РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН С ГЕРМЕТИЧНЫМ СЕДЛОМ
DISTRIBUTING VALVE WITH SEALED SEAT

В уравновешенных по давлению распределительных клапанах находящаяся под давлением текучая среда в закрытом состоянии клапана находится в кольцевой полости высокого давления. Такая полость с одной стороны ограничена направляющей, а с другой стороны - герметичным седлом, при этом направляющая и место плотной посадки клапанного элемента на свое герметичное седло имеют точно одинаковый диаметр d. Тем самым на клапанный (запорный) элемент, который обычно выполнен в виде иглы, в направлении его открытия или закрытия не действует никакая сила.
С течением времени в ходе эксплуатации распределительного клапана происходит выравнивание между уплотнительной поверхностью клапанной детали и клапанного элемента, который обычно выполнен в виде иглы. Такое выравнивание, поскольку оно происходит начиная с первоначального диаметра d только в одну сторону, приводит к изменению эффективного диаметра седла и тем самым к появлению действующей на клапанный элемент в направлении его открытия силы. В результате уравнивание давления в распределительном клапане нарушается, а его динамическая характеристика изменяется вплоть до появления статической негерметичности.
Из DE 10031265 А1 известна топливная форсунка, имеющая корпус с выполненным в нем отверстием. Это отверстие на своем обращенном к камере сгорания конце ограничено седлом, от которого отходит по меньшей мере одно распылительное отверстие, которое в смонтированном положении топливной форсунки ведет в камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания (ДВС). В отверстии подвижно в своем продольном направлении установлена цилиндрическая игла, которая на своем обращенном к камере сгорания, т.е. к седлу, конце имеет уплотнительную поверхность, которой игла взаимодействует с седлом. При этом игла в своем закрытом положении, т.е. в положении, в котором она своей уплотнительной поверхностью прилегает к седлу, перекрывает по меньшей мере одно распылительное отверстие. При нахождении же иглы в приподнятом от седла положении топливо протекает между уплотнительной поверхностью и седлом к распылительным отверстиям и из них впрыскивается в камеру сгорания в ДВС.
Управление продольным перемещением иглы в отверстии в корпусе форсунки осуществляется за счет изменения соотношения между двумя силами, одной из которых является гидравлическая сила, создаваемая давлением в полости высокого давления, которая образована между стенкой указанного отверстия и боковой поверхностью иглы и заполнена топливом, и воздействующая на иглу, а другой является действующая на иглу закрывающая сила, прикладываемая соответствующим устройством к обращенному от камеры сгорания концу иглы.
Объектом изобретения является распределительный клапан с открывающим или закрывающим седло клапанным элементом, взаимодействующим с клапанной деталью распределительного клапана, который сбрасывает давление из находящейся под преобладающим в системе давлением полости высокого давления, которой соответствует седло, или подводит в нее давление, причем на седле между клапанным элементом и клапанной деталью проходит ограничивающая седло поверхность, которая ограничена отграничивающей седло кромкой. В соответствии с изобретением ограничивающая седло поверхность выполнена на клапанной детали, а отграничивающая седло кромка ограничивает ограничивающую контактную поверхность канавку, выполненную на клапанной детали, причем часть контактной поверхности снабжена защитным износостойким покрытием, а ограничивающая контактную поверхность канавка отделяет часть контактной поверхности, снабженную защитным износостойким покрытием, от не имеющей такого покрытия части.
s
Согласно изобретению контактную поверхность седла в клапане с клапанным элементом и клапанной деталью предлагается ограничивать диаметром d+x, который лишь незначительно больше величины d. Тем самым увеличение эффективного диаметра седла ограничивают величиной d+x. Максимально возможную ширину х седла выбирают такой, чтобы гидравлическая сила, которую к имеющему форму иглы клапанному элементу прикладывает находящаяся под давлением Р в полости высокого давления текучая среда, не приводила к перемещению клапанного элемента в направлении открытия против закрывающей силы F, прикладываемой к клапанному элементу пружиной.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения контактную поверхность седла распределительного клапана предлагается ограничивать канавкой. Такая канавка имеет внутренний диаметр d+x и выполнена, например, в клапанной детали, снаружи которой расположен охватывающий ее клапанный элемент, выполненный, например, втулкообразным. Радиально снаружи ограничивающей седло канавки поверхность клапанной детали в каждой точке расположена ниже воображаемого, виртуального продолжения линии, которая ограничивает контур или профиль седла радиально внутри относительно ограничивающей седло канавки. Наличие подобной ограничивающей седло канавки позволяет упростить изготовление и повысить точность изготовления отграничивающей седло кромки.
