НАСОС-ФОРСУНКА Российский патент 2009 года по МПК F02M47/00 F02M51/00 

Изобретение относится к области двигателестроения и предназначено для подачи топлива в камеру сгорания дизельных двигателей.

Известна топливовпрыскивающая система аккумулирующего типа для двигателя внутреннего сгорания (см. а.с.1671938 A1, F 02 М 41/02. Публ. 23.08.91 г.). Топливовпрыскивающая система содержит источник постоянного давления топлива (аккумулятор), корпус, подводящую и сливную гидролинии (каналы), размещенные в корпусе, гидроуправляемый, установленный в управляющей полости, дифференциальный клапан с дроссельным отверстием, усилитель давления (мультипликатор), выполненный со ступенчатым плунжером в виде приводного и рабочего цилиндров с приводной и рабочей полостями, обратный (наполнительный) клапан, вход которого сообщен подводящей гидролинией (подводящим каналом) с источником постоянного давления, форсунку с гидрозапираемой подпружиненной иглой распылителя, надыгольной запорной и подыгольной камерами и сопловыми отверстиями.

Система содержит орган управления впрыском, выполненный в виде управляемого запорного элемента с электромагнитным приводом, установленного в линии связи управляющей полости дифференциального клапана со сливным каналом, при этом мультипликатор подключен приводной полостью через гидроуправляемый дифференциальный клапан и гидролинию к источнику постоянного давления топлива (к аккумулятору). Рабочая полость сообщена с выходом обратного клапана и подыгольной камерой.

Дифференциальный клапан выполнен с возможностью открытия в сторону приводной полости в виде тарельчатого запорного элемента с направляющей и конической запорной поверхностями с дифференциальной площадкой, размещенной на конической запорной поверхности. Приводная полость сообщена через дроссельное отверстие с управляющей полостью, а надыгольная запорная камера и рабочая полость сообщены между собой каналами с возможностью перекрытия этих каналов при рабочем и наполнительном ходах плунжера. Каналы сообщаются друг с другом при помощи кольцевой проточки, размещенной на наружной поверхности рабочего цилиндра. Под приводным цилиндром выполнена выточка, являющаяся продолжением рабочей полости и сообщенная со сливной гидролинией (каналом) выше уровня упорной поверхности.

К недостаткам известной конструкции можно отнести ее сложность, в частности наличие гидроуправляемого дифференциального клапана и сложность выполнения технологических операций при его изготовлении, наличие высокой вероятности разрушения корпуса усилителя давления (мультипликатора) из-за утонения стенок в зоне наполнительного клапана и сложность алгоритма управления временем начала подачи топлива, учитывая его непрямолинейную зависимость от цикловой подачи топлива.

Известно более совершенное устройство аналогичного назначения - прототип - «Электроуправляемая форсунка для двигателя внутреннего сгорания» а.с. №1260551, F 02 М 51/00. Публ. 30.09.86 г. Топливная система содержит насос высокого давления, связанный с аккумулятором, к которому присоединена форсунка, управляемая при помощи электромагнитного клапана. Электроуправляемая форсунка содержит корпус, в котором соосно расположены камера управления и камера нагнетания, выполненные в виде цилиндрических каналов, рабочий и нагнетательный плунжеры, размещенные в соответствующих цилиндрических каналах камер управления и нагнетания.

Насоса-форсунка включает также линию подвода топлива с дросселем, связанную с аккумулятором, линию слива, присоединенную к камере управления, и электромагнитный клапан, установленный в линии слива. Электроуправляемая форсунка содержит также распылитель с иглой, разделяющей надыгольную и подыгольную полости, связанные соответствующими каналами с камерой управления и камерой нагнетания. Форсунка снабжена впускным клапаном, нагруженным пружиной и установленным в линии подвода топлива. Впускной клапан выполнен в виде запорного органа с первым и вторым противоположно расположенными уплотнительными элементами и размещен в камере нагнетания. Рабочий и нагнетательный плунжеры выполнены заодно, нагружены пружиной и снабжены сквозным осевым каналом, связанным с линией подвода топлива, выведенным на торец нагнетательного плунжера со стороны камеры нагнетания и запираемым при нагнетании первым уплотнительным элементом впускного клапана. Камера управления связана с гидролинией аккумулятора через дроссель, который выполнен в виде радиального отверстия в стенке нагнетательного плунжера. Соединительный канал между камерой нагнетания и подыгольной полостью размещен напротив второго уплотнительного элемента впускного клапана, запирающего соединительный канал при зависании иглы распылителя. Увеличение давления впрыска топлива по отношению к давлению топлива в аккумуляторе происходит пропорционально отношению площадей рабочего и нагнетательного плунжеров.

