ФИЛЬТР ДЛЯ ЖИДКОСТИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ОПОРНЫМ ШТОКОМ И ПРИМЕНЕНИЕ ТАКОГО ФИЛЬТРА В ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЕ
HIGH PRESSURE LIQUID FILTER WITH SUPPORT ROD AND USE OF SUCH FILTER IN FUEL SYSTEM

Область техники
Представленное изобретение принадлежит к фильтрам для жидкости, конкретнее - к фильтрам, функционирующим в зонах чрезвычайно высокого давления, а именно к фильтрам, устанавливаемым между насосом высокого давления топливной системы двигателя внутреннего сгорания и форсунками.
Уровень техники
Давление топлива, подающегося в камеру внутреннего сгорания с помощью форсунок, используемых в современных дизельных двигателях внутреннего сгорания, может достигать 300 МПа, и это давление может внезапно изменяться. Учитывая такие уровни давления и его внезапные колебания, любые посторонние примеси в топливе чрезвычайно вредны для форсунок и других деталей. Поэтому возникает потребность в фильтре, способном удалять посторонние примеси из топлива, подающегося под высоким давлением. Такой фильтр также может применяться в других областях, где задействована жидкость под чрезвычайно высоким давлением.
В документе US 6446885 B1 (опубликован 10 сентября 2002 г.) представлена топливная система с фильтрующим элементом, используемым в зоне высокого давления и представляющим единое целое с топливной форсункой. Поэтому, если фильтрующий элемент засоряется, возникает потребность в замене всего устройства, независимо от того, насколько хорошо продолжает работать форсунка.
В документе US 5639369 A (опубликован 17 июня 1997 г.) представлен опорный элемент фильтра, имеющий ребра жесткости и отверстия для удаления отфильтрованного материала из фильтра. Такая конструкция обеспечивает высокой расход жидкости, но через наличие упомянутых отверстий, прочность полого элемента будет недостаточной, и он не сможет выдержать чрезвычайно высокие уровни давления фильтрующегося материала.
В патенте US 6293410 B1 (опубликован 25 сентября 2001 г.) описывается фильтр, оснащенный опорным штоком аналогичной формы, но этот фильтр (как и опорный шток) также не способен работать в условиях высокого давления. Вместе с тем в описании сообщается, что опорный шток полый и имеет колпачок. Полый шток не будет работать в условиях чрезвычайно высокого давления - он выйдет из строя. Кроме того, согласно описания упомянутого изобретения фильтрующий материал является минеральным веществом, что делает его непригодным для использования в условиях чрезвычайно высокого давления жидкости, поскольку он может повредиться. И последний важный момент: фильтр, представленный в упомянутом изобретении - одноразовый.
Документы, которые представляют известный уровень техники, демонстрируют указанные дальше основные недостатки.
- В имеющихся документах отсутствует решение, которое бы обеспечило стойкость фильтрующего элемента (например, внутреннего опорного элемента) к сжатию, а также сохранность его формы при условиях очень высокого давления фильтруемой жидкости (до 300 МПа).
- Большей частью в имеющихся документах представлены материалы фильтрующего элемента не способные выдерживать очень высокое давление. Со временем под действием высокого давления такие материалы испытывают влияние эрозии, растрескиваются, изнашиваются или теряют свою прочность другим способом.
- Имеющиеся документы описывают фильтрующий элемент как нераздельную часть топливной системы. Замена засоренных деталей фильтрующего элемента требует полной замены детали, в которую он установлен.
- По обыкновению, в имеющихся документах описывается фильтрующий элемент, который нельзя использовать повторно как по причине короткого срока эксплуатации материала фильтрующего элемента в условиях высокого давления, так и из-за конструкции фильтра, которая не дает возможности заменять лишь фильтрующий элемент.
В приведенном ниже описании представлена конструкция фильтра без вышеупомянутых недостатков.
Суть изобретения
В настоящем описании представлен фильтр для жидкости, состоящий из корпуса фильтра, содержащего все его детали; фильтрующего элемента, улавливающего посторонние примеси, присутствующие в фильтруемой жидкости; прочного опорного элемента, предотвращающего значительные деформации фильтрующего элемента, могущие сделать невозможным его функционирование; крышки корпуса фильтра и других компонентов.
Важнейшим элементом, представленным в этом описании, является опорный шток, дающий возможность использовать фильтр в условиях чрезвычайно высокого давления фильтруемой жидкости (до 300 МПа). Разработана конструкция опорного штока для предотвращения сдавливания, сжатия или деформирования фильтрующего элемента другим образом, приводящее к его выводу из строя.
