ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН ДЛЯ ГИДРОУПРАВЛЯЕМОЙ ТОПЛИВНОЙ ФОРСУНКИ
ELECTROMAGNETIC VALVE FOR HYDRAULICALLY OPERATED FUEL INJECTOR

Область техники
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливовпрыскивающей аппаратуре двигателей внутреннего сгорания.
Предшествующий уровень техники
Гидроуправляемые топливные форсунки высокого давления обычно содержат управляющую камеру с выпускным каналом, закрытым запорным элементом посредством предварительно нагруженной основной пружины и открываемым путем возбуждения электромагнита для перемещения якоря с целью преодоления усилия, приложенного пружиной. В известных клапанах, например в электромагнитном клапане топливной форсунки по патенту ЕР 0604914 А1, якорь жестко соединен со штоком, скользящим внутри неподвижной направляющей.
При закрывании выпускного канала кинетическая энергия якоря и штока рассеивается при ударе запорного элемента о седло клапана, а при открывании выпускного канала кинетическая энергия обратного хода якоря и штока рассеивается при вытеснении топлива из зазора между якорем и магнитопроводом.
Удар запорного элемента о седло клапана создает значительное усилие, пропорциональное массе и скорости перемещения якоря и штока и обратно пропорциональное длительности удара, которая очень мала, и, с учетом твердости штока, шарика и седла клапана, приводит к значительной отдаче при закрывании канала, так что перемещение якоря не обеспечивает устойчивую работу форсунки.
Одно из предложений по уменьшению отдачи массы, останавливаемой во время закрывающего хода, состоит в том, чтобы отсоединить якорь от штока и использовать вторую пружину, которая слабее основной пружины и предназначена для прижатия якоря к упору на штоке. Это решение реализовано в электромагнитном клапане топливной форсунки по патенту ЕР 0753658 А1. Также в указанном клапане шток снабжен фланцем, заключенным внутри камеры, в которой циркулирует топливо, и в которой перемещение фланца создает некоторую турбулентность, чтобы дополнительно уменьшить отдачу при открывают выпускного канала. Однако и такая конструкция обладает определенным недостатком, состоящим в том, что якорь после прижатия запорного элемента к своему седлу в последующем начинает совершать переходные колебания. В результате таких колебаний якорь после осуществления предварительного впрыскивания занимает неопределенное положение, что в процессе последующего основного впрыскивания при одинаковой продолжительности управляющих воздействий может привести к различной длительности нахождения электромагнитного клапана в открытом состоянии. Также указанные колебания могут привести к повторному открытию клапана.
Для устранения указанных недостатков в конструкцию электромагнитного клапана вводится демпфирующее устройство. Например, в электромагнитном клапане по патенту RU 2209337 имеется взаимодействующее с якорем и неподвижным элементом работающее с вытеснением топлива демпфирующее устройство, обеспечивающее гашение переходных колебаний якоря при его динамическом перемещении. Недостатком данной конструкции является трудность обеспечения калиброванного зазора между якорем и неподвижным элементом.
Также известно управляющее устройство форсунки высокого давления по патенту US 6305355, в котором функцию демпфирующего устройства выполняет массивное тело, расположенное соосно с якорем и контактирующее с ним со стороны, обратной электромагниту. При обратном ходе якорь после прижатия запорного элемента к седлу соударяется с упомянутым массивным телом, передавая ему свой импульс и, соответственно, предотвращая возможные свои колебания. К недостаткам данной конструкции можно отнести необходимость введения в конструкцию дополнительных элементов, что приводит к ее удорожанию.
Общей особенностью всех упомянутых конструкций с подвижным якорем является наличие двух направляющих поверхностей на штоке. Первая - это направление самого штока в неподвижной втулке, закрепленной в корпусе, вторая - направление подвижного якоря по штоку. Наличие двух этих поверхностей ограничивает минимальные осевые габариты управляющего клапана.
Задача настоящего изобретения состоит в устранении вышеуказанных недостатков и создании простого, надежного электромагнитного клапана для гидроуправляемой форсунки с уменьшенными осевыми габаритами.
Раскрытие изобретения
Указанная задача решена в электромагнитном клапане для гидроуправляемой топливной форсунки, содержащем электромагнит, толкатель, подпружиненный в сторону размыкания магнитной цепи и связанный с запирающим элементом, якорь электромагнита, установленный на толкателе с возможностью осевого перемещения относительно толкателя в сторону размыкания магнитной цепи и имеющий упор в сторону замыкания, причем перемещение якоря в сторону размыкания магнитной цепи ограничено упругим элементом. Согласно изобретению упругий элемент выполнен в виде упругого диска, объединенного с толкателем и жестко связанного своей периферийной частью с якорем с образованием демпфирующей полости между торцом упругого диска и якорем, а упор представляет собой упруго деформируемое кольцо, закрепленное по периферии в якоре по другую сторону от демпфирующей полости относительно упругого диска.
