ITTO931020A1 - Elettromagnete di comando di una valvola di dosaggio per un iniettore di combustibile - Google Patents

Elettromagnete di comando di una valvola di dosaggio per un iniettore di combustibile Download PDF

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Description

D E S C R I Z I 0 N E
del brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione si riferisce ad un elettromagnete di comando di una valvola di dosaggio per un iniettore di combustibile, comprendente un nucleo fisso di materiale magnetizzabile, una bobina di elettrica di eccitazione, ed un'ancora di azionamento di detta valvola.
Le valvole di dosaggio degli iniettori di combustibile comprendono in genere una camera di comando avente un condotto di scarico. Questo ? normalmente tenuto chiuso da un otturatore, ad opera dell'ancora dell'elettromagnete. Il condotto di scarico viene aperto eccitando l'elettromagnete che fa spostare l'ancora verso il nucleo.
Come ? noto, il principale parametro dell'efficienza delle valvole di dosaggio consiste nella frequenza massima consentita per l'azionamento. Tale frequenza dipende dalla prontezza di risposta sia al comando di apertura, che al comando di chiusura del condotto di scarico, e quindi rispettivamente dalla prontezza di risposta all'eccitazione ed alla diseccitazione dell'elettromagnete.
Nelle valvole di dosaggio note, il nucleo fisso dell'elettromagnete ? realizzato con materiale ferroso magnetizzabile, in genere ferrite, la quale presenta buoni valori di permeabilit? magnetica, ma possiede un ciclo di isteresi molto elevato ed ? soggetta a notevoli correnti parassite, che generano una perdita elevata della forza magnetica del nucleo.
Questi nuclei noti richiedono quindi un tempo relativamente lungo per raggiungere la necessaria forza magnetica, per cui presentano dei limiti sia nella prontezza di risposta dell?elettromagnete, sia nella frequenza massima di azionamento. In essi, per ridurre il tempo di risposta, ? pertanto necessario sovradimensionare il nucleo e la bobina, per cui sia il costo di fabbricazione che quello di esercizio risultano elevati.
Scopo dell'invenzione ? quello di realizzare un elettromagnete di comando di una valvola di dosaggio del tipo suddetto, il quale sia della massima semplicit? e sicurezza di funzionamento, ed elimini gli inconvenienti sopra elencati per gli elettromagneti noti.
Questo scopo viene raggiunto dall'elettromagnete secondo l'invenzione, il quale ? caratterizzato dal fatto che detto nucleo ? formato mediante stampaggio di una miscela in polvere di un materiale ferroso e di un legante eposs?dico, detto nucleo cos? stampato essendo indi sinterizzato.
Per una migliore comprensione dell'invenzione viene qui descritta una forma preferita di realizzazione, fatta a titolo esemplificativo con l'ausilio degli annessi disegni, in cui:
Figura 1 ? una seziona mediana di un iniettore di combustibile, incorporante un elettromagnete di comando della valvola di dosaggio secondo l'invenzione;
Figura 2 ? una sezione di un dettaglio di Figura 1 in scala ingrandita;
Figura 3 ? un diagramma di una caratteristica dell'elettromagnete;
Figura 4 ? un diagramma di un'altra caratteristica dell'elettromagnete.
Con riferimento alla Figura 1, con 5 ? genericamente indicato un iniettore di combustibile, ad esempio per un motore a combustione interna a ciclo diesel. L'iniettore 5 comprende un corpo cavo 6 munito di una cavit? assiale 7, in cui scorre un'asta di comando 8. Inferiormente il corpo 6 ? collegato con un ugello 9, terminate con un foro di iniezione 11 normalmente tenuto chiuso da una punta di una spina 28 collegata con l'asta 8.
Il corpo 6 presenta Inoltre un'appendice cava 13, in cui ? inserito un raccordo d'ingresso 16 collegato all'usuale pompa di alimentazione del carburate ad elevata pressione, ad esemplo 1200 bar. Questo carburante giunge, attraverso condotti interni, ad una camera di iniezione 19. La spina 28 ? munita di uno spallamento 29, su cui agisce il combustibile in pressione della camera 19. Una molla di compressione 37 contribuisce a sp?ngere l'asta 8 e la spina 28 verso il basso.
