а представлены осциллограммы тока и напряжения электромагнита форсунки. Из приведенных осциллограмм видно, что время трогания якоря tтр равно примерно 1,4 мс; время прямого перелета около 0,6 мс; следовательно, полное время срабатывания tcp равно 2 мс. Время залипания равно 1,3 мс, время обратного перелета tпер — 0,7 мс. Кроме того, характер осциллограммы позволяет установить, что в процессе закрытия имеют место повторные отрывы иглы от седла клапана общей продолжительностью около 0,4 мс. Таким образом, полное время отпускания tотп примерно равно 2 мс. Существование повторных отрывов иглы подтверждается также фотографированием струи топлива.
Рис. 29. Характеристики электромагнитной форсунки Бош
На рис. 29, б показана рабочая характеристика форсунки — зависимость величины цикловой подачи от длительности управляющего импульса τ при постоянной частоте следования импульсов 25 Гц. На графике показано поле разброса характеристик комплекта, состоящего из четырех форсунок. Отклонения значений цикловых подач при малых длительностях импульса составляют±3,5%, при больших длительностях±2,5%. На рис. 29, в приведен график зависимости цикловых подач от напряжения источника питания Е. Зависимость дана для двух значений цикловых подач, соответствующих длительностям импульсов τ=10 мс и τ=4 мс, при частоте следования импульсов 25 Гц. Кривые Qц=φ (Е) при различных длительностях электрического импульса смещаются эквидистантно. Это показывает, что основной причиной изменения характеристик является изменение неуправляемых временных параметров форсунки при изменении напряжения питания. При изменении Е от 10 до 15 В величина цикловой подачи независимо от τ увеличивается примерно на 4 мм3, что при малых цикловых подачах составляет более 30%. Такая зависимость нежелательна для электромагнитной форсунки. В связи с этим в программу регулирования системы аппаратуры Бош введена дополнительная коррекция длительности электрических импульсов, обеспечивающая необходимую стабильность цикловых подач при изменении напряжения питания.
Несколько отличается от описанной форсунка фирмы «Брико», конструкция которой показана на рис. 30. В корпусе 1 форсунки смонтированы клапан 8 и электромагнит 2. Клапан плунжерного типа представляет собой полый стержень, перемещающийся в корпусе форсунки. С одной стороны стержень заканчивается штифтовым распылителем, а с другой — плоским якорем. Тарельчатая разрезная пружина 3 прижимает клапан к седлу 6. При возбуждении обмотки электромагнита якорь притягивается к ярму, клапан открывается и топливо через дозирующую кольцевую щель распылителя впрыскивается во впускную трубу двигателя. Топливо к форсунке подводится через канал 4 во впускной трубе в кольцевую канавку 5, выше и ниже которой установлены уплотнительные кольца 7. Недостатком данной конструкции является то, что якорь притягивается непосредственно к сердечнику. Это ухудшает быстродействие и повышает износ.
Рис. 30. Электромагнитная форсунка Брико
В 1959 г. фирма «Бендикс Авиэйшн» запатентовала конструкцию электромагнитной форсунки (патент США № 2881980). Эта форсунка относится ко второму типу. Разрез ее представлен на рис. 31. Клапан 9, используемый в этой форсунке, плоский. Он же является якорем электромагнита. Якорь прижимается плоской запорной пружиной 3 к жиклерам 8. Жиклеры запрессованы в пластину 2, установленную в основании 1. В форсунке используется электромагнит с магнитопроводом броневого типа и чашкообразным якорем. Магнитная цепь состоит из гильзы 7, якоря 9 и сердечника 6, объединеннного с крышкой 5. Сердечник, полюсный наконечник гильзы и якорь имеют продольные разрезы для снижения вихревых токов. Необходимая для возбуждения электромагнита магнитодвижущая сила создается обмоткой 4, находящейся в топливе. Такое расположение обмотки обеспечивает лучшие условия теплоотвода, что позволяет значительно увеличить плотность тока в ней. Используемая конструкция электромагнита весьма рациональна. Отсутствие трущихся деталей и радиальных усилий „на якоре при срабатывании электромагнита, безусловно, улучшает быстродействие форсунки.
Рис. 31. Электромагнитная форсунка Бендикс Авиэйшн
Недостатком конструкции является трудность изготовления в массовом производстве идентичных по производительности клапанов с восемью дозирующими жиклерами малого сечения (диаметр около 0,15—0,18 мм). Кроме того, при срабатывании клапана якорь притягивается непосредственно к сердечнику и полюсному наконечнику, что ухудшает быстродействие. В процессе эксплуатации соударяющиеся поверхности якоря и электромагнита изнашиваются, на них появляется наклеп, изменяющий магнитные свойства материала, что в итоге может ухудшать стабильность работы форсунки.
К этому же типу относится и форсунка аппаратуры впрыска ЦНИТА—ГАЗ. Форсунка была создана в результате исследовательских работ по усовершенствованию узлов аппаратуры, проводимых в ЦНИТА в течение ряда лет. Конструкция форсунки показана на рис. 32. В корпусе форсунки 9 размещены электромагнит броневого типа с чашкообразным якорем. Электромагнит состоит из катушки с обмоткой 5, ярма 6 и сердечника 7, завальцованных в обойму 4. Концы обмотки выведены к электрическим контактам 8, изолированным от корпуса. Калиброванный жиклер 13 с плоским посадочным пояском перекрывается плоской поверхностью чашеобразного якоря 2. При обесточенном состоянии электромагнита якорь 2 прижат усилием пружины 11 к жиклеру 13 и клапан закрыт. Усилие пружины может быть отрегулировано винтом 10. При возбуждении электромагнита якорь 2 притягивается к ярму 6 и сердечнику 7. Ход якоря (0,1 мм) обеспечивается разницей высот якоря и дистанционного направляющего кольца 3, Жиклер 13 запрессован в основание 14. Корпус 9 вставляется в гайку 1 с резьбовой частью для крепления форсунки на двигателе.
