ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН Российский патент 2003 года по МПК F02M47/02 F02M59/46 

Настоящее изобретение относится к гидрораспределительному клапану с клапанным элементом, имеющим управляющий его перемещением поршень, который нагружен пружиной сжатия в направлении закрытия клапанного элемента для удержания последнего в контакте с седлом клапана и который в качестве подвижной стенки ограничивает гидравлическую соединительную полость, которая с другой стороны ограничена приводным поршнем пьезоэлектрического привода, при рабочем ходе которого (поршня) давление в этой соединительной полости повышается, что сопровождается перемещением управляющего поршня против усилия пружины сжатия в направлении открытия клапана.

Клапан такого типа известен, например, из ЕР-А 0477400. Согласно этой публикации управляющий поршень клапанного элемента вставлен в меньшую по диаметру часть ступенчатого отверстия, плотно прилегая к его стенкам, с возможностью перемещения в этом отверстии, тогда как больший по диаметру поршень, перемещаемый пьезоэлектрическим приводом, размещен в большей по диаметру части этого ступенчатого отверстия. Между обоими поршнями образована гидравлическая полость, при этом при перемещении большего поршня пьезоэлектрическим приводом на определенное расстояние управляющий поршень клапанного элемента перемещается на большее расстояние, прямо пропорциональное величине соотношения диаметров ступенчатого отверстия, т.е. таким соотношением этих диаметров определяется передаточное отношение. Клапанный элемент, управляющий поршень, больший по диаметру приводной поршень и пьезоэлектрический привод расположены последовательно на общей оси.

У таких клапанов в указанной гидравлической полости, которая по типу промежуточного, или соединительного, звена кинематической пары образует соединительную полость, преобладает очень высокое давление, под действием которого эта соединительная полость расширяется в радиальном направлении, что легко приводит к появлению течи. В результате такой утечки в соединительную полость необходимо добавлять рабочую жидкость с целью развести оба ограничивающих эту полость поршня на их первоначальное расстояние.

В основу настоящего изобретения положена задача разработать гидрораспределительный клапан, в котором исключалась бы или по крайней мере была бы сведена к минимуму возможность появления утечек.

Эта задача в отношении гидрораспределительного клапана указанного в начале описания типа решается согласно изобретению благодаря тому, что в соединительной полости, заключенной между приводным поршнем и управляющим клапанным элементом поршнем, по меньшей мере с одной ее стороны имеется повышающее прижимное усилие устройство, предусмотренное на приводном поршне и/или на управляющем поршне.

Преимущество такого гидрораспределительного, соответственно распределительного, клапана перед известным из уровня техники клапаном состоит в уменьшении утечки. Другим преимуществом является простота и экономичность решения. Помимо этого, многообразие предлагаемых в изобретении возможностей решения допускает выбор вариантов, наиболее эффективных для различных целей применения.

Повышающее прижимное усилие устройство предпочтительно представляет собой глухое отверстие, выполненное концентрично в торце приводного поршня и/или управляющего клапанным элементом поршня. При этом глухое отверстие целесообразно выполнить цилиндрическим. Однако в другом варианте это глухое отверстие можно выполнить в виде вогнутой выемки.

В другом варианте выполнения предлагаемого в изобретении гидрораспределительного клапана повышающее прижимное усилие устройство может быть образовано закрепленным на головке поршня кольцом с выполненной на его торце внутренней выемкой. В этом варианте внутреннюю выемку кольца предпочтительно выполнять в форме полого цилиндра. Вместе с тем внутренняя выемка кольца может быть образована также конической внутренней кольцевой поверхностью. В последнем случае кольцо предпочтительно выполнять разрезным по типу поршневого кольца.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - разрез клапанной форсунки для впрыскивания топлива,
на фиг.2 - поршень, работающий как подвижная стенка соединительной полости, с торцовой расточкой,
на фиг.3 - расположение поршней в соединительной полости,
на фиг.4 - расположение поршней в другой соединительной полости,
на фиг.5 - торцевая выемка другой формы,
на фиг.6 - поршень с напрессованным кольцом,
на фиг.7 - другой вариант расположения кольцевой полости на поршне,
на фиг.8 - кольцо другой формы.

