ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА
FUEL ATOMISER

Уровень техники
Топливная форсунка для впрыскивания топлива в камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), у которой ее управляющим впрыскиванием клапанным элементом управляет управляющий клапан с электромагнитным приводом, известна из EP 1612403. Управляющий клапан позволяет закрывать или открывать сливной дроссель, ведущий из управляющей полости в сливной топливопровод. Управляющая полость с одной своей стороны ограничена управляющим плунжером, который управляет управляющим впрыскиванием клапанным элементом, который открывает или перекрывает по меньшей мере одно распылительное отверстие, через которое в камеру сгорания в ДВС впрыскивается топливо. Сливной дроссель выполнен в детали, которая с обращенной от управляющей полости стороны снабжена сужающимся седлом. С этим седлом взаимодействует запорный элемент, который соединен с якорем электромагнитного клапана. Для этого на запорном элементе выполнена кромка, опускаемая на коническое седло. Запорный элемент перемещается по осевому стержню, который выполнен за одно целое с деталью, в которой выполнен сливной дроссель. Для герметичного закрытия клапана необходимо прецизионное изготовление взаимодействующих между собой поверхностей, а также требуется высокоточная припасовка запорного элемента во избежание его перекоса, из-за которого седло закрывается не полностью, а также происходят потеря давления и утечка топлива.
Для подачи топлива в ДВС с непосредственным впрыскиванием топлива, прежде всего в дизельные двигатели, в настоящее время все более широкое применение находят управляемые по величине хода системы впрыскивания топлива с общей топливной магистралью высокого давления, называемой также топливным аккумулятором высокого давления (так называемые топливные системы "common rail"). Преимущество подобных систем впрыскивания топлива состоит в возможности согласования давления впрыскивания топлива с нагрузкой ДВС и частотой вращения его вала. Известны управляемые по величине хода топливные форсунки с управляющим ими электромагнитным клапаном. В таких топливных форсунках перемещением их управляющего впрыскиванием клапанного элемента управляет давление в сервоуправляющей полости. Давлением в этой управляющей полости топливной форсунки в свою очередь управляет электромагнитный клапан. Для лучшего согласования давления впрыскивания топлива такими топливными форсунками необходим электромагнитный клапан, который обладает минимально возможным временем переключения и соответственно высокой скоростью переключения (срабатывания). Использование уравновешенного по давлению управляющего плунжера позволяет использовать упругие элементы или пружины малой жесткости (развивающие небольшие усилия), снизить подъемную силу, которую должны развивать электромагниты, а также уменьшить величину хода клапанного элемента электромагнитного клапана и тем самым сократить время его переключения. Сокращение времени переключения электромагнитного клапана позволяет существенно улучшить характеристики впрыскивания топлива топливной форсункой, прежде всего ее способность многоразового впрыскивания топлива. В электромагнитных клапанах с сервоуправлением управляющее количество топлива в контуре сервоуправления и возможно просачивающееся через неплотности между сопряженными поверхностями направляющих топливо вызывают нагрев электромагнитного клапана до весьма высоких температур. При этом давление такого топлива, равное высокому давлению в системе, сбрасывается. В результате материал, из которого, изготовлены детали и элементы топливной форсунки, подвергается достаточно высокой термической нагрузке, из-за чего возникают проблемы с выбором материала для изготовления деталей и элементов топливной форсунки. Особо высокой термической нагрузке при этом подвергается прежде всего катушка электромагнита, поскольку в результате подвода электрической энергии к катушке ее температура повышается до уровня, превышающего температуру топлива. Используемые в настоящее время в электромагнитных клапанах пластмассы, из которых изготавливают каркасы катушек и накладываемые путем экструзии облицовки, не пригодны для работы при повышенных температурах, с увеличением которых возрастает сопротивление катушек, расчет параметров которых поэтому осложняется. По этой причине в топливных форсунках прежде всего тех конструкций, в которых электромагнитный клапан и привод расположены в верхней части форсунки, происходит превышение максимально допустимой температуры, до которой могут нагреваться приводы. В верхней части топливных форсунок теплоотдача через их корпус за счет теплопроводности сравнительно низка и в крайнем случае возможна только за счет конвекции.
