ФОРСУНКА

Предложение относится к двигателям внутреннего сгорания, а именно, к их системам подачи топлива, в частности, к топливовпрыскивающей аппаратуре, прежде всего к аппаратуре с электрическим приводом и, конкретно, к форсункам.
Широко известны форсунки с гидравлическим запиранием иглы (см., например, книгу Астахова И.В. и др. Топливные системы и экономичность дизелей, М., Машиностроение, 1996 г., с.277-283 и Эблен Э. и др. Новая топливная система высокого давления, улучшающая технические характеристики дизеля, Bosch Technische Bereite, 1978, 6, № 2, с. 70-81). Электрогидравлическая форсунка аккумуляторной системы обеспечивает достаточно гибкое управление процессом впрыскивания топлива. Управ.яяемым элементом электрогидравлической форсунки является клапан с электромагнитным или пьезоэлектрическим приводом. Открытие и закрытие клапана в сочетании с наличием жиклеров создает гидравлические усилия, вызывающие подъем иглы и ее посадку на седло. Клапан уравновешен, по крайней мере, частично при действии гидравлических усилий, что обеспечивает его быстродействие при усилиях и перемещениях, обеспечиваемых электрическим приводом сравнительно малых размеров.
Из швейцарской заявки № 8956/66 известна электроуправ.пяемая форсунка, для гидравлического усиления в которой использовано давление топлива, помогающее инициировать усилия, создаваемые электромагнитом. Регулирование процесса впрыскивания дизельного топлива обеспечено форсунками с гидравлическим запиранием иглы по выданным в СССР авт. св. № 315778, № 675199, № 798340, № 907287, № 909262 и № 1038527. Известна топливовпрыскивающая аппаратура циклического действия с приводом клапанов от давления среды (см., например, авт. св. № 490943) типа аккумулятор форсунка, в которой давление в аккумуляторе стремиться открыть, а давление топлива в другой камере стремится закрьггь инжекционные клапаны, которые снабжены устройствами для периодического снижения давления в этой камере. Упомянутые технические решения легли в основу при создании топливовпрыскивающей аппаратуры дизелей.
Многие форсунки для аккумуляторных систем топливоподачи содержат усилитель давления, имеющий нагнетательный и рабочий плунжеры, размещенные соответственно в нагнетательной линии подвода топлива и в управляющей камерах (US 4069800). В свою очередь, усилитель давления согласно японской заявке N° 60 - 29830 выполнен со ступенчатым плунжером. Топливовпрыскивающая система по этой заявке усовершенствова ..-.йшмиммШЮТОШ
F02M51/00 51/06 ФОРСУНКА
на в SU 1671938 А1. Уменьшению протечек топлива через клапан способствует применение двух- и трехходовых клапанов, а также использование неуравновешенных клапанов (US 4544096 и US 4997133). Предотврашено вытекание топлива из аккумулятора при зависании иглы в электроуправляемой форсунке (SU 1260551 А1). Эти усовершенствования позволили широко использовать элекгрогидравлические форсуики в топливных системах высокого давления дизельных двигателей транспортных средств.
