УПРАВЛЯЮЩИЙ КЛАПАН ДЛЯ ТОПЛИВНОЙ ФОРСУНКИ
CONTROL VALVE FOR FUEL INJECTOR

Настоящее изобретение относится к управляющему клапану для топливной форсунки, которая может использоваться для впрыскивания топлива под высоким давлением в камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания (ДВС).
Уровень техники
Из уровня техники, например, из DE 102006021741 А1, известна топливная форсунка, которая может использоваться для впрыскивания топлива в камеры сгорания преимущественно в быстроходных дизельных двигателях. Такая топливная форсунка, топливо в которую подается под высоким давлением насосом высокого давления, имеет иглу, которая путем своих продольных перемещений попеременно открывает и закрывает одно или несколько распылительных отверстий. В результате этого топливо может впрыскиваться в точно определенный момент времени рабочего такта ДВС в его камеру сгорания, что происходит под исключительно высоким давлением, которое необходимо для тонкого распыления топлива. Перемещение иглы, с одной стороны, обеспечивается под действием гидравлического давления топлива, стремящегося переместить ее в направлении открытия. В противоположном направлении, т.е. в направлении закрытия, на иглу действует усилие, создаваемое давлением топлива в управляющей полости. Изменение давления топлива в управляющей полости позволяет изменять направление воздействующей на иглу результирующей силы и тем самым перемещать иглу либо в открытое, либо в закрытое положение.
Давление топлива в управляющей полости регулируется управляющим клапаном. Для этого известный из DE 102006021741 А1 управляющий клапан имеет управляющую втулку, соединенную с якорем электромагнита и перемещаемую в ее продольном направлении путем подачи и прекращения подачи электрического тока на электромагнит. При обесточенном электромагните управляющая втулка прилегает к своему седлу, которое радиально снаружи ограничивает сообщающуюся с управляющей полостью полость повышенного давления, при этом при поднятии управляющей втулки со своего седла полость повышенного давления, а тем самым и управляющая полость соединяются с дренажной полостью для отвода топлива, тогда как при опускании управляющей втулки на свое седло полость повышенного давления, а тем самым и управляющая полость отсоединяются от дренажной полости. Соединение управляющей полости с контуром высокого давления, под которым топливо подается в топливную форсунку, позволяет путем управления управляющим клапаном повышать или снижать давление топлива в управляющей полости и создавать в результате перемещающее иглу усилие.
Со своей обращенной к седлу стороны управляющая втулка имеет уплотнительную поверхность, которая выполнена в основном в форме кругового кольца. Уплотнительную поверхность можно также выполнять слегка конической, чтобы она контактировала с седлом по линии. Благодаря этому повышается уплотняющий эффект, и поэтому даже при использовании сравнительно слабой пружины, которой управляющая втулка поджимается к седлу, обеспечивается надежное уплотнение.
Давление, под которым топливо подается насосом высокого давления в топливную форсунку и под которым топливо в конечном итоге впрыскивается в камеру сгорания, в современных системах впрыскивания топлива под высоким давлением, которые используются для быстроходных дизельных двигателей, достигает 1800 бар и в будущем продолжит увеличиваться. Под действием столь высокого давления топлива, преобладающего также в управляющей полости и в полости повышенного давления, управляющая втулка деформируется, расширяясь в радиальном направлении. Поскольку при открытом управляющем клапане давление в указанных полостях снижается, а при закрытом управляющем клапане вновь возрастает, в полости повышенного давления возникают колебания давления, из-за которых уплотнительная поверхность перемещается относительно седла. В результате таких относительных перемещений контактирующие между собой поверхности подвергаются износу и прежде всего при прилегании уплотнительной поверхности к седлу по линии, из-за чего площадь уплотнительной поверхности, по которой она эффективно прилегает к седлу, с течением времени увеличивается. Когда площадь уплотнительной поверхности, по которой она прилегает к седлу, становится больше определенного значения, удельного давления, с которым уплотнительная поверхность прижимается к седлу, становится более недостаточно для герметичного перекрытия управляющего клапана, в результате чего из полости повышенного давления происходит утечка топлива, а тем самым и постоянное перетекание в нее топлива из управляющей полости. Этот фактор отрицательно влияет на работу управляющего клапана, а тем самым и управляемой им топливной форсунки.