В электромагнитных клапанах, используемых в настоящее время для управления топливными форсунками, применяемыми в топливных системах дизельных двигателей, катушка обычно окружена сердечником для развития благодаря этому электромагнитом достаточно высокой подъемной силы. Однако из-за такого размещения катушки она находится в плохом тепловом контакте со своим окружением и может отдавать лишь небольшое количество выделяемой ею тепловой энергии. При подводе же управляющей электрической энергии к катушке ее температура повышается до уровня, превышающего температуру топлива.
Краткое изложение сущности изобретения
Для снижения температуры катушки, которая обычно встроена в сердечник электромагнитного узла, в изобретении предлагается по меньшей мере частично пропускать сливаемое или перепускаемое через сервоклапан топливо непосредственно вдоль катушки. При этом такое сливаемое топливо поглощает тепло катушки, температура которой в результате снижается. С этой целью между сердечником и катушкой образуют соответствующий проточный канал, который может быть выполнен, например, с кольцевым поперечным сечением. Через такой канал с кольцевым поперечным сечением по меньшей мере частично непосредственно проходит сливаемое топливо.
В отличие от электромагнитных клапанов использовавшихся до настоящего времени конструкций в предлагаемом в изобретении электромагнитном узле кольцевая катушка вставлена в кольцевую выемку в сердечнике не с ее уплотнением, а с образованием проточного канала между наружным периметром катушки и охватывающей ее выемкой внутри сердечника. Такой проточный канал обеспечивает обтекание кольцевой или торообразной катушки топливом со всех ее сторон. Тем самым перепускаемое топливо может протекать не только вдоль радиально внутренней и наружной боковых поверхностей катушки, но и вдоль ее верхнего и нижнего торцов. Для улучшения подобного обтекания катушки топливом в плоском якоре, направленно перемещающемся по соответствующему стержню, можно предусмотреть отверстия, способствующие поступлению перепускаемого топлива в направлении сливного топливопровода низкого давления. В предпочтительном варианте в сердечнике над выемкой в нем расположены образующие сборную линию проходные отверстия, через которые нагретое катушкой топливо перетекает в сливной топливопровод низкого давления. Благодаря предлагаемому в изобретении решению обеспечивается конвекционный перенос тепла от катушки к обтекающему ее со всех сторон перепускаемому топливу, которое отводится затем в расположенный в контуре низкого давления сливной топливопровод системы впрыскивания топлива.
В предпочтительном варианте катушка может быть заключена внутри кольцевого пространства в якоре в ее каркас, обтекаемый в свою очередь перепускаемым или просачивающимся топливом. Помимо этого в еще одном предпочтительном варианте реализации лежащей в основе изобретения идеи в выемке в сердечнике, в которой расположена катушка, при определенных условиях с ее каркасом, расположена распорка, благодаря которой обеспечивается всестороннее обтекание катушки, соответственно ее каркаса топливом вдоль ее, соответственно его торцов, а также вдоль ее, соответственно его радиально внутренней и наружной боковых поверхностей. Преимущество, связанное с наличием такой распорки, состоит в том, что она не допускает перекрытие отверстий, которые расположены в сердечнике и по которым топливо отводится в сливной топливопровод в контуре низкого давления, катушкой, а обеспечивает возможность объединения первого и второго кольцевых проточных каналов над торцом катушки и возможность беспрепятственного перепуска топлива через отверстия, выполненные над сердечником и совмещенные с входными отверстиями сливных каналов в крышке, в сливной топливопровод низкого давления.
Краткое описание чертежа
Ниже предлагаемое в изобретении решение более подробно рассмотрено со ссылкой на единственный прилагаемый к описанию чертеж, на котором в разрезе показана предлагаемая в изобретении топливная форсунка, у которой ее переключающий клапан выполнен в виде электромагнитного клапана, имеющего электромагнитный узел с обтекаемой перепускаемым топливом катушкой.
