УСТРОЙСТВО ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2005 года по МПК F02M51/06 

Настоящее изобретение относится к устройствам впрыскивания топлива под высоким или сверхвысоким давлением через распылители, называемые также инжекторами или форсунками. Такие устройства имеют управляющий процессом впрыскивания золотник, а также выступающий в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) распылитель с расположенной в нем иглой. Для управления такими устройствами впрыскивания их обычно оснащают электромагнитными клапанами, обеспечивающими высокую скорость срабатывания.

Из уровня техники известны используемые для ДВС устройства впрыскивания, которые могут быть оснащены многолинейными распределителями. Из публикации DE 19755062 А1 известно устройство впрыскивания жидкости под высоким давлением через распылитель, рассматриваемое в качестве ближайшего аналога изобретения. В корпусе этого известного устройства выполнены подводящая линия высокого давления и безнапорная сливная линия. Сам указанный корпус соединен с общим аккумулятором высокого давления, а для управления распылителем предусмотрен электромагнитный клапан. Электромагнитные клапаны, обычно использующиеся для управления такими устройствами впрыскивания, обеспечивают исключительно высокую скорость срабатывания. Поскольку в устройствах впрыскивания в определенных случаях создается давление, достигающее 1600 бар, что необходимо для впрыскивания топлива в дизельные двигатели с исключительно высокой степенью сжатия, возникают потери топлива от утечки, просачивающегося между поверхностями совершающих относительные движения элементов, а также через те детали, которые отделяют полости сверхвысокого давления от полостей с более низким по сравнению с ними давлением. Подобные утечки топлива происходят в промежутках между отдельными процессами впрыскивания и могут возникать, например, из-за не абсолютно плотного перекрытия соответствующих отверстий иглой распылителя и золотником. Попадание топлива в результате утечки в камеру сгорания цилиндра ДВС может привести к возникновению так называемого эффекта "подвпрыскивания", заключающегося в самопроизвольной работе двигателя после выключения зажигания, когда, например, топливо продолжает поступать в камеру сгорания из-за просачивания сквозь отверстие, перекрываемое иглой распылителя, выступающего в камеру сгорания. Утечка топлива может происходить и с другой стороны устройства впрыскивания, например через электромагнитный клапан, выполненный в виде двухлинейного двухпозиционного распределителя (2/2-распределителя).

Для решения этой проблемы предлагается усовершенствованное устройство впрыскивания жидкости под высоким давлением через распылитель. Как у ближайшего аналога, в корпусе предлагаемого устройства выполнены подводящая линия высокого давления и безнапорная сливная линия, сам корпус соединен с общим аккумулятором высокого давления, а для управления распылителем предусмотрен электромагнитный клапан. Отличие предлагаемого устройства от ближайшего аналога заключается в том, что в корпус вставлена подвижная втулка, с одним из торцов которой взаимодействует клапан, а второй ее торец ограничивает управляющую камеру, в которой оканчивается ответвление от отверстия подводящей линии высокого давления.

В частных вариантах конструкции устройства дополнительные преимущества можно получить, используя следующие признаки. На ближнем к электромагнитному клапану конце втулки может быть выполнено служащее дросселем отверстие, диаметр которого может быть больше диаметра отверстия ответвления. Оканчивающееся у ближнего к управляющей камере конца втулки ответвление от отверстия подводящей линии высокого давления может быть выполнено в виде дросселя.

Установленный со стороны ближнего к электромагнитному клапану конца втулки клапан может быть нагружен запорной пружиной. Зазор между корпусом и втулкой на участке между упором и ближним к управляющей камере торцом втулки может составлять менее 0,01 мм. Игла распылителя может прижиматься к ее седлу создаваемым в управляющей камере через ответвление давлением. Диаметр иглы на ее ближнем к управляющей полости конце может быть больше диаметра этой иглы у ее седла. Втулка может проходить через весь корпус устройства, а распылитель может быть позиционирован относительно корпуса с помощью центрирующего штифта.

