УПРАВЛЯЮЩИЙ ВСПРЫСКИВАНИЕМ КЛАПАННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ТОПЛИВНОЙ ФОРСУНКИ
FUEL ATOMISER VALVE ELEMENT TO CONTROL OF INJECTION

Настоящее изобретение относится к управляющему вспрыскиванием клапанному элементу для топливной форсунки, который выполнен составным и имеет различные функциональные участки.
Уровень техники
Из DE 102004028617 A1 известна игла распылителя топливной форсунки, имеющая направляющий участок, снабженный слоем из металлокерамики. Такая известная игла распылителя имеет основную часть, которая в основном имеет форму полого цилиндра. На (направляющем) конце основной части иглы распылителя путем посадки горячим натягом или напрессовки закреплена гильза из металлокерамики.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу настоящего изобретения была положена задача снизить стоимость изготовления топливной форсунки, управляющий вспрыскиванием клапанный элемент которой выполнен составным и имеет различные функциональные участки.
Указанная задача в отношении управляющего вспрыскиванием клапанного элемента для топливной форсунки, выполненного составным и имеющего различные функциональные участки, решается благодаря тому, что он имеет два направляющих элемента, закрепленных на отдельном соединительном стержне. Такой управляющий вспрыскиванием клапанный элемент называют также иглой распылителя форсунки. Настоящее изобретение относится к сравнительно длинным иглам, направляемым при их перемещении в двух местах в корпусе топливной форсунки. Согласно одному из важных аспектов изобретения игла распылителя выполнена модульной конструкции и имеет два отдельных направляющих элемента, которые можно использовать в сочетании с разными соединительными стержнями, прежде всего с соединительными стержнями различной длины. Благодаря этому простым путем обеспечивается реализация модульного принципа конструирования топливных форсунок различной длины.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении управляющего вспрыскиванием клапанного элемента он отличается тем, что соединительный стержень выполнен из материала, отличного от материала, из которого выполнены направляющие элементы. Соединительный стержень предпочтительно выполнять из материала, который придает соединительному стержню высокую осевую жесткость. Направляющие же элементы предпочтительно выполнять из материала, обладающего высокой износостойкостью.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении управляющего вспрыскиванием клапанного элемента он отличается тем, что соединительный стержень выполнен из керамического материала, из обычной конструкционной стали, которая обладает хорошей свариваемостью, из пластмассы и/или из литейного материала. Соединительный стержень может быть целиком выполнен из одного из указанных материалов. Однако существует также возможность выполнения соединительного стержня из разных материалов. Соединительный стержень может также иметь осевые участки, которые по меньшей мере частично выполнены из разных материалов. Согласно одному из важных аспектов изобретения соединительный стержень выполнен таким образом, что его можно простым путем изготавливать различной длины и выпускать в достаточных для создания необходимого запаса количествах.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении управляющего вспрыскиванием клапанного элемента он отличается тем, что направляющие элементы выполнены из керамического материала, из пластмассы, из металлокерамики и/или из стали, предпочтительно подвергнутой поверхностной закалке. Направляющие элементы могут быть целиком выполнены из одного из указанных материалов. Однако существует также возможность выполнения направляющих элементов из разных материалов. При этом направляющие элементы прежде всего можно подвергать на их направляющих поверхностях специальной обработке и/или снабжать специальным покрытием.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении управляющего вспрыскиванием клапанного элемента он отличается тем, что он имеет вершину, закрепленную на отдельном соединительном стержне. Такая вершина выполняет уплотняющую функцию и по меньшей мере частично выполнена из материала, предпочтительно обладающего особо высокой износостойкостью.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении управляющего вспрыскиванием клапанного элемента он отличается тем, что один из направляющих элементов соединен или выполнен за одно целое с вершиной. Подобный направляющий элемент с вершиной можно для конструирования топливных форсунок по модульному принципу использовать в сочетании с различными соединительными стержнями, прежде всего с соединительными стержнями различной длины, и в сочетании с другим направляющим элементом.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении управляющего вспрыскиванием клапанного элемента он отличается тем, что соединительный стержень выполнен в виде сплошного или полого прямого кругового цилиндра. Благодаря этому простым путем обеспечивается возможность изготовления и создания запаса соединительных стержней различной длины. Однако соединительные стержни могут также иметь участки с разным наружным диаметром. Помимо этого на соединительных стержнях может быть предусмотрен буртик, который, например, имеет опорную поверхность для закрывающей пружины.