КЛАПАННАЯ ФОРСУНКА Российский патент 2005 года по МПК F02M51/06 

Настоящее изобретение относится к клапанной форсунке, прежде всего клапанной форсунке для систем впрыскивания топлива двигателей внутреннего сгорания, имеющей топливовпускной патрубок для подачи топлива, пьезоэлектрический или магнитострикционный привод, который герметично изолирован уплотнением от контакта с топливом, и запорный элемент, приводимый в действие приводом через иглу форсунки и взаимодействующий с контактной поверхностью седла иглы с образованием участка плотной посадки.

Из DE 19534445 С2 уже известна клапанная форсунка, которая характеризуется наличием указанных выше конструктивных признаков. Описанная в этой публикации клапанная форсунка имеет корпус, в котором соосно ему проходит игла. Корпус имеет соединительный патрубок для подачи топлива в клапанную форсунку. Игла имеет центральный канал. С наружной стороны игла уплотнена относительно окружающего ее корпуса. С приточной стороны игла имеет конусную поверхность, через которую эта игла приводится в действие взаимодействующим с ней пьезоэлектрическим приводом. Эта конусная поверхность жестко соединена с иглой и с приточной стороны проходит вдоль корпуса, плотно прилегая к нему. Тем самым обеспечивается защита привода от воздействия давления топлива.

Недостаток этой известной клапанной форсунки состоит в том, что проходящая вдоль корпуса конусная поверхность является подвижной, что необходимо для возможности впрыскивания топлива, и одновременно образует с корпусом уплотняющую поверхность для защиты привода от высокого давления топлива. Со стороны впрыскивания топлива проходящая вдоль корпуса игла также плотно прилегает к его стенке и в то же время является подвижной. В результате такая конструкция обладает целым рядом следующих недостатков.

Поскольку игла жестко соединена с конусной поверхностью, а сами эти игла со стороны впрыскивания и конусная поверхность с приточной стороны проходят вдоль корпуса, плотно прилегая к его стенкам, и являются подвижными, их изготовление связано с относительно высокими затратами, а клапанная форсунка не обладает высокой функциональной надежностью из-за возможного искривления или заклинивания иглы, соответственно из-за возможного изменения относительного положения обеих поверхностей скольжения.

В связи с тем, что проходящие вдоль корпуса конусная поверхность, соответственно игла являются подвижными относительно него, происходит смачивание уплотняющих поверхностей топливом, которое из-за высокого давления просачивается в привод. Тем самым привод оказывается защищенным только от действия давления топлива, но не от контакта с самим топливом.

Уплотнение между конусной поверхностью, соответственно между иглой распылителя и его корпусом связано с возникновением потерь на трение при работе клапанной форсунки. В результате сужаются возможности по варьированию формы струи впрыскиваемого топлива, увеличивается время срабатывания клапанной форсунки, т.е. снижается ее быстродействие, энергия привода используется не эффективно и повышается износ клапанной форсунки. Так, в частности, в процессе эксплуатации постепенно ухудшается герметичность уплотняющих поверхностей, выполненных на участке между конусной поверхностью, соответственно между иглой распылителя и его корпусом.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать клапанную форсунку указанного вначале типа, которая не имела бы недостатков, присущих описанной выше известной клапанной форсунке.

Эта задача решается согласно изобретению благодаря тому, что уплотнение, которым пьезоэлектрический или магнитострикционный привод герметично изолирован от контакта с топливом, имеет уплотнительную пластину, которая расположена между топливовпускным патрубком и приводом и имеет, по меньшей мере, один топливный канал для поступления топлива от топливовпускного патрубка к участку плотной посадки иглы на ее седло.

Преимущество предлагаемой в изобретении клапанной форсунки состоит по сравнению с известной клапанной форсункой в том, что она благодаря простому техническому решению имеет недорогую в изготовлении, характеризующуюся низким износом, не имеющую трущихся частей и значительно более компактную конструкцию. Кроме того, предлагаемый в изобретении принцип уплотнения не зависит от конструктивного исполнения иглы и может, таким образом, использоваться в самых разнообразных клапанных форсунках.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения уплотнительную пластину предпочтительно выполнять круглой, что допускает ее простую установку в клапанную форсунку без необходимости выполнять в ней отверстие под резьбу с круглым радиальным поперечным сечением.

