Устройство впрыскивания топлива для двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам впрыскивания топлива в двигатели внутреннего сгорания. Изобретение позволяет обеспечить впрыскивание максимально малых количеств топлива при работе ДВС с предварительным и основным впрыскиванием, существенно сократить временные потери и очень точно регулировать процесс впрыскивания. Устройство содержит клапанный элемент распределительного клапана, имеющий установленный в направляющем отверстии с возможностью перемещения в нем толкатель, на одном конце которого, выступающем из направляющего отверстия, расположена нагрузочная поверхность, а на его другом конце, выступающем с противоположной стороны из направляющего отверстия, расположен запорный элемент, который выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения толкателем в клапанной камере. На обращенной к распределительной полости стороне запорного элемента выполнена первая рабочая поверхность, взаимодействующая с первым седлом, а на другой его стороне, противоположной первой рабочей поверхности, выполнена вторая рабочая поверхность, взаимодействующая со вторым седлом, расположенным на входе в сливной канал напротив первого седла. Расстояние между первым и вторым седлами имеет такую величину, чтобы запорный элемент, находясь в промежуточном положении между обоими седлами, не контактировал ни с одним из них и обеспечивал соединение через клапанную камеру между теми частями сливного канала, которые примыкают к соответствующим седлам. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройству впрыскивания топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения. В одном из устройств такого типа, известном, например, из DE-C1 19519192, распределительный клапан выполнен в виде клапана с плоским седлом, контактирующая с которым рабочая поверхность клапана управляет открытием и закрытием сливного канала на выходе из распределительной полости. При этом управление клапанным элементом распределительного клапана осуществляет поршень, имеющий нагрузочную поверхность в виде буртика. Этот поршень через пружину сжатия опирается на второй поршень, который в свою очередь может перемещаться пьезоэлектрическим приводом и ограничивает своим торцем, расположенным рядом с указанной нагрузочной поверхностью, гидравлическую напорную полость. Этот известный распределительный клапан работает таким образом, что он либо открывает сливной канал, либо закрывает его. В соответствии с этим и клапанный элемент клапанной форсунки может устанавливаться либо в открытое, либо закрытое положение.

Преимущество предлагаемого согласно изобретению устройства впрыскивания топлива с отличительными признаками п.1 формулы изобретения в сравнении с известным состоит в том, что в его сливном канале предусмотрены два седла, а запорный элемент распределительного клапана со своими рабочими поверхностями при приведении в движение пьезоэлектрическим приводом может перемещаться от одного седла к другому за один единственный цикл последовательных перемещений, при этом доступ через клапанную камеру к первоначально закрытому сливному каналу временно открывается, а затем снова закрывается. Благодаря этому за указанный цикл последовательных перемещений запорного элемента происходит кратковременный сброс давления из распределительной полости, вследствие чего клапанный элемент форсунки также открывается на непродолжительное время, что сопровождается кратковременным впрыскиванием топлива. Преимущество такого решения заключается в возможности впрыскивать очень малое количество топлива, которое определяется характером перемещения запорного элемента от одного седла к другому. Перемещение запорного элемента в основном зависит лишь от однократного возбуждения пьезоэлектрического привода и поэтому может быть ограничено очень коротким промежутком времени. Предлагаемая в изобретении конструкция позволяет осуществлять указанное впрыскивание за существенно более короткий промежуток времени в отличие от известных устройств впрыскивания топлива, в которых распределительный клапан для осуществления того же самого предварительного впрыскивания должен открываться дважды, а именно сначала при возбуждении пьезоэлектрического привода, а затем при снятии этого возбуждения. При таком переключении клапанный элемент распределительного клапана каждый раз требуется реверсировать, что является сравнительно длительным процессом, а также требуется дополнительно учитывать время, необходимое для соответствующего изменения состояния возбуждения пьезоэлектрического привода. Таким образом, предлагаемое согласно изобретению решение позволяет существенно сократить временные потери на управление осуществляемых последовательно предварительного и основного впрыскиваний.

При этом предлагаемое устройство впрыскивания топлива позволяет за счет частичного возбуждения пьезоэлектрического привода удерживать запорный элемент в промежуточном положении, в котором благодаря вышеописанному принципу работы сброс давления из распределительной полости происходит в течение менее продолжительного времени и в котором затем непосредственно после впрыскивания описанным выше путем предварительного количества топлива, а также по окончании следующей за предварительным впрыскиванием паузы может осуществляться впрыскивание заданного основного количества топлива. Следовательно, предлагаемое устройство позволяет очень точно регулировать процесс впрыскивания, в котором топливо сначала впрыскивается точно дозированными очень малыми количествами, затем выдерживается точная пауза между предварительным и основным впрыскиваниями, после чего обычным образом осуществляется основное впрыскивание также очень точно дозированных количеств топлива.

При этом согласно п.2 формулы изобретения величину хода запорного элемента распределительного клапана предпочтительно согласовать со скоростью его перемещения пьезоэлектрическим приводом таким образом, чтобы обеспечить предварительное впрыскивание заданного количества топлива.

В пп.3-9 формулы изобретения представлены предпочтительные варианты выполнения изобретения, которые более подробно рассмотрены ниже и поясняются на чертежах.

Задача заявленного изобретения направлена на обеспечение впрыскивания максимально малых количеств топлива при работе ДВС с предварительным и основным впрыскиванием, существенное сокращение временных потерь и очень точное регулирование процесса впрыскивания.

Задача достигается за счет того, что в устройстве впрыскивания топлива для двигателей внутреннего сгорания, имеющем источник подачи топлива под высоким давлением, из которого топливо подается в клапанную форсунку с клапанным элементом, служащим для управления открытием и закрытием распылительных отверстий, и с распределительной полостью, ограниченной подвижной стенкой, которая соединена по меньшей мере опосредованно с клапанным элементом форсунки, и сообщающейся