ТОПЛИВНЫЙ ИНЖЕКТОР С УРАВНОВЕШЕННЫМ ПО ДАВЛЕНИЮ УПРАВЛЯЮЩИМ КЛАПАНОМ
FUEL INJECTOR WITH PRESSURE-EQUALISED CONTROL VALVE

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к инжектору, предназначенному для впрыскивания топлива в камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Из публикации WO 03/002868 А известен инжектор с электромагнитным клапаном, имеющим якорь, содержащий якорную пластину и управляющий клапанный элемент (шарик и гнездо). Известный инжектор действует по принципу классического клапана с клапанной иглой, приводимой в действие движением якоря, т.е. управляющий клапанный элемент воспринимает осевые усилия, создаваемые давлением топлива. При этом на якорь постоянно действует большая сила упругости пружины, и, соответственно, известный инжектор приводится в действие созданием значительных усилий, что не позволяет точно регулировать работу инжектора и адаптировать ее к требованиям режима работы двигателя.
Инжектор, который предназначен для впрыскивания топлива в камеру сгорания в ДВС и в котором клапанным элементом, управляющим впрыскиванием топлива, управляет электромагнитный управляющий клапан, известен также из ЕР 1612403. Управляющий клапан управляет открытием и перекрытием сливного дросселя, соединяющего управляющую полость с линией слива топлива. Управляющая полость с одной своей стороны ограничена управляющим поршнем, который управляет клапанным элементом, открывающим или закрывающим по меньшей мере одно распылительное отверстие, через которое топливо впрыскивается в камеру сгорания в ДВС. Сливной дроссель расположен в детали, в которой с обращенной от управляющей полости стороны выполнено конически сужающееся седло. На это седло опускается запорный элемент, соединенный с якорем электромагнитного клапана. С этой целью на запорном элементе выполнена кромка, прижимаемая к коническому седлу. Запорный элемент перемещается по осевому стержню, который выполнен за одно целое с деталью, в которой расположен сливной дроссель.
Для обеспечения герметичного закрытия электромагнитного клапана сопрягаемые между собой поверхности необходимо выполнять с особо высокой точностью, а также необходимо обеспечивать высокоточную припасовку запорного элемента к осевому стержню. При соблюдении этих условий обеспечивается точное направленное перемещение запорного элемента, а также герметичная его посадка на седло.
Краткое изложение сущности изобретения
В предлагаемом в изобретении топливном инжекторе, предназначенном для впрыскивания топлива в камеру сгорания в ДВС, клапанным элементом, служащим для открытия и закрытия по меньшей мере одного распылительного отверстия, управляет управляющий клапан, выполненный в виде электромагнитного клапана. На якоре электромагнитного клапана выполнена уплотняющая поверхность, опускаемая для закрытия управляющего клапана на седло. Якорь электромагнитного клапана выполнен перемещаемым без направляющей между верхним и нижним ограничителями своего хода. Выполнение на якоре уплотняющей поверхности, опускаемой для закрытия управляющего клапана на седло, позволяет отказаться от применения дополнительного запорного элемента, который предусмотрен в известном из уровня техники топливном инжекторе. Благодаря этому удается минимизировать массу подвижных деталей. Минимизация массы подвижных деталей, в свою очередь, позволяет сократить время срабатывания управляющего клапана, а тем самым и всего топливного инжектора. Еще одно преимущество, связанное с выполнением уплотняющей поверхности непосредственно на якоре электромагнитного клапана, состоит в уменьшении размеров электромагнитного клапана и тем самым в уменьшении необходимого для его размещения монтажного пространства.
Герметичное закрытие электромагнитного клапана при посадке выполненной на якоре уплотняющей поверхности на седло достигается за счет выравнивания уплотняющей поверхности на якоре при его упоре в нижний ограничитель его хода. Такое выравнивание уплотняющей поверхности в предпочтительном варианте обеспечивается упругой направляющей кромкой, выполненной на якоре. Подобная направляющая кромка в предпочтительном варианте выполнена при этом по наружному диаметру якоря. Тем самым при возникновении качания или перекоса якоря в процессе его перемещения в направлении закрытия якорь сначала своей направляющей кромкой касается нижнего ограничителя своего хода. При последующем перемещении якоря он благодаря выполнению его направляющей кромки упругой выравнивается и устанавливается в положение, в котором выполненная на нем уплотняющая поверхность плоско прилегает к седлу и тем самым обеспечивает герметичное перекрытие сливного дросселя. Перемещение якоря к нижнему ограничителю его хода происходит под действием упругого элемента. Такой упругий элемент в предпочтительном варианте представляет собой спиральную пружину сжатия. С целью обеспечить передачу усилия от упругого элемента на якорь в зоне, которая в радиальном направлении максимально приближена к седлу, предпочтительно, чтобы внутренний диаметр упругого элемента в основном соответствовал внутреннему диаметру седла. Благодаря упругости упругой направляющей кромки на ее прижатие к нижнему ограничителю хода якоря теряется лишь малая часть от всего развиваемого упругим элементом усилия.