Предлагаемый в изобретении гидрораспределительный клапан используется в клапанной форсунке для впрыскивания топлива, основные части которой показаны в разрезе на фиг.1. Эта клапанная форсунка имеет корпус 1, в котором в направляющем продольном отверстии 2 перемещается образующая клапанный запорный элемент игла 3 клапана, в частности форсунки. На одном конце этой иглы предусмотрена конусообразная уплотняющая поверхность 4, взаимодействующая с седлом, которое выполнено в выступающем в камеру сгорания наконечнике 5 корпуса форсунки и от которого отходят распылительные отверстия, соединяющие внутреннюю полость клапанной форсунки, в данном случае кольцевую полость 7, окружающую иглу 3 и заполненную топливом, находящимся под давлением впрыскивания, с камерой сгорания и через которые тем самым осуществляется впрыскивание топлива, когда игла приподнята от своего седла. Кольцевая полость сообщается еще с одной напорной полостью 8, которая в свою очередь постоянно сообщается с напорной гидролинией 10, по которой к клапанной форсунке из топливного аккумулятора 9 высокого давления под давлением впрыскивания подается топливо. Это высокое давление топлива преобладает также в напорной полости 8, в которой оно, действуя на конусную поверхность 11, может при соответствующих условиях известным образом приподнимать иглу от ее седла.

Другим концом игла перемещается в служащем направляющей цилиндрическом отверстии 12, ограничивая в нем своим торцом 14 распределительную напорную полость 15, которая дроссельным соединительным каналом 16 постоянно сообщается с кольцевой полостью 17, которая в свою очередь так же, как и напорная полость 8, постоянно сообщается с топливным аккумулятором высокого давления. В осевом направлении от распределительной напорной полости 15 отходит дросселирующее отверстие 19, которое проходит к седлу 20 распределительного клапана 21. С седлом 20 контактирует, соответственно взаимодействует, клапанный элемент 22 распределительного клапана 21, который (клапанный элемент), находясь в поднятом положении, открывает проход между распределительной напорной полостью 15 и разгрузочной полостью.

На клапанный элемент 22 в направлении закрытия, т.е. в направлении к седлу 20, действует пружина 24 сжатия, удерживая этот клапанный элемент в контакте с седлом, благодаря чему в исходном положении распределительного клапана этот проход из распределительной напорной полости 15 закрыт. Поскольку площадь торца иглы, расположенного в зоне распределительной напорной полости, больше площади конусной поверхности 11, то же самое давление топлива в распределительной напорной полости, которое преобладает и в напорной полости 8, удерживает иглу в закрытом положении. Однако при поднятии клапанного элемента 22 давление из распределительной напорной полости 15 сбрасывается благодаря дросселированию в канале 16. При отсутствии в этом случае запирающего усилия игла быстро переходит в открытое положение и может быть снова переведена действующим с другой стороны усилием в закрытое положение, как только клапанный элемент 22 снова установится в свое закрытое положение. С этого момента давление топлива в распределительной напорной полости 15 благодаря притоку через дроссельный канал 16 снова быстро возрастает до первоначально высокого уровня.

Предлагаемый гидрораспределительный, соответственно распределительный, клапан имеет управляющий поршень 25, который действует на клапанный элемент 22. Поршень 25 перемещается в направляющем отверстии 28, плотно прилегая к его стенкам, и ограничивает в этом отверстии своим торцом 29 соединительную полость 30 (см. фиг.3), которая с противоположной стороны ограничена образующим подвижную стенку торцом приводного поршня 31 большего диаметра, являющегося частью пьезоэлектрического привода 32. Оба поршня 25 и 31 перемещаются в своих направляющих отверстиях, плотно прилегая к их стенкам. Благодаря различным площадям торцов обоих поршней 25 и 31 указанная соединительная полость 30 по типу мультипликатора образует полость передачи давления, в которой обусловленный конструктивными особенностями пьезоэлектрического привода малый ход приводного поршня 31 преобразуется в больший ход управляющего распределительным клапаном 21 поршня 25.