2
Другая, особо предпочтительная возможность ограничения величины изменения диаметра седла распределительного клапана на протяжении срока его службы заключается в придании контактной поверхности седла распределительного клапана в пределах диаметра d+x более высокой износостойкости, чем за пределами этой контактной поверхности. Придать контактной поверхности седла повышенную износостойкость можно, во-первых, нанесением износостойкого покрытия на соответствующую поверхность клапанной детали в пределах диаметра d+x. Для применения в качестве такого износостойкого покрытия пригодно, например, пиролитическое покрытие из SiO, толщина которого составляет существенно менее 1 мкм и которое придает высокую износостойкость поверхности, на которую оно нанесено, или полученное преимущественно из углерода защитное износостойкое покрытие (алмазоподобное углеродное покрытие). Возможно также использование других покрытий, таких, например, как твердое хромовое покрытие или покрытие из материалов, причисляемых к керамике (CrN, TiC, TiN).
Для четкого и однозначного разграничения друг от друга частей седла, выполненных с разными характеристиками износостойкости, между этими двумя, обладающими различающимися между собой показателями износостойкости частями седла предусмотрена разделительная канавка с внутренним диаметром d+x. При наличии такой канавки линии, которыми ограничен профиль седла и которые проходят радиально внутри и радиально снаружи относительно указанной канавки, могут лежать на одной прямой.
Все три рассмотренных выше в общих чертах варианта осуществления изобретения вместо клапанной детали распределительного клапана (топливной форсунки) можно также полностью или частично реализовать на клапанном элементе, который подвижен относительно клапанной детали. В последующем описании чертежей один из вариантов выполнения предлагаемого в изобретении распределительного клапана рассмотрен на примере распределительного клапана с направленным наружу истечением и с расположенным снизу седлом. Наряду с представленным на чертежах вариантом выполнения предлагаемого в изобретении распределительного клапана предлагаемое в изобретении решение можно использовать и в любом ином уравновешенном по давлению распределительном клапане касательно конструктивного исполнения его клапанной детали и клапанного элемента. К уравновешенным по давлению распределительным клапанам других конструктивных типов относятся клапаны с направленным внутрь истечением, т.е. так называемые "I-клапаны" с прямой контактной поверхностью седла на наружной детали и уплотняющей кромкой на внутренней детали и так называемые "А-клапаны" с направленным наружу истечением, прямой контактной поверхностью седла на внутренней детали и уплотняющей кромкой на наружной детали. Уплотняющая кромка может располагаться сверху или снизу по отношению к полости высокого давления, в которой создается преобладающее в системе давление, что относится и к "I-клапанам", и к "А-клапанам". Приводной орган, которым уравновешенные по давлению "I-клапаны" и уравновешенные по давлению "А-клапаны" приводятся в действие, может представлять собой, например, электромагнитный клапан, который расположен либо над, либо под якорем, при этом перемещение клапанного элемента для открытия седла может происходить в вертикальном направлении как вверх, так и вниз. Равным образом можно также устанавливать внутреннюю деталь клапана неподвижно, т.е. стационарно, а наружную деталь выполнять в виде подвижной детали или же, наоборот, наружную деталь можно устанавливать неподвижно, а внутреннюю деталь выполнять подвижной.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - выполненный по одному из вариантов уравновешенный по давлению клапан известной из уровня техники конструкции с направленным наружу истечением и с расположенным в нижней части седлом,
на фиг.2 - схематичный вид выполненного по первому варианту предлагаемого в изобретении уравновешенного по давлению распределительного клапана с отграничивающей седло кромкой, расположенной на диаметре d+x,
на фиг.3 - выполненный по другому варианту предлагаемый в изобретении уравновешенный по давлению распределительный клапан с ограничивающей седло канавкой и
на фиг.4 - выполненный еще по одному варианту предлагаемый в изобретении уравновешенный по давлению распределительный клапан с разделительной канавкой и расположенным радиально внутри относительно нее участком с износостойким покрытием.
