ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН ДЛЯ ДОЗИРОВАНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F02M59/46 F02M51/04 

Изобретение относится к машиностроению, а именно двигателестроению, и, в частности, к устройствам дозирования топлива в двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Известен электромагнитный клапан (ЭМК) для дозирования топлива в ДВС (патент США № 5954487 от 21.09.1999 г.), содержащий корпус с запрессованной направляющей втулкой, в которой размещен затвор с головкой, упор, ограничивающий ход затвора, электромагнит с якорем, катушкой и ярмом, открывающую пружину и сливную полость, расположенную со стороны головки затвора, затвор имеет также хвостовик с цилиндрической уплотняющей поверхностью, сопрягаемой с центральным отверстием направляющей втулки, между головкой и хвостовиком находится проточка, головка имеет уплотняющий поясок в виде усеченного конуса, а направляющая втулка - ответное конусное седло, сопрягаемое с пояском головки затвора, и сквозные радиальные отверстия, связывающие через полость, образованную в направляющей втулке проточкой затвора, надплунжерную полость топливного насоса высокого давления (ТНВД) с каналом подвода топлива высокого давления к форсунке, якорь электромагнита жестко связан с хвостовиком затвора, открывающая пружина воздействует на якорь, обеспечивая нормально открытое положение затвора, а сливная полость, из которой топливо направляется в сливной канал, при открытом затворе гидравлически связана с каналом подвода топлива высокого давления.

При открытом затворе все топливо из канала высокого давления, связанного с надплунжерной полостью ТНВД, направляется по сливному каналу в сливную магистраль, при этом впрыск топлива форсункой в цилиндр двигателя отсутствует.

При подаче на катушку электромагнита управляющего импульса обеспечивается перемещение якоря, тянущего за собой затвор до касания последнего своим уплотняющим пояском на головке конического седла направляющей втулки. При этом закон движения якоря совместно с затвором, а следовательно, закон подачи топлива, обеспечивается изменением формы и длительности электрического импульса.

В процессе закрытия затвора давление перед форсункой возрастает, в результате чего она осуществляет впрыск топлива.

Однако это устройство обладает существенным недостатком. При закрытии клапана усилию электромагнита противодействуют силы предварительного сжатия открывающей пружины, трения при движении затвора и якоря и гидравлические силы, величина которых в значительной степени зависит от площади уплотняющего пояска затвора. Увеличение площади уплотняющего пояска затвора снижает ударные нагрузки на седло направляющей втулки, но одновременно с ростом отрицательных гидравлических сил заставляет использовать более мощный и габаритный электромагнит, который необходимо интенсивно охлаждать. Учитывая сказанное, в реальных условиях посадку затвора приходится осуществлять практически на острую кромку. При этом из-за значительных контактных нагрузок, обусловленных большими инерционными силами суммарной подвижной массы, в которой основную долю составляет масса якоря, происходит износ сопрягаемых конических поверхностей затвора и направляющей втулки, что сокращает ресурс и надежность работы ЭМК.

Цель изобретения - повышение надежности работы устройства за счет исключения динамического воздействия массы якоря на износ сопрягаемых конических поверхностей седла направляющей втулки и уплотняющего пояска головки затвора, улучшение динамических характеристик клапана и повышение эффективности охлаждения электромагнита.

Предлагаемый ЭМК отличается от прототипа тем, что содержит дополнительную закрывающую пружину, размещенную со стороны упора и кинематически связанную с головкой затвора, усилие предварительного сжатия которой меньше, чем у отрывающей пружины и вместе с тем является достаточным для гарантированного обеспечения надежного закрытия свободно перемещаемого затвора, торец хвостовика затвора выполнен сферическим, якорь на одном из торцев имеет центрально расположенный толкатель с плоским торцем, свободно сопрягаемый с хвостовиком затвора, а на противоположном - цилиндрический центрирующий стержень и концентрично выполненный упорный бурт, сопрягаемый с торцем ярма, в ярме выполнено центральное отверстие, служащее направляющей для центрирующего стержня якоря, а сливная полость сообщается со сливным каналом через систему каналов, выполненных в виде продольных пазов на цилиндрических поверхностях соответственно внутренней у корпуса клапана под направляющую втулку и наружной у ярма таким образом, что все топливо, проходя по этим каналам, омывает катушку, причем пазы на ярме снабжены радиальными отверстиями, сообщающимися со сливным каналом.

