ФОРСУНКА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02M51/06 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к производству форсунок для впрыска топлива в цилиндр ДВС с микропроцессорным управлением.

Известны форсунки с электрическим управлением впрыскивания топлива в цилиндр ДВС, содержащие распылитель с запирающим игольчатым клапаном, поршень, нагруженный высоким давлением впрыскиваемого топлива и взаимодействующий с игольчатым клапаном в направлении перекрытия распылителя, управляющую камеру, ограниченную гидравлически нагруженным торцем поршня и сообщенную первым каналом ограниченного проходного сечения с линией питания форсунки и вторым каналом ограниченного проходного сечения с линией низкого давления, электроуправляемый клапан, размещенный на выходе второго канала ограниченного проходного сечения и электромагнитный привод управляющего клапана, который вместе с клапаном и поршнем закреплены на корпусе форсунки с противоположного размещению распылителя торца (см. например, патент DE 19519192, C1 F 02 M 59/34 или DЕ 19511515, C1 6 F 02 M 51/00).

Управляющие камера и клапан форсунки размещены непосредственно у якоря электромагнита и якорь взаимодействует с управляющим клапаном посредством короткого и жесткого связующего элемента, а между запирающим игольчатым клапаном и нагружающим его поршнем выполнены длинные, передающие усилие элементы, имеющие значительную массу и требующие высокую технологическую точность изготовления для обеспечения их надежного функционирования.

Известна электронная форсунка высокого давления, содержащая корпус, имеющий входной штуцер. В корпусе выполнены две камеры, первая из которых связана с входным штуцером. С корпусом связано сопло, соединенное первым каналом со второй камерой. В корпусе между камерами расположено седло клапана, который подвижно установлен в корпусе. С клапаном связан исполнительный механизм, под действием которого клапан поднимается с седла для обеспечения прохода топлива между камерами. При выключении исполнительного механизма клапан садится на седло, разобщая камеры (см. патент US 5605134, 6 F 02 М 41/00).

В этой форсунке исполнительный механизм связан с управляющим клапаном жестким звеном, требующим высокой точности изготовления и имеющим значительную инерционную массу.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение подвижных масс элементов форсунки и улучшение ее управляемости.

Поставленная задача достигается тем, что в известной топливной форсунке высокого давления для двигателей внутреннего сгорания, содержащей корпус форсунки с каналом высокого давления для подвода топлива, каналом низкого давления для слива топлива, центральной ступенчатой расточкой и прилегающим торцем, на который выходит канал высокого давления, распылитель с выходами распыливающих каналов на одном торце, перекрываемым каналом, из которого выходят распыливающие каналы, камерой высокого давления на входе перекрываемого канала и топливоподводящим в камеру каналом высокого давления, прижатый к прилегающему торцу корпуса форсунки другим торцем игольчатый клапан, размещенный в распылителе с возможностью разобщения камеры высокого давления и канала, из которого выходят распыливающие каналы, смещения клапана на сообщение-разобщение камеры высокого давления и распыливающих каналов, и средствами гидравлического нагружения игольчатого клапана с камеры высокого давления для его смещения на сообщение распыливающих каналов с камерой высокого давления, упругий элемент, размещенный в расточке корпуса форсунки, и нагружающий игольчатый клапан в направлении его смещения на разобщение камеры высокого давления на входе канала, из которого выходят распыливающие каналы, камеру управления, связанную с каналом высокого давления, корпуса форсунки каналом ограниченного проходного сечения и с каналом низкого давления, перекрываемым каналом ограниченного проходного сечения, средства для гидравлического нагружения с камеры управления игольчатого клапана в направлении действия упругого элемента, размещенные соосно в расточке корпуса форсунки, и средства электрического управления давлением в камере управления, включающие запирающий камеру электрически управляемый клапан, размещенный на выходе перекрываемого канала, которым камера управления связана с каналом низкого давления, второй упругий элемент, взаимодействующий с электрически управляемым клапаном, подвижный и неподвижный упоры второго упругого элемента, электромагнит, якорь электромагнита и звено связи якоря с электрически управляемым клапаном, камера управления средства гидравлического нагружения игольчатого клапана удалена от рабочего зазора якоря электромагнита к торцу прилегания распылителя, а управляющий клапан размещен ближе к игольчатому клапану, чем к рабочему зазору якоря электромагнита, и связан с якорем звеном ограниченного поперечного сечения, соосно размещенным в упругом элементе и в расточке неподвижного упора, отношение длины к минимальному диаметру которого составляет 15 и более, и на концах звена размещены жестко закрепляемые упор якоря и подвижный упор упругого элемента, выполненные с возможностью изменения удаления упоров друг от друга при закреплении, причем неподвижный упор упругого элемента управляющего клапана выполнен регулируемым.

