Клапанная форсунка для впрыскивания топлива - RU2222709C2

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к клапанной форсунке для впрыскивания топлива, предназначенной для двигателей внутреннего сгорания, оснащенных топливным аккумулятором высокого давления (ТАВД), топливо в который подается насосом высокого давления и который напорной линией соединен соответственно с напорной полостью клапанной форсунки, имеющей иглу, которая в направлении открытия нагружается преобладающим в напорной полости давлением, действующим на конусную поверхность против запирающего усилия, и которая в направлении закрытия по меньшей мере опосредованно нагружается давлением, преобладающим в распределительной полости и действующим на подвижную стенку, соединенную с иглой клапанной форсунки и ограничивающую указанную распределительную полость, при этом усилие, создаваемое преобладающим в распределительной полости первым давлением, создает запирающее усилие, которое превышает усилие, действующее на конусную поверхность в направлении открытия иглы клапанной форсунки, а также имеющей распределительный клапан с электроприводом, с помощью такового клапана для осуществления впрыскивания топлива открывается сливной канал, соединяющий распределительную полость с разгрузочной полостью, с целью снижения преобладающего в распределительной полости давления до второго давления, при котором создается запирающее усилие, которое меньше действующего в направлении открытия иглы усилия, причем в напорной линии установлен предохранительный клапан, с помощью которого соединение ТАВД с напорной полостью открывается в те моменты времени, когда должно происходить впрыскивание топлива, и закрывается во время отдельных фаз впрыскивания.

В такой форсунке, известной, например, из патента US 5263645 A1, впрыскиванием управляет один единственный магнитный клапан с золотниковым клапанным элементом, который может занимать два положения и управлять при этом закрытием и открытием четырех гидравлических каналов. Одновременно с этим регулируется давление в распределительной полости и напорной полости. В одном из положений золотникового клапанного элемента напорная полость клапанной форсунки постоянно сообщается с источником высокого давления, а распределительная полость в этот момент гидростатически уравновешена, в результате чего происходит впрыскивание топлива. При возникновении сбоя в работе такой известной клапанной форсунки или при наличии у нее какого-либо дефекта существует опасность выхода двигателя из строя в результате, например, излишне длительного впрыскивания через нее топлива. Помимо этого в такой клапанной форсунке достаточно проблематично обеспечить необходимую для работы в условиях высокого давления герметичность золотникового клапанного элемента.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать более совершенную клапанную форсунку для впрыскивания топлива, которая не имела бы указанных выше недостатков.

Эта задача в отношении клапанной форсунки для впрыскивания топлива указанного в начале описания типа решается благодаря тому, что распределительная полость через первый дроссель постоянно соединена с ТАВД, распределительный клапан с электроприводом выполнен в виде 2/2-распределителя и указанная распределительная полость имеет возможность соединения с разгрузочной полостью через второй дроссель, проходное сечение которого больше проходного сечения первого дросселя.

Преимущество предлагаемой в изобретении клапанной форсунки в сравнении с известной состоит в том, что в ней предусмотрен предохранительный клапан, управление которым осуществляется синхронно с регулированием давления в распределительной полости и синхронно с требуемым процессом впрыскивания таким образом, что соединение между ТАВД и напорной полостью устанавливается только на время фактически происходящего впрыскивания. При выходе из строя системы управления напорной полостью по причине неработающего распределительного клапана либо при сбое в работе иглы самой форсунки предлагаемое в изобретении решение позволяет ограничить продолжительность подачи топлива под высоким давлением, при этом управление предохранительным клапаном не требуется осуществлять с такой же точностью, что и управление распределительным клапаном, регулирующим давление в распределительной полости, при этом предохранительный клапан может находиться в открытом положении в течение всего процесса впрыскивания, разделенного на предварительное и основное.

Согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения клапанной форсунки предохранительный клапан имеет электропривод. В этом случае предпочтительно, чтобы распределительный клапан и предохранительный клапан имели общий привод. Таким образом, предохранительный клапан может иметь либо отдельный электропривод, либо общий с распределительным клапаном привод, что позволяет исключить дополнительные затраты на управляющие элементы. Раздельный же привод позволяет раздельно управлять режимами переключения обоих клапанов.

Для передачи приводного усилия от привода предпочтительно предусмотреть гидравлический мультипликатор. Применение гидравлического мультипликатора для передачи приводного усилия за счет обеспечиваемого этим мультипликатором передаточного отношения по величине хода позволяет дополнительно значительно сократить величину установочного хода исполнительных органов.

Согласно еще одному варианту выполнения предлагаемой в изобретении клапанной форсунки между приводом и клапанными элементами предохранительного и распределительного клапанов предусмотрена гидравлическая полость, а для передачи установочного движения от привода предусмотрен ограничивающий гидравлическую полость поршень, воздействующий на механическую перемычку, в которую упираются клапанные элементы. Этот вариант выполнения гидравлического мультипликатора позволяет минимизировать его жесткость.

В другом варианте гидравлический мультипликатор образован одной гидравлической полостью, которая заключена между перемещаемой исполнительными органами стенкой с одной стороны и соединенными с клапанными элементами распределительного и предохранительного клапанов подвижными стенками с другой стороны. Таким образом, в этом варианте вместо механической перемычки используется гидравлический распределительный элемент, обеспечивающий определенное передаточное отношение, что позволяет значительно уменьшить конструктивные размеры, поскольку механическая перемычка имеет сравнительно большие габариты.

Таким образом, в предлагаемой в изобретении клапанной форсунке предпочтительно использовать либо указанный выше гидравлический мультипликатор, либо указанную выше механическую перемычку, через которую приводное перестановочное усилие гидравлически передается на распределительный и предохранительный клапаны. Между приводом и клапанными элементами распределительного и предохранительного клапанов может быть расположена гидравлическая полость. При этом клапанные элементы этих обоих клапанов при срабатывании привода могут либо открываться, либо альтернативно этому закрываться при том же срабатывании привода.