Величина максимального хода затвора выставляется в зависимости от величины остаточного давления перед форсункой в период активного хода плунжера ТНВД. При этом разница в максимальных ходах якоря (Smaxя

) и затвора (Smaxз) должна находиться в пределах Smaxя=(1,05...1,3) Smaxз.

Применение в конструкции клапана специальной закрывающей пружины совместно с обеспечением разомкнутой кинематической связи затвора и якоря позволяет исключить влияние массы последнего на динамические нагрузки сопрягаемых конических поверхностей в момент касания головки затвора седла направляющей втулки, что повышает ресурс и надежность работы ЭМК. Применение на якоре упорного бурта помимо ограничения свободного хода якоря облегчает отпадание последнего от ярма при подаче электрического размагничивающего импульса на катушку электромагнита.

Использование в конструкции якоря центрирующего стержня, сопрягаемого с направляющим центральным отверстием ярма, обеспечивает более стабильную его работу за счет постоянства базирования и технологических зазоров.

Наличие в конструкции устройства системы каналов позволяет весь поток топлива при перепуске его из канала высокого давления в сливную магистраль направить на охлаждение катушки электромагнита, что обеспечивает более эффективное ее охлаждение и тем самым повышает надежность работы ЭМК.

Обеспечение большего хода якоря Smaxя

по сравнению с ходом затвора Smaxз, а также большего усилия затяжки у открывающей пружины по сравнению с закрывающей являются непременным условиями соблюдения кинематики устройства.

Для повышения эффективности управления работой ЭМК и системой топливоподачи в целом за счет изменения величины подпора топлива в сливной полости и сливном канале возможно в каналах, связывающих сливную полость со сливным каналом, разместить дроссели, а в сливном канале дополнительно установить подпорный клапан или дроссель. Размещение и подбор диаметров отверстий дросселей и характеристик подпорного клапана оказывает влияние на суммарное усилие, воздействующее на затвор и, следовательно, на скорость его посадки и подъема. В свою очередь изменение скоростей посадки и подъема затвора позволяет влиять на крутизну переднего и заднего фронтов осциллограммы впрыскивания топлива в цилиндры и через этот фактор - на качество протекания рабочего процесса в камерах сгорания дизелей.

На фиг. 1-6 изображены виды, поясняющие конструкцию ЭМК для дозирования топлива в ДВС, конкретно: на фиг. 1 - продольный разрез А-А ЭМК; на фиг. 2 - вид Б (сверху); на фиг. 3 - вид В (сбоку) со стороны сливного канала, на фиг. 4 и 5 - поперечные сечения Г-Г ЭМК и Д-Д по электромагниту; на фиг. 6 - продольный разрез А-А ЭМК с подпорным клапаном в сливном канале. На фиг. 7 (а, б, в) приведены схемы, поясняющие взаимодействие подвижных звеньев ЭМК.

Электромагнитный клапан (фиг. 1) состоит из основного корпуса 1, корпуса 2 закрывающей пружины 3, корпуса 4 электромагнита с катушкой 5, ярма 6 и крышки 7. В основном корпусе 1 запрессована направляющая втулка 8 с коническим седлом малой опорной площадью (например, с размерами катетов пояска 0,1×0,1 мм), расположенного с левого торца. В центральном отверстии втулки 8 расположен затвор 9, снабженный с одной стороны хвостовиком с уплотняющей цилиндрической поверхностью 10, а с другой - головкой 11 с уплотняющим по внешнему контуру усеченным конусом, сопрягаемым с седлом втулки 8. Между головкой затвора и его уплотняющей цилиндрической поверхностью имеется проточка 12, образующая в центральном отверстии втулки 8 полость 13, гидравлически связанную с каналом 14 подвода топлива высокого давления. Слева от головки затвора расположен его упор 15 и сливная полость 16, соединенная со сливным каналом 17 посредством сквозных продольных пазов 18 (фиг. 4), выполненных в корпусе 1, а также продольных пазов 19 (фиг. 5), кольцевой канавки 20 (фиг. 1), радиальных отверстий 21 и выточки 22, выполненных в конструкции ярма 6, и кольцевого зазора 23 между цилиндрической поверхностью якоря 24 и центрального отверстия корпуса 4.