L'iniettore 5 comprende inoltre una valvola di dosaggio, genericamente indicata con 40, la quale comprende un manicotto fisso 41 di supporto di un elettromagnete 42. Questo comanda un'ancora 43 di materiale ferromagnetico, avente una forma a disco. L'elettromagnete 42 comprende un nucleo fisso 46 di materiale ferromagnetico, ed ? munito di una sede anulare 45 in cui ? alloggiata l'usuale bobina elettrica 47 di azionamento. Il manicotto 41 collega inoltre un disco 52 d? pezzo con un raccordo di scarico 53, il quale ? allineato con un foro assiale 51 del nucleo 46 ed ? collegato al serbatoio del carburante.
Il nucleo 46 (Figura 2) ? formato da un manicotto interno 57 avente una forma cilindrica ed il foro 51, da un manicotto esterno 59 concentrico col manicotto 57, e da una porzione a disco 58, che collega i due manicotti 57 e 59. Queste presentano due corrispondenti superfici polari complanari 48 e 49, di forma anulare e concentrica, con cui collabora l'ancora 43.
La valvola di dosaggio 40 comprende inoltre una testa 56 (Figura 1) alloggiata in una sede del corpo 6 coassiale alla cavit? 7. La testa 56 delimita inferiormente una camera di scarico 60 del corpo 6, la quale si estende assialmente dalla superficie superiore della testa 56 alla superficie inferiore 48, 49 del nucleo 46.
La testa 56 ? inoltre munita di una camera di controllo assiale 61, la quale ? in comunicazione con un condotto di ingresso 62, calibrato e radiale, e con un condotto di scarico 63, calibrato ed assiale. Il condotto di ingresso 62 ? in comunicazione con il condotto 16, mediante -un condotto radiale 66 del corpo 6. La camera di controllo 61 ? delimitata inferiormente dalla superficie superiore dell'asta 8.
Grazie alla maggiore area di questa superficie rispetto a quella dello spallamento 29, la pressione del combustibile, coadiuvata dalla molla 37, tiene normalmente l'asta 8 e la spina 28 in posizione tale da chiudere il foro 11 dell'ugello 9. Il condotto di scarico 63 della camera di controllo 61 ? normalmente tenuto chiuso da un otturatore comprendente una sfera 67, su cui agisce un gambo 69 dell'ancora 43. La camera di scarico 60 ? in comunicazione con il foro assiale 51 del nucleo 46, e quindi con il raccordo di scarico 53.
Il gambo 69 dell'ancora 43 ? munito di una flangia 82 contro cui si appoggia una molla 86 di richiamo dell'ancora 43. La molla 86 ? alloggiata in una sede 84 di un organo a piatto 72, il quale viene fissato sul corpo 6 in modo registrabile. La corsa dell'ancora 43 verso le superfici polari 48 e 49 del nucleo 46 ? definita dall'estremit? di un manicotto 79 di pezzo con l'organ? a piatto 72, in modo da impedire il contatto di tale ancora 43 con il nucleo 46.
Normalmente l'elettromagnete 42 ? diseccitato, per cui l'ancora 43 viene tenuta dalla molla di richiamo 86 nella posizione bassa di Figura 1. Il gambo 69 tiene allora la sfera 67 in posizione di chiusura del condotto di scarico 63. La camera di controllo 61 risulta quindi in pressione e, assieme all'azione della molla 37, vince la pressione sullo spallamento 29. Pertanto l'asta 8 viene tenuta spostata in basso assieme alla spina 28, che chiude cos? il foro 11.
Quando viene eccitato l'elettromagnete 42, l'ancora 43 si sposta verso l'alto ed il gambo 69 libera la sfera 67. Allora la pressione del combustibile nella camera 61 si riduce e fa aprire la valvola di dosaggio 40, scaricando il combustibile nella camera di scarico 60, per cui esso ritorna nel serbatoio. La pressione del combustibile nella camera di iniezione 19 vince ora la forza della molla 37 e fa spostare verso l'alto la spina 28 che apre ora il foro 11, per cui viene iniettato il combustibile della camera 19.