Распределительный и предохранительный клапаны предпочтительно выполнить таким образом, что их клапанные элементы под действием возвратного усилия при невозбужденном приводе удерживаются в закрытом положении, а под действием приводного усилия от привода имеют возможность переключения в открытое положение.

В другом варианте распределительный и предохранительный клапаны предпочтительно выполнить таким образом, что их клапанные элементы под действием возвратного усилия при невозбужденном приводе удерживались в открытом положении, а под действием приводного усилия от привода имели возможность переключения в закрытое положение.

В соответствии еще с одним из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемой в изобретении клапанной форсунки предохранительный клапан имеет перемещающийся в направляющем отверстии клапанный элемент, на одном из выступающих из этого направляющего отверстия конце которого имеется первая нагрузочная поверхность, которая взаимодействует с седлом клапана и постоянно нагружена давлением, создаваемым ТАВД, а на другом его выступающем из направляющего отверстия конце имеется вторая нагрузочная поверхность, которая нагружена давлением, преобладающим в распределительной полости, а также нагружена пружиной, действующей в направлении закрытия в сторону седла, при этом создаваемое давлением от ТАВД усилие превышает усилие пружины, действующее в направлении закрытия, в сочетании с давлением, устанавливающимся в распределительной полости при ее гидростатическом уравновешивании. Преимущество этого варианта состоит в том, что управление предохранительным клапаном осуществляется в зависимости от давления в распределительной полости. Такое решение позволяет уменьшить затраты на систему управления обоими клапанами: распределительным и предохранительным. В этом случае предпочтительно, чтобы напорная полость предохранительного клапана, ограниченная второй нагрузочной поверхностью клапанного элемента, через клапанную полость сообщалась с распределительной полостью.

Согласно еще одному из вариантов выполнения предлагаемой в изобретении клапанной форсунки распределительный клапан имеет клапанный элемент с перемещающимся в направляющем отверстии толкателем, на выступающем в соединенную с распределительной полостью клапанную полость конце которого расположен запорный элемент, который со стороны этого толкателя имеет рабочую поверхность, взаимодействующую с седлом, расположенным между направляющим отверстием и клапанной полостью. В этом варианте другой конец толкателя клапанного элемента распределительного клапана предпочтительно входит в гидравлическую полость, которая с другой стороны ограничена подвижной стенкой, соединенной с приводом, и подвижной стенкой, соединенной с клапанным элементом предохранительного клапана. В этом случае подвижная стенка, которая действует на клапанный элемент предохранительного клапана, и подвижная стенка, которая действует на толкатель клапанного элемента распределительного клапана, при повышении давления в гидравлической полости предпочтительно нагружаются этим давлением в направлении открытия клапанов. Указанная гидравлическая полость предпочтительно расположена поперечно оси толкателя клапанного элемента распределительного клапана и оси исполнительного органа привода, а подвижная стенка, действующая на клапанный элемент предохранительного клапана, предпочтительно образована на установочном поршне, который расположен на конце проходящего через гидравлическую полость соединительного штока, который с другой стороны соединен с клапанным элементом. При этом установочный поршень своим противоположным гидравлической полости торцом предпочтительно входит в гидростатически уравновешенную полость.

Согласно еще одному варианту выполнения предлагаемой в изобретении клапанной форсунки один конец клапанного элемента распределительного клапана упирается в первое плечо передаточного коромысла, которое выполнено поворотным вокруг неподвижной оси и во второе плечо которого упирается один конец клапанного элемента предохранительного клапана, при этом с передаточным коромыслом по крайней мере опосредованно контактирует также привод, служащий для перевода клапанов в открытое или закрытое положение. В этом варианте выполнения клапанный элемент распределительного клапана и клапанный элемент предохранительного клапана предпочтительно упираются в передаточное коромысло с одной и той же стороны, а привод контактирует, по крайней мере опосредованно, с его противоположной стороной.

Согласно еще одному из вариантов выполнения предлагаемой в изобретении клапанной форсунки запорный элемент со стороны, противоположной направляющему отверстию, имеет вторую рабочую поверхность, а на входе соединительной линии, проходящей от клапанной полости к распределительной полости, выполнено второе седло, которое в осевом направлении клапанного элемента распределительного клапана расположено напротив первого седла и с которым взаимодействует вторая рабочая поверхность, при этом при перемещении клапанного элемента распределительного клапана в открытое положение первая рабочая поверхность запорного элемента приподнимается от первого седла, обеспечивая гидростатическое уравновешивание распределительной полости путем ее соединения через оба седла со сливным каналом и оставляя эту полость открытой в течение непродолжительного интервала времени до тех пор, пока вторая рабочая поверхность запорного элемента не упрется во второе седло. Таким образом, клапанный элемент своим запорным элементом взаимодействует с двумя седлами, при этом при перемещении запорного элемента от одного седла к другому в течение короткого интервала времени происходит гидростатическое уравновешивание распределительной полости, благодаря чему обеспечивается очень непродолжительное впрыскивание топлива.

