ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА
FUEL ATOMISER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к топливной форсунке для впрыскивания топлива в камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения.
Топливная форсунка указанного в начале описания типа имеет электромагнитный узел для непосредственного или опосредованного приведения в действие иглы ее распылителя, которая установлена в отверстии корпусной детали топливной форсунки с возможностью возвратно-поступательного перемещения в этом отверстии и которая при ее приведении в действие открывает, соответственно закрывает по меньшей мере одно распылительное отверстие. В качестве предпочтительного зарекомендовало себя прежде всего непосредственное приведение в действие иглы распылителя, поскольку непосредственное ее приведение в действие происходит без подачи возвращаемого количества топлива. Сказанное означает, что в сливной топливопровод нет необходимости подавать перепускаемое количество топлива с целью снижения управляющего давления, действующего на иглу распылителя, и обеспечения тем самым ее открытия. Непосредственное приведение в действие иглы распылителя позволяет, таким образом, упростить конструкцию топливной форсунки. Помимо этого повышается коэффициент полезного действия системы впрыскивания топлива, в которой используется подобная топливная форсунка. Повышение коэффициента полезного действия обусловлено тем, что при работе топливной форсунки без подачи в нее возвращаемого количества топлива сокращается объемная подача. Вследствие этого появляется также возможность уменьшить мощность, соответственно производительность топливоподающего агрегата, используемого в системе впрыскивания топлива.
Однако непосредственное приведение в действие иглы распылителя предъявляет высокие требования к применяемым приводным средствам. Связано это с тем, что, во-первых, для открывания иглы распылителя необходимо развивать достаточно высокое усилие, а во-вторых, необходимо обеспечить достаточно большой ее ход для устранения эффекта дросселирования (для "раздросселирования") в зоне ее седла. Использование более крупного и тем самым более мощного привода не всегда возможно, поскольку топливная форсунка обычно имеет заданные размеры и поэтому имеющееся в распоряжении монтажное пространство для размещения привода ограничено. По этой причине необходимо принимать иные меры, которые обеспечивают развитие достаточно высокого приводного усилия для приведения в действие иглы распылителя, прежде всего при непосредственном ее приведении в действие.
Уровень техники
Из DE 102007034610 A1 известен электромагнитный узел, который может использоваться, например, в топливной форсунке указанного в начале описания типа. Такой электромагнитный узел имеет магнитную цепь с кольцевым магнитопроводом, в котором предусмотрена кольцевая выемка, в которой размещена катушка. Катушка при ее запитывании приводит в движение якорь, который выполнен цельным или составным. Электромагнитный узел имеет далее втулку, насаженную на сердечник. Втулка имеет внутреннюю рабочую поверхность полюса, которая проходит в радиальном направлении и увеличивает площадь внешнего полюса сердечника в этом же радиальном направлении. Благодаря этому должно улучшаться проведение магнитного потока, который может полностью использоваться для создания приводного усилия.
Исходя из рассмотренного выше уровня техники в основу настоящего изобретения была положена задача разработать топливную форсунку с электромагнитным узлом в качестве приводного средства, который обладал бы особо высокой мощностью и позволял бы при этом интегрировать его в топливную форсунку таким образом, чтобы обеспечивалась возможность сохранения ее обычных размеров.
Указанная задача решается с помощью топливной форсунки с отличительными признаками, представленными в п. 1 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения приведены различные предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Краткое изложение сущности изобретения
Предлагаемая в изобретении топливная форсунка имеет для непосредственного или опосредованного приведения в действие иглы ее распылителя, установленной в отверстии корпусной детали топливной форсунки с возможностью возвратно-поступательного перемещения в этом отверстии для открытия и закрытия по меньшей мере одного распылительного отверстия, электромагнитный узел с цельной или составной возвратно-поступательно перемещающейся якорной деталью. Согласно изобретению электромагнитный узел для увеличения магнитной цепи имеет также втулкообразную деталь, используемую в качестве стяжной втулки и/или для соединения корпусной детали с по меньшей мере еще одной корпусной деталью и определяющую тем самым максимальный наружный диаметр D топливной форсунки в критичной с точки зрения доступного монтажного пространства зоне, т.