Демпфирующая полость может иметь форму кольца, кольцевая щель на внутреннем диаметре которого образует выходное сечение демпфирующей полости.
Предпочтительно осевой размер щели выходного сечения демпфирующей полости составляет 0,5-1,5 рабочего хода толкателя. Уменьшение осевого размера выходного сечения приводит к росту скорости истечения и, соответственно, к увеличению демпфирования, однако при этом возрастает величина усилия, передаваемого с якоря на шток. Указанный диапазон является компромиссом между величиной демпфирования и силой прижатия запирающего элемента к седлу.
При этом отношение наружного диаметра демпфирующей полости к внутреннему диаметру составляет 1,8-3. Поскольку диаметр выходного сечения определяется конструктивно, то указанное соотношение определяет площадь демпфирующей полости. При соотношении 1,8 она минимальна, и вытеснение жидкости требует меньшего усилия. При увеличении указанного соотношения до 3 площадь демпфирующей полости увеличивается, и на вытеснение из нее жидкости требуется большее усилие, что увеличивает демпфирование кинетической энергии якоря. Также увеличение диаметра демпфирующей полости приводит к увеличению деформации упругого диска толкателя, что позволяет выполнять упругий диск большей толщины при той же величине деформации, повышая технологичность его изготовления.
Предпочтительно жесткость упорного кольца в 2-5 раз больше жесткости упругого диска. Указанный диапазон выбирается из условия обеспечения необходимой жесткости закрепления якоря, перемещающегося под действием возвратной пружины, при этом минимальное значение диапазона определяет максимальное отставание якоря от толкателя, а максимальное значение жесткости - минимальное отставание.
При этом наружный диаметр упорного кольца равен диаметру упругого диска, а внутренний диаметр составляет 1,3-2 диаметра толкателя. Указанный диапазон выбирается из условия обеспечения необходимой жесткости закрепления якоря, перемещающегося под действием возвратной пружины, а также из условия обеспечения необходимого размера дополнительной демпфирующей полости между упругим диском и упорным кольцом, причем минимальное значение диаметра определяет минимальное отставание якоря от толкателя и максимальный размер полости, а максимальное значение диаметра - максимальное отставание и минимальный размер полости.
Особенности и преимущества изобретения будут более понятны из дальнейшего описания преимущественного варианта его осуществления со ссылкой на приложенные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображена в разрезе топливная форсунка, содержащая электромагнитный клапан согласно изобретению;
на фиг.2 - выносной элемент А на фиг.1 в увеличенном масштабе;
на фиг.3 - выносной элемент В на фиг.1 в увеличенном масштабе;
на фиг.4 - выносной элемент С на фиг.1 в увеличенном масштабе;
на фиг.5 - разрез по D-D на фиг, 1 в увеличенном масштабе;
на фиг.6 - разрез по Е-Е на фиг.1 в увеличенном масштабе.
Лучший вариант осуществления изобретения
Как показано на фиг.1 и 2, электромагнитный клапан расположен в корпусе 1 форсунки и содержит магнитопровод 2 с обмоткой 3 и якорь 4, закрепленный на толкателе 5. Магнитопровод 2 через изолятор 17 обжат во втулке 18, поджатой гайкой 19 через регулировочную шайбу 15 к корпусу 1. В магнитопроводе 2 по его оси установлен колпачок 16 из немагнитного материала, выступающий из этого магнитопровода 2 на расстояние N (фиг.2). Напряжение на обмотку 3 подается через контакты 20, проходящие через отверстия в изоляторе 17 (не показаны) и залитые пластмассой при изготовлении колодки 21.
Толкатель 5 установлен в отверстии 7 корпуса 1 с возможностью осевого перемещения и под действием пружины 8 с регулировочной шайбой 9 прижимает запорный элемент 10 через проставку 11 к его седлу, перекрывая отверстие 12.