В предлагаемой в изобретении клапанной форсунке ее предохранительный клапан можно выполнить в виде 3/2-распределителя с имеющим электропривод клапанным элементом, который имеет клапанную головку с двумя рабочими поверхностями, первая из которых управляет соединением между ТАВД и напорной полостью клапанной форсунки, а вторая при установке этой головки в другое положение управляет открытием соединительной линии между ТАВД и распределительной полостью, причем в этой соединительной линии предусмотрен первый дроссель. Таким образом, при выполнении предохранительный клапана в виде 3/2-распределителя он в одной из своих позиций соединяет ТАВД с распределительной полостью, что при прерывании гидростатического уравновешивания распределительной полости распределительным клапаном приводит к закрытию иглы клапанной форсунки и одновременному отсоединению напорной полости форсунки от ТАВД. Такое соединение напорной полости с ТАВД этот клапан обеспечивает в другой своей позиции, в которой одновременно прерывается соединение с распределительной полостью, что приводит к быстрому открытию иглы при соответствующем управлении распределительным клапаном.

В качестве привода целесообразно использовать пьезоэлектрический привод или электромагнитную катушку. Использование пьезоэлектрического привода позволяет обеспечить, в частности, очень высокую скорость переключении клапанов в сочетании с очень высокой точностью дозирования количества впрыскиваемого топлива и продолжительности впрыскивания. Такое решение имеет особое значение прежде всего в том случае, когда обеспечивается непродолжительное промежуточное гидростатическое уравновешивание распределительной полости для осуществления кратковременного впрыскивания. Такое впрыскивание по существу представляет собой предварительное впрыскивание, предшествующее основному впрыскиванию, при этом такое двойное впрыскивание является известной мерой для уменьшения шума, создаваемого в процессе сгорания топлива в двигателе.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере девяти вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - схематичное изображение предлагаемой клапанной форсунки согласно первому варианту выполнения,
на фиг.2 - подробное изображение привода распределительного и предохранительного клапанов по фиг.1,
на фиг.3 - второй вариант выполнения привода клапанов по фиг.1,
на фиг.4 - третий вариант выполнения привода, а также распределительный и предохранительный клапаны, отличающиеся от показанных на фиг.1,
на фиг. 5 - четвертый вариант выполнения привода предохранительного и распределительного клапанов,
на фиг.6 - пятый вариант выполнения привода распределительного и предохранительного клапанов в измененном по сравнению с фиг.5 исполнении,
на фиг. 7 - шестой вариант выполнения изобретения с другой конструкцией предохранительного клапана и его привода,
на фиг. 8 - альтернативный вариант выполнения клапанного элемента распределительного клапана с измененной по сравнению с фиг.7 конструкцией,
на фиг. 9 - еще один вариант выполнения клапанного элемента распределительного клапана по фиг.7 и
на фиг. 10 - вариант выполнения клапанного элемента предохранительного клапана в соответствии с одним из предыдущих примеров.

На фиг.1 упрощенно показана клапанная форсунка 1 для впрыскивания топлива, имеющая корпус 2 с отверстием 3, которое служит направляющей для перемещения в нем клапанного в виде иглы 5 элемента форсунки. Эта игла 5 на одном своем конце имеет коническую рабочую поверхность 6, взаимодействующую с коническим седлом 7, выполненным на конце отверстия 3. По ходу потока за седлом 7 расположены распылительные отверстия 8, которые при контактировании рабочей поверхности 6 с седлом 7 отсоединены от напорной полости 9. Напорная полость 9 проходит через кольцевую полость 10, окружающую ту часть 13 иглы, которая имеет меньший диаметр и которая переходит в рабочую поверхность 6, и доходит до седла 7. Напорная полость 9 может сообщаться напорной линией 12 с источником подачи топлива под высоким давлением, выполненным в виде топливного аккумулятора 14 высокого давления (ТАВД), топливо в который под давлением, доведенным до давления впрыскивания, подается из топливного бака 11, например, насосом 4 высокого давления, работающим с переменной объемной подачей. В зоне напорной полости 9 имеющая меньший диаметр часть 13 иглы форсунки переходит через обращенную к седлу 7 конусную поверхность 16 в ее большую по диаметру часть 18. Эта часть 18 перемещается в направляющем отверстии 3, плотно прилегая к его стенкам, и переходит на дальней от конусной поверхности 16 стороне в соединительную часть 19, которая в свою очередь проходит вплоть до поршневого конца 20 иглы форсунки. В зоне этой соединительной части 19 игла имеет опорную тарелку 22, между которой и корпусом 2 форсунки зажата пружина 21 сжатия, которая поджимает иглу форсунки в направлении закрытия.

Поршневой конец 20 ограничивает в корпусе 2 клапанной форсунки своим торцом (подвижной стенкой) 24, площадь которого больше площади конусной поверхности 16, распределительную полость 25, которая через первый дроссель 26 постоянно сообщается с ТАВД 14, а через второй расположенный в сливном канале 28 дроссель 27 соединена с разгрузочной полостью 29. Открытием и закрытием сливного канала 28 управляет распределительный клапан 31.

Соединением напорной полости 9 с ТАВД 14 управляет предохранительный клапан 32, клапанный элемент 33 которого, равно как и клапанный элемент 34 распределительного клапана 31 перемещаются в положения открытия или закрытия с помощью общего привода 36. Управление этим приводом 36 осуществляется электрическим блоком 37 в соответствии с рабочими параметрами.

Управляемые клапаны 31 и 32 служат для регулирования количества топлива, впрыскиваемого в камеры сгорания соответствующего двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя, и для регулирования момента начала впрыскивания. При закрытом клапане 31 благодаря постоянному соединению распределительной полости 25 с ТАВД 14 в этой полости преобладает высокое давление топлива. При также закрытом предохранительном клапане 32 напорная полость 9 отсоединена от ТАВД 14, и поэтому даже при сбое в работе клапанной форсунки давление топлива в этой напорной полости не может достичь столь высокого уровня, которого было бы достаточно для впрыскивания при поднятой игле 5. При этом соотношение сил на игле 5 таково, что при преобладании в напорной полости 9 высокого давления топлива на конусную поверхность, поскольку ее площадь меньше площади торца 24, в направлении открытия иглы действует меньшее усилие, чем направленное в противоположную сторону усилие, создаваемое в распределительной полости 25 давлением такой же величины при подаче топлива от ТАВД. Кроме того, в направлении закрытия действует также усилие предварительного сжатия пружины 21, надежно удерживающей клапанную форсунку закрытой.

