СРЕДСТВО ДЛЯ ВЫРАВНИВАНИЯ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ УЗЛА ТОПЛИВНОГО ИНЖЕКТОРА
DEVICE FOR EQUALISATION AND PRESTRESS OF COMPONENTS OF FUEL INJECTOR ASSEMBLY

Изобретение относится к узлу топливного инжектора для использования в дизельном двигателе внутреннего сгорания и, в частности, к устройству корпуса сопла и корпуса инжектора в таком узле топливного инжектора.
Для улучшения характеристик двигателя технология дизельного топливного инжектора непрерывно стремится к работе под более высокими давлениями впрыска. Эта тенденция привела к увеличенному требованию к прочности компонентов системы впрыска топлива, в частности, касательно возможности этих компонентов сопротивляться окружному напряжению, являющемуся результатом внутреннего давления топлива. Требование увеличенных давлений впрыска топлива будет существовать и в будущем, приводя к значительным трудностям изготовления, а также к привлечению дополнительных затрат.
Например, нынешние системы впрыска топлива выполнены с возможностью работы под давлениями топлива до 2500 бар. Тем не менее, при некоторых обстоятельствах может требоваться система впрыска топлива, которая способна выдерживать давление топлива в 3000 бар или больше. Несмотря на то что существующие конструкции, выдерживающие высокое давление топлива, объединяют в себе улучшенную прецизионную механическую обработку для сведения к минимуму риска отказа компонента, возможно, что они уже достигли пределов экономической эффективности.
Соответственно, согласно настоящему изобретению разработан топливный инжектор, содержащий корпус сопла с открытым концом, корпус инжектора и клапанный элемент, сцепленный с направляющей клапанного элемента в корпусе сопла и с направляющей клапанного элемента в корпусе инжектора, при этом сопрягающий стык между корпусом сопла и корпусом инжектора является, по существу, плоским, причем сжимающий элемент сцеплен с, по меньшей мере, частью каждого из корпуса сопла и корпуса инжектора, при этом сжимающий элемент прилагает сжимающее усилие к, по меньшей мере, одному из корпуса сопла и корпуса инжектора.
Стык является, по существу, плоским для облегчения процессов механической обработки, применяемых в изготовлении компонентов. Это уменьшает стоимость компонентов.
В предпочтительном варианте осуществления корпус сопла имеет стенку, образующую внутреннюю камеру для топлива под высоким давлением, причем стенка имеет внутреннюю и наружную поверхности, причем сжимающий элемент имеет внутреннюю периферийную поверхность, образующую отверстие, в которое во время использования вставлена, по меньшей мере, часть корпуса сопла, причем сжимающий элемент выполнен с возможностью сцепления в виде посадки с натягом с, по меньшей мере, частью наружной поверхности стенки корпуса сопла так, чтобы сжимающая сила прилагалась к стенке корпуса сопла.
В предпочтительном варианте осуществления корпус сопла расположен в осевом направлении вблизи от корпуса инжектора, и сжимающий элемент выполнен с возможностью сцепления с, по меньшей мере, частью наружной поверхности корпуса инжектора и с, по меньшей мере, частью наружной поверхности корпуса сопла.
В предпочтительном варианте осуществления сжимающий элемент является втулкой.
Давление топлива, которое может быть использовано в системах впрыска топлива, в основном ограничено окружным напряжением, вызванным внутренним гидравлическим давлением, которое испытывают компоненты системы впрыска топлива, которые содержат или проводят топливо под высоким давлением. Преимущественно настоящее изобретение уменьшает окружное напряжение на компонентах топливного инжектора посредством введения предварительного сжатия, по меньшей мере, части стенки этих компонентов. Фактически, форма и стык между компонентом и сжимающей втулкой могут быть специально выполнены для направления сжимающего усилия на наиболее предпочтительные области. Сила предварительного сжатия направлена радиально вовнутрь в направлении к внутренней камере компонента, чтобы противодействовать окружному напряжению, прилагаемому радиально наружу через стенки компонента. Таким образом, использование предварительного сжатия увеличивает внутреннее давление топлива, которое может быть выдержано компонентом, на большую величину, чем это было бы достигнуто посредством простого увеличения толщины стенки компонента на эквивалентную толщину сжимающей втулки. К тому же, сжимающая втулка может сцепляться с наружной поверхностью одного или более компонентов таким образом, чтобы она не изменяла или не вмешивалась во внутреннюю форму компонента, и, следовательно, функционирование компонента (например, его гидродинамические свойства) не подвергается неблагоприятному воздействию.
Предпочтительно, для соответствия форме большинства компонентов известных систем впрыска топлива, отверстие сжимающей втулки имеет, в целом, цилиндрическую форму, которая образована внутренней периферийной поверхностью со средним внутренним радиусом (R1). Сжимающая втулка также может иметь, в целом, цилиндрическую наружную периферийную поверхность со средним наружным радиусом (R2). Соответственно, радиальная толщина (Т) сжимающей втулки может быть определена между внутренней и наружной периферийными поверхностями сжимающего кольца.
