УПРАВЛЯЮЩИЙ КЛАПАН ДЛЯ ТОПЛИВНОЙ ФОРСУНКИ, А ТАКЖЕ ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА
CONTROL VALVE FOR FUEL INJECTOR, AS WELL AS FUEL INJECTOR

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к управляющему клапану для топливной форсунки согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, а также к топливной форсунке согласно п.10 формулы изобретения.
Из ЕР 1612403 А1 известна топливная форсунка с уравновешенным по давлению в осевом направлении управляющим клапаном. Управляющий клапан имеет перемещаемую в осевом направлении электромагнитным приводом между закрытым положением и открытым положением управляющую втулку, направляющей для которой при ее перемещении служит охватываемый ею направляющий стержень. Направляющий стержень выполнен при этом за одно целое с клапанной деталью, на которой выполнено также седло управляющей втулки управляющего клапана. Недостаток известного управляющего клапана состоит в сложности изготовления седла из-за затрудненного доступа к нему, а также в том, что направляющий стержень для придания ему достаточной прочности приходится выполнять с имеющим сравнительно большую величину минимальным диаметром, поскольку отвод топлива из управляющей полости происходит по предусмотренному в клапанной детали сливному каналу, пересекаемому проходящими перпендикулярными ему в направляющем стержне поперечными отверстиями.
Фирмой Robert Bosch GmbH был разработан известный из ее внутреннего уровня техники оптимизированный управляющий клапан. Такой также уравновешенный по давлению в осевом направлении управляющий клапан имеет управляющую втулку, охватывающую работающий на сжатие стержень, который уплотняет в осевом направлении расположенную внутри управляющей втулки, сообщающуюся с управляющей полостью полость повышенного давления. Работающий на сжатие стержень выполнен не за одно целое с клапанной деталью, на которой расположено также седло управляющей втулки управляющего клапана, а в виде детали, отдельной от клапанной детали и опирающейся, прежде всего с подпружиниванием, в осевом направлении на отстоящую от седла форсуночную деталь. Благодаря этому обеспечивается лучший доступ к седлу управляющей втулки управляющего клапана, а тем самым и упрощается изготовление такого седла. Помимо этого удается избежать проблем с прочностью. По результатам испытаний подобного управляющего клапана было установлено, что при ударе управляющей втулки о свое седло при ее опускании на него вне зависимости от того, выполнено ли седло в виде конического седла с углом при вершине конуса 90° или в виде плоского седла (угол при вершине конуса составляет 180°), управляющая втулка перемещается перпендикулярно своей продольной протяженности относительно седла. При этом отмечалось, что при выполнении седла в виде конического седла с углом при вершине конуса 90° тот участок управляющей втулки, на котором расположена ее уплотнительная поверхность, упруго смещается радиально наружу, т.е. расширяется, тогда как при выполнении седла в виде плоского седла указанный участок упруго смещается радиально внутрь. Такое скольжение управляющей втулки по ее седлу приводит к повышенному износу управляющей втулки и ее седла и тем самым к образованию ступени давления на управляющей втулке и появлению по этой причине нежелательного, действующего на управляющую втулку в направлении ее открытия усилия.
Краткое изложение сущности изобретения
Задача изобретения
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать управляющий клапан (сервоклапан) с уменьшенным до минимально возможного износом управляющей втулки и ее седла. Еще одна задача изобретения состояла в разработке соответственно оптимизированной топливной форсунки.
