ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА
FUEL INJECTOR

Настоящее изобретение относится к топливной форсунке для впрыскивания топлива в камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), прежде всего к форсунке для системы "common rail" (системы впрыскивания топлива с общей топливной магистралью высокого давления), согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Из EP 1612403 A1 известна топливная форсунка для системы "common rail", имеющая уравновешенный по давлению в осевом направлении управляющий клапан. Такой управляющий клапан, имеющий втулкообразный клапанный элемент, позволяет воздействовать на давление топлива в управляющей полости, ограниченной с торцевой стороны управляющим впрыскиванием клапанным элементом. В результате изменения давления топлива в управляющей полости происходит перемещение в ней управляющего впрыскиванием клапанного элемента между его открытым и закрытым положениями, при этом в своем открытом положении управляющий впрыскиванием клапанный элемент открывает путь прохождения потока топлива в камеру сгорания в ДВС. В подобной известной топливной форсунке направляющей для втулкообразного клапанного элемента управляющего клапана служит охватываемое внутренней боковой поверхностью этого клапанного элемента и проходящее по центру через него осевое продолжение форсуночной детали, на которой расположено также седло клапанного элемента управляющего клапана.
Из DE 102006056840 A1 известна далее топливная форсунка, в которой направляющей для втулкообразного клапанного элемента уравновешенного по давлению в осевом направлении управляющего клапана служит охватывающая наружную боковую поверхность этого клапанного элемента направляющая деталь. При этом такая направляющая деталь выполнена в виде детали, отдельной от форсуночной детали, на которой выполнено седло клапанного элемента управляющего клапана. Преимущество подобного конструктивного исполнения состоит в возможности обработки седла клапанного элемента управляющего клапана независимо от направляющей для его клапанного элемента. При выполнении подобного управляющего клапана с седлом его клапанного элемента в виде плоского седла радиальное расположение направляющей детали относительно форсуночной детали играет второстепенную роль. При необходимости же выполнения седла клапанного элемента управляющего клапана в виде конического седла приходится сталкиваться с той проблемой, что при сборке направляющую деталь требуется путем сложного и трудоемкого процесса центрировать относительно форсуночной детали с целью обеспечить соосность конического седла и охватывающей направляющей для клапанного элемента управляющего клапана.
Краткое изложение сущности изобретения
Задача изобретения
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать топливную форсунку с направляемым по его наружной боковой поверхности клапанным элементом управляющего клапана, в которой при сборке автоматически обеспечивалась бы соосность охватывающей направляющей для клапанного элемента управляющего клапана и седла его клапанного элемента.
Решение положенной в основу изобретения задачи
Указанная выше задача решается с помощью топливной форсунки с отличительными признаками, представленными в п.1 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения. В объем изобретения включены также все возможные комбинации из по меньшей мере двух отличительных особенностей изобретения, представленных в описании, в формуле изобретения и/или на чертежах.
Основная идея изобретения состоит в том, чтобы устанавливать направляющую деталь с непосредственным прилеганием к форсуночной детали и выполнять при этом поверхности контакта между направляющей деталью и форсуночной деталью в виде центрирующих поверхностей, которые по своему исполнению обеспечивают при сборке автоматическую установку направляющей детали соосно форсуночной детали. Благодаря этому появляется возможность простым путем реализовать конструктивную разновидность топливной форсунки с выполнением седла клапанного элемента управляющего клапана в виде конического седла, при этом изобретение не ограничено его применением в топливных форсунках только подобного конструктивного исполнения. Выполненная в соответствии с предлагаемой в изобретении концепцией топливная форсунка может также иметь плоское седло клапанного элемента управляющего клапана. Предлагаемая в изобретении топливная форсунка обеспечивает, с одной стороны, легкую доступность к седлу клапанного элемента управляющего клапана при изготовлении и при возможном нанесении покрытия на это седло, а с другой стороны, оптимальную соосность охватывающей направляющей (направляющей детали) и седла клапанного элемента управляющего клапана. Иными словами, выполненная в соответствии с предлагаемой в изобретении концепцией топливная форсунка объединяет в себе преимущества топливной форсунки, в которой дополнительно к форсуночной детали предусмотрена отдельная направляющая деталь, и топливной форсунки, в которой направляющей для клапанного элемента управляющего клапана служит охватываемая направляющая, образованная осевым продолжением форсуночной детали. Для дальнейшей оптимизации точности при изготовлении вторую центрирующую поверхность форсуночной детали, взаимодействующую с первой центрирующей поверхностью направляющей детали, и седло клапанного элемента управляющего клапана предпочтительно изготавливать за один установ. Помимо этого при изготовлении направляющей детали ее направляющую поверхность и центрирующую поверхность также предпочтительно выполнять за один установ. Благодаря этому удается минимизировать торцовое биение обеих деталей.
