Топливная форсунка - RU2578366C2

Чертежи

Описание

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к топливной форсунке согласно ограничительной части главного пункта формулы изобретения.

Из DE 3825134 A1 уже известна топливная форсунка, которая имеет электромагнитный приводной элемент с катушкой, внутренним полюсом и наружной магнитопроводной деталью и подвижный запорный элемент, взаимодействующий со своим седлом на седельном элементе. Подобная топливная форсунка имеет охватывающий ее пластмассовый литой корпус, который при этом проходит в осевом направлении, окружая прежде всего служащий внутренним полюсом соединительный патрубок и катушку. В пластмассовом литом корпусе по меньшей мере в его окружающей катушку части размещены ферромагнитные наполнители, служащие проводниками магнитных силовых линий. В соответствии с этим такие наполнители охватывают катушку в окружном направлении. Подобные наполнители представляют собой тонкоизмельченные частицы металлов с магнитомягкими свойствами. Такие магнитно внедренные в пластмассу мелкие металлические частицы, которые имеют более или менее шаровидную форму, как таковые магнитно изолированы друг от друга и тем самым не имеют металлического контакта между собой, из-за чего не происходит эффективное создание магнитного поля. Однако положительному аспекту, состоящему в возникновении при этом исключительно высокого электрического сопротивления, противостоит при этом и возникновение исключительно высокого магнитного сопротивления, которое проявляется в значительной потере энергии и тем самым определяет отрицательные в общем балансе функциональные свойства.

Из DE 10332348 A1 известна далее топливная форсунка, которая отличается сравнительно компактной конструкцией. У такой форсунки магнитопровод образован катушкой, неподвижным внутренним полюсом, подвижным якорем, а также наружной магнитопроводной деталью в виде горшкового магнитного сердечника. Для придания форсунке тонкой и компактной конструкции используется несколько тонкостенных форсуночных втулок, которые служат соединительными патрубками и одновременно держателем седла и направляющим участком для якоря. Проходящая внутри магнитопровода тонкостенная немагнитная втулка образует воздушный зазор, через который магнитные силовые линии переходят от наружной магнитопроводной детали к якорю и внутреннему полюсу. Топливная форсунка сопоставимой конструкции дополнительно показана на фиг. 1 и более подробно рассмотрена ниже в целях пояснения изобретения.

Из JP 2002-48031 А уже известна, кроме того, топливная форсунка, которая также отличается использованием в ее конструкции решения с тонкостенными втулками, при этом изготовленная глубокой вытяжкой форсуночная втулка проходит по всей длине форсунки и в зоне магнитопровода имеет место магнитного разрыва, где прерывается в остальном мартенситная структура. Такой немагнитный промежуточный участок расположен на уровне рабочего воздушного зазора между якорем и внутренним полюсом, а также по отношению к катушке таким образом, что создается максимально эффективная магнитная цепь. Подобное магнитное разобщение используется также для увеличения динамического диапазона форсунки DFR {англ. "dynamic flow range") по сравнению с известными форсунками с традиционными электромагнитными цепями. Однако в этом случае такие конструкции требуют значительных дополнительных затрат на их изготовление. Помимо этого дополнение форсунки подобным магнитным разобщением, реализуемым немагнитным участком втулки, приводит к иным геометрическим параметрам по сравнению с форсунками без такого магнитного разобщения.

Преимущества изобретения

Преимущество предлагаемой в изобретении топливной форсунки с отличительными признаками, указанными в п. 1 формулы изобретения, состоит в наличии у нее особо компактной конструкции. Такая форсунка имеет исключительно малый наружный диаметр, который для специалиста в области топливных форсунок для впрыскивания топлива во впускной коллектор двигателей внутреннего сгорания (ДВС) представлялся до настоящего времени как нереализуемый при обеспечении наивысшей функциональности форсунки. Благодаря таким исключительно малым размерам появляется возможность намного более гибкого встраивания топливной форсунки в системы впрыскивания топлива, чем это было возможно до настоящего времени. Так, в частности, предлагаемые в изобретении топливные форсунки благодаря их модульной конструкции допускают возможность их высокосовместимой установки в самые разнообразные посадочные отверстия в системах впрыскивания топлива, выпускаемых различными автопроизводителями, в многочисленных вариантах своего "удлиненного конца" (англ. "extended tip"), т.е. в варьирующихся по длине модификациях, без изменения при этом длины иглы или длины форсуночной втулки. Уплотнительное кольцо, надетое на наружную магнитопроводную деталь и уплотняющее форсунку относительно стенки посадочного отверстия во впускном коллекторе, допускает при этом возможность его легкого перемещения.