Благодаря тому, что в якоре предусмотрено отверстие, в которое вставлен работающий на сжатие стержень для восприятия создаваемых давлением осевых усилий, якорь приводится в действие небольшими усилиями, что делает возможным особенно точное и тонкое управление инжектором.
В одном из предпочтительных вариантов направляющая кромка и уплотняющая поверхность на якоре, а также опорная поверхность и седло управляющего клапана шлифованием выполнены расположенными на одном уровне. Этот вариант обеспечивает экономичное изготовление седла электромагнитного клапана, поскольку отпадает необходимость в сопряжении со второй деталью.
Верхний ограничитель хода якоря в предпочтительном варианте образован кольцевой поверхностью. При упоре в подобную кольцевую поверхность якорь, который в процессе своего перемещения может начать качаться, вновь выравнивается.
Для обеспечения осевого выравнивания давления якорь предпочтительно выполнять таким образом, чтобы взаимно противолежащие поверхности, на которые действует создаваемое давлением осевое усилие, имели одинаковую площадь и были нагружены одинаковым давлением. С этой целью в якоре выполнено отверстие, диаметр которого в основном соответствует внутреннему диаметру седла. Для восприятия создаваемых давлением усилий в это отверстие вставлен работающий на сжатие стержень. С целью до минимально возможного уменьшить просачивание топлива через зазор между стенкой такого отверстия и боковой стенкой работающего на сжатие стержня отверстие предпочтительно подвергать хонингованию. Помимо этого работающий на сжатие стержень по плотной, но в то же время подвижной посадке прилегает к стенкам отверстия. Однако для обеспечения точной перпендикулярности во взаимном расположении уплотняющей поверхности на якоре и отверстия в нем их не требуется изготавливать за один установ. Благодаря этому упрощается изготовление якоря.
Упорная поверхность для упругой направляющей кромки и седло обычно выполнены на одной детали. Такая деталь вставлена в корпус топливного инжектора. Выполнение упорной поверхности и седла на одной детали позволяет располагать их на одной наружной поверхности. При этом не требуется шлифованием выравнивать торец ни одного отверстия.
Усилие упругого элемента, который способствует перемещению якоря от магнита к седлу, в предпочтительном варианте регулируется кольцом. Такое кольцо обеспечивает предварительное сжатие упругого элемента и тем самым регулирует развиваемое им усилие. Чем больше осевая протяженность кольца, тем больше степень предварительно сжатия упругого элемента и тем больше развиваемое им усилие, действующее на якорь.
Обычно подобное кольцо расположено с обращенной от якоря стороны упругого элемента. Вместе с тем в одном из предпочтительных вариантов кольцо расположено между упругим элементом и якорем. Преимущество, связанное с подобным расположением кольца, состоит в том, что такое кольцо дополнительно к регулированию усилия, развиваемого упругим элементом, можно использовать и для центрирования якоря.
Во избежание перекашивания якоря при его перемещении в направлении открытия, соответственно закрытия работающий на сжатие стержень в еще одном варианте состоит из работающего на сжатие штифта, который окружен упругим элементом, и пальца, который вставлен в отверстие в якоре. Перекашивание якоря при этом предотвращается прежде всего благодаря возможности наклона пальца относительно работающего на сжатие штифта. Возможность подобного наклона пальца относительно работающего на сжатие штифта обеспечивается, например, за счет выполнения их обращенных друг к другу концов выпуклыми, т.е. предпочтительно имеющими форму шарового сегмента. В другом варианте можно также предусмотреть шарик между пальцем и работающим на сжатие штифтом. Помимо этого возможно использование и любой иной конструкции, допускающей возможность отклонения пальца от осевого направления и тем самым его наклон относительно работающего на сжатие штифта.