Якорь и упор якоря могут быть выполнены с возможностью их относительного перемещения при смещении управляющего клапана до посадки и разобщения управляющей камеры от канала низкого давления.

Предлагаемая форсунка изображена на чертеже.

Форсунка содержит корпус 1, распылитель 2 с игольчатым клапаном 3, промежуточный элемент 4, размещенный между корпусом форсунки и распылителем 2, упругий элемент 5, взаимодействующий посредством опорного звена 6 с игольчатым клапаном 3 и размещенный в полости 7 с одного торца корпуса 1. Кроме того, форсунка содержит управляющий клапан 8 с седлом 9 и упругим элементом 10, электромагнитный привод управляющего клапана 8, включающий электромагнит 11, якорь 12, размещенные у противоположного торца корпуса форсунки, и звено связи 13, 14, 15, 16, 17 управляющего клапана 8 с якорем 12, размещенное в ступенчатой расточке 18, 19 якоря 12 - упор якоря 17, концевой элемент 16 - в ступенчатой расточке 20, 21, 22 корпуса форсунки 1 - элемент ограниченного поперечного сечения 15, концевой элемент 14, держатель 13 клапана 8. В расточке 20, 21, 22 размещен также регулируемый упор 23 и опора 24 упругого элемента 10 и элемент крепления 25 упора 23. Форсунка имеет топливоподводящий канал высокого давления 26, 27, 28, 29, выходящий в подыгольную полость камеры 30, охватывающую игольчатый клапан 3 перед запирающими элементами распылителя и выходящий в полость 7 посредством канала 31. Камера управления 32 выполнена охватывающей игольчатой клапан по торцу в виде надклапанной полости, сообщенной с полостью 7 щелевым каналом ограниченного проходного сечения 33 и с каналом низкого давления 22, 34, 20, 35, перекрываемым управляющим клапаном 8 каналом 36, 37, 38, 39. Элемент ограниченного поперечного сечения 15 размещен также в расточке 34 регулируемого упора 23 и опоре 24 упругого элемента 10, а концевой элемент 14 выполнен в виде подвижной опоры упругого элемента 10. Камера управления 32, ограниченная торцом игольчатого клапана, удалена от рабочего зазора электромагнита - h_я, к торцу прилегания распылителя и охватывает с торца игольчатый клапан у противоположного торца корпуса форсунки 1. При этом звено связи 13, 14, 15, 16, 17 управляющего клапана 8 с якорем 12 выполняют с отношением удаления управляющего клапана от рабочего зазора якоря электромагнита к диаметру элемента 15 ограниченного поперечного сечения, равным и превышающим 15. Якорь 12 прижат к плечику 40 упора 17 упругим элементом 41, а расточки 18, 19 якоря 12 выполнены с возможностью относительного перемещения якоря на упоре 17 и размыкания упора 17 с якорем 12 по плечику 40 и смещения якоря до упора 42.

Работает форсунка следующим образом.