Когда для впрыскивания клапанный элемент 34 распределительного клапана 31 устанавливается в открытое положение, давление из распределительной полости 25 сбрасывается в разгрузочную полость 29, и в этой распределительной полости 25 благодаря первому дросселю 26, ограничивающему создаваемое ТАВД давление, устанавливается давление более низкого уровня. Одновременно с распределительным клапаном 31 открывается и предохранительный клапан, соединяя ТАВД 14 с напорной полостью 9. В этом случае на иглу действуют различные по величине давления, усилие наибольшего из которых приложено к конусной поверхности 16 в направлении открытия. В результате игла открывается, и через распылительные отверстия 8 может происходить впрыскивание топлива. Впрыскивание продолжается до тех пор, пока распределительный клапан 31 снова не закроется и не прекратится сброс давления из распределительной полости 25. Тем самым в распределительной полости 25 из-за поступления топлива через первый дроссель 26 давление может снова спонтанно возрастать до столь же высокого уровня, который преобладает в ТАВД 14, в результате чего соотношение приложенных к игле усилий изменится на противоположное, т.е. большее из этих усилий будет действовать в направлении закрытия, и игла переместится в закрытое положение.

Благодаря наличию предохранительного клапана 32 в дополнение к управлению перемещением иглы 5 в открытое и закрытое положения дополнительно обеспечивается регулирование притока топлива из ТАВД 14 в напорную полость 9. Такое регулирование синхронизировано с управлением распределительным клапаном 31. При этом управление предохранительным клапаном не требуется осуществлять с такой же точностью, что и управление распределительным клапаном 31. Благодаря описанному решению, предполагающему использование предохранительного клапана, обеспечивается защита всей системы впрыскивания топлива при отказе одной из таких клапанных форсунок. При появлении сбоя в работе распределительного клапана 31 либо при нарушении функции иглы клапанной форсунки предохранительный клапан позволяет ограничить количество топлива, подаваемое к форсунке, благодаря чему даже при полном отказе вышеупомянутых элементов предотвращается подача на впрыскивание в двигатель слишком большого количества топлива, что в противном случае могло бы привести к прокручиванию вала двигателя и к поломке последнего.

В варианте, показанном на фиг.1, оба клапана, а именно распределительный клапан 31 и предохранительный клапан 32, выполнены в виде переключаемых в одном и том же направлении седельных клапанов, т.е. если их клапанные элементы 33 и 34 перемещаются согласно фиг.1 вниз, то впрыскивание топлива предотвращается, тогда как если они перемещаются в противоположном направлении, то осуществляется впрыскивание. Управление, соответственно приведение в действие клапанных элементов 33 и 34 осуществляется приводом 36, который подробно на фиг.1 не показан. Этот привод может иметь отдельные исполнительные органы для каждого из указанных клапанных элементов либо один исполнительный орган, общий для обоих клапанных элементов. Такой вариант выполнения показан, например, на фиг.2. В качестве источника приводного усилия для исполнительных органов в этом случае, как показано на фиг.2, особенно предпочтительно использовать пьезоэлектрический привод 39, который действует на управляющий поршень 40 и при этом может передавать на него очень высокое усилие за очень короткий промежуток времени. Торец управляющего поршня ограничивает гидравлическую полость 42, которая с другой стороны ограничена торцом передаточного поршня 43, установленного соосно управляющему поршню. Управляющий поршень, гидравлическая полость 42 и передаточный поршень 43 в совокупности образуют гидравлический мультипликатор, поскольку благодаря различным диаметрам обоих поршней 40 и 43 через гидравлическую полость 42 можно регулировать передаточное отношение между усилием и величиной хода. Передаточный поршень 43 действует на механическую перемычку 45, которая обеспечивает совместное перемещение обоих клапанных элементов 33 и 34.

Такая конструкция позволяет реализовать показанную на фиг.1 схему с распределительным и предохранительным клапанами. При приложении силовой нагрузки, т. е. при возбуждении пьезоэлектрического привода 39, клапанные элементы 33 и 34 удерживаются в закрытом положении, и поэтому продолжительностью возбужденного состояния пьезоэлектрического привода определяется длительность пауз между впрыскиваниями топлива. На фиг.3 показан вариант выполнения, несколько отличающийся от варианта по фиг.2. В этом варианте отсутствует механическая перемычка. В отличие от варианта по фиг.2 в данном случае гидравлический мультипликатор состоит из гидравлической полости 42', которая с одной стороны ограничена подвижной стенкой, образованной торцом управляющего поршня 40, а с другой стороны ограничена подвижными стенками, образованными торцом 46 клапанного элемента 34 распределительного клапана 31 и торцом 47 клапанного элемента 33 предохранительного клапана 32. Очевидно, что указанные подвижные стенки могут также воздействовать на упомянутые управляющий поршень 40, клапанный элемент 33 и на передаточный поршень 43 опосредованно. В этом варианте управляющий поршень 40 также приводится в движение пьезоэлектрическим приводом 39. Рассчитав соответствующим образом площади ограничивающих гидравлическую полость 42' торцов поршня 40, с одной стороны, и клапанных элементов 33 и 34, с другой, можно получить гидравлический мультипликатор, который будет обеспечивать одновременную передачу усилия от пьезоэлектрического привода 39 через управляющий поршень 40 на клапанные элементы 33 и 34 без допусков и потерь на трение.