К недостаткам прототипа можно отнести трудности изготовления и согласования работы отдельных элементов форсунки, таких как рабочий и нагнетательный плунжеры, выполненные как одна деталь, впускной клапан с двумя противоположно расположенными уплотнительными элементами, и сложности с получением оптимальной характеристики впрыска из-за гидравлического запирания иглы распылителя давлением топлива из камеры управления.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности улучшение характеристик впрыскивания топлива и повышение надежности работы насоса-форсунки.

Поставленная изобретением техническая задача достигается тем, что насоса-форсунка снабжена мультипликатором гидрозапирания, смонтированным соосно распылителю с иглой, надпоршневая полость которого связана топливным каналом непосредственно с гидролинией аккумулятора, а подпоршневая полость мультипликатора гидрозапирания, она же надыгольная полость распылителя, соединена с дополнительно выполненным каналом слива, связанным с полостью слива после электромагнитного клапана.

Отношение диаметра поршня мультипликатора гидрозапирания к диаметру иглы распылителя выполнено как 1,0 : 0,4-1,0.

Отношение диаметра отверстия подвода топлива в полость управления к наименьшему диаметру гидролинии слива из нее, связанной с электромагнитным клапаном, выполнено как 1,0 : 3,0-8,0.

Отношение площади поперечного сечения дополнительной гидролинии слива из подпоршневой полости мультипликатора гидрозапирания (надыгольной полости распылителя) к суммарной площади сечения сопловых отверстий распылителя выполнены как 1,0 : 0,05-0,2.

Отношение площади проходного сечения электромагнитного клапана к площади поперечного сечения гидролинии слива выполнено как 1,0 : 1,0-2,5.

Отношение диаметральной площади электромагнитного клапана к суммарной площади сопловых отверстий распылителя выполнено как 1,0 : 0,001-0,02.

Отношение рабочего усилия пружины электромагнитного клапана к номинальному усилию электромагнита выполнено как 1,0 : 2-5.

Отношение объема полости слива после электромагнитного клапана к цикловой подаче топлива на номинальном режиме выполнено как 1,0 : 0,004-0,05.

Новизной в предложенном устройстве является то, что в конструкцию насоса-форсунки введен мультипликатор гидрозапирания иглы распылителя от гидролинии аккумулятора, смонтированный соосно распылителю с иглой, надпоршневая полость которого связана топливным каналом непосредственно с гидролинией аккумулятора, а подпоршневая полость мультипликатора гидрозапирания (она же надыгольная полость распылителя) соединена с дополнительно выполненным каналом слива (отвода) топлива, просочившегося через неплотности прецизионных пар мультипликатора гидрозапирания и распылителя, связанным с полостью слива после электромагнитного клапана. Указанные признаки являются новыми, существенными, неочевидными и промышленно выполнимыми и направлены на достижение поставленной изобретением технической задачи. Наличие канала слива топлива позволяет удалить топливо, скопившееся в надыгольной полости и просочившееся в нее через зазоры прецизионных пар между поршнем и корпусом мультипликатора гидрозапирания и между иглой и корпусом распылителя, что существенно влияет на характеристики впрыска.

Такое выполнение насоса-форсунки позволяет получать оптимальные характеристики впрыска топлива с высоким уровнем давления и сжатыми начальной и конечной фазами. Энергичность впрыска обеспечивается за счет непосредственной связи поршня мультипликатора гидрозапирания с гидролинией аккумулятора и соотношением диаметра поршня мультипликатора гидрозапирания к диаметру направляющей части иглы распылителя.

Соотношения диаметров, площадей, усилий одного элемента к другому в предлагаемом насосе-форсунке являются признаками дополнительными, способствующими достижению поставленной изобретением технической задачи. Так, нижняя граница отношения 1,0 : 0,4 - отношения диаметра поршня мультипликатора гидрозапирания к диаметру иглы распылителя определяется, с одной стороны, габаритами насоса-форсунки, с другой, - количеством топлива, отводимого от насоса-форсунки на слив. При уменьшении указанного отношения чрезмерно увеличивается диаметр поршня мультипликатора гидрозапирания и насос-форсунка получается громоздкой с большой металлоемкостью и связанными с этим трудностями установки насосов-форсунок на двигатель. Верхняя граница отношения - 1,0 определяется величиной мультипликации (увеличения давления) топлива, подводимого к игле распылителя сверху через поршень мультипликатора гидрозапирания.

