ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА С УЛУЧШЕННОЙ ГЕРМЕТИЧНОСТЬЮ ГЕРМЕТИЧНОГО СЕДЛА УРАВНОВЕШЕННОГО ПО ДАВЛЕНИЮ УПРАВЛЯЮЩЕГО КЛАПАНА
FUEL INJECTOR WITH BETTER TIGHTNESS OF PRESSURE-EQUALISED CONTROL VALVE SEALED SEAT

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к топливной форсунке согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Подобная топливная форсунка известна, например, из ЕР 1612403 А1.
В такой известной топливной форсунке открытием и закрытием одного или нескольких распылительных отверстий управляет игла распылителя путем своего продольного перемещения. Под действием давления в управляющей полости к игле опосредованно через плунжер форсунки прикладывается усилие, действующее в направлении закрытия иглы, которая тем самым при преобладании соответственно высокого давления топлива в управляющей полости удерживается в своем закрытом положении. В момент, в который должно начаться впрыскивание топлива, срабатывает выполненный в виде электромагнитного клапана управляющий клапан, открывающий соединение управляющей полости с дренажной полостью для отвода топлива. В качестве своего клапанного элемента управляющий клапан имеет клапанную втулку, которая ограничивает снаружи кольцевую полость, которая сообщается с управляющей полостью через сливной дроссель. Клапанная втулка работает в условиях равновесия действующих на нее сил, соответственно уравновешена по давлению, т.е. на клапанную втулку в направлении ее перемещения не действует никакая результирующая сила, обусловленная давлением топлива в кольцевой полости. Усилием закрывающей пружины клапанная втулка поджимается к своему седлу и таким путем отсоединяет кольцевую полость от расположенной снаружи относительно нее дренажной полости. В момент, когда должно начаться впрыскивание топлива, клапанная втулка электромагнитом приподнимается со своего седла, что благодаря отсутствию соответствующей гидравлической составляющей силы может происходить с исключительно высокой скоростью с преодолением лишь сравнительно малого закрывающего усилия закрывающей пружины. В результате этого управляющая полость соединяется с дренажной полостью и тем самым гидростатически уравновешивается, т.е. из управляющей полости сбрасывается давление.
Клапанная втулка уравновешена по давлению, поскольку диаметр направляющей, в которой подвижно установлена клапанная втулка, и диаметр седла, уплотняющего клапанную втулку в состоянии покоя, равны между собой. В результате в состоянии покоя клапанной втулки не создаются никакие усилия, действующие в направлении ее открытия или закрытия, а создаются лишь только действующие в радиальном направлении усилия. Если же диаметр седла, соответственно посадочный диаметр, не равен направляющему диаметру, т.е. диаметру направляющей, возникают действующие в продольном направлении гидравлические силы. При выполнении направляющей и седла в одном конструктивном элементе, как это часто имеет место в большинстве конструкций, отклонение диаметра седла от направляющего диаметра всегда возможно лишь при условии, что возникающие в результате этого силы должны действовать в направлении открытия клапанной втулки. В противном случае клапанную втулку стало бы невозможным ввести в корпус управляющего клапана, соответственно в направляющую. Связанный с этим недостаток состоит прежде всего в том, что при выравнивании поверхности контакта в месте плотной посадки клапанной втулки на свое герметичное седло в ходе эксплуатации форсунки всегда могут возникать только действующие в направлении открытия гидравлические силы, которые в предельном случае могут приводить к непреднамеренному открытию управляющего клапана и тем самым к его негерметичности.
Помимо этого известны конструкции, в которых направляющая выполнена независимо от седла во второй детали, которая опирается на неподвижную деталь. Подобное конструктивное исполнение прежде всего позволяет выполнять также седло с таким отклонением его диаметра от направляющего диаметра, при котором в состоянии покоя клапанной втулки возникают гидравлические силы, действующие в направлении ее закрытия. Благодаря этому при выравнивании поверхности контакта на протяжении срока службы форсунки величину допустимого выравнивания поверхности контакта можно было бы увеличить до момента появления негерметичности и вместе с этим уменьшить также удельное давление в выровненном состоянии. Однако связанный с таким решением недостаток стоит в том, что при срабатывании привода, перемещающего клапанную втулку в направлении открытия, он дополнительно должен преодолевать гидравлическую силу, действующую в направлении закрытия клапанной втулки, и поэтому в данном случае возникает необходимость в использовании более мощного привода, что является отрицательным моментом прежде всего при применении электромагнитных приводов.