Радиальная толщина (Т) сжимающей втулки может быть выбрана на основе одного или нескольких соображений функциональности, таких как: величина радиальной сжимающей силы, которая должна быть приложена к компоненту, и, следовательно, требуемое увеличение внутреннего давления топлива, которое должно содержаться в компоненте; и/или материал сжимающей втулки. Другим соображением является требуемая величина натяга между сжимающей втулкой и сцепляемым компонентом, так как увеличенная величина натяга ведет к увеличенным нагрузкам на сжимающее кольцо. В этом отношении радиальная толщина сжимающего кольца должна быть достаточно большой для выдерживания нагрузки, испытываемой вокруг сжимающей втулки при сцеплении с компонентом. Таким образом, несмотря на то, что теоретически сжимающее кольцо может иметь любую соответствующую толщину (например, от 0,1 до 10 мм); предпочтительно радиальная толщина (Т) находится в диапазоне от 0,5 до 5 мм; более предпочтительно от 0,75 до 3 мм; и еще более предпочтительно от 1 до 2 мм. В некоторых вариантах осуществления радиальная толщина сжимающей втулки определяется доступным пространством между компонентами в известном двигателе внутреннего сгорания, в который должно вставляться сжимающее кольцо. Следовательно, в одном преимущественном варианте осуществления радиальная толщина (Т) сжимающей втулки равна, примерно, 1,2 мм.
Преимущественно сжимающая втулка может быть выполнена с возможностью сцепления с требуемой областью (или частью) наружной поверхности стенки компонента системы впрыска топлива, чтобы предварительное сжатие было направлено на конкретное местоположение. Например, сжимающая втулка предпочтительно может быть выполнена с возможностью сцепления с наружной поверхностью стенки первого компонента в области этого компонента, которая во время работы испытывает наибольшее окружное напряжение. Подходящие конкретные целевые области могут быть выбраны любым способом, известным специалисту в данной области техники, посредством трехмерных или двухмерных осесимметричных методов моделирования с нелинейным анализом методом конечных элементов (FEA), которые определяют относительные напряжения, испытываемые областями конструкции. В других вариантах осуществления сжимающая втулка может быть выполнена с возможностью сцепления с компонентом в областях уменьшенной толщины стенки, областях стенки, которые окружают увеличенные внутренние камеры для топлива под высоким давлением, и в стыках между смежными компонентами систем впрыска топлива, такими как топливные каналы и трубы или смежные корпуса к топливному инжектору.
Максимальное внутреннее давление (топлива), которое может быть выдержано компонентом двигателя до и после добавления сжимающей втулки, может быть спрогнозировано/вычислено любым способом, известным специалисту в данной области техники. Например, способом, подобным описанному выше, программное обеспечение FEA и/или уравнения толстого цилиндра могут быть использованы для получения результатов вычисления (прогноза), которые могут быть сравнены с результатами испытаний с использованием представительных деталей.
Сжимающая втулка может быть выполнена с возможностью сцепления с любым подходящим компонентом системы впрыска топлива, таким как топливный инжектор в сборе или элемент топливного инжектора в сборе. Узел топливного инжектора согласно изобретению может содержать любой подходящий компонент топливного инжектора и сжимающую втулку, выполненную с возможностью сцепления с ним.
В предпочтительном варианте осуществления сжимающая втулка выполнена с возможностью сцепления с наружной поверхностью корпуса сопла узла топливного инжектора. Как правило, во время использования узел топливного инжектора содержит корпус сопла, который, по меньшей мере, частично вставлен в колпачковую гайку топливного инжектора. Колпачковая гайка или, по меньшей мере, ее часть выполняет функцию удерживания вместе различных компонентов топливного инжектора. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления сжимающая втулка выполнена с возможностью сцепления с, по меньшей мере, частью наружной поверхности корпуса сопла, которая во время использования вставлена в колпачковую гайку. Преимущественно сжимающая втулка выполнена с возможностью вставления во внутренний объем известного топливного инжектора в сборе, например, между наружной поверхностью известного корпуса сопла и внутренней поверхностью известной колпачковой гайки, чтобы преимущества изобретения могли быть достигнуты без модификации формы колпачковой гайки. В таких вариантах осуществления (в зависимости от конструкции узла топливного инжектора) подходящая радиальная толщина сжимающей втулки равна, примерно, 1,2 мм, что является подходящей толщиной для вставления в доступный объем.
Корпус сопла предусмотрен с проходящим по радиусу отверстием для введения иглы клапана.