Решение положенной в основу изобретения задачи
В отношении управляющего клапана положенная в основу изобретения задача решается с помощью отличительных признаков, представленных в п.1 формулы изобретения, а в отношении топливной форсунки - с помощью отличительных признаков, представленных в п.10 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 путем выбора угла при вершине наружного усеченного конуса, форму которого имеет седло управляющей втулки управляющего клапана, минимизировать или в идеальном случае полностью исключить обусловленное ударом управляющей втулки о свое седло при ее опускании на него скольжение того участка управляющей втулки, на котором расположена ее уплотнительная поверхность, относительно седла. При создании изобретения неожиданно было установлено, что выполнение конического седла управляющей втулки управляющего клапана с углом при вершине конуса в пределах от примерно 120 до примерно 170° позволяет получить положительный эффект с точки зрения минимизации обусловленного ударом управляющей втулки о свое седло при ее опускании на него скольжения управляющей втулки перпендикулярно ее продольной протяженности относительно седла. Подобный эффект может быть обусловлен тем, что при выполнении конического седла с углом при вершине конуса в пределах от примерно 120 до примерно 170°, конкретное значение какового угла должно выбираться в зависимости от размеров и геометрической формы уплотнительного участка управляющей втулки, на котором расположена ее уплотнительная поверхность, на этом уплотнительном участке управляющей втулки появляется действующая радиально наружу составляющая силы, препятствующая скольжению уплотнительного участка радиально внутрь, наблюдаемому при работе управляющего клапана с плоским седлом. Благодаря выполнению конического седла с углом при вершине конуса не менее 120° появляющаяся, действующая радиально наружу составляющая силы оказывается меньше, чем при выполнении конического седла с углом при вершине конуса 90°, в результате чего неожиданно удается избежать (слишком большого) происходящего в направлении радиально наружу упругого деформирования, соответственно смещения управляющей втулки на ее уплотнительном участке относительно седла. Под углом при вершине конуса согласно настоящему изобретению при этом подразумевается угол, заключенный между двумя отрезками боковой поверхности (наклонными участками) конического седла, лежащими в одной плоскости, в которой лежит также продольная ось этого седла. Иными словами, угол при вершине конуса равен удвоенному углу между боковой поверхностью имеющего форму усеченного конуса седла управляющей втулки управляющего клапана и продольной осью этого седла.
Согласно изобретению управляющая втулка для обеспечения ее направленного перемещения может иметь охватываемую своей внутренней боковой поверхностью направляющую и/или охватывающую ее наружную боковую поверхность направляющую. При этом в качестве направляющей, охватываемой внутренней боковой поверхностью управляющей втулки, можно использовать направляющий стержень, который выполнен за одно целое с деталью, на которой расположено седло управляющей втулки управляющего клапана, и который вставлен в управляющую втулку. В другом варианте в управляющей втулке можно расположить работающий на сжатие стержень, который выполнен в виде детали, отдельной от клапанной детали, на которой расположено седло управляющей втулки управляющего клапана, и который благодаря своему неподвижному положению может выполнять функцию направляющей для управляющей втулки. Предпочтителен вариант, в котором в управляющей втулке предусмотрен только работающий на сжатие стержень, который опирается на деталь, отстоящую от клапанной детали, на которой расположено седло управляющей втулки управляющего клапана, а управляющая втулка имеет охватывающую ее наружную боковую поверхность направляющую. Помимо этого для перемещения управляющей втулки между ее закрытым положением, в котором она прилегает к своему седлу, и удаленным от седла открытым положением, в котором управляющая полость сообщается с той зоной топливной форсунки, где преобладает низкое давление, согласно изобретению можно использовать либо пьезоэлектрический, либо электромагнитный привод.
В зависимости от геометрической формы управляющей втулки, прежде всего на ее уплотнительном участке, где расположена уплотнительная поверхность, оптимальный для конкретных условий применения угол при вершине конуса, форму которого имеет седло управляющей втулки управляющего клапана, следует выбирать в интервале значений от примерно 120 до примерно 170°. При создании изобретения было установлено, что указанный угол при вершине конуса более предпочтительно выбирать в интервале значений от 130 до 170°. Особенно же предпочтительно выбирать указанный угол при вершине конуса в интервале значений от 140 до 170°. При этом наиболее хорошие результаты при испытаниях были получены при диаметре седла (диаметре в месте плотного прилегания друг к другу двух взаимно соприкасающихся поверхностей) 2,5 мм и при угле при вершине конуса 140°. Наиболее предпочтительно выбирать угол при вершине конуса в интервале значений от 150 до 170°, преимущественно от 155 до 160°. Оптимальный прежде всего для седла с диаметром (диаметром в месте плотного прилегания друг к другу двух взаимно соприкасающихся поверхностей) 1,8 мм угол при вершине конуса, форму которого имеет такое седло, составляет 160°.
В одном из предпочтительных вариантов уплотнительная поверхность, взаимодействующая с имеющим форму наружного конуса седлом управляющей втулки управляющего клапана, выполнена на имеющем форму внутреннего конуса торцевом участке управляющей втулки, т.е. сама уплотнительная поверхность имеет форму внутреннего конуса. Этот вариант позволяет дополнительно минимизировать износ управляющей втулки и ее седла.
Для образования уплотняющей кромки с минимальной радиальной протяженностью предпочтителен вариант, в котором угол при вершине внутреннего конуса, форму которого имеет участок, на котором расположена уплотнительная поверхность, (несколько) больше угла при вершине наружного усеченного конуса, форму которого имеет седло управляющей втулки управляющего клапана.