Описание вариантов осуществления изобретения
Как показано на прилагаемом к описанию чертеже, в топливную форсунку 10 по топливопроводу 12 высокого давления подается находящееся под давлением в системе топливо. В топливопровод 12 высокого давления находящееся под давлением в системе топливо в свою очередь поступает из общей топливной магистрали высокого давления ("common rail"). В общую топливную магистраль высокого давления ("common rail") топливо подается насосом высокого давления или иным подающим агрегатом высокого давления, которым тем самым давление топлива, находящегося в общей топливной магистрали высокого давления, поддерживается на уровне давления в системе, составляющего 2000 бар и более. Под таким давлением, т.е. под давлением в системе, топливо в соответствии с чертежом подается в корпус 14 топливной форсунки 10. Топливо, поступающее по подводящему топливопроводу 12 высокого давления в корпус 14 топливной форсунки, накапливается в накопительной полости (накопительном объеме) 16.
Ниже корпуса 14 топливной форсунки 10 расположен распылитель 18. В верхней части топливной форсунки 10 расположен корпус 20 привода с размещенным в этом корпусе переключающим клапаном. Такой переключающий клапан в предпочтительном варианте представляет собой электромагнитный клапан 22. Помимо этого в корпусе 14 топливной форсунки 10 расположена форсуночная деталь 24. В форсуночной детали 24 выполнена управляющая полость 28. Управляющая полость 28 в форсуночной детали 24 сообщается с ведущим в нее входным дросселем 30, а также с по меньшей мере одним ведущим из нее сливным дросселем 32 в сливном канале 34. Через входной дроссель 30 в выполненную в форсуночной детали 24 управляющую полость 28 постоянно поступает находящееся под давлением в системе топливо. При срабатывании переключающего клапана, прежде всего электромагнитного клапана 22, происходит перепуск управляющего количества топлива из управляющей полости 28 в направлении сливного топливопровода 84 в контуре низкого давления. Находящееся под давлением в системе топливо, поступающее в управляющую полость 28 через по меньшей мере один входной дроссель 30, воздействует на торец управляющего впрыскиванием клапанного элемента 26, который в предпочтительном варианте выполнен в виде иглы. Такой управляющий впрыскиванием клапанный элемент 26, прежде всего в виде иглы, проходит через накопительную полость 16.
На своей верхней плоской стороне форсуночная деталь 24 имеет седло 36, которое может быть выполнено в виде плоского седла, конического седла или седла для шарикового запорного элемента (затвора). Форсуночная деталь 24 закреплена в корпусе 24 топливной форсунки прижимным резьбовым кольцом 40 с наружной резьбой.
Как показано на чертеже, на нижний торец форсуночной детали 24 опирается закрывающая пружина 54. Другим своим концом закрывающая пружина опирается на буртик 52 на окружном периметре управляющего впрыскиванием клапанного элемента 26, который в предпочтительном варианте выполнен в виде иглы. Корпус 14 топливной форсунки соединен с распылителем 18, соответственно с его корпусом. В полость распылителя 18 находящееся под давлением в системе топливо в свою очередь поступает из накопительной полости 16 в корпусе 14 топливной форсунки. Находящееся под давлением в системе топливо перетекает вдоль одной лыски 56 или нескольких лысок 56, выполненной/выполненных на боковой поверхности управляющего впрыскиванием клапанного элемента 26, который в предпочтительном варианте выполнен в виде иглы, в кольцевую полость 58 в распылителе 18. Из приведенного на чертеже изображения следует, что в показанном на чертеже положении управляющего впрыскиванием клапанного элемента 26, который в предпочтительном варианте выполнен в виде иглы, он опущен на свое седло 60 на обращенном к камере сгорания конце топливной форсунки 10 и перекрывает его. В показанном на чертеже положении управляющего впрыскиванием клапанного элемента 26, который в предпочтительном варианте выполнен в виде иглы, топливо не может впрыскиваться через по меньшей мере одно распылительное отверстие 62 в камеру сгорания в ДВС, предпочтительно в дизельном двигателе.