Упор 15 размещен в сливной полости 16 корпуса 2 и является одновременно направляющим стержнем закрывающей пружины 3, воздействующей на головку 11 затвора 9. Упор 15 снабжен регулировочными прокладками 25 и 26, служащими соответственно для регулирования хода затвора и усилия затяжки пружины 3.

Якорь 24 электромагнита с одного торца снабжен центрирующим стержнем 27, размещенным в центральном отверстии ярма 6, и упорным буртом 28, а с противоположного - толкателем 29, взаимодействующим со сферическим торцем хвостовика затвора 9.

В выточке 22 ярма 6 размещена открывающая пружина 30, взаимодействующая с хвостовиком центрирующего стержня 27 якоря посредством тарелки 31, изменением толщины которой обеспечивается регулирование усилия затяжки пружины 30.

В корпусе 4 электромагнита размещен электроразъем 32 (фиг. 2 и 3), посредством которого осуществляется передача электрического управляющего импульса от блока управления (не показан) к катушке 5 электромагнита.

Пакетное соединение корпуса 2 закрывающей пружины, основного корпуса 1, корпуса 4 электромагнита, ярма 6 и крышки 7 осуществляется посредством стяжных болтов 33, а уплотнение по плоским сопрягаемым поверхностям указанных корпусных элементов устройства обеспечивается унифицированными резиновыми кольцами 34.

Во втором варианте устройства в каналах, выполненных в виде пазов 18 (фиг. 4), дополнительно размещены дроссели (не показаны).

В третьем варианте устройства (фиг. 6) в сливном канале 17 дополнительно установлен подпорный клапан 35.

В четвертом варианте устройства в сливном канале 17 дополнительно размещен дроссель (не показан).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

За счет того, что усилие открывающей пружины 30 превосходит усилие закрывающей пружины 3, затвор 9 находится в крайнем левом положении (фиг. 1) на упоре 15, ограничивающем его ход. В этом случае клапан находится в нормально открытом состоянии и впрыск топлива форсункой отсутствует, так как все топливо, подаваемое ТНВД по каналу 14 подвода топлива высокого давления, из полости 13 направляется через щель затвора в сливную полость 16, откуда, последовательно пройдя через пазы 18, кольцевой зазор 23, пазы 19, кольцевую канавку 20, радиальные отверстия 21 и выточку 22, отводится в сливной канал 17. При этом все топливо, направляемое по пазам 19 на слив, обтекает катушку 5, что обеспечивает интенсивный отвод от нее тепла и тем самым повышает надежность работы электромагнита.

Максимальный выход затвора 9 (Smaxз

), соответствующий его полностью открытому положению (фиг. 7,а), ограничивается упором 15 и выбирается из расчета обеспечения необходимого остаточного давления в кармане распылителя форсунки в период активного хода плунжера ТНВД. В этом положении затвора 9 закрывающая пружина 3 оказывается максимально сжатой, а открывающая пружина 30 - максимально разжатой, при этом зазор между толкателем 29 якоря 24 и хвостовиком затвора 9 отсутствует (S_x(1)=0), а зазор между упорным буртом 28 и сопрягаемым с ним торцем ярма 6 имеет максимальную величину (S_я(1)=Smaxя). При перетекании топлива из полости 13 в сливную полость 16 на затвор 9 дополнительно действуют гидравлические силы, обусловленные дифференциальной площадью, образованной поверхностью уплотняющего по внешнему контуру усеченного конуса его головки 11.

Для осуществления впрыска топлива форсункой клапан переводится в закрытое положение, для чего на катушку 5 электромагнита подается управляющий электрический импульс соответствующей формы, обеспечивающий требуемый закон подачи топлива. При этом якорь 24 притягивается к ярму 6 и, перемещаясь в его сторону, сжимает открывающую пружину 30. Одновременно разгруженный от силы открывающей пружины 30 затвор 9 под действием закрывающей пружины 3, преодолевая гидравлические силы и силы трения, начинает перемещаться вслед за якорем 24.