В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения уплотнительная пластина предпочтительно имеет, по меньшей мере, один углубленный радиально проточный сегмент, образованный выемкой, соответственно канавкой и служащий для направленной подачи топлива. Тем самым часть топливопровода оказывается интегрированной в такую уплотнительную пластину, что позволяет использовать меньшее количество отдельных деталей и сделать конструкцию клапанной форсунки более компактной.

В другом варианте осуществления изобретения уплотнительная пластина имеет пластину-основание и прилегающую к ней распорную шайбу, при этом пластина-основание выполнена цилиндрической формы, а распорная шайба имеет, по меньшей мере, одну радиальную канавку, образующую топливный канал. Благодаря этому имеющую простую форму и поэтому недорогую в изготовлении пластину-основание можно вставлять в клапанную форсунку независимо от остальных элементов уплотнительной пластины. Еще одно преимущество этого варианта выполнения клапанной форсунки состоит в том, что отдельная установка распорной шайбы позволяет задавать радиальную ориентацию топливных каналов независимо от остальных компонентов уплотнительной пластины, что прежде всего упрощает точную регулировку ориентации топливных каналов.

В следующем варианте осуществления изобретения уплотнительная пластина предпочтительно имеет, по меньшей мере, одно отверстие, сквозь которое к приводу пропущен, по меньшей мере, один электрический подводящий проводник и которое герметично изолировано от контакта с топливом. Тем самым уплотнительную функцию по защите электрического подводящего проводника от его контакта с топливом берет на себя уплотнительная пластина, что позволяет отказаться от дополнительного уплотнения и получить в результате более компактную конструкцию. Указанное отверстие предпочтительно герметично изолировать от контакта с топливом круговым сварным швом. Благодаря этому обеспечивается простое и недорогое, но вместе с тем способное выдерживать механическую нагрузку уплотнение электрического подводящего проводника для его защиты от контакта с топливом.

В качестве одного из элементов уплотнения для герметизации привода предпочтительно использовать стаканообразный упруго деформируемый кожух, соединенный с уплотнительной пластиной таким образом, что привод со всех сторон герметично закрыт этим кожухом и уплотнительной пластиной. Такая конструкция уплотнения не только обеспечивает наиболее простую установку привода в это уплотнение, но и допускает при необходимости возможность помещения привода в это уплотнение еще до его установки в клапанную форсунку. Благодаря этому обеспечивается также более эффективный контроль уплотнения на герметичность.

Уплотнительную пластину предпочтительно соединять с кожухом привода неразъемным соединением, предпочтительно сварным соединением. В результате получают уплотнение, которое способно выдерживать механические нагрузки, отличается надежностью в работе в течение длительного срока эксплуатации, является недорогим и не подвержено износу.

В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения стаканообразный упруго деформируемый кожух привода имеет гофрированный, упруго растягиваемый в осевом направлении участок, радиально охватывающий привод. Благодаря такому конструктивному исполнению обеспечивается большой ход привода внутри кожуха.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения стаканообразный упруго деформируемый кожух привода образует вместе с уплотнительной пластиной герметичную камеру, способную выдерживать повышенное давление топлива. За счет этого удается исключить воздействие на привод повышенного давления топлива.

Предпочтительно далее, чтобы привод воздействовал на иглу через его стаканообразный упруго деформируемый кожух. Благодаря этому привод герметично защищен и от контакта с топливом, которое может просачиваться в зоне подвижной иглы.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере нескольких вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые упрощенные чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичное изображение в осевом сечении предлагаемой в изобретении клапанной форсунки, выполненной по одному из вариантов, с приводом, который герметично изолирован от контакта с топливом соответствующим уплотнением,

на фиг.2 - вид спереди уплотнительной пластины, использованной в показанном на фиг.1 варианте выполнения форсунки и имеющей углубленные радиально проточные сегменты,

на фиг.3 - уплотнительная пластина в сечении плоскостью III-III по фиг.2,

на фиг.4 - вид спереди уплотнительной пластины, выполненной по другому варианту,

на фиг.5 - уплотнительная пластина в сечении плоскостью V-V по фиг.4 и

на фиг.6 - упрощенное изображение в горизонтальной проекции радиально проходящего участка топливовпускного патрубка, имеющегося в клапанной форсунке, показанной на фиг.1.