На фиг.1 показан уравновешенный по давлению распределительный клапан известной из уровня техники конструкции.
Показанный на фиг.1 распределительный клапан 10 наряду с клапанным элементом 12 имеет также клапанную деталь 22. Распределительный клапан 10 выполнен симметричным относительно своей оси 11 симметрии. Клапанный элемент 12 своей внутренней боковой поверхностью 18 охватывает направляющую 16 клапанной детали 22. Между внутренней боковой поверхностью 18 клапанного элемента 12 и наружной боковой поверхностью клапанной детали 22 имеется зазор 20, который представляет выполненную с жестким допуском направляющую 16, вдоль которой перемещается клапанный элемент 12.
У показанного на фиг.1 распределительного клапана его клапанный элемент 12 опущен на свое седло 28. В этом положении клапанного элемента исключается истечение находящегося под преобладающим в системе питания давлением топлива из полости 26 высокого давления. Полость 26 высокого давления, образованная кольцевой, имеющей карманообразный профиль выемкой между внутренней боковой поверхностью 18 клапанного элемента 12 и клапанной деталью 22, через поперечное отверстие 24 заполняется топливом, находящимся под преобладающим в системе питания давлением. При перекрытом седле 28 находящееся под преобладающим в системе питания давлением топливо остается в полости 26 высокого давления.
В зоне своего седла 28 клапанный элемент 12 имеет диаметр 32. У показанного на фиг.1 распределительного клапана его клапанный элемент 12 прилегает к контактной поверхности 30 клапанной детали 22. При этом клапанный элемент и клапанная деталь контактируют между собой по линии 34, которая при перемещении клапанного элемента 12, выполненного, например, втулкообразным, относительно клапанной детали 22 в топливной форсунке распределительного клапана 10 подвергается высоким механическим нагрузкам.
На фиг.2 показан выполненный по одному из вариантов предлагаемый в изобретении уравновешенный по давлению распределительный клапан с отграничивающей седло кромкой.
На фиг.2 зона контакта между клапанным элементом 12 и клапанной деталью 22 изображена в увеличенном масштабе. Из приведенного на фиг.2 изображения следует, что клапанный элемент 12 имеет внутренний диаметр 14, обозначаемый также через d. Помимо этого из приведенного на фиг.2 изображения следует, что клапанный элемент 12 контактирует с клапанной деталью 22 по линии 34. Согласно изобретению на клапанной детали 22 выполнена ограничивающая седло поверхность 44 (размер х), которая в зоне седла 28 удлиняет в радиальном направлении контактную поверхность 30 клапанной детали 22 и которая ограничена отграничивающей седло кромкой 40.
s
В результате, как показано на фиг.2, под клапанным элементом 12 образуется ограничивающая седло поверхность 44, и поэтому при эксплуатации клапанного элемента 12 линия 34 контакта между ним и клапанной деталью может смещаться вплоть до отграничивающей седло кромки 40 на размер d+x. Ограничивающая седло поверхность 44 расположена на изображенном на фиг.2 пунктирной линией воображаемом продолжении 42 контактной поверхности 30 клапанной детали 22. В показанном на фиг.2 варианте выполнения предлагаемого в изобретении клапана разность между углами наклона обращенных друг к другу поверхностей клапанной детали 22 и клапанного элемента 12 становится больше начиная от отграничивающей седло кромки 40, т.е. в зоне границы седла (d+x). При выполнении седла 28 по показанному на фиг.2 варианту увеличение его эффективного диаметра ограничивается величиной, составляющей d+x. Максимальную протяженность ограничивающей седло поверхности 44, т.е. размер х, предпочтительно выбирать такой, чтобы гидравлическая сила, которую в полости 26 высокого давления создает находящаяся в ней под давлением Р текучая среда, надежно исключала перемещение клапанного элемента в направлении открытия против закрывающей его силы F, обычно прикладываемой к клапанному элементу 12 пружиной.