Конструкция предлагаемого в изобретении устройства в случае его применения для впрыскивания топлива под сверхвысоким давлением позволяет эффективно воспрепятствовать утечке топлива между иглой распылителя и ее седлом в промежутках между отдельными процессами впрыскивания. При этом потери топлива от утечки, возникающие в зоне дросселя на расположенном со стороны электромагнитного клапана конце устройства впрыскивания, в основном представляют собой лишь потери топлива от утечки через электромагнитный клапан в регулируемом этим клапаном количестве, при этом подобное топливо по сливной линии может отводиться обратно в топливный бак. Когда в устройстве впрыскивания отсутствует преобладающее в остальной системе давление, установленная на электромагнитном клапане запорная пружина эффективно поджимает втулку и иглу в сторону ее седла и тем самым обеспечивает надежное перекрытие распылительного отверстия, оканчивающегося в камере сгорания. Когда же устройство впрыскивания нагружено преобладающим в системе давлением, высоким давлением топлива, поступающего под сверхвысоким давлением через предусмотренное ответвление в управляющую камеру, нагружается и выступающий внутрь этой управляющей камеры торец иглы распылителя. Поскольку диаметр иглы на ее конце, расположенном со стороны управляющей камеры, больше диаметра этой иглы у ее седла, преобладающее в управляющей камере давление, действующее на указанный конец иглы, обеспечивает надежное уплотнение отверстия распылителя.

Падение давления в управляющей камере начинается только при подаче напряжения на установленный в корпусе устройства впрыскивания электромагнитный клапан. Подобное падение давления обеспечивается благодаря тому, что дроссельное отверстие, расположенное со стороны электромагнитного клапана, выполнено большего диаметра по сравнению с диаметром впускного дросселя, ведущего в управляющую камеру на противоположной стороне корпуса устройства впрыскивания. В результате давление в управляющей камере на участке между расположенным со стороны этой управляющей камеры торцом втулки и расположенным напротив него концом иглы распылителя снижается, и игла под действием высокого давления, все еще приложенного к ее перекрывающему распылительное отверстие концу, начинает перемещаться к указанному расположенному со стороны управляющей камеры торцу втулки, инициируя тем самым процесс впрыскивания. Процесс впрыскивания оканчивается за счет импульса давления, возникающего в осевом отверстии втулки при обесточивании электромагнитного клапана. Ударная волна, возникающая в осевом отверстии втулки после закрытия электромагнитного клапана, распространяется по этому отверстию вплоть до управляющей камеры и обеспечивает практически мгновенное прижатие иглы к ее седлу на расположенном со стороны камеры сгорания конце распылителя. Подобное скачкообразное повышение давления, называемое также гидравлическим ударом, воздействует на обращенный к управляющей камере конец иглы, диаметр которого больше диаметра иглы со стороны ее седла. В результате такого скачкообразного повышения давления во втулке игла настолько быстро перекрывает отверстие распылителя, что утечки топлива по существу ограничены только его утечкой через электромагнитный клапан в регулируемом этим клапаном количестве.

Дополнительное преимущество предлагаемого в изобретении решения состоит в том, что устройство впрыскивания имеет минимально возможное количество деталей, которыми по существу являются распылитель, распределитель, втулка и корпус.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - продольное сечение корпуса устройства впрыскивания, который с входной стороны соединен с аккумулятором высокого давления, а с выходной стороны - с топливным баком, и

на фиг.2 - увеличенное изображение управляющей камеры, расположенной между проходящей сквозь корпус втулкой и иглой распылителя.

На фиг.1 в продольном разрезе показано устройство впрыскивания (называемое также форсункой или инжектором), корпус которого с входной стороны соединен с общим аккумулятором высокого давления ("common rail"), a через безнапорную сливную линию сообщается с топливным баком.

Внутри корпуса 1 этого устройства в его осевом направлении проходит сквозное отверстие, в которое вставлена втулка 2. Эта втулка 2 в свою очередь имеет осевое отверстие 17 и имеет два участка различных диаметров с различными зазорами относительно корпуса. На первом 4 из этих участков, проходящем в корпусе 1 от расположенного в верхней части и служащего дросселем выпускного отверстия 16 до расположенного со стороны распылителя 5 конического посадочного упора 11, зазор между втулкой 2 и этим корпусом 1 составляет более 0,01 мм, а диаметр отверстия 17 в проходящей в осевом направлении втулке составляет около 1,5 мм.

