ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМАЯ ФОРСУНКА
ELECTRICALLY CONTROLLED ATOMISER

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к форсункам с микропроцессорным управлением для впрыска топлива в цилиндр двигателя внутреннего сгорания.
Известна электрогидравлическая форсунка дизеля с аккумуляторной системой подачи топлива по патенту DE 19701879, содержащая корпус с размещенными в нем топливоподводящими и сливными каналами и сквозной осевой полостью, закрепленный на корпусе полый распылитель с сопловыми отверстиями, иглу, установленную в полости распылителя с образованием подыгольной камеры и сопряженную с несущей частью мультипликатора запирания, пружину запирания иглы, центрирующую проставку, уплотняющую часть мультипликатора запирания, выполненную в виде поршня, диаметр которого превышает диаметр уплотняющей части иглы и который прецизионно установлен во втулке мультипликатора запирания с образованием камеры гидроуправления, жиклер камеры гидроуправления, шариковый клапан гидроуправления, шток, якорь, электромагнит, пружину клапана гидроуправления. Данная форсунка имеет сложное и дорогостоящее прецизионное сопряжение направляющей части мультипликатора с внутренней поверхностью втулки мультипликатора, требующее притирки и селективной сборки. К тому же по мере износа прецизионной пары увеличивается утечка топлива из камеры гидроуправления.
Наиболее близким решением является электрогидравлическая форсунка дизеля с аккумуляторной системой подачи топлива по патенту RU 2303157, которая содержит корпус с размещенными в нем топливоподводящими и сливными каналами и сквозной осевой полостью, закрепленный на корпусе полый распылитель с сопловыми отверстиями, иглу, установленную в полости распылителя с образованием подыгольной камеры и сопряженную с мультипликатором запирания, пружину запирания иглы, центрирующую проставку, мультипликатор запирания, выполненный в виде поршня, который установлен во втулке мультипликатора запирания с образованием камеры гидроуправления, жиклер камеры гидроуправления, шариковый клапан гидроуправления, шток, якорь, электромагнит, пружину клапана гидроуправления. На боковой поверхности мультипликатора запирания выполнена проточка, в которой размещен цилиндрической формы полый упругий элемент из эластомера, встроенный между внутренней поверхностью втулки мультипликатора запирания и наружной поверхностью проточки мультипликатора запирания по всей ее длине, выполняющий одновременно функцию демпфера и герметизирующий камеру гидроуправления. Упругий элемент из эластомера жестко связан с этими поверхностями, а втулка мультипликатора запирания и мультипликатор запирания не являются прецизионной парой.
При таком конструктивном выполнении форсунки удалось добиться герметизации камеры гидроуправления при отсутствии прецизионной пары «мультипликатор запирания - втулка мультипликатора». Но при этом все усилие от мультипликатора запирания воспринимается иглой.
Задачей изобретения является уменьшение перетекания топлива из полости высокого давления через зазор в мультипликаторе и уменьшение усилия поджатия иглы к седлу распылителя за счет введения отсечного клапана в гидроуправляющей камере мультипликатора и упруго деформируемого толкателя. Это позволит уменьшить потребляемую мощность топливного насоса высокого давления и увеличить ресурс форсунки по износу иглы и седла распылителя, а также снизить требования к точности изготовления сопряжения мультипликатора и его втулки, т.е. исключить селективную сборку.
Указанная задача решена в электроуправляемой форсунке, содержащей корпус с каналом подвода топлива высокого давления и сливным каналом, втулку мультипликатора, в которой установлен подпружиненный мультипликатор запирания с образованием гидроуправляющей камеры, сообщенной с каналом подвода топлива высокого давления посредством жиклера, и со сливным каналом - через управляющий клапан, подпружиненный шток которого связан с якорем электромагнита, распылитель с седлом, подыгольной камерой и распылительными отверстиями, и иглу, взаимодействующую с седлом и с мультипликатором запирания через толкатель. Согласно изобретению мультипликатор выполнен с отсечным клапаном, а толкатель -упруго деформируемым.