В момент касания головки 11 затвора 9 седла направляющей втулки 8 (фиг. 7,б) клапан оказывается полностью закрытым. В этом положении подвижных элементов клапана зазоры соответственно имеют значения: между головкой 11 затвора 9 и седлом направляющей втулки 8 (S_з(2)=0), между хвостовиком затвора 9 и толкателем 29 якоря 24 (S_x(1)=0) и между упором 28 якоря 24 и торцем ярма 6 (S_я(2)<Smaxя

).

После касания головки 11 седла направляющей втулки 8 затвор останавливается, а якорь 24, отделившись от хвостовика затвора 9, продолжает свое движение, сжимая пружину 30, до касания своим упором 28 торца ярма 6 (фиг. 7,в). В этом крайнем правом положении подвижных элементов клапана зазоры соответственно имеют значения: S_з(2)=0, S_x(2)=Smaxx

и S_я(3)=0. При этом закрывающая пружина 3 оказывается разжатой, а открывающая 30 - сжатой.

Устойчивая работа клапана обеспечивается положительной разницей в максимальных ходах якоря Smaxя

и затвора Smaxз, целесообразные значения которой должны находиться в пределах соотношения Smaxя=(1,05...1,3)Smaxз. Этим гарантируется отрыв якоря 24 от затвора 9 в момент касания последнего седла направляющей втулки 8 и закрытие клапана. При этом исключается динамическое воздействие массы якоря 24 на износ сопрягаемых поверхностей уплотняющего конуса головки 11 затвора и седла направляющей втулки 8, что позволяет значительно повысить надежность работы ЭМК.

Четкое ориентирование якоря 24 относительно ярма 6 за счет применения центрирующего стержня 27 обеспечивает стабильность динамических характеристик якоря, дополнительно повышая надежность работы ЭМК.

Регулирование усилия затяжки закрывающей пружины 3 и хода затвора 9 обеспечивается изменением толщины соответствующих сменных прокладок 26 и 25, а усилия затяжки открывающей пружины 30 - толщины тарелки 31.

Для прекращения впрыска топлива форсункой ЭМК обратно переводится в нормально открытое положение, для чего управляющим блоком снимается подача электрического импульса на катушку 5 электромагнита. При этом под действием усилия открывающей пружины 30 якорь 24, выбирая зазор между хвостовиком затвора 9 и своим толкателем 29 (фиг. 7,б), ударяет по хвостовику затвора, способствуя тем самым его троганию с места. Ударное воздействие якоря 24 на затвор 9 в момент его открытия обеспечивает улучшение динамических характеристик клапана.

После трогания затвора его дальнейшее движение до упора 15 (фиг. 7,а) обеспечивается за счет положительной разности усилий открывающей 30 и закрывающей 3 пружин, а также сопутствующих гидравлических сил топлива, действующих на головку 11 затвора.

Более тонкое регулирование динамических характеристик затвора, а следовательно, и закона подачи топлива форсункой, может осуществляться размещением дросселей (не показаны) в сливных пазах 18 корпуса 1.

Влияние на характеристики впрыскивания топлива и величину остаточного давления в кармане распылителя форсунки возможно также оказывать путем размещения в сливном канале 17 подпорного клапана 35 (фиг. 6) или дросселя (не показан).