На втором 3 из указанных участков различных диаметров, проходящем от конического посадочного упора 11 до торца втулки 2, зазор между последней и корпусом практически отсутствует, а именно, составляет менее 0,01 мм, что предъявляет исключительно высокие требования к точности изготовления втулки 2 и прежде всего к ее круглости (отсутствию радиального биения) и качеству обработки.

На выступающем в камеру сгорания ДВС участке корпуса 1, в котором установлена втулка 2, расположен распылитель 5, в котором в свою очередь расположена игла 8. Для центрирования этого распылителя 5 относительно корпуса 1 можно использовать показанный прерывистой линией центрирующий штифт 25 (фиг.2), при этом наряду с подобным центрирующим штифтом 25 для центрирования, соответственно позиционирования распылителя могут использоваться и иные центрирующие элементы и приспособления. В верхней части корпуса 1 имеется выполненный в виде электромагнитного клапана 6 2/2-распределитель. Этот электромагнитный клапан 6 воздействует на шариковый клапан 15, который расположен над установленной в корпусе 1 втулкой 2 и перекрывает дроссельное отверстие 16 последней. Управление электромагнитным клапаном 6 осуществляет блок 19 управления, соединенный с этим клапаном 6, что схематично отражено на фиг.1.

Подаваемое на впрыскивание топливо поступает в корпус 1 по подводящей линии (трубопроводу) 20 под сверхвысоким давлением более 1600 бар. Через эту подводящую линию 20 высокого давления, отходящую от аккумулятора 22 высокого давления ("common rail"), этот аккумулятор 22 высокого давления через его выходное подводящее отверстие 20.1 сообщается с примыкающим к последнему отверстием 20.2 в корпусе 1. Отбираемое из топливного бака 24 топливо нагнетается в аккумулятор 22 высокого давления, от которого отходят отдельные проходящие к различным инжекторам подводящие линии 20 высокого давления, насосом 23 высокого давления. В рассматриваемом варианте выполнения аккумулятор 22 высокого давления ("common rail") может обеспечивать подачу находящегося под сверхвысоким давлением топлива, например, к четырем инжекторам, установленным на ДВС. Очевидно, что от аккумулятора 22 высокого давления аналогичным образом могут отходить также шесть или восемь линий к шести, соответственно восьми инжекторам, если ДВС выполнен шести-, соответственно восьмицилиндровым.

В верхней части корпуса 1 установлен, как уже указывалось выше, электромагнитный клапан 6, который в обесточенном состоянии перекрывает через шариковый клапан 15 служащее дросселем выпускное отверстие 16 втулки 2, соответственно при подаче на него напряжения открывает этот дроссель. При открытии электромагнитным клапаном 6 выпускного отверстия 16 топливо в некотором, задаваемом этим клапаном количестве попадает через указанное отверстие 16 проходящей в осевом направлении втулки 2 в имеющуюся над седлом шарикового клапана 15 полость, в которой установлена запорная пружина 7. Это топливо в регулируемом электромагнитном клапаном количестве через отверстие 18 по безнапорной выпускной линии, выполненной в корпусе 1 в виде отдельного отверстия, поступает обратно в топливный бак 24, при этом подобное топливо, сливаемое обратно в бак в регулируемом электромагнитным клапаном количестве, в этом отношении не "теряется" бесполезно, поскольку в последующем оно вновь может поступать в тот контур системы впрыскивания, который обеспечивает подачу топлива на впрыскивание.

Для закрытия распылителя 5 в зоне седла 9 его иглы служит установленная между электромагнитным клапаном 6 и шариковым клапаном 15 пружина 7, которая поджимает этот шариковый клапан к его седлу на выходе служащего дросселем выпускного отверстия 16, выполненного на верхнем конце вставленной в корпус 1 втулки 2. В нижней части корпуса 1 выполнена управляющая (распределительная) камера 12 иглы распылителя, показанная в увеличенном масштабе на фиг.2.