Предпочтительно по длине толкателя выполнены участки с меньшим поперечным сечением, обеспечивающим его полную деформацию в осевом направлении усилием, возникающим в мультипликаторе при максимальном давлении топлива, причем эта величина больше необходимого хода открытия иглы.
Длина мультипликатора до запорной поверхности его отсечного клапана больше высоты втулки мультипликатора на величину, составляющую 0,6-0,9 от полной деформации толкателя.
Длина участков с меньшим поперечным сечением, выполненных на толкателе для обеспечения его устойчивости, составляет 8 - 15 их диаметров, причем участки с меньшим поперечным сечением чередуются с участками полного профиля толкателя, длина которых больше максимального перемещения толкателя при работе форсунки.
При этом участки толкателя с меньшим поперечным сечением имеют разную длину в пределах 8-15 их диаметров для исключения резонансных колебаний.
Расстояние от нижнего торца втулки мультипликатора до верхнего торца иглы меньше длины толкателя на 0,05-0,35 полной деформации толкателя, что обеспечивает предварительное поджатие иглы.
При этом произведение площади сечения подыгольной камеры в месте контакта с иглой на максимальное давление в камере сгорания меньше, чем произведение разности площадей поперечных сечений мультипликатора и верхней части иглы на давление, создаваемое топливоподкачивающим насосом, что исключает заброс газов при износе контактирующих поверхностей мультипликатора, толкателя, иглы и распылителя.
Такое конструктивное решение позволяет практически исключить дросселирование топлива через зазор между мультипликатором и втулкой мультипликатора, который от момента закрытия управляющего клапана до его открытия, т.е. около 98% времени, перекрыт отсечным клапаном. В остальное время дросселирование мало, т.к. в полости гидроуправляющей камеры низкое давление. Это стало возможным вследствие выполнения толкателя упруго деформируемым. Ограничение осевого перемещения мультипликатора отсечным клапаном и наличие упруго деформируемого толкателя позволяет уменьшить давление на иглу и повышает ее ресурс.
Это решение наиболее эффективно в многоигольчатых форсунках с независимым управлением игл и несколькими мультипликаторами, в которых отсутствует регулировка цикловой подачи изменением давления топлива.
Предпочтительно, что во втулке мультипликатора установлены, по меньшей мере, два мультипликатора запирания, взаимодействующих, соответственно, с, по меньшей мере, двумя иглами, и образующих, соответственно, по, меньшей мере, две гидроуправляющих камеры, каждая из которых сообщена с каналом подвода топлива высокого давления через жиклер, а через свой управляющий клапан со сливным каналом, при этом ось подпружиненного штока каждого управляющего клапана расположена в плоскости, перпендикулярной оси форсунки.
Наиболее предпочтительно количество мультипликаторов запирания равно трем, при этом центральное отверстие в корпусе форсунки под толкатели в поперечном сечении имеет вид огибающей трех равномерно распределенных в окружном направлении пересекающихся окружностей, диаметр которых равен диаметру толкателей мультипликаторов запирания, причем на толкателях в местах пересечения указанных окружностей выполнены лыски.
При этом сечение каждой иглы на уровне прецизионного отверстия под иглы в распылителе представляет собой сектор круга с углом 120°, на средней части игл выполнены лыски для прохода топлива, а нижняя часть каждой иглы выполнена в виде цилиндра с запирающим конусом.
Особенности и преимущества изобретения будут более понятны из описания преимущественного варианта его осуществления со ссылкой на приложенные чертежи.
На фиг.1 представлена форсунка, общий вид в разрезе;
на фиг.2 - выносной элемент Е на фиг.1 в увеличенном масштабе;
на фиг.3 - схема расположения распыляющих отверстий в увеличенном масштабе;
на фиг.4 - сечение В-В на фиг.1;
на фиг.5 - сечение А-А на фиг.1;
на фиг.6 - выносной элемент D на фиг.1 в увеличенном масштабе;
на фиг.7 - сечение С-С на фиг.1 в увеличенном масштабе.
