ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02M51/00 F02M47/06 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к производству форсунок для впрыска топлива в цилиндр двигателя внутреннего сгорания.

Форсунки для впрыска топлива под повышенным давлением в цилиндры как дизельных, так и бензиновых двигателей широко распространены. Их конструктивные различия обусловлены типом двигателя, его мощностью, частотой вращения коленчатого вала и компоновочными размерами.

К наиболее распространенным относятся форсунки, содержащие клапан игольчатого типа, открывающий выход топлива под повышенным давлением в заданный момент хода поршня цилиндра двигателя, см. например, патент US 5607106 А, 6 F 02 М 47/02. Однако подобные конструкции с укороченной частью для размещения игольчатого клапана и пространственно развитой частью управления впрыском топлива не позволяют их использовать в конструкциях двигателя с ограниченным пространством для размещения форсунок на головке блока цилиндров.

Известны форсунки удлиненной конструкции с минимальными размерами в поперечном сечении, что позволяет их использовать в компактных быстроходных автомобильных дизелях (см., например, DЕ 19519191 А1, 6 F 02 М 51/06). Однако эти форсунки в связи со значительным удалением управляющего элемента от игольчатого клапана имеют несколько жестких промежуточных элементов со значительной инерционной массой, что снижает быстродействие управления впрыском. Кроме того, в этой конструкции игольчатый клапан находится под высоким давлением, что требует значительных усилий управляющего элемента для его подъема в момент впрыска и соответственно усложняет конструкцию форсунки.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и улучшение динамических параметров при минимальных поперечных ее размерах.

Поставленная цель достигается тем, что в электроуправляемой форсунке для двигателя внутреннего сгорания, содержащей распылитель с игольчатым клапаном и перекрываемой игольчатым клапаном камерой для подвода топлива под высоким давлением, охватывающей игольчатый клапан, упругий элемент, прижимающий игольчатый клапан к седлу перекрываемого канала распылителя, корпус форсунки с топливоподводящим каналом высокого давления, сообщенным с камерой высокого давления, с каналами низкого давления для отвода сливаемого топлива и центральной ступенчатой расточкой, к торцам которой с одной стороны прилегает распылитель и размещен упругий элемент, привод игольчатого клапана, включающий электромагнит, якорь, установленные в расточке корпуса форсунки с противоположной распылителю стороны, и элемент механической связи игольчатого клапана с якорем, согласно изобретению игольчатый клапан снабжен жестко связанным с ним упором, выполненным с возможностью взаимодействия с упором якоря у рабочего зазора электромагнита, и размещен с упругим элементом в камере высокого давления, выполненной из двух частей, охватывающей игольчатый клапан с обоих торцов и постоянно связанной частью со стороны упругого элемента с линией низкого давления щелевым каналом, периметр поперечного сечения которого равен и меньше периметра прилегания пояска к седлу игольчатого клапана, площадь поперечного сечения щелевого канала составляет 0,04-2 площади поперечного сечения диаметрального зазора по направляющей части игольчатого клапана, а поверхность щелевого канала выполнена разделительной, размещена в корпусе форсунки и охватывает часть элемента связи якоря с игольчатым клапаном, выполненного с соотношением удаления рабочего зазора якоря от игольчатого клапана к диаметру элемента связи по сечению разделительной поверхности как 20 к 1 и более. При этом элемент связи выполнен с возможностью разъема игольчатого клапана и изменения удаления от игольчатого клапана упора якоря, а упор якоря размещен в якоре с возможностью относительного смещения якоря до второго упора при смещении и посадке игольчатого клапана на седло распылителя. Камера высокого давления может быть выполнена из последовательно связанных подыгольной и надыгольной частей каналом, площадь поперечного сечения которого больше площади поперечного сечения щелевого канала и меньше поперечного сечения топливоподводящего канала. Камера высокого давления может быть сообщена с топливоподводящим каналом частью, в которой размещен упругий элемент, причем сообщающий канал выполнен с большей площадью поперечного сечения, чем канал, которым связаны обе части камеры высокого давления. Части камеры высокого давления могут быть параллельно сообщены с топливоподводящим каналом, причем надыгольная часть камеры высокого давления сообщена каналом, поперечное сечение которого больше поперечного сечения щелевого канала.

Предлагаемая форсунка изображена на чертежах.