На фиг.1 в осевом сечении схематично показана предлагаемая в изобретении клапанная форсунка 1. Эта клапанная форсунка 1 предназначена прежде всего для непосредственного впрыскивания топлива, в частности бензина, в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) со сжатием рабочей смеси и принудительным зажиганием и представляет собой так называемую клапанную форсунку для непосредственного впрыскивания бензина. Однако предлагаемая в изобретении клапанная форсунка 1 может использоваться и в системах впрыскивания, работающих на ином принципе.

Клапанная форсунка 1 имеет переднюю корпусную деталь 2, заднюю корпусную деталь 3 и топливовпускной патрубок 4, которые вместе образуют корпус этой клапанной форсунки 1. В передней корпусной детали 2 расположен запорный элемент (затвор) 6, приводимый в действие иглой 5 и выполненный в рассматриваемом варианте за одно целое с ней. Запорный элемент 6 выполнен в форме усеченного конуса, расширяющегося в направлении струи впрыскиваемого топлива. Запорный элемент 6 взаимодействует с контактной поверхностью 8 седла 7 иглы с образованием в этом месте участка плотной посадки иглы на ее седло. Направляющими для иглы 5 при ее осевом перемещении служат направляющие элементы 9, 10, закрепленные в передней корпусной детали 2. В этих направляющих 9, 10 элементах имеются выемки 11а, 11b, 12a, 12b, обеспечивающие протекание топлива к седлу иглы.

Для управления клапанной форсункой 1 служит привод 13, который может быть выполнен в виде пьезоэлектрического или магнитострикционного привода. Привод 13 приводится в действие электрическим управляющим сигналом, подаваемым на него по контактному выводу 14 и электрическому подводящему проводнику 15. При срабатывании привод 13 удлиняется и воздействует тем самым на иглу 5, в результате чего запорный элемент 6 отходит от контактной поверхности 8 седла 7 иглы и освобождает проход через участок плотной

посадки иглы на ее седло. В результате через зазор, образовавшийся между запорным элементом 6 и контактной поверхностью седла 7 иглы, топливо выходит из топливной полости 16 клапанной форсунки 1 в не показанную камеру сгорания ДВС. Для возврата иглы 5 в исходное положение предусмотрена пружина 17 сжатия, которая одной стороной упирается в направляющий элемент 10, а другой стороной опирается на иглу 5.

Топливо поступает в форсунку по топливовпускному патрубку 4, который заделан, в частности залит, в заднюю корпусную деталь 3, которая выполнена, например, в виде отлитой под давлением пластмассовой детали и которая имеет электрический контактный вывод 14 и электрический подводящий проводник 15.

Для герметизации привода 13 во избежание его контакта с топливом служит уплотнение 18+19, состоящее из уплотнительной пластины 18 и стаканообразного упруго деформируемого кожуха 19 привода. Этот кожух 19 неразъемно соединен с уплотнительной пластиной 18 сварным соединением 20а, 20b. За счет этого привод 13 полностью герметизирован этим уплотнением 18+19, предотвращающим его контакт с топливом. Для подачи топлива от топливовпускного патрубка 4 к участку плотной посадки, образованному запорным элементом 6 и контактной поверхностью 8 седла иглы, уплотнительная пластина 18 имеет, по меньшей мере, одну углубленную выемку 21. Эта, по меньшей мере, одна выемка 21 уплотнительной пластины 18 закрыта радиально проходящим участком 30 топливовпускного патрубка 4, к которому уплотнительная пластина 18 прилегает своей обратной участку плотной посадки торцовой стороной с образованием, по меньшей мере, одного топливного канала 21'. Поток топлива протекает в этом топливном канале 21' в основном в радиальном направлении, изменяя свое направление на осевое у наружного периметра уплотнительной пластины 18. Для возможности осевого протекания топлива между гильзообразным, проходящим в осевом направлении участком 31 топливовпускного патрубка 4 и кожухом 19 привода предусмотрен еще один кольцевой топливной канал 21'', который продолжается в передней корпусной детали 2 между ее стенкой и кожухом 19 привода. Кожух 19 имеет гофрированный упруго растягивающийся участок 22, благодаря которому обеспечивается также большой ход привода 13. Уплотнительная пластина 18 имеет отверстие 23, сквозь которое пропущен электрический подводящий проводник 15, который проходит от контактного вывода 14 к приводу 13 и который герметично изолирован от контакта с топливом обозначенным на чертеже позициями 24а, 24b сварным швом, которым уплотнительная пластина 18 неразъемно соединена с топливовпускным патрубком 4.