Краткое изложение сущности изобретения
Объектом изобретения является топливная форсунка для двигателей внутреннего сгорания, имеющая иглу, которая путем своего продольного перемещения управляет открытием по меньшей мере одного распылительного отверстия, подсоединенную к контуру высокого давления управляющую полость, давление в которой по меньшей мере опосредованно действует на иглу, и управляющий клапан с седлом, которое в радиальном направлении расположено между соединенной с управляющей полостью клапанной полостью высокого давления и клапанной полостью низкого давления, и с подвижным клапанным элементом, который в радиальном направлении ограничивает клапанную полость высокого давления и взаимодействует с седлом. В предлагаемой в изобретении топливной форсунке клапанный элемент управляющего клапана имеет радиально выступающий в клапанную полость высокого давления кольцевой выступ, обращенная к седлу выступающая поверхность которого образует взаимодействующую с седлом уплотнительную поверхность. При этом клапанный элемент управляющего клапана выполнен в виде клапанной втулки, а клапанная полость высокого давления расположена внутри указанной клапанной втулки.
В предлагаемой в изобретении топливной форсунке в ее новом состоянии на клапанную втулку в осевом направлении не действуют никакие сколько-нибудь существенные гидравлические силы и подобное состояние равновесия действующих на нее сил остается практически неизменным и при выравнивании поверхности контакта между клапанной втулкой и ее седлом. Благодаря этому при расчете жесткости, соответственно усилия, закрывающей пружины отпадает необходимость предварительно учитывать возникающие в течение периода эксплуатации топливной форсунки гидравлические силы, действующие в направлении открытия клапанной втулки. Благодаря же использованию закрывающей пружины, обладающей меньшей жесткостью, соответственно развивающей меньшее усилие, снижается также износ.
Другие преимущества и предпочтительные варианты выполнения предлагаемой в изобретении топливной форсунки представлены в последующем описании, на чертежах и в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Ниже предлагаемая в изобретении топливная форсунка более подробно рассмотрена со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Эти чертежи носят исключительно схематичный характер и выполнены без соблюдения масштаба. На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - вид в продольном разрезе предлагаемой в изобретении топливной форсунки с управляющим клапаном и схематично изображенными топливоподводящими компонентами,
на фиг.2а - увеличенный вид обозначенного на фиг.1 позицией II фрагмента топливной форсунки с выполненным по первому варианту управляющим клапаном с разноконусным профилем уплотнительной поверхности клапанной втулки и с конической контактной поверхностью ее седла,
на фиг.2б - аналогичный приведенному на фиг.2а вид фрагмента топливной форсунки с выполненным по второму варианту управляющим клапаном с разноконусным профилем контактной поверхностью седла клапанной втулки и с конической уплотнительной поверхностью клапанной втулки, и
на фиг.2в - аналогичный приведенному на фиг.2а вид фрагмента топливной форсунки с выполненным по третьему варианту управляющим клапаном с тороидальным профилем уплотнительной поверхности клапанной втулки и с конической контактной поверхностью ее седла.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 схематично в продольном разрезе показана предлагаемая в изобретении топливная форсунка вместе с ее топливоподводящими компонентами. Такая топливная форсунка имеет составной, но для упрощения показанный на чертеже цельным корпус 1 и распылитель 2, которые скреплены между собой прижимающей их друг к другу накидной или стяжной гайкой 3. В корпусе распылителя 2 подвижно в продольном направлении установлена игла 4, которая при своем продольном перемещении управляет открытием по меньшей мере одного распылительного отверстия 5. Топливо подводится к распылительным отверстиям 5 из полости 6 высокого давления (так называемой кольцевой полости), охватывающей иглу 4 и заполняемой находящимся под высоким давлением топливом по подводящему каналу 7. При перемещении иглы 4 от распылительных отверстий 5 в свое открытое положение топливо впрыскивается из полости 6 высокого давления через распылительные отверстия 5 в не показанную на чертеже камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания (ДВС). При нахождении же иглы 4 в своем закрытом положении, т.е. в положении, в котором она прилегает к своему седлу, она перекрывает распылительные отверстия 5.
В корпусе 1 топливной форсунки выполнено продольное отверстие 8, которое проходит соосно игле 4 и в котором подвижно в продольном направлении установлен управляющий плунжер 9. Управляющий плунжер 9 через нажимной элемент 10 прилегает к игле 4 и поэтому перемещается синхронно с ней в продольном направлении. На своем обращенном к распылителю 2 конце управляющий плунжер 9 окружен пружиной 11, которая с одной стороны опирается на уступ на корпусе 1, а с другой стороны - на нажимной элемент 10 и усилием которой нажимной элемент 10 поджимается в направлении распылителя 2, а игла 4 тем самым поджимается в направлении своего закрытого положения.