Чертежи
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - фрагмент топливного инжектора с предлагаемым в изобретении электромагнитным клапаном, выполненным по первому варианту,
на фиг.2 - предлагаемый в изобретении электромагнитный клапан, выполненный по второму варианту, и
на фиг.3 - предлагаемый в изобретении электромагнитный клапан, выполненный по третьему варианту.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 в продольном разрезе показан фрагмент предлагаемого в изобретении топливного инжектора с электромагнитным клапаном, выполненным по первому варианту.
В предлагаемом в изобретении топливном инжекторе 1 управляющим поршнем 2, который управляет открытием и закрытием не показанного на чертеже клапанного элемента (иглы), управляет электромагнитный клапан 3. Клапанный элемент открывает или закрывает по меньшей мере одно распылительное отверстие и таким путем управляет впрыскиванием топлива в камеру сгорания в ДВС.
Управляющий поршень 2 приводится в движение гидравлически. Для этого управляющий поршень 2 со своей обращенной от клапанного элемента стороны входит в управляющую полость 4. Управляющая полость 4 через входной дроссель 5 сообщается с подводящим топливопроводом 6. Таким путем топливо, находящееся под преобладающим в системе питания давлением, может поступать в управляющую полость 4. Давление из управляющей полости 4 может сбрасываться через сливной дроссель 7. Для этого сливной дроссель 7 гидравлически сообщается с не показанной на фиг.1 сливной линией. Для возможности наполнения управляющей полости 4 топливом, находящимся под преобладающим в системе питания давлением, сливной дроссель 7 выполнен перекрываемым электромагнитным клапаном 3. С этой целью в предлагаемом в изобретении электромагнитном клапане 3 уплотняющая поверхность 8, которая выполнена на якоре 9 электромагнитного клапана 3, опускается на седло 10. В показанном на чертеже варианте уплотняющая поверхность 8 и седло 10 образуют плоское седло. В принципе, однако, в предлагаемом в изобретении электромагнитном клапане можно использовать не только плоское, но и любое иное известное седло, исключающее нагружение запорного элемента осевыми усилиями.
Для восприятия создаваемого давлением (топлива) усилия, действующего при закрытом электромагнитном клапане 3 в осевом направлении, в якоре 9 выполнено отверстие 11, в которое вставлен работающий на сжатие стержень 12. Во избежание воздействия создаваемых давлением осевых усилий на якорь 9 при закрытом электромагнитном клапане диаметр отверстия 11 в основном равен внутреннему диаметру уплотняющей поверхности 8. Другая функция работающего на сжатие стержня 12 состоит в уплотнении отверстия 11 и тем самым в предотвращении просачивания через него топлива. По этой причине работающий на сжатие стержень 12 должен по плотной, но в то же время подвижной посадке прилегать к стенкам отверстия 11. Однако в отличие от известных из уровня техники топливных инжекторов для обеспечения точной перпендикулярности во взаимном расположении уплотняющей поверхности 8 на якоре 9 и отверстия 11 в нем их не требуется изготавливать за один установ. Благодаря этому упрощается изготовление якоря 9.
Для выравнивания якоря 9 при его упоре в нижний ограничитель его хода, т.е. при контакте уплотняющей поверхности 8 с седлом 10, на якоре выполнена упругая направляющая кромка 13. Верхним ограничителем хода якоря 9 служит кольцевая поверхность 14, представляющая собой нижнюю торцовую поверхность ограничительной (упорной) втулки 15.
В показанном на чертеже варианте в ограничительной втулке 15 выполнено (глухое) отверстие 16, в которое вставлен упругий (или пружинящий) элемент 17. Такой упругий элемент 17 в предпочтительном варианте представляет собой спиральную пружину сжатия, которая одним своим концом опирается на якорь 9, а другим концом - на кольцо 18. Кольцо 18 при этом упирается в дно 19 отверстия 16. Подбором осевой протяженности кольца 18 можно регулировать усилие, с которым упругий элемент 17 воздействует на якорь 9.
Электромагнитный клапан 3 имеет далее (электро-)магнит 20, который вставлен в магнитный сердечник 21. Электропитание подается на магнит 20 через штифты 28.
Для обеспечения ровного прилегания уплотняющей поверхности 8 к седлу 10 на якоре 9 седло 10, а также опорная поверхность 22, к которой прилегает упругая направляющая кромка 13 при упоре якоря 9 в нижний ограничитель его хода, шлифованием выполнены расположенными на одном уровне. Равным образом и та опорная поверхность упругой направляющей кромки 13, которая прилегает к опорной поверхности 22, и уплотняющая поверхность 8 на якоре 9 шлифованием выполнены расположенными на одном уровне.