Quando l'elettromagnete 42 viene diseccitato, l'ancora 43, grazie al traferro rimasto rispetto al nucleo 46, viene riportata rapidamente in posizione bassa dalla molla 86, per cui l'ancora 43 riporta la sfera 67 a chiudere il condotto di scarico 63. Il combustibile in pressione, entrante dal condotto 62, ricrea la pressione nella camera di controllo 61, per cui la spina 28 ritorna in basso, chiudendo il foro 11.
Secondo l'invenzione, il nucleo fisso 46 dell?elettromagnete 42 ? formato mediante stampaggio di una miscela di materiale ferroso in polvere e di un legante epossidico. Tale stampaggio si effettua mediante compressione della miscela in appositi stampi. Indi il nucleo cos? stampato viene sottoposto al processo termico di sinterizzazione in un apposito forno.
Preferibilmente il materiale ferroso ? costituito da ferrite. A sua volta il legante epossidico pu? essere scelto tra una serie di resine epossidiche, ed essere miscelato con la polvere di ferrite in un rapporto compreso tra il 2% e il 50% in peso della resina sulla miscela. Preferibilmente per ottenere queste caratteristiche, per il nucleo 46 pu? essere usata la miscela di resina epossidica con ferrite nel rapporto del 3% di resina sulla miscela.
Grazie a queste caratteristiche della miscela, il nucleo 46 pu? essere vantaggiosamente disegnato in modo da ottenere le prestazioni volute, con dimensioni minori rispetto a quelli dei nuclei in ferrite. In particolare, per ottenere una frequenza di azionamento di almeno 50 Hz, non solo il diametro del nucleo 46 e lo spessore dei manicotti 57 e 59 (Figura 2) possono essere ridotte, ma anche la sede 45 della bobina 47 pu? essere aumentata.
Preferibilmente la dimensione radiale della bobina 47 pu? essere aumentata fino al 40% del raggio dell'ancora 43. A sua volta la dimensione assiale "s" della sede 45 della bobina 47 pu? essere aumentata fino al 60% della dimensione assiale "h" del nucleo 46, per cui lo spessore della porzione 58 risulta minore della dimensione "s".
Predisponendo per l'ancora 43 un traferro minimo di 0,05 mm, la bobina 47 pu? essere scelta con un numero di spire compreso tra 16 e 40, e essere eccitata con una tensione di 12 V per un tempo compreso tra 80 e 350 ?sec. Con un tale elettromagnete 42 sono stati effettuate delle misurazioni, ed ? stato trovato che il nucleo 46 fatta con la miscela prescelta presenta una bassa isteresi magnetica e basse correnti parassite.
Tale nucleo 46 presenta inoltre un'induttanza magnetica relativamente minore di quella di un nucleo tradizionale in ferrite. In Figura 3 ? rappresentata una curva "a" che indica l'andamento dell'induttanza di un nucleo 46, espressa in micro-Henry (??), al variare della corrente nella bobina 47 espressa in amper-spire (A-spire) . In Figura 3 ? inoltre rappresentata una curva "b" che indica il corrispondente andamento dell'induttanza in un nucleo tradizionale, la quale ? notevolmente maggiore di quella del nucleo 46.
Dalla curva "a" risulta che tale induttanza varia solo leggermente al variare della corrente di eccitazione della bobina 47, per cui si pu? considerare che essa si mantiene sostanzialmente costante fino a correnti di 800 A-spire. In particolare l'induttanza magnetica "a? varia solo tra 80 e 60 ?? al variare di detta corrente tra 100 e 800 A-spire.
In Figura 4 ? rappresentata una curva "c" che indica l'andamento della forza magnetica, espressa in Newton (N), esercitata dal nucleo 46, quando la bobina 47 ? sottoposta ad una predeterminata corrente, ad esempio 800 A-spire, in funzione del tempo di eccitazione della bobina 47, espresso in psec. La curva ?d" indica invece il corrispondente andamento della forza magnetica in un nucleo tradizionale, la quale ? notevolmente minore di quella del nucleo 46, specie nel campo compreso entro i primi 250 ?sec.
Dalla curva "c" risulta che tale forza magnetica ha un andamento asintotico su un valore di circa 135 N. Inoltre tale forza raggiunge un valore di circa 110 N dopo circa 70 ?sec, per cui essa raggiunge,un valore di 90% di quello del suo asintoto entro un tempo inferiore a 80 ?sec.
