ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА
FUEL INJECTOR WITH ADDITIONAL THROTTLE OR WITH ITS IMPROVED LOCATION IN CONTROL VALVE

Настоящее изобретение относится к топливной форсунке для впрыскивания топлива в камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания (ДВС).
Из ЕР 1612403 А1 известна топливная форсунка указанного в начале описания типа, которая имеет расположенный в ее корпусе с возможностью направленного возвратно-поступательного перемещения поршень управляющего клапана, каковой поршень при своем возвратно-поступательного перемещении взаимодействует с иглой распылителя. В топливных форсунках другой конструкции, которая также относится к конструкции указанного в начале описания типа, игла распылителя непосредственно доходит до зоны, в которой расположен управляющий клапан. Поршень управляющего клапана, соответственно игла распылителя, ограничивает с одного своего конца управляющую полость, в которую может подаваться топливо под высоким давлением. При подаче в управляющую полость топлива под высоким давлением поршень управляющего клапана, соответственно игла распылителя, перемещается вдоль соответствующей оси возвратно-поступательного перемещения в направлении распылительных отверстий, расположенных в нижней части топливной форсунки, и закрывает их. При сбросе давления из управляющей полости поршень управляющего клапана, соответственно игла распылителя, приподнимается, перемещаясь вдоль оси возвратно-поступательного перемещения, от распылительных отверстий и открывает их. Тем самым повышением и снижением давления в управляющей полости можно управлять перемещением поршня управляющего клапана, соответственно иглы распылителя. Топливная форсунка имеет далее форсуночную деталь, которая переходит в направляющую часть, которая имеет цилиндрическую форму и которая входит в направляющее отверстие в игле управляющего клапана. Тем самым игла управляющего клапана направленно перемещается по направляющей части и может при своем перемещении вдоль оси возвратно-поступательного перемещения устанавливаться в открытое или закрытое положение.
Для удаления воздуха из управляющей полости предусмотрена система каналов, которая состоит из подъемного отверстия и по меньшей мере одного поперечного отверстия. Через эти отверстия воздух удаляется из управляющей полости в кольцевую полость, которая образована имеющим вид шейки сужением боковой стенки направляющей части. При нахождении иглы управляющего поршня в своем нижнем в вертикальном направлении положении вдоль оси возвратно-поступательного перемещения кольцевая полость закрыта, и поэтому давление в управляющей полости остается на уровне высокого давления топлива. При подъеме иглы управляющего поршня находящееся под высоким давлением топливо может перетекать из кольцевой полости в полость низкого давления, в результате чего давление в управляющей полости снижается. К управляющей полости на участке перехода к подъемному отверстию примыкает сливной дроссель, назначение которого состоит в ограничении скорости снижения давления в управляющей полости и тем самым скорости перемещения иглы управляющего клапана.
Проблема, с которой приходится сталкиваться при подобном расположении сливного дросселя, состоит в образовании большого мертвого, соответственно паразитного (остаточного) объема в зоне подъемного отверстия, поперечных отверстий, а также в зоне кольцевой полости. Поскольку из-за большого проходного сечения управляющего клапана при подъеме его иглы с перемещением якоря на большую величину (более 20 мкм) очень быстро возникает кавитация в потоке топлива в зоне сливного дросселя или за ним, указанный объем заполняется паром (газом). После закрытия управляющего клапана этот объем необходимо, преодолев давление газа, вновь заполнить топливом, давление которого при этом возрастает до уровня высокого давления (давления в общей топливной магистрали). Лишь после этого поршень управляющего клапана закрывает иглу распылителя, перемещая ее к распылительным отверстиям. Чем больше количество пара внутри паразитного объема, тем больше длительность процесса закрытия иглы распылителя, указанная длительность при этом подвержена соответственно большому разбросу ее значений. В результате снижается стабильность процессов впрыскивания топлива, а разброс количеств впрыскиваемого топлива при каждом подъеме иглы увеличивается от одного цикла впрыскивания к другому. Помимо этого возрастает возможный интервал до следующего процесса впрыскивания, из-за чего многоразовое впрыскивание топлива становится затруднительным, если не полностью невозможным.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать топливную форсунку с меньшим паразитным объемом за сливным дросселем, что позволило бы уменьшить разброс количеств впрыскиваемого топлива от одного цикла впрыскивания к другому. Задача настоящего изобретения состояла также в сокращении времени, необходимого для создания высокого давления топлива в управляющей полости, и в повышении производственной технологичности топливной форсунки.