Как правило, известный топливный инжектор содержит корпус инжектора, расположенный в осевом направлении вблизи от корпуса сопла. Следовательно, сжимающая втулка согласно изобретению может быть выполнена с возможностью взаимодействия с, по меньшей мере, частью наружной поверхности корпуса инжектора и с, по меньшей мере, частью наружной поверхности корпуса сопла. Таким образом, сжимающая втулка обжимает стык между корпусом инжектора и корпусом сопла и может дополнительно выполнять функцию улучшения или усиления осевого совмещения этих компонентов в узле топливного инжектора. Например, концентричность корпуса инжектора и корпуса сопла и/или уплотнение у стыка между этими двумя деталями могут быть преимущественно улучшены.
Как будет понятно специалисту в данной области техники, величина направленной вовнутрь радиальной силы, прилагаемой сжимающей втулкой во время использования, по меньшей мере, частично определяется величиной натяга между внутренней периферийной поверхностью сжимающей втулки и наружной поверхностью сцепляемого компонента.
Как используется в этом документе, “посадка с натягом” (иногда называемая прессовой посадкой) представляет собой крепление между двумя компонентами, которое достигается посредством трения после того, как детали были сдвинуты вместе. Сила трения, которая удерживает детали вместе, может быть сильно увеличена посредством сжатия одной детали против другой, что зависит от прочности на растяжение и прочности на сжатие материалов, из которых изготовлены детали. Посадка с натягом, как правило, достигается посредством придания двум сопрягаемым деталям такой формы, что одна или другая (или обе) слегка отличаются по размеру от номинального размера, и что одна деталь слегка пересекается с пространством, которое занимает другая деталь: результатом этого является то, что, когда детали сцеплены друг с другом, они слегка упруго деформируются (каждая сжимается).
Таким образом, как использовано в этом документе, термин “натяг” означает, что существует отрицательная разность в размере (например, радиальная разность) между отверстием сжимающей втулки, в которое вставляется компонент, и наружной поверхностью компонента; то есть отверстие имеет меньший размер (например, меньший радиус). Порядок/категория натяга может быть обозначен в прилагаемых указаниях размеров, где таковые даны.
Согласно изобретению посадка с натягом - предпочтительнее “скользящая посадка” (например) между сжимающей втулкой и компонентом, который должен быть вставлен в отверстие сжимающей втулки - применяется для того, чтобы компонент испытывал силу предварительного сжатия от сжимающего кольца. Соответственно, если не обусловлено иное, термин “посадка с натягом” используется в этом документе для охватывания как “посадки со слабым натягом”, так и для “посадки с натягом” (обе из которых требуют отрицательной разности размера между отверстием сжимающего кольца и наружной поверхностью сцепляемого компонента), но не свободной или скользящей посадки.
Специалисту в данной области техники хорошо известны формулы, которые существуют для вычисления допуска (планируемой разности от номинального размера), результатом которого являются различные усилия посадки между двумя деталями, такие как: “свободная посадка”, “посадка со слабым натягом” и “посадка с натягом”. Величина допуска зависит от того, какой материал используется, насколько большими являются детали, и какая степень прочности требуется. Например, специалист в данной области техники может определить величину “натяга” из справочной таблицы, такой как таблица Допусков и Посадок, в которой обозначена величина натяга, требуемая для достижения заданной сжимающей силы: в зависимости от различных параметров, таких как наружный диаметр компонента в области, сцепленной сжимающей втулкой, и величина силы, которая требуется для физического сцепления деталей. Таким образом, если требуется разработать сжимающую втулку для сцепления в посадке со слабым натягом с корпусом сопла диаметром 14,3 мм, выполненным из закаленной стали, специалист в данной области техники, используя справочную литературу или компьютерную программу, может легко обнаружить необходимый натяг (в мкм), который необходим между сжимающей втулкой и корпусом сопла.
В некоторых вариантах осуществления изобретения предпочтительным является посадка со слабым натягом, чтобы сжимающая втулка могла быть собрана с компонентом посредством ручной прессовой посадки; или, если требуется более крепкое соединение, посредством машинной прессовой посадки. С такой посадкой сжимающая втулка после установки не будет перемещаться вдоль наружной поверхности компонента, если только не будет использована сила, по меньшей мере, такая же большая, как сила при сборке. Например, сжимающая втулка не соскользнет или не сдвинется при нормальном использовании. Для более крепкой посадки (которая в данной области техники может быть обозначена, как посадка с натягом, в отличие от посадки со слабым натягом) сжимающая втулка может быть собрана на компоненте посредством машинной прессовой посадки или, если посадка является слишком крепкой для машинной прессовой посадки, посредством теплового расширения и/или сжатия. Таким образом, например, когда требуется более крепкая посадка между сжимающей втулкой и компонентом, с которым она должна быть собрана, сжимающая втулка может быть нагрета перед сборкой для расширения ее отверстия. В качестве альтернативы компонент двигателя или топливного инжектора в сборе может быть охлажден перед сборкой для его уменьшения относительно отверстия сжимающей втулки. В некоторых случаях перед сборкой могут быть использованы как нагрев сжимающей втулки, так и охлаждение компонента.