Для подачи топлива под высоким давлением предусмотрен насос 12 высокого давления, которым топливо из содержащего его топливного бака 13 под давлением подается в общую топливную магистраль 14 высокого давления, в которой топливо находится под высоким давлением. По топливопроводу 15 высокого давления через выполненное на топливной форсунке присоединение 16 высокого давления находящееся под высоким давлением топливо подается в топливную форсунку и затем описанным выше способом впрыскивается через распылительные отверстия 5 в камеру сгорания в ДВС.
F
S
F
S
Своим обращенным от распылителя 2 концом управляющий плунжер 9 ограничивает управляющую полость 17, которая через входное отверстие 18 с предусмотренным в нем входным дросселем 19 сообщается с подводящим каналом 7. Помимо этого управляющая полость 17 через продольное отверстие 20, которое выполнено в корпусе 1 и в корпусе 21 управляющего клапана, сообщается с клапанной полостью 22 высокого давления, соединяемой управляющим клапаном 23 с клапанной полостью 24 низкого давления (дренажной полостью для отвода топлива). Управляющий клапан 23 предназначен для снижения давления топлива в управляющей полости 17 и имеет клапанный элемент в виде управляющей или клапанной втулки 25, направленно перемещающейся по выполненному на корпусе форсунки стержневидному пальцу 33 с направляющим диаметром d. Клапанная втулка 25 установлена при этом подвижно в продольном направлении и в своем закрытом положении прилегает к седлу 26 диаметром d, герметично отделяя в этом положении ограниченную ею радиально наружу клапанную полость 22 высокого давления от дренажной полости 24. Клапанная втулка 25 уравновешена с точки зрения действующих на нее сил, поскольку направляющий диаметр d и диаметр d седла равны между собой, и поэтому в состоянии покоя на клапанную втулку 25 не действуют никакие усилия в направлении ее открытия или закрытия. Клапанная втулка 25 поджата закрывающей пружиной 27, которая прикладывает к клапанной втулке 25 закрывающее усилие и таким путем прижимает ее к седлу 26. При подаче электрического тока на электромагнит 28 клапанная втулка 25 приподнимается от своего седла 26, в результате чего клапанная полость 22 высокого давления, а тем самым и управляющая полость 17 через продольное отверстие 20 соединяются с дренажной полостью 24.
Принцип работы подобной топливной форсунки уже достаточно давно и хорошо известен из уровня техники и поэтому лишь кратко рассмотрен ниже. Для инициирования впрыскивания топлива подают электрический ток на электромагнит 28, который притягивает клапанную втулку 25, приподнимая ее от седла 26. В результате этого клапанная полость 22 высокого давления соединяется с дренажной полостью 24, в которой постоянно преобладает низкое давление топлива. Через продольное отверстие 20 давление в управляющей полости 17 сбрасывается, в результате чего гидравлическая сила, действующая на управляющий плунжер 9, снижается, а игла 4, на которую в направлении ее открытия действует усилие, создаваемое давлением топлива в полости 6 высокого давления, приподнимается от своего седла и открывает распылительные отверстия 5. Для завершения процесса впрыскивания топлива электромагнит 28 вновь обесточивают, в результате чего клапанная втулка 25, приводимая в движение усилием закрывающей пружины 27, скользит обратно до упора в свое седло 26. В результате продолжающегося поступления топлива через входное отверстие 18 в управляющую полость 17 давление в ней вновь возрастает, а тем самым возрастает и гидравлическая сила, действующая на управляющий плунжер 9, который в конечном итоге вновь начинает перемещаться в направлении распылителя 2 и таким путем отжимает иглу 4 обратно в ее закрытое положение.