С целью одновременно обеспечить высокую точность касательно соосности, а также перпендикулярности седла клапанного элемента управляющего клапана относительно охватывающей наружной направляющей предпочтителен вариант, в котором обе центрирующие поверхности образуют комбинацию из внутреннего конуса и наружного конуса, т.е. либо первая центрирующая поверхность выполнена в виде внутренней конической поверхности, а вторая центрирующая поверхность выполнена в виде наружной конической поверхности, либо первая центрирующая поверхность выполнена в виде наружной конической поверхности, а вторая центрирующая поверхность выполнена в виде внутренней конической поверхности. Предпочтительно при этом выбирать угол при вершине внутреннего конуса и угол при вершине наружного конуса среди значений в пределах от примерно 80 до примерно 160°, при этом внутренний и наружный конусы можно выполнять и с иными углами при их вершинах.
Угол при вершине внутреннего конуса и угол при вершине наружного конуса наиболее предпочтительно выбирать такими, чтобы сопряжение двух центрирующих поверхностей не являлось самотормозящимся и чтобы тем самым при сборке обеспечивалась возможность автоматического выравнивания направляющей детали относительно форсуночной детали.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения седло клапанного элемента управляющего клапана выполнено в виде конического седла. Выполнение седла клапанного элемента управляющего клапана в виде конического седла в предлагаемой в изобретении топливной форсунке, в которой направляющая деталь и форсуночная деталь прилегают одна к другой каждая своей центрирующей поверхностью, не представляет никаких проблем с точки зрения обеспечения соосности седла клапанного элемента управляющего клапана и охватывающей наружной направляющей.
Направляющая деталь при придании ей соответствующей формы пригодна для обеспечения направленного перемещения клапанных элементов управляющих клапанов всех возможных типов. Однако особенно предпочтителен такой вариант выполнения топливной форсунки, в котором клапанный элемент управляющего клапана имеет исполнение, при котором управляющий клапан уравновешен по давлению в осевом направлении. Наиболее простым путем добиться этого можно, выполнив клапанный элемент управляющего клапана в виде клапанной втулки, на которую при закрытом управляющем клапане действуют только радиальные усилия. Осевые же усилия преимущественно воспринимаются выступающим в клапанный элемент управляющего клапана пальцем, а также форсуночной деталью. При этом такой палец можно выполнить за одно целое с форсуночной деталью, однако более предпочтителен вариант, в котором для облегчения изготовления седла клапанного элемента управляющего клапана палец выполнен в виде детали, отдельной от форсуночной детали и предпочтительно опирающейся в осевом направлении сверху на корпус электромагнита электромагнитного привода и/или в крышку, закрывающую топливную форсунку.
С целью обеспечить достаточную устойчивость положения направляющей детали относительно форсуночной детали в процессе работы топливной форсунки предпочтителен вариант, в котором направляющая деталь со своей торцевой стороны, т.е. своей центрирующей поверхностью, прижата к форсуночной детали, т.е. к ее центрирующей поверхности. При этом особенно предпочтителен вариант, в котором направляющая деталь деталью с наружной резьбой, прежде всего торцом прижимного резьбового кольца с наружной резьбой, взаимодействующей предпочтительно с внутренней резьбой на корпусе топливной форсунки, удерживается прижатой в осевом направлении к форсуночной детали.