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении управляющего вспрыскиванием клапанного элемента он отличается тем, что каждый из направляющих элементов выполнен в виде сплошного или полого прямого кругового цилиндра. В осевом направлении направляющие элементы преимущественно имеют явно меньшую длину, чем соединительный стержень. Боковая поверхность направляющих элементов представляет собой направляющую поверхность, которой соответствующий направляющий элемент возвратно-поступательно перемещается в осевом направлении в направляющем отверстии топливной форсунки, соответственно на ее участке с направляющим отверстием. На одном из направляющих элементов в предпочтительном варианте предусмотрены лыски, которые обеспечивают возможность прохождения топлива в зоне направляющей.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении управляющего вспрыскиванием клапанного элемента он отличается тем, что соединительный стержень проходит через по меньшей мере один направляющий элемент. С этой целью направляющий элемент имеет центральное сквозное отверстие, диаметр которого согласован с диаметром соединительного стержня. Направляющие элементы могут быть соединены с соединительным стержнем соединением с силовым замыканием, соединением с геометрическим замыканием или соединением, осуществляемым силами молекулярного сцепления.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении управляющего вспрыскиванием клапанного элемента он отличается тем, что по меньшей один конец соединительного стержня расположен внутри одного из направляющих элементов. Указанный конец может быть соединен с направляющим элементом соединением с силовым замыканием, соединением с геометрическим замыканием или соединением, осуществляемым силами молекулярного сцепления. Помимо этого указанный конец альтернативно этому или дополнительно к этому может быть соединен с концом цапфы, на другом конце которой предусмотрена вершина клапанного элемента (иглы).
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении управляющего вспрыскиванием клапанного элемента он отличается тем, что для реализации модульного принципа конструирования разных, например, различающихся своей длиной, топливных форсунок, имеющих управляющие впрыскиванием клапанные элементы, различающиеся, например, своей длиной и/или осевой жесткостью, предусмотрена возможность варьирования длины и/или жесткости центральной части между двумя направляющими элементами. Согласно одному из важных аспектов изобретения таким путем обеспечивается возможность реализации модульного принципа конструирования разных топливных форсунок. Варьирование указанной центральной части позволяет наиболее экономичным путем реализовать подобный модульный принцип.
Еще одним объектом изобретения является топливная форсунка для систем вспрыскивания топлива с общей топливной магистралью высокого давления, предназначенная для вспрыскивания находящегося под высоким давлением топлива в камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) и имеющая корпус, в котором с возможностью направленного возвратно-поступательного перемещения установлен описанный выше клапанный элемент, управляющий вспрыскиванием находящегося под высоким давлением топлива из топливной форсунки в камеру сгорания в ДВС. Согласно одному из своих важных аспектов изобретение относится к набору унифицированных элементов для топливных форсунок с управляющими вспрыскиванием клапанными элементами, имеющими направляющие элементы, которые можно по модульному принципу простым путем комбинировать с различными соединительными стержнями, прежде всего с соединительными стержнями различной длины.
Другие преимущества, отличительные особенности и частные аспекты изобретения вытекают из последующего описания, в котором со ссылкой на прилагаемые к нему чертежи более подробно рассмотрены различные варианты осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - предельно упрощенный вид изображенной в продольном разрезе топливной форсунки с управляющим вспрыскиванием клапанным элементом,
на фиг.2 - предельно упрощенный вид изображенного в продольном разрезе управляющего вспрыскиванием клапанного элемента с различными функциональными участками и
на фиг.3-12 - вид в продольном разрезе управляющих вспрыскиванием клапанных элементов, выполненных по различным вариантам осуществления изобретения.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 в продольном разрезе и в предельно упрощенном виде показана топливная форсунка 1 для систем вспрыскивания топлива с общей топливной магистралью высокого давления. Подобная топливная форсунка предназначена для вспрыскивания находящегося под высоким давлением топлива в камеру сгорания в ДВС. Топливная форсунка 1 имеет корпус 2, который выполнен составным и который своим концом 3, ближним к камере сгорания в ДВС, выступает в нее. В корпусе 2 форсунки с возможностью направленного возвратно-поступательного перемещения в нем установлен клапанный элемент 4, управляющий вспрыскиванием находящегося под высоким давлением топлива из топливной форсунки в камеру сгорания в ДВС и называемый также иглой распылителя или просто иглой. Такой управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 4 выполнен составным и имеет различные функциональные участки. На своем ближнем к камере сгорания или обращенном к ней конце управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 4 имеет вершину (запирающий конус) 5 с уплотнительной кромкой, которая может прилегать к соответствующей уплотняющей поверхности на корпусе форсунки. В том случае, когда уплотнительная кромка на вершине иглы прилегает к уплотняющей поверхности, топливная форсунка 1 закрыта. При целенаправленном снижении давления в управляющей полости 6 со стороны дальнего от камеры сгорания конца иглы 4 она открывается, при этом ее вершина 5 со своей уплотнительной кромкой приподнимается от соответствующей уплотняющей поверхности, обеспечивая таким путем гидравлическое соединение полости повышенного давления внутри корпуса 2 форсунки с камерой сгорания в ДВС для впрыскивания в нее топлива.