е. в зоне ограниченного монтажного пространства. Тем самым втулкообразная деталь может использоваться, с одной стороны, для замыкания магнитной цепи, а с другой стороны, в качестве стяжной втулки. В предпочтительном варианте втулкообразная деталь обеспечивает герметичное соединение по меньшей мере двух корпусных деталей топливной форсунки и их фиксацию по положению относительно друг друга, например, путем их стягивания друг с другом. Помимо этого реализуется магнитная цепь, использующая весь диаметр топливной форсунки. Увеличенная на втулкообразную деталь магнитная цепь обеспечивает повышение магнитной силы, что предпочтительно прежде всего в топливных форсунках с непосредственным управлением иглой распылителя. Помимо этого размеры топливной форсунки остаются неизменными, поскольку втулкообразная деталь заменяет собой обычно применяемую для соединения между собой нескольких корпусных деталей стяжную втулку и/или накидную гайку.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения втулкообразная деталь для увеличения магнитной цепи без зазора соединена с по меньшей мере одной корпусной деталью топливной форсунки. С этой целью втулкообразная деталь в предпочтительном варианте напрессована на корпусную деталь или насажена на нее в горячем состоянии. Беззазорное соединение обладает тем дополнительным преимуществом, что втулкообразная деталь участвует в восприятии создаваемых давлением сил, приложенных к внутренним деталям. Восприятие таких сил втулкообразной деталью обеспечивает снижение максимального растягивающего напряжения на внутренних волокнах внутренних деталей. Поэтому благодаря меньшей нагрузке, соответственно меньшему напряжению появляется возможность уменьшить толщину стенок внутренних деталей и/или без риска перегрузки увеличить прикладываемые к ним силы, создаваемые давлением, путем повышения его уровня в системе. В соответствии с этим предлагаемая в изобретении топливная форсунка пригодна для применения прежде всего в системах впрыскивания топлива, давление в которых составляет 2000 бар и более. Для некритичного с точки зрения нагрузки применения втулкообразную деталь вполне достаточно лишь надевать на корпусную деталь.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения электромагнитный узел предназначен для непосредственного приведения в действие иглы распылителя топливной форсунки, которая соответственно выполнена с возможностью работы без подачи в нее возвращаемого количества топлива. Необходимое для непосредственного приведения в действие иглы распылителя высокое приводное усилие может достигаться благодаря предлагаемому в изобретении выполнению электромагнитного узла, поскольку в качестве компонента электромагнитного узла втулкообразная деталь вне катушки берет на себя выполнение функции по замыканию силовых линий, что приводит к увеличению магнитной цепи и тем самым к повышению приводного усилия.
В еще одном варианте осуществления изобретения при работе топливной форсунки электромагнитный узел по меньшей мере на отдельных участках нагружен высоким давлением. В соответствии с этим электромагнитный узел не требуется размещать отдельно в находящейся под низким давлением части, которая герметично изолирована от находящейся под высоким давлением части. Тем самым при работе топливной форсунки по меньшей мере части электромагнитного узла обтекает находящееся под высоким давлением топливо.
Предпочтителен далее вариант, в котором по меньшей мере на одном отдельном участке образован осесимметричный топливопровод высокого давления и/или между двумя противолежащими поверхностями внутренних стенок образован топливопровод высокого давления. В соответствии с этим можно отказаться от расположенного сбоку дополнительного отверстия высокого давления, избежав тем самым дополнительного ослабления корпусной детали выполнением в ней такого дополнительного бокового отверстия высокого давления. Благодаря этому дополнительно повышается прочность топливной форсунки к воздействию высокого давления.
Альтернативно этому или дополнительно к этому в еще одном возможном варианте топливопровод высокого давления имеет по меньшей мере одно отверстие или одну канавку, проходящее/проходящую через деталь электромагнитного узла. Подобное отверстие или подобную канавку целесообразно предусматривать прежде всего при отсутствии между двумя деталями зазора, достаточного для образования топливопровода высокого давления. Такое отверстие или такая канавка может проходить через деталь электромагнитного узла в осевом направлении и/или в радиальном направлении и, например, гидравлически соединять первую полость высокого давления со второй полостью высокого давления. Разделяющая эти полости высокого давления деталь может представлять собой, например, имеющийся в электромагнитном узле диск или пластинчатый якорь, в котором в этом случае выполнено такое отверстие или выполнена такая канавка. Помимо этого подобное отверстие или подобная канавка может также проходить наклонно и, например, гидравлически соединять между собой центральное отверстие высокого давления и расположенную радиально снаружи него кольцевую полость высокого давления.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения цельная или составная возвратно-поступательно перемещающаяся якорная деталь имеет иглу электромагнитного узла. Такая игла в предпочтительном варианте также установлена в центральном отверстии якорной детали с возможностью перемещения в этом отверстии в осевом направлении. Альтернативно этому в якорной детали может быть также установлен якорный палец и/или стержневой выравнивающий давление (компенсационный) элемент. Якорная деталь может быть далее выполнена в виде втягивающегося, ступенчатого или плоского якоря.