Рис. 32. Электромагнитная форсунка ЦНИТА—ГАЗ
Стабильность показателей форсунки в значительной мере определяется быстродействием ее якоря. По этой причине при разработке быстродействующих электромагнитов уменьшение времени срабатывания и времени отпускания является первоочередной проблемой. 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 в форсунке 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 будут зависеть постоянство времени отпускания, а следовательно, и стабильность показателей форсунки. Вместе с тем, во время эксплуатации немагнитный зазор изменяется из-за износа соударяющихся деталей.
В процессе совершенствования электромагнитных форсунок было предложено ввести в конструкцию тонкую неметаллическую прокладку 12, гарантирующую требуемый остаточный зазор между ярмом 6 и якорем 2. Прежде всего, применение немагнитной неметаллической прокладки благоприятно в отношении повышения быстродействия, так как в ней не могут индуктироваться вихревые токи. Кроме того, при работе форсунки с неметаллической прокладкой почти не наблюдается износа ударяющихся о прокладку поверхностей ярма и якоря. Опыт эксплуатации показывает, что неметаллическая прокладка обеспечивает высокую стабильность выходных показателей и практически предохраняет от износа ярмо и якорь форсунки. Выбор материала неметаллической прокладки был произведен на основе испытаний в лабораторных условиях и эксплуатационных испытаний форсунок на автомобилях. Длительные эксплуатационные испытания форсунок с про-. кладками из полимерной пленки показали, что срок службы прокладки ограничивается не ее износом, а потерей немагнитных свойств из-за вкрапливания в материал прокладки металлических частиц. В тех случаях, когда значения характеристики цикловых подач выходили за пределы допуска, пригодность форсунки к дальнейшей эксплуатации восстанавливалась простой заменой прокладки.
В процессе исследований была также выбрана конструкция якоря. Для обеспечения необходимого быстродействия форсунки якорь должен быть изготовлен из магнитомягкого материала, например из электротехнической стали Армко. Как показал опыт эксплуатации, на якоре форсунки в местах посадки его на седло жиклера образуется кольцевая выработка, вследствие чего может появиться просачивание топлива через клапан в закрытом состоянии, В описываемой форсунке центральная часть якоря имеет твердую вставку, изготовленную из стали Р18 и закаленную до твердости HRC 59—62. В результате применения вставки выработка якоря существенно уменьшилась; сократилось количество отказов форсунки по причине потери герметичности клапана, а для устранения подобных отказов стало достаточно произвести притирку посадочной плоскости якоря на доводочной плите, после чего якорь вновь становится пригодным для дальнейшей эксплуатации.
Для удобства обслуживания форсунка ' может быть вывернута из гнезда крепления на двигателе без отключения ее, от электрических цепей и от топливной магистрали. Это достигается тем, что гайка корпуса 1 с резьбой для крепления форсунки на двигатель имеет возможность свободно вращаться, вокруг оси корпуса 9 форсунки (рис. 32). Такая конструкция позволяет производить непосредственно на двигателе визуальную проверку работы и герметичности клапана форсунки.
Основные характеристики электромагнитной форсунки ЦНИТА следующие:
- Наружный диаметр, мм — 26
- Высота, мм — 80
- Номинальное давление топлива, кгс/см2 — 2
- Статическая производительность клапана, мм3/мс — 4,0
- Число витков обмотки — 120
- Сопротивление обмотки, Ом — 0,65
- Диаметр провода обмотки, мм — 0,38
- Ход якоря, мм — 0,1
- Диаметр якоря, мм — 12
- Бремя срабатывания, мс — 1,8
- Время отпускания, мс — 1,6
- Способ включения — четыре последовательно на напряжение источника питания, В — 12
На рис. 33, а показано поле разброса цикловых подач комплекта форсунок при различных длительностях управляющего импульса и при частоте следования импульсов 25 Гц. Отклонения значений цикловых подач при малых длительностях составляют±3,5%, при больших длительностях —±2%. На рис. 33, б представлены осциллограммы тока и напряжения электромагнитной форсунки. Как показывают осциллограммы, при включении форсунок — четыре последовательно на напряжение питания 12 В — время срабатывания равно 1,8 мс и время отпускания — 1,6 мс.
Рис. 33. Характеристики электромагнитной форсунки ЦНИТА—ГАЗ
На рис. 33, в приведен график зависимости цикловых подач Qц от напряжения источника питания Е. График дан для двух значений цикловых подач, соответствующих длительностям электрических импульсов τ=4,0 мс и τ=12,0 мс при частоте следования 25 Гц. На графике также показано изменение времени срабатывания в зависимости от напряжения источника питания. Время отпускания клапана на всех режимах остается постоянным и равным 1,6 мс. Сравнение графиков Qц=φ (E) рис. 29, в и рис. 33, в показывает, что стабильность цикловых подач при изменении напряжения питания форсунки ЦНИТА—ГАЗ значительно выше, чем форсунки Бош. Такая стабильность форсунки ЦНИТА—ГАЗ достигнута благодаря глубокому насыщению ее магнитопровода при номинальном напряжении источника питания. На рис. 33, г показан график зависимости величины цикловых подач от температуры дозируемого топлива при различных длительностях управляющих импульсов. Как видно из графика, температурная зависимость цикловой подачи начинает проявляться при температурах выше 75°С. Следовательно, для получения стабильного процесса дозирования температура дозируемого топлива не должна превышать 75°С (топливо — бензин Б-70). Для бензина «экстра» этот предел снижается до +65°С.