S
F
Как показано на фиг.2, клапанная полость 22 высокого давления в близкой к седлу зоне сужена из-за наличия внутреннего кольцевого выступа 29 у клапанной втулки 25. Однако линия контакта клапанной втулки 25 с корпусом 21 управляющего клапана при этом не смещается радиально внутрь, а остается на диаметре d≈d. В результате этого управляющий клапан 23 в новом состоянии остается практически уравновешенным по давлению, соответственно по приложенным к нему усилиям, поскольку действующие на обе выступающие поверхности 29а, 29b кольцевого выступа 29 гидравлические силы взаимно уничтожаются. Иными словами, несмотря на наличие кольцевого выступа 29 на клапанную втулку 25 в продольном направлении не действуют никакие сколько-нибудь значительные гидравлические силы. При выравнивании поверхности контакта между клапанной втулкой 25 и седлом 26 выравнивающаяся поверхность увеличивается и радиально наружу, и радиально внутрь. В результате этого управляющий клапан 23 даже в изношенном состоянии остается уравновешен по давлению, при этом площадь, на которой допустимо выравнивание поверхности контакта, удается увеличить, а имеющее решающее значение для износа удельное давление на контактную поверхность седла 26 удается значительно снизить.
K
V1
V1
K
V2
V2
K
S
a
i
a
a
i
a
В показанном на фиг.2а варианте седло 26 образовано конической поверхностью с равным половине угла при вершине ее конуса углом α. Клапанная втулка 25 имеет уплотнительную кромку 30, которая образована расположенной со стороны низкого давления конической поверхностью 30а с равным половине угла при вершине ее конуса углом α(α>α) и расположенной со стороны высокого давления конической поверхностью 30b, т.е. выступающей поверхностью 29b кольцевого выступа 29, с равным половине угла при вершине ее конуса углом α (α<α). Иными словами, в месте пересечения обеих конических поверхностей 30a, 30b образуется уплотнительная кромка 30с диаметром d. Благодаря коническому профилю контактной поверхности седла 26 и разноконусному профилю уплотнительной поверхности клапанной втулки 25 выравнивание поверхности контакта происходит начиная от уплотнительной кромки 30 одинаково радиально внутрь и радиально наружу. Величина выравнивания поверхности контакта радиально снаружи ограничена наружным диаметром d корпуса 21 управляющего клапана, а радиально внутри - внутренним диаметром d клапанной втулки 25. В другом варианте ограничить величину выравнивания поверхности контакта радиально снаружи диаметром d можно также, предусмотрев на клапанной втулке 25 отграничивающую седло кромку диаметром d. Цель ограничения радиальной протяженности седла диаметрами d и d состоит в том, чтобы на низком уровне поддерживать возникающие при небольшой величине хода и действующие на седло усилия, а тем самым и их разброс между разными топливными форсунками.
V
K1
K1
V
K2
K2
V
S
a
i
В показанном на фиг.2b варианте уплотнительная поверхность, а тем самым и выступающая поверхность 29b кольцевого выступа клапанной втулки 25 образована конической поверхностью с равным половине угла при вершине ее конуса углом α. Седло 26 имеет кромку 31, которая образована расположенной со стороны низкого давления конической поверхностью 26а с равным половине угла при вершине ее конуса углом α(α<α) и расположенной со стороны высокого давления конической поверхностью 26b с равным половине угла при вершине ее конуса углом α(α>α). Иными словами, в месте пересечения обеих конических поверхностей 26а, 26b образуется посадочная кромка 31 с диаметром d. Благодаря разноконусному профилю контактной поверхности седла 26 и коническому профилю уплотнительной поверхности клапанной втулки 25 выравнивание поверхности контакта происходит начиная от посадочной кромки 31 одинаково радиально внутрь и радиально наружу. Величина выравнивания поверхности контакта радиально снаружи ограничена наружным диаметром d корпуса 21 управляющего клапана, а радиально внутри - внутренним диаметром d клапанной втулки 25.
K
S
K
a
i
В показанном на фиг.2в варианте седло 26 образовано конической поверхностью с равным половине угла при вершине ее конуса углом α. Уплотнительная поверхность, а тем самым и выступающая поверхность 29b кольцевого выступа клапанной втулки 25 выполнена в виде кольцевого тора (радиус R), в результате чего на том диаметре d, на котором касательная к тору также имеет равный половине угла при вершине конуса угол α, образуется посадочная линия 32. Благодаря коническому профилю контактной поверхности клапанного седла 26 и тороидальному профилю уплотнительной поверхности клапанной втулки 25 выравнивание поверхности контакта происходит начиная от посадочной линии 32 одинаково радиально внутрь и радиально наружу. Величина выравнивания поверхности контакта радиально снаружи ограничена наружным диаметром d корпуса 21 управляющего клапана, а радиально внутри - внутренним диаметром d клапанной втулки 25. В не показанных на чертежах вариантах уплотнительная поверхность клапанной втулки, наоборот, может быть образована конической поверхностью, а контактная поверхность седла соответственно может быть выполнена в виде кольцевого тора.