С целью обеспечить по меньшей мере приблизительно полное прилегание обеих центрирующих поверхностей одна к другой предпочтителен вариант, в котором угол при вершине наружного конуса одной центрирующей поверхности и угол при вершине внутреннего конуса другой центрирующей поверхности перед сборкой отличаются друг от друга, предпочтительно незначительно отличаются друг от друга, вследствие чего при сборке центрирующие поверхности сначала соприкасаются между собой в радиально наружной зоне или в радиально внутренней зоне. Затем в результате приложения осевого усилия, например, при ввинчивании описанного выше прижимного резьбового кольца с наружной резьбой, направляющая деталь вдавливается в форсуночную деталь или насаживается на нее с натягом, предпочтительно таким образом, что обе центрирующие поверхности прилегают одна к другой по меньшей мере приблизительно по всей их площади. Для этого направляющая деталь и/или форсуночная деталь должны/должна обладать некоторой упругостью с тем, чтобы при сборке они/она могли/могла деформироваться на требуемую величину без образования трещин. Для еще более четкого ограничения опорных поверхностей, т.е. центрирующих поверхностей, по меньшей мере одну из обеих центрирующих поверхностей, а в предпочтительном варианте каждую из них можно подразделить на по меньшей мере две составляющие каждую из них отдельные поверхности, например, предусмотрев по меньшей мере одну расположенную между ними кольцевую канавку. Вместе с тем, однако, одну из обеих центрирующих поверхностей или каждую из них можно также выполнять в виде сплошной поверхности.
С целью обеспечить при открытом управляющем клапане, т.е. при поднятом со своего седла клапанном элементе управляющего клапана, возможность перетекания топлива из управляющей полости в сливной топливопровод топливной форсунки, в еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения в направляющей детали предусмотрено по меньшей мере одно, проходящее по меньшей мере приблизительно в радиальном направлении отверстие в качестве топливного канала. Дополнительно к этому или вместо этого на наружной боковой поверхности клапанного элемента управляющего клапана и/или на внутренней боковой поверхности направляющего отверстия в направляющей детали можно выполнить по меньшей мере одну лыску (плоский участок) с образованием в результате по меньшей мере одного осевого канала для слива топлива из управляющей полости.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества, отличительные особенности и частности изобретения более подробно рассмотрены в последующем описании на примере предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - фрагмент топливной форсунки, выполненной в виде форсунки для системы «common rail»,
на фиг.2 - вид в аксонометрии и в разрезе направляющей детали и форсуночной детали.
Описание вариантов осуществления изобретения
На чертежах одинаковые по своей конструкции детали и элементы и выполняющие одинаковую функцию детали и элементы обозначены одними и теми же позициями.
На фиг.1 показана топливная форсунка 1, выполненная в виде топливной форсунки для системы "common rail" и предназначенная для впрыскивания топлива в камеру сгорания в ДВС. В топливную форсунку 1 топливо, находящееся под высоким давлением, которое в рассматриваемом примере составляет около 2000 бар, прежде всего дизельное топливо или бензин, поступает по топливопроводу 2 высокого давления из общей топливной магистрали 3 высокого давления ("rail"), называемой также топливным аккумулятором высокого давления. В общую топливную магистраль 3 высокого давления топливо в свою очередь подается из находящегося под низким давлением топливного бака 5 насосом 4 высокого давления, выполненным прежде всего в виде радиально-поршневого насоса. Топливная форсунка 1 своей зоной 6 низкого давления гидравлически соединена (сообщается) через сливной топливопровод 7 с топливным баком 5. В сливной топливопровод 7 отводится более подробно рассмотренное ниже управляющее количество топлива, которое насосом 4 высокого давления подается обратно в контур высокого давления.
Топливная форсунка 1 имеет корпус 8, в котором установлен цельный или составной управляющий впрыскиванием клапанный элемент 9, который может перемещаться в осевом направлении между своими открытым и закрытым положениями. В своем открытом положении управляющий впрыскиванием клапанный элемент 9 открывает путь прохождения потока топлива через систему не показанных на чертеже распылительных отверстий в камеру сгорания в ДВС (не показан).
Своим верхним торцом 10 управляющий впрыскиванием клапанный элемент 9 ограничивает управляющую полость 11, расположенную в глухом отверстии 12 форсуночной детали 13. В другом варианте управляющая полость 11 может быть ограничена, например, втулкообразной деталью, поджимаемой в осевом направлении к форсуночной детали 13 усилием непоказанной на чертеже пружины.