На своем дальнем от камеры сгорания конце управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 4 имеет направляющий и/или уплотнительный участок 8, который обеспечивает направленное перемещение управляющего вспрыскиванием клапанного элемента 4 на первом направляющем участке в корпусе 2 форсунки. Игла 4 имеет далее направляющий и/или топливопроводящий участок 9, который обеспечивает ее направленное перемещение на втором направляющем участке в корпусе 2 форсунки. На этом направляющем и/или топливопроводящем участке 9 могут быть предусмотрены лыски, обеспечивающие возможность прохождения топлива к вершине иглы.
Согласно одному из важных аспектов изобретения оба участка или обе поверхности 8, 9 выполнены на отдельных направляющих элементах, которые совместно закреплены на одном общем соединительном стержне 10.
На фиг.2 в продольном разрезе отдельно показан управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 20, который аналогичен управляющему вспрыскиванием клапанному элементу 4, показанному на фиг.1. Такой управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 20, или игла 20, имеет два направляющих элемента 21, 22, закрепленных на концах соединительного стержня 24. На направляющем элементе 21 с его обращенного от соединительного стержня 24 торца закреплена вершина 25 иглы. Вершина 25 иглы может быть также соединена с направляющим элементом 21 за одно целое. Функция вершины 25 состоит в обеспечении уплотнения. Функции направляющего элемента 21 заключаются в обеспечении направленного перемещения иглы и при необходимости в обеспечении прохождения топлива к ее вершине. Соединительный стержень 24 выполняет соединительную функцию. При этом важное значение имеет то, изменяет ли соединительный стержень 24 свою длину в процессе работы форсунки. Функции направляющего элемента 22 заключаются в обеспечении направленного перемещения иглы и в обеспечении уплотнения.
На фиг.3 показана игла 30 с двумя направляющими элементами 31, 32, закрепленными на соединительном стержне 34. На направляющем элементе 31 закреплена вершина 35 иглы. Направляющие элементы 31, 32 для повышения их износостойкости снабжены износостойким покрытием. Помимо этого вершина 25 иглы также снабжена износостойким покрытием.
На фиг.4 показана игла 40 с двумя направляющими элементами 41, 42, закрепленными на концах соединительного стержня 44. Направляющий элемент 41 соединительным участком 46 соединен за одно целое с вершиной 45 иглы. С другой стороны направляющего элемента 41 от него отходит хвостовичок 47, свободный конец которого прикреплен к соединительному стержню 44. Аналогичный хвостовичок 48 отходит от направляющего элемента 42 и служит для его прикрепления к другому концу соединительного стержня 44. Соединительный стержень 44 имеет форму прямого сплошного цилиндра (цилиндра сплошного сечения) и в предпочтительном варианте выполнен из керамического материала, обычной конструкционной стали, которая обладает хорошей свариваемостью, из пластмассы и/или из литейного материала. Направляющие элементы 41, 42 в предпочтительном варианте выполнены из керамического материала, из пластмассы, из металлокерамики или из стали, подвергнутой поверхностной закалке. Соединительный стержень предпочтительно при этом выполнять из материала, отличного от материала, из которого выполнены направляющие элементы.
На фиг.5 показана игла 50 с двумя направляющими элементами 51, 52, закрепленными на соединительном стержне 54. Направляющий элемент 51 соединительным участком 56 соединен за одно целое с вершиной 55 иглы. Соединительный стержень 54 выполнен из литого материала. Согласно еще одному важному аспекту изобретения направляющие элементы 51, 52 крепят к соединительному стержню 54 путем заливки. С этой целью направляющий элемент 51 выполнен с отходящим от него хвостовичком 57, на конце которого предусмотрен буртик 59. Аналогичным образом и направляющий элемент 52 выполнен с отходящим от него хвостовичком 58, на конце которого предусмотрен буртик 53. Буртик 53, 59 и часть соответствующего хвостовичка 58, 57 залита в литой материал, из которого выполнен соединительный стержень 54. В качестве литейного материала можно использовать литейную сталь или литейный алюминиевый сплав.