Как показано далее на чертеже, на плоской стороне форсуночной детали 24 расположен направляющий элемент 48. Такой направляющий элемент 48 служит направляющей для вставленного в него втулкообразного клапанного элемента 38. Клапанный элемент 38 имеет на своем нижнем торце отсечную остроугольную или остроконечную кромку, которая взаимодействует с его седлом 36 на верхнем торце форсуночной детали 24. Направляющий элемент 48 ограничивает кольцевую полость 46, которая через по меньшей мере одно отверстие сообщается с выполненной в корпусе 20 привода гидравлической полостью. Помимо этого показанный на чертеже переключающий клапан, соответственно электромагнитный клапан 22 представляет собой уравновешенный по давлению переключающий клапан, поскольку выполненный втулкообразным клапанный элемент 38 с выполненным на нем плоским якорем 90 установлен на направляющем его перемещение работающем на сжатие стержне 50. Из приведенного на чертеже изображения следует, что работающий на сжатие стержень 50, обеспечивающий уравновешенность по давлению переключающего клапана, прежде всего электромагнитного клапана 22, закреплен на нижнем торце крышки 86, которая закрывает корпус 20 привода.
Как показано далее на чертеже, переключающий клапан, который прежде всего выполнен в виде электромагнитного клапана 22, имеет электромагнитный узел 70. Такой электромагнитный узел 70 в свою очередь имеет сердечник 72 с расположенной в нем катушкой 74. Катушка 74 может быть расположена в сердечнике 72 с образованием первого проточного канала 80 и/или второго проточного канала 82. Преимущество, связанное с образованием проточных каналов 80, соответственно 82, которые в предпочтительном варианте выполнены в виде кольцевых каналов, состоит в возможности использовать перепускаемый при открытии клапанного элемента 38 из управляющей полости 28 объем топлива для охлаждения катушки 74. При этом не имеет значения, вставлена ли катушка 74 без ее каркаса 76 или в заключенном в него виде в выполненную соответствующей формы, т.е. с завышенным размером, выемку в сердечнике 72 электромагнитного узла 70. Выполнение указанной выемки с завышенным размером позволяет, как показано на чертеже, образовать проточные каналы, такие как первый проточный канал 80 и/или второй проточный канал 82, с кольцевым поперечным сечением. Для закрепления катушки 74, соответственно комбинации из катушки 74 и ее каркаса 76 внутри выемки в сердечнике 72 можно использовать, например, по меньшей мере одну распорку 78. Благодаря этому обеспечивается вытекание перепускаемого топлива, обтекающего катушку 74, соответственно ее каркас 76 и снижающего их температуру, через отверстия 98 в сердечнике 72. В предпочтительном варианте в верхней части сердечника 72 выполнено несколько отверстий 78, которые совмещены с входными отверстиями сливных каналов 96. Сливные каналы 96 в предпочтительном варианте выполнены в крышке 86, которая закрывает корпус 20 привода топливной форсунки 10. Топливо, которое непосредственно обтекает каркас 76 катушки, соответственно саму катушку 74 и которое представляет собой перепускаемое из управляющей полости 28 топливо или просачивающееся через неплотности между сопряженными поверхностями направляющих топливо либо топливо из иного аналогичного источника, скапливается в крышке 86 в выполненной в ней сборной камере 94 и из нее по сливному топливопроводу 84 низкого давления отводится в находящуюся под низким давлением часть системы впрыскивания топлива.
Из приведенного на чертеже изображения следует, что входные отверстия сливных каналов 96, оканчивающихся в сборной полости 94 в крышке 86, в предпочтительном варианте совмещены с отверстиями 98 с верхней стороны сердечника 72.