В исходном положении (см. чертеж) нагруженный упругим элементом 5 игольчатый клапан 3 запирает подыгольную полость 30, а управляющий клапан 8 камеру управления 32, перекрывая выход канала 36, 37, 38, 39. Якорь 12 электромагнита 11 занимает исходное положение с рабочим зазором h_я, прилегая к плечику 40 упора 17.

При подключении форсунки к источнику высокого давления топлива (не показан) в каналах 26, 27, 28, 29, полостях 7, 30, 32 устанавливается давление источника топлива, игольчатый клапан 3 со стороны полостей 7, 32 испытывает гидравлическую нагрузку дополнительно к нагрузке упругого элемента 5, чем усиливает запирание полости камеры 30.

Подачей управляющего электрического потенциала на электромагнит 11 возбуждают индуктивное сцепление якоря 12 с электромагнитом 11 по рабочему воздушному зазору h_я. Устанавливается нарастание усилия притяжения якоря 12 к электромагниту 11. Якорь, прилегая к плечику 40 упора 17, передает нарастающее усилие его притяжения упору 17. Упор 17, связанный жестко с концевым элементом 16 звена, связан посредством элемента 15 ограниченного поперечного сечения, передает нарастающее усилие якоря элементу 15 и далее на противоположном конце элемента 15 концевому элементу 14, который нагружен упругим элементом 10 усилием в противоположном направлении, а именно в направлении прижатия через держатель 13 клапана 8 к его седлу 9. С момента возникновения магнитного сцепления якоря с электромагнитом и нарастания усилия, передаваемого концевому элементу 14 (подвижному упору упругого элемента 10) посредством элемента ограниченного поперечного сечения 15, устанавливается компенсация усилия прилегания (прижатия) клапана 8 к седлу 9 до момента выравнивания усилий. Усилие прижатия клапана 8 равно усилию натяга упругого элемента 10 за вычетом гидравлического усилия давления топлива на клапан 8 в канале 39 на выходе камеры управления 32. В дальнейшей фазе нарастания усилия в якоре 12 (на концевом элементе 14, держателе 13 - подвижном упоре упругого элемента 10 управляющего клапана 8 - и далее на клапане 8) усилие прижатие клапана 8 к седлу 9 становится меньшим усилия, развиваемого электромагнитом, и управляющий клапан 8 начнет отрываться от седла 9. Электромагнит, дополнительно преодолевая инерционные усилия подвижных элементов 12, 17, 16, 15, 13, 8, 10, откроет управляющий клапан 8 и камера управления 32 сообщится через открытый канал 36, 37, 38, 39 с каналом низкого давления 22, 34, 20, 35. С момента открытая управляющим клапаном 8 канала 36, 37, 38, 39 в камере управления 32 начнет уменьшаться давление при одновременном перетекании топлива из полости 7 через канал ограниченного поперечного сечения 33. Поперечное сечение канала 33 выбрано таким образом, чтобы при открытом (поднятом) управляющем клапане 8 давление в полости камеры управления 32 понижалось до величины, достаточной для снижения усилия давления топлива, действующего на игольчатый клапан 3 (на открытый в камеру управления его торец), со стороны камеры управления 32, при которой противоположно направленным усилием от давления подводимого топлива в полость камеры 30, действующего на игольчатый клапан 3 из камеры 30, последний откроется и начнется истечение топлива из распылителя 2. С этого момента форсунка начнет впрыск топлива под высоким подводимым давлением. Продолжительность впрыска будет зависеть от продолжительности подключения электромагнита 11 к источнику управляющего потенциала напряжения.