На фиг.3 показан выполненный по другому варианту предлагаемый в изобретении уравновешенный по давлению распределительный клапан.
На фиг.3 показан, в частности, клапанный элемент 12 распределительного клапана 10, имеющий внутреннюю боковую поверхность 18 на внутреннем диаметре 14. У показанного на фиг.3 распределительного клапана открываемое клапанным элементом 12 при его перемещении относительно клапанной детали 22 седло 28 закрыто, т.е. клапанный элемент 12 по линии 34 контакта прилегает к контактной поверхности 30 клапанной детали 22, и поэтому показанная на фиг.1 и расположенная над контактной поверхностью 30 клапанной детали 22 полость 26 высокого давления, заполненная топливом, находящимся под преобладающим в системе питания давлением, остается закрыта со своей выходной стороны. В показанной на фиг.1 полости 26 высокого давления и в ведущем в нее поперечном отверстии 24 находится топливо, нагнетаемое источником высокого давления под определенным, создаваемым в системе питания давлением.
На фиг.3 показано далее, что клапанный элемент 12 имеет в месте своего контакта с седлом 28 диаметр 32, который в показанном на фиг.3 варианте совпадает с внутренним диаметром 14, который имеет клапанный элемент 12 в зоне своей направляющей 16.
В показанном на фиг.3 варианте выполнения уравновешенного по давлению клапана максимальная величина, на которую может увеличиваться диаметр 32 относительно контактной поверхности 30 клапанной детали 22, ограничена ограничивающей контактную поверхность, соответственно седло канавкой 46. Как показано на фиг.3, ниже диаметра 32, который клапанный элемент 12 имеет в месте своего контакта с седлом, проходит ограничивающая седло поверхность 44, протяженность которой равна величине, на которую в показанном на фиг.3 варианте ограничивающая контактную поверхность канавка 46 радиально смещена от диаметра 32, который клапанный элемент 12 имеет в месте своего контакта с седлом. Ограничивающая контактную поверхность канавка 46 расположена со смещением назад на величину вертикального смещения 50 относительно линии, являющейся воображаемым продолжением 42 контактной поверхности 30 на клапанной детали 22, соответственно ограничивающей профиль седла. Ширина ограничивающей контактную поверхность канавки 46 обозначена позицией 56. Из приведенного на фиг.3 изображения следует, что дальнейшая коническая поверхность 58 на клапанной детали 22 проходит относительно воображаемого продолжения 42 линии, ограничивающей профиль седла, под большим наклоном на величину углового отклонения 48. Показанный на фиг.3 вариант позволяет ограничить изменение диаметра 32 седла распределительного клапана 10 обозначенной на фиг.3 позицией 44 ограничивающей седло поверхностью.
Рассматриваемый вариант, т.е. вариант с ограничивающей контактную поверхность канавкой 46, дно которой обозначено позицией 52, позволяет упростить изготовление отграничивающей седло кромки 40, поскольку ограничивающая контактную поверхность канавка 46 обеспечивает наличие достаточного пространства и образует определенный разрыв в материале, нарушая его сплошность.
На фиг.4 показан еще один предпочтительный вариант осуществления изобретения.