Краткое изложение сущности изобретения
Объектом изобретения является управляющий клапан для топливной форсунки, имеющий управляющую втулку, которая ограничивает полость повышенного давления и установлена с возможностью перемещения в своем продольном направлении и которая имеет на своей торцевой стороне уплотнительную поверхность, которой она взаимодействует с седлом, выполненным на форсуночной детали. В соответствии с изобретением в форсуночной детали с ее обращенной к полости повышенного давления стороны выполнена выемка, при этом управляющая втулка и выемка в форсуночной детали выполнены таким образом, что деформация управляющей втулки и форсуночной детали под действием давления в полости повышенного давления приводит к по меньшей мере приблизительно одинаковому перемещению седла и уплотнительной поверхности на управляющей втулке.
Преимущество предлагаемого в изобретении управляющего клапана для топливной форсунки перед известными из уровня техники решениями состоит в существенном уменьшении износа в зоне седла по сравнению с известным клапаном и тем самым в обеспечении надежной работы управляющего клапана в течение всего срока его службы. Для этого с той стороны форсуночной детали, с которой находится седло, выполнена выемка, сообщающаяся с полостью повышенного давления. При колебании давления в полости повышенного давления управляющая втулка, с одной стороны, но и выемка в форсуночной детали, с другой стороны, деформируются, расширяясь в радиальном направлении, при этом выемка выполнена таким образом, что седло и уплотнительная поверхность совершают по меньшей мере приблизительно одинаковые перемещения, оставаясь в основном неподвижными друг относительно друга, благодаря чему значительно снижается износ соприкасающихся между собой в этом месте поверхностей.
В одном из предпочтительных вариантов управляющая втулка установлена на направляющем ее перемещение стержне, который с обращенной от форсуночной детали стороны управляющей втулки входит в нее. Благодаря этому управляющая втулка направленно перемещается независимо от форсуночной детали и поэтому может точно выравниваться на седле. Особенно предпочтительно при этом выполнять направляющий стержень с образующим его продолжение выступом, который входит в выемку в форсуночной детали. Благодаря этому удается уменьшить объем полости повышенного давления, улучшив тем самым динамику управляющего клапана за счет ускорения процессов изменения давления в полости повышенного давления и в управляющей полости. Функция выемки в форсуночной детали при этом сохраняется.
В еще одном предпочтительном варианте седло выполнено коническим, т.е. в форме усеченного конуса, вокруг выемки. Путем выбора приемлемого угла при вершине усеченного конуса (угла его раствора) удается минимизировать износ, обусловленный расширением управляющей втулки при ее прижатии к седлу, и износ, обусловленный опусканием управляющей втулки на седло.
В следующем предпочтительном варианте внутренний диаметр управляющей втулки и диаметр выемки имеют одинаковую величину. Выполнение форсуночной детали подобной формы позволяет придать одинаковые упругие свойства управляющей втулке и форсуночной детали в зоне выемки, благодаря чему обеспечивается идентичная деформация обеих этих деталей под действием внутреннего давления в полости повышенного давления.
Предлагаемый в изобретении управляющий клапан наиболее предпочтительно использовать в топливной форсунке для ДВС, в которой давление топлива в управляющей полости регулируется таким управляющим клапаном. Обычно топливная форсунка имеет иглу, которая совершает перемещения в своем продольном направлении в результате изменения давления в управляющей полости и которая управляет впрыскиванием топлива топливной форсункой в камеру сгорания в ДВС.