С момента отключения электромагнита 11 (снятия на зажимах электромагнита управляющего потенциала) возбужденное усилие электромагнита 11 на якоре 12 будет уменьшаться. В некоторый момент времени усилие сцепления якоря с электромагнитом сравняется с противодействующим усилием упругого элемента 10 управляющего клапана 8, замыкающихся на звене связи 13, 14, 15, 16, 17 якоря 12 с управляющим клапаном 8. В последующий период понижения усилия на якоре 12 усилие на управляющем клапане 8 установится меньшим усилия натяга упругого элемента 10 за вычетом усилия упругого элемента 41, взаимодействующего с якорем 12. Управляющий клапан 8 вместе с элементами привода 12, 17, 16, 15, 14, 13 переместится к седлу 9, осуществив посадку на седло. С посадкой управляющего клапана 8 на седло 9 камера управления 32 разобщится от канала низкого давления 22, 38, 20, 39, слив топлива с нее приостановится с одновременным продолжением поступления в нее топлива из полости 7 и повышения в ней давления. Соответственно, при этом установится увеличение гидравлического усилия, непосредственно действующего на игольчатый клапан из камеры управления 32 дополнительно к усилию упругого элемента 5, размещенного в полости 7.

С выравниванием на игольчатом клапане 3 усилий, действующих на игольчатый клапан со стороны полости камеры 30 и со стороны полости камеры управления 32 и полости упругого элемента 5, игольчатый клапан 3 начнет перемещаться в направлении вытекании топлива из полости камеры 30 до положения перекрытия полости камеры 30. В этом положении игольчатого клапана впрыск топлива форсункой будет приостановлен до последующего подключения к источнику управляющего потенциала напряжения.

Давление в камере управления 32 (надыгольной полости) после ее разобщения с каналом низкого давления будет увеличиваться до уровня, подводимого к форсунке и затем установится на этом уровне до начала осуществления последующего цикла.

С посадкой управляющего клапана 8 на седло 9 приостанавливается перемещение элементов 13, 14, 15, 16, 17 привода управляющего клапана, имеющих малую инерционную массу, кроме якоря 12 электромагнита 11. Якорь 12 продолжает перемещаться, испытывая замедление от упругого элемента 41, до соприкосновения его с упором 42. Взаимодействуя с упором 42, якорь 12 останавливается, упругий элемент 41 возвращает якорь в исходное положение, устанавливающее рабочий зазор якоря h_я, при котором он взаимодействует с упором 17 по плечику 40.

С установкой управляющего клапана и элементов привода управляющего клапана в исходное положение форсунка подготовлена к осуществлению очередного цикла работы (впрыска топлива).

Осуществление связи управляющего клапана с якорем электромагнита посредством звена с элементом ограниченного поперечного сечения позволяет уменьшить подвижные массы форсунки: привода управляющего клапана, привода игольчатого клапана, при удалении от рабочего зазора электромагнита размещения управляющего клапана к противоположному торцу корпуса форсунки, разработать малоразмерные по установочному диаметру форсунки без применения дополнительных подвижных промежуточных элементов гидравлического привода игольчатого клапана распылителя.

Этим упрощается конструктивное исполнение форсунок аккумуляторного типа, повышается их надежность работы и управляемость.

Кроме того, компактное конструктивное исполнение двигателей внутреннего сгорания накладывает ограничения на габаритные размеры электроуправляемых форсунок и, в частности, на выбор места размещения электромагнитного привода форсунки, связанного с размерами привода управляющего клапана.