В некоторых вариантах осуществления преимущественным может быть скашивание (или скругление) одной или обеих кромок сжимающей втулки для способствования надеванию сжимающей втулки на компонент во время сборки.
Может быть использован любой подходящий размер натяга в зависимости от требуемого уровня предварительного сжатия компонента и соответствующих размеров компонентов. Например, относительно меньшая величина натяга может применяться для компонента относительно малого диаметра для получения такой же величины предварительного сжатия. Как уже было упомянуто, специалист в данной области техники может определить степень натяга, необходимую для конкретного варианта осуществления, обращаясь к справочной таблице, компьютерной программе или посредством обычных экспериментов. Например, сжимающая втулка может быть выполнена с возможностью сцепления с первым и/или вторым компонентом с натягом (I), составляющим от 5 до 45 мкм (между внутренней периферийной поверхностью сжимающей втулки и наружной поверхностью одного или более компонентов). В некоторых преимущественных вариантах осуществления может быть предусмотрен натяг от 10 до 39 мкм. Предпочтительно, натяг может быть от 15 до 20 мкм. В некоторых вариантах осуществления используется натяг, составляющий, примерно, 15 мкм или, примерно, 20 мкм, например, в случаях, когда это является максимальным натягом, который позволяет сжимающей втулке быть сцепленной с компонентом посредством ручной прессовой посадки. Когда требуемая величина натяга является большей, во время использования сжимающая втулка предпочтительно сцепляется с компонентом посредством машинной прессовой посадки и в некоторых преимущественных вариантах осуществления посредством горячей посадки.
Сжимающая втулка может быть выполнена с любым подходящим размером внутреннего радиуса (R1); наружного радиуса (R2) и, следовательно, радиальной толщины (Т); и осевой длины (L), в зависимости от размера и формы компонента (компонентов), с которым (которыми) сжимающая втулка должна взаимодействовать. Например, внутренний радиус (R1) может быть от 1 до 50 мм, как, например, от 2 до 25 мм, или от 3 до 15 мм; наружный радиус (R2) может быть от 2 до 60 мм, как, например, от 3 до 30 мм, или от 4 до 20 мм; радиальная толщина (Т) может быть от 0,1 до 10 мм, предпочтительно от 0,5 до 5 мм, более предпочтительно от 0,75 до 3 мм, и еще более предпочтительно от 1 до 2 мм; и осевая длина (L) может быть от 3 до 200 мм, как, например, от 4 до 100 мм, от 5 до 50 мм или от 5 до 20 мм. В некоторых конкретных вариантах осуществления сжимающая втулка может иметь внутренний радиус (R1) от 5 до 10 мм, наружный радиус (R2) от 6 до 12 мм, радиальную толщину (Т) от 1 до 2 мм и осевую длину (L) от 4 до 8 мм.
В конкретном варианте осуществления, в котором сжимающая втулка выполнена с возможностью сцепления с известным корпусом сопла с целевой областью, имеющей наружный диаметр (D1), равный, примерно, 14,3 мм, сжимающая втулка предпочтительно имеет внутренний радиус (R1), равный, примерно, 14,3/2 мм (то есть примерно, 7,15 мм), наружный радиус (R2), равный, примерно, половине наружного диаметра (D2) сжимающей втулки, 16,7/2 мм (то есть, примерно, 8,35 мм) и осевую длину (L), равную, примерно, 6 мм. В таком варианте осуществления сжимающая втулка может быть выполнена с возможностью натяга с корпусом сопла на любую требуемую величину, и предпочтительно от 10 до 39 мкм или от 10 до 28 мкм. В одном варианте осуществления натяг (I) составляет, примерно, 15 мкм. Такая сжимающая втулка особенно подходит для сцепления во время использования с известным корпусом сопла в области, которая размещена внутри колпачковой гайки топливного инжектора, без необходимости модификации формы как корпуса сопла, так и колпачковой гайки. Тем не менее, следует понимать, что в случаях, когда требуемый уровень предварительного сжатия не может быть достигнут посредством использования сжимающей втулки, которая подходит для существующих размеров известной системы впрыска топлива, может быть необходимым структурное изменение одного или более компонентов системы впрыска топлива. В случаях, когда требуются более высокие уровни сжатия, и когда необходимо более толстое сжимающее кольцо, может быть предпочтительной модификация формы колпачковой гайки инжектора.
Сжимающая втулка, используемая согласно изобретению, может быть выполнена из любого подходящего материала, и, как правило, из металлического материала, такого как металлический сплав. Предпочтительно изготавливать сжимающую втулку из такого же материала, как у компонента, для сцепления с которым она выполнена. В некоторых случаях может быть использована инструментальная сталь. Марка стали (другого металла или металлического сплава) может быть выбрана в соответствии с требуемой прочностью сжимающей втулки, чтобы оптимизировать конструкцию для конкретного использования. Например, металл может быть обычным образом подвергнут термической обработке для увеличения его прочности на растяжение и/или его твердости. К тому же высокий уровень твердости может способствовать сборке. Материал с высокой прочностью на растяжение, такой как закаленный металлический сплав или сталь, может быть подходящим для большинства использований.