Эта управляющая камера 12 с одной стороны ограничена расположенным с ее стороны торцом втулки 2, а с другой стороны ограничена дальним от распылительного отверстия концом иглы 8. В управляющей камере 12 оканчивается ответвление 13 от отверстия 20.2 подводящей линии высокого давления, проходящего сквозь корпус 1 от выходного подводящего отверстия 20.1. Это отверстие 20.2 подводящей линии высокого давления проходит сквозь корпус 1 к распылителю 5, для центрирования которого относительно этого корпуса 1 используется, например, центрирующий штифт 25. Игла 8 распылителя выполнена на ее конце большего диаметра 14 по сравнению с ее диаметром в зоне седла 9 (ср. фиг.1).

Ниже более подробно рассмотрен принцип работы предлагаемого в изобретении устройства впрыскивания, конструкция которого показана на фиг.1 и 2.

До тех пор, пока 2/2-распределитель, выполненный предпочтительно в виде быстродействующего электромагнитного клапана, остается в обесточенном состоянии, а в корпусе 1 отсутствует создаваемое в системе давление, т.е. высокое давление, преобладающее в аккумуляторе 22 высокого давления, расположенная над шариковым клапаном 15 запорная пружина 7 поджимает подвижную в корпусе 1 втулку 2 в сторону седла 9 иглы. В результате игла 8 остается прижатой к своему седлу 9, перекрывая тем самым ведущее в камеру сгорания распылительное отверстие и препятствуя нежелательному выходу топлива, т.е. предотвращая "подвпрыскивание" топлива в камеру сгорания.

После пуска ДВС топливо начинает поступать под высоким, преобладающим в аккумуляторе 22 высокого давления давлением более 1600 бар в устройство впрыскивания, попадая через выходное подводящее отверстие 20.1 в выполненное в корпусе 1 отверстие 20.2 подводящей линии. При этом давление топлива возрастает, с одной стороны, у седла 9 иглы, а с другой стороны, в управляющей камере 12 благодаря наличию ответвления 13, выполняющего функцию впускного дросселя. Поскольку диаметр 14 входящего в эту управляющую камеру 12 конца иглы 8 больше диаметра последней у ее седла 9, создаваемое в управляющей камере 12 запирающее усилие превышает противодействующее ему обусловленное гидравлическим давлением усилие, создаваемое у седла 9 иглы, в результате чего ведущее в камеру сгорания отверстие распылителя 5 остается закрытым.

При подаче от блока 19 управления на электромагнитный клапан 6 управляющего сигнала, приводящего к срабатыванию последнего, шариковый клапан 15 открывает выполняющее функцию выпускного дросселя отверстие 16 с в верхней стороны вставленной в корпус 1 втулки 2. Размеры этого отверстия 16 больше размеров ответвления 13, которое отходит от отверстия 20.2 подводящей линии высокого давления и которое оканчивается в управляющей камере 12 и выполняет функцию дросселя. В результате открытия отверстия 16 давление в управляющей камере 12 начинает снижаться, что сопровождается перемещением концевого участка иглы 8 в сторону торца 10 втулки 2. При этом игла 8 приподнимается от своего седла 9, открывая распылительное отверстие, что сопровождается началом впрыскивания топлива в камеру сгорания ДВС. Впрыскивание топлива заканчивается при обесточивании блоком 19 управления электромагнитного клапана 6. В результате шариковый клапан 15 перекрывает служащее дросселем выпускное отверстие 16, и топливо в регулируемом электромагнитным клапаном количестве поступает через полость установки запорной пружины 7 и отверстие 18 по безнапорной сливной линии обратно в топливный бак 24.