При передаче давления в соединительной полости 30 возникают очень высокие давления. Во избежание обусловленных столь высокой нагрузкой недопустимо высоких потерь от утечек вдоль направляющих для поршней на торце поршня 25 и при необходимости также на торце приводного поршня 31 предусмотрено по повышающему радиальное прижимное усилие устройству 35, выполненному в форме глухого отверстия 33, соответственно 34.

Соединительная полость 30 находится под давлением. Из-за разности сил давления, действующих на поршень снаружи и изнутри, последний может расширяться в радиальном направлении, причем степень этого расширения зависит от величины преобладающего в соединительной полости 30 давления. На фиг.2 с помощью векторов 36 показано распределение радиальных сил при действии на поршень давления. На этом чертеже видно, что деформируемость поршня, а тем самым и степень обусловленного этой деформацией радиального расширения поршня являются максимальными в зоне торца 29. В результате такого расширения поршня 25 создается уплотняющее усилие, которое имеет наибольшую величину вблизи торца, т.е. в том месте, где возникают наибольшие проблемы с герметизацией. Уширенная под действием давления боковая поверхность поршня 25 обозначена позицией 37. Следовательно, предлагаемое согласно изобретению повышающее прижимное усилие устройство 35 позволяет эффективно снизить величину утечки.

В показанном на фиг.3 варианте каждый из ограничивающих соединительную полость 30 поршней 25 и 31 имеет по глухому отверстию 33, соответственно 34. При этом оба поршня 33 и 34 расположены на одной оси 38. Однако в целях уменьшения габаритной высоты оба поршня, как показано на фиг.4, можно расположить и рядом друг с другом, а их оси в этом случае будут проходить взаимно параллельно. Соединительная полость, которая в последнем случае образует по существу перепускную полость, обозначена на фиг.4 позицией 39.

Как показано на фиг.5, вместо цилиндрического глухого отверстия 33, соответственно 34, в торце 29 поршня 42 можно выполнить вогнутую выемку 41, образующую в данном случае повышающее прижимное усилие устройство 40.

В отличие от вариантов выполнения, представленных на фиг.2-5, на фиг.6 показана конструкция, в которой на головку 44 поршня 43 напрессовано, предпочтительно в горячем состоянии, кольцо 45. С торцевой стороны в этом кольце 45 предусмотрена внутренняя выемка 46, выполненная в виде полого цилиндра, благодаря чему образующийся при этом цилиндрический кольцевой край 47 сравнительно легко может расширяться в радиальном направлении по типу губки манжеты. Тем самым в этом случае образуется повышающее прижимное усилие устройство 48.

При нагружении такого поршня 43 давлением жидкости последнее действует и во внутреннем углублении 46. При этом край 47, радиально расширяясь, прижимается к стенке цилиндра, служащего направляющей для этого поршня. В этом случае повышающее прижимное усилие устройство также позволяет эффективно снижать величину утечки.

Согласно показанному на фиг. 7 варианту выполнения можно использовать также кольцо 49, край 51 которого, образованный выемкой 50, расположен внутри. В этом случае выемка 50 находится снаружи, а рабочая жидкость, попадая из соединительной полости 53 в эту выемку 50 благодаря увеличенному диаметру соединительной полости 53, обеспечиваемому конструкцией кольца, поджимает край 51 к поверхности поршня, а не к стенке направляющего отверстия, как в описанном выше варианте. Очевидно, что таким путем также достигается повышение силы прижатия и тем самым снижение величины утечки.