Улучшение процесса впрыскивания топлива в форсунке (ЕР 0149598 В1) достигнуто выполнением рабочего и нагнетательного плунжеров с разными эффективными площадями, при этом запорная игла подпружинена, а обратный клапан установлен между управляющей и нагнетательной камерами. В электроуправляемой форсунке (SU 1321892 А1) это улучшение достигнуто регулировкой длительности электрического импульса, в гидрозапорной форсунке (SU 1423770 А1) - противофазным функционированием запорного элемента и электромагнитного клапана, во впрыскиваюшем устройстве высокого давления (JP 1-293386) - использованием двух управляющих электромагнитных клапанов, в форсунке (US 5397055) - использованием многофункционального электромагнитного управляющего клапана и введением дополнительной магистрали между подыгольной камерой и сливом, в форсунке (WO 95/25886) - выполнением на сливе одного или нескольких каналов с дросселем. Другим путем улучшения процесса впрыскивания явилось усовершенствование отдельных элементов форсунок. Периферийно подпружиненный якорь опёрт через шток на плавающую опору (SU 1397612), при этом в штоке и опоре выполнены каналы; подпружиненный центрально установленной пружиной шайбообразный якорь (US 4946106) выполнен с каналом; корпус электромагнитной форсунки (JP 3031570 А) выполнен одинаковой толщины из ферромагнитного материала; втулка якоря (RU 2047034 С1) сваркой соединена с трубой, на которую опёрта пружина; соленоид пьезоэлектрической форсунки опёрт на периферийно подпружиненный клапан; периферийно, по отнощению к хвостовику составного якоря, установлена пружина, опертая на проставку (DE 19708104 А1).
Известна форсунка (см., например, выданный в Швейцарии патент № 495504), содержащая корпус с камерами, сообщенными с подводящим и выходными каналами, перекрываемыми по внешнему сигналу, и запорным элементом, перемещаемый элемент, изменяющий свое положение в корпусе, и упругое звено. В этой форсунке упругое звено (пружина) размещено по существу внутри стебля якоря, что существенно сказывается на наружном его диаметре и длине, а также на развиваемом пружиной усилии. Размещение этого стебля внутри камеры слива значительно увеличивает ее размеры. В равной степени
на увеличении размеров сказывается как выполнение камеры слива в специальном патроне, установленном в корпусе, так и размещение заурядно выполненного сердечника с катушкой в еще одном патроне, прижатом гайкой к спецпатрону. В корпусе предусмотрена бобыщка для крепления щтуцера и размещения входного канала, при этом ось штуцера перпендикулярна оси основных элементов форсунки на двигателе из-за нехватки места для размещения подводящей трубки. Пружина опёрта на ползун, что снижает надежное ее функционирование. Не менее половины массы форсунки составляет ее корпус, при этом он весьма протяжен, что требует дополнительных затрат на выполнение в нем каналов, камер и отверстия для установки штанги. Такое выполнение корпуса тем более затрудняет в нем размещение элементов тонкой настройки форсунки. В свою очередь, торцевой ввод электропитания затрудняет установку регулирующей аппаратуры на сливе.
Задача - улуч1щение эксплуатационных свойств форсунки при повыщении надежности ее работы, расширении области применения и уменьшении затрат на изготовление.
Улучщение эксплуатационных свойств форсунки в первую очередь по потерям энергии при повышении надежности ее работы, расширении области применения и уменьшении затрат на ее изготовление достигнуто путем рационального взаимодействия сил элекгрического привода, упругих сил и давления топлива.
Для этого в форсунке, содержащей корпус с камерами, сообщенными с подводящим и выходными каналами, перекрываемыми nio внещнему сигна;, и.запорным элементом, перемещаемый элемент, изменяющий свое положение в катущке, и упругое звено, выполнена разделительная камера с гидравлически управляемым клапаном в виде штока или шарика. Упругое звено установлено периферийно в камере слква.
Гидравлически управляемый клапан в разделительной камере и периферийная ус    j     ,-,,
тановка упругого звена в камере слива форсунки, содержащей корпус с камерами, сообц енными с подводящим и выходными каналами, перекрываемыми по внешнему сигналу и запорным элементом, и перемешаемый элемент, позволят улучшить эксплуатационные свойства форсунки при повышении надежности ее работы, расширении области применения и уменьшении затрат на ее изготовление, поскольку усилие, создаваемое электроприводом, необходимо только для начала рабочего цикла форсунки, а основное усилие создается давлением топлива. В качестве примера исполнения представлена форсунка с электромагнитным приводом управляющего клапана.
