Электрически управляемый дозирующий клапан

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для регулирования подачи рабочей среды с повышенным давлением в гидравлических и пневматических системах. Электрически управляемый дозирующий клапан содержит корпус с входным и выходным каналами. В корпусе установлен подпружиненный плунжер с электрическим приводом его перемещения. Привод включает две размещенные на расстоянии друг от друга электрические катушки. Катушки подключены через блок управления к генератору импульсов тока. Магнитосвязанный с катушками подвижный диск размещен между ними и соединен с одним из концов плунжера. На другом конце плунжера закреплен запорный элемент входного канала. Диск выполнен из немагнитного материала с удельным омическим сопротивлением, обеспечивающим индукцию в нем вихревых токов при подаче импульсов тока на ту или иную катушку. Изобретение направлено на обеспечение быстродействия работы клапана в соответствии с управляющим сигналом и на увеличение импульса сил, действующих на плунжер, а следовательно, на повышение надежности работы клапана и на расширение его функциональных возможностей. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и может быть использовано в гидравлических и пневматических системах регулирования подачи рабочей среды с повышенным давлением (2000 Н/см² и более), например топлива, от индивидуального топливного насоса к форсункам двигателя внутреннего сгорания.

Известен электрически управляемый дозирующий клапан, в расточке корпуса которого с входным каналом установлен регулирующий орган, соединенный со штоком, выполненным из пьезоэлектрического или магнитнострикционного материала, нагруженного пружиной со стороны седла, а в корпусе - опора, кинематически связанная со штоком (а.с. СССР №1132798, F16K 31/02, 1984). Недостатком данного клапана является его высокая конструктивная сложность и низкая эксплуатационная надежность, особенно при использовании его в системах, работающих в условиях повышенной вибрации.

Наиболее близким по сути и достигаемому результату по отношению к предлагаемому техническому решению является электрически управляемый дозирующий клапан, содержащий корпус с входным и выходным каналами, в котором установлен подпружиненный плунжер с электрическим приводом его перемещения, включающим две размещенные на расстоянии друг от друга электрические катушки, подключенные через блок управления к генератору импульсов тока, и магнитосвязанный с катушками подвижный диск, размещенный между ними и соединенный с одним из концов плунжера, на другом конце которого закреплен запорный элемент входного канала (а.с. СССР №1605071, F16K 31/02, 1990). Электрические катушки в данном клапане размещены на магнитных сердечниках, а диск выполнен из ферромагнитного материала со значительным удельным омическим сопротивлением (5,0-6,0)·10^-8 Ом·м и размещен с зазором 0,1-0,15 мм относительно того или иного сердечника при отсутствии подачи на ту или иную катушку импульса тока.

Электропривод плунжера в известном дозирующем клапане относится к высокоиндуктивным системам, работающим по принципу притягивания диска к тому или иному сердечнику при подаче импульса тока на соответствующую катушку, где переходные процессы (возрастание тока в катушках при подаче к ним напряжения и снижение тока при снятии напряжения) осуществляется крайне медленно. В соответствии с этим перемещение диска и связанного с ним плунжера осуществляется со значительным запаздыванием и сдвинутым по фазе на значительное время относительно подачи импульса тока на ту или иную катушку. Это негативно сказывается на быстродействии клапана, а следовательно, надежности его работы. Особенно этот недостаток проявляется при использовании дозирующего клапана в системах регулирования подачи рабочей среды, к которым предъявляются высокие требования по скорости регулирования, например, в системах подачи топлива от индивидуального топливного насоса к форсункам двигателя внутреннего сгорания. Величина импульса сил, действующих на плунжер клапана и создаваемых электроприводом, в значительной мере определяется величиной и однородностью зазора по кольцевому периметру между диском и сердечниками электрических катушек. Так, при наличии указанного зазора величиной 0,1 мм, импульс сил, действующих на плунжер, снижается более чем в 2 раза по сравнению с отсутствием этого зазора. Это принуждает увеличивать конструктивные габариты клапана, что, в свою очередь, ограничивает его использование в системах регулирования рабочей среды. Перенос диска относительно того или иного сердечника катушек является в то же время причиной нестабильности работы клапана и снижения за счет этого начальной скорости перемещения плунжера, то есть быстродействия, до 0,5 мс и больше, что также снижает надежность и ограничивает использование данного клапана в тех системах, где быстродействие должно составлять меньше, чем 0,2 мс. Кроме того, диск электропривода известного клапана изготавливается из ферромагнитного материала, как правило из магнитной стали с высоким удельным весом, что также отрицательно сказывается на величине начальной скорости перемещения плунжера, а следовательно, быстродействии клапана.