При создании изобретения было установлено, что разность между углом при вершине внутреннего конуса, форму которого имеет участок управляющей втулки, на котором расположена уплотнительная поверхность, и углом при вершине наружного конуса, форму которого имеет седло управляющей втулки управляющего клапана, особенно предпочтительно должна составлять от примерно 1 до примерно 10°. Наиболее же предпочтительно, чтобы угол при вершине внутреннего конуса, форму которого имеет участок управляющей втулки, на котором расположена уплотнительная поверхность, был больше угла при вершине конуса, форму которого имеет седло управляющей втулки управляющего клапана, на величину в пределах примерно от 2 до 9°. Оптимальные результаты с точки зрения минимизации износа управляющей втулки и ее седла и герметичности управляющего клапана в его закрытом состоянии были получены при разности между углом при вершине внутреннего конуса, форму которого имеет участок управляющей втулки, на котором расположена уплотнительная поверхность, и углом при вершине конуса, форму которого имеет седло управляющей втулки управляющего клапана, в пределах от 3 до 6°.
Предлагаемый в изобретении управляющий клапан наиболее предпочтительно выполнять в виде уравновешенного по давлению в осевом направлении клапана, т.е. в виде клапана, на управляющую втулку которого в закрытом состоянии в осевом направлении не действуют никакие результирующие перестановочные усилия. Обеспечить это позволяет прежде всего вариант, в котором уплотнительная поверхность с торцевой стороны непосредственно примыкает к внутренней боковой стенке управляющей втулки и проходит от этой стенки радиально наружу, а также в осевом направлении, т.е. в направлении седла управляющей втулки управляющего клапана. Иными словами, посадочная линия (линия плотного прилегания друг к другу двух взаимно соприкасающихся поверхностей), по которой управляющая втулка взаимодействует со своим имеющим форму наружного усеченного конуса седлом, примыкает к внутренней боковой поверхности управляющей втулки. Внутренний диаметр линии плотного прилегания друг к другу двух взаимно соприкасающихся поверхностей соответствует при этом внутреннему диаметру управляющей втулки.
Ограничить максимальную протяженность увеличивающейся с течением времени в результате износа уплотнительной поверхности позволяет еще один предпочтительный вариант, в котором к участку управляющей втулки, на котором расположена уплотнительная поверхность, в радиальном направлении примыкает кольцевая поверхность, которая предпочтительно лежит в воображаемой, расположенной поперечно продольной протяженности управляющей втулки плоскости. При этом такая ограничивающая максимальную протяженность уплотнительной поверхности кольцевая поверхность образует с воображаемой, расположенной поперечно продольной протяженности управляющей втулки плоскостью угол в пределах от примерно -20 до примерно +20°.
В изобретении предлагается также топливная форсунка для впрыскивания топлива в камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания (ДВС). Такая топливная форсунка имеет предлагаемый в изобретении, предпочтительно уравновешенный по давлению в осевом направлении управляющий клапан с управляющей втулкой, которая взаимодействует со своим седлом, имеющим форму наружного усеченного конуса с углом при его вершине в пределах от 120 до 170°. При открытии управляющего клапана, т.е. при приподнятии его управляющей втулки со своего седла, управляющая полость, которая ограничена цельным или составным клапанным элементом топливной форсунки, соединяется с предусмотренным у нее присоединением сливного топливопровода, в результате чего давление топлива в управляющей полости быстро падает, вследствие чего клапанный элемент топливной форсунки приподнимается со своего седла, открывая путь прохождения топлива через по меньшей мере одно распылительное отверстие в камеру сгорания в ДВС. При этом предпочтителен вариант, в котором управляющая втулка кинематически связана с плоским якорем, т.е. выполнена за одно целое с ним либо соединена с ним, прежде всего с геометрическим замыканием, при этом такой плоский якорь для перемещения управляющей втулки взаимодействует с электромагнитным приводом.
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 - схематичный вид топливной форсунки с управляющим клапаном, имеющим управляющую втулку, и
на фиг.2 - увеличенный вид выполненного по одному из возможных вариантов седла управляющего клапана.
Описание вариантов осуществления изобретения
На чертежах одинаковые по своей конструкции и выполняющие одинаковую функцию детали и элементы обозначены одними и теми же позициями.