2
2
В этом варианте величину изменения диаметра седла на протяжении срока службы распределительного клапана 10 согласно изобретению предлагается ограничивать, выполняя в пределах седла 28 ограничивающую его поверхность 44, протяженность которой задается размером d+x, с более высокой износостойкостью, чем поверхность за пределами указанного диаметра. Для этого можно, с одной стороны, нанести на контактную поверхность 30 в пределах ограничивающей седло поверхности 44 износостойкое защитное покрытие 60. Такое защитное износостойкое покрытие 60 может представлять собой, например, пиролитическое покрытие из SiO, толщина которого составляет существенно менее 1 мкм и которое придает высокую износостойкость поверхности, на которую оно нанесено. В качестве защитного износостойкого покрытия можно также использовать углеродное покрытие, твердое хромовое покрытие или покрытие из материалов, причисляемых к керамике, таких, например, как CrN, TiC, TiN. В показанном на фиг.4 варианте защитное износостойкое покрытие 60 нанесено на контактную поверхность 30 клапанной детали 22. В принципе его с тем же успехом можно было бы нанести и на имеющую форму конуса вершину клапанного элемента 12. Из приведенного на фиг.4 изображения следует, что защитное износостойкое покрытие 60, нанесенное на контактную поверхность 30 на клапанной детали 22, ограничено отграничивающей седло кромкой 40. Такая отграничивающая седло кромка 40 одновременно ограничивает контактную поверхность 30 диаметра d+x. Из приведенного на фиг.4 изображения следует далее, что ограничивающая контактную поверхность канавка 46 выполнена глубиной 54, ограничена своим дном относительно клапанной детали 22 и является воображаемым продолжением не снабженной защитным износостойким покрытием части 64 клапанной детали 22. Как показано на фиг.4, ограничивающая седло поверхность 44, т.е. участок, в пределах которого допустимо изменение диаметра седла и протяженность которого задается размером d+x, снабжена защитным износостойким покрытием 60, например, пиролитическим покрытием из SiO. Показанная на фиг.4 не снабженная защитным износостойким покрытием часть 64 клапанной детали 22 и снабженная защитным износостойким покрытием 60 часть контактной поверхности 30 однозначно отделены друг от друга ограничивающей контактную поверхность канавкой 46. Из приведенного на фиг.4 изображения следует, что клапанный элемент 12 по своему диаметру 32 прилегает к защитному износостойкому покрытию 60, нанесенному на клапанную деталь 22. Показанный на фиг.4 вариант выполнения предлагаемого в изобретении распределительного клапана также позволяет с технологической точки зрения существенно упростить изготовление отграничивающей седло кромки 40 благодаря наличию ограничивающей контактную поверхность канавки 46.
Существует возможность использовать показанный на фиг.3 вариант с угловым отклонением 48 конической поверхности 58 клапанной детали 22 и применительно к не снабженной защитным износостойким покрытием части 64 клапанной детали 22 в показанном на фиг.4 варианте. В показанном на фиг.4 варианте выполнения предлагаемого в изобретении распределительного клапана 10 линии, которыми ограничен профиль седла и которые проходят радиально внутри и радиально снаружи относительно ограничивающей контактную поверхность канавки 46, можно также расположить на одной прямой без ущерба при этом для эффективности предлагаемого в изобретении решения касательно ограничения величины допустимого изменения диаметра 32 на протяжении срока службы распределительного клапана 10. В кинематическом обращении показанных на фиг.2, 3 и 4 вариантов, в которых ограничивающая контактную поверхность канавка 46 выполнена на клапанной детали 22, такую канавку можно также выполнить на клапанном элементе 12. То же самое относится и к угловому отклонению 48 воображаемого продолжения 42 линии, ограничивающей профиль седла, и к защитному износостойкому покрытию 60, которое в показанном на фиг.4 варианте нанесено на контактную поверхность 30 клапанной детали 22 и которое отделено от не снабженной им части 64 клапанной детали 22 ограничивающей контактную поверхность канавкой 46.
Вместо локального нанесения защитного износостойкого покрытия 60 на контактную поверхность 30 ее с промежуточным разделением ограничивающей контактную поверхность канавкой 46, предусмотренной в показанных на фиг.3 и 4 вариантах, можно также выполнить с разными характеристиками износостойкости радиально внутри и радиально снаружи от ограничивающей контактную поверхность канавки 46 путем создания градиента твердости при изготовлении клапанной детали 22 и/или при изготовлении охватывающего ее клапанного элемента 12.
2
Как уже указывалось выше, показанный на фиг.3 вариант можно комбинировать с показанным на фиг.4 вариантом, в котором в качестве примера предусмотрено нанесение пиролитического покрытия из SiO. Общим для всех показанных на фиг.3 и 4 вариантов является то, что выполнение ограничивающей контактную поверхность канавки 46 позволяет существенно упростить с технологической точки зрения изготовление отграничивающей седло кромки 40, которая ограничивает ограничивающую седло поверхность 44.