На фиг. 1 - принципиальная схема электроуправляемой форсунки с камерой высокого давления, выполненной из двух частей, и элемент связи игольчатого клапана с якорем электромагнита с промежуточной частью ограниченного сечения, части камеры высокого давления раздельно сообщены с топливоподводящим каналом;
на фиг. 2 - вариант выполнения частей камеры высокого давления, последовательно связанных между собой каналом, выполненным на игольчатом клапане, и подводом топлива в часть камеры высокого давления, охватывающей игольчатый клапан со стороны средств запирания распылителя;
на фиг. 3 - вариант выполнения частей камеры высокого давления, последовательно связанных между собой каналом, выполненным на игольчатом клапане, и подводом топлива в часть камеры высокого давления, в которой размещен упругий элемент.

Предлагаемая форсунка состоит из следующих конструктивных элементов. К корпусу форсунки 1 (фиг. 1) с одной стороны прилегает распылитель 2 с игольчатым клапаном 3, а с другой стороны - электромагнит 4. Якорь 5 электромагнита 4 связан с игольчатым клапаном 3 посредством упора 6, элемента связи 7, 8, 9 и муфты 10, размещенными соосно в ступенчатой расточке 11, 12, 13, 14, 15. В ступенчатой расточке 15 размещен упругий элемент 16, взаимодействующий с игольчатым клапаном 3 через элемент 9, муфту 10 и упругий элемент 17, взаимодействующий с якорем 5 и прижимающий якорь 5 к упору 6 по поверхности взаимодействия 18.

В ступенчатой расточке 15 корпуса форсунки 1 размещен элемент 19, который поверхностью канала 20 охватывает часть элемента 7 элемента связи 7, 8, 9 с возможностью его осевого смещения в канале 20. Якорь 5 взаимодействует с электромагнитом 4 через воздушный зазор h_я, уменьшающийся при включении электромагнита 4.

Топливоподводящий канал 21, 22, 23 под высоким давлением подводит топливо в распылитель 2, открываемый игольчатым клапаном 3. Полость 24 над игольчатым клапаном 3, в которой размещен упругий элемент 16, ограничена расточкой 15 корпуса форсунки 1, торцом элемента 19, на который прилегает упругий элемент 16, частью элемента связи 7, 9, муфтой 10 и игольчатым клапаном 3. Каналом 25 полость 24 сообщена с топливоподводящим каналом 21, 22, 23 и с линией низкого давления 14, 13, 26, 27, щелевым каналом 28, образованным разделительными поверхностями канала 20 и поверхностью части элемента 7 элемента связи 7, 8, 9, размещенного в канале 20. Элемент связи 7, 8, 9 якоря 5 с игольчатым клапаном 3 выполнен с возможностью разъема и жесткой связи на одном конце с упором 6 якоря 5 и на другом конце с игольчатым клапаном 3 посредством муфты 10 и изменения удаления упорной поверхности 18 якоря 5 от торца игольчатого клапана 3, обращенного в полость 24. Якорь 5 выполнен с возможностью соосного размещения в расточке 11, 13 корпуса форсунки 1 и смещения его относительно корпуса форсунки при включении-выключении электромагнита 4, с уменьшением зазора h_я до его минимальной величины, включая нулевое значение, и с увеличением рабочего зазора h_я при обратном смещении до величины h_яо, большей начальной h_я , при отключенном электромагните и одновременном при этом разрывом связи якоря 5 по поверхности взаимодействия 18 с упором 6 и возможностью взаимодействия со вторым упором 29, противоположным взаимодействующему с магнитом торцом якоря.

Распылитель 2 и запорный игольчатый клапан 3 выполнены с возможностью относительного смещения и средствами 30, 31 с уплотнительным пояском для перекрытия (запирания) топливоподводящего канала 23 и далее 32, охватывающего игольчатый клапан 3 в виде полости 32 форсунки перед средствами перекрытия 30, 31 при взаимодействии игольчатого клапана 3 с упругим элементом 16 и подводе в форсунку топлива под высоким давлением соответственно в топливоподводящий канал 21, 22, 23 и в полость 24 через канал 25 и в полость 32.

Щелевой канал 28 по периметру поперечного сечения канала 20 элемента 19 выполнен меньшим периметра уплотнительного пояска средств перекрытия 30, 31 распылителя 2 форсунки, а его площадь поперечного сечения составляет 0,04-2 площади поперечного сечения зазора по направляющей части 33 игольчатого клапана 3.

Конструктивно электромагнит 4 рабочим зазором h_я может быть размещен с удалением от игольчатого клапана 3 по сечению прилегающего торца распылителя 2 на 20 и более диаметров элемента связи 7 в поперечном сечении канала 20.