на фиг. 4 - электромагнит;
на фиг. 5 - корпус форсунки, вид сверху;
на фиг. 6 - шток с дополнительными каналами;
на фиг. 7 - разделительная камера с шариком и одним центральным каналом в вставке;
на фиг. 8 - разделительная камера с шариком, одним центральным каналом и дополнительным обходным каналом во вставке;
на фиг. 9 - разделительная камера с шариком и одним обходным каналом во вставке.
на фиг. 10-сердечник внутренний;
на фиг. 11 - сердечник внешний
на фиг. 12 - корпус в сборе;
на фиг. 13 - головка блока цилиндра с форсункой и клапаном;
на фиг. 14 - вид сверху на форсунку и клапаны.
В корпусе 1 форсунки (фиг. 1) выполнены управляюшая камера 2 и камера слива 3 (фиг. 2). Камера 2 сообшена с подводяшим каналом 4 через подводяший канал 5 и разделительную камеру 6, а через выходной канал 7 - с камерой 3. Камера 3 сообшена с отводяшим каналом 8. Канал 7 в исходном состоянии форсунки перекрывается запорным шариком 9. Канал 7 открывается по внешнему сигналу. Для этого предусмотрена подача электрического тока в катушку 10 электромагнита. В полости И корпуса 1 установлен перемешаемый элемент- поршень 12, изменяюший свое положение в корпусе 1. В форсунке предусмотрены упругие звенья 13.
Упругое звено 13 выполнено как пружина и установлено периферийно в камере 3 слива.
Разделительная камера 6 через отверстие 14 в центре ее нижней поверхности сообшена начальной частью канала впрыскивания топлива 15. Через отверстие 16 в центре верхней поверхности разделительная камера 6 сообшена с каналом управления 7, частью которого является камера 2. В разделительной камере б размешен шток 17 (фиг. 3). В исходном положении штока 17 шель над его верхним торцом соединяет разделительную камеру 6 с камерой 2. В верхней части штока 17 выполнены каналы 18 и 19. (фиг.З.), постоянно сообшаюшие разделительную камеру б с камерой 2. Гидравлическое сопротивление этих каналов сушественно выше гидравлического сопротивления полностью открытой шели над верхним торцом штока 17. В исходном положении штока 17 шель под его нижним торцом полностью закрыта.
Установка штока 17, представляющего собой гидравлически управляемый клапан, в разделительной камере 6 и периферийная установка упругого звена 13 в камере слива 3 форсунки, содержащей корпус 1 с камерой 2, сообщенной с каналами подводящим 5 и выходным 7, открываемым по внешнему сигналу, и запорным элементом 9, и перемещаемый элемент 12, позволят улучшить эксплуатационные свойства форсунки при повышении надежности ее работы, расширении области применения и уменьшении затрат на ее изготовление, поскольку усилию, создаваемому электромагнитным полем (электрическим приводом), рационально противодействуют усилия периферийно установленных упругих звеньев 13, а изменение гидравлических сил на перемещаемом элементе 12 усиливается и ускоряется перемещением щтока 17.
Камера слива 3 выполнена в корпусе 1 форсунки, сопряженном с наружным сердечником 20 электромагнита (фиг. 4). В наружном сердечнике 20 установлены катушка 10 и внутренний сердечник 21. В сердечнике 20 размещены упругие звенья 13, опёртые на якорь 22.
Выполнение камеры 3 слива в корпусе 1 форсунки, сопряженном с сердечником 20 с катушкой 10, в котором размещены упругие звенья 13, опёртые на якорь 22, позволит в еще большей степени улучшить эксплуатационные свойства форсунки прн повышении надежности ее работы, расширении области применения и уменьшении затрат на ее изготовление, поскольку рационально обеспечено взаимодействие сил электрического привода, упругих сил, создаваемых пружинами 13 и сил от давления топлива, подаваемого в канал 4.