Объектом изобретения является топливная форсунка для впрыскивания топлива в камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания, имеющая расположенный в ее корпусе с возможностью направленного возвратно-поступательного перемещения поршень управляющего клапана, управляющего возвратно-поступательным перемещением поршня и имеющего установленную с возможностью направленного возвратно-поступательного перемещения вдоль соответствующей оси иглу с направляющим отверстием, в которое входит предусмотренная на конце форсуночной детали направляющая часть для направления иглы при ее возвратно-поступательном перемещении, при этом вдоль указанной оси через форсуночную деталь до направляющей части проходит подъемное отверстие, через которое топливо может перетекать из управляющей полости для управления возвратно-поступательным перемещением поршня в расположенную между направляющим отверстием и направляющей частью кольцевую полость с прохождением при этом через по меньшей мере один сливной дроссель, расположенный в зоне перехода от подъемного отверстия к кольцевой полости.
Указанная выше задача решается за счет того, что подъемное отверстие оканчивается в проходящем поперечно ему в направляющей части вдоль своей оси поперечном отверстии и перед входом в это поперечное отверстие имеет сужающую проходное сечение дросселирующую геометрию для образования сливного дросселя.
Преимущество, достигаемое за счет предлагаемого расположения сливного дросселя, состоит в том, что между полостью низкого давления, в которой топливо находится под низким давлением, и сливным дросселем остается малый объем, благодаря которому уменьшается и паразитный объем. Возможный паразитный объем образуют лишь объем кольцевой полости и части каналов для прохода топлива между подъемным отверстием и кольцевой полостью, преимущество чего, в свою очередь, состоит в возможности выполнить саму кольцевую полость сравнительно малых размеров. Тем самым обеспечивается возможность дальнейшего уменьшения паразитного объема с достижением соответствующих преимуществ.
Изобретение позволяет получить сливной дроссель для дросселирования потока перетекающего из управляющей полости топлива. Поперечное отверстие может располагаться поперечно оси возвратно-поступательного перемещения иглы управляющего клапана и может тем самым проходить насквозь через направляющую часть по всему ее диаметру и оканчиваться двумя входами в кольцевую полость. На участке перехода от подъемного отверстия к поперечному отверстию при этом предусмотрено сужение проходного сечения для создания тем самым эффекта дросселирования. Благодаря тому что поперечное отверстие имеет два входа в кольцевую полость, топливо при открытии иглы управляющего клапана перетекает в кольцевую полость симметрично с двух сторон, что исключает также набегание потока выходящего из поперечного отверстия топлива на иглу управляющего клапана с одной ее стороны. Сужение проходного сечения для образования дросселя можно получить путем лазерного сверления, которое при поточном производстве с заданным ритмом позволяет выполнять соответствующие рабочие операции с малой длительностью такта и позволяет получить сливной дроссель с оптимальной геометрией.
В качестве предпочтительной геометрии предлагаемого в изобретении сливного дросселя можно рассматривать сужающую проходное сечение дросселирующую геометрию в виде цилиндрической геометрии и/или воронкообразной геометрии. При этом в случае воронкообразной геометрии она расширяется в направлении поперечного отверстия. Помимо этого можно предусмотреть округление кромок с целью оптимизации потока топлива через дроссель. Тем самым удается соблюсти условие, согласно которому поток топлива по возможности не должен претерпевать никаких резких изменений направления своего движения. Особо следует при этом назвать возможность выполнения направляющей части в целом за одно целое с форсуночной деталью из одного с ней материала. Кроме того, седло иглы управляющего клапана можно безо всякого отрицательного влияния на работоспособность управляющего клапана расположить на верхнем конце направляющей якоря. В результате и в расположенном выше дросселе не образуется увеличенный паразитный объем.
