УПРАВЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ ВПРЫСКИВАНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F02M59/46 

Настоящее изобретение относится к управляющему элементу для системы впрыскивания. Такой подвижный управляющий элемент, который управляет началом подачи и окончанием подачи жидкости в соответствующие инжекторы, имеется в насосах высокого давления с гидроприводом. Перестановка управляющего элемента из одного положения в другое при поступлении управляющего воздействия, т.е. время его срабатывания, происходит в течение исключительно короткого интервала времени, составляющего менее 2 мс. Длина хода управляющего элемента превышает 0,3 мм.

В системах впрыскивания, в которых несколько устройств впрыскивания (инжекторов) сообщаются с общим аккумулятором высокого давления ("Common Rail"), или в насосах высокого давления с гидравлическим приводом часто возникает необходимость в исключительно быстрой перестановке управляющего элемента из одного положения в другое, т.е. время его срабатывания, соответственно, продолжительность операции управления его возвратно-поступательным перемещением должны быть исключительно короткими. При этом требуемое время срабатывания может не превышать 2 мс, для чего в небольших гидравлических узлах или устройствах, т.е. узлах или устройствах с очень малым проходным сечением, достаточно использовать непосредственное управление перемещением управляющего элемента с помощью электромагнитного привода.

Подобное непосредственное управление перемещением управляющего элемента с помощью электромагнитного привода можно использовать в тех узлах или устройствах с малым проходным сечением, в которых, например, можно предусмотреть трехходовой двухпозиционный распределитель с длиной хода его управляющего элемента (золотника) менее 0,3 мм. При необходимости же обеспечить большую длину хода управляющего элемента непосредственное управление перемещением подобного выполненного в виде золотника управляющего элемента с помощью электромагнитного привода приближается к пределам своих возможностей.

Ближайшим к изобретению по технической сущности является известный из DE 19738397 управляющий элемент для системы впрыскивания, оснащенной аккумулятором высокого давления, соединенным подводящей линией высокого давления с корпусом, внутри которого установлен этот управляющий элемент и который имеет безнапорную сливную линию, проходящую к резервуару, и соединительную линию, ведущую к устройствам впрыскивания. В системе впрыскивания, известной из DE 19738397, имеется инжектор, попеременно подающий в нагнетательную полость системы впрыскивания топливо и вспомогательную жидкость.

Еще одна возможность состоит в использовании сервоуправления перемещениями золотника, которое, однако, технически может быть реализовано лишь при условии, что длина хода управляющего элемента, необходимая для взаимного перекрытия управляющих кромок, не должна превышать вышеуказанных предельных значений. В этом случае также справедливо описанное выше ограничение, заключающееся в том, что сервоуправление допустимо использовать преимущественно только в небольших узлах или устройствах с малыми проходными сечениями, когда необходимое для перемещения управляющего элемента перестановочное усилие сопоставимо с приводным усилием, которое могут развить соответствующие серводвигатели. Однако дизельные двигатели большой мощности, в которых необходимо использовать исполнительные устройства с большим проходным сечением, характеризуются более высоким расходом жидкости, а также связанными с этим более высокими перестановочными усилиями, которые необходимы для перемещения золотника и которые уже невозможно обеспечить только с помощью серводвигателей или исключительно за счет управления перемещениями золотника с помощью электромагнитного привода.

В свете рассмотренных выше проблем уровня техники в соответствии с изобретением для повышения динамических характеристик управляющего элемента предлагается выполнить управляющий элемент таким образом, чтобы приводящее к закрытию подводящей линии высокого давления взаимное перекрытие расположенных на входной стороне управляющих кромок осуществлялось за счет срабатывания приводных устройств и за счет разжимания энергоаккумулятора, взаимодействующего с управляющим элементом.