На фиг.4 показан еще один вариант выполнения клапанных элементов распределительного клапана 31 и предохранительного клапана 32. В отличие от варианта по фиг.1, в котором каждый из клапанных элементов 33 и 34 имеет коническую рабочую поверхность, взаимодействующую с соответствующим коническим седлом, и при приложении усилия со стороны привода 39 перемещается в закрытое положение, согласно фиг.4 клапанные элементы 33' и 34' под действием передаточного поршня 43 одновременно перемещаются в открытое положение. При этом аналогично варианту по фиг.2 также предусмотрен управляющий поршень 40, действующий через гидравлическую полость 42 на передаточный поршень 43, который в свою очередь перемещает предусмотренную в этом варианте механическую перемычку 45, в которую с другой стороны под действием не показанных пружин F упираются клапанные элементы 33' и 34'. При невозбужденном пьезоэлектрическом приводе пружина, направление усилия которой обозначено стрелкой F₁, перемещает клапанный элемент 33' предохранительного клапана до упора рабочей поверхности 52, выполненной на запорном элементе 51, в седло 50. Одновременно клапанный элемент 34' распределительного клапана под действием такой же пружины, направление усилия которой обозначено стрелкой F₂, прижимается рабочей поверхностью 54, выполненной на запорном элементе 55, к седлу 56. Запорный элемент 51 клапанного элемента 33' расположен на конце толкателя 57, который перемещается в направляющем отверстии 58 и другой конец которого, противоположный запорному элементу 51, под действием пружины упирается в механическую перемычку 45. К рабочей поверхности 52 на толкателе 57 примыкает кольцевая канавка 59, которая в показанном на фиг.4 закрытом положении клапанного элемента 33' ограничивает кольцевую полость, которая заканчивающимся в отверстии 58 участком 12а напорной линии 12 сообщается с ТАВД 14. Запорный элемент 51 может возвратно-поступательно перемещаться в клапанной полости 60, которая соединена напорной линией 12 с напорной полостью 9. В показанном на фиг.4 положении при невозбужденном пьезоэлектрическом приводе напорная полость 9 тем самым отсоединена от ТАВД 14. Независимо от этого, как показано на фиг.1, ТАВД 14 другой линией соединен с распределительной полостью 25. Клапанный элемент 34' распределительного клапана выполнен аналогично клапанному элементу 33'. Последний также имеет запорный элемент 55, который может перемещаться в клапанной полости 62 и закреплен на конце толкателя 63, перемещающегося в направляющем отверстии 48. И в этом случае между рабочей поверхностью 54, примыкающей к ней частью толкателя 63 и стенками направляющего отверстия 48 также образована кольцевая полость 64, которая постоянно сообщается с участком 28а сливного канала 28. Этот сливной канал 28, оканчиваясь в клапанной полости 62, проходит от распределительной полости 25. При открытом клапанном элементе 34' этот канал сообщается с участком 28а, который далее проходит к разгрузочной полости 29.

В показанной на фиг.4 конструкции клапанов пьезоэлектрический привод 39 каждый раз возбуждается лишь на такой интервал времени, в течение которого должно происходить впрыскивание. При этом передаточный поршень 43 перемещает механическую перемычку 45 и одновременно клапанные элементы 33' и 34', в результате чего оба клапана - распределительный клапан 31 и предохранительный клапан 32 - открываются и, как описано выше, обеспечивается возможность впрыскивания топлива. Очевидно, что вместо предусмотренной в данном варианте механической перемычки 45 можно также использовать гидравлическую полость по аналогии с примером выполнения, показанным на фиг.3. В отношении передачи усилий преимущество последнего из указанных решений заключается в том, что с помощью такого гидравлического мультипликатора можно по отдельности отрегулировать передаваемое на каждый клапанный элемент усилие, обеспечивая их одновременный привод в отсутствии трения. Однако с другой стороны требуется постоянно также контролировать необходимую степень наполнения гидравлической полости рабочей жидкостью, при необходимости восполняя ее уменьшившееся по тем или иным причинам количество.

Пружины распределительного клапана 31 и предохранительного клапана 32 могут иметь и различное исполнение, как это следует из варианта по фиг.5, при этом клапанный элемент 534 может быть выполнен, например, так же, как и клапанный элемент 34', а клапанный элемент 533, напротив, может иметь конструкцию, аналогичную клапанному элементу 33 по фиг.1. В этом случае рабочая поверхность 66 на конце клапанного элемента 533 выполнена конической формы и взаимодействует на входе напорной линии 12, сообщающейся с напорной полостью 9, с седлом 67. Сбоку от указанного седла от стенки клапанной полости 68, в которую входит конец клапанного элемента 533, отходит участок 12а напорной линии, проходящей к ТАВД 14. Противоположный рабочей поверхности торец 69 клапанного элемента, также перемещающегося в направляющем отверстии 558, упирается в одно плечо поворотного передаточного коромысла 70, которое может поворачиваться вокруг неподвижной оси 71 и в другое плечо которого с одной стороны (снизу в плоскости чертежа) упирается конец клапанного элемента 534, а с другой (сверху в плоскости чертежа) - передаточный поршень 43, к которому, как и в варианте по фиг.4, примыкает гидравлическая полость 42 и приводной поршень 40, а также пьезоэлектрический привод 39. При возбуждении последнего передаточный поршень 43 поворачивает коромысло 70, в результате чего клапанный элемент 534 против усилия пружины F₁ перемещается в открытое положение и одновременно с ним клапанный элемент 533 под действием пружины F₂, удерживающей его в контакте с коромыслом 70, также перемещается в открытое положение. При развозбуждении пьезоэлектрического привода 39 пружина F₁, установленная на клапанном элементе 534, перемещает его в закрытое положение, и одновременно коромысло 70, преодолевая усилие пружины F₂, перемещает клапанный элемент 533 также в закрытое положение. Для этого необходимо очень точное согласование развиваемых пружинами усилий и приводных усилий.