Эти и другие особенности, цели и преимущества настоящего изобретения будут ясны и понятны из изучения подробного описания настоящего изобретения и прилагаемой формулы изобретения.
Изобретение будет описано далее в иллюстративной форме со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - увеличенный разрез известного топливного инжектора;
фиг.2А - разрез корпуса сопла с главной магистралью топливного инжектора, с установленной на него сжимающей втулкой вблизи от кольцевой топливной магистрали;
фиг.2В - разрез сжимающей втулки с фиг.2А, взятый по линии “а” на фиг.2А;
фиг.3 - разрез корпуса сопла с главной магистралью топливного инжектора, с установленной на него сжимающей втулкой вблизи от иглы клапана;
фиг.4 - разрез корпуса сопла с открытым концом топливного инжектора, с установленной на него сжимающей втулкой;
фиг.5 - разрез корпуса сопла с открытым концом и стыка инжектора топливного инжектора с фиг.4; и
фиг.6 - разрез корпуса сопла с открытым концом топливного инжектора согласно настоящему изобретению.
Согласно фиг.1, топливный инжектор 1 содержит впрыскивающее сопло 11, которое содержит корпус 3 сопла, имеющий первую область 13а (включающую в себя стержень 7 сопла) относительно малого диаметра, проходящую к наконечнику сопла (не показано), и вторую область 13b относительно большого диаметра, отдаленную от наконечника сопла. Корпус 3 сопла предусмотрен с проходящим в осевом направлении глухим отверстием 5 (сопла), глухой конец которого заканчивается у наконечника сопла (не показано). Внутри отверстия 5 расположен клапанный элемент 9, имеющий форму вытянутой иглы, имеющий упор (не показано). Клапанный элемент 9 выполнен с возможностью сдвига в отверстии 5 так, чтобы упор мог сцепляться и расцепляться с седлом клапана (также не показано), образованным внутренней поверхностью наконечника сопла. Наконечник сопла предусмотрен с одним или более отверстиями или отверстиями для впрыска (не показано), сообщающимися с отверстием 5. Взаимодействие упора с седлом клапана предотвращает выход текучей среды из корпуса 3 клапана через отверстия, и, когда упор поднят с седла клапана, текучая среда (например, топливо), может быть подана через отверстия в соответствующий цилиндр двигателя (не показано).
Во второй области 13b корпуса 3 клапана отверстие 5 образует область увеличенного диаметра, имеющую форму кольцевого продольного канала 15. Кольцевой продольный канал 15 сообщается с каналом 17 подачи топлива, выполненным с возможностью получения топлива под высоким давлением от накопителя соответствующей системы подачи топлива. Для того чтобы позволить топливу течь от кольцевого продольного канала 15 к стержню 7 сопла, игла 9 клапана предусмотрена с областью 19 с канавками, которая также действует для ограничения поперечного перемещения иглы 9 клапана в корпусе 3 клапана. Игла 9 клапана дополнительно имеет такую форму, чтобы область, которая простирается через отверстие 5 в стержне 7 клапана, имела меньший диаметр, чем отверстие 5, чтобы топливо могло течь между иглой 9 клапана и внутренней поверхностью корпуса 3 клапана.
Следует понимать, что структура и компоненты топливных инжекторов предшествующего уровня техники могут отличаться в зависимости от конструктивных требований и использования. Тем не менее, как изображено, топливный инжектор 1 дополнительно содержит корпус 21 инжектора, выполненный с возможностью образования камеры 53 для получения топлива под высоким давлением, которая сообщается с отдаленным концом клапанного элемента 9; и сжимающую пружину 29 для смещения элемента клапана к его седлу клапана. К тому же, как изображено, корпус 21 инжектора образует отверстие 23 для введения управляющего поршня 51, реагирующего на привод, выполненный в форме пьезоэлектрического привода 49.
Для того чтобы собрать топливный инжектор 1, корпус 21 топливного инжектора и корпус 3 сопла устанавливаются на держатель 41 сопла посредством колпачковой гайки 43. Для закрепления колпачковой гайки 43 на держателе 41 сопла, как правило, предусмотрено резьбовое сцепление. Держатель 41 сопла, как изображено, включает в себя углубление, в котором предусмотрен пьезоэлектрический привод 49.
В некоторых вариантах осуществления между корпусом 3 сопла и корпусом 21 инжектора может быть предусмотрена пластина или другой “корпус” (не показано).
В описании последующих фиг.2-7 ссылочные позиции, одинаковые со ссылочными позициями с фиг.1, используются для одинаковых деталей, хотя следует понимать, что структура, размер и форма этих одинаковых деталей могут отличаться.