Чертежи
Ниже предлагаемый в изобретении управляющий клапан более подробно рассмотрен на примере различных вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - топливная форсунка с изображением только ее наиболее важной части в зоне предлагаемого в изобретении управляющего клапана,
на фиг.2 - увеличенный вид фрагмента управляющего клапана в зоне седла, соответственно уплотнительной поверхности,
на фиг.3 - аналогичный приведенному на фиг.2 увеличенный вид фрагмента выполненного по другому варианту управляющего клапана,
на фиг.4 - выполненный еще по одному варианту управляющий клапан и
на фиг.5 - выполненный по четвертому варианту управляющий клапан с глубоко входящим в форсуночную деталь направляющим стержнем.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 в продольном разрезе показана топливная форсунка, в которой используется предлагаемый в изобретении управляющий клапан. Такая топливная форсунка имеет корпус 1, в котором расположен управляющий клапан 3, управляющий перемещением иглы 10. Игла 10 выполнена при этом в виде плунжера и своим обращенным от управляющего клапана 3 концом управляет открытием и закрытием распылительного отверстия, через которое топливо может впрыскиваться в камеру сгорания в ДВС. Игла 10 вставлена при этом с возможностью направленного перемещения в форсуночную деталь 5, которая расположена в корпусе 1 и имеет отверстие 12, в котором направленно перемещается игла 10. Стенки отверстия 12 в форсуночной детали 5 и игла 10 ограничивают управляющую полость 7, давление находящегося в которой топлива действует на обращенную к управляющему клапану сторону иглы 10 и таким путем прикладывает к ней действующее в направлении ее закрытия усилие. В управляющую полость 7 постоянно подается топливо под высоким давлением. Топливо при этом поступает в управляющую полость из кольцевой полости 14, которая охватывает форсуночную деталь 5 и которая через не показанное на чертеже отверстие сообщается с присоединением топливопровода, по которому подается топливо под высоким давлением, создаваемым насосом высокого давления. Кольцевая полость 14 сообщается с управляющей полостью 7 через дросселирующее отверстие 15, и поэтому в управляющей полости 7 и в кольцевой полости 14 с некоторой временной задержкой всегда преобладает одинаковое давление топлива. Кольцевая полость 14 при этом уплотнением 17 отделена от находящейся под низким давлением части топливной форсунки.
Давление в управляющей полости 7 регулируется управляющим клапаном 3. Для этого форсуночная деталь 5 имеет сливной канал 20, который проходит по центру соосно игле 10. В сливном канале 20 предусмотрен дроссель 22, и поэтому топливо может сливаться по сливному каналу 20 только с дросселированием. Сливной канал 20 оканчивается в выемке 24, которая является частью полости 26 повышенного давления, которая ограничена управляющей втулкой 25, направляющим стержнем 30 и выемкой 24 в форсуночной детали 5. Управляющая втулка 25 подвижно установлена на направляющем стержне 30 и соединена с якорем 34 перемещающего его электромагнита 35. Одновременно с этим между управляющей втулкой 25 и кольцом 29, которое неподвижно соединено с направляющим стержнем, установлена закрывающая пружина 32. Усилием этой закрывающей пружины 32, которая с предварительным сжатием установлена в корпусе 1, с одной стороны управляющая втулка 25 поджимается к форсуночной детали 5, а с другой стороны направляющий стержень 30 через кольцо 29 поджимается к корпусу 1 и поэтому остается неподвижным в нем.
При необходимости впрыскивания топлива на электромагнит 35 подается электрический ток, и управляющая втулка 35 якорем 34 электромагнита перемещается вверх, т.е. от своего седла 28. В результате полость 26 повышенного давления соединяется с дренажной полостью 38 для отвода топлива, в которой отсутствует давление, поскольку она через сливное отверстие 40 соединена с контуром низкого давления. После этого давление в полости 26 повышенного давления и в управляющей полости 7 снижается, а действующее на иглу 10 в направлении ее закрытия усилие уменьшается настолько, что игла 10 перемещается в направлении управляющей полости 7 и в результате открывает распылительные отверстия, через которые топливо впрыскивается, например, в камеру сгорания. Для завершения процесса впрыскивания топлива подача электрического тока на электромагнит 35 прекращается, в результате чего управляющая втулка 25 усилием закрывающей пружины 32 вновь прижимается к седлу 28, что сопровождается отсоединением полости 26 повышенного давления от дренажной полости 38. Поступающее из кольцевой полости 14 через дросселирующее отверстие 15 топливо вновь повышает давление в управляющей полости 7, а тем самым и в полости 26 повышенного давления, что сопровождается перемещением иглы 10 в ее закрытое положение и окончанием процесса впрыскивания топлива.
На фиг.2 в увеличенном масштабе показан фрагмент топливной форсунки в зоне полости 26 повышенного давления. На управляющей втулке 25 выполнена уплотнительная поверхность 27, которая имеет в основном форму кругового кольца и которая прилегает к выполненному на форсуночной детали 5 плоскому седлу 28. Усилием закрывающей пружины 32 управляющая втулка 25 с достаточным удельным давлением прижимается к седлу 28 и тем самым герметично отделяет полость 26 повышенного давления от дренажной полости 38, в которой отсутствует давление. В зоне седла 28 форсуночная деталь 5 из-за наличия выемки 24 в этом месте имеет в основном форму полого цилиндра. Выемка 24 имеет при этом такие размеры, что под действием давления, преобладающего в полости 26 повышенного давления, форсуночная деталь 5 в зоне выемки 24, равно как и управляющая втулка 25 расширяются в радиальном направлении. Путем соответствующего исполнения выемки 24 и путем придания соответствующей формы управляющей втулке 25 можно добиться того, чтобы при закрытом управляющем клапане 3 уплотнительная поверхность 27 и седло 28 не совершали никакого относительного перемещения или совершали лишь крайне незначительное относительное перемещение. Благодаря этому существенно уменьшается износ между уплотнительной поверхностью и седлом 28, что в свою очередь значительно увеличивает срок службы управляющего клапана 3, а тем самым и всей топливной форсунки.