Предлагаемое в изобретении решение, которое, в частности, может использоваться и в дизельных двигателях большой мощности, позволяет осуществлять непосредственное электронное управление клапанным узлом с большим проходным сечением. Поскольку в подобных клапанных узлах преобладает высокое давление жидкости, для перемещения управляющего элемента требуются высокие перестановочные усилия, которые позволяет обеспечить предлагаемое в изобретении решение, предусматривающее использование энергоаккумуляторов. Предлагаемое в изобретении решение позволяет, таким образом, существенно ускорить установочное перемещение управляющего элемента в больших узлах, характеризующихся большей длиной хода управляющего элемента, и позволяет быстрее развивать необходимое запирающее усилие, при этом степень взаимного перекрытия управляющих кромок на управляющем элементе и корпусе, в который он заключен, можно подобрать такой, чтобы обеспечить эффективное уплотнение подводящей линии высокого давления относительно безнапорной сливной линии.

Благодаря нагружению расположенного с входной стороны конца управляющего элемента усилием опирающегося на корпус энергоаккумулятора, способствующим перемещению этого управляющего элемента в направлении закрытия, повышается надежность работы всей системы, например при исчезновении питающего напряжения. Параметры энергоаккумулятора, взаимодействующего с расположенным на входной стороне концом управляющего элемента и выполненного, например, в виде винтовой пружины, подобраны с таким расчетом, чтобы при исчезновении напряжения на одном из приводных устройств в любом случае обеспечить перекрытие подводящей линии высокого давления. Для ограничения хода регулирующего элемента, управляющего открытием, соответственно закрытием, подводящей линии высокого давления и безнапорной сливной линии, в отверстии корпуса, в котором установлен этот управляющий элемент, предусмотрены упоры, позволяющие ограничить усилие предварительного сжатия энергоаккумуляторов.

Предлагаемый в изобретении управляющий элемент, выполненный, например, в виде золотника, может управлять подачей топлива в форсунку, предназначенную для впрыскивания топлива в камеру сгорания под очень высоким давлением, или же может служить для подачи жидкости в гидравлический поршневой насос. Выполнение управляющего элемента согласно изобретению в виде регулирующей системы, в которой предусмотрено использование энергоаккумулятора, позволяет обеспечить минимальное время срабатывания этого элемента при сравнительно длинном ходе. Сократить время срабатывания управляющего элемента удается, в частности, благодаря тому, что перемещение управляющего элемента, начинающееся при срабатывании одного из приводных устройств, ускоряется энергоаккумулятором, взаимодействующим с соответствующим концом этого управляющего элемента, и тем самым сокращается время перестановки последнего. Энергоаккумуляторы, выполненные предпочтительно в виде винтовых пружин, которые могут быть расположены параллельно или последовательно, позволяют при их соответствующим образом подобранных параметрах повысить надежность работы всей системы при нарушении электропитания за счет того, что такой энергоаккумулятор, способствующий перекрытию подводящей линии высокого давления, позволяет прикладывать к расположенному с входной стороны концу управляющего элемента, выполненного в виде золотника, повышенное запирающее усилие и принудительно перемещать тем самым последний в закрытое положение.

В частных вариантах конструкции управляющего элемента могут быть предусмотрены цилиндрические запорные элементы, на которых могут быть выполнены управляющие кромки и которые могут взаимодействовать с выполненными на корпусе управляющими кромками. В этом случае соединительная линия, ведущая к устройствам впрыскивания, может отходить от полости, расположенной между управляющими кромками золотника.

Предпочтительно, чтобы максимальная степень открытия подводящей линии высокого давления и безнапорной сливной линии была ограничена упорами, предусмотренными в отверстии для ограничения хода этого управляющего элемента. Может также быть предусмотрена возможность независимого управления каждым из приводных устройств, расположенных напротив соответствующих концов управляющего элемента, с помощью блока управления. В этом случае приводные устройства могут быть выполнены в виде электромагнитов.

Закрытие управляющим элементом подводящей линии высокого давления и открытие им безнапорной сливной линии после срабатывания приводных устройств может осуществляться против усилия, создаваемого энергоаккумулятором, расположенным на входной или выходной стороне.

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

на фиг.1 - устройство трехходового двухпозиционного распределителя (3/2-распределителя) со взаимодействующими с управляющим элементом электроприводными устройствами,

на фиг.2 - схематичное изображение клапанной форсунки, соединяемой соответствующей линией с корпусом 3/2-распределителя, и

на фиг.3 - насос высокого давления с гидроприводом.

