ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02M61/16 F02M61/04 

Изобретение касается топливной форсунки для двигателей внутреннего сгорания, содержащей тело клапана, на конце которого со стороны камеры сгорания, по меньшей мере, косвенно предусмотрено седло клапана, и образующую клапанное звено, пружиняще перемещающуюся стенку, край которой фиксирован относительно тела клапана и которая отделяет заполняемую топливом под высоким давлением напорную камеру от проходного сечения распылителя в камеру сгорания ДВС, причем перемещающаяся стенка, плотно прилегающая с натягом своей уплотнительной поверхностью клапанного звена к седлу клапана установлена с возможностью приподнимания от седла клапана под действием высокого давления топлива в напорной камере.

Из заявки ФРГ N P 4413217.4 известна топливная форсунка, у которой совершающее ход открывания подвижное клапанное звено образовано мембраной, внешний край которой зажат. Мембрана взаимодействует для этого с неподвижным коническим седлом клапана, причем это седло расположено на аксиально отстоящем от тела клапана штифте, входящем в центральное отверстие мембраны. Мембрана прилегает при этом с натягом своей выполненной на краевой кромке отверстия уплотнительной поверхностью к коническому седлу клапана и отделяет таким образом заполняемую высоким давлением напорную камеру от впадающего в камеру сгорания ДВС проходного сечения распылителя. Для впрыска в напорную камеру через подающий трубопровод под высоким давлением подают топливо, и это давление приподнимает уплотнительную поверхность пружинящей мембраны клапана против силы натяжения от седла клапана, в результате чего топливо попадает через открытый кольцевой зазор на штифте и через проходное сечение распылителя в камеру сгорания ДВС.

При этом известная топливная форсунка имеет, однако, тот недостаток, что не предусмотрен датчик для определения начала и окончания впрыска, так что нельзя получить точных данных о продолжительности впрыска и количестве впрыскиваемого топлива. Эти данные необходимы, однако, для оптимальной подгонки топливной форсунки в соответствии с предъявляемыми к ДВС требованиями. К тому же эти результаты измерений требуются для контроля оптимального впрыска также во время работы ДВС, так что современные системы впрыска не могут обойтись без определения, по меньшей мере, начала впрыска.

Из уровня техники топливных форсунок уже известны, правда, датчики для определения хода подъема клапанного звена, однако эти датчики ограничены до сих пор форсунками с поршнеобразным клапанным звеном, на конце поршня которого, обращенном от камеры сгорания, установлен электромагнитный датчик Холла. Этот вид датчиков перемещений не может быть, однако, применен в родовой топливной форсунке, так что должен быть найден по возможности простой принцип датчика для определения хода открывания мембраны клапана.

Преимущества изобретения
Топливная форсунка, согласно изобретению, для ДВС, у которой перемещающаяся стенка образует подвижное коммутационное звено регистрирующего ход открывания клапана электрического датчика, который взаимодействует, по меньшей мере, с одной неподвижной контактной упорной поверхностью, имеющей отличающийся от перемещающейся стенки электрический потенциал, по сравнению с известной то преимущество, что начало и окончание впрыска можно определить на так называемом мембранном распылителе конструктивно очень простым и, тем самым, экономичным образом. Это достигается при этом предпочтительно за счет использования перемещающейся стенки в качестве электрического коммутационного звена датчика перемещений, взаимодействующего для этого, по меньшей мере, с одним неподвижным контактом. Этот неподвижный контакт предпочтительно образован коническим или в качестве альтернативы шарообразным седлом клапана, к которому прикладывают низкий опорный потенциал, преимущественно потенциал Земли. К перемещающейся стенке (мембране) подается питающее напряжение, в результате чего при закрытой форсунке и прилегающей к седлу клапана мембране замыкается первая цепь тока. Ток в этой цепи определяется при этом посредством подходящей обрабатывающей схемы, так что этот сигнал позволяет сделать, по меньшей мере, один надежный вывод о том, открыто или закрыто проходное сечение распылителя, причем по продолжительности прерывания тока в первой цепи и по геометрии проходного сечения можно судить о количестве впрыскиваемого топлива. Если к тому же необходимо сделать вывод о продолжительности открывания при максимальном проходном сечении, то можно также приложить к упорной шайбе, ограничивающей ход открывания мембраны клапана, потенциал напряжения, в результате чего образуется вторая цепь тока, которая при максимально открытой мембране клапана посредством ее прилегания к упорной шайбе замыкается и подает таким образом дополнительный сигнал на подъем подвижного клапана звена. Контактирование мембраны и упорной шайбы происходит посредством соответственно одного электрического провода в теле клапана. Для изолирования мембраны относительно тела клапана она зажата, кроме того, своим краем между распоркой гильзой и изолирующей шайбой из непроводящего материала, преимущественно керамики или температуростойкой пластмассы, в которых выполнены соответствующие канавки и отверстия для ввода электрических проводов. Если можно отказаться от регистрации сигнала при полностью открытом проходном сечении, то упорная шайба может быть изготовлена простым образом из непроводящего материала за одно целое с несущей ее изолирующей шайбой.

