ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ФОРСУНКА Российский патент 2000 года по МПК F02M51/06 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к устройствам для осуществления электронного управления впрыскиванием жидкого топлива в цилиндры двигателей внутреннего сгорания.

Наиболее удобны по возможностям минимизации наружных размеров, размещаемых в крышке цилиндра частей электроуправляемых форсунок, и потерь давления впрыскивания при одновременной минимизации суммарных объемов управляющих камер электрогидравлические форсунки. Комбинированные схемы таких форсунок сочетают запирание иглы пружиной и поршнем и обеспечивают максимальное быстродействие и соответствующие диапазоны устойчивых подач топлива. Пружина электрогидравлической форсунки действует только на иглу и располагается в промежуточной полости между иглой и поршнем, а поршень передает запирающую силу на иглу через штангу, выполненную заодно с иглой или поршнем и проходящую внутри пружины.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является электрогидравлическая форсунка, известная из патента Швейцарии N 495504, МПК F 02 M 51/06, 1970, содержащая корпус, игольчатый клапан, перекрывающий подачу топлива к распыливающим отверстиям, сопряженный с игольчатым клапаном поршень, диаметр которого больше диаметра цилиндрической направляющей и уплотняющей поверхности игольчатого клапана, управляющую камеру, в которую выходит верхний свободный торец поршня, питаемую топливом через подводящий канал и сообщенную со сливом через сливной канал, в котором размещен нормально закрытый затвор игольчатого управляющего клапана с цилиндрической направляющей поверхностью, сопряженной с соответствующей поверхностью в корпусе управляющего клапана или корпусе форсунки, причем управляющий клапан приводится в действие электрическим приводом в виде электромагнита с возвратной пружиной.

Известная электрогидравлическая форсунка обладает следующим недостатком: управляющий клапан нагружен гидравлической силой, создаваемой давлением топлива со стороны затвора. Для исключения утечек топлива через закрытый затвор управляющего клапана в паузах между впрыскиваниями топлива необходима большая сила возвратной пружины. Поэтому электромагнит в любой момент процесса открытия форсунки должен развивать силу, преодолевающую разность сил возвратной пружины и гидравлической от давления топлива, что возможно только за счет увеличения габаритов и инерции электрического привода управляющего клапана, а соответственно и снижения его быстродействия.

Задачей заявленного изобретения является повышение быстродействия управляющих клапанов за счет оптимального использования действующих на них гидравлических сил.

Поставленная задача может быть решена тем, что электрогидравлическая форсунка содержит корпус, игольчатый клапан, перекрывающий подачу топлива к распыливающим отверстиям, сопряженный с игольчатым клапаном поршень, диаметр которого больше диаметра цилиндрической направляющей и уплотняющей поверхности игольчатого клапана, управляющую камеру, в которую выходит верхний свободный торец поршня, питаемую топливом через подводящий канал и сообщенную со сливом через сливной канал и нормально закрытый затвор игольчатого управляющего клапана с цилиндрической направляющей поверхностью, сопряженной с соответствующей поверхностью в корпусе управляющего клапана или корпусе форсунки, причем управляющий клапан приводится в действие электрическим приводом, управляющий клапан соединен с электрическим приводом по боковой поверхности клапана вне ее направляющей и уплотняющей части, на свободном конце управляющего клапана установлена втулка в виде стакана, свободно перемещающаяся вдоль управляющего клапана по сопряженным цилиндрическим направляющим и уплотняющим поверхностям управляющего клапана и втулки, внутренняя полость втулки сообщена каналом, выполненным внутри управляющего клапана, с выходом из управляющей камеры, в корпусе форсунки или в жестко связанных с ним деталях выполнен упор, ограничивающий перемещение втулки по управляющему клапану в противоположную от управляющего клапана сторону, на управляющем клапане выполнен дополнительный нормально открытый затвор, размещенный в подводящем канале топлива в управляющую камеру, причем нормально закрытый затвор выполнен в свободно перемещающейся втулке, а полость втулки, находящаяся за нормально закрытым затвором управляющего клапана, сообщена с каналом слива топлива одним или несколькими отверстиями, суммарное гидравлическое сопротивление отверстий в свободно перемещающейся втулке больше гидравлического сопротивления внутреннего канала управляющего клапана, а диаметр цилиндрической поверхности, по которой втулка соприкасается с управляющим клапаном, больше диаметра цилиндрической поверхности, по которой управляющий клапан соприкасается с корпусом управляющего клапана или корпусом форсунки, поршень снабжен хвостовиком, часть которого в верхнем положении поршня, по крайней мере частично, перекрывает вход во внутренний канал находящегося в нижнем положении управляющего клапана, электрический привод выполнен в виде электромагнита или пьезоэлектрического преобразователя, или магнитострикционного преобразователя.

На чертеже показан пример выполнения форсунки с нормально закрытым затвором, расположенным во втулке, и нормально открытым затвором, расположенным в канале подвода топлива в управляющую камеру.