Одним из возможных вариантов применения представленного в этом документе фильтра является фильтрация дизельного топлива, подающегося под высоким давлением, на участке между насосом высокого давления и форсунками.
Важная особенность предложенного фильтра заключается в том, что он не встроен в другие стандартные детали топливной системы, а добавлен к ней (или, после внесения некоторых изменений - добавлен к топливной магистрали высокого давления) как отдельный компонент, который можно удобно заменить, не препятствуя при этом роботе других деталей системы.
Фильтрующий элемент фильтра изготовлен из металла, что делает его стойким к высокому давлению. Кроме того, он является многоразовым.
Перечень фигур
Фиг. 1 демонстрирует опорный элемент. Слева - вид с торца, справа - вид сбоку.
Фиг. 2 демонстрирует продольный разрез корпуса фильтра.
Фиг. 3 демонстрирует продольный разрез крышки корпуса фильтра.
Масштаб на фигурах может различаться.
Описание оптимального варианта исполнения изобретения
Ключевые термины, использованные в этом описании, указаны ниже.
Фильтрующий элемент - функциональный элемент, сквозь который проходит фильтрующееся вещество.
Фильтр - весь узел в сборе, через который пропускают нефильтрованное вещество, фильтрует его и высвобождают его в очищенном виде. Представленный в данном описании фильтр состоит из корпуса, крышки корпуса, фильтрующего элемента, опорного штока и других компонентов.
По обыкновению, транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания, работающие на дизельном топливе, имеют по крайней мере два топливных насоса. Один из этих насосов предназначен для подачи топлива из бака на топливный насос высокого давления. Именно в этой части топливной системы устанавливается топливный фильтр. Это первый элемент по направлению движения потока топлива в топливной системе, который используется для фильтрования топлива. Фильтр предназначен для удаления из топлива посторонних примесей размером 3-5 μм и больше. После указанного фильтра топливо поступает в насос высокого давления, обеспечивающий его давление на уровне, необходимом для впрыскивания в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания с помощью топливных форсунок. В современных дизельных двигателях это давление может достигать 3000 бар (300 МПа). По обыкновению, после топливного насоса высокого давления используется элемент, распределяющий топливо в инжекторы и указанные форсунки. Кроме того, после насоса высокого давления топливо иногда фильтруют в форсунках или непосредственно перед • попаданием в них, однако такие фильтрующие элементы, по обыкновению, встроены в распылитель или другие элементы, что в случае их засорения приводит к необходимости замены всей детали. В случае с распылителем такая замена требует значительных затрат.
Представленный фильтр также может использоваться в бензиновых двигателях внутреннего сгорания.
Необходимость размещения фильтра после топливного насоса высокого давления обусловлена тем, что в топливо попадают мелкие осколки топливного насоса высокого давления, а также риском низкого качества фильтра, установленного перед топливным насосом высокого давления, или заменой такого фильтра на другой, не отвечающий техническим требованиям. Подобные посторонние примеси чрезвычайно вредны, они значительно сокращают срок использования, продолжительность эксплуатации, а также снижают эффективность работы топливных форсунок и других элементов топливной системы.
Настоящее изобретение представляет собой топливный фильтр, который устанавливают в топливной системе после топливного насоса высокого давления (например, в топливной магистрали высокого давления) без встраивания в какой-либо имеющийся стандартный элемент топливной системы. Фильтр, устанавливающийся в этой части топливной системы, должен иметь чрезвычайную устойчивость к высокому давлению топлива и к его внезапным колебаниям. Поэтому для такого фильтра создан опорный шток, обеспечивающий фильтрующему элементу топливного фильтра сопротивление и устойчивость к сжатию.
Топливный фильтр высокого давления состоит из, по крайней мере таких деталей: фильтрующего элемента, опорного штока, корпуса фильтра, крышки корпуса, магнита и других компонентов.