Другое существенное преимущество изобретения достигается за счет того, что предусмотрен предохранитель от проворота между стяжной гайкой и вставленным в нее телом клапана, который необходим из-за осевого ввода электрических проводов через отдельные элементы. Осевой зажим тела клапана в стяжной гайке происходит предпочтительным образом за счет дополнительно ввинченного в стяжную гайку полого винта, который аксиально воздействует при этом своей кольцевой торцовой поверхностью на кольцевой уступ тела клапана и стягивает его таким образом, зажимая остальные элементы, включая мембрану клапана, с обращенным к камере сгорания упором стяжной гайки. Тело клапана имеет к тому же на своей боковой поверхности радиальный выступ, преимущественно запрессованный шарик, перемещающийся в осевой продольной канавке во внутренней стенке стяжной гайки.

В то время как в известной топливной форсунке, у которой стяжная гайка сама проворачивалась, всегда возникало фрикционное замыкание в направлении периферии между мембраной клапана и основанием стяжной гайки, в результате чего мембрана не могла больше свободно центрироваться на коническом седле штифта, конструкция, согласно изобретению, имеет то преимущество, что мембрана стягивается со штифтом абсолютно по центру. Этим обеспечивается то, что уплотняющее усилие на уплотняющем седле между уплотнительной поверхностью клапанного звена на мембране и конической уплотнительной поверхностью клапана на штифте одинаково по всей периферии и по достижении давления открывания мембрана клапана поднимается по всей периферии седла одновременно, открывая круговое кольцевое сечение, формирующее вращательно-симметричную струю впрыскиваемого топлива.

При этом такой предохранитель от проворота, согласно изобретению, с названными преимуществами целесообразен также в топливных форсунках так называемого мембранно-распылительного типа, где не предусмотрен датчик перемещений согласно п. 1 формулы изобретения. Другие преимущества и предпочтительные варианты объекта изобретения приведены в описании, на чертежах и в формуле изобретения.

Ниже на чертежах и в описании более подробно поясняются два примера выполнения топливной форсунки, согласно изобретению, для ДВС. На чертежах изображено:
- фиг. 1: первый пример выполнения в продольном разрезе через форсунку, у которого регистрируют как закрытое, так и максимально открытое положение мембраны клапана;
- фиг. 2: второй пример выполнения с фрагментом из фиг. 1 (увеличено), у которого регистрируют только закрытое положение форсунки;
- фиг. 3: схематичная принципиальная схема по фиг. 1.

Описание примеров выполнения
Изображенная на фиг. 1 топливная форсунка для ДВС содержит вращательно-симметричное тело 1 клапана, имеющее на одном конце присоединение 3 для трубопровода высокого давления к топливному насосу высокого давления. В другой конец, обращенный к камере сгорания ДВС, ввинчена неподвижная игла 5 клапана с аксиально отстоящим от тела 1 клапана штифтом 7. От присоединения 3 высокого давления отходит напорный канал 9, который, проходя через тело 1 и иглу 5 клапана, впадает на штифте 7 в напорную камеру 11, причем в напорный канал 9 вставлен стержневой фильтр 10. Эта напорная камера 11 ограничена радиально внутрь штифтом 7, а радиально наружу - распорной гильзой 13, которая через регулировочную шайбу 15 плотно прилегает к обращенной к камере сгорания, ограничивающей напорную камеру 11 торцовой поверхности тела 1 клапана. При этом часть штифта 7, конически сужающаяся в направлении камеры сгорания, образует коническое седло 17 клапана, к которому с натягом уплотнительной поверхностью 21 клапанного звена, образованной на центральном отверстии, прилегает перемещающаяся стенка 19, ограничивающая со стороны камеры сгорания напорную камеру 11 и образующая клапанное звено. Эта перемещающаяся стенка в виде мембраны 19 клапана, имеющая форму шайбы, выполнена выпуклой в направлении напорной камеры 11 и изготовлена из пружинящего электропроводящего материала, преимущественно металла. Своим наружным краем мембрана 19 клапана зажата между распорной гильзой 13 и изолирующей шайбой 23, примыкающей к мембране 19 клапана со стороны камеры сгорания, причем изолирующая шайба 23, в свою очередь, опирается на буртик 25 стяжной гайки 27, закрывающий наружный край изолирующей шайбы 23. Эта стяжная гайка 27, аксиально несущая тело 1 клапана, входит своей торцовой поверхностью с буртиком 25 в камеру сгорания ДВС, причем на ее центральном отверстии 28 выполнено сечение впрыска, которое, пересекая изолирующую шайбу 23, простирается до уплотнительного сечения, образованного между уплотнительной поверхностью 21 клапана и взаимодействующей с ней поверхностью 17 седла клапана.