Математическое моделирование процессов, происходящих в ЭМК, и проработки конструкции показали его высокую эффективность управления процессом впрыска топлива на давлениях до 200 МПа и адаптацию к архитектуре штатных конструкций топливной аппаратуры ДВС.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к форсункам для подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания. Данное изобретение позволяет повысить надежность работы форсунки и улучшить динамические характеристики клапана. Электромагнитный клапан содержит корпус с запрессованной направляющей втулкой, в которой размещен затвор с головкой, упор, электромагнит с якорем, катушкой и ярмом, открывающую пружину и сливную полость, надплунжерную полость топливного насоса высокого давления с каналом подвода топлива высокого давления к форсунке. Якорь электромагнита жестко связан с хвостовиком затвора. Открывающая пружина воздействует на якорь, обеспечивая нормально открытое положение затвора. Сливная полость, из которой топливо направляется в сливной канал, при открытом затворе гидравлически связана с каналом подвода топлива высокого давления. Электромагнитный клапан содержит дополнительную закрывающую пружину, размещенную со стороны упора и кинематически связанную с головкой затвора, усилие предварительного сжатия которой меньше, чем у открывающей пружины и вместе с тем является достаточным для гарантированного обеспечения надежного закрытия свободно перемещаемого затвора. Торец хвостовика затвора выполнен сферическим. Якорь на одном из торцев имеет центрально расположенный толкатель с плоским торцем, свободно сопрягаемый с хвостовиком затвора, а на противоположном - цилиндрический центрирующий стержень и концентрично выполненный упорный бурт, сопрягаемый с торцем ярма. В ярме выполнено центральное отверстие, служащее направляющей для центрирующего стержня якоря. Сливная полость сообщается со сливным каналом через систему каналов, выполненных в виде продольных пазов на цилиндрической поверхности соответственно внутренней у корпуса клапана под направляющую втулку и наружной у ярма. Топливо, проходя по этим каналам, омывает катушку. Пазы на ярме снабжены радиальными отверстиями, сообщающимися со сливным каналом. Величина хода затвора выставляется в зависимости от величины остаточного давления перед форсункой в период активного хода плунжера топливного насоса высокого давления. Разница в максимальных ходах якоря Smaxя

и затвора Smaxз должна находится в пределах соотношения Smaxя=(1,05...1,3)Smaxз. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электромагнитный клапан для дозирования топлива в двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с запрессованной направляющей втулкой, в которой размещен затвор с головкой, упор, ограничивающий ход затвора, электромагнит с якорем, катушкой и ярмом, открывающую пружину и сливную полость, расположенную со стороны головки затвора, затвор имеет также хвостовик с цилиндрической уплотняющей поверхностью, сопрягаемой с центральным отверстием направляющей втулки, между головкой и хвостовиком находится проточка, головка имеет уплотняющий поясок в виде усеченного конуса, а направляющая втулка - ответное конусное седло, сопрягаемое с пояском головки затвора, и сквозные радиальные отверстия, связывающие через полость, образованную в направляющей втулке проточкой затвора, надплунжерную полость топливного насоса высокого давления с каналом подвода топлива высокого давления к форсунке, якорь электромагнита жестко связан с хвостовиком затвора, открывающая пружина воздействует на якорь, обеспечивая нормально открытое положение затвора, а сливная полость, из которой топливо направляется в сливной канал, при открытом затворе гидравлически связана с каналом подвода топлива высокого давления, отличающийся тем, что содержит дополнительную закрывающую пружину, размещенную со стороны упора и кинематически связанную с головкой затвора, усилие предварительного сжатия которой меньше, чем у открывающей пружины, и вместе с тем является достаточным для гарантированного обеспечения надежного закрытия свободно перемещаемого затвора, торец хвостовика затвора выполнен сферическим, якорь на одном из торцов имеет центрально расположенный толкатель с плоским торцом, свободно сопрягаемый с хвостовиком затвора, а на противоположном - цилиндрический центрирующий стержень и концентрично выполненный упорный бурт, сопрягаемый с торцом ярма, в ярме выполнено центральное отверстие, служащее направляющей для центрирующего стержня якоря, а сливная полость сообщается со сливным каналом через систему каналов, выполненных в виде продольных пазов на цилиндрической поверхности соответственно внутренней у корпуса клапана под направляющую втулку и наружной у ярма, таким образом, что все топливо, проходя по этим каналам, омывает катушку, причем пазы на ярме снабжены радиальными отверстиями, сообщающимися со сливным каналом, при этом величина хода затвора выставляется в зависимости от величины остаточного давления перед форсункой в период активного хода плунжера топливного насоса высокого давления, а разница в максимальных ходах якоря Smaxя

и затвора Smaxз должна находится в пределах соотношения Smaxя=(1,05-1,3)Smaxз.2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что в каналах, связывающих сливную полость со сливным каналом, размещены дроссели.3. Клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что в сливном канале размещен подпорный клапан.4. Клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что в сливном канале размещен дроссель.