Стаканообразный упруго деформируемый кожух 19 привода может быть выполнен в виде трубчатой прочной, т.е. способной выдерживать повышенное давление, гильзы, изготовленной предпочтительно из металла и радиально охватывающей привод 13, и образовывать тем самым вместе с уплотнительной пластиной 18 герметичную, т.е. способную выдерживать повышенное давление, камеру для защиты привода 13 от повышенного давления топлива.

Клапанная форсунка 1 может быть выполнена также в виде открывающейся внутрь клапанной форсунки 1, причем в этом случае направление хода привода 13 необходимо изменить на противоположное.

На фиг.2 показана предлагаемая в изобретении уплотнительная пластина 18, выполненная по первому варианту. Эта уплотнительная пластина 18 имеет три радиально расширяющиеся выемки 21а, 21b, 21с, по которым топливо проходит от топливовпускного патрубка 4 к участку плотной посадки иглы на ее седло. Выемки 21а, 21b, 21с в рассматриваемом примере расположены по окружности с угловым шагом в 120°.

На фиг.3 изображенная на фиг.2 уплотнительная пластина 18 показана в разрезе, на котором видна выемка 21а. Уплотнительная пластина 18 имеет радиально круговую соединительную поверхность 25, по которой эта уплотнительная пластина 18 может быть неразъемно соединена, предпочтительно сварным швом, например, с показанным на фиг.1 стаканообразным упруго деформируемым кожухом 19 привода.

На фиг.4 показан другой вариант выполнения уплотнительной пластины 18, которая состоит из двух частей, а именно из пластины-основания 26 и дистанционной, или распорной, шайбы 27. Эта распорная шайба 27 имеет распорные элементы 28а, 28b, 28с, которые отделены друг от друга радиально расширяющимися канавками 29а, 29b, 29с. Однако указанные распорные элементы 28а, 28b, 28с соединяются друг с другом в центральной части распорной шайбы 27. Поступление топлива от топливовпускного патрубка 4 к участку плотной посадки обеспечивается по канавкам 29а, 29b, 29с.

На фиг.5 уплотнительная пластина показана в сечении плоскостью V-V по фиг.4. Соединительная поверхность 25 образована в этом варианте выполнения боковой поверхностью цилиндрической пластины-основания 26.

На фиг.6 в горизонтальной проекции упрощенно показан радиально проходящий участок 30 топливовпускного патрубка 4 клапанной форсунки 1, показанной на фиг.1. При этом уже описанные выше элементы обозначены теми же позициями и повторно не рассматриваются. Уплотнительная пластина 18 имеет отверстия 23а, 23b, сквозь которые к приводу может быть подведен электрический подводящий проводник 15. Эти отверстия 23а, 23b герметично изолированы от контакта с топливом круговым сварным швом 24, которым уплотнительная пластина 18 соединена, например, с радиально проходящим участком 30 топливовпускного патрубка 4.