Согласно фиг.2А и 2В, комплект компонентов для системы впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания содержит корпус 3 сопла и сжимающую втулку 10. Корпус 3 сопла предусмотрен с отверстием 5 для введения элемента клапана (не показано) и с кольцевым продольным каналом 15, образованным областью увеличенного диаметра отверстия 5 во второй области 13b корпуса 3 сопла. Сжимающая втулка 10, выполненная в форме цилиндра, предусмотрена с цилиндрическим (или круглым) отверстием 18, которое выполнено с возможностью введения, по меньшей мере, части второй области 13b корпуса 3 сопла.
Для того чтобы собрать комплект компонентов, сжимающая втулка 10 может быть просто вставлена над первой областью 13а и стержнем 7 сопла корпуса 3 сопла и затем плотно посажена (прессовая посадка) на более широкую вторую область 13b корпуса 3 сопла. В качестве альтернативы сжимающая втулка 10 может быть надета в горячем состоянии на корпус 3 сопла с использованием нагрева. Сжимающая втулка 10 выполнена таким образом, что ее внутренняя периферийная поверхность 12 сцепляется с наружной поверхностью 31 корпуса 3 сопла, образуя посадку с натягом, так что, когда выбрано окончательное положение сжимающей втулки 10 на корпусе 3 сопла, она не будет перемещаться из этого положения при нормальном использовании узла топливного инжектора. Соответственно, внутренний радиус R1 выполнен немного меньшим, чем радиус корпуса 3 сопла. Как уже было описано, может быть использован любой подходящий натяг (I), такой как между 5 и 50 мкм или между 10 и 39 мкм. Для удобства может быть выбран натяг между 15 и 20 мкм для обеспечения сборки посредством ручной или механической прессовой посадки.
В изображенном варианте осуществления сжимающая втулка 10 расположена на наружной поверхности 31 стенки корпуса 3 сопла так, что она перекрывает в осевом направлении осевое положение кольцевого продольного канала 15. Термин “осевой”, используемый в этом контексте, относится к продольной оси корпуса 3 сопла, стержня 7 сопла и отверстия 5 корпуса 3 сопла. Будет понятно, что в других вариантах осуществления сжимающая втулка 10 может быть расположена в осевом направлении на корпусе сопла так, чтобы продольный канал полностью находился между первой 16 и второй 20 кромками сжимающей втулки 10. В качестве альтернативы следует понимать, что в случае, если корпус 3 сопла не образует кольцевой продольный канал 15, сжимающая втулка 10 согласно изобретению все еще может быть выполнена с возможностью сцепления со второй областью 13b корпуса 3 сопла.
Как изображено на фиг.2А, сжимающая втулка 10 имеет первую кромку 16, которая скошена, тогда как вторая кромка 20 является, по существу, плоской. В альтернативном варианте осуществления одна, обе или никакая из первой 16 и второй 20 кромок могут быть скошенными, например, для способствования сборке сжимающей втулки 10 на компоненте или для улучшения посадки сжимающей втулки 10 на другие компоненты двигателя.
На фиг.3 изображен альтернативный комплект компонентов для системы впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания, который содержит корпус 3 сопла с открытым концом и сжимающую втулку 10. Корпус 3 сопла с открытым концом имеет профиль внутреннего поперечного сечения, который предусмотрен с одиночной направляющей секцией по направлению к наконечнику корпуса 3 сопла для направления иглы 9 клапана. Для обеспечения того, что игла 9 клапана адекватно направляется внутри инжектора, в корпусе инжектора (не показано) предусмотрена вторая направляющая иглы клапана (не показано). Корпус инжектора прилегает к корпусу 3 сопла, когда инжектор находится в своей собранной форме.
В предпочтительном варианте осуществления во второй области 13b корпуса 3 сопла нет кольцевого продольного канала 15. Тем не менее, будет понятно, что такой кольцевой продольный канал может быть предусмотрен в других подобных вариантах осуществления.
Сжимающая втулка 10, выполненная в форме вытянутого цилиндра, предусмотрена с цилиндрическим (или круглым) отверстием (не показано), которое выполнено с возможностью введения стержня 7 сопла корпуса 3 сопла. Как изображено, сжимающая втулка 10 имеет осевую длину L, по существу, равную длине стержня 7 сопла, чтобы внутренняя периферийная поверхность 12 сжимающей втулки 10 сцеплялась, по существу, со всей наружной поверхностью 35 стержня 7 сопла. Таким образом, направленная радиально вовнутрь сжимающая сила прилагается сжимающей втулкой 10 на всю длину стенки стержня 7 сопла. В изображенном варианте осуществления как первая, так и вторая кромки 16, 20 сжимающей втулки 10 являются, по существу, плоскими. Тем не менее, как упомянуто ранее, одна или обе кромки могут быть скошенными или со снятой фаской для способствования сборке или для улучшения посадки сжимающей втулки 10 на корпус 3 сопла или на другие компоненты (не показано). Например, вторая кромка 20 может быть скошенной для улучшения посадки на стенку корпуса 3 сопла между первой и второй областями 13а, 13b.