Поскольку диаметр отверстия 17 втулки 2, проходящей через корпус 1, меньше 1,5 мм, поток движущегося с высокой скоростью топлива создает в этом отверстии 17 сильную ударную волну, приводящую к скачкообразному повышению давления в управляющей камере 12. Подобное скачкообразно повышающееся давление воздействует на концевой участок иглы 8, в частности на его торец 14, и перемещает эту иглу в сторону ее седла 9. Такое скачкообразно повышающееся в управляющей камере 12 за счет "эффекта гидравлического удара" давление больше продолжающего действовать на иглу у ее седла 9 высокого давления в подводящей линии 20 высокого давления, проходящей от аккумулятора высокого давления, т.е. больше давления, преобладающего в этом аккумуляторе высокого давления ("common rail"). В результате такого эффекта, происходящего в корпусе 1, ведущее в камеру сгорания отверстие распылителя закрывается.

Описанное выше решение позволяет ограничить потери топлива от утечки только регулируемым электромагнитным клапаном количеством, поскольку обеспечивается надежное уплотнение распылителя 5 на участке расположения ведущего в камеру сгорания отверстия этого распылителя 5. При этом топливо в регулируемом электромагнитным клапаном количестве сливается обратно в топливный бак 24, а не теряется бесполезно и в последующем может вновь подаваться на впрыскивание. В результате удается значительно повысить к.п.д. предлагаемого в изобретении устройства впрыскивания (инжектора) с использованием для этой цели минимально необходимого количества деталей.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, устройствам впрыскивания топлива под высоким или сверхвысоким давлением в двигателях внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить эффективность впрыскивания, исключить подвпрыскивание и упростить конструкцию устройства. Устройство впрыскивания жидкости под высоким давлением через распылитель содержит корпус, в котором выполнены подводящая линия высокого давления и безнапорная сливная линия. Корпус соединен с общим аккумулятором высокого давления, и для управления распылителем предусмотрен электромагнитный клапан. В корпус вставлена подвижная втулка, с одним из торцов которой взаимодействует клапан, а второй ее торец ограничивает управляющую камеру, в которой оканчивается ответвление от отверстия подводящей линии высокого давления. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство впрыскивания жидкости под высоким давлением через распылитель (5), при этом в корпусе (1) этого устройства выполнены подводящая линия (20) высокого давления и безнапорная сливная линия (18), а сам указанный корпус соединен с общим аккумулятором (22) высокого давления, и для управления распылителем (5) предусмотрен электромагнитный клапан (6), отличающееся тем, что в корпус (1) вставлена подвижная втулка (2), с одним из торцов которой взаимодействует клапан (6, 15), а второй ее торец (10) ограничивает управляющую камеру (12), в которой оканчивается ответвление (13) от отверстия (20.2) подводящей линии высокого давления.2. Устройство впрыскивания по п.1, отличающееся тем, что на ближнем к электромагнитному клапану конце втулки (2) выполнено служащее дросселем отверстие (16).3. Устройство впрыскивания по п.1, отличающееся тем, что оканчивающееся у ближнего к управляющей камере конца втулки (2) ответвление (13) от отверстия (20.2) подводящей линии высокого давления выполнено в виде дросселя.4. Устройство впрыскивания по п.2, отличающееся тем, что диаметр отверстия (16) втулки (2) больше диаметра отверстия ответвления (13).5. Устройство впрыскивания по п.1, отличающееся тем, что установленный со стороны ближнего к электромагнитному клапану конца втулки (2) клапан (15) нагружен запорной пружиной (7).6. Устройство впрыскивания по п.1, отличающееся тем, что зазор между корпусом (1) и втулкой (2) на участке между упором (11) и ближним к управляющей камере торцом (10) втулки (2) составляет менее 0,01 мм.7. Устройство впрыскивания по п.1, отличающееся тем, что игла (8) распылителя прижимается к ее седлу (9) создаваемым в управляющей камере (12) через ответвление (13) давлением.8. Устройство впрыскивания по п.1, отличающееся тем, что диаметр (14) иглы (8) на ее ближнем к управляющей полости конце больше диаметра этой иглы (8) у ее седла (9).9. Устройство впрыскивания по п.1, отличающееся тем, что втулка (2) проходит через весь корпус (1).10. Устройство впрыскивания по п.1, отличающееся тем, что распылитель (5) позиционирован относительно корпуса (1) с помощью центрирующего штифта (25).