Для дополнительного повышения эффективности охлаждения катушки 74, соответственно комбинации из катушки 74 и ее каркаса 76 плоский якорь 90 электромагнитного узла 70 имеет, как показано на чертеже, по меньшей мере одно отверстие 88 в виде сверленого отверстия. Благодаря этому улучшается натекание топлива на нижний торец каркаса 76 катушки, соответственно на нижний торец самой катушки 74, если она выполнена без каркаса 76. Через по меньшей мере одно выполненное в плоском якоре 90 отверстие 88 перепускаемое топливо непосредственно набегает на нижний торец катушки 74, соответственно ее каркаса 76 и таким путем охлаждает этот нижний торец. От нижнего торца каркаса 76, соответственно катушки 74 охлаждающее его, соответственно ее перепускаемое топливо движется по первому проточному каналу 80, соответственно по второму проточному каналу 82 вдоль радиально внутренней, соответственно наружной боковой поверхности каркаса 76, соответственно катушки 74. Тем самым потоки топлива охлаждают каркас 76, соответственно катушку 74 со стороны его, соответственно ее радиально внутренней и радиально наружной боковых поверхностей. Оба проточных канала 80, соответственно 82 объединяются у верхнего торца каркаса 76, соответственно катушки 74. Благодаря наличию по меньшей мере одной распорки 78 верхний торец каркаса 76, соответственно катушки 74 не перекрывает по меньшей мере одно выполненное в сердечнике 72 отверстие 78, через которое топливо, прошедшее по первому проточному каналу 80, соответственно по второму проточному каналу 82, беспрепятственно отводится в направлении выполненных в крышке 86 сливных каналов 96. Отверстия в плоском якоре 90 электромагнитного узла 79 могут быть выполнены в виде сверленых отверстий или в виде прорезей либо в виде иных аналогичных отверстий любой, но технологически максимально простой в изготовлении формы. Крышка 86, которая закрывает корпус 20 привода, имеет сборную камеру 94, от которой отходит сливной топливопровод 84 низкого давления, ведущий в находящуюся под низким давлением часть системы впрыскивания топлива.
Отверстия 98, выполненные в сердечнике 72 электромагнитного узла 70 над каркасом 76, соответственно катушкой 74, наряду с отводом перепускаемого количества топлива, охлаждающего катушку 74, соответственно комбинацию из каркаса 76 и катушки 74, можно также использовать для пропускания через них электрических выводов катушки 74, при этом во избежание вытекания топлива необходимо обеспечить соответствующее уплотнение.
В одном из предпочтительных вариантов в корпусе 14 топливной форсунки 10 выполнены охлаждающие отверстия 92. Как показано на чертеже, по меньшей мере одно такое охлаждающее отверстие 92 проходит через корпус 14 топливной форсунки под форсуночной деталью 24 до распылителя 18. В предпочтительном варианте по меньшей мере одно охлаждающее отверстие 92 имеет первую ветвь, которая проходит через корпус 14 топливной форсунки, начинаясь под форсуночной деталью 24 и заканчиваясь над распылителем 18, но затем еще переходит в корпусе 14 топливной форсунки в обратную ветвь. Эта обратная ветвь по меньшей мере одного охлаждающего отверстия 92 либо может заканчиваться под форсуночной деталью 24, либо, как показано на фиг.1, может проходить еще и через форсуночную деталь 24, которая зафиксирована в корпусе 14 топливной форсунки резьбовым кольцом 40 с наружной резьбой. Как следует из приведенного на чертеже изображения, обратная ветвь по меньшей мере одного охлаждающего отверстия 92 оканчивается на плоской стороне форсуночной детали 24 в полости низкого давления, в которую перепускается топливо из кольцевой полости 46 над седлом 36.
Преимущество предлагаемого в изобретении решения состоит в возможности конвекционного охлаждения катушки 74 без высоких затрат.Чем большее количество перепускаемого топлива, соответственно просачивающегося через неплотности между сопряженными поверхностями направляющих топлива может проходить через первый проточный канал 80 и/или через второй проточный канал 82 вдоль радиально внутренней, соответственно наружной боковой поверхности каркаса 76, соответственно комбинации из катушки 74 и ее каркаса 76, тем выше эффективность охлаждения катушки 74.