Новую геометрию топливной форсунки преимущественно определяли прежде всего при граничных условиях касательно величин q_min, F_F и F_max. Для возможности реализации предельно малых наружных размеров магнитопровода при обеспечении его полной функциональности согласно изобретению наружный диаметр D_A якоря задавали в пределах от более 4,0 до менее 5,0 мм и значительно укорачивали якорь. Благодаря малому наружному диметру D_A якоря и малой его осевой протяженности согласно изобретению получают особо легкую иглу форсунки, вследствие чего при работе топливной форсунки достигается явное снижение шума по сравнению с уровнем шума, создаваемого известными топливными форсунками для впрыскивания топлива во впускной коллектор.

Особое преимущество состоит далее в том, что при предлагаемом в изобретении выборе размерных параметров топливной форсунки удается также увеличить динамический диапазон DFR до величины более 17 и тем самым явно повысить его по сравнению с обычным у известных топливных форсунок динамическим диапазоном DFR. Высокая гибкость применения подобной оптимизированной топливной форсунки становится также очевидной на том основании, что на участке рабочего воздушного зазора в форсуночной втулке может быть предусмотрена зона с магнитной индукцией В менее 0,01 Тл в качестве магнитного разобщения или с магнитной индукцией В от более 0,01 до менее 0,15 Тл в качестве магнитного дросселя.

Благодаря мерам, представленным в зависимых пунктах формулы изобретения, возможны предпочтительные модификации и усовершенствования топливной форсунки, заявленной в п. 1 формулы изобретения.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию упрощенные чертежи, на которых показано:

на фиг. 1 - электромагнитный клапан в виде топливной форсунки, известной из уровня техники,

на фиг. 2 - выполненная по первому варианту предлагаемая в изобретении форсунка и

на фиг. 3 - выполненная по второму варианту предлагаемая в изобретении форсунка.

Описание вариантов осуществления изобретения

Для пояснения изобретения на фиг. 1 в качестве примера показан электромагнитный клапан в виде известной из уровня техники топливной форсунки для систем впрыскивания топлива в ДВС со сжатием рабочей смеси и ее принудительным воспламенением.

Такой клапан, соответственно такая форсунка имеет по существу трубчатый сердечник 2, который окружен катушкой 1 и служит внутренним полюсом и частично проходом для топлива. Катушка 1 в окружном направлении полностью окружена наружной, втулкообразной корпусной деталью 5, которая выполнена ступенчатой и изготовлена, например, из ферромагнитного материала и которая представляет собой служащую внешним полюсом магнитопроводную деталь. Катушка 1, сердечник 2 и корпусная деталь 5 совместно образуют приводной элемент с электрическим возбуждением.

В то время как заключенная в свой каркас 3 катушка 1 со своей обмоткой 4 снаружи охватывает форсуночную втулку 6, сердечник 2 установлен во внутреннем, проходящем концентрично продольной оси 10 форсунки отверстии 11 этой форсуночной втулки 6. Форсуночная втулка 6 выполнена продолговатой и тонкостенной. Отверстие 11 служит помимо прочего направляющим отверстием для иглы 14, подвижной вдоль продольной оси 10 форсунки. Форсуночная втулка 6 по своей протяженности в осевом направлении занимает, например, примерно половину всей осевой протяженности топливной форсунки.

Наряду с сердечником 2 и иглой 14 в отверстии 11 расположен, кроме того, седельный элемент 15, который закреплен на форсуночной втулке 6, например, сварным швом 8. Такой седельный элемент 15 имеет неподвижную контактную, или опорную, поверхность 16 в качестве седла. Игла 14 образована, например, трубчатым якорем 17, также трубчатым игольчатым участком 18 и шаровидным запорным элементом 19, который жестко соединен с игольчатым участком 18, например, сварным швом. С нижней по ходу потока торцевой стороны седельного элемента 15 расположен, например, чашевидный дисковый распылитель 21, у которого его загнутый и круговой в окружном направлении удерживающий край 20 обращен вверх навстречу направлению потока. Жесткое соединение седельного элемента 15 и чашевидного дискового распылителя 21 обеспечивается, например, круговым плотным сварным швом. На игольчатом участке 18 иглы 14 предусмотрено одно или несколько поперечных отверстий 22, через которые протекающее через якорь 17 по его внутреннему продольному отверстию 23 топливо может выходить наружу и поступать вдоль запорного элемента 19, например, вдоль имеющихся на нем лысок 24 к контактной поверхности 16 седла.