На чертежах в качестве примера показан вариант выполнения многоигольчатой форсунки с независимым управлением тремя иглами.
Как показано на фиг.1, форсунка содержит корпус 1 с каналом 2 высокого давления и распылитель 3 с тремя седлами 4 и подыгольными камерами 5 (фиг.2), в которых выполнены распыляющие отверстия 6. В разных камерах 5 может быть разным количество отверстий 6 или их диаметр. На фиг.3 показана возможная схема расположения распыляющих отверстий у соответствующих камер с одним, двумя и тремя отверстиями, распределенными по окружности через 60°. Распылитель 3 поджат к корпусу 1 гайкой 7. Внутри распылителя 3 расположены три иглы 8, верхняя часть 9 каждой из которых в поперечном сечении имеет вид сектора круга и проходит через прецизионное отверстие 10 (фиг.4) в распылителе 3. Иглы 8 упираются своими верхними торцами в торцы толкателей 11 (фиг.1), причем, по крайней мере, одна из игл 8 выполнена длиннее остальных на величину, превышающую рабочий ход иглы 8, а соответствующий толкатель короче на ту же величину. Это удерживает иглы от скручивания, поскольку толкатели 11 располагаются в фигурном отверстии корпуса 1 (фиг.5), а также исключает при перемещении толкателя 11 его зацепление за соседнюю иглу 8. На толкателях 11 выполнены проточки, образующие участки с меньшим поперечным сечением 12. Предпочтительно длина этих участков составляет 8-15 их диаметров, что определяется приемлемым сочетанием количества участков (суммарная длина участков с уменьшенным поперечным сечением) и их устойчивостью при работе на сжатие. Участки полного поперечного сечения расположены на одном уровне, а их высота одинакова и превышает максимальный ход толкателей 11. Верхний конец толкателя 11 прижат к торцу втулки 13 мультипликатора, удерживая мультипликаторы 14 запирания с отсечным клапаном 15 (фиг.6) с образованием полости гидроуправляющей камеры 16. Длина мультипликатора 14 до запорной поверхности его отсечного клапана 15 больше высоты втулки мультипликатора 13 на величину h, равную 0,6 - 0,9 полной деформации F толкателя 11. Такое соотношение позволяет обеспечить как посадку отсечного клапана 15 на верхний торец втулки 13 мультипликатора, так и достаточный подъем иглы 8.
Центральное отверстие в корпусе 1 (фиг.5) форсунки под толкатели 11 в поперечном сечении имеет вид огибающей трех равномерно распределенных в окружном направлении пересекающихся окружностей 17, диаметр которых равен диаметру толкателей 11. При этом на толкателях 11 в местах пересечения указанных окружностей выполнены лыски 18, которые обеспечивают направление толкателей 11 с исключением их скручивания и способствуют их устойчивости при работе.
В свою очередь втулка 13 (фиг.1) мультипликатора и диск 19 фиксируются от проворота штифтами 20 (на фиг.1 показан один из них, два других проходят через втулку 13 мультипликатора и диск 19), в одном из которых выполнено отверстие для прохода топлива к жиклерам 21, связанным между собой общим каналом 22, выполненным в диске 19, сверху перекрытым шайбой 23, поджатой винтом 24. Между корпусом 1 и патрубком 25 со сливным каналом 26 расположено герметизирующее кольцо 27. Герметичность стыков диска 19 с шайбой 23 и втулкой 13 обеспечивается за счет высокоточной подгонки контактирующих поверхностей.