На фиг.6 в продольном разрезе показан управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 60 с двумя направляющими элементами 61, 62, каждый из которых имеет по центральному сквозному отверстию, через которое проходит соединительный стержень 64. На конце соединительного стержня 64 выполнена вершина 65 иглы. Оба направляющих элемента 61, 62 можно закреплять на соединительном стержне 64 прессовым соединением. В другом варианте оба направляющих элемента 61, 62 можно соединять с соединительным стержнем соединением, осуществляемым силами молекулярного сцепления.
На фиг.7 показан управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 70, который аналогичен управляющему вспрыскиванием клапанному элементу 40, показанному на фиг.4. Такой управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 70 имеет два направляющих элемента 71, 72, закрепленных на соединительном стержне 74. С направляющим элементом 71 за одно целое с ним соединительным участком 76 соединена вершина 75 иглы. Конец соединительного стержня 74 в первом месте 73 стыка крепится к хвостовичку 77, который в свою очередь прикреплен к направляющему элементу 71. Еще один хвостовичок 78 прикреплен к направляющему элементу 72 и в еще одном месте 79 стыка в свою очередь также соединен с соединительным стержнем 74.
На фиг.8 показан управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 80, который аналогичен управляющему вспрыскиванием клапанному элементу 60, показанному на фиг.6. Такой управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 80 имеет два направляющих элемента 81, 82, закрепленных на проходящем сквозь них соединительном стержне 84. На одном конце соединительного стержня 84 выполнена вершина 85 иглы. Направляющие элементы 81, 82 в предпочтительном варианте выполнены из пластмассы или сплава металлов, прежде всего из сплава с обозначением 100 Cr6.
На фиг.9 показан управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 90 с двумя направляющими элементами 91, 92, закрепленными на соединительном стержне 94. Оба направляющих элемента 91, 92 имеют по центральному сквозному отверстию. Соединительный стержень 94 своим дальним от камеры сгорания концом проходит сквозь направляющий элемент 92. Ближний к камере сгорания конец соединительного стержня 94 расположен, если смотреть в осевом направлении, примерно по середине направляющего элемента 91 внутри него. К ближнему к камере сгорания концу соединительного стержня 94 примыкает дальний от камеры сгорания конец цапфы 96, на ближнем к камере сгорания конце которой выполнена вершина 95 иглы. В месте 98 стыка цапфа 96 в предпочтительном варианте соединением, осуществляемым силами молекулярного сцепления, соединена с соединительным стержнем 94 и/или направляющим элементом 91. В этом случае направляющий элемент 91 одновременно представляет собой соединительное звено между соединительным стержнем 94 и цапфой 96 с вершиной 95 иглы.
На фиг.10 в продольном разрезе показан управляющий впрыскиванием клапанный элемент 100 с двумя направляющими элементами 101, 102, закрепленными на соединительном стержне 104. Соединительный стержень 104 имеет форму прямого полого цилиндра, открытого с обоих своих концов. В соединительный стержень 104 на его ближнем к камере сгорания конце вставлена вершина 105 иглы. Вершина 105 иглы соединительным участком 106 за одно целое соединена с цапфой 107, расположенной внутри соединительного стержня 104. Направляющий элемент 101 имеет центральное сквозное отверстие, через которое проходит соединительный стержень 104. От направляющего элемента 102 отходит центральная цапфа 108, вставленная в соединительный стержень 104 на его дальнем от камеры сгорания конце. Вершину 105 иглы и направляющие элементы 101, 102 можно крепить к соединительному стержню 104 соединением, осуществляемым силами молекулярного сцепления, соединением с геометрическим замыканием или соединением с силовым замыканием.
На фиг.11 в продольном разрезе показан управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 110 с двумя направляющими элементами 111, 112. Оба направляющих элемента 111, 112 имеют вид втулок, охватывающих соединительный стержень 114, имеющий форму прямого полого цилиндра. Соединительный стержень 114 на своем дальнем от камеры сгорания конце 118 выполнен глухим (закрытым), а на своем ближнем к камере сгорания конце - открытым. В открытый ближний к камере сгорания конец соединительного стержня 114 вставлена вершина 115 иглы, от каковой вершины отходит цапфа 116, частично расположенная внутри соединительного стержня 114.