В управляющей полости 11 оканчивается выполненный в форсуночной детали 13 радиальный входной дроссель 14, через который топливо поступает в управляющую полость 11 из полости 15 повышенного давления (кольцевой полости), которая охватывает нижний участок форсуночной детали 13, на котором расположена управляющая полость 11. В полость 15 повышенного давления топливо в свою очередь поступает по топливопроводу 2 высокого давления и по топливоподводящему каналу 16 в корпусе 8 топливной форсунки из общей топливной магистрали 3 высокого давления. Через ответвляющееся от топливоподводящего канала 16 отверстие 17 топливо непосредственно поступает в не показанную на чертеже кольцевую полость в распылителе, из которой затем при открытом управляющем впрыскиванием клапанном элементе 9 топливо может поступать в камеру сгорания.
Управляющая полость 11 проходящим в осевом направлении внутри форсуночной детали 13 сливным каналом 18 со сливным дросселем 19 соединена с клапанной камерой 20 управляющего клапана 21 (сервоклапана). На верхнем участке клапанная камера 20 радиально снаружи ограничена выполненным в виде клапанной втулки клапанным элементом 22 управляющего клапана, а в осевом направлении сверху в плоскости чертежа ограничена составным пальцем 23 (работающим на сжатие стержнем). В процессе работы топливной форсунки палец 23 нагружен действующим на него в осевом направлении вверх в плоскости чертежа давлением и поэтому через опорную тарелку 24 упирается в крышку 25 топливной форсунки, закрепленную стяжной гайкой 26 на корпусе 8 топливной форсунки. Управляющий клапан 21 представляет собой уравновешенный по давлению в осевом направлении клапан, поскольку к его клапанному элементу 22, выполненному за одно целое с плоским якорем 27, при закрытом управляющем клапане 21 не приложены никакие действующие в направлении открытия гидравлические силы.
Для открытия управляющего клапана 21, т.е. для подъема его клапанного элемента 22 от своего седла 28, выполненного на форсуночной детали 13 в виде конического седла, на электромагнит 29, расположенный в корпусе 30 электромагнитного привода 31, подается электрический ток, в результате чего расположенный в плоскости чертежа под электромагнитом 29 плоский якорь 27, а вместе с ним и клапанный элемент 22 управляющего клапана начинают перемещаться в осевом направлении вверх в плоскости чертежа. Благодаря этому топливо может перетекать из клапанной камеры 20 радиально под клапанным элементом 22 управляющего клапана через поперечные отверстия 32 в направляющей детали 33 в направлении сливного топливопровода 7. На своем пути к сливному топливопроводу 7 топливо должно при этом пройти через центральный канал 34 в корпусе 30 электромагнитного привода, через каковой канал проходит палец 23. При этом проходные сечения сливного дросселя 19 и входного дросселя 14 взаимно согласованы таким образом, что происходит слив практически всего топлива из управляющей камеры полости 11, вследствие чего действующее на торец 10 управляющего впрыскиванием клапанного элемента 9 усилие, создаваемое давлением топлива, снижается, и управляющий впрыскиванием клапанный элемент 9 приподнимается от своего не показанного на чертеже седла. Поступающее в сливной топливопровод 7 количество топлива представляет собой указанное выше управляющее количество топлива, которое насосом 4 высокого давления подается обратно в контур высокого давления. Для завершения процесса впрыскивания топлива подачу электрического тока на электромагнит 29 прекращают, в результате чего клапанный элемент 22 управляющего клапана под действием усилия расположенной в канале 34 пружины 35 сжатия вновь опускается на свое выполненное на форсуночной детали 13 седло 28. В результате продолжающегося поступления топлива через входной дроссель 14 в управляющую полость 11 давление в ней быстро возрастает, вследствие чего управляющий впрыскиванием клапанный элемент 9 перемещается вниз в плоскости чертежа до упора в свое не показанное на чертеже седло, перекрывая таким образом путь прохождения топлива в камеру сгорания в ДВС.