На фиг.3 показан выполненный еще по одному варианту предлагаемый в изобретении управляющий клапан 3. В этом варианте седло 28' выполнено коническим, и соответственно уплотнительная поверхность 27' также выполнена конической формы. Благодаря приданию управляющей втулке 25 и седлу 28' такой формы втулка постоянно центрируется относительно седла 28', и поэтому при перемещении управляющей втулки 25 в направлении открытия истечение топлива из полости 26 повышенного давления происходит симметрично.
На фиг.4 показан выполненный еще по одному варианту управляющий клапан, при этом на направляющем стержне 30' в виде его продолжения выполнен выступ 31, входящий в выемку 24. Наличие такого выступа позволяет существенно уменьшить объем полости 26 повышенного давления, что значительно сокращает время срабатывания управляющего клапана 3. Чем меньше объем в зоне полости 26 повышенного давления, а также в зоне управляющей полости 7, тем быстрее может повышаться или снижаться давление в полости 26 повышенного давления, а тем самым и в управляющей полости 7. Придание выступу 31 соответствующей формы позволяет также оптимизировать характер истечения топлива при его перетекании в дренажную полость 38 с образованием при этом лишь незначительных потерь в результате завихрения потока топлива при одновременно минимальном объеме полости 26 повышенного давления.
Седло 28' в данном случае также выполнено коническим, но с гораздо большим по сравнению с показанным на фиг.3 вариантом углом при вершине конуса. Выполнение седла с таким углом α при вершине конуса позволяет дополнительно уменьшить износ между уплотнительной поверхностью 27' и седлом 28', при этом в показанным на фиг.3 варианте уплотнительная поверхность 27 при установке на коническое седло 28' слегка соскальзывает радиально наружу. Одновременно с этим седло 28' сдавливается управляющей втулкой 25 радиально внутрь, и поэтому при каждом перемещении управляющей втулки 25 в направлении закрытия происходит относительное перемещение между седлом 28' и уплотнительной поверхностью 27'. Выполнение же седла 28' в виде конуса с большим углом при его вершине (углом раствора) позволяет предотвратить подобное соскальзывание уплотнительной поверхности при установке управляющей втулки на седло и одновременно с этим предотвратить относительное перемещение между седлом 28' и уплотнительной поверхностью 27' из-за периодического изменения давления в полости 26 повышенного давления.
Коническое седло 28' особенно предпочтительно выполнять с углом α при вершине конуса, т.е. с углом раствора конуса, в пределах от 155 до 175°, прежде всего примерно 160°. Коническая уплотнительная поверхность 27' выполнена при этом с по меньшей мере приблизительно таким же углом при вершине конуса, что и коническое седло 28'.
На фиг.5 показан выполненный еще по одному варианту управляющий клапан. В этом варианте вместо выемки 24, которая в основном выполнена путем глухого сверления, предусмотрено сквозное отверстие 12', которое проходит через всю форсуночную деталь 5 и доходит до управляющей полости 7 и диаметр которого при этом соответствует внутреннему диаметру управляющей втулки 25. Направляющий стержень 30'' выполнен таким образом, что он с одной стороны служит охватываемой направляющей для управляющей втулки 25, а с другой стороны глубоко входит в форсуночную деталь 5. На направляющем стержне 30'' в зоне форсуночной детали 5 выполнены лыски (грани) 33, благодаря которым обеспечивается гидравлическое соединение полости 26' повышенного давления с управляющей полостью 7. Поскольку форсуночная деталь 5 имеет в зоне седла 28" точно такую же форму, а именно: форму полого цилиндра, что и управляющая втулка 25, обе эти детали обладают в этом месте идентичными упругими свойствами, что исключает относительное перемещение между седлом 28'' и уплотнительной поверхностью 27'' при изменении давления в полости 26' повышенного давления.