Нижняя граница отношения диаметра отверстия подвода топлива в полость управления к наименьшему диаметру гидролинии слива из нее - 3,0 получается при максимально целесообразном диаметре отверстия подвода топлива в полость управления к минимально возможному диаметру гидролинии слива из нее. Уменьшение диаметра гидролинии слива ниже 3,0 будет излишне дроселировать поток сливаемого топлива из управляющей полости, что приведет к чрезмерному растягиванию во времени процесса впрыска топлива. Увеличение отношения диаметра отверстия подвода топлива в полость управления к наименьшему диаметру гидролинии слива из нее, связанной с электромагнитным клапаном, более 8,0 будет вести к увеличению ее габаритов, снижению надежности работы при тонких стенках, что приведет к увеличению металлоемкости насоса-форсунки.

Нижняя граница отношения площади поперечного сечения дополнительной гидролинии слива из подпоршневой полости мультипликатора гидрозапирания (она же надыгольная полость распылителя) к суммарной площади сечения сопловых отверстий распылителя 0,05 определяется максимальной площадью поперечного сечения дополнительной гидролинии слива и минимальной площадью сопловых отверстий, дающих устойчивый положительный результат. Нижняя граница отношения (0,05) получается при максимальной площади поперечного сечения (т.е. соответствующего диаметра) дополнительной гидролинии слива из подпоршневой полости мультипликатора гидрозапирания, с одной стороны, и минимальной площади сопловых отверстий распылителя, с другой стороны. Эта граница отношений площадей определяет максимальные размеры насоса-форсунки при приемлемой надежности изделия. При уменьшении площади поперечного сечения гидролинии слива возникают проблемы с получением оптимальных характеристик впрыска топлива. Верхняя граница отношения (0,2) получается при обратном (по отношению к нижней границе) соотношении площадей. При этом при дальнейшем уменьшении площади поперечного сечения, или диаметра гидролинии слива из подпоршневой полости мультипликатора гидрозапирания иглы распылителя, могут быть проблемы как с получением оптимальных характеристик впрыска топлива, так и с изготовлением дренажных (сливных) каналов малого диаметра, проходящих практически по всей высоте насоса-форсунки. Минимальная величина соотношения площади поперечного сечения электромагнитного клапана к площади поперечного сечения основной гидролинии слива, равная 1,0, говорит о том, что площадь поперечного сечения гидролинии слива не должна быть меньше максимальной площади проходного сечения электромагнитного клапана. В противном случае невозможно получить оптимальные характеристики впрыска при наибольших цикловых подачах топлива. Верхняя граница - 2,5 ограничивается максимально возможными размерами насоса-форсунки или снижением надежности ее работы за счет утонения стенок. Соотношения размеров других элементов насоса-форсунки, в частности площади электромагнитного клапана и площади сопловых отверстий, отношение усилия пружины электромагнитного клапана к номинальному усилию электромагнита, отношение полости слива после электромагнитного клапана к цикловой подаче топлива определены исходя из надежности конструкции насоса-форсунки, обеспечения приемлемых габаритов, позволяющих разместить их на двигателе и обеспечить оптимальные характеристики впрыска топлива.

На фиг.1 представлена предлагаемая насоса-форсунка в разрезе, не проходящем через электромагнитный клапан. А - детализированный разрез наполнительного клапана с каналами, Б - детализированный разрез с дополнительным каналом слива топлива и надыгольной полостью.

На фиг.2 представлена предлагаемая насоса-форсунка в разрезе через электромагнитный клапан.