Способ изготовления подобного дросселя может заключаться в высверливании подъемного отверстия в виде глухого отверстия с последующим выполнением поперечного отверстия в виде сквозного отверстия. После этого лазерным сверлением выполняют сливной дроссель, соединяя таким путем исходно глухое подъемное отверстие с поперечным отверстием. Затем в проходном сечении дросселя путем гидроэрозионной обработки скругляют кромки с учетом требуемого расхода топлива через дроссель.
В следующем предпочтительном варианте предлагаемого в изобретении расположения сливного дросселя, а также соответствующего его выполнения поперечное отверстие имеет проходное сечение, которое для автоматического образования сливного дросселя меньше проходного сечения подъемного отверстия. Поперечное отверстие может при этом проходить насквозь через направляющую часть по всему ее диаметру, и в этом случае топливо после прохождения по подъемному отверстию будет попадать из поперечного отверстия в кольцевую полость через два входа в него. Помимо этого в направляющей части можно также выполнять два или более поперечных отверстий, по которым распределяется выходящее из подъемного отверстия топливо и по каждому из которых оно затем попадает в кольцевую полость. При этом места выхода топлива из поперечных отверстий в кольцевую полость должны быть симметрично или равномерно распределены по периметру кольцевой полости во избежание набегания потока топлива на иглу управляющего клапана с одной ее стороны. Сам сливной дроссель образуется за счет сужения проходного сечения поперечного отверстия, при этом отношение диаметра поперечного отверстия к диаметру подъемного отверстия может составлять от 1,25 до 5. В соответствии с этим подъемное отверстие может, например, иметь поперечное сечение диаметром 1 мм, а поперечное отверстие - поперечное сечение диаметром 0,3 мм, что соответствует соотношению между диаметрами поперечного и подъемного отверстий, равному 3,33. В другом варианте подъемное отверстие может, например, иметь поперечное сечение диаметром 1 мм, а поперечное отверстие - поперечное сечение диаметром 0,8 мм, что соответствует соотношению между диаметрами поперечного и подъемного отверстий, равному 1,25.
В третьем варианте осуществления настоящего изобретения сливной дроссель образован за счет того, что между концом подъемного отверстия и кольцевой полостью проходит по меньшей мере одно дросселирующее отверстие, проходное сечение которого меньше проходного сечения подъемного отверстия. При этом дросселирующее отверстие имеет перед выходом в кольцевую полость расширенное проходное сечение для образования диффузорного участка большего диаметра. Такой диффузорный участок может иметь либо цилиндрическую форму, либо коническую форму, расширяющуюся в направлении кольцевой полости. Дросселирующее отверстие имеет проходное сечение, которое мало настолько, что достигается эффект дросселирования. На диффузорном участке, примыкающем к участку дросселирующего отверстия, поток топлива гомогенизируется по проходному сечению диффузорного участка и благодаря этому поступает в кольцевую полость в более спокойном состоянии.
В еще одном предпочтительном варианте дросселирующее отверстие, а также диффузорный участок проходят вдоль своей оси, которая расположена наклонно к оси, вдоль которой возвратно-поступательно перемещается игла, под углом, который составляет от 20 до 80°, предпочтительно от 30 до 60°, особенно предпочтительно 45°. Этот вариант позволяет оптимизировать характер движения потока топлива, который в отличие от конструкции с поперечным отверстием не изменяет направление своего движения на 90°. Благодаря этому обеспечивается более спокойное движение потока топлива, что позволяет эффективнее контролировать дросселирование. Участок, образуемый дросселирующим отверстием, равно как и примыкающий к нему диффузорный участок, имеют общую ось, относительно которой они располагаются концентрично. Тем самым сначала вдоль указанной оси можно выполнить диффузорный участок в виде глухого отверстия, а затем на следующей рабочей операции выполнить дросселирующее отверстие. Дросселирующее отверстие можно при этом выполнять либо путем традиционного механического сверления, либо, что более предпочтительно, методом электроэрозионной обработки или методом лазерного сверления, которые позволяют получать очень мелкие отверстия с высокой точностью геометрии. После выполнения отверстий можно прежде всего предусмотреть округление кромок, чтобы они не оказывали отрицательного влияния на поток топлива.