На фиг.1 схематично в продольном разрезе показана топливная форсунка, выполненная в виде форсунки для системы "common rail" (системы впрыскивания топлива с общей топливной магистралью), вместе с ее топливоподводящими компонентами. Топливная форсунка имеет корпус 1 и распылитель 2, которые скреплены между собой накидной или стяжной гайкой 3. Внутри корпуса 1 и распылителя 2 подвижно в продольном направлении установлен состоящий из двух частей клапанный элемент 3 топливной форсунки. Такой клапанный элемент 3 состоит из иглы 4, которая подвижно в продольном направлении установлена в корпусе распылителя 2, и управляющего стержня 5, который подвижно в продольном направлении установлен в корпусе 1.
Игла 4 при своем продольном перемещении управляет открытием по меньшей мере одного распылительного отверстия 6. Топливо подводится к распылительным отверстиям 6 из кольцевой полости 7, охватывающей иглу 4 и заполняемой находящимся под высоким давлением топливом по подводящему каналу 8. При перемещении иглы 10 от распылительных отверстий 6 в свое открытое положение топливо, находящееся в основном под давлением, преобладающим в топливной магистрали, впрыскивается из кольцевой полости 7 через распылительные отверстия 6 в не показанную на чертеже камеру сгорания в ДВС. При нахождении же иглы 10 в своем закрытом положении, т.е. в положении, в котором она прилегает к седлу, она перекрывает распылительные отверстия 6.
Управляющий стержень 5 расположен в продольном отверстии 9 в корпусе 1. Управляющий стержень 5 прилегает к игле 4 через нажимной элемент 10, расположенный в полости 11 низкого давления, которая через не показанный на чертеже канал сообщается с предусмотренным у форсунки присоединением сливного топливопровода, и поэтому управляющий стержень 5 перемещается синхронно с иглой 4 в продольном направлении. На своем обращенном к распылителю 2 конце управляющий стержень 5 окружен закрывающей пружиной 12, которая с одной стороны опирается на уступ на корпусе 1, а с другой стороны - на нажимной элемент 10 и усилием которой нажимной элемент 10 поджимается в направлении иглы 4, которая в свою очередь поджимается в направлении своего закрытого положения.
Для подачи топлива под высоким давлением предусмотрен насос 13 высокого давления, которым топливо из содержащего его топливного бака 14 под давлением подается в общую топливную магистраль 15 ("rail"), в которой топливо находится под высоким давлением. По топливопроводу 16 высокого давления через выполненное на топливной форсунке присоединение 17 высокого давления находящееся под высоким давлением топливо подается в топливную форсунку и затем описанным выше способом впрыскивается через распылительные отверстия 6 в камеру сгорания в ДВС.
Своим обращенным от иглы 4 торцом управляющий стержень 5 ограничивает управляющую полость 18, которая через входное отверстие 19 с предусмотренным в нем входным дросселем 20 сообщается с подводящим каналом 8. Управляющая полость 18 через сливной канал 21 с предусмотренным в нем сливным дросселем 22 сообщается с полостью 23 повышенного давления. Эта полость 23 повышенного давления расположена радиально внутри перемещающейся в осевом направлении управляющей втулки 24 управляющего клапана 25 (сервоклапана). Управляющая втулка 24 взаимодействует с имеющим форму наружного усеченного конуса седлом 27 управляющей втулки управляющего клапана, которое выполнено на клапанной детали 28. Внутри управляющей втулки 24 расположен работающий на сжатие стержень 29, который выполнен в виде детали, отдельной от клапанной детали 28, и который в осевом направлении сверху в плоскости чертеже опирается на не показанную на нем деталь. В рассматриваемом варианте работающий на сжатие стержень 29 служит осевой направляющей для управляющей втулки 24. Дополнительно к этому или альтернативно этому для управляющей втулки 24 может быть предусмотрена охватывающая ее наружную боковую поверхность направляющая.
В показанном на чертеже варианте управляющая втулка 24 выполнена за одно целое с плоским якорем 30, который взаимодействует с электромагнитным приводом 31 таким образом, что при подаче электрического тока на электромагнитный привод 31 плоский якорь 30, а тем самым и управляющая втулка 24 перемещаются вверх в плоскости чертежа, в результате чего топливо может из полости 23 повышенного давления перетекать в зону 32 топливной форсунки, где преобладает низкое давление, а оттуда - в сливной топливопровод 33, по которому обратно в топливный бак 14 поступает более подробно рассмотренное ниже управляющее количество топлива. Для закрытия управляющего клапана 25 прекращают подачу электрического тока на электромагнитный привод 31, в результате чего закрывающая пружина 34 управляющего клапана отжимает управляющую втулку 24 в осевом направлении вниз в плоскости чертежа к седлу 27.