Задача данного изобретения состоит в создании электрически управляемого дозирующего клапана, обеспечивающего высокое быстродействие его работы в соответствии с управляющим сигналом (импульсом тока) и увеличивающего импульс сил, действующих на плунжер, а следовательно, повышающего надежность работы и расширяющего его функциональные возможности.

Поставленная задача решается тем, что в электрически управляемом дозирующем клапане, содержащем корпус с входным и выходным каналами, в котором установлен подпружиненный плунжер с электрическим приводом его перемещения, включающим две размещенные на расстоянии друг от друга электрические катушки, подключенные через блок управления к генератору импульсов тока, и магнитосвязанный с катушками подвижный диск, размещенный между ними и соединенный с одним из концов плунжера, на другом конце которого закреплен запорный элемент входного канала, в соответствии с изобретением диск выполнен из немагнитного материала с удельным омическим сопротивлением, обеспечивающим индукцию в нем вихревых токов при подаче импульсов тока на ту или иную катушку, при этом немагнитный материал выбран с удельным омическим сопротивлением, не превышающим 1,5·10^-8 Ом·м, а в качестве указанного материала используют алюминий.

Сравнительный анализ предлагаемого электрически управляемого дозирующего клапана с известным (прототипом) показывает, что новыми признаками здесь есть следующие.

1. Выполнение подвижного диска из немагнитного материала с удельным омическим сопротивлением, обеспечивающим индукцию в нем вихревых токов при подаче импульсов тока на ту или иную катушку, а также величиной указанного сопротивления, составляющей менее 1,5·10^-8 Ом·м.

2. Использование в качестве материала диска алюминия.

Выполнение подвижного диска из немагнитного материала с удельным омическим сопротивлением, обеспечивающим индукцию в нем вихревых токов при подаче импульсов тока на ту или иную катушку, а также величиной указанного сопротивления, составляющей менее 1,5·10^-8 Ом·м, обеспечивает создание эффекта короткого замыкания в данном диске. За счет низкой индуктивности системы электропривода плунжера переходные процессы осуществляются здесь с высокой скоростью, превышающей скорость подобных процессов в известном электроприводе в 10 и более раз. Это существенным образом снижает время задержки между началом перемещения плунжера и подачей управляющего сигнала на соответствующую электрическую катушку, что значительно увеличивает быстродействие клапана, а следовательно, надежность его работы. При этом вследствие высокой скорости изменения магнитного потока в подвижном диске наводится значительная электродвижущая сила (эдс). Так как удельное омическое сопротивление его материала очень мало, то импульс тока, а следовательно, сила, действующая на плунжер, значительно возрастает, что позволяет использовать такой клапан в системах регулирования подачи рабочей среды с повышенным давлением, и расширить таким образом его функциональные возможности.

Использование в качестве материала диска алюминия, то есть материала с более низким удельным весом, чем магнитная сталь, снижает общий вес подвижной части клапана-плунжера, что способствует увеличению первичной скорости его перемещения и положительно сказывается на быстродействии клапана.

Аналогичных технических решений с подобными признаками в процессе патентно-информационного поиска не выявлено. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение является новым, промышленно полезным и имеет изобретательский уровень.

На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого электрически управляемого дозирующего клапана.

Он содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 каналами, в котором установлен подпружиненный посредством пружины 4 плунжер 5 с электрическим приводом его перемещения. Последний включает две размещенные на расстоянии l друг от друга электрические катушки 6 и 7, подключенные через блок управления 8 к генератору импульсов тока 9, и магнитосвязанный с катушками подвижный диск 10, размещенный между ними и связанный с одним из концов 11 плунжера, на другом конце 12 которого закреплен запорный элемент 13 входного канала 2. Расстояние l между катушками равно сумме величины толщины диска, хода h перемещения плунжера и конструктивным зазорам δ₁ и δ₂ между диском 10 и катушками 6 и 7.