Основным элементом любого фильтра является фильтрующий элемент, который, по обыкновению, содержит пористый материал, улавливающий и отделяющий посторонние примеси из фильтруемого вещества во время его прохождения через фильтр. В топливном фильтре высокого давления используется фильтрующий элемент, изготовленный из металла или другого аналогичного прочного материала. В настоящем изобретении используется фильтрующий элемент, выполненный с использованием технологии изготовления сетчатой металлокерамической трубки. Указанный элемент состоит из пластов металлической сетки, имеющей поры размером 5-10 μм, сформированных методом диффузии. По крайней мере два таких пласта предназначены для укрепления физической структуры фильтрующего элемента, а один - используется как защитный. Коэффициент гидравлической проницаемости такого фильтрующего элемента составляет от 0,38 до 0,5. Согласно данному изобретению фильтрующий элемент имеет форму полого цилиндра без обеих оснований, иначе говоря, он имеет вид круглой трубки, открытой с обеих концов. Основное требование к размеру фильтрующего элемента заключается в том, чтобы он плотно насаживался на опорный шток и входил вглубь корпуса фильтра. В настоящем изобретении используется фильтрующий элемент длиной ~43 мм, внутренним диаметром ~8 мм и внешним диаметром ~10 мм. В разных вариантах исполнения изобретения размер, форма и другие характеристики фильтрующего элемента могут различаться.
В настоящем изобретении конструкция фильтра следующая: как только топливо, содержащееся внутри фильтра, попадает на внешнюю поверхность фильтрующего элемента и под действием давления проходит сквозь фильтрующий элемент, оно попадает из внешней поверхности фильтрующего элемента в его середину. При этом, давление топлива приводит к сжатию фильтрующего элемента. Для жесткости конструкции фильтрующего элемента, в его середине размещают опорный шток (3). В настоящем изобретении опорный шток (3) изготовлен из калиброванной стали 45 или калиброванной стали 40h, или другого материала, имеющего те же или аналогичные физические и химические свойства. Форма опорного штока (3) напоминает цилиндр. В настоящем изобретении внешние размеры указанного опорного штока (3) следующие: диаметр основы цилиндра ~8 мм, длина цилиндра ~48 мм, тем не менее размеры могут различаться в зависимости от сферы использования. Они могут отличаться и в том случае, если, например, для двигателя грузовика или трактора нужна большая пропускная способность топлива.
По всей длине цилиндра (параллельно его оси) на внешней поверхности стенок опорного штока (3) (за исключением оснований цилиндра) путем фрезерования или другим образом выполнены канавки (4). В случае других вариантов исполнения изобретения эти канавки (4) могут быть выполнены одновременно с формированием опорного штока (3). Пройдя сквозь фильтрующий элемент, топливо попадает в канавки (4), направляющие его в сторону выходного отверстия фильтра. В настоящем изобретении канавки (4) в поперечном сечении имеют треугольную форму, при этом один угол треугольника направлен к центральной оси цилиндра, а два другие угла - к его внешней поверхности. Итак, две грани канавки треугольной формы (4) совпадают со сторонами выступов (5) опорного штока (3), которые поддерживают фильтрующий элемент, а третьей грани указанного треугольника фактически не существует, она воображаема и представлена в этом документе исключительно с целью точнейшего описания формы канавки (4) в поперечном сечении. Пройдя сквозь фильтрующий элемент, топливо попадает в канавку (4) со стороны ее воображаемой грани. Треугольная в сечении канавка (4) идет по всей длине опорного штока (3). В настоящем изобретении выполнены 6 канавок (3), расположенные по всей окружности поперечного сечения опорного штока (3) равномерно, т.е. расстояние от центра одной канавки (4) до центра следующей канавки (4) - это длина дуги окружности поперечного сечения опорного штока (3), ограниченная радиусами указанной окружности, образующих угол 60°. Длина дуги окружности поперечного сечения опорного штока (3), ограниченной гранями канавки (4), составляет ~2 мм. Глубина каждой канавки (4) (расстояние от окружности поперечного сечения опорного штока (3) до глубочайшей точки в канавке (4)) составляет ~2 мм. Канавки (4) выполнены по всей длине опорного штока (3) от одного до другого конца опорного штока (3), т.е. поперечное сечение штока (3) одинаково по всей его длине. В другом варианте исполнения изобретения канавка (4), начинающаяся на одном конце опорного штока (3), не доходит до его другого конца, а заканчивается за несколько миллиметров (3-5 мм) до другого конца опорного штока (3). Опорный шток (3) не только обеспечивает жесткость и устойчивость на сжатие, но также направляет топливо в фильтре. В сочетании с другими элементами конструкции фильтра опорный шток (3) должен обеспечивать прохождение всего топлива, которое попадается в корпус фильтра, сквозь фильтрующий материал. Поэтому на обеих концах опорного штока (3) необходимо обеспечить плотный контакт опорного штока (3) с фильтрующим материалом. В другом варианте исполнения изобретения на одном конце опорного штока (3), направленном к впускному отверстию фильтра, должен быть обеспечен плотный контакт с фильтрующим элементом, а на другом конце штока (3) фильтрующий элемент должен быть в плотном контакте с внутренней поверхностью корпуса фильтра (7).