Корпус 1 форсунки выполнен с асимметричным расположением осей 23 (фиг. 5) и 24 входного канала 4 и камеры 3 слива. Катушка размещена в полости 25. Полость 25 образована внутренним сердечником 21 и внешним сердечником 20. Сердечник 20 имеет гнезда 26 установки упругих звеньев 13. Такое выполнение корпуса форсунки способствует рациональному взаимодействию сил электрического привода (электромагнита), упругих сил, создаваемых пружинами 13 и гидравлических сил, создаваемых давлением топлива в камере 2.
К корпусу 1 форсунки гайкой 27 присоединена проставка 28. В проставке 28 размещена штанга 29. Штанга 29 контактирует сверху с перемещаемым элементом (поршнем) 12, а снизу - с хвостовиком 30 запорной иглы (на фиг. не показана) распылителя 31 форсунки. Поршень установлен в корпусе 1 форсунки.
ское сопротивление этих каналов существенно выше гидравлического сопротивления полностью открытой щели под нижним торцом поднятого до верхнего упора щтока 17. В другом исполнении гидравлическое сопротивление каналов 32 и 33 должно бьггь не выще гидравлического сопротивления полностью открытой щели под нижним торцом поднятого до верхнего упора щтока 17.
Шток 17 может быть снабжен пружиной 34.
В другом исполнении (фиг. 7) камера 6 или канал 5 сообщены с камерой 2 дополнительным каналом 35. В разделительной камере 6 размещен щарик 36 и вставка 37. Во вставке 37 выполнен центральный канал 38, который в исходном положении перекрыт щариком 36. В другом исполнении (фиг. 8) во вставке 37 выполнен дополнительный обходной канал 39. Гидравлическое сопротивление обходного канала 39 существенно выще гидравлического сопротивления полностью открытой щели на входе в центральный канал 38 под поднятым до верхнего упора шариком 36. В другом исполнении (фиг. 9) во вставке 37 выполнен только обходной канал 40, сообщающий разделительную камеру 6 с каналом впрыскивания 15.
Такое конструктивное выполнение просто и надежно.
На проходящих через отверстия 41 (фиг. 10) внутреннего сердечника 21 и через отверстия 42 внещнего сердечника 20 (фиг. И) щпильках 43 (фиг. 12) корпуса 1 закреплен корпус 44 слива. Корпус 44 оснащен регулировочным винтом 45. На винте 45 закреплена гайка 46. Гайка 46 закрыта пробкой 47.
Внутренний сердечник 21 и внещний сердечник 20 имеют в плане некруглую форму, совпадающую по больщей части внещнего контура и установочным размерам с корпусами 1 и 44. Это позволяет минимизировать размеры форсунки в направлениях на клапаны газораспределения двигателя (фиг. 12) без потери электромагнитных сил путем увеличения размеров сердечников электромагнитов и корпуса форсунки в других направлениях.
Для дизельных двигателей рационально использовать предложенную форсунку, поскольку улучщены ее эксплуатационные свойства и габариты при повыщении надежности работы форсунки, расщирении области ее применения и уменьщении затрат на изготовление. В головке блока цилиндра 48 (фиг. 13) установлена предложенная форсунка 49. В непосредственной близости от форсунки 49 могут быть размещены клапаны механизма газораспределения 50 с тарелками 51 пружин. Форсунка 49 крепится в головке блока цилиндра с помощью скобы 52 (фиг. 14) и щпильки 53. Благодаря рациональному взаимодействию сил электрического привода, упругих сил и сил от давления топлива в форсунке
49 улучшены упомянутые выше свойства и форма исполнения, что позволяет разместить оси 54 и 55 клапанов 50 достаточно близко.
Форсунка функционирует так.
Топливо под высоким давлением поступает из аккумулятора топлива (не показан на фигурах) по каналам 4 и 5 в разделительную камеру 6 (фиг. 1 и 2). Из разделительной камеры 6 через отверстие 14 в центре ее нижней поверхности топливо поступает в канал, начальной частью которого является канал 15 в проставке 27. По нему топливо под давлением подается к распылителю 30 форсунки.