Как более детально показано на фиг.3, якорь 4 закреплен на толкателе 5 посредством упругого диска 13, выполненного за одно целое с толкателем 5, и деформируемого кольца 6. Наружный диаметр упорного кольца 6 равен диаметру упругого диска 13, а внутренний диаметр составляет 1,3-2 диаметра толкателя 5. Жесткость упорного кольца 6 в 2-5 раз превышает жесткость упругого диска 13. Упругий диск 13 и деформируемое кольцо 6 прижаты друг к другу и по периферии скреплены с якорем 4, в частности обжаты. В якоре 4 выполнена расточка, так что между упругим диском 13 и якорем 4 образована демпфирующая полость 14, а деформируемое кольцо 6, выполняющее функцию упора, расположено по другую сторону от демпфирующей полости 14 относительно упругого диска 13 и ограничивает деформацию упругого диска 13 в сторону замыкания магнитной цепи. При этом демпфирующая полость 14 имеет форму кольца, кольцевая щель S на внутреннем диаметре d которого образует выходное сечение демпфирующей полости. Отношение наружного диаметра D полости 14 к указанному внутреннему диаметру d лежит в пределах от 1,8 до 3, а осевой размер щели S выходного сечения демпфирующей полости 14 составляет 0,5-1,5 рабочего хода М толкателя 5.
Рабочий ход М толкателя 5 определяется как расстояние от поверхности якоря 4, обращенной в сторону магнитопровода 2, до колпачка 16 в прижатом положении запорного элемента 10 к его седлу. Этот рабочий ход М может регулироваться путем подбора толщины регулировочной шайбы 15 (фиг.2), определяющей положение магнитопровода 2 относительно корпуса 1. Минимальный зазор между якорем 4 и магнитопроводом 2 определяется выступанием N указанного колпачка 16.
Как показано на фиг.2, толкатель 5 имеет осевое отверстие 22 и пазы 23 для прохода топлива, расходуемого на управление форсункой, к магнитопроводу 2 для его охлаждения, а затем в полость 24 электромагнита. Отверстие 25 и пазы 26 (фиг.1) связывают указанную полость 24 со сливным штуцером 27. Уплотнительное кольцо 28 препятствует проходу топлива, вытекающего из отверстия 12 сразу к сливному штуцеру 27, если перепад давления не превышает допустимый. Герметизация полости 24 осуществляется резиновым уплотнительным кольцом 29.
В
Описанный выше электромагнитный клапан управляет работой электрогидравлической форсунки, например, дизельного двигателя внутреннего сгорания, содержащей соединенный с полым корпусом 1 распылитель 30, в котором установлено три иглы 31, перекрывающих распылительные отверстия 32. Верхние торцы игл 31 в закрытом состоянии совпадают с торцом распылителя 30. Иглы 31 удерживаются от проворота либо теми иглами 31, которые прижаты к седлу, либо за счет сил трения между иглой 31 и взаимодействующим с ней толкателем 33. В корпусе 1 выполнена расточка 34 (фиг.4), определяющая максимальную величину h поднятия игл 31. Для сохранения устойчивости в сжатом состоянии на иглах 31 выполнены утолщения 35, каждое из которых имеет плоские площадки 36 (фиг.5) для взаимного опирания игл 31 друг на друга и цилиндрическую площадку 37 для опирания на внутренний диаметр распылителя 30. Соответственно количеству игл 31 (фиг.1) в корпусе 1 установлено 3 относительно тонких толкателя 33, выполненных из пружинной проволоки с σ около 2500 МПа, которые взаимодействуют с иглами 31. Направление упомянутых тонких толкателей 33 в корпусе 1 для сохранения их устойчивости в сжатом состоянии осуществляется по большей части их поверхности в отверстиях 38 (фиг.6) корпуса 1.
На каждый толкатель 33 (фиг.1) воздействует мультипликатор 39 запирания, верхняя часть которого находится под воздействием давления топлива в камере 40 гидроуправления (фиг.2). Мультипликатор 39 в нижней части имеет упорный буртик 41, который обеспечивает предварительное сжатие толкателя 33, т.к. расстояние между верхним торцом иглы 31 в ее закрытом положении и нижним торцом мультипликатора 39, прижатого буртиком 41 к торцу мультипликаторной втулки 42 (т.е. в верхнем положении), меньше длины толкателя 33 в свободном состоянии, что обеспечивает прижатие иглы 31 к седлу при отсутствии давления в системе. Величина этого сжатия составляет около 0,2 мм, что исключает влияние разницы коэффициентов температурного расширения деталей и снижает требования к точности их изготовления. Отверстия 38 (фиг.1) для опирания толкателя по оси действия сил иглы 31 и мультипликатора 39 выполнены наклонными с большой точностью на проволочном электроэрозионном станке.