Предлагаемое техническое решение расширяет возможности выбора размеров и места размещения электромагнитного привода форсунки, позволяя разместить управляющий клапан на значительном удалении от электромагнита, составляющем 15 и более диаметров минимального сечения элемента связи.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет уменьшить подвижные массы элементов форсунки и улучшить ее управляемость. Топливная форсунка содержит корпус с каналом высокого давления для подвода топлива, каналом низкого давления, центральной ступенчатой расточкой, распылитель. Игольчатый клапан размещен в распылителе с возможностью разобщения камеры высокого давления и канала, из которого выходят распыливающие каналы, смещения клапана на сообщение-разобщение камеры высокого давления и распыливающих каналов. Упругий элемент размещен в расточке корпуса форсунки. Камера управления связана с каналом высокого давления корпуса форсунки, каналом ограниченного проходного сечения и с каналом низкого давления, перекрываемым каналом ограниченного проходного сечения. Средства для гидравлического нагружения с камеры управления игольчатого клапана в направлении действия упругого элемента размещены соосно в расточке корпуса форсунки. Средства электрического управления давлением в камере управления включают запирающий камеру электрически управляемый клапан, размещенный на выходе перекрываемого канала, которым камера управления связана с каналом низкого давления. Второй упругий элемент взаимодействует с электрически управляемым клапаном. Камера управления средства гидравлического нагружения игольчатого клапана удалена от рабочего зазора якоря электромагнита к торцу прилегания распылителя. Управляющий клапан размещен ближе к игольчатому клапану, чем к рабочему зазору якоря электромагнита, и связан с якорем звеном ограниченного поперечного сечения, соосно размещенным в упругом элементе и в расточке неподвижного упора, отношение длины к минимальному диаметру которого составляет 15 и более. На концах звена размещены жестко закрепляемые упор якоря и подвижный упор упругого элемента, выполненные с возможностью изменения удаления упоров друг от друга при закреплении. Неподвижный упор упругого элемента управляющего клапана выполнен регулируемым. 1. з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Топливная форсунка высокого давления для двигателей внутреннего сгорания, содержащая корпус форсунки с каналом высокого давления для подвода топлива, каналом низкого давления для слива топлива, центральной ступенчатой расточкой и прилегающим торцем, на который выходит канал высокого давления, распылитель с выходами распыливающих каналов на одном торце, перекрываемым каналом, из которого выходят распыливающие каналы, камерой высокого давления на входе перекрываемого канала и топливоподводящим в камеру каналом высокого давления, прижатый к прилегающему торцу корпуса форсунки другим торцем, игольчатый клапан, размещенный в распылителе с возможностью разобщения камеры высокого давления и канала, из которого выходят распыливающие каналы, смещения клапана на сообщение-разобщение камеры высокого давления и распыливающих каналов, и средствами гидравлического нагружения игольчатого клапана с камеры высокого давления для его смещения на сообщение распыливающих каналов с камерой высокого давления, упругий элемент, размещенный в расточке корпуса форсунки, и нагружающий игольчатый клапан в направлении его смещения на разобщение камеры высокого давления на входе канала, из которого выходят распыливающие каналы, камеру управления, связанную с каналом высокого давления корпуса форсунки каналом ограниченного проходного сечения и с каналом низкого давления, перекрываемым каналом ограниченного проходного сечения, средства для гидравлического нагружения с камеры управления игольчатого клапана в направлении действия упругого элемента, размещенные соосно в расточке корпуса форсунки, и средства электрического управления давлением в камере управления, включающие запирающий камеру электрически управляемый клапан, размещенный на выходе перекрываемого канала, которым камера управления связана с каналом низкого давления, второй упругий элемент, взаимодействующий с электрически управляемым клапаном, подвижный и неподвижный упоры второго упругого элемента, электромагнит, якорь электромагнита и звено связи якоря с электрически управляемым клапаном, отличающаяся тем, что камера управления средства гидравлического нагружения игольчатого клапана удалена от рабочего зазора якоря электромагнита к торцу прилегания распылителя, а управляющий клапан размещен ближе к игольчатому клапану, чем к рабочему зазору якоря электромагнита, и связан с якорем звеном ограниченного поперечного сечения, соосно размещенным в упругом элементе и в расточке неподвижного упора, отношение длины к минимальному диаметру которого составляет 15 и более, и на концах звена размещены жестко закрепляемые упор якоря и подвижный упор упругого элемента, выполненные с возможностью изменения удаления упоров друг от друга при закреплении, причем неподвижный упор упругого элемента управляющего клапана выполнен регулируемым.2. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что якорь и упор якоря выполнены с возможностью их относительного перемещения при смещении управляющего клапана до посадки и разобщения управляющей камеры от канала низкого давления.