Топливная форсунка приводится в действие известным образом электромагнитным приводом. Для осевого перемещения иглы 14, а тем самым и для открытия топливной форсунки против приложенного к игле 14 усилия возвратной пружины 25, соответственно для закрытия топливной форсунки служит электромагнитная цепь, состоящая из катушки 1, внутреннего сердечника 2, наружной корпусной детали 5 и якоря 17. Якорь 17 своим обращенным от запорного элемента 19 концом ориентирован на сердечник 2. Вместо сердечника 2 может быть предусмотрена также, например, служащая внутренним полюсом крышечная деталь, замыкающая магнитную цепь.

Шаровидный запорный элемент 19 взаимодействует с сужающейся в виде усеченного конуса в направлении потока контактной поверхностью 16 своего седла на седельном элементе 15, выполненной на нем по ходу потока в осевом направлении после направляющего отверстия. Дисковый распылитель 21 имеет по меньшей мере одно выполненное путем электроэрозионной обработки, лазерного сверления или штамповки распылительное отверстие 27, например, имеет четыре таких распылительных отверстия.

Глубина утапливания сердечника 2 в топливной форсунке является помимо прочего решающей для величины хода иглы 14. Одно конечное положение иглы 14 при невозбужденной катушке 1 определяется при этом прилеганием запорного элемента 19 к контактной поверхности 16 седельного элемента 15, тогда как другое конечное положение иглы 14 при возбужденной катушке 1 определяется прилеганием якоря 17 к нижнему по ходу потока концу сердечника. Ход иглы регулируется, соответственно настраивается путем осевого перемещения сердечника 2, который после его установки в требуемое окончательное положение затем жестко соединяют с форсуночной втулкой 6.

В проходящее концентрично продольной оси 10 форсунки проточное отверстие 28 сердечника 2, служащее для подвода топлива к контактной поверхности 16 седла, помимо возвратной пружины 25 вставлен регулировочный элемент в виде регулировочной втулки 29. Такая регулировочная втулка 29 служит для настройки усилия предварительного сжатия прилегающей к ней возвратной пружины 25, которая в свою очередь со своей противоположной стороны опирается на иглу 14 в зоне якоря 17, при этом подобной регулировочной втулкой 29 регулируется также динамический расход впрыскиваемого топлива. Над регулировочной втулкой 29 в форсуночной втулке 6 расположен топливный фильтр 32.

Расположенный с входной стороны конец топливной форсунки образован металлическим топливовпускным патрубком 41, который окружен стабилизирующим, защищающим и охватывающим его пластмассовым литым корпусом 42. Топливовпускной патрубок 41 имеет трубку 44, проходящее концентрично продольной оси 10 форсунки проточное отверстие 43 которой служит топливоподводом. Пластмассовый литой корпус 42 отливают под давлением, например, таким образом, что пластмасса непосредственно охватывает также части форсуночной втулки 6, а также корпусной детали 5. Надежное уплотнение достигается, при этом, например, благодаря лабиринтному уплотнению 46 по окружности корпусной детали 5. Частью пластмассового литого корпуса 42 является также отлитый совместно с ним под давлением электрический штекерный разъем 56.