В показанном на фиг.1 варианте выполнения 3/2-распределитель имеет управляющий (распределительный) элемент, перемещаемый двумя приводными устройствами с индивидуальным управлением каждым из них.

В корпусе 6 3/2-распределителя установлен выполненный в виде золотника управляющий элемент 1. На каждом из концов управляющий элемент 1 имеет поверхности, расположенные напротив приводных устройств 2, 3. Эти приводные устройства 2, 3 предпочтительно выполнены в виде электромагнитов с электрическим управлением, каждым из которых независимо друг от друга может управлять блок 15 управления. Напротив этих приводных устройств 2, 3, предпочтительно выполненных в виде электромагнитов, располагаются поверхности, диаметр которых больше диаметра управляющего элемента 1.

Выполненный в виде золотника управляющий элемент 1 установлен в отверстии 31 корпуса 6. Это отверстие 31, в котором расположен управляющий элемент 1, выполнено очень точным с соблюдением исключительно узких полей допуска на его размеры и форму с целью предельно снизить утечки жидкости, возникающие при относительном перемещении этих двух элементов. Управляющий элемент 1, поскольку он представляет собой подвижную деталь, предпочтительно выполнен из высококачественного материала, а корпус 6 3/2-распределителя может быть выполнен и из менее дорогого материала. Управляющий элемент 1 имеет цилиндрические запорные элементы 32, обращенные друг к другу торцы которых расположены на некотором расстоянии друг от друга. Эти цилиндрические запорные элементы 32 с одной стороны ограничивают полость 28 в отверстии 31 корпуса 6, а с другой стороны образуют кольцевые упорные поверхности под энергоаккумуляторы 4, соответственно 5, которые установлены соответственно на расположенных с входной и выходной сторон концах управляющего элемента 1. Эти энергоаккумуляторы 4, 5 предпочтительно выполнены в виде винтовых пружин. Для повышения прикладываемого к управляющему элементу 1 усилия, создаваемого усилием предварительного сжатия винтовых пружин, последние могут быть образованы набором пружин, например, с параллельной компоновкой в виде вставленных одна в другую пружин или же с последовательной компоновкой в виде расположенных одна за другой пружин. Вместо винтовых пружин в качестве устанавливаемых в отверстии 31 корпуса 6 энергоаккумуляторов 4, 5, создающих приложенную к управляющему элементу нагрузку, можно использовать и иные пружинные элементы, такие, например, как пружинные кольца или тарельчатые пружины.

В отверстии 31 предусмотрены кольцевые упорные поверхности 13, соответственно 14, ограничивающие ход управляющего элемента 1. Эти упоры 13, 14 могут быть образованы, например, запрессованными внутрь отверстия 31 кольцевыми элементами втулочного типа. Упоры 13, 14 установлены в отверстии 31 в таком положении, чтобы расположенный с входной стороны цилиндрический запорный элемент 32 открывал подводящую линию 7 высокого давления в результате смещения предусмотренной на корпусе управляющей кромки 17 относительно предусмотренной у золотника на этом запорном элементе 32 управляющей кромки 18 в сторону упора 14, а расположенный с выходной стороны цилиндрический запорный элемент 32 при его упоре в упорную поверхность 13, как это показано на фиг.1, открывал оканчивающуюся в резервуаре 21 безнапорную сливную линию 8, по которой в этот резервуар может сливаться избыток еще присутствующего в полости 28 топлива, соответственно моторного масла.

Как показано на фиг.1, выполненная в корпусе 6 подводящая линия 7 высокого давления соединяет этот корпус 6 с аккумулятором 12 высокого давления. В этом аккумуляторе 12 высокого давления ("Common Rail") насосом 23 высокого давления поддерживается высокое давление подаваемой в него из резервуара 21 жидкости, например топлива, при этом фактический уровень топлива в резервуаре 21 обозначен позицией 22. Безнапорная сливная линия 8, выходящая из корпуса 6, оканчивается непосредственно в резервуаре 21, обратно в который по этой сливной линии 8 отводится избыток топлива.

В системах впрыскивания топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в аккумуляторе 12 высокого давления постоянно поддерживается исключительно высокое давление топлива. В случае насоса высокого давления, подача жидкости в который также может осуществляться через подобный 3/2-распределитель, аккумулятор 12 высокого давления заполнен не топливом, а, например, минеральным маслом, в частности моторным маслом. Оба приводных устройства 2, 3 могут быть соединены друг с другом стяжками 26, соответственно 27, которые в свою очередь могут быть снабжены стопорными гайками 29 и которые позволяют тем самым надежно зажать оба этих приводных устройства 2, 3 путем их стягивания друг с другом.

Рабочий цикл предлагаемого в изобретении 3/2-распределителя начинается с подачи по управляющим линиям 30 на приводные устройства 2,3, предпочтительно выполненные в виде электромагнитов, управляющих сигналов от блока 15 управления. Так, например, в показанном на фиг.1 положении управляющего элемента 1 на расположенное с входной стороны приводное устройство 2 подается такой управляющий сигнал, что это приводное устройство отталкивает обращенную к нему поверхность управляющего элемента 1, тогда как расположенное с выходной стороны приводное устройство 3 притягивает обращенную к нему поверхность этого управляющего элемента 1. В результате вход в подводящую линию 7 высокого давления закрывается за счет взаимного перекрытия управляющих кромок, т.е. управляющей кромки 17 на корпусе и управляющей кромки 18 на золотнике, чему также способствует разжатие расположенного на входной стороне энергоаккумулятора 4. При нахождении управляющего элемента 1 в показанном на фиг.1 положении его установочного перемещения топливо или моторное масло поступает в питающую линию 9, а после соединения полости 28 с безнапорной сливной линией 8 избыток топлива или при определенных условиях моторного масла, что зависит от конкретной системы, может перетекать обратно в резервуар 21.

При движении управляющего элемента 1 в обратном направлении на расположенное с выходной стороны приводное устройство 3 подается такой управляющий сигнал, что это приводное устройство отталкивает обращенную к нему поверхность управляющего элемента 1. При этом блок 15 управления может подавать на расположенное на входной стороне приводное устройство 2 такой управляющий сигнал, чтобы последнее притягивало обращенную к нему расположенную на входной стороне поверхность управляющего элемента 1. В результате управляющий элемент 1 перемещается в направлении подводящей линии 7 высокого давления, закрывая вследствие взаимного перекрытия управляющей кромки 20 на корпусе и предусмотренной на цилиндрическом запорном элементе 32 управляющей кромки вход в сливную линию 8. При этом расположенный с входной стороны энергоаккумулятор 4 сжимается до тех пор, пока расположенный с входной стороны цилиндрический запорный элемент 32 не упрется в упор 14. Подобному перемещению, сопровождающемуся перекрытием входа в сливную линию 8, способствует усилие расположенного с выходной стороны энергоаккумулятора 5, который при этом разжимается.

За период времени, который проходит с момента перекрытия подводящей линии 7 высокого давления и до момента открытия входа в сливную линию 8, в питающую линию 9 под давлением кратковременно поступает только заключенная в объем полости 28 жидкость, которая по этой питающей линии 9 поступает далее в соединенные с корпусом 6 3/2-распределителя устройства впрыскивания.

Цилиндрические запорные элементы 32 расположены соосно продольной оси 25 управляющего элемента 1. На торцах этих цилиндрических запорных элементов 32 можно выполнить управляющие кромки, ограничивающие в зависимости от конкретного устройства впрыскивания, в которое под давлением необходимо подавать жидкость, количество впрыскиваемого топлива или моторного масла, при этом определение соответствующих параметров (размеров, формы, взаимного расположения и т.п.) подобных управляющих кромок является простой и не связанной со значительными затратами процедурой. Степень взаимного перекрытия пар управляющих кромок 17, 18, соответственно 19, 20, позволяет обеспечить не только точное дозирование впрыскиваемых количеств жидкости, но и эффективное уплотнение между подвижными друг относительно друга элементами (т.е. между управляющим элементом и стенкой отверстия, в котором он установлен) для минимизации утечек жидкости. Объем заключенного в полости 28 топлива, соответственно моторного масла, можно точно отрегулировать на заданное значение за счет придания соответствующего диаметра тому участку управляющего элемента 1, который соединяет между собой цилиндрические запорные элементы 32.

На фиг.2 схематично показана форсунка 10 в качестве устройства впрыскивания, соединенного с питающей линией. Распылитель такой форсунки с распылительным отверстием 35, открытием и закрытием которого управляет игольчатый затвор распылителя, выступает в камеру сгорания ДВС. В другом варианте устройством впрыскивания может служить схематично показанный на фиг.3 насос 11 высокого давления, в который по линии 34 под повышенным давлением подается, например, моторное масло. При этом камера нагнетания может быть герметично перекрыта запорным клапаном 33, открывающимся по достижении некоторого предварительно задаваемого избыточного давления. В этом случае при использовании предлагаемого в изобретении 3/2-распределителя для подачи под давлением жидкости в насос 11 высокого давления в аккумуляторе 12 высокого давления вместо высокого давления топлива поддерживается высокое давление моторного масла, которое является только одним из примеров жидкостей, подаваемых под высоким давлением.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить динамические характеристики управляющего элемента. Управляющий элемент выполнен для системы впрыскивания, оснащенной аккумулятором высокого давления, соединенным подводящей линией высокого давления с корпусом. Управляющий элемент установлен внутри корпуса и имеет безнапорную сливную линию, проходящую к резервуару, и соединительную линию, ведущую к устройствам впрыскивания. Приводящее к закрытию подводящей линии высокого давления взаимное перекрытие расположенных на входной стороне управляющих кромок осуществляется за счет срабатывания приводных устройств и за счет разжимания энергоаккумулятора, взаимодействующего с управляющим элементом. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Управляющий элемент для системы впрыскивания, оснащенной аккумулятором (12) высокого давления, соединенным подводящей линией (7) высокого давления с корпусом (6), внутри которого установлен этот управляющий элемент (1) и который имеет безнапорную сливную линию (8), проходящую к резервуару (21), и соединительную линию (9), ведущую к устройствам (34, 35) впрыскивания, отличающийся тем, что приводящее к закрытию подводящей линии (7) высокого давления взаимное перекрытие расположенных на входной стороне управляющих кромок (17, 18) осуществляется за счет срабатывания приводных устройств (2, 3) и за счет разжимания энергоаккумулятора (4), взаимодействующего с управляющим элементом (1).2. Управляющий элемент по п.1, отличающийся наличием цилиндрических запорных элементов (32), на которых выполнены управляющие кромки (18, 19).3. Управляющий элемент по п.2, отличающийся тем, что запорные элементы (32) взаимодействуют с выполненными на корпусе (6) управляющими кромками (17, 20).4. Управляющий элемент по п.1, отличающийся тем, что он нагружен усилием по меньшей мере одного опирающегося на корпус (6) энергоаккумулятора (4, 5).5. Управляющий элемент по п.2, отличающийся тем, что соединительная линия (9), ведущая к устройствам (34, 35) впрыскивания, отходит от полости (28), расположенной между управляющими кромками (18, 19) золотника (1).6. Управляющий элемент по п.1, отличающийся тем, что максимальная степень открытия подводящей линии (7) высокого давления и безнапорной сливной линии (8) ограничена упорами (13, 14), предусмотренными в отверстии (31) для ограничения хода этого управляющего элемента (1).7. Управляющий элемент по п.1, отличающийся тем, что предусмотрена возможность независимого управления каждым из приводных устройств (2, 3), расположенных напротив соответствующих концов управляющего элемента (1), с помощью блока (15) управления.8. Управляющий элемент по п.7, отличающийся тем, что приводные устройства (2, 3) выполнены в виде электромагнитов.9. Управляющий элемент по п.1, отличающийся тем, что закрытие этим управляющим элементом (1) подводящей линии (7) высокого давления и открытие им безнапорной сливной линии (8) после срабатывания приводных устройств (2, 3) происходит против усилия, создаваемого расположенным на выходной стороне энергоаккумулятором (5).10. Управляющий элемент по п.1, отличающийся тем, что закрытие этим управляющим элементом (1) безнапорной выпускной линии (8) и открытие им подводящей линии (7) высокого давления после срабатывания приводных устройств (2, 3) происходит против усилия, создаваемого расположенным на входной стороне энергоаккумулятором (4).