В следующем предпочтительном варианте между концом подъемного отверстия и кольцевой полостью проходят по меньшей мере два дросселирующих отверстия, которые расположены против друг друга под углом 180° относительно друг друга. Помимо этого можно также предусматривать несколько дросселирующих отверстий, к каждому из которых примыкает по диффузорному участку и оси которых равномерно распределены в радиальном направлении по окружности направляющей части и выходят из него в кольцевую полость.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из предпочтительных вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи.
Описание вариантов осуществления изобретения
На прилагаемых к описанию чертежах показано:
на фиг.1 - вид в продольном разрезе предлагаемой в изобретении топливной форсунки в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения,
на фиг.2 - увеличенный фрагмент топливной форсунки с предлагаемым в изобретении выполнением сливного дросселя, иллюстрирующий его геометрию между подъемным отверстием и поперечным отверстием,
на фиг.3 - вид в продольном разрезе топливной форсунки с предлагаемым в изобретении расположением сливного дросселя в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения,
на фиг.4 - увеличенный вид выполненного по второму варианту предлагаемого в изобретении сливного дросселя, иллюстрирующий соответствующую геометрию поперечного сечения поперечного отверстия,
на фиг.5 - вид в продольном разрезе топливной форсунки с предлагаемым в изобретении сливным дросселем в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения и
на фиг.6 - увеличенный вид сливного дросселя в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения.
На каждой из фиг.1, 3 и 5 показана топливная форсунка 1 с выполненным по различным вариантам предлагаемым в изобретении сливным дросселем 12. Предлагаемая в изобретении топливная форсунка 1 имеет корпус 2, в котором установлен поршень 3 с возможностью направленного возвратно-поступательного перемещения. Поршень 3 возвратно-поступательно перемещается вдоль оси 4 и с одной своей стороны ограничивает управляющую полость 10. В управляющую полость 10 через входной дроссель может подаваться топливо под высоким давлением, под действием которого при его преобладании в управляющей полости 10 поршень 3 отжимается внутри корпуса 2 форсунки в направлении ее не показанного на чертежах распылителя, соответственно распылительных отверстий в нем. При сбросе давления из управляющей полости 10 поршень 3 может перемещаться вертикально вверх вдоль оси 4, открывая распылительные отверстия. Топливо вытекает при этом из управляющей полости 10 по подъемному отверстию 9, выполненному в форсуночной детали 8. К форсуночной детали 8 примыкает выполненная за одно целое с ней из одного с ней материала направляющая часть 7. Такая направляющая часть 7 имеет цилиндрическую форму и вставлена в охватывающее ее направляющее отверстие 6 в игле 5 управляющего клапана. Тем самым игла 5 установлена на направляющей части 7 с возможностью направленного возвратно-поступательного перемещения по ней вдоль оси 4 и может перемещаться вертикально вверх втягивающим ее электромагнитом. При подаче электрического тока на электромагнит игла 5 притягивается им выполненным на ней якорным участком и устанавливается в открытое положение. При прекращении подачи электрического тока на электромагнит игла 5 отжимается пружиной обратно вертикально вниз на место своей плотной посадки на седло. Уплотнительный эффект обеспечивается уплотняющей кромкой на нижнем конце иглы 5, который кольцом охватывает направляющую часть, соответственно форсуночную деталь, и плотно прилегает к ней. При прохождении по подъемному отверстию 9 топливо попадает в предлагаемый в изобретении сливной дроссель, который образован за счет выполнения участка между подъемным отверстием 9 и кольцевой полостью 11 соответствующей геометрической формы. Различные варианты выполнения предлагаемого в изобретении сливного дросселя детально представлены на фиг.2, 4 и 6 и более подробно рассмотрены ниже.