Для того чтобы собрать комплект компонентов, сжимающая втулка 10 помещается на или над наконечником 27 стержня 7 сопла и продвигается с усилием вдоль стержня 7 сопла, как описано ранее.
Следует понимать, что в альтернативных вариантах осуществления сжимающая втулка 10 может быть выполнена с возможностью сцепления с частью наружной поверхности 35 стержня 7 сопла, а не со всей наружной поверхностью 35. Например, осевая длина L сжимающей втулки 10 может составлять любую часть от 1% до 100% от длины стержня 7 сопла. В преимущественном варианте осуществления сжимающая втулка сцепляется, по существу, со всей длиной стержня 7 сопла (например, более 50%, соответствующим образом, между, примерно, 80% и 100% или 90% и 100%, и, наиболее соответствующим образом, примерно, 100%).
На фиг.4 изображен другой вариант осуществления комплекта компонентов. На этом чертеже изображена сжимающая втулка 10 во время использования в узле топливного инжектора.
Узел 1 топливного инжектора содержит колпачковую гайку 43, которая вмещает в себя корпус 21 инжектора и, по меньшей мере, часть корпуса 3 сопла с открытым концом. Вторая область 13b большего диаметра корпуса 3 сопла полностью вмещается в колпачковую гайку 43, и большая часть первой области 13а меньшего диаметра, включая большую часть стержня 7 сопла, проходит из отверстия 45 в колпачковой гайке 43. Внутренняя поверхность 43а колпачковой гайки 43 находится на расстоянии от наружной стенки 3 второй области 13b корпуса 3 сопла, чтобы был образован кольцевой объем 39 между колпачковой гайкой 43 и корпусом 3 сопла. Предпочтительно, сжимающая втулка 10 выполнена с возможностью сцепления с наружной стенкой 31 корпуса 3 сопла в объеме 39, чтобы отсутствовала необходимость модификации как корпуса 3 сопла, так и колпачковой гайки 43 для размещения сжимающей втулки 10. Скошенная первая кромка 16 сжимающей втулки выполнена таким образом, что она не затрудняет сборку узла топливного инжектора, например, посредством препятствования конической области 47 колпачковой гайки 43.
Следует отметить, что в варианте осуществления с фиг.4 корпус 3 сопла не включает в себя кольцевого продольного канала 15, а в альтернативных вариантах осуществления кольцевой продольный канал может присутствовать. В таких случаях сжимающая втулка 10 может быть расположена в колпачковой гайке 43 с осевым перекрытием кольцевого продольного канала 15 в корпусе 3 сопла (как описано ранее).
На фиг.5 в отношении к комплекту компонентов, изображенному на фиг.4, изображен конкретный вариант осуществления сжимающей втулки 10, выполненной с возможностью использования с известным корпусом 3 сопла с открытым концом.
В этом варианте осуществления вторая область 13b корпуса 3 сопла имеет номинальный диаметр (D1) наружной поверхности 31, которая взаимодействует со сжимающей втулкой 10, который равен, примерно, 14,3 мм. Соответственно, внутренний радиус R1 сжимающей втулки равен, примерно, 14,3/2 мм (то есть примерно, номинально 7,15 мм), за исключением того, что он выполнен с радиальным натягом, равным 0,015 (15 мкм), обозначенным I. Наружный диаметр сжимающей втулки 10 равен, примерно, (номинально) 16,7 мм, так что радиальная толщина Т сжимающей втулки 10 равна, примерно, 1,2 мм. Как обозначено, сжимающая втулка 10 имеет длину L, равную 6 мм, от первой кромки 16 до второй кромки 20. Таким образом, сжимающая втулка 10 может быть использована в известном узле 1 топливного инжектора без необходимости структурных модификаций каких-либо компонентов (таких как корпус 3 инжектора и колпачковая гайка 43) узла топливного инжектора.
Несмотря на то что упомянутые выше размеры представляют особенно предпочтительный вариант осуществления, в других вариантах осуществления, например: когда сжимающая втулка выполнена с возможностью сцепления с корпусом сопла, имеющим немного другие размеры; когда требуется немного другая величина предварительного сжатия; или когда требуется направить предварительное сжатие на немного другие области корпуса сопла, размеры, описанные касательно варианта осуществления, показано на фиг.5, могут быть немного изменены. Например, может быть необходимо изменить длину L на величину, находящуюся в диапазоне от 4 до 8 мм, такую как, например, от 5 до 7 мм. Подобным образом, радиальная толщина Т сжимающей втулки 10 может быть изменена на величину, находящуюся в диапазоне от 0,5 до 2 мм, такую как, например, от 1 до 1,5 мм (при условии, что сжимающая втулка 10 не препятствует сборке топливного инжектора). Что касается внутреннего радиуса R1 сжимающей втулки 10, будет понятно, что этот размер полностью зависит от наружного диаметра (D1) компонента, с которым сжимающая втулка 10 должна сцепляться, и требуемой величины натяга (I).