Ход якоря 9 ограничен ограничительной втулкой 15. Для регулирования длины хода якоря 9 предусмотрена втулка 23, в которую заключены якорь 9 и магнитный сердечник 21 и осевой протяженностью которой задается длина хода якоря. Ограничительная втулка 15 при этом своей торцовой поверхностью 24 опирается на втулку 23.
Входной дроссель 5, сливной дроссель 7, а также седло 10 и опорная поверхность 22 выполнены в, соответственно на детали 25, которая вставлена в корпус 26 топливного инжектора. Деталь 25 крепится в корпусе 26 топливного инжектора прижимным резьбовым кольцом 27 с наружной резьбой.
В ограничительной втулке 15 выполнены отверстия 29, через каждое из которых пропущено по штифту 28. Для уплотнения и центрирования штифтов 28 в отверстиях 29 каждый из них заключен в нижнее кольцо 30, верхнее кольцо 31 и расположенное между ними уплотнительное кольцо 32.
В показанном на чертеже варианте ограничительная втулка 15 крепится в корпусе 26 топливного инжектора стяжной гайкой 33.
Предлагаемый в изобретении электромагнитный клапан 3 может использоваться и в инверсно управляемых (нормально открытых), и в неинверсно управляемых (нормально закрытых) топливных инжекторах.
Для инициирования процесса впрыскивания топлива неинверсно управляемым топливным инжектором на магнит 20 электромагнитного клапана 3 подается электропитание. Выражение "неинверсно управляемый" означает при этом, что при подаче электропитания на магнит 20 по меньшей мере одно распылительное отверстие открыто, и через него топливо впрыскивается в камеру сгорания в ДВС. При подаче электропитания на магнит 20 он создает магнитное поле, под действием которого якорь 9 притягивается магнитом 20 и тем самым перемещается в направлении него. В результате уплотняющая поверхность 8 якоря 9 приподнимается со своего седла 10 и открывает соединение управляющей полости 4 через сливной дроссель 7 с не показанной на чертеже сливной линией. Через такое открытое соединение топливо может сливаться из управляющей полости 4. В результате давление в управляющей полости 4 падает. Вследствие падения давления в управляющей полости 4 создаваемое давлением усилие, действующее на управляющий поршень 2, снижается, и он перемещается в управляющую полость 4. При таком перемещении управляющего поршня 2 клапанный элемент приподнимается со своего седла и тем самым открывает по меньшей мере одно распылительное отверстие. Затем начинается процесс впрыскивания топлива.
Ход якоря 9 ограничен ограничительной втулкой 15, в кольцевую поверхность 14 которой при своем подъеме упирается якорь 9.
Осевое направленное перемещение якоря 9 обеспечивает предусмотренный на нем кольцевой выступ (бобышка) 34, который вставлен в отверстие 16 ограничительной втулки 15. Однако для возможности экономичного изготовления топливного инжектора отверстие 16 и кольцевой выступ 34 на якоре 9 не подвергнуты припасовочному шлифованию, и поэтому несмотря на малый ход якоря 9, обычно составляющий от 0,02 до 0,04 мм, полностью избежать его качания невозможно.
С целью обеспечить герметичную посадку предусмотренной на якоре 9 уплотняющей поверхности 8 на седло 10 при закрытии сливного дросселя 7, что соответствует окончанию процесса впрыскивания топлива, на якоре 9 выполнена упоминавшаяся выше упругая направляющая кромка 13. Такая упругая направляющая кромка 13 предотвращает перекос якоря 9 даже при неравномерном действии на него усилия упругого элемента 17. При возникновении перекоса якоря 9 упругая направляющая кромка 13 первой касается опорной поверхности 22 и тем самым предотвращает дальнейший перекос якоря 9.
Для завершения процесса впрыскивания топлива подача электропитания на магнит 20 прекращается. При этом якорь 9 под действием упругого элемента 17 начинает перемещаться от магнита до опускания уплотняющей поверхности 8 на седло 10. В результате этого сливной дроссель 7 перекрывается. В управляющей полости 4, которая через подводящий топливопровод 6 и входной дроссель 5 заполняется топливом, находящимся под давлением, преобладающим в системе питания, давление вновь возрастает до уровня, преобладающего в системе питания. В результате этого повышается создаваемое давлением усилие, действующее на управляющий поршень 2. Под действием такого создаваемого давлением усилия управляющий поршень 2 перемещается в направлении клапанного элемента, который тем самым опускается на свое седло и таким путем перекрывает по меньшей мере одно распылительное отверстие.