И, наконец, на фиг.8 показано кольцо 54, выполненное разрезным по типу поршневого кольца. Это кольцо, цилиндрическое снаружи, имеет внутреннюю кольцевую поверхность 55 с уменьшающимся по мере удаления от соединительной полости 56 поперечным сечением, т.е. с конически сужающимся сечением. Таким образом, повышающим прижимное усилие устройством 57 в этом случае является внутренняя кольцевая поверхность 55.

При повышении давления в соединительной полости 56 это давление передается в камеру 58, действуя в ней на внутреннюю поверхность 55 кольца 54, в результате чего последнее радиально расширяется, плотно прилегая к стенке цилиндра. Такая конструкция также позволяет уменьшить величину утечки на приводном поршне 59.

Очевидно, что предлагаемые согласно изобретению повышающие прижимное усилие устройства 35, 40, 48, 52 и 57 просты и недороги в изготовлении, а благодаря большому разнообразию конструктивных исполнений такие устройства можно легко адаптировать к конкретным условиям их установки.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливовпрыскивающей аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет уменьшить утечки, упростить конструкцию и повысить экономичность. В гидрораспределительном клапане с клапанным элементом, имеющим управляющий его перемещением поршень, который нагружен пружиной сжатия в направлении закрытия клапанного элемента для удержания последнего в контакте с седлом клапана, управляющий поршень в качестве подвижной стенки ограничивает гидравлическую соединительную полость, которая с другой стороны ограничена приводным поршнем пьезоэлектрического привода. При рабочем ходе поршня давление в этой соединительной полости повышается, что сопровождается перемещением управляющего поршня против усилия пружины сжатия в направлении открытия клапана. В соединительной полости, заключенной между приводным поршнем и управляющим клапанным элементом поршнем, по меньшей мере с одной ее стороны имеется повышающее прижимное усилие устройство, предусмотренное на приводном поршне и/или на управляющем поршне. 7 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Гидрораспределительный клапан с клапанным элементом 22, имеющим управляющий его перемещением поршень 25, 42, 43, который нагружен пружиной 24 сжатия в направлении закрытия клапанного элемента 22 для удержания последнего в контакте с седлом 20 клапана и который в качестве подвижной стенки ограничивает гидравлическую соединительную полость 30, 39, 53, 56, которая с другой стороны ограничена приводным поршнем 31, 59 пьезоэлектрического привода 32, при рабочем ходе которого (поршня) давление в этой соединительной полости 30, 39, 53, 56 повышается, что сопровождается перемещением управляющего поршня 25, 42, 43 против усилия пружины 24 сжатия в направлении открытия клапана, отличающийся тем, что в соединительной полости 30, 39, 53, 56, заключенной между приводным поршнем 31, 59 и управляющим клапанным элементом 22 поршнем 25, 42, 43, по меньшей мере с одной ее стороны имеется повышающее прижимное усилие устройство 35, 40, 48, 52, 57, предусмотренное на приводном поршне 31, 59 и/или на управляющем поршне 25, 42, 43. 2. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что повышающее прижимное усилие устройство 35, 40 представляет собой глухое отверстие 33, 34, 41, выполненное концентрично в торце приводного поршня 31 и/или управляющего клапанным элементом 22 поршня 25, 42. 3. Клапан по п. 2, отличающийся тем, что глухое отверстие 33, 34 выполнено цилиндрическим. 4. Клапан по п. 2, отличающийся тем, что глухое отверстие выполнено в виде вогнутой выемки 41. 5. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что повышающее прижимное усилие устройство 53 образовано закрепленным на головке 44 поршня кольцом 45, 54 с выполненной на его торце внутренней выемкой 46. 6. Клапан по п. 5, отличающийся тем, что внутренняя выемка 46 кольца 45 выполнена в форме полого цилиндра. 7. Клапан по п. 5, отличающийся тем, что внутренняя выемка кольца 54 образована конической внутренней кольцевой поверхностью 55. 8. Клапан по п. 7, отличающийся тем, что кольцо 54 выполнено разрезным по типу поршневого кольца.

Приоритет по пунктам:
02.07.1997 по пп. 1-8.