Насоса-форсунка состоит их корпуса 1, гайки 2, корпуса 3 электромагнитного клапана 4, поршня 5 и плунжера 6. Поршень 5 и плунжер 6 под действием пружины 7 находятся в постоянном соприкосновении друг с другом. Наполнительный клапан 8 смонтирован в отдельной проставке. Поршень 9 мультипликатора гидрозапирания под действием давления топлива в гидролинии аккумулятора поджимает иглу 10 к корпусу 11 распылителя. Промежуточная проставка 12 смонтирована между проставкой 13 мультипликатора гидрозапирания и корпусом 11 распылителя. Топливо по каналу 14 постоянно под давлением, равным давлению топлива в гидравлической системе аккумулятора (на чертеже не показана), подается в приводную полость 15, расположенную над поршнем 5. Через отверстие 16 в поршне 5 в полость управления 17 и через наполнительный клапан 8 в полость 18 под плунжером 6. Дополнительный канал слива топлива образован каналами 19 и 20, выполненными в проставке 13 мультипликатора гидрозапирания, каналом в проставке наполнительного клапана 8, каналом в корпусе 21 плунжера 6 и каналом в корпусе 1 насоса-форсунки и соединяет надыгольную полость 22 с отводным каналом 23, связанным с полостью 24 слива топлива после электромагнитного клапана 4. Надыгольная полость 22 одновременно является и полостью под поршнем 9 мультипликатора гидрозапирания. Полость слива 24 электромагнитного клапана 4 периодически соединяется через электромагнитный клапан 4 при помощи канала 25 и кольцевой проточки 26 в электромагнитном клапане 4 слива топлива с полостью управления 17. Полость 18 под плунжером 6 связана с подыгольной полостью корпуса 11 распылителя при помощи каналов 27, выполненных под углом друг к другу в проставке наполнительного клапана 8, и каналов в проставке 13 мультипликатора гидрозапирания, в промежуточной проставке 12 и в корпусе 11 распылителя. Приводная полость 15 связана каналом 28 с полостью 29 выполненной над поршнем 9 мультипликатора гидрозапирания. Между электромагнитом 30 и якорем 31 выполнен зазор 32. В электромагнит 30 установлена пружина 33, возвращающая электромагнитный клапан 4 в исходное положение. Канал 28 связан с надпоршневой полостью 29 мультипликатора гидрозапирания при помощи фасонного канала 34.

Предлагаемое устройство - насоса-форсунка работает следующим образом.

В исходном положении, перед подачей управляющего импульса, мультипликатор (поршень 5 и плунжер 6) находится в крайнем верхнем положении. При подаче управляющего импульса на электромагнит 30 якорь 31 притягивается к электромагниту 30, выбирая зазор 32 и преодолевая сопротивление пружины 33. При этом электромагнитный клапан 4, перемещаясь вверх, соединяет при помощи канала слива топлива 25 и кольцевой проточки 26 полость управления 17 с полостью слива 24. При этом давление в полости управления 17 снижается. Как только сила давления топлива в приводной полости 15, постоянно связанной с гидравлической линией аккумулятора, превысит суммарное усилие трех составляющих давлений (давление в полости управления 17, давление в полости нагнетания 18 и сопротивление пружины 7 плунжера 6), поршень 5 и плунжер 6 начнут перемещаться вниз в сторону корпуса 11 распылителя. Когда при перемещении поршня 5 и плунжера 6 вниз давление в полости нагнетания 18 превысит давление в приводной полости 15, наполнительный клапан 8 закрывается. При этом давление топлива из полости нагнетания 18 по каналу 27 передается в подыгольную полость иглы 10 корпуса 11 распылителя.

Как только усилие давления топлива, действующего на иглу 10 распылителя снизу, превысит суммарное усилие, действующее на иглу сверху от поршня 9 мультипликатора гидрозапирания, происходит подъем поршня 9 мультипликатора гидрозапирания и иглы 10 корпуса 11 распылителя. При этом начинается впрыск топлива. На поршень 9 мультипликатора гидрозапирания сверху через канал 28 постоянно действует давление топлива, равное давлению топлива в гидросистеме аккумулятора,

По окончании управляющего импульса электромагнитный клапан 4 разгружается от сил притяжения, действующих в магнитном поле, и возвращается в исходное положение под действием пружины 33, перекрывая слив топлива из полости управления 17. Окончание впрыска происходит при закрытии иглы 10 корпуса 11 распылителя под воздействием поршня 9 мультипликатора гидрозапирания за счет аккумуляторного давления топлива из приводной полости 15 при помощи канала 28 и фасонного канала 34. За счет постоянного поступления топлива в полость управления 17 через отверстие 16 в поршне 5 и прекращения слива топлива через канал 25, а также за счет поступления топлива в полость нагнетания 18 через открытый наполнительный клапан 8 давление в полостях управления 17 и нагнетания 18 увеличивается до величины аккумуляторного давления в системе. Поршень 5 и плунжер 6 становятся гидравлически уравновешенными и начинают подниматься в исходное положение под действием пружины 7 плунжера 6.