Игольчатый клапан 3 с противоположных торцов охватывает камера высокого давления, выполненная из двух частей в виде полости 32, сообщенной с топливоподводящим каналом 23 распылителя 2, и полости 24 над игольчатым клапаном, в которой размещен упругий элемент 16 игольчатого клапана 3 и которая сообщена с топливоподводящим каналом 22, сообщающим каналом 25, выполненным с площадью поперечного сечения, большей площади поперечного сечения щелевого канала 28. Части камеры высокого давления 32 и 24 раздельно (параллельно) сообщены с топливоподводящим каналом.

В варианте по фигуре 2 части камеры высокого давления 24 и 32 сообщены между собой каналом 34, выполненным в виде канавки на направляющей части игольчатого клапана 3, проходное сечение которой больше площади поперечного сечения щелевого канала 28 и меньше площади поперечного сечения топливоподводящего канала 23 распылителя 2. При этом часть 32 камеры высокого давления сообщена с топливоподводящим каналом 23, а часть 24 камеры высокого давления сообщена с топливоподводящим каналом посредством сообщающего канала 34 и полости 32.

В другом варианте по фигуре 3 часть 32 камеры высокого давления сообщена последовательно с частью 24 камеры высокого давления сообщающим каналом 34, выполненным с площадью поперечного сечения, большей площади поперечного сечения щелевого канала 28, а часть 24 камеры высокого давления над игольчатым клапаном 3 каналом 25 сообщена с топливоподводящим каналом 22, и канал 25 выполнен с проходным сечением, равным или большим поперечного сечения сообщающего канала 34. При этом перекрываемая игольчатым клапаном часть 32 камеры высокого давления сообщена с топливоподводящим каналом форсунки посредством канала 34 и второй части 24 камеры высокого давления, в которую выходит канал 25.

При подводе в распылитель 2 топлива под высоким давлением игольчатый клапан 3 с обоих торцов охвачен топливом из камеры высокого давления 24, 32 и нагружен в направлении перекрытия распылителя усилием от давления топлива со стороны части 24 камеры высокого давления. При этом осуществляется просачивание (дренаж) топлива в линию низкого давления 14, 13, 26, 27 по щелевому каналу 28 в элементе 19 между разделительными поверхностями канала 20 и элемента 7 элемента связи 7, 8, 9 из части 24 камеры высокого давления.

Предлагаемая форсунка работает следующим образом. Включением электромагнита 4 в электрическую цепь осуществляют возбуждение в магните и якоре 5 их магнитного сцепления, развитие тягового усилия до величины, превышающей усилие запирания игольчатого клапана 3. Усилие запирания состоит из результирующего усилия сжатия упругих элементов 16, 17, действующих в противоположных направлениях, и результирующего усилия от давления топлива на игольчатый клапан 3 с камеры высокого давления 24, 32, определяемого величиной подводимого в камеру давления и диаметром уплотнительного пояска средств перекрытия 30, 31 распылителя 2.

Развиваемое магнитом 4 усилие воздействует на якорь 5 и поверхность 18 упора 6 якоря 5, концевой элемент 8 элемента связи 7, 8, 9, элемент 7 и далее игольчатый клапан 3 через элементы 9, 10. Клапан 3 смещается в сторону открытия распылителя 2 и свободного истечения топлива из распылителя под высоким давлением на период открытия распылителя форсунки.

При отключении электромагнита 4 магнитное сцепление якоря 5 уменьшается, снижается усилие, развиваемое электромагнитом до величины, при которой упругий элемент 16, преодолевая усилие сцепления якоря с магнитом и усилие упругого элемента 17, осуществляет смещение игольчатого клапана 3 в обратном направлении до взаимодействия средств 30, 31 перекрытия распылителя и последующего догружения игольчатого клапана 3 со стороны части 24 камеры высокого давления 24, 32 усилием от давления топлива в части 24. Этим усилием, которое зависит от величины подводимого давления и которое конструктивно устанавливают соразмерным или существенно превышающим усилие элемента 16, дополнительно герметизируют распылитель 2 по уплотнительному пояску средств его перекрытия 30, 31.

Величину порции впрыскиваемого под высоким давлением топлива устанавливают включением электромагнита 4 на заданный период времени, который устанавливает электронный регулятор параметров управляющего электрического сигнала управления, действующий в системе электронного управления рабочим процессом двигателя внутреннего сгорания (не показаны).