Для инициирования процесса впрыскивания топлива на электромагнитный привод 31 управляющего клапана 35 подается электрический ток. При этом управляющая втулка 24 приподнимается со своего имеющего форму наружного усеченного конуса седла 27, в результате чего топливо может из управляющей полости 18 через сливной канал 21 с предусмотренным в нем сливным дросселем 22 и через полость 23 повышенного давления перетекать радиально между нижним торцом управляющей втулки 24 и ее седлом в зону 32 низкого давления и тем самым к сливному топливопроводу 33. При этом проходные сечения сливного дросселя 22 и входного дросселя 20, через который топливо продолжает поступать в управляющую полость 18, взаимно согласованы таким образом, что происходит слив практически всего топлива из нее (управляющее количество топлива) в зону 32 низкого давления, а оттуда - в сливной топливопровод 33. Вследствие этого давление в управляющей полости 18 быстро снижается, в результате чего клапанный элемент 3 под действием преобладающего в кольцевой полости 7 высокого давления топлива перемещается в осевом направлении вверх в плоскости чертежа и открывает путь прохождения топлива через распылительные отверстия 6 в камеру сгорания в ДВС.
Для завершения процесса впрыскивания подачу электрического тока на электромагнитный привод 31 прекращают, в результате чего управляющая втулка 24 под действием усилия закрывающей пружины 34 опускается на свое седло 27. В результате продолжающегося поступления топлива через входной дроссель 20 в управляющую полость 18 давление в ней быстро возрастает, вследствие чего клапанный элемент 3 перемещается вниз в плоскости чертежа до упора в свое седло и таким путем перекрывает путь прохождения топлива через распылительные отверстия 6.
На фиг.2 в увеличенном масштабе показан возможный вариант выполнения управляющего клапана 25 в зоне седла его управляющей втулки. На этом чертеже показана управляющая втулка 24, охватывающая вставленный в нее работающий на сжатие стержень 29, который тем самым в осевом направлении сверху в плоскости чертежа уплотняет ограниченную радиально снаружи управляющей втулкой 24 полость 23 повышенного давления и воспринимает создаваемые давлением топлива сжимающие усилия. На чертеже показан далее торцевой уплотнительный участок 35 управляющей втулки 24 с его кольцевой уплотнительной поверхностью 36, которая взаимодействует с имеющим форму наружного усеченного конуса седлом 27.
На чертеже показан далее сливной канал 21, по которому топливо из управляющей полости может перетекать в полость 23 повышенного давления. Угол α при вершине конуса, форму которого имеет седло 27, в показанном на чертеже варианте составляет примерно 120°. Более же предпочтительно выполнять коническое седло с еще большим углом при вершине конуса, прежде всего с углом при вершине конуса примерно 160°. Указанный угол лежит в пределах боковой поверхности 37 конического седла 27, а точнее говоря, равен углу между двумя ее отрезками, лежащими в одной плоскости, в которой лежит также продольная ось L седла управляющей втулки управляющего клапана. Путем выбора приемлемого угла α при вершине конуса удается по меньшей мере практически полностью предотвратить скольжение управляющей втулки 24 в радиальном направлении относительно седла 27 при ее ударе о него.
На фиг.2 показано также, что уплотнительная поверхность 36, которая взаимодействует с боковой поверхностью 37 конического седла, расположена на имеющем форму внутреннего конуса участке 26 с углом β при вершине такого внутреннего конуса, составляющем в рассматриваемом варианте примерно 125°. Важное значение имеет то, что угол β при вершине внутреннего конуса, форму которого имеет участок 26, на котором расположена кольцевая уплотнительная поверхность 36 и который расположен на осевом продолжении 38 управляющей втулки, несколько больше угла α при вершине наружного усеченного конуса, форму которого имеет седло 27.
На чертеже показано далее, что уплотнительная поверхность 36 располагается на кольцевом осевом продолжении 38 торца управляющей втулки 24, при этом уплотнительная поверхность 36 проходит, начиная непосредственно от внутренней окружной поверхности управляющей втулки 24 в радиальном и осевом направлениях. Осевое продолжение 38 с имеющим форму внутреннего конуса участком 26, на котором расположена уплотнительная поверхность 36, в направлении радиально наружу переходит с небольшой вогнутостью в торцевую кольцевую поверхность 39 управляющей втулки, лежащую при этом в перпендикулярной продольной оси L плоскости. Таким путем ограничивается максимальная протяженность увеличивающейся по мере износа уплотнительной поверхности 36.