Поскольку на опорном штоке (3) выполнены канавки для прохождения потока топлива (4), между этими канавками (4) образовываются выступы (5) опорного штока (3). Форма выступов (5) является такой, что выступы (5) с канавками (4) придают опорному штоку (3) цилиндрическую форму. Как только фильтрующий элемент устанавливают на опорный шток (3), фильтрующий материал опирается на эти выступы (5), предназначенные для сохранения формы фильтрующего материала под действием высокого давления топлива и его резких колебаний. Длина окружности поперечного сечения внешней части выступа (5), на которую опирается фильтрующий материал, составляет ~2 мм. При этом, фильтрующий материал опирается приблизительно на половину внутренней площади опорного элемента (3), а другая ее половина предназначена для того, чтобы топливо проходило в канавки (4). Опорный шток (3) и фильтрующий материал могут быть прикреплены своими концами один к другому с помощью пайки, сварки или любым другим способом плотного крепления.
Один конец опорного штока (3) втиснут или другим способом надежно зафиксирован в углублении - отверстии (10), выполненном в крышке корпуса (9). В варианте исполнения изобретения, в котором канавки (4) выполнены по всей длине опорного штока (3) (не ограничиваясь этим вариантом исполнения), к другому концу опорного штока (3) прикрепляют магнит (11) или другой материал, способный притягивать другие вещества. Для целей этого изобретения прикрепленный магнит (11) способен притягивать ферромагнитные материалы. По форме магнит (11) напоминает цилиндр, диаметр которого равен диаметру поперечного сечения опорного штока (3) или несколько больше, чем он. В дополнение к своей основной функции магнит (11) также используется для закрытия отверстий, выполненных в цилиндрических основаниях опорного штока в процессе формирования канавок (4) по всей длине опорного штока (3). Магнит (11) должен быть закреплен таким образом, чтобы между опорным штоком (3), магнитом (11) и фильтрующим материалом была обеспеченна надежная герметичность, благодаря чему топливо, попадающее в корпус фильтра (7), не имело бы другого пути для выхода из фильтра, кроме как через фильтрующий элемент.
Корпус фильтра (7) предназначен для размещения в нем фильтрующего элемента с опорным штоком (3). На одном конце в корпус фильтра входит топливо для фильтрации, а на другом конце уже отфильтрованное топливо выходит из корпуса через крышку (9). В настоящем изобретении корпус фильтра (7) имеет форму, похожую на цилиндр. На одном конце указанного цилиндра закреплен (или встроен в корпус) элемент цилиндрической формы (12), который используется для плотного прикрепления корпуса фильтра (7) к элементам топливной системы. Внешняя часть элемента (12) имеет резьбу или другой элемент конструкции для обеспечения плотного крепления корпуса фильтра (7) к другим элементам топливной системы. Кроме того, указанный элемент (12) имеет отверстие (13), сквозь которое в корпус фильтра (7) поступает топливо.
В представленном изобретении корпус фильтра (7) должен быть способен выдерживать упомянутые выше уровни давления жидкости и его внезапные колебания. Поэтому корпус (7) изготовляется со стали или другого материала с подобными физическими и химическими свойствами, а минимальная толщина стенок корпуса (7) равняется ~6 мм. Габаритные размеры корпуса (7) такие: длина (с дополнительным элементом (12), к которому прикреплены другие элементы топливной системы, но без крышки корпуса (9)) составляет ~87 мм, диаметр поперечного сечения перпендикулярного к продольной оси - ~26 мм.
Как указано выше, один конец корпуса (7) оснащен элементом (12), предназначенным для плотного прикрепления (присоединения) корпуса фильтра (7) к топливной системе, а другой конец корпуса (7) имеет резьбу или другой элемент конструкции для плотного закрепления крышки корпуса (9) на корпусе (7). В представленном изобретении указанная резьба нанесена на внутреннюю часть корпуса (7), она углубляется в корпус (7) на ~13 мм (параллельно продольной оси), т.е. крышка корпуса (9) ввинчивается в корпус (7) на ~13 мм. В качестве альтернативного варианта крышку корпуса можно присоединить к корпусу любым другим образом, не представленным в этом описании.