В пятом варианте выполнения, показанном на фиг.б, вместо механического коромысла 70 снова предусмотрена гидравлическая полость 642, которая с одной стороны ограничена толкателем 663 клапанного элемента 634, а с другой стороны - передаточным поршнем 43. Для привода клапанного элемента 633, который выполнен аналогично варианту по фиг.5, на его конце имеется соединительный элемент в виде соединительного штока 72, проходящего сквозь гидравлическую полость 642 и другим своим концом соединенного с установочным поршнем 73, который направленно перемещается в корпусе клапанной форсунки и торец 74 которого образует подвижную, нагруженную давлением стенку, при перемещении которой одновременно перемещается и клапанный элемент 633. Другим торцом установочный поршень 73 входит в гидростатически уравновешенную полость 49. В том месте, где шток 72 переходит в клапанный элемент 633, предусмотрена разгрузочная полость 75, через которую может отводиться просачивающееся в нее топливо и которая образует необходимую управляющую камеру для клапанного элемента 633. Последний нагружен действующей в направлении закрытия пружиной F₁, которая при отсутствии давления в гидравлической полости 642 прижимает клапанный элемент 633 его рабочей поверхностью 66 к седлу 67. Когда при возбуждении пьезоэлектрического привода 39 передаточный поршень 43 приходит в движение, давление в гидравлической полости 642 повышается, и, как следствие, нагруженный давлением установочный поршень 73 начинает перемещать клапанный элемент 633 в направлении открытия против усилия пружины F₂. Одновременно повышенное давление в гидравлической полости 642 приводит к перемещению толкателя 663 и, следовательно, к открытию распределительного клапана. При этом клапанный элемент 634 выполнен аналогично клапанному элементу 34' по фиг.4 с тем, однако, отличием, что в данном случае привод осуществляется непосредственно через гидравлическую полость 692 против запирающего усилия пружины F₁.

Как показано на фиг.6, клапанная полость 68 с одной стороны участком 12а напорной линии постоянно соединена с ТАВД, а от расположенного в этой полости 68 седла 67 отходит напорная линия 12 к напорной полости 9. Далее, с клапанной полостью 68 через первый дроссель 26 постоянно сообщается распределительная полость 25. Кроме того, распределительная полость аналогичным образом через второй дроссель 27 в сливном канале 28 соединена с клапанной полостью 62 распределительного клапана, а при нахождении подвижного клапанного элемента 634 в открытом положении сообщается с участком 28а, образующим продолжение канала 28. В этом варианте выполнения управление пьезоэлектрическим приводом 39 осуществляется таким образом, чтобы он также возбуждался только в те моменты времени, когда должно осуществляться впрыскивание топлива.

Согласно шестому варианту, показанному на фиг.7, клапанный элемент 734 распределительного клапана выполнен аналогично клапанному элементу 634, 534 или 34'. Для привода этого клапанного элемента может использоваться один из приводов, предусмотренных в вариантах по фиг.4-6. Однако в отличие от предыдущих вариантов в данном случае используется предохранительный клапан, клапанный элемент 733 которого, как и в варианте по фиг.6, имеет первую нагрузочную поверхность в виде конической рабочей поверхности 766, выполненной на конце входящего в клапанную полость 768 толкателя 757, перемещающегося в направляющем отверстии 95, плотно прилегая к его стенкам, корпуса 2 клапанной форсунки. Рабочая поверхность 766 взаимодействует, как и в варианте по фиг. 6, с коническим седлом 67. Та часть рабочей поверхности 766, которая выступает над седлом 67, одновременно образует первую нагрузочную поверхность, которая при закрытом предохранительном клапане нагружена в полости 768 давлением, действующим в направлении открытия клапанного элемента 733. Полость 768 в свою очередь участком 12а напорной линии постоянно сообщается с ТАВД, а через дроссель 26 постоянно соединена с распределительной полостью 25. От седла 67 к напорной полости 9 отходит напорная линия 12.

Еще одно отличие данного варианта от рассмотренных выше состоит в том, что противоположный рабочей поверхности 766 торец 77 толкателя 757 образует вторую нагрузочную поверхность клапанного элемента 733, расположенную в напорной полости 96 предохранительного клапана, которая сообщается с клапанной полостью 762 и в которой поэтому устанавливается такое же давление, что и в последней, причем это давление одновременно равно давлению в распределительной полости 25, поскольку обе эти полости постоянно сообщаются друг с другом через второй дроссель 27. Дополнительно торец 77 нагружен пружиной 78 сжатия, поджимающей клапанный элемент 733 в направлении закрытия. Когда в рассматриваемом варианте клапанный элемент 734 распределительного клапана 31 находится в показанном на чертеже закрытом положении, в распределительной полости 25 вследствие поступления топлива через дроссель 26 устанавливается такое же высокое давление, что и в ТАВД. Это давление одновременно действует и на торец 77 клапанного элемента 733 предохранительного клапана, удерживая его в закрытом положении. Если же распределительный клапан открыт и распределительная полость 25 гидростатически уравновешена, т.е. в ней отсутствует давление, то и торец 77 также не нагружен давлением. Однако одновременно с этим в полости 768 продолжает сохраняться высокое давление, приложенное к конической рабочей поверхности 766, которая прилегает к седлу 67 со стороны распределительной полости, и поэтому под действием более высокого результирующего усилия, приложенного к рабочей поверхности клапанного элемента 733, последний против запирающего усилия пружины 68 переводится в открытое положение. Тем самым топливо может поступать в напорную полость 9 на впрыскивание, когда одновременно под действием высокого давления, приложенного к конусной поверхности 16, при пониженном давлении в распределительной полости 25 игла 5 перемещается в направлении открытия. Преимущество этого варианта выполнения заключается в автоматическом переключении предохранительного клапана без использования специального приводного механизма. Предохранительный клапан всегда открывается в том случае, когда в распределительной полости 25 преобладает необходимое пониженное давление и когда имеется достаточно высокое для впрыскивания давление. Достичь этого можно также в том случае, если вместо регулирования давления в распределительной полости с помощью 2/2-распределителя, установленного в разгрузочной линии, и задросселированного высоконапорного подсоединения к распределительной полости осуществлять управление с помощью 3/2-распределителя, который соединяет распределительную полость либо с ТАВД 14, либо с разгрузочной полостью 29.