Для осевого натяжения тела 1 клапана в стяжной гайке 27 в ее открытый конец, обращенный от камеры сгорания, ввинчен выполненный в виде полого винта 29 стяжной винт, через который проходит снабженный присоединением 3 конец стержня тела 1 клапана и который воздействует своей входящей в стяжную гайку 27 кольцевой торцовой поверхностью 31 на кольцевой уступ 33 на боковой поверхности тела 1 клапана. При этом она аксиально прижимает тело 1 клапана, регулировочную шайбу 15, распорную гильзу 13, мембрану 19 клапана и изолирующую шайбу 23 к образующему контрупор буртику 25 стяжной гайки 27. Во избежание проворота тела 1 клапана и примыкающих к мембране 19 клапана элементов 13, 23 между собой или относительно стяжной гайки 27 в периферийной стенке тела 1 клапана выполнен радиальный выступ, образованный в описываемом примере шариком 35, запрессованным в приемное отверстие. Шарик 35 перемещается при этом в соответствующей осевой продольной канавке 37 во внутренней стенке стяжной гайки 27, идущей от уступа, примыкающего к резьбе для ввинчивания полого винта 29.

Для ограничения хода открывания зажатой мембраны 19 клапана предусмотрена далее упорная шайба 39, которая вставлена в выемку изолирующей шайбы 23 и имеет аксиально выступающую кольцевую упорную поверхность 41, выполненную на сквозном отверстии, через которое проходит, штифт 7. Для регистрации хода открывания мембраны 19 клапана к ее наружному краю через первый электрический провод 43 и место 45 контактирования приложено питающее напряжение, причем мембрана 19 клапана изолирована от стяжной гайки 27 посредством изолирующей шайбы 23 из непроводящего материала и распорной гильзы 13. Взаимодействующие с мембраной 19 клапана места электрического контактирования образованы в первом примере выполнения штифтом 1 иглы 5 клапана и упорной шайбой 39, изготовленной для этого из электропроводящего материала. При этом штифт 7 соединен через тело 1 клапана с низким опорным потенциалом, преимущественно потенциалом Земли (массой), приложенным к месту 47 контактирования на теле 1 клапана. Упорная шайба 39 присоединена посредством второго электрического провода 49 и дополнительного места 51 контактирования к дополнительному потенциалу напряжения. При этом мембрана 19 клапана образует подвижное коммутационное звено, которое, как это изображено на схеме фиг. 3, попеременно замыкает первую или вторую цепь тока.

Электрические провода 43, 49 выведены наружу через соответствующие канавки и отверстия в распорной гильзе 13, регулировочной шайбе 15 и теле 1 клапана и присоединены (не показано) вместе с местом 47 контактирования к подходящей обрабатывающей схеме, регистрирующей прохождение тока в одной из обеих цепей.

Топливная форсунка, согласно изобретению, работает следующим образом.

Перед началом впрыска под высоким давлением в напорную камеру 11 через напорный канал 9 и трубопровод высокого давления (не показан) топливо подают только под низким постоянным давлением. Воздействующее на мембрану 19 клапана усилие, созданное постоянным давлением в напорной камере 11, при этом меньше усилия натяжения мембраны, за счет чего она плотно прилегает к поверхности 17 седла клапана и удерживает форсунку закрытой.