Электрогидравлическая форсунка содержит корпус 1, в котором расположены игольчатый клапан 2, перекрывающий подачу топлива к распыляющим отверстиям 3, поршень 4, сопряженный с игольчатым клапаном 2 и имеющий диаметр больше диаметра цилиндрической направляющей и уплотняющей поверхности игольчатого клапана 2 и управляющую камеру 5, в которую выходит верхний свободный торец поршня 4. Управляющая камера 5 питается топливом через подводящий канал 6, в котором размещен нормально открытый затвор 7 игольчатого управляющего клапана 8 с цилиндрической направляющей поверхностью, сопряженной с соответствующей поверхностью в корпусе 1 форсунки или в корпусе (на чертеже не показан) управляющего клапана. Над игольчатым клапаном 2 установлена пружина 9, запирающая игольчатый клапан 2 для исключения подтекания топлива в цилиндр при отсутствии давления топлива в форсунке.

Управляющий клапан 8 приводится в действие электрическим приводом, на примере в виде электромагнита 10 одностороннего действия с возвратной пружиной 11. Управляющий клапан 8 соединен с электрическим приводом (на примере - с якорем 12 электромагнита 10) по боковой поверхности клапана 8, вне ее направляющей и уплотняющей части. На свободном конце управляющего клапана 8 установлена втулка 13, свободно перемещающаяся вдоль управляющего клапана по сопряженным цилиндрическим направляющим и уплотняющим поверхностям управляющего клапана 8 и втулки 13. Внутренняя полость 14 втулки 13 сообщена с каналом 15, выполненным внутри управляющего клапана 8, с выходом из управляющей камеры 5. В корпусе 1 форсунки или в жестко связанных с ним деталях (на чертеже это нижний торец сердечника электромагнита 10) выполнен упор, ограничивающий перемещение втулки 13 по управляющему клапану 8.

На управляющем клапане 8 в свободно перемещающейся втулке 13 выполнен нормально закрытый затвор 16. Полость 17 втулки 13, находящаяся за нормально закрытым затвором 16 управляющего клапана 8, сообщена с каналом слива топлива одним или несколькими отверстиями 18.

Предложенное исполнение двухзатворного управляющего клапана создает возможности использования дифференциальных эффектов на управляющем клапане 8 для повышения его быстродействия и уменьшения расхода топлива в процессах переключения клапана (открытия и закрытия его затворов) путем введения обратных связей по положениям управляющего клапана 8 и поршня 4.

Если эффективный диаметр закрытого затвора 16 во втулке 13 равен диаметру сопрягаемых поверхностей клапана 8 и корпуса клапана, то в исходном его состоянии разность гидравлических сил на клапане от давления в управляющей камере 5 равна нулю.

Если гидравлическое сопротивление выходных отверстий 17 во втулке 13 за нормально закрытым затвором 16 больше гидравлического сопротивления внутреннего канала 15 управляющего клапана 8, то после трогания клапана 8 вниз под действием электрического привода (в примере - движения якоря 12 после включения электромагнита 10) до начала впрыскивания топлива (трогания игольчатого клапана 2 форсунки) оставшееся в камере управления 5 давление топлива в результате увеличения действующей площади управляющего клапана 8 во втулке 13 создает дополнительную гидравлическую силу, ускоряющую движение клапана 8.

Эффект от этой положительной обратной связи растет с увеличением разницы сопрягаемых диаметров клапана 8 во втулке 13 и корпусе 1, сопротивления отверстий 18 во втулке 13 и давления топлива в аккумуляторе. Ускорение движения клапана 8 и повышенное сопротивление канала слива уменьшают расход топлива при перелете клапана.

Изменение эффективного диаметра закрытого затвора 16 во втулке 13 соответственно изменяет только условия трогания клапана 8 вниз.

При сработавшем управляющем клапане 8 (переключении его затворов) давление в управляющей камере 5 падает в конечном счете до давления на сливе. А давление в аккумуляторе действует только на дифференциальную площадку закрывшегося затвора 7 в канале подвода топлива 6. Создаваемая при этом гидравлическая сила противодействует силе, развиваемой электрическим приводом. В представленном примере она суммируется с силой пружины 11 и, соответственно, электромагнитная сила должна быть больше этой суммы.

При трогании клапана 8 из нижнего положения в результате возвращающегося действия электрического привода (в примере - отпадания якоря 12 под действием возвратной пружины 11 после отключения электромагнита 10) дифференциальный эффект от действия гидравлического сопротивления отверстий 18 на втулке 13 препятствует возвратному движению клапана 8. Устранение этого нежелательного эффекта в гидравлической системе форсунки достигается положительной обратной связью по положению поршня 4 (игольчатого клапана 2).