Вместо клапанного элемента 733, показанного на фиг.7, в рассматриваемом варианте можно использовать конструкцию с седельным клапаном, показанную на фиг.8. В этом случае клапанный элемент имеет шарик 79, который взаимодействует с коническим седлом 80, расположенным на входе сливного канала 28 в клапанную полость 862. В качестве привода можно использовать один из приводных механизмов, описанных выше и показанных на фиг.2-6.

В следующем, восьмом варианте выполнения, показанном на фиг.9, в предохранительном клапане предусмотрен клапанный элемент 733 такой же конструкции, что и в вариантах по фиг.4-7. Этот клапанный элемент 733 имеет запорный элемент 955, рабочая поверхность 54 которого взаимодействует с седлом 56. В отличие от вариантов по фиг.4-7 на запорном элементе 955 с противоположной рабочей поверхности 54 стороны предусмотрена вторая рабочая поверхность 81, взаимодействующая со вторым седлом 82. Это седло 82 расположено на входе сливного канала 28 в клапанную полость 962. При приведении в действие клапанного элемента 934 пьезоэлектрическим приводом рабочая поверхность 54 этого клапанного элемента приподнимается от седла 56, соединяя, как и в вариантах по фиг. 4-7, сливной канал 28 с его участком 28а через клапанную полость 962. Однако клапанный элемент 934 под действием пьезоэлектрического привода продолжает перемещаться до упора рабочей поверхности 81 во второе седло 82, снова перекрывая сливной канал 28. Вследствие этого в распределительной полости 25 давление снова может возрастать до высокого уровня, переводя иглу 5 клапанной форсунки в закрытое положение. При этом давление, приложенное к торцу 77 клапанного элемента 733, продолжает снижаться, поскольку полость 962 через открытое в данном случае седло 56 напрямую сообщается с участком 28а сливного канала. Поэтому клапанный элемент 733 остается в открытом положении до тех пор, пока клапанный элемент 934 распределительного клапана снова не установится в закрытое положение. Благодаря непродолжительному соединению, устанавливающемуся между сливным каналом 28 и его участком 28а, и сбросу в результате этого давления из распределительной полости 25 осуществляется кратковременное впрыскивание топлива, которое по существу представляет собой регулярное предварительное впрыскивание определенного количества топлива, после чего должно происходить основное впрыскивание. С этой целью пьезоэлектрический привод частично развозбуждают, в результате чего запорный элемент 955 останавливается в клапанной полости 962 в промежуточном положении, в котором оба седла 56 и 82 открыты, и тем самым давление из распределительной полости 25 сбрасывается. Клапанный элемент 733 продолжает оставаться при этом в открытом положении, поскольку его торец 77 также не нагружен давлением. Для окончания основного впрыскивания топлива клапанный элемент 934 снова перемещают назад к седлу 56. При этом давление в распределительной полости 25 снова возрастает до высокого уровня, причем такое же давление преобладает и в клапанной полости 962, где оно, действуя на торец 77 клапанного элемента 733 предохранительного клапана, перемещает этот элемент в закрытое положение. Такое решение позволяет осуществлять двойное впрыскивание с разделением на предварительное и основное в течение очень коротких интервалов времени, длительность которых определяется временем перемещения клапанного элемента 934 распределительного клапана от первого седла 56 до второго седла 82. Во избежание нарушения всего цикла впрыскивания клапанный элемент 733 в рассматриваемом варианте и во время предварительного впрыскивания, и во время следующей за ним паузы, и во время основного впрыскивания находится в открытом положении. Лишь по окончании основного впрыскивания он переводится в закрытое положение, и поэтому при высоком давлении в распределительной полости 25 надежно предотвращается возможность поступления топлива в напорную полость 9, что могло бы привести к нежелательному впрыскиванию. Когда же в этом случае торец 77 соединяется не с клапанной полостью 962, а напрямую с распределительной полостью 25, предохранительный клапан в паузах между впрыскиваниями также снова закрывается.