На фиг.12 показан управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 120 в двух разных с точки зрения его длины вариантах. Такой управляющий вспрыскиванием клапанный элемент 120 имеет два направляющих элемента 121, 122, закрепляемых на разных соединительных стержнях 124, 134. Направляющий элемент 121 имеет вершину 125 иглы, соединенную соединительным участком 126 за одно целое с направляющим элементом 121. От обращенного от вершины 125 иглы торца направляющего элемента 121 отходит хвостовичок 127, который соединительной муфтой 128 закреплен на ближнем к камере сгорания конце соединительного стержня 124, 134. Аналогичный хвостовичок 129 отходит от ближнего к камере сгорания торца направляющего элемента 122. Ближний к камере сгорания конец хвостовичка 129 еще одной соединительной муфтой 131 закреплен на дальнем от камеры сгорания конце соединительного стержня 124, 134.
Соединительный стержень 134, во-первых, выполнен короче соединительного стержня 124. Помимо этого соединительный стержень 134 имеет уменьшенную в диаметре часть 135, наружный диаметр которой меньше, чем у соединительного стержня 124.
Согласно еще одному важному аспекту изобретения можно целенаправленно регулировать осевую жесткость управляющего вспрыскиванием клапанного элемента, соответственно иглы распылителя. Осевая жесткость существенно влияет на работу топливной форсунки, например, на скорость ее открытия, величину минимального количества впрыскиваемого топлива и иные параметры. Согласно следующему важному аспекту изобретения простым путем обеспечивается возможность реализации модульного принципа конструирования топливных форсунок, имеющих различную длину, т.е. принципа, основанного на конструировании топливных форсунок различной длины из набора унифицированных элементов. Благодаря предлагаемой в изобретении модульной конструкции иглы распылителя можно при малых затратах изготавливать иглы различной длины. Соединительный стержень 10; 24; 34; 44; 54; 64; 74; 84; 94; 104; 114; 124; 134 в основном выполняет задачу по соединению обоих направляющих элементов 21, 22; 31, 32; 41, 42; 51, 52; 61, 62; 71, 72; 81, 82; 91, 92; 101, 102; 111, 112; 121, 122 между собой и/или с вершиной 25; 35; 45; 55; 65; 75; 85; 95; 115; 125 иглы распылителя. При этом соединительный стержень в значительной степени способствует повышению общей жесткости иглы распылителя в осевом направлении. Основная идея изобретения состоит в устранении связи функциональных участков, которыми являются вершина иглы распылителя и направляющие элементы, с зависящими от модульного принципа величин, которыми являются длина иглы распылителя и ее осевая жесткость.
Настройка необходимой длины и осевой жесткости иглы осуществляется только варьированием этих параметров у одной детали, а именно: у соединительного стержня, тогда как функциональные участки - вершина иглы и направляющие элементы - остаются неизменными. Подобная концепция помимо прочего обладает такими преимуществами, как увеличение количества одинаковых или унифицированных деталей, что положительно сказывается на материально-техническом обеспечении и издержках, и вариабельность только одной, сравнительно простой по своему конструктивному исполнению детали с низкими требованиями к точности ее изготовления и допускам на ее изготовление, что положительно сказывается на издержках. Помимо этого соединительный стержень можно изготавливать из другого материала, что положительно сказывается на издержках и обеспечивает достижение возможных преимуществ касательно выбора требуемого способа соединения.
На фиг.12 проиллюстрировано, что общая жесткость иглы 120 складывается из показателей жесткости отдельных компонентов 141, 142 и 143. При этом осевая жесткость зависит от конкретной площади поперечного сечения, от длины соответствующей детали, а также от модуля упругости. В варианте с большей длиной осевую жесткость иглы 120 можно поддерживать постоянной, если показатели жесткости отдельных компонентов 141-143 остаются постоянными. Поскольку компоненты 141 и 143 геометрически всегда остаются неизменными, соответствующие показатели их жесткости также постоянны. Соответственно этому постоянной должна оставаться и жесткость компонента 142 с соединительным стержнем 124; 134. Соблюдение подобного условия возможно при поддержании постоянным соотношения между площадью поперечного сечения и длиной соединительного стержня 124; 134.
Соединительный стержень 124; 134 можно выполнять в виде детали со сплошным сечением из прутковой заготовки либо в виде полой детали из трубчатой заготовки. Выполнение соединительного стержня 124; 134 в виде полой детали позволяет достичь не только функциональных, но и технологических преимуществ. Диаметр в местах стыка должен с технологической точки зрения и для обеспечения постоянства прочности оставаться неизменным во всех вариантах выполнения соединительных стержней 124; 134, как это проиллюстрировано на фиг.12. Применительно к детали со сплошным сечением сказанное означает, что при необходимости на меньшем и/или большем диаметре следует предусматривать уступ. Применительно к полой детали согласование площади ее поперечного сечения можно выполнять варьированием ее внутреннего диаметра, тогда как ее наружный диаметр может оставаться неизменным.