Если должен произойти впрыск, то насос высокого давления подает топливо под высоким давлением в напорную камеру 11 через трубопровод высокого давления и напорный канал 9. При этом высокое давление топлива в напорной камере 11 и как следствие созданное этим давлением открывающее усилие мембраны 19 клапана превышает, начиная с определенного давления впрыска, регулируемое посредством натяжения мембраны 19 клапана ее закрывающее усилие, так что мембрана 19 клапана приподнимается вниз по потоку в направлении отверстия 28 распылителя от седла 17 клапана, открывая таким образом проходное сечение, по которому топливо попадает через отверстия упорной шайбы 39, изолирующей шайбы 23 и стяжной гайки 27 в камеру сгорания ДВС. Максимальный ход открывания мембраны 19 клапана может быть при этом ограничен ее прилеганием к кольцевой упорной поверхности 41 упорной шайбы 39. Для окончания процесса впрыска прерывают подачу высокого давления в напорную камеру 11, в результате чего высокое давление топлива в ней быстро падает ниже необходимого давления открывания, и мембрана 19 клапана снова прилегает своей уплотнительной поверхностью 21 к седлу 17 клапана. Ход открывания мембраны 19 клапана регистрируют посредством описанных выше электрических контактов, причем мембрана 19 клапана служит электрическим коммутационным звеном. При прилегании мембраны 19 клапана к штифту 7 замыкается первая цепь тока, подающая к соответствующей обрабатывающей схеме надежный сигнал закрытого состояния форсунки. Если мембрана 19 клапана в начале хода открывания приподнимается от седла 17 клапана штифта 7, то первая цепь тока размыкается, причем этот электрический сигнал регистрируется обрабатывающей схемой как момент начала впрыска. По достижении положения максимального хода открывания мембраны 19 клапана за счет ее прилегания к упорной шайбе 39 замыкается вторая цепь тока, причем этот электрический сигнал воспринимается обрабатывающей схемой как момент достижения максимально открытого сечения форсунки. Окончание впрыска регистрируется за счет повторного прилегания мембраны 19 клапана к штифту 7 и замыкания первой цепи тока и передается обрабатывающей схемой к блоку управления, в котором может быть сделан точный вывод о фактической продолжительности впрыска и как следствие о количестве впрыскиваемого топлива, который может быть использован для контроля и непрерывного регулирования количества впрыскиваемого топлива, для чего полученное фактическое значение сравнивают с заданным значением в хранящемся в памяти характеристическом поле.

Второй пример выполнения, изображенный на фиг. 2 в виде увеличенного фрагмента из фиг. 1, отличается от первого лишь тем, что здесь не производится регистрация положения максимального хода открывания мембраны 19 клапана.

Поскольку, таким образом, во втором примере выполнения можно отказаться от электрического контактирования с упорной шайбой, изолирующая 23 и упорная 39 шайбы изготовлены в виде единой цельной детали 61 из электрически непроводящего материала. Эта цельная изолирующая шайба 61 имеет на трубчатом продолжении кольцевую поверхность 41, ограничивающую ход открывания мембраны 19 клапана.