Объем настоящего изобретения не ограничен рассмотренными выше вариантами его осуществления. Так, в частности, возможно использование другого количества топливных каналов 21', иное выполнение выемок 21а, 21b, 21с, другое выполнение уплотняющей пластины 18, соединительной поверхности 25 и использование другого количества и отверстий 23а, 23b и иной их формы.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливовпрыскивающей аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет создать недорогую в изготовлении, характеризующуюся низким износом, не имеющую трущихся частей и значительно более компактную конструкцию. Клапанная форсунка, прежде всего клапанная форсунка для систем впрыскивания топлива двигателей внутреннего сгорания, имеет топливовпускной патрубок для подачи топлива, пьезоэлектрический или магнитострикционный привод, который герметично изолирован уплотнением от контакта с топливом, и запорный элемент, приводимый в действие приводом через иглу форсунки и взаимодействующий с контактной поверхностью седла иглы с образованием участка плотной посадки. Уплотнение имеет уплотнительную пластину, которая расположена между топливовпускным патрубком и приводом и имеет, по меньшей мере, один топливный канал для поступления топлива от топливовпускного патрубка к указанному участку плотной посадки. 10 з.п. ф-лы. 6 ил.

1. Клапанная форсунка (1), прежде всего клапанная форсунка для систем впрыскивания топлива двигателей внутреннего сгорания, имеющая топливовпускной патрубок (4) для подачи топлива, пьезоэлектрический или магнитострикционный привод (13), который герметично изолирован уплотнением (18+19) от контакта с топливом, и запорный элемент (6), приводимый в действие приводом (13) через иглу (5) форсунки и взаимодействующий с контактной поверхностью (8) седла иглы с образованием участка плотной посадки, отличающаяся тем, что уплотнение (18+19) имеет уплотнительную пластину (18), которая расположена между топливовпускным патрубком (4) и приводом (13) и имеет, по меньшей мере, один топливный канал (21', 21а-21с) для поступления топлива от топливовпускного патрубка (4) к указанному участку плотной посадки.2. Клапанная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что уплотнительная пластина (18) выполнена круглой.3. Клапанная форсунка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что уплотнительная пластина (18) имеет, по меньшей мере, один углубленный радиально проточный сегмент, образованный выемкой (21а, 21b, 21с), соответственно канавкой (29а, 29b, 29с).4. Клапанная форсунка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что уплотнительная пластина (18) имеет пластину-основание (26) и прилегающую к ней распорную шайбу (27), при этом пластина-основание (26) выполнена цилиндрической формы, а распорная шайба (27) имеет, по меньшей мере, одну радиальную канавку (29а, 29b, 29с), образующую топливный канал (21').5. Клапанная форсунка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что уплотнительная пластина (18) имеет, по меньшей мере, одно отверстие (23, 23a, 23b), сквозь которое к приводу (13) пропущен, по меньшей мере, один электрический подводящий проводник (15) и которое герметично изолировано от контакта с топливом.6. Клапанная форсунка по п.5, отличающаяся тем, что указанное отверстие (23, 23а, 23b) герметично изолировано от контакта с топливом круговым сварным швом (24, 24а, 24b).7. Клапанная форсунка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что уплотнение (18+19) имеет стаканообразный упругодеформируемый кожух (19) привода, соединенный с уплотнительной пластиной (18) таким образом, что привод (13) со всех сторон герметично закрыт этим кожухом (19) и уплотнительной пластиной (18).8. Клапанная форсунка по п.7, отличающаяся тем, что уплотнительная пластина (18) соединена с кожухом (19) привода неразъемным соединением, предпочтительно сварным соединением (20а, 20b).9. Клапанная форсунка по п.7 или 8, отличающаяся тем, что стаканообразный упругодеформируемый кожух (19) привода имеет гофрированный, упругорастягиваемый в осевом направлении участок (22), радиально охватывающий привод (13).10. Клапанная форсунка по любому из пп.7-9, отличающаяся тем, что стаканообразный упругодеформируемый кожух (19) привода образует вместе с уплотнительной пластиной (18) герметичную камеру, способную выдерживать повышенное давление топлива.11. Клапанная форсунка по любому из пп.7-10, отличающаяся тем, что привод (13) воздействует на иглу (5) через его стаканообразный упругодеформируемый кожух.