Крышка корпуса (9) изготовлена из стали или другого материала, имеющего похожие физические и химические свойства. Крышка корпуса (9) ввинчивается в корпус фильтра (7) (или крепится к нему другим способом), а опорный шток (3) вдавливается (или закрепляется другим способом) в отверстие (10), расположенное на одном конце крышки корпуса (9), и направляется вглубь фильтра. Отверстие (10) имеет диаметр ~8 мм и глубину ~5 мм. Далее диаметр отверстия (10) резко уменьшается до 6 мм. Отверстие проходит по всей длине крышки корпуса (9) параллельно ее продольной оси. Как было указано выше, опорный шток (3) вставляется в отверстие (10) и опирается своим концом на уровне, где выполнено уменьшение диаметра отверстия (10). При этом топливо может входить в отверстие (10) на крышке корпуса проходящее по всей ее длине, через канавки (4) на опорном штоке (3). Изменение диаметра отверстия (10) от 8 мм до 6 мм влияет на поток топлива сквозь фильтр, поэтому в других вариантах исполнения изобретения эти размеры могут отличаться. Сторона крышки корпуса (9), обращенная наружу от корпуса фильтра (7), имеет внешнюю резьбу или содержит на своей внешней стороне другой элемент конструкции, дающий возможность ее прикрепления к другим частям топливной системы. Между двумя концами крышки корпуса (9), один из которых ввинчивается в корпус фильтра (7), а другой используется для крепления других частей топливной системы, выполнена часть (13) крышки корпуса (9), диаметр которой больше, чем диаметр указанных концов фильтра. Эта часть (13) большего диаметра может иметь форму шестиугольника, чтобы на ней можно было использовать стандартный гаечный ключ. На плоской поверхности части (13) большего диаметра, расположенной со стороны фильтра, выполнены углубления (14) для размещения медной шайбы, обеспечивающей герметичное уплотнение между корпусом фильтра (7) и его крышкой (9). Толщина медной шайбы должна быть большей чем углубление (14) в плоской поверхности со стороны фильтра. Возможный вариант исполнения изобретения с шайбой, но без углубления (14).
Опорный шток (3) с расположенным на нем фильтрующим элементом крепится к крышке корпуса фильтра (9), крышка (9) герметически крепится к корпусу фильтра (7), и фильтр в сборе устанавливается в топливной системе.
Согласно настоящему изобретению фильтр для жидкости высокого давления можно использовать повторно. Если фильтрующий материал засоряется посторонними примесями, попадающими из жидкости, фильтр можно легко разобрать, чтобы очистить фильтрующий материал.
Согласно настоящему изобретению фильтр для жидкости высокого давления обеспечивает поток топлива на уровне, отвечающем требованиям, а снижение давления (когда фильтр не засорен) является весьма малым, чтобы его смог зафиксировать бортовой компьютер транспортного средства. Однако, когда фильтр засоряется, бортовой компьютер транспортного средства может зарегистрировать снижение давления, которое свидетельствует о том, что фильтр засорился и нуждается в очистке или замене.
В настоящем описании представлена конструкция фильтра для жидкости. Применение фильтра для подачи дизельного топлива под высоким давлением в двигатель внутреннего сгорания - лишь один из возможных примеров исполнения изобретения. Описанная конструкция не ограничивает использования фильтра в других областях.
Понятие «после» и «перед» используются в этом документе во время описания расположения компонентов топливной системы в пределах этой системы. Они означают местонахождение описанного компонента относительно основного компонента (компонента, с которым выполняется сравнение). Понятие «после» означает местонахождение описанного компонента в том случае, когда топливо, которое по обыкновению двигается из бака в двигатель, сначала достигает основного компонента и только потом поступает в описанный компонент. Понятие «перед» означает, что топливо сначала достигает описанного компонента и только потом поступает в основной компонент.
Чтобы проиллюстрировать и описать это изобретение, выше описаны оптимальные варианты его исполнения. Это не полное описание, оно не носит ограничительный характер, рассчитанный на регламентирование точного варианта исполнения или реализации изобретения. Приведенное выше описание нужно рассматривать скорее, как иллюстрацию, нежели как ограничительный фактор. Специалисты в этой области, безусловно, могут четко представить себе большое количество модификаций и вариаций. Вариант исполнения этого изобретения выбран и описан таким образом, чтобы дать возможность специалистам в данной области лучше понять принципы, лежащие в основе данного изобретения, а также наиболее эффективное практическое применение этих принципов относительно разных вариантов исполнения изобретения в разных модификациях, которые подходят для конкретной области применения или индивидуального варианта исполнения. Объем изобретения определяется приложенной формулой изобретения, а также ее эквивалентами, в которых все использованные термины имеют широчайшие возможные значения, если не указано иное.
Варианты исполнения изобретения, описанные специалистами в соответствующей области, могут содержать изменения, которые не отклоняются от объема изобретения, как это описано в формуле изобретения, приведенной ниже.