Топливо в камеру 40 гидроуправления (фиг.2) поступает через впускной штуцер 43 (фиг.1), отверстия в корпусе 1, трубчатый штифт 44 и дроссельное отверстие 45 (фиг.2) и может быть стравлено из нее через отверстие 12, открытием которого управляет электромагнитный клапан.
Электромагнитный клапан в гидроуправляемой топливной форсунке работает следующим образом.
При включении электромагнита якорь 4 (фиг.2) притягивается к магнитопроводу 2, сжимая через упорное кольцо 6 пружину 8 и освобождая запорный элемент 10. При этом сила удара якоря 4 о торец колпачка 16 демпфируется вытеснением жидкости из зазора между якорем 4 и магнитопроводом 2, уменьшая величину отскока при соударении якоря 4 с торцом колпачка 16, а значительная площадь соударяющихся поверхностей обеспечивает необходимый ресурс работы форсунки.
Освобождение запорного элемента 10 приводит к падению давления в камере гидроуправления 40, и мультипликатор 39 под действием упругих сил толкателя 33 (фиг.1) и давления топлива, действующего на дифференциальную площадку иглы 31, поднимается до контакта буртика 41 с мультипликаторной втулкой 42. При этом игла 31, поднимаясь на величину h (фиг.4), определяемую глубиной расточки 34, до упора в ее дно, открывает распыливающие отверстия 32 (фиг.1) для впрыска топлива, поступающего через впускной штуцер 43 и канал в корпусе 1 в полость распылителя 30.
При выключении электромагнита якорь 4 (фиг.2) под действием пружины 8 через упорное кольцо 6 отрывается от магнитопровода 2 и, перемещаясь вместе с толкателем 5 и проставкой 11, сажает запорный элемент 10 в седло клапана. При этом благодаря упругой связи якоря 4 и упорного кольца 6 с толкателем 5, сила удара запорного элемента 10 о седло уменьшается примерно во столько раз, во сколько раз масса толкателя 5 меньше общей перемещающейся под действием пружины 8 массы, состоящей из масс толкателя 5, якоря 4 и упорного кольца 6. При этом во столько же раз уменьшается напряжение при соударении запорного элемента 10 и его седла, уменьшая их износ, и во столько же раз уменьшается энергия отскока запорного элемента 10.
В момент соударения запорного элемента 10 с седлом якорь 4 вместе с упорным кольцом 6 по инерции продолжает свое движение в сторону размыкания магнитной цепи, деформируя упругий диск 13. При этом из полости 14 (фиг.3) вытесняется топливо, демпфируя большую часть кинетической энергии якоря 4 и упорного кольца 6 и уменьшая величину деформации упругого диска 13 и, как следствие, величину запасенной им энергии деформации.
Деформация упругого диска 13 также приводит к образованию полости между упругим диском 13 и упорным кольцом 6, которая под действием образовавшегося разрежения заполняется топливом, и при распрямлении упругого диска 13 в первоначальное положение топливо из этой полости вытесняется, обеспечивая плавную посадку упорного кольца 6. При этом сила их соударения меньше усилия пружины 8, что исключает нежелательный отрыв запорного элемента 10 (фиг.2) от седла.
При посадке запорного элемента 10 в седло топливо, поступающее через впускной штуцер 43 (фиг.1), канал в корпусе 1, трубчатый штифт 44 и дроссельное отверстие 45 (фиг.2) в камеру гидроуправления 40, повышает в ней давление до рабочего значения. Мультипликатор 39 под действием давления в камере гидроуправления 40 перемещается вниз, воздействуя на толкатель 33, который, в свою очередь, перемещает иглу 31 (фиг.1) до посадки ее в седло, выполненное в распылителе 30, перекрывая подачу топлива.
Такое конструктивное выполнение позволяет резко сократить осевые габариты конструкции, что особенно важно при использовании ее в форсунке с тремя независимо управляемыми иглами 31. Кроме того, более технологичным способом решается проблема отскока запирающего элемента 10 при его соударении с седлом, поскольку запорный элемент 10 дополнительно прижимается якорем 4, деформирующим упругий диск 13 толкателя 5, исключая нежелательное открывание запирающего элемента 10 при возвратном движении якоря 4 за счет наличия двух демпфирующих полостей, одна из которых образована между якорем и упругим диском 13 толкателя 5, а другая образуется во время деформации упругого диска 13 между ним и упорным кольцом 6.
Уменьшение силы соударения запорного элемента 10 о седло позволит без увеличения возникающих при этом напряжений на седле и запорном элементе 10 уменьшить диаметр запорного элемента 10 и, как следствие, используя тот же электромагнит, управлять значительно большим давлением топлива.