Диск 10 выполнен из немегнитного материала с удельным омическим сопротивлением, обеспечивающим индукцию в нем вихревых токов при подаче импульсов тока на ту или иную катушку 6 и 7. Величина удельного омического сопротивления материала диска 10 должна составлять менее 1,5·10^-8 Ом·м. В качестве материала диска, как правило, используют алюминий.

Клапан работает следующим образом. В нерабочем состоянии плунжер 5 под действием усилия пружины 4 находится в крайнем нижнем положении и запорным элементом 13 перекрывает входной канал 2, а также подвод рабочей среды к каналу 3.

При подаче управляющего сигнала от блока управления 8 к генератору 9 последний вырабатывает импульс тока высокого напряжения, который подается к электрической катушке 6. За счет выполнения диска 10 из высокопроводного немагнитного материала с удельным омическим сопротивлением, составляющим менее 1,5·10^-8 Ом·м, в нем индуктируются с высокой скоростью вихревые токи. Импульс силы, образующийся при воздействии магнитного поля катушки 6 с вихревыми токами диска 10, способствует отталкиванию плунжера 5 от катушки 6 к катушке 7, а запорный элемент 13 при этом соединяет входной канал 2 с выходным 3, откуда рабочая среда, например топливо, поступает к рабочему органу. Пружина 4 при этом сжимается. За счет низкой индуктивности системы электропривода возрастание тока в катушке 6 осуществляется с высокой скоростью, что положительно сказывается на быстродействии данного электропривода, а следовательно, клапана в целом. Импульс силы, создаваемый электроприводом, и действующий на плунжер 5, при этом практически совпадает с управляющим сигналом, поступающим на катушку, и по длительности не превышает 0,1 мс.

В то же время, вследствие высокой скорости возрастания тока в электрической катушке, а следовательно, быстрой смены магнитного потока, в диске 10 наводятся электродвижущие силы (э.д.с.) высокого значения, а так как удельное омическое сопротивление его материала мало, импульс силы, действующей на плунжер, значительно возрастает. Это позволяет использовать дозирующий клапан в системах регулирования подачи рабочей среды с повышенным давлением, что расширяет его функциональные возможности.

При перемещении диска 10 на расстояние h в направлении к катушке 7 и подаче дозированного количества среды через выходной канал 3 к рабочему органу, например форсунке двигателя внутреннего сгорания, на указанную катушку 7 подается импульс тока, и диск вместе с плунжером отталкивается от нее к катушке 6, а запорный элемент 13 перекрывает входной канал 2. Переходные процессы, осуществляемые в катушке 7, аналогичны подобным процессам, происходящим в катушке 6, и осуществляются с такой же скоростью, использование в качестве материала диска алюминия, то есть металла с более низким удельным весом, чем сталь, снижает общий вес плунжера. В свою очередь, это в меньшей степени сказывается на величине первичной скорости перемещения диска, то есть инерции покоя, и повышает таким образом быстродействие клапана. В то же время, при изготовлении диска из материала с удельным омическим сопротивлением более чем 1,5·10^-8 Ом·м в нем индуктируются вихревые токи значительно меньшей величины, а. это, в свою очередь, отрицательно сказывается на быстродействии клапана

Такое конструктивное исполнение электрически управляемого дозирующего клапана повышает его быстродействие в 2,5-3,0 раза и значительно расширяет его функциональные возможности.

1. Электрически управляемый дозирующий клапан, содержащий корпус с входным и выходным каналами, в котором установлен подпружиненный плунжер с электрическим приводом его перемещения, включающим две размещенные на расстоянии друг от друга электрические катушки, подключенные через блок управления к генератору импульсов тока, и магнитосвязанный с катушками подвижный диск, размещенный между ними и соединенный с одним из концов плунжера, на другом конце которого закреплен запорный элемент входного клапана, отличающийся тем, что диск выполнен из немагнитного материала с удельным омическим сопротивлением, обеспечивающим индукцию в нем вихревых токов при подаче импульсов тока на ту или иную катушку.

2. Электрически управляемый дозирующий клапан по п.1, отличающийся тем, что немагнитный материал выбран с удельным омическим сопротивлением, не превышающим 1,5·10^-8 Ом·м.

3. Электрически управляемый дозирующий клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве материала диска используется алюминий.