На фиг. 10 показан последний вариант выполнения с другой конструкцией предохранительного клапана. В этом варианте такой предохранительный клапан с его клапанным элементом 833 выполнен в виде 3/2-распределителя. Указанный клапанный элемент 833, привод которого аналогичен рассмотренным выше вариантам, также имеет толкатель 857, который перемещается в направляющем отверстии, выполненном в корпусе клапанной форсунки, и оканчивается клапанной головкой 84. Эта головка может перемещаться в клапанной полости 85, которая участком 12а напорной линии постоянно соединена с ТАВД 14. Клапанная полость 85 с одной стороны ограничена первым седлом 86, образованным на участке перехода к отверстию 87, служащему направляющей для толкателя 857, а с противоположной стороны ограничена вторым седлом 88, которое образовано на входе в отходящую от этого седла напорную линию 12. Клапанная головка имеет первую, например, коническую, рабочую поверхность 89, взаимодействующую с первым седлом 86, а с противоположной этой рабочей поверхности 89 стороны имеет вторую коническую рабочую поверхность 90, которая взаимодействует со вторым седлом 88. На участке перехода от первой рабочей поверхности 59 к той части толкателя 857, которая перемещается в направляющем отверстии, предусмотрена кольцевая канавка 91, которая вместе со стенкой отверстия 87 образует кольцевую полость 92, которая в свою очередь соединительной напорной линией 93, в которой расположен первый дроссель 26, соединена с распределительной полостью 25. Имеющий такую конструкцию клапанный элемент 833 в те моменты времени, когда должно происходить впрыскивание топлива, одновременно прерывает соединение ТАВД 14 с распределительной полостью 25, давление из которой было сброшено с помощью распределительного клапана. Одновременно с этим напорная полость 9 соединяется с ТАВД 14. Благодаря этому обеспечивается наиболее эффективное гидростатическое уравновешивание распределительной полости 25 и повышение действующего в направлении открытия усилия, поскольку в случае предусмотренного открытия иглы 5 топливо более не будет поступать в распределительную полость через первый дроссель 26 и тем самым не сможет влиять на уровень давления. Для окончания впрыскивания топлива клапанный элемент 833 переводится во второе закрытое положение, в котором его вторая рабочая поверхность 90 перекрывает напорную линию 12 и одновременно через первое седло 86 соединяет распределительную полость 25 с ТАВД 14. В этом случае давление в этой распределительной полости 25 может возрастать до необходимого высокого уровня, переводя иглу 5 форсунки в закрытое положение. Если клапанный элемент 833 и его головка 84 с помощью соответствующего привода перемещаются в среднее положение, то давление в распределительной полости 25 устанавливается на уровне, который находится между максимальным давлением и полным его отсутствием. Это среднее давление приводит к неполному открытию иглы 5 в той степени, чтобы в течение короткого интервала времени обеспечить предварительное впрыскивание небольшого количества топлива. При этом благодаря неполному открытию клапанной форсунки становится возможным также формирование струи впрыскиваемого топлива с дросселированием подачи топлива к распылительным отверстиям.

Привод предохранительного клапана, выполненного согласно фиг.10, может осуществляться как от отдельного пьезоэлектрического привода, так и через соответствующий передаточный механизм от общего приводного механизма, который управляет и клапанным элементом распределительного клапана. Однако с целью обеспечить упомянутую выше остановку головки 84 в промежуточном положении между первым 86 и вторым 88 седлами для предохранительного клапана необходимо предусмотреть отдельное управление с использованием пьезоэлектрического привода, который за счет соответствующего регулирования его возбуждения позволяет перемещать клапанный элемент на неполную величину хода. Распределительный клапан может иметь в этом случае электромагнитный привод.

В принципе, в вариантах выполнения, показанных на фиг.1-8, для управления клапанными элементами возможно применение электромагнитных приводов и даже если при этом на их быстродействии сказывается влияние электромагнитного гистерезиса. Вместо частично показанной на чертежах схемы управления давлением в распределительной полости 25 с помощью 2/2-распределителя для такого управления можно использовать также 3/2-распределитель, одновременно обеспечивая применение предлагаемого в изобретении предохранительного клапана. Такой 3/2-распределитель в первом положении клапанного элемента соединяет распределительную полость 25 с ТАВД, а во втором положении соединяет эту полость 25 с разгрузочной полостью 29. В этом случае одновременно с переключением 3/2-распределителя в первую позицию клапанный элемент предохранительного клапана устанавливается в закрытое положение. Если затем в другой позиции 3/2-распределителя распределительная полость 25 соединяется с разгрузочной полостью, то предохранительный клапан одновременно открывается. Такой 3/2-распределитель может быть выполнен аналогично клапану с клапанным элементом 833, показанным на фиг.10.

Реферат

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Изобретение направлено на предотвращение нежелательной, излишне продолжительной подачи топлива на впрыскивание при появлении сбоев в работе форсунки, что в конечном результате позволяет избежать поломки двигателя из-за передозировки топлива. Двигатель внутреннего сгорания с клапанной форсункой оснащается топливным аккумулятором высокого давления (ТАВД), в который топливо подается насосом высокого давления и который напорной линией соединен соответственно с напорной полостью клапанной форсунки, имеющей иглу. Игла в направлении открытия нагружается преобладающим в напорной полости давлением, действующим на конусную поверхность против запирающего усилия, а в направлении закрытия, по меньшей мере, опосредованно нагружается давлением, преобладающим в распределительной полости и действующим на подвижную стенку, соединенную с иглой клапанной форсунки и ограничивающую указанную распределительную полость. Усилие, создаваемое преобладающим в распределительной полости первым давлением, создает запирающее усилие, которое превышает усилие, действующее на конусную поверхность в направлении открытия иглы клапанной форсунки, также имеющей распределительный клапан с электроприводом. С помощью клапана для осуществления впрыскивания топлива открывается сливной канал, соединяющий распределительную полость с разгрузочной полостью, с целью снижения преобладающего в распределительной полости давления до второго давления, при котором создается запирающее усилие, которое меньше действующего в направлении открытия усилия. В напорной линии установлен предохранительный клапан, с помощью которого соединение ТАВД с напорной полостью открывается в те моменты времени, когда должно происходить впрыскивание топлива, и закрывается во время отдельных фаз впрыскивания. Распределительная полость через первый дроссель постоянно соединена с ТАВД, распределительный клапан с электроприводом выполнен в виде 2/2-распределителя. Указанная распределительная полость имеет возможность соединения с разгрузочной полостью через второй дроссель, проходное сечение которого больше проходного сечения первого дросселя. 20 з.п.ф-лы, 10 ил.

Формула