Инверсно управляемый топливный инжектор отличается от неинверсно управляемого топливного инжектора тем, что при подаче электропитания на магнит по меньшей мере одно распылительное отверстие закрыто, а при обесточенном магните по меньшей мере одно распылительное отверстие открыто. Для этого управляющий поршень 2 и клапанный элемент гидравлически связаны между собой таким образом, что при перемещении управляющего поршня 2 в направлении клапанного элемента он приподнимается со своего седла и открывает по меньшей мере одно распылительное отверстие, а при подаче электропитания на магнит управляющий поршень 2 перемещается в направлении управляющей полости 4, вследствие чего клапанный элемент опускается на свое седло и перекрывает по меньшей мере одно распылительное отверстие.
На фиг.2 показан выполненный по второму варианту предлагаемый в изобретении электромагнитный клапан 3. Такой электромагнитный клапан в показанном на фиг.2 варианте его выполнения отличается от показанного на фиг.1 варианта тем, что между упругим элементом 17 и якорем 9 установлено кольцо 35, которым регулируется усилие упругого элемента 17. В соответствии с этим упругий элемент 17 с одной своей стороны опирается на кольцо 35, а с другой своей стороны - на дно 19 отверстия 16. В показанном на фиг.2 варианте кольцо 35 одновременно служит для центрирования якоря 9. Центрирование якоря 9 необходимо для предотвращения его радиального смещения и тем самым для предотвращения увода уплотняющей поверхности 8 на якоре 9 в сторону от седла 10 при перекрытом сливном дросселе 7.
На фиг.3 показан выполненный по третьему варианту предлагаемый в изобретении электромагнитный клапан 3.
Такой электромагнитный клапан в показанном на фиг.3 варианте его выполнения отличается от показанного на фиг.1 варианта тем, что работающий на сжатие стержень 12 состоит из пальца 36 и работающего на сжатие штифта 37. Палец 36 вставлен в отверстие 11 в якоре 9. Выполнение работающего на сжатие стержня 12 состоящим из работающего на сжатие штифта 37 и пальца 36 исключает возможность перекашивания якоря 9 на работающем на сжатие стержне 12, когда из-за неравномерного нагружения усилием упругого элемента 17 возникает качание якоря. Для этого палец 36 и работающий на сжатие штифт 37 выполнены таким образом, что палец 36 может наклоняться относительно работающего на сжатие штифта 37, отклоняясь от осевого направления. С этой целью по меньшей мере либо работающий на сжатие штифт 37 с его обращенной к пальцу 36 стороны, либо палец 36 с его обращенной к работающему на сжатие штифту 37 стороны предпочтительно выполнять с выпуклым торцом. Под "выпуклым" при этом подразумевается выполнение торца в форме шарового сегмента, параболоида или гиперболоида. В одном из предпочтительных вариантов выпуклыми выполнены и обращенный к пальцу 36 торец работающего на сжатие штифта 37, и обращенный к работающему на сжатие штифту 37 торец пальца 36.
В еще одном варианте между пальцем 36 и работающим на сжатие штифтом 37 можно предусмотреть шарик. В этом случае такой шарик выполняет ту же функцию, что и выполненные выпуклыми обращенные к друг другу торцы пальца 36 и работающего на сжатие штифта 37.
Назначение работающего на сжатие стержня 12 во всех трех показанных на фиг.1-3 вариантах состоит в восприятии создаваемых давлением осевых усилий. Для этого работающий на сжатие стержень 12 опирается на дно 19 отверстия 16 в ограничительной втулке 15. Таким путем создаваемое давлением усилие, действующее на работающий на сжатие стержень 12, передается им на ограничительную втулку 15.
Наряду с показанными на фиг.1-3 вариантами, в которых упругий элемент 17, соответственно кольцо 18 и работающий на сжатие стержень 12 опираются на дно 19 отверстия 16 в ограничительной втулке 15, отверстие 16 можно также выполнить сквозным, проходящим через всю ограничительную втулку с опорой при этом кольца 18, соответственно упругого элемента 17, а также работающего на сжатие стержня 12 непосредственно на корпус топливного инжектора. В этом случае отверстие 16 будет перекрываться корпусом топливного инжектора.