Принцип действия второго примера выполнения схож с принципом действия первого примера выполнения, причем по достижении максимального проходного сечения на форсунке сигнал не регистрируют. Начало и окончание впрыска можно, однако, точно определить аналогично фиг. 1 посредством замкнутой или разомкнутой первой цепи тока за счет прилегания мембраны 19 клапана к штифту 7 и контактирования с ним, так что также и эта конструктивно очень простая и, тем самым, экономичная форма выполнения позволяет сделать надежный вывод о продолжительности впрыска и количестве впрыскиваемого топлива.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливовпрыскивающей аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить точность данных о продолжительности впрыска и количестве впрыскиваемого топлива и тем самым обеспечить оптимальную подгонку топливной форсунки в соответствии с предъявляемыми к ДВС требованиями. Топливная форсунка содержит тело клапана, на конце которого со стороны камеры сгорания, по меньшей мере, косвенно предусмотрено седло клапана, и образующую клапанное звено пружинящую мембрану клапана, край которой фиксирован относительно тела клапана и которая отделяет заполняемую топливом под высоким давлением напорную камеру от проходного сечения распылителя в камеру сгорания ДВС. Мембрана клапана, плотно прилегающая с натягом своей уплотнительной поверхностью клапанного звена к седлу клапана, установлена с возможностью приподнимания от седла клапана под действием высокого давления топлива в напорной камере. Для регистрации начала и окончания впрыска на форсунке мембрана клапана образует подвижное коммутационное звено регистрирующего ход открывания клапана электрического датчика, для чего мембрана клапана взаимодействует, по меньшей мере, с одной неподвижной контактной упорной поверхностью, нагруженной отличающимся от мембраны клапана потенциалом напряжения. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Топливная форсунка для двигателей внутреннего сгорания, содержащая тело (1) клапана, на конце которого со стороны камеры сгорания, по меньшей мере, косвенно предусмотрено седло (17) клапана, и образующую клапанное звено пружиняще перемещающуюся стенку (19), край которой фиксирован относительно тела (1) клапана и которая отделяет заполняемую топливом под высоким давлением напорную камеру (11) от проходного сечения распылителя в камеру сгорания ДВС, причем перемещающаяся стенка (19), плотно прилегающая с натягом своей уплотнительной поверхностью (21) клапанного звена к седлу (17) клапана, установлена с возможностью приподнимания от седла (17) клапана под действием высокого давления топлива в напорной камере (11), отличающаяся тем, что перемещающаяся стенка (19) образует подвижное коммутационное звено регистрирующего ход открывания клапана электрического датчика, который взаимодействует, по меньшей мере, с одной неподвижной контактной упорной поверхностью, имеющий отличающийся от перемещающейся стенки (19) электрический потенциал. 2. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что поверхность (17) седла клапана выполнена на коническом сужении сечения штифта (7), аксиально отстоящего от тела (1) клапана, причем в штифте (7) с возможностью соединения с трубопроводом высокого давления выполнен напорный канал (9), впадающий в напорную камеру (11). 3. Форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что образующая клапанное звено перемещающаяся стенка выполнена в виде мембраны (19) клапана, изготовленной из пружинящего металлического материала. 4. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что к перемещающейся стенке (19) посредством электрического провода (43) приложено питающее напряжение, при этом поверхность (17) седла клапана нагружена через тело (1) клапана низким опорным потенциалом, преимущественно потенциалом Земли. 5. Форсунка по п.4, отличающаяся тем, что упорная шайба (39), ограничивающая ход открывания перемещающейся стенки (19), нагружена посредством дополнительного электрического провода (49) потенциалом, отличающимся от питающего напряжения на перемещающейся стенке (19). 6. Форсунка по пп. 4 и 5, отличающаяся тем, что перемещающаяся стенка (19) зажата между изолирующей шайбой (23) и распорной гильзой (13) из непроводящего материала, причем в изолирующей шайбе (23), прилегающей со стороны камеры сгорания к краю перемещающейся стенки (19), выполнено посадочное отверстие, в которое вставлена упорная шайба (39). 7. Форсунка по п.6, отличающаяся тем, что изолирующая шайба (23) и упорная шайба (39) выполнены в виде единой детали (61) из непроводящего материала. 8. Форсунка по пп. 4 и 5, отличающаяся тем, что электрические провода (43, 49) перемещающейся стенки (19), упорной шайбы (39) и потенциала Земли присоединены к обрабатывающей схеме. 9. Форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что тело (1) клапана аксиально вставлено в стяжную гайку (27), имеющую на своем конце со сторон камеры сгорания контрупор для тела (1) клапана, к которому оно, по меньшей мере, косвенно прижато с зажимом перемещающейся стенки (19) стяжным винтом, ввинченным в обращенный от камеры сгорания, отрытый конец стяжной гайки (27), причем между стяжной гайкой (27) и стенкой тела (1) клапана предусмотрен предохранитель от проворота. 10. Форсунка по п.9, отличающаяся тем, что предохранитель от проворота образован радиально отстоящим от стенки тела (1) клапана выступом, входящим в осевую канавку (37) во внутренней стенке стяжной гайки (27). 11. Форсунка по п. 10, отличающаяся тем, что выступ в стенке тела (1) клапана образован запрессованным в выемку шариком (35). 12. Форсунка по п.9, отличающаяся тем, что аксиально стягивающий тело (1) клапана стяжной винт выполнен в виде полого винта (29), через который проходит стержень тела (1) клапана и который своей входящей в стяжную гайку (27) кольцевой торцевой поверхностью (31) воздействует на кольцевой уступ (33) тела (1) клапана.