На фиг. 2 показана выполненная по первому варианту предлагаемая в изобретении топливная форсунка. Из приведенных на фиг. 1 и 2, соответственно 3 изображений из-за их неодинакового масштаба непосредственно не явствует, что предлагаемые в изобретении топливные форсунки отличаются своей исключительно тонкой конструкцией, исключительно малым наружным диаметром и в целом крайне компактной геометрической компоновкой. Предлагаемый в изобретении расчет размеров подробно поясняется ниже. В рассматриваемом примере форсуночная втулка 6 выполнена проходящей по всей длине форсунки. Наружная магнитопроводная деталь 5 выполнена стаканообразной формы и может обозначаться также как горшковый магнитный сердечник. Такая наружная магнитопроводная деталь 5 имеет при этом боковой участок (боковую стенку) 60, а также донный участок 61. На верхнем по ходу потока конце бокового участка 60 наружной магнитопроводной детали 5 предусмотрено, например, лабиринтное уплотнение 46, которое обеспечивает уплотнение относительно пластмассового литого корпуса 42, окружающего наружную магнитопроводную деталь 5. Донный участок 61 магнитопроводной детали 5 отличается, например, наличием складки 62, которой обусловлено наличие двойного слоя у магнитопроводной детали 5 под катушкой 1. На форсуночной втулке 6 установлено опорное кольцо 64, которым, во-первых, складчатый донный участок 61 наружной магнитопроводной детали 5 удерживается в определенном положении. Во-вторых, таким опорным кольцом 64 определяется нижний конец кольцевой канавки 65, в которую вставлено уплотнительное кольцо 66. Верхний конец кольцевой канавки 65 задается нижним краем пластмассового литого корпуса 42. При приемлемом выборе параметров магнитопровода наружный диаметр D_M наружной магнитопроводной детали 5 в окружной зоне катушки 1 составляет лишь от более 10,5 до менее 13,5 мм. Поскольку в данном варианте выполнения магнитопроводной детали 5 ее боковой участок 60 имеет цилиндрическую форму, магнитопроводная деталь 5 ни в одном своем месте не имеет наружный диаметр, превышающий наружный диаметр вышеуказанной зоны. Уплотнительное кольцо 66 установлено непосредственно на наружном периметре наружной магнитопроводной детали 5 в зоне ее бокового участка 60, и поэтому топливная форсунка даже со своим надетым радиально снаружи на магнитопровод уплотнительным кольцом 66 все еще позволяет устанавливать ее в предусмотренные на впускном коллекторе посадочные отверстия с внутренним диаметром 14 мм. Уплотнительное кольцо 66 может быть предусмотрено в окружной зоне наружной магнитопроводной детали 5 на ее наибольшем наружном диаметре.

Для возможности реализации магнитопровода с минимально возможным наружным диаметром соответственно необходимо прежде всего и для расположенных внутри компонентов, таких как служащий внутренним полюсом сердечник 2 и якорь 17, назначать исключительно малые размеры. Поэтому при новом определении параметров магнитопровода за минимально необходимую величину внутреннего диаметра сердечника 2 и якоря 17 был принят размер в 2 мм. Внутренние диаметры обеих этих деталей - сердечника 2 и якоря 17 - определяют внутреннее проходное сечение, при этом было установлено, что при внутреннем диаметре, равном 2 мм, настройка динамического расхода впрыскиваемого топлива все еще возможна с помощью расположенной внутри возвратной пружины 25 без влияния обусловленной допуском погрешности ее внутреннего диаметра на статический расход впрыскиваемого топлива. При проектировании магнитопровода важную роль играют различные величины и параметры. Так, в частности, оптимальным является по возможности постоянное дальнейшее уменьшение минимального расхода выпрыскиваемого форсункой топлива q_min. При этом, однако, в свою очередь необходимо учитывать, что усилие пружины F_F должно оставаться более 3 H с целью обеспечить обычную на сегодняшний день, а также требуемую в будущем герметичность, составляющую менее 1,0 мм³/мин. Усилие пружины F_F более 3 H в рассматриваемой конструкции при уплотнительном диаметре d, равном 2,8 мм, соответствует статической магнитной силе F_sm более 5,5 H при напряжении U_min.

Максимальная магнитная сила F_max также является важной величиной для конструктивного исполнения топливной форсунки с электромагнитным приводом. При слишком малой силе F_max, т.е., например, менее 10 Н, возможно так называемое залипание в закрытом состоянии (англ. "closed stuck"). Сказанное означает, что в этом случае максимальная магнитная сила F_max оказывается слишком мала для преодоления усилия гидравлического залипания запорного элемента 19 на контактной поверхности 16 его седла. В подобном случае топливная форсунка не смогла бы открыться несмотря на подачу электрического тока на ее электромагнитный привод.

Поэтому новую геометрию топливной форсунки определяли прежде всего при граничных условиях касательно величин q_min, F_F и F_max. Согласно изобретению при оптимизации геометрии магнитопровода было установлено, что важной величиной является наружный диаметр D_A якоря 17. Оптимальный наружный диаметр D_A якоря 17 составляет при этом от более 4,0 до менее 5,9 мм. На основании этого можно рассчитать параметры наружной магнитопроводной детали 5, выполнение которой с наружным диаметром D_M в пределах от 10,5 до 13,5 мм обеспечивает при этом полную функциональность магнитопровода даже при значительно большем по сравнению с известными топливными форсунками динамическом диапазоне DFR. Дальнейшее уменьшение величины q_min, которое стало возможным благодаря особому расчету параметров магнитопровода, позволило наиболее эффективным путем достичь динамического диапазона DFR, превышающего 17. Динамический диапазон DFR рассчитывается при этом как отношение q_max/q_min.