В качестве предпочтительной зарекомендовала себя цельная или составная возвратно-поступательно перемещающаяся якорная деталь, выполненная в виде втягивающегося якоря с радиально расширенной частью в зоне рабочего зазора. Вытекающие из этого преимущества проявляются прежде всего в том случае, когда якорь, кроме того, изготовлен из обладающего более выраженными магнитными свойствами материала, чем материал окружающей якорь детали, поскольку из-за эффектов магнитного насыщения детали из обладающего менее выраженными магнитными свойствами материала приводное усилие дросселируется в меньшей степени. В результате проявляется дополнительный предпочтительный эффект.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - вид в продольном разрезе топливной форсунки, известной из уровня техники,
на фиг. 2 - вид в продольном разрезе предлагаемой в изобретении топливной форсунки в зоне электромагнитного узла, имеющего втягивающийся якорь,
на фиг. 3 - вид в продольном разрезе выполненной еще по одному варианту предлагаемой в изобретении топливной форсунки в зоне электромагнитного узла, имеющего ступенчатый якорь, и
на фиг. 4 - вид в продольном разрезе выполненной еще по одному варианту предлагаемой в изобретении топливной форсунки в зоне электромагнитного узла, имеющего плоский якорь.
Подробное описание чертежей
Показанная на фиг. 1 известная топливная форсунка имеет распылитель с корпусом в качестве корпусной детали 2 и с центральным отверстием 1, в котором установлена возвратно-поступательно перемещающаяся игла 3. При совершении иглой 3 возвратно-поступательного движения она открывает, соответственно закрывает по меньшей мере одно распылительное отверстие 4 топливной форсунки. Центральное отверстие 1 на отдельном своем участке одновременно служит топливопроводом высокого давления, по которому к распылительному отверстию 4 подводится находящееся под высоким давлением топливо. Такой выполненный в виде топливопровода высокого давления участок центрального отверстия 1 проходит от выполненной в корпусной детали 2 кольцевой полости 17 высокого давления вплоть до распылительного отверстия 4. В полость 17 высокого давления находящееся под ним топливо попадает по проходящему сбоку каналу 18 высокого давления.
К корпусной детали 2, соответственно к корпусу распылителя форсунки примыкает электромагнитный узел 5, который имеет корпус 15 в качестве еще одной корпусной детали, а также вставленную в него катушку 14. В корпусе 15 установлена, кроме того, составная возвратно-поступательно перемещающаяся якорная деталь 6, которая в данном случае состоит из втягивающегося якоря 19 и иглы 12 электромагнитного узла. Игла 12 электромагнитного узла нагружена нажимным усилием упругого элемента 16 в направлении закрытия иглы 3 распылителя. Тем самым упругий элемент 16 предназначен для возврата иглы 12 электромагнитного узла, соответственно иглы 3 распылителя, которая возвращается иглой 12 на свое герметичное седло. Электромагнитный узел 5, а также еще одна корпусная деталь 9 скреплены между собой герметично стягивающей их друг с другом стяжной втулкой 8, которая при этом задает максимальный наружный диаметр D топливной форсунки в критичной с точки зрения доступного монтажного пространства зоне. Показанная на фиг. 1 топливная форсунка имеет далее охватывающий иглу 12 электромагнитного узла передаточный поршень 20, который через гидравлический связующий объем 21 кинематически связан с иглой 3 распылителя. В первой фазе перемещения иглы 3 распылителя в направлении открытия передаточный поршень 20 прилегает к корпусной детали 2 в то время, когда игла 12 электромагнитного узла через гидравлический связующий объем 21 прикладывает к игле 3 распылителя тянущее усилие, стремящееся приподнять иглу распылителя с ее герметичного седла. При этом гидравлическая рабочая поверхность иглы 12 электромагнитного узла, явно меньшая по своей площади по сравнению с рабочей поверхностью иглы 3 распылителя, обусловливает увеличение развиваемого в направлении открытия усилия, благодаря чему преодолевается первоначально действующее на иглу 3 распылителя высокое закрывающее усилие. Лишь во второй фазе перемещения иглы 3 распылителя в направлении открытия передаточный поршень 20 приподнимается от корпусной детали 2, при этом из-за существующего после этого соотношения площадей происходит изменение с увеличения развиваемого в направлении открытия усилия на его передачу с передаточным отношением 1/1.