Каждый из трех электромагнитных приводов состоит из обмотки 28, концы которой приварены к контактам 29, которые в свою очередь прикреплены к изолятору 30 с помощью горячей деформации выступов 31 изолятора 30, прошедших через отверстия в контактах 29 и залитых пластмассой при изготовлении колодки 32, магнитопровода 33, втулки 34 и якоря 35, положение которого на штоке 36 ограничивается скобой 37 и демпфирующей пружиной 38. В штоке 36 выполнено сливное отверстие 39 для прохода топлива к магнитопроводу 33, в котором в свою очередь выполнены пазы 40 для его охлаждения. При этом шток 36 имеет возможность перемещаться в отверстиях шайбы 41 и сменного кольца 42. Магнитопровод 33 обжат во втулке 34, которая поджимается гайкой 43. Герметичность соединения втулки 34 с корпусом 1 обеспечивается уплотнительным кольцом 44. Шток 36 под действием пружины 45 через проставку 46 прижимает шариковый управляющий клапан 47 к седлу, выполненному в диске 19. Рабочий ход штока 36 выставляется сменными проставками 46, а минимальный зазор между якорем 35 и магнитопроводом 33 - сменной шайбой 48. Размер гнезда под пружину 45 обеспечивается сменным кольцом 42.
Для слива топлива из центрального отверстия и полостей якорей 35 в корпусе 1 выполнены наклонные отверстия 49 и 50 и кольцевая канавка 51. Для разделения полости высокого давления от сливной полости поперечное сечение верхней части 9 игл 8 на уровне прецизионного отверстия 10 (фиг.4) в распылителе 3, как отмечено выше, представляет собой сектор круга с углом 120°, причем их поверхности контакта между собой на уровне прецизионного отверстия 10 также выполнены прецизионными. На средней части игл выполнены лыски 52 (фиг.7) для прохода топлива, а на нижней - цилиндры, заканчивающиеся запирающими конусами. При этом иглы контактируют с распылителем 3 по внутренней поверхности его отверстия, а между собой - посредством лысок 53. Подыгольная камера 5 (фиг.2) распылителя 3 выполнена в виде усеченного конуса, причем произведение площади его большего основания диаметром К на максимальное давление в камере сгорания меньше, чем произведение давления, создаваемое топливоподкачивающим насосом, на разность площадей мультипликатора 14 (фиг.1) и верхней части 9 иглы 8. Это исключает возможность заброса газов из камеры сгорания в форсунку при пуске двигателя в случае большого износа контактирующих деталей.
Форсунка работает следующим образом.
При подаче топлива высокого давления через канал 2 в полость распылителя 3 ввиду разницы площади посадки иглы 8 на седло 4 распылителя 3 и площади верхней части 9 иглы 8, проходящей через прецизионное отверстие в распылителе 3, разделяющее полость высокого давления от сливной полости, возникает сила, стремящаяся поднять иглу 8. Одновременно через отверстие в штифте 20 и канал 22, соединяющий все жиклеры 21, топливо поступает во все камеры 16. Поскольку площадь поперечного сечения мультипликаторов 14 больше площади верхней части иглы 9, давление топлива, сжав толкатель 11, перемещает мультипликатор 14 до посадки отсечного клапана 15 на верхний торец втулки мультипликатора 13, перекрывая утечку топлива, и оставляет иглу 8 прижатой к седлу 4. При соотношении площади посадки иглы 8, равном 1/4 от площади S поперечного сечения мультипликатора 14, а площади поперечного сечения верхней части 9 иглы 8 в прецизионном отверстии 10 (фиг.4) - 3/4 площади S, вычисления показывают что, если предварительное сжатие толкателя 11 (фиг.1) составляет 0,1 от его полной деформации F силой Р, создаваемой мультипликатором 14 при максимальном давлении топлива, а выступание мультипликатора 14 за нижний торец втулки 13 мультипликаторов составляет 0,85 F, то при максимальном давлении топлива прижатие иглы 8 к седлу 4 составит 0,45 Р (т.е. игла будет изнашиваться меньше), а высота подъема иглы 8 до появления силы на ее посадочной части составит 0,35 F. При этом полное открытие составит 0,65 F, а усилие посадки отсечного клапана 15 при закрытой игле 8-0,05 Р.