Da quanto visto sopra risultano evidenti i vantaggi dell'elettromagnete avente il nucleo di un materiale secondo l'invenzione, rispetto alla tecnica nota. Infatti, poich? esso presenta un ciclo di isteresi molto ridotto e bassissime perdite per correnti parassite, si possono ottenere forze magnetiche notevolmente pi? elevate a parit? di corrente di eccitazione ed in tempi pi? brevi. Inoltre le ridotte correnti parassite consentono elevati gradienti di eccitazione e quindi elevate frequenze di azionamento. Infine tale materiale, per la sua caratteristica di induttanza, consente di realizzare elettromagneti di dimensioni contenuti, in quanto sia il nucleo 46, che la bobina 47 possono essere di dimensioni pi? piccole a parit? di forza magnetica richiesta.
Si intende che all'elettromagnete di comando della valvola di dosagggio, sopra descritto, possono essere apportate varie modifiche e perfezionamenti senza uscire dall'ambito delle rivendicazioni. Ad esempio, esso pu? essere applicato su un Iniettore avente forma diversa da quello descritto. Inoltre, il circuito magnetico del nucleo 46 pu? assumere qualsiasi altra forma, ad esempio la forma di due manicotti coassiali a sezione prismatica, o quella di due o pi? porzioni prismatiche e parallele.

Claims (10)

  1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Elettromagnete di comando di una valvola d? dosaggio per un iniettore di combust?bile, comprendente un nucleo fisso (46) d? materiale magnetizzabile, una bobina elettrica (47) di eccitazione, ed un'ancora (43) di azionamento di detta valvola, caratterizzato dal fatto che detto nucleo (46) ? formato mediante stampaggio di una miscela in polvere di un materiale ferroso e di un legante epossidico, detto nucleo cosi stampato essendo ?ndi sinterizzato.
  2. 2. Elettromagnete secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale ferroso ? costituito da ferrite, e detto legante epossidico ? scelto tra una serie di resine eposs?diche.
  3. 3. Elettromagnete secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta resina epossidica ? contenuta in detta miscela in un rapporto compreso tra il 2% e l'50% in peso della resina sulla miscela.
  4. 4. Elettromagnete secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta miscela ? tale da fare assumere a detto nucleo (46) una bassa isteresi magnetica e basse correnti parassite.
  5. 5. Elettromagnete secondo -la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto nucleo (46) presenta un'induttanza magnetica sostanzialmente costante al variare della corrente di eccitazione di detta bobina (47).
  6. 6. Elettromagnete secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta induttanza magnetica varia tra 80 e 60 ?? al variare di detta corrente tra 100 e 800 A-spire.
  7. 7. Elettromagnete secondo una delle rivendicazioni da 4 a 6, caratterizzato dal fatto che la forza magnetica di detto nucleo (46) raggiunge il 90% del valore del suo asintoto entro un tempo inferiore a 80 ?sec.
  8. 8. Elettromagnete secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta bobina presenta un numero di spire compreso tra 16 e 40 e viene eccitata con una tensione di 12 V per un tempo compreso tra 80 e 350 ?sec.
  9. 9. Elettromagnete secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta ancora (43) presenta una forma a disco e detto nucleo (46) presenta una sede anulare (45) per alloggiare detta bobina (47), detto nucleo (46) essendo formato da un manicotto interno (57), un manicotto esterno (59), ed una porzione a disco (50) di collegamento tra detti manicotti (57, 59), detti manicotti (57, 59) formando due superfici polari (48, 49) collaboranti con detta ancora (43), caratterizzato dal fatto che detta sede anulare (45) presenta una dimensione radiale di circa il 40% del raggio di detta ancora ed una dimensione assiale (s) di circa il 60% della dimensione assiale di detto nucleo (46), il traferro minimo tra detta ancora (43) e dette superfici (48, 49) essendo dell'ordine di 0,05 mm.
  10. 10. Elettromagnete di comando di una valvola di dosaggio per un iniettore di combustibile, sostanzialmente come descritto con riferimento agli annessi disegni.
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