Усилие упругого элемента 16 больше усилия упругого элемента 17. Разность усилий этих элементов обеспечивает преодоление развиваемого усилия электромагнита 4 в фазе его уменьшения при выключенном управляющем потенциале или в варианте при размагничивающем управляющем потенциале и смещение игольчатого клапана 3 до перекрытия распылителя 2. При этом перемещение якоря 5 в сторону увеличения начального рабочего зазора h_я демпфируется упругим элементом 17 с разрывом связи якоря 5 с упором 6 и последующей остановкой якоря 5 при дальнейшем его смещении до упора 29. Упругий элемент 17 возвращает якорь в исходное положение, обеспечивая исходный рабочий зазор h_я и возврат якоря 5 до взаимодействия его с упором 6 поверхностью 18 с плечиком упора 6.

Упор 29 конструктивно может быть упругим и дополнительно демпфировать движение якоря при гашении его скорости до нулевой.

Последующим включением электромагнита цикл открытия (подъема) игольчатого клапана и впрыскивания топлива форсункой повторяется.

В варианте топливоподводящий канал 22 может быть выполнен ступенчатым с ограниченным поперечным сечением на выходе (не показано). Этим достигают заданного перепада давления в распылителе в части 32 и в части 24 над игольчатым клапаном 3 камеры высокого давления 24, 32 при осуществлении открытия распылителя форсунки. Более высокое давление топлива в части 24 камеры высокого давления, при поднятом игольчатом клапане 3, будет создавать дополнительно к усилию упругого элемента 16 гидравлическое усилие, противодействующее понижающемуся усилию магнита 4 на якоре 5 при его выключении и ускоряющее смещение игольчатого клапана 3 на перекрытие распылителя 2 средствами 30, 31. Выполнение форсунок по фиг. 2, 3 решает такую же задачу.

Выполнением условия, когда периметр щелевого канала 28 принимают меньшим периметра уплотнительного пояска игольчатого клапана 3 по средствам перекрытия распылителя 2, достигают надежного запирания его гидравлическим усилием давления топлива с одновременным согласованием с возможностями электромагнита 4 обеспечить требуемое усилие отрыва игольчатого клапана 3 от его положения, устанавливающего перекрытие распылителя, т.е. устанавливаются достаточные, но минимальные оптимизированные усилия и габариты электромагнита.

Условием равенства периметров щелевого канала 28 и уплотнительного пояска игольчатого клапана по средствам перекрытия распылителя осуществляют его запирание преимущественно усилием упругого элемента 16, которое определяют (задают), исходя из конструктивных возможностей электромагнита 4.

Выполнением условия, когда площадь поперечного сечения канала 28 выбирают в пределах 0,04÷2 площади поперечного сечения зазора по направляющему диаметру игольчатого клапана 3, достигают приемлемо допустимых потерь топлива на управление находящегося под высоким рабочим давлением дозирования, т. е. потерь мощности, затраченной на повышение давления до рабочего в объеме, расходуемого на утечку в линию слива, причем эти потери топлива соразмерны с потерями в распылителе традиционных конструкций, имеющими место в паре распылитель - игольчатый клапан с зазором по направляющему диаметру 0,0025-0,0045 мм.

Выполнением условия значительного удаления магнита от управляемого им игольчатого клапана за счет применения связи между ними через гибкий элемент малого (ограниченного) сечения достигают расширения конструктивных возможностей реализации заявляемого технического решения, допускающего сближенное размещение впускных и выпускных клапанов с их пружинами на головке двигателя внутреннего сгорания и выполнение форсунки малого поперечного сечения по установочному диаметру ее корпуса, необходимого для получения развитых проходных сечений названных клапанов двигателя.

Вариантами гидравлического сообщения частей камеры высокого давления между собой и с топливоподводящим каналом по фигурам 1, 2 и 3 предусматривают осуществление дополнительно к усилию упругого элемента 16 еще и гидравлическое усилие, действующее на игольчатый клапан распылителя из части 24 камеры высокого давления, в которой размещен упругий элемент 16, в период страгивания и перемещения на закрытие распылителя игольчатого клапана, т.е. осуществляют ускоренное и надежное закрытие форсунки и прерывание истечения из нее впрыскиваемого топлива (отсечку подачи топлива).