При таких соотношениях начальное давление открытия иглы 8 составит 0,3 от максимального давления, при этом посадочная часть иглы 8 оторвется от седла 4, пропуская топливо в подыгольную камеру 5, что дополнительно сжимает толкатель 11 на 0,075 F. Это полностью исключит «подпрыскивание» от волновых процессов после закрытия нагнетательного клапана.
Из этого следует, что сама величина максимального давления может выбираться в больших пределах и ограничивается только техническими возможностями выполнения участков 12 толкателя с меньшим поперечным сечением. Например, для стального толкателя при максимальном давлении топлива 200 МПа, суммарной длине указанных участков 100 мм и их диаметре 1,75 мм величина F составит 0,24 мм, что оптимально для большинства форсунок.
При подаче напряжения на контакты 29 якорь 35 перемещается к магнитопроводу 33, перемещая через скобу 37 шток 36 до упора в шайбу 41 и открывая шариковый управляющий клапан 47. При этом топливо через сливное отверстие 39 в штоке 36 и пазы 40 в магнитопроводе 33, охлаждая его, поступает в полость расположения якоря 35 и через отверстия в шайбе 41, кольцевую канавку 51 и наклонные отверстия 50 в корпусе 1, зазор между винтом 24 и патрубком 25 попадает в сливной канал 26. Поскольку сечение отверстия у управляющего клапана 47 много больше сечения отверстия жиклера 21, давление в камере 16 резко уменьшится. При этом ввиду разницы площади посадки иглы 8 на седло 4 распылителя 3 и площади ее верхней части 9, проходящей через прецизионное отверстие 10 (фиг.4) в распылителе 3, разделяющее полость высокого давления от сливной полости, возникает сила, перемещающая иглу 8 (фиг.1). Эта сила, постоянно сжимая толкатель 11, перемещает его до упора в нижний торец втулки 13 мультипликаторов, перемещая при этом мультипликатор 14 и уменьшая камеру 16. Перемещение иглы 8 открывает проход топлива к распыляющим отверстиям 6, расположенным в подыгольной камере 5 распылителя 3. При холостом ходе и предварительном впрыске открывается седло распылителя с минимальным проходным сечением распыляющих отверстий 6, например, с одним отверстием 6 (фиг.2). Это отверстие 6 направлено на свечу накаливания в двигателе с непосредственным впрыском топлива, а точнее - с «псевдодизельным» циклом, где степень сжатия недостаточна для самовоспламенения топлива от температуры, полученной в результате сжатия (дизельного цикла), причем начало впрыска через это распылительное отверстие, обеспечивающее предварительный впрыск и холостой ход, производится за определенное время до подхода поршня к верхней мертвой точке в такте сжатия независимо от оборотов двигателя, подготавливая температуру в камере сгорания, достаточную для «мягкого» воспламенения последующих порций топлива. Для увеличения мощности двигателя напряжение подается на контакты 29 (фиг.1) второго и третьего электромагнита, открывая тем самым соответствующие иглы 8, обеспечивая впрыск топлива в камеру сгорания двигателя, где температура уже достаточна для «мягкого» воспламенения топлива. При этом возможно перекрытие начала и конца впрыска, поскольку при открытии другой иглы меняется зона горения факела из-за смены направления распыляющих отверстий. Например, при наличии в седле клапана 4 холостого хода одного отверстия 6, а во втором и третьем седлах, соответственно, двух и трех отверстий (фиг.3) можно обеспечить одновременное открытие одного, двух, трех, четырех, пяти или шести отверстий в любой последовательности, что многократно увеличивает возможности регулирования подачи топлива и дает возможность использовать форсунку при постоянном (оптимальном для данного двигателя) давлении. В результате упрощается возможность использования данной конструкции форсунки с отсечным клапаном 15 и упруго деформируемым толкателем 11.