Через отверстие 16 в центре верхней поверхности разделительной камеры 6 топливо поступает в канал управления, частью которого является камера 2, и заполняет камеру 2 над поршнем 12.
При отсутствии тока в обмотке 10 электромагнита шарик 9 прижат упругими элементами 13 к своему седлу, перекрывая канал 7. Под действием давления топлива в камере 2 поршень 12 через штангу 29 и хвостовик 30 прижимает запорную иглу распылителя 31 к седлу, препятствуя истечению топлива в цилиндр двигателя.
При подаче электрического тока в обмотку 10 электромагнита якорь 22 притягивается к внутреннему 21 и внешнему 20 сердечникам электромагнита, преодолевая усилие упругих звеньев 13. При этом шарик 9 открывает канал 7 и топливо из камеры 2 над поршнем 12 перепускается в сливной канал 8, вследствие чего давление в камере 2 начинает снижаться. На штоке 17 в результате снижения давления в камере 2 по сравнению с давлением в разделительной камере 6 возникает сила, вызывающая его подъем. Поднявшись, шток 17 закрывает шель над его верхним торцом. Для прохода топлива из разделительной камеры 6 в камеру 2 остаются только каналы 18 и 19, сопротивление которых значительно выше сопротивления открытой шели. Давление в камере 2 резко снижается и поршень 12 под действием усилия от давления топлива, действующего снизу со стороны запорной иглы распылителя 31, перемещается в верхнее положение, позво.пяя игле распылителя с хвостовиком 30, штангбй 29 и поршнем 12 подняться вверх и открывая проток топлива через распылитель, т.е; производится впрыскивание топлива в цилиндр двигателя. Закрытие щели над верхнил торцом штока 17 препятствует перепуску топлива на слив и уменьщает тем самым расход топлива на управление форсункой.
При прекращении подачи тока в обмотку 10 электромагнита якорь 22 под действием упругих звеньев 13 опускается 8Низ и шарик 9 перекрывает канал 7, вследствие чего давление топлива в камере 2 начинает повышаться. В результате шток 17 опускается в исходное нижнее положение, открйёая щель, сообщающую камеры 2 и 6. Давление в камере 2 ускоренно поднимается до уровня давления на входе в форсунку и поршень 12 вместе с иглой перемещается вниз, прекращая процесс впрыскивания топлива. Пружина 34 способствует ускорению опускания штока 17. Опустившись шток 17 перекрывает канал впрыскивания топлива, что ускоряет окончание впрыскивания. Кроме того, это позволяет исключить непрерывную подачу топлива в цилиндр при аварийных отказах любых элементов распылителя.
Дня стабилизации условий начала впрыскивания давление в канале впрыскивания за штоком 17 после его опускания восстанавливается за счет прохода топлива в канал впрыскивания через каналы 32 и 33 (фиг. 6) с относительно большим гидравлическим сопротивлением. Снижение же этого сопротивления снижает потери давления впрыскивания.
Аналогично работает форсунка при замене в камере 6 штока шариком 36 и вставкой 37 (фиг. 7). В исполнении по фиг. 6 опустившийся шарик 35 ускоряет окончание впрыскивания и обеспечивает аварийную защиту при отказах распылителя. Исполнение по фиг. 7 при относительно большом гидравлическом сопротивлении обходного канала 39 стабилизирует условия начала впрыскивания, а исполнение по фиг. 8 при уменьшенном гидравлическом сопротивлении обходного канала снижает потери давления впрыскивания.
Производительность форсунки, т.е. количество впрыскиваемого через распылитель топлива определяется продолжительностью подачи управляющего тока на обмотку 10 электромагнита, а начало впрыскивания топлива определяется моментом подачи управляющего тока на обмотку 10.