У предлагаемой в изобретении топливной форсунки, например форсунки, показанной на фиг. 2-4, увеличение развиваемого в направлении открытия усилия обеспечивают путем расширения магнитной цепи до максимального наружного диаметра D топливной форсунки в критичной с точки зрения доступного монтажного пространства зоне. Достигается это благодаря тому, что электромагнитный узел 5 предлагаемой в изобретении топливной форсунки наряду с катушкой 14 и корпусом 15 имеет также втулкообразную деталь 7, которая одновременно служит стяжной втулкой 8 и определяет наружный диаметр D топливной форсунки в критичной с точки зрения доступного монтажного пространства зоне. Тем самым для образования магнитной цепи используется полный диаметр топливной форсунки. Однако наружные размеры топливной форсунки остаются при этом неизменными. Одновременно с этим втулкообразная деталь 7 служит для опирания на нее внутренних стенок, воспринимая действующие на них создаваемые давлением силы. Наличие у втулкообразной детали 7 подобной опорной функции обусловлено тем, что она в качестве еще одной корпусной детали без зазора соединена с корпусными деталями 2, 9 и с корпусом 15. Дополнительно повысить эффективность опирания можно путем напрессовывания втулкообразной детали 7 на корпусные детали 2, 9 и корпус 15. Помимо этого повышению прочности корпусных деталей 2, 9, соответственно электромагнитного узла 5 способствует выполненный в основном осесимметричным топливопровод 10 высокого давления. Подвод топлива осуществляется в основном через кольцевые зазоры между противолежащими поверхностями внутренних стенок, при этом такие кольцевые зазоры могут проходить преимущественно и в осевом, и в радиальном направлениях. Дополнительно к этому каналами высокого давления, соответственно топливопроводом высокого давления могут служить отверстия 11.
В показанном на фиг. 2 варианте выполнения предлагаемой в изобретении топливной форсунки ее электромагнитный узел 5 имеет якорную деталь 6, которая выполнена в виде втягивающегося якоря. Такой втягивающийся якорь имеет радиально расширенную часть 13, благодаря которой уменьшается рабочий зазор между втягивающимся якорем и катушкой 14. Вытекающие из этого преимущества проявляются прежде всего в том случае, когда якорь изготовлен из обладающего более выраженными магнитными свойствами материала, чем материал примыкающей к рабочему зазору детали, поскольку в этом случае действующая на втягивающийся якорь магнитная сила дросселируется (ослабляется) в меньшей степени. Однако наличие радиально расширенной части 13 не является строго обязательным.
Выполненная в виде втягивающегося якоря якорная деталь 6 в показанном на фиг. 2 варианте установлена в отверстии корпуса 15. Остающийся между втягивающимся якорем и корпусом 15 кольцевой зазор служит при этом топливопроводом 10 высокого давления. Тем самым при работе топливной форсунки находящееся под высоким давлением топливо обтекает втягивающийся якорь. К топливопроводу 10 высокого давления топливо в представленном на чертеже варианте поступает по наклонно проходящему отверстию 11, которое соединяет кольцевое пространство с центральным отверстием в корпусной детали 9. Топливопровод 10 высокого давления, включая отверстие 11, может быть также выполнен осесимметричным, благодаря чему исключается ослабление, т.е. снижение жесткости расположенных внутри деталей боковым каналом высокого давления. Соответствующее выполнение топливопровода высокого давления позволяет дополнительно повысить прочность топливной форсунки.
Показанный на фиг. 3 вариант отличается от показанного на фиг. 2 варианта в основном тем, что якорная деталь 6 выполнена в виде ступенчатого якоря, а электромагнитный узел 5 имеет далее диск 22, который одновременно может служить ограничителем хода ступенчатого якоря. Диск 22 имеет по меньшей мере одно отверстие 11 для гидравлического соединения между собой двух кольцевых полостей высокого давления. Альтернативно этому или дополнительно к этому в качестве топливопровода высокого давления может также использоваться зазор, остающийся между ступенчатым якорем и диском 22, и/или зазор, остающийся между ступенчатым якорем и корпусной деталью 9. Корпусная деталь 9 в предпочтительном варианте также имеет отверстие 11, через которое топливо поступает в зону, где расположена катушка.
На фиг. 4 показан третий вариант выполнения предлагаемой в изобретении топливной форсунки. Основное отличие этого варианта от предыдущих состоит в том, что якорная деталь 6 выполнена в виде плоского якоря и имеет по меньшей мере одно отверстие 11 для гидравлического соединения между собой двух кольцевых полостей высокого давления. Топливопроводом 10 высокого давления могут, кроме того, служить зазоры между выполненной в виде плоского якоря якорной деталью 6 и корпусной деталью 9.
Наряду с показанными на фиг. 2-4 вариантами выполнения топливной форсунки возможны и другие варианты ее выполнения, которые могут варьироваться, например, в отношении конкретного выполнения якорной детали 6 и/или электромагнитного узла 5. Тем самым очевидно, что представленные на чертежах варианты выбраны только в качестве примеров. Однако общим для всех вариантов является внешнее расположение втулкообразной детали 7, которая является компонентом электромагнитного узла 5 и расширяет магнитную цепь до полного диаметра топливной форсунки. Соответственно увеличенная магнитная цепь обеспечивает возможность увеличения приводного усилия, соответственно усилия, развиваемого приводом, при сохранении обычных наружных размеров топливной форсунки. Втулкообразная деталь 7, обладающая действием опоры, способствует далее повышению прочности топливной форсунки. Предлагаемая в изобретении топливная форсунка тем самым пригодна также для применения в системах впрыскивания топлива, давление в которых явно превышает 2000 бар.