После определения оптимального наружного диаметра D_A якоря 17 согласно изобретению была уменьшена осевая протяженность якоря 17 при сохранении полной функциональности магнитопровода. Экономия сырья и материалов благодаря оптимизированным конструктивному исполнению и выбору размеров иглы 14 позволила эффективно снизить массу m всей подвижной в осевом направлении иглы 14, включая якорь 17 и запорный элемент 19, до величины, которая составляет лишь не более 0,8 г, при этом игла 14 имеет продольную протяженность вдоль продольной оси 10 форсунки, превышающую наибольшую радиальную протяженность иглы 14. В предпочтительном варианте игла 14 имеет массу m от 0,6 до 0,75 г. Благодаря столь малой массе подвижной детали топливной форсунки достигается особо эффективное снижение шума при ее работе по сравнению с уровнем шума, создаваемого известными на сегодняшний день топливными форсунками для впрыскивания топлива во впускной коллектор.

В показанном на фиг. 2 варианте со сплошной тонкостенной форсуночной втулкой 6 оптимизированный расчет параметров предусматривает ее выполнение с толщиной t ее стенки по меньшей мере на участке рабочего воздушного зазора, т.е. в нижней части сердечника и верхней части якоря, от более 0,15 до менее 0,35 мм. В данном варианте на участке рабочего воздушного зазора в форсуночной втулке 6 предусмотрена зона с магнитной индукцией В от более 0,01 до менее 0,15 Тл в качестве магнитного дросселя. Выполнение топливной форсунки с описанным выше конструктивным исполнением форсуночной втулки 6 позволяет регулировать ход иглы путем перемещения сердечника 2 внутри форсуночной втулки 6.

Рассмотренные выше подходы по выбору геометрии и расчету параметров аналогичным образом относятся и к топливной форсунке в другом исполнении, показанном на фиг. 3. Такая, показанная на фиг. 3 топливная форсунка отличается от показанной на фиг. 2 в основном своей конструкцией в зоне форсуночной втулки 6, сердечника 2 и наружной магнитопроводной детали 5. Форсуночная втулка 6 в данном случае выполнена меньшей длины и проходит от выходного конца форсунки лишь до зоны расположения катушки 1. По ходу потока перед подвижной иглой 14 с якорем 17 форсуночная втулка 6 жестко соединена с трубчатым сердечником 2. Сказанное означает, что регулирование хода иглы путем перемещения сердечника 2 внутри форсуночной втулки 6 в данном случае невозможно. На своем аксиально противоположном конце сердечник 2 в свою очередь закреплен на трубке 44 топливовпускного патрубка 41, проходящей концентрично продольной оси 10 форсунки. В соответствии с этим у топливной форсунки в подобном исполнении отсутствует проходящая непрерывно по всей ее длине тонкостенная форсуночная втулка 6. В данном же варианте форсуночная втулка 6 выполнена на участке рабочего воздушного зазора с зоной с магнитной индукцией В менее 0,01 Тл в качестве магнитного разобщения. При разработке конструкции наружной магнитопроводной детали 5 отказались от ее выполнения с донным участком, и поэтому деталь имеет трубчатую форму. Подобное выполнение магнитопроводной детали возможно постольку, поскольку форсуночная втулка 6 имеет обращенный радиально наружу фланцеобразный краевой выступ 68, к наружному периметру которого прилегает магнитопроводная деталь 5 и к которому она прикреплена, например, круговым сварным швом. Опорное кольцо 64 выполнено в данном случае в виде плоского дисковидного фланца. В этом варианте выполнения топливной форсунки вся подвижная в осевом направлении игла 14, включая якорь 17 и запорный элемент 19, также имеет лишь массу m, не превышающую 0,8 г.

Реферат

Настоящее изобретение относится к топливной форсунке для систем впрыскивания топлива в двигатели внутреннего сгорания. Такая топливная форсунка имеет электромагнитный приводной элемент с катушкой (1), неподвижным сердечником (2), наружной магнитопроводной деталью (5) и подвижным якорем (17) для приведения в действие запорного элемента (19), взаимодействующего с контактной поверхностью (16) своего седла на седельном элементе (15). Подобная топливная форсунка отличается своими исключительно малыми наружными размерами. Вся подвижная в осевом направлении игла (14), включая якорь (17) и запорный элемент (19), при этом имеет лишь массу m не более 0,8 г. Такая топливная форсунка наиболее пригодна для применения в системах впрыскивания топлива в двигатели внутреннего сгорания со сжатием рабочей смеси и ее принудительным воспламенением. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула