КЛАПАННАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 2006 года по МПК F02M61/14 F02M61/16 

Настоящее изобретение относится к клапанным форсункам для впрыскивания топлива, устанавливаемым в головке цилиндра двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Из заявки DE 19735665 А1 известна система впрыскивания топлива, в которой предусмотрен компенсатор, представляющий собой опорный элемент с полусферической опорной поверхностью. На этот компенсатор опирается установленная в посадочное отверстие клапанная форсунка. В кольцевом зазоре, образованном между стенкой посадочного отверстия и клапанной форсункой, установлено уплотнительное кольцо, вставленное в предназначенную для него канавку на корпусе клапанной форсунки и уплотняющее этот кольцевой зазор относительно камеры сгорания. Прилегание опорной поверхности клапанной форсунки к полусферической опорной поверхности компенсатора допускает установку такой клапанной форсунки с некоторым наклоном к оси посадочного отверстия вплоть до определенного максимально допустимого угла и ее надежное закрепление в посадочном отверстии за счет прижима с помощью пригодного для этой цели приспособления, например прихвата. Тем самым упрощается совмещение входных отверстий клапанных форсунок с выходными отверстиями подводящих топливопроводов. Такое техническое решение позволяет в результате компенсировать имеющиеся у клапанной форсунки производственные допуски и допуски на сборку. Однако недостаток этого известного технического решения состоит в том, что несмотря на возможность установки клапанной форсунки с наклоном к оси посадочного отверстия под углом, который может варьироваться в сравнительно широких допустимых пределах, тем не менее дополнительно обостряется проблема, связанная с уплотнением кольцевого зазора между стенкой посадочного отверстия и клапанной форсункой, поскольку при относительно большом угле наклона клапанной форсунки уплотнение обеспечивается исключительно за счет упругости уплотнительного кольца, которое имеет большую площадь поперечного сечения и высокую эластичность и которое даже при исключительно неравномерном его обжатии должно обеспечивать надежное уплотнение.

Для устранения этого недостатка предложена клапанная форсунка для впрыскивания топлива, устанавливаемая в посадочное отверстие в головке цилиндра ДВС и имеющая уплотнительное кольцо, которое располагается в указанном посадочном отверстии вокруг этой клапанной форсунки. От рассмотренного выше решения предлагаемая клапанная форсунка отличается тем, что уплотнительное кольцо имеет обращенную к клапанной форсунке сферическую контактную поверхность, которая прилегает к соответствующей сопряженной с ней сферической поверхности, имеющейся у клапанной форсунки.

Преимущество предлагаемой в изобретении клапанной форсунки по сравнению с известным из уровня техники решением состоит в возможности обеспечить надежное уплотнение кольцевого зазора между стенкой посадочного отверстия и клапанной форсункой даже при ее наклоне к оси посадочного отверстия под сравнительно большим углом, который может варьироваться в относительно широких пределах. Помимо этого клапанная форсунка, у которой проблема уплотнения указанного выше кольцевого зазора решена предлагаемым в изобретении образом, является простой и недорогой в изготовлении.

В частных вариантах конструкции предлагаемой клапанной форсунки сферическая контактная поверхность уплотнительного кольца может иметь вогнутую в сечении форму.

Уплотнительное кольцо может иметь круговую нижнюю канавку, которая выполнена на его обращенной к камере сгорания поверхности, расположенной в кольцевом зазоре между стенкой посадочного отверстия и клапанной форсункой, а также круговую верхнюю канавку, которая выполнена на его дальней от камеры сгорания поверхности, расположенной в кольцевом зазоре между стенкой посадочного отверстия и клапанной форсункой.

Радиус сферической контактной поверхности уплотнительного кольца и сопряженной с ней сферической поверхности клапанной форсунки может быть подобран с таким расчетом, чтобы центр вращения этих сферических поверхностей лежал на средней оси клапанной форсунки.

Уплотнительное кольцо может быть установлено в круговой канавке, предусмотренной у клапанной форсунки и выполненной, например, на распылителе, соответственно на держателе седла иглы форсунки.

Держатель седла иглы клапанной форсунки, соответственно ее распылитель, может быть выполнен в виде изготовленной глубокой вытяжкой детали, на которой может быть выполнена сопряженная сферическая поверхность клапанной форсунки. Эта сферическая поверхность может быть выполнена наиболее экономичным и рентабельным путем, например круглым ротационным опиливанием. Уплотнительное кольцо клапанной форсунки может быть выполнено из материала тефлон®.

В последующем описании со ссылкой на прилагаемые упрощенные чертежи более подробно рассмотрены некоторые варианты выполнения предлагаемой в изобретении клапанной форсунки для впрыскивания топлива, а также для сравнения рассмотрена известная из уровня техники клапанная форсунка. При этом на указанных чертежах, в частности, показано:

на фиг.1 - продольный разрез предлагаемой в изобретении клапанной форсунки с уплотнительным кольцом,

на фиг.2 - увеличенное изображение соответствующей фрагменту III по фиг.1 части известной клапанной форсунки с уплотнительным кольцом,

на фиг.3 - увеличенное изображение фрагмента III клапанной форсунки по фиг.1,

на фиг.4 - увеличенное изображение соответствующей фрагменту III по фиг.1 части предлагаемой в изобретении клапанной форсунки, выполненной по другому варианту.

На фиг.1 показана предлагаемая в изобретении клапанная форсунка 1 для впрыскивания топлива с уплотнительным кольцом 1а, которая выполнена в виде клапанной форсунки для систем впрыскивания топлива, которыми оснащаются ДВС со сжатием рабочей смеси и принудительным зажиганием. Такая клапанная форсунка 1 устанавливается в не показанное на чертеже посадочное отверстие, выполненное в головке 1b цилиндра. Эта головка 1b цилиндра показана на чертеже в разрезе только на участке расположения уплотнительного кольца 1а, поскольку этот участок имеет важное значение для изобретения и более подробно описан ниже со ссылкой на последующие чертежи. Подобная клапанная форсунка 1 пригодна прежде всего для непосредственного впрыскивания топлива в не показанную на чертеже камеру сгорания ДВС.

Клапанная форсунка 1 состоит из распылителя 2, в котором с возможностью направленного перемещения установлена игла 3. Эта игла 3 форсунки функционально или кинематически связана (т.е. непосредственно или опосредованно соединена) с запорным элементом 4, который во взаимодействии с контактной поверхностью 6 седла 5 образует место плотной посадки. В рассматриваемом варианте клапанная форсунка 1 представляет собой открывающуюся вовнутрь клапанную форсунку 1, имеющую одно распылительное отверстие 7. Распылитель 2 уплотнением 8 уплотнен относительно внешнего полюса 9 катушки 10, которая выполняет функцию привода. Катушка 10 заключена в герметичный корпус 11 и намотана на каркас 12, прилегающий к ее внутреннему полюсу 13. Внутренний 13 и внешний 9 полюса отделены друг от друга зазором 26 и опираются на соединительную деталь 29. Катушка 10 возбуждается при пропускании через нее электрического тока, подводимого по проводнику 19, который оканчивается электрическим контактным выводом (штекером) 17. Этот электрический проводник вместе с его контактным выводом 17 заключен в пластмассовый кожух 18, который может быть изготовлен литьем под давлением и в который в процессе этого литься под давлением может быть заделан внутренний полюс 13.

Игла 3 установлена с возможностью направленного перемещения в направляющей 14, выполненной дисковидной формы. Длина хода иглы регулируется с помощью регулировочной шайбы 15, спаренной с указанной направляющей. С другой стороны регулировочной шайбы 15 расположен якорь 20. Этот якорь через фланец 21 с силовым замыканием соединен с иглой 3, которая в свою очередь соединена с этим фланцем 21 сварным швом 22. На фланец 21 опирается возвратная пружина 23, которая в клапанной форсунке 1 рассматриваемой конструкции предварительно сжата втулкой 24. В направляющей 14 для иглы форсунки, в якоре 20 и в седле 5 проходят топливные каналы 30а-30с, по которым топливо, подаваемое в форсунку по центральному подводящему топливопроводу 16 и фильтруемое на входе форсунки фильтрующим элементом 25, поступает к распылительному отверстию 7. Клапанная форсунка 1 уплотнена относительно стенок не показанного на чертеже подводящего топливопровода уплотнением 28. Позицией α на чертеже обозначен угол, в пределах которого клапанная форсунка 1 может отклоняться от номинального положения ее установки для компенсации производственных допусков, соответственно допусков на сборку, между не показанным на чертеже впускным топливопроводом и посадочным отверстием.

В исходном состоянии клапанной форсунки 1 якорь 20 нагружен направленным навстречу направлению его подъема усилием возвратной пружины 23, под действием которого запорный элемент 4 удерживается плотно прижатым к контактной поверхности 6 седла. Катушка 10 при ее возбуждении создает магнитное поле, под действием которого якорь 20 начинает подниматься, преодолевая усилие возвратной пружины 23, при этом длина его хода определяется величиной рабочего зазора 27, который в исходном состоянии клапанной форсунки имеется между внутренним полюсом 13 и якорем 20. При этом якорь 20 перемещает в направлении его подъема и приваренный к игле 3 фланец 21. В результате подобного перемещения якоря функционально связанный с иглой 3 запорный элемент 4 приподнимается от контактной поверхности седла, и поступающее по топливным каналам 30а-30с к распылительному отверстию 7 топливо впрыскивается через него в камеру сгорания.

При отключении протекающего в катушке тока якорь 20 после ослабления магнитного поля до достаточно низкого уровня отходит от внутреннего полюса 13 под действием усилия возвратной пружины 23, в результате чего функционально связанный с иглой 3 фланец 21 начинает перемещаться в направлении, обратном направлению ее подъема. Тем самым в том же направлении перемещается и игла 3, в результате чего запорный элемент 4 вновь опускается на контактную поверхность 6 седла, а клапанная форсунка 1 закрывается.

На фиг.2 для более наглядного пояснения конструктивных особенностей предлагаемой в изобретении клапанной форсунки показана отличающаяся от нее известная из уровня техники клапанная форсунка 31 с уплотнительным кольцом 33, при этом на чертеже показан только увеличенный фрагмент этой клапанной форсунки, который соответствует фрагменту клапанной форсунки 1 по изобретению, заключенному на фиг.1 в прямоугольную рамку, обозначенную позицией III. Эта известная клапанная форсунка 31 имеет показанную на чертеже в разрезе круговую канавку 32, в которой установлено уплотнительное кольцо 33. Это уплотнительное кольцо 33 уплотняет кольцевой зазор 34, образованный между клапанной форсункой 31 и стенкой посадочного отверстия 39 в головке 1b цилиндра, относительно не показанной на чертеже камеры сгорания. На дне канавки 32 выполнен круговой уступ 36, который повышает уплотняющий эффект, создаваемый практически прямоугольным в сечении уплотнительным кольцом 33, за счет его более плотного прижатия к стенке посадочного отверстия.

Если при установке такой клапанной форсунки 31 в посадочное отверстие 39 она оказывается расположена не точно соосно ему, а с некоторым наклоном, обеспечивающим компенсацию производственных допусков, то уплотнительное кольцо 33 оказывается неравномерно прижатым к уплотняемым поверхностям. В результате при слишком большом угле наклона клапанной форсунки относительно оси посадочного отверстия возможно возникновение неплотностей.

На фиг.3 показан обозначенный на фиг.1 позицией III фрагмент предлагаемой в изобретении клапанной форсунки 1. При этом элементы конструкции показанной на фиг.3 клапанной форсунки, соответствующие показанным на фиг.1 элементам, обозначены теми же позициями.

Такая клапанная форсунка 1 имеет на внешней боковой поверхности ее распылителя 2 канавку 37, в которой установлено уплотнительное кольцо 1а. Это уплотнительное кольцо 1а уплотняет кольцевой зазор 38, образованный между клапанной форсункой 1 и стенкой посадочного отверстия 39 в головке 1b цилиндра, относительно не показанной на чертеже камеры сгорания. Уплотнительное кольцо 1а имеет сферическую контактную поверхность 40, имеющую вогнутую в сечении форму и взаимодействующую с сопряженной сферической поверхностью 40а клапанной форсунки 1, имеющей, соответственно, выпуклую в сечении форму.

Радиус r таких сферических поверхностей 40, 40а выбран, например, с таким расчетом, чтобы их центр лежал на средней оси 41 клапанной форсунки 1 соответственно иглы 3 форсунки.

Если при установке такой клапанной форсунки 1 в посадочное отверстие 39 она оказывается расположена не точно соосно ему, а с некоторым обеспечивающим компенсацию производственных допусков наклоном под углом α к оси этого посадочного отверстия, то уплотнительное кольцо 1а в любом случае оказывается равномерно прижатым к уплотняемым поверхностям. За счет происходящего в процессе сборки скольжения взаимно сопряженных сферических поверхностей 40, 40а одна по другой клапанная форсунка 1 и уплотнительное кольцо 1а устанавливаются в оптимальное положение, в котором исключается смятие или защемление уплотнительного кольца 1а, поскольку центр вращения обеих этих сферических поверхностей 40, 40а лежит точно на средней оси 41 посадочного отверстия 39 и тем самым совпадает с вершиной угла α, на который клапанная форсунка 1 наклоняется относительно оси посадочного отверстия. Подобная конструкция допускает установку клапанной форсунки под сравнительно большим углом наклона к оси посадочного отверстия. Уплотнительное кольцо 1а предпочтительно выполнять из материала тефлон®. Вместе с тем для изготовления уплотнительного кольца 1а можно использовать и иные известные уплотнительные материалы, например эластомерные материалы.

Наиболее рентабельная технология изготовления сферической сопряженной поверхности 40а клапанной форсунки 1 заключается в том, чтобы изготавливать распылитель 2, соответственно держатель седла иглы форсунки глубокой вытяжкой из листового металла и затем формировать на такой изготовленной глубокой вытяжкой детали сферическую сопряженную поверхность 40а, например, круглым ротационным опиливанием.

На фиг.4 в увеличенном масштабе показана соответствующая обозначенному на фиг.1 позицией III фрагменту часть выполненной по другому варианту предлагаемой в изобретении клапанной форсунки 1 с уплотнительным кольцом 1а, имеющим иное исполнение. При этом элементы конструкции показанной на фиг.4 клапанной форсунки, соответствующие показанным на фиг.1 и 3 элементам, обозначены теми же позициями.

Такая клапанная форсунка 1 имеет на внешней боковой поверхности ее распылителя 2 канавку 37, в которой установлено уплотнительное кольцо 1а. Это уплотнительное кольцо 1а уплотняет кольцевой зазор 38, образованный между клапанной форсункой 1 и стенкой посадочного отверстия 39 в головке 1b цилиндра, относительно не показанной на чертеже камеры сгорания. Это уплотнительное кольцо 1а имеет нижнюю круговую канавку 42, которая выполнена на его обращенной к камере сгорания поверхности, расположенной в кольцевом зазоре 38 между стенкой посадочного отверстия 39 и клапанной форсункой 1. Уплотнительное кольцо 1а имеет также верхнюю круговую канавку 43, которая выполнена на его дальней от камеры сгорания поверхности, расположенной в кольцевом зазоре 38 между стенкой посадочного отверстия 39 и клапанной форсункой 1. В этом варианте глубина обеих - верхней и нижней - круговых канавок 42 и 43 составляет приблизительно 1/4 от высоты уплотнительного кольца 1а. Сферическая выпуклая сопряженная поверхность 40а клапанной форсунки 1 взаимодействует с соответствующей сферической вогнутой контактной поверхностью 40 уплотнительного кольца 1а. Радиус r обеих этих поверхностей 40, 40а выбран с таким расчетом, чтобы их центр лежал на средней оси 41 клапанной форсунки 1 соответственно ее иглы 3.

В этом варианте клапанную форсунку 1 благодаря ее рассмотренной выше конструкции также можно устанавливать с наклоном под некоторым обеспечивающим компенсацию производственных допусков углом α к оси посадочного отверстия. Наличие нижней канавки 42 позволяет повысить усилие прижима нижнего участка сферической вогнутой контактной поверхности 40 к сопряженной сферически выпуклой поверхности 40а за счет расширения этой нижней канавки 42 под действием давления, преобладающего в камере сгорания и передаваемого на нее через кольцевой зазор 38. В результате повышается уплотняющий эффект, создаваемый уплотнительным кольцом 1а. Помимо этого наличие нижней 42 и верхней 43 канавок позволяет также снизить опасность деформации уплотнительного кольца 1а при наклоне клапанной форсунки на угол α, поскольку для обеспечения достаточно высокого уплотняющего эффекта уплотнительное кольцо 1а не требуется подвергать слишком большому предварительному сжатию за счет его упругой деформации, что тем самым облегчает скольжение одна по другой сферической контактной поверхности 40 и сопряженной с ней сферической поверхности 40а. При этом тем не менее уплотнительное кольцо прижимается к уплотняемым поверхностям с достаточно высоким для предотвращения пробоя образующихся в камере сгорания газов усилием.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к клапанным форсункам для впрыскивания топлива. Изобретение позволяет обеспечить надежное уплотнение кольцевого зазора между стенкой посадочного отверстия и клапанной форсункой, а также оно простое и недорогое в изготовлении. Клапанная форсунка для впрыскивания топлива устанавливается в посадочное отверстие в головке цилиндра двигателя внутреннего сгорания и имеет уплотнительное кольцо. Кольцо располагается в указанном посадочном отверстии вокруг этой клапанной форсунки. Уплотнительное кольцо имеет обращенную к клапанной форсунке сферическую контактную поверхность. Эта поверхность прилегает к соответствующей сопряженной с ней сферической поверхности, имеющейся у клапанной форсунки. Сферическая контактная поверхность уплотнительного кольца имеет вогнутую в сечении форму. Уплотнительное кольцо имеет круговую нижнюю канавку, которая выполнена на его обращенной к камере сгорания поверхности, расположенной в кольцевом зазоре между стенкой посадочного отверстия и клапанной форсункой. Уплотнительное кольцо имеет круговую верхнюю канавку, которая выполнена на его дальней от камеры сгорания поверхности, расположенной в кольцевом зазоре между стенкой посадочного отверстия и клапанной форсункой. Радиус сферической контактной поверхности уплотнительного кольца и сопряженной с ней сферической поверхности клапанной форсунки подобран с таким расчетом, чтобы центр вращения этих сферических поверхностей лежал на средней оси клапанной форсунки. Уплотнительное кольцо установлено в круговой канавке, предусмотренной у клапанной форсунки. Указанная канавка под уплотнительное кольцо выполнена на распылителе, соответственно на держателе седла иглы форсунки. Распылитель, соответственно держатель седла иглы форсунки, выполнен в виде изготовленной глубокой вытяжкой детали, на которой выполнена сопряженная сферическая поверхность клапанной форсунки. Уплотнительное кольцо выполнено из материала тефлон. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Клапанная форсунка (1) для впрыскивания топлива, устанавливаемая в посадочное отверстие (39) в головке (1b) цилиндра двигателя внутреннего сгорания и имеющая уплотнительное кольцо (1а), которое располагается в указанном посадочном отверстии (39) вокруг этой клапанной форсунки (1), отличающаяся тем, что уплотнительное кольцо (1а) имеет обращенную к клапанной форсунке (1) сферическую контактную поверхность (40), которая прилегает к соответствующей сопряженной с ней сферической поверхности (40а), имеющейся у клапанной форсунки (1).2. Клапанная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что сферическая контактная поверхность (40) уплотнительного кольца (1а) имеет вогнутую в сечении форму.3. Клапанная форсунка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что уплотнительное кольцо (1а) имеет круговую нижнюю канавку (42), которая выполнена на его обращенной к камере сгорания поверхности, расположенной в кольцевом зазоре (38) между стенкой посадочного отверстия (39) и клапанной форсункой (1).4. Клапанная форсунка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что уплотнительное кольцо (1а) имеет круговую верхнюю канавку (43), которая выполнена на его дальней от камеры сгорания поверхности, расположенной в кольцевом зазоре (38) между стенкой посадочного отверстия (39) и клапанной форсункой (1).5. Клапанная форсунка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что радиус (r) сферической контактной поверхности (40) уплотнительного кольца (1а) и сопряженной с ней сферической поверхности (40а) клапанной форсунки (1) подобран с таким расчетом, чтобы центр вращения этих сферических поверхностей (40, 40а) лежал на средней оси (41) клапанной форсунки (1).6. Клапанная форсунка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что уплотнительное кольцо (1а) установлено в круговой канавке (37), предусмотренной у клапанной форсунки (1).7. Клапанная форсунка по п.6, отличающаяся тем, что указанная канавка (37) под уплотнительное кольцо (1а) выполнена на распылителе (2), соответственно на держателе седла иглы форсунки.8. Клапанная форсунка по п.7, отличающаяся тем, что распылитель (2), соответственно держатель седла иглы форсунки, выполнен в виде изготовленной глубокой вытяжкой детали, на которой выполнена сопряженная сферическая поверхность (40а) клапанной форсунки (1).9. Клапанная форсунка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что уплотнительное кольцо (1а) выполнено из материала тефлон.