Таким образом, предлагаемая электроуправляемая форсунка достигает всех целей изобретения оригинальными и экономичными средствами.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет упростить конструкцию, улучшить динамические параметры форсунки при минимальных поперечных ее размерах. Электроуправляемая форсунка для двигателя внутреннего сгорания содержит распылитель с игольчатым клапаном и перекрываемой игольчатым клапаном камерой для подвода топлива под высоким давлением, охватывающей игольчатый клапан, упругий элемент, прижимающий игольчатый клапан к седлу перекрываемого канала распылителя. Корпус форсунки с топливоподводящим каналом высокого давления сообщен с камерой высокого постоянного давления, с каналом низкого давления для отвода сливаемого топлива и центральной ступенчатой расточкой, к торцу которой с одной стороны прилегает распылитель и размещен упругий элемент. Привод игольчатого клапана включает электромагнит, якорь, установленные в расточке корпуса форсунки с противоположной распылителю стороны и элемент механической связи игольчатого клапана с якорем. Игольчатый клапан снабжен жестко связанным с ним упором, выполненным с возможностью взаимодействия с упором якоря у рабочего зазора электромагнита, и размещен с упругим элементом в камере высокого давления, выполненной из двух частей, охватывающей игольчатый клапан с обоих торцов и постоянно связанной частью со стороны упругого элемента с линией низкого давления щелевым каналом, периметр поперечного сечения которого равен и меньше периметра прилегания пояска к седлу игольчатого клапана. Площадь поперечного сечения щелевого канала составляет 0,04÷2 площади поперечного сечения диаметрального зазора по направляющей части игольчатого клапана. Поверхность щелевого канала выполнена разделительной, размещена в корпусе форсунки и охватывает часть элемента связи якоря с игольчатым клапаном, выполненного с соотношением удаления рабочего зазора якоря от игольчатого клапана к диаметру элемента связи по сечению разделительной поверхности как 20 к 1 и более. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электроуправляемая форсунка для двигателя внутреннего сгорания, содержащая распылитель с игольчатым клапаном и перекрываемой игольчатым клапаном камерой для подвода топлива под высоким давлением, охватывающей игольчатый клапан, упругий элемент, прижимающий игольчатый клапан к седлу перекрываемого канала распылителя, корпус форсунки с топливоподводящим каналом высокого давления, сообщенным с камерой высокого постоянного давления, с каналом низкого давления для отвода сливаемого топлива и центральной ступенчатой расточкой, к торцу которой с одной стороны прилегает распылитель и размещен упругий элемент, привод игольчатого клапана, включающий электромагнит, якорь, установленные в расточке корпуса форсунки с противоположной распылителю стороны, и элемент механической связи игольчатого клапана с якорем, отличающаяся тем, что игольчатый клапан снабжен жестко связанным с ним упором, выполненным с возможностью взаимодействия с упором якоря у рабочего зазора электромагнита, и размещен с упругим элементом в камере высокого давления, выполненной из двух частей, охватывающей игольчатый клапан с обоих торцов и постоянно связанной частью со стороны упругого элемента с линией низкого давления щелевым каналом, периметр поперечного сечения которого равен и меньше периметра прилегания пояска к седлу игольчатого клапана, площадь поперечного сечения щелевого канала составляет 0,04÷2 площади поперечного сечения диаметрального зазора по направляющей части игольчатого клапана, а поверхность щелевого канала выполнена разделительной, размещена в корпусе форсунки и охватывает часть элемента связи якоря с игольчатым клапаном, выполненного с соотношением удаления рабочего зазора якоря от игольчатого клапана к диаметру элемента связи по сечению разделительной поверхности как 20 к 1 и более. 2. Электроуправляемая форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что элемент связи выполнен с возможностью разъема игольчатого клапана и изменения удаления от игольчатого клапана упора якоря, а упор якоря размещен в якоре с возможностью относительного смещения якоря до второго упора при смещении и посадке на седло распылителя. 3. Электроуправляемая форсунка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что камера высокого давления выполнена из последовательно связанных подыгольной и надыгольной частей каналом, площадь поперечного сечения которого больше площади поперечного сечения щелевого канала и меньше поперечного сечения топливоподводящего канала. 4. Электроуправляемая форсунка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что камера высокого давления сообщена с топливоподводящим каналом частью, в которой размещен упругий элемент, причем сообщающий канал выполнен с большей площадью поперечного сечения, чем канал, которым связаны обе части камеры высокого давления. 5. Электроуправляемая форсунка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что части камеры высокого давления параллельно сообщены с топливоподводящим каналом, причем надыгольная часть камеры высокого давления сообщена каналом, поперечное сечение которого больше поперечного сечения щелевого канала.