При поступлении последующего управляющего сигнала на электромагнитный клапан взаимодействие частей и механизмов насоса-форсунки повторяется.

В настоящее время на предприятии изготовлено несколько опытных образцов предлагаемой насоса-форсунки, которые проходят испытания на двигателях. Предварительные результаты испытаний подтверждают улучшение характеристик впрыскивания топлива, повышение надежности работы насоса-форсунки, экологических и экономических показателей работы дизелей по сравнению с традиционной топливной аппаратурой.

По окончании испытаний будет принято решение об организации производства предлагаемых насосов-форсунок.

Изобретение относится к двигателестроению и предназначено для подачи топлива в камеру сгорания дизельных двигателей. Изобретение позволяет улучшить характеристики впрыскивания топлива и повысить надежность работы насос-форсунок. Насос-форсунка включает корпус и соосно расположенные в нем камеры управления и нагнетания, смонтированные в них мультипликатор давления с поршнем и плунжером, линию подвода топлива с наполнительным клапаном, связанную с гидролинией аккумулятора, линию слива топлива из камеры управления, управляющий электромагнитный клапан, распылитель с иглой, имеющий подыгольную полость, связанную каналом с камерой нагнетания. Насос-форсунка снабжена мультипликатором гидрозапирания, смонтированным соосно распылителю с иглой, надпоршневая полость которого связана топливным каналом непосредственно с гидролинией аккумулятора. Подпоршневая полость мультипликатора гидрозапирания, она же надыгольная полость распылителя, соединена с дополнительно выполненным каналом слива, связанным с полостью слива после электромагнитного клапана. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Насос-форсунка, включающая корпус и соосно расположенные в нем камеры управления и нагнетания, смонтированные в них мультипликатор давления с поршнем и плунжером, линию подвода топлива с наполнительным клапаном, связанную с гидролинией аккумулятора, линию слива топлива из камеры управления, управляющий электромагнитный клапан, распылитель с иглой, имеющий подыгольную полость, связанную каналом с камерой нагнетания, отличающаяся тем, что насос-форсунка снабжена мультипликатором гидрозапирания, смонтированным соосно с распылителем с иглой, надпоршневая полость которого связана топливным каналом непосредственно с гидролинией аккумулятора, а подпоршневая полость мультипликатора гидрозапирания, она же надыгольная полость распылителя, соединена с дополнительно выполненным каналом слива, связанным с полостью слива после электромагнитного клапана.2. Насос-форсунка по п.1, отличающаяся тем, что отношение диаметра мультипликатора гидрозапирания к диаметру иглы распылителя выполнено как 1,0 к 0,4-1,0.3. Насос-форсунка по п.1, отличающаяся тем, что отношение диаметра отверстия подвода топлива в полость управления к наименьшему диаметру гидролинии слива из нее, связанной с электромагнитным клапаном, выполнено как 1,0 к 3,0-8,0.4. Насос-форсунка по п.1, отличающаяся тем, что отношение площади поперечного сечения дополнительной гидролинии слива из подпоршневой полости мультипликатора гидрозапирания (надыгольной полости распылителя) к суммарной площади сечения сопловых отверстий распылителя выполнено как 1,0 к 0,05-0,2.5. Насос-форсунка по п.1, отличающаяся тем, что отношение площади проходного сечения электромагнитного клапана к площади поперечного сечения гидролинии слива выполнено как 1,0 к 1,0-2,5.6. Насос-форсунка по п.1, отличающаяся тем, что отношение диаметральной площади электромагнитного клапана к суммарной площади сопловых отверстий распылителя выполнено как 1,0 к 0,001-0,02.7. Насос-форсунка по п.1, отличающаяся тем, что отношение рабочего усилия пружины электромагнитного клапана к номинальному усилию электромагнита выполнено как 1,0 к 2-5.8. Насос-форсунка по п.1, отличающаяся тем, что отношение объема полости слива после электромагнитного клапана к цикловой подаче топлива на номинальном режиме выполнено как 1,0 к 0,004...0,05.