На фиг.6 изображены вариант осуществления и использование сжимающей втулки 10 согласно настоящему изобретению.
В этом варианте осуществления узел топливного инжектора изображен с корпусом 3 сопла с открытым концом, находящемся в контактном стыке с прилегающим корпусом 21 инжектора. Корпус 21 инжектора имеет область 55 уменьшенного диаметра (обозначенную в целом) вблизи от корпуса 13b сопла, которая имеет, по существу, такой же диаметр, как у второй области 13b корпуса 3 сопла. Сжимающая втулка 10 выполнена с возможностью сцепления со второй областью 13b корпуса 3 сопла и с областью 55 корпуса 21 инжектора, и расположена поперек, по существу, плоской зоны 57 стыка между корпусом 21 инжектора и корпусом 3 сопла. Таким образом, сжимающая втулка 10 действует для сохранения корпуса 21 инжектора и корпуса 3 сопла в заданном пространственном расположении; то есть сжимающая втулка 10 удерживает компоненты в точном концентрическом расположении, в котором продольные оси совмещены. Такое использование сжимающей втулки 10 изобретения может способствовать сборке топливного инжектора и улучшить его характеристики.
Будет понятно, что в варианте осуществления, изображенном на фиг.6, осевая длина L сжимающей втулки может иметь любую требуемую длину, при условии, что длина является подходящей для адекватного сцепления обоих компонентов. Дополнительно будет понятно, что в таких вариантах осуществления сжимающая втулка 10 может выполнять более одной функции, как, например: (i) для уменьшения окружного напряжения на одном или обоих компонентах (в этом случае на корпусе 3 сопла и на корпусе 21 инжектора); (ii) для сохранения пространственного расположения компонентов; и (iii) для усиления соединения или стыка между одним или более компонентами, например, для улучшения уплотнения между компонентами.
Несмотря на то что корпус 21 инжектора, изображенный на фиг.6, имеет область 55 уменьшенного диаметра, следует понимать, что в родственных вариантах осуществления корпус 21 инжектора может иметь, по существу, такой же диаметр (как у области 55) вдоль всей его длины. В некоторых случаях может быть желательной модификация конструкции известного корпуса 21 инжектора для обеспечения области 55 с диаметром, по существу, таким же, как у корпуса 3 сопла, против которого он должен быть расположен во время использования.
Такое использование сжимающей втулки 10 может значительно облегчить процесс изготовления и сборки узлов топливных инжекторов и двигателей внутреннего сгорания; а также потенциально увеличить срок службы различных компонентов в сборе и уменьшить задачи технического обслуживания (например, посредством уменьшения утечек топлива).
Важным элементом изобретения является то, что результатом добавления сжимающей предварительной нагрузки на соответствующие компоненты двигателя являются более высокие способности выдерживания давления, чем достигаемые только посредством добавления дополнительного материала. Таким образом, могут быть увеличены максимальные способности выдерживания давления двигателя с впрыском топлива, его узла топливного инжектора, или компонента двигателя или узла топливного инжектора. Предпочтительно, способность выдерживания давления компонента увеличивается, по меньшей мере, на 5%, например, по меньшей мере, на 10%, более предпочтительно, по меньшей мере, на 20% или даже, по меньшей мере, на 50%. Соответственно, способность выдерживания давления компонента, узла топливного инжектора и, в конечном счете, двигателя с впрыском топлива может быть увеличена, например, от 2500 бар до 2750 бар, более предпочтительно, до 3000 бар, еще более предпочтительно, до 3500 бар и более.
К тому же, посредством использования сжимающей втулки, как описано в этом документе, и, следовательно, увеличения давления топлива, которое может быть использовано в двигателе с впрыском топлива, в частности, в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия (или дизельном), мощность и эффективность двигателя могут быть улучшены, а выделения продуктов сгорания с отработавшими газами могут быть уменьшены.
Расширением этой идеи является использование сжимающей втулки в качестве признака расположения, например, для других компонентов инжектора (как было описано). Это может упростить изготовление, привести к улучшениям концентричности между компонентами, и/или обеспечить улучшения уплотнений стыка.
Несмотря на то что на фиг.1 изображен пьезоэлектрический привод, следует понимать, что варианты осуществления узла топливного инжектора могут содержать любой тип привода, например соленоидный привод. Инжекторы могут относиться к разновидности инжекторов с обесточиванием для впрыска, в которых событие впрыска топлива запускается разрядкой привода, или к типу инжекторов с включением тока для впрыска.