Как показано на фиг.1, втулкообразный клапанный элемент 22 управляющего клапана установлен в охватывающей его наружную боковую поверхность направляющей детали. Для этого направляющая деталь 33 имеет втулкообразный участок 36, внутренний диаметр которого соответствует наружному диаметру клапанного элемента 22 управляющего клапана, включая минимальный направляющий зазор. Втулкообразный участок 36 в своей концевой части переходит в опорный участок 37, при этом в переходной части между втулкообразным участком 36 и опорным участком 37 расположены поперечные отверстия 32. С торцевой стороны опорный участок 37 имеет с обращенной к форсуночной детали 13, нижней в плоскости чертежа стороны первую центрирующую поверхность 38 в форме внутреннего конуса, которой по всей ее площади опорный участок 37, соответственно направляющая деталь 33 прилегает ко второй центрирующей поверхности 39 в форме наружного конуса, которая расположена с обращенной к направляющей детали 33, верхней в плоскости чертежа торцевой стороны форсуночной детали 13. Углы при вершине конусов (внутреннего конуса и наружного конуса), форму которых имеют обе центрирующие поверхности 38, 39, в смонтированном состоянии идентичны, но незначительно отличаются друг от друга перед сборкой, и поэтому в затянутом состоянии направляющей детали 33 обеспечивается прилегание центрирующих поверхностей 38, 39 друг к другу по всей их площади.
С целью обеспечить прилегание направляющей детали 33 к форсуночной детали 13 по всей площади поверхности их прилегания одна к другой предусмотрено прижимное резьбовое кольцо 40 с наружной резьбой 41, взаимодействующей с внутренней резьбой 42 в корпусе 8 топливной форсунки на участке, расположенном в осевом направлении между плоским якорем 27 и форсуночной деталью 13. При ввертывании резьбового кольца 40 в корпус 8 топливной форсунки направляющая деталь 33 своей первой центрирующей поверхностью 38 прижимается ко второй центрирующей поверхности 39 форсуночной детали 13. На чертеже показано, что между внутренней боковой поверхностью резьбового кольца 40 и втулкообразным участком 36 направляющей детали 33 имеется кольцевая полость 43, через которую топливо при открытом управляющем клапане 21 может перетекать из клапанной камеры 20 в расположенную над ней охватывающую плоский якорь полость 44, а из нее - в канал 34, а также в сливной топливопровод 7.
Как показано далее на фиг.1, между осевым продолжением 45 форсуночной детали 13, на свободном конце которого выполнено седло 28 клапанного элемента управляющего клапана и который радиально снаружи ограничивает на нижнем участке клапанную камеру 20, и внутренней боковой поверхностью направляющей детали 33, а точнее ее опорного участка 37, расположена еще одна кольцевая полость 46, которая через поперечные отверстия 32 сообщается с кольцевой полостью 43.
На фиг.2 в аксонометрии и в разрезе по отдельности показаны направляющая деталь 33 и форсуночная деталь 13. На этом чертеже видно, в частности, вышеописанное осевое продолжение 45 форсуночной детали 13, на торцевой стороне которого выполнено седло 28 клапанного элемента управляющего клапана, имеющее форму конического седла. С обращенной от осевого продолжения 45, нижней в плоскости чертежа стороны форсуночная деталь 13 имеет кольцевой уступ 47, которым она опирается в осевом направлении на корпус 8 топливной форсунки (см. фиг.1).
Радиально снаружи от осевого продолжения 45 с осевым отступом от него находится выполненная в виде кольцевой поверхности наружная коническая вторая центрирующая поверхность 39 форсуночной детали 13, взаимодействующая в смонтированном состоянии с первой центрирующей поверхностью 38 направляющей детали 33. Как показано на фиг.2, вторая центрирующая поверхность 39 образована двумя отдельными поверхностями 48, 49, которые отделены одна от другой расположенной между ними кольцевой канавкой 50. В принципе первую центрирующую поверхность 38 можно также выполнить в виде сплошной поверхности или состоящей более чем из двух отдельных поверхностей.
i1
i2
На фиг.2 показано далее, что внутренний диаметр D направляющей детали 33 на большей части продольной протяженности втулкообразного участка 36 меньше внутреннего диаметра D направляющей детали 33 в самой нижней части втулкообразного участка 36, а также на опорном участке 37, и поэтому охватывающей направляющей для клапанного элемента 22 управляющего клапана служит исключительно втулкообразный участок 36, а не радиально более широкий опорный участок 37.