Для этого поршень 4 снабжен хвостовиком 19, который при подъеме поршня 4 хотя бы частично перекрывает вход во внутренний канал 15 управляющего клапана 8, создавая тем самым дополнительное гидравлическое сопротивление между управляющей камерой 5 и внутренней камерой во втулке 13. Поэтому при открывании затвора 7 управляющего клапана 8 в результате возвращающего действия возвратной пружины 11 после отключения электромагнита 10) рост давления во втулке 13 существенно отстает от роста давления в управляющей камере 5. Создается дополнительная временная гидравлическая сила на клапане, ускоряющая его движение к исходному положению. Уменьшается и расход топлива во время перелета клапана 8.

Этот эффект появляется только при поднятом поршне 4, то есть при установившемся впрыскивании. Он ускоряет только процесс окончания впрыскивания и не влияет на процесс начала впрыскивания.

Достигаемое ускорение закрытия форсунки дополнительной гидравлической силой позволяет снизить необходимую возвращающую силу привода и удерживающую его в исходном положении. Это ускоряет процесс открытия форсунки и поднимает допустимый верхний уровень давления в аккумуляторе, то есть достигаемые максимальные значения давления впрыскивания топлива.

Изобретение относится к устройствам для осуществления электронного управления впрыскиванием жидкого топлива в цилиндры двигателей внутреннего сгорания. Технический результат заключается в повышении быстродействия управляющих клапанов за счет оптимального использования действующих на них гидравлических сил. В управляющей камере форсунки размещен поршень, взаимодействующий с игольчатым клапаном, перекрывающим подачу топлива к распыливающим отверстиям. Управляющий клапан электрогидравлической форсунки приводится в действие электрическим приводом, соединенным с боковой поверхностью клапана. На одном из концов управляющего клапана установлена свободно перемещающаяся вдоль клапана втулка. Внутренняя полость втулки сообщена каналом, выполненным внутри управляющего клапана, с выходом из управляющей камеры. Во втулке выполнен нормально закрытый затвор. Нормально открытый затвор выполнен на входе в управляющую камеру форсунки. В управляющей камере размещен поршень, взаимодействующий с игольчатым клапаном, перекрывающим подачу топлива к распыливающим отверстиям. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Электрогидравлическая форсунка, содержащая корпус, игольчатый клапан, перекрывающий подачу топлива к распыливающим отверстиям, сопряженный с игольчатым клапаном поршень, диаметр которого больше диаметра цилиндрической направляющей и уплотняющей поверхности игольчатого клапана, управляющую камеру, в которую выходит верхний свободный торец поршня, питаемую топливом через подводящий канал и сообщенную со сливом через сливной канал и нормально закрытый затвор игольчатого управляющего клапана с цилиндрической направляющей поверхностью, сопряженной с соответствующей поверхностью в корпусе управляющего клапана или корпусе форсунки, причем управляющий клапан приводится в действие электрическим приводом, отличающаяся тем, что управляющий клапан соединен с электрическим приводом по боковой поверхности клапана вне ее направляющей и уплотняющей части, на свободном конце управляющего клапана установлена втулка в виде стакана, свободно перемещающаяся вдоль управляющего клапана по сопряженным цилиндрическим направляющим и уплотняющим поверхностям управляющего клапана и втулки, внутренняя полость втулки сообщена каналом, выполненным внутри управляющего клапана, с выходом из управляющей камеры, в корпусе форсунки или в жестко связанных с ним деталях выполнен упор, ограничивающий перемещение втулки по управляющему клапану в противоположную от управляющего клапана сторону, на управляющем клапане выполнен дополнительный нормально открытый затвор, размещенный в подводящем канале топлива в управляющую камеру, причем нормально закрытый затвор выполнен в свободно перемещающейся втулке, а полость втулки, находящаяся за нормально закрытым затвором управляющего клапана, сообщена с каналом слива топлива одним или несколькими отверстиями. 2. Электрогидравлическая форсунка по п.1, отличающаяся тем, что суммарное гидравлическое сопротивление отверстий в свободно перемещающейся втулке больше гидравлического сопротивления внутреннего канала управляющего клапана, а диаметр цилиндрической поверхности, по которой втулка соприкасается с управляющим клапаном, больше диаметра цилиндрической поверхности, по которой управляющий клапан соприкасается с корпусом управляющего клапана или корпусом форсунки. 3. Электрогидравлическая форсунка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что поршень снабжен хвостовиком, часть которого в верхнем положении поршня, по крайней мере частично, перекрывает вход во внутренний канал находящегося в нижнем положении управляющего клапана. 4. Электрогидравлическая форсунка по пп.1, 2 или 3, отличающаяся тем, что электрический привод выполнен в виде электромагнита. 5. Электрогидравлическая форсунка по пп.1, 2 или 3, отличающаяся тем, что электрический привод выполнен в виде пьезоэлектрического преобразователя. 6. Электрогидравлическая форсунка по пп.1, 2 или 3, отличающаяся тем, что электрический привод выполнен в виде магнитострикционного преобразователя.