На фиг.2 показан сливной дроссель 12 в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. На фиг.2 показан, в частности, увеличенный фрагмент топливной форсунки в зоне подъемного отверстия 9 в форсуночной детали 8, которое по меньшей мере частично входит в направляющую часть 7. Поперечно подъемному отверстию 9 расположено поперечное отверстие 14, в месте перехода подъемного отверстия 9 в которое выполнена дросселирующая геометрия 15. В соответствии с этим топливо выходит из управляющей полости через подъемное отверстие 9 и затем, когда игла 5 перемещается вертикально вверх вдоль оси 4, может выходить из кольцевой полости 11 в пространство, находящееся снаружи иглы 5. Тем самым топливо из подъемного отверстия 9 через поперечное отверстие 14 попадает в кольцевую полость 11, проходя при этом через дросселирующую геометрию 15. Дросселирующая геометрия имеет воронкообразный контур, расширяющийся в направлении поперечного отверстия 14. В месте перехода от подъемного отверстия в воронкообразную часть дросселирующей геометрии происходит сужение проходного сечения для обеспечения необходимого дросселирования. Тем самым даже при открытой игле 5 давление в подъемном отверстии 9 остается на повышенном уровне, и поэтому паразитный объем не образуется в подъемном отверстии 9, а либо полностью отсутствует, либо образуется лишь в зоне кольцевой полости, которая, однако, выполнена соответственно небольших размеров.
На фиг.4 показан выполненный по другому варианту предлагаемый в изобретении сливной дроссель в зоне перехода от подъемного отверстия 9 к кольцевой полости 11. Выполненное в форсуночной детали 8 подъемное отверстие 9 имеет проходное сечение 17, которое в рассматриваемом варианте выполнено существенно больших размеров по сравнению с проходным сечением 16 поперечного отверстия 14. Поперечное отверстие 14 проходит поперечно направлению оси 4 и образует соединение между подъемным отверстием 14 и кольцевой полостью 11. При протекании топлива из подъемного отверстия 14 через поперечное отверстие 14 в кольцевую полость 11 малое проходное сечение 16 поперечного отверстия 14 образует сливной дроссель 12. Согласно приведенному на чертеже изображению поперечное отверстие 14 проходит через все поперечное сечение направляющей части 7 в зоне кольцевой полости 11, и поэтому топливо втекает в нее через два входа. Чем меньше размеры проходного сечения 16 поперечного отверстия, тем выше создаваемый сливным дросселем эффект дросселирования, и наоборот, чем больше размеры проходного сечения поперечного отверстия, тем ниже эффект дросселирования.
На фиг.6 показан выполненный по третьему варианту предлагаемый в изобретении сливной дроссель 12 в зоне между подъемным отверстием 9 и кольцевой полостью 11. Такой сливной дроссель образован двумя дросселирующими отверстиями 18, оси которых проходят под углом примерно 45° к оси 4 и через каждое из которых топливо втекает из подъемного отверстия 9 в кольцевую полость 11. Для создания эффекта дросселирования дросселирующие отверстия 18 имеют малое проходное сечение и переходят перед входом в кольцевую полость в увеличенный диффузорный участок 19. Диффузорный участок имеет увеличенное проходное сечение, благодаря чему обеспечивается возможность успокоения выходящего из дросселирующего отверстия потока топлива и его втекания в кольцевую полость 11 с меньшей турбулентностью. Подъемное отверстие 9 можно выполнять с проходным сечением 17 любых размеров без опасности образования при этом паразитного объема, поскольку в рассматриваемом варианте выполнения сливного дросселя 12 и в подъемном отверстии 9 создается высокое давление топлива даже при открытой игле 5. Благодаря расположению дросселирующего отверстия 18, соответственно диффузорного участка 19 на оси 20, наклоненной под углом примерно 45°, поток топлива не должен резко изменять направление своего движения, а проточный канал в целом имеет плавный контур. Вместе с тем показанный на фиг.6 вариант выполнения сливного дросселя 12 не ограничен наклонным расположением дросселирующих отверстий под соответствующим углом, а предполагает также возможность расположения дросселирующих отверстий под углом 90° к направлению оси 4 аналогично показанному на фиг.4 варианту.
Изобретение не ограничено рассмотренным выше предпочтительным вариантом его осуществления. Более того, возможно множество вариантов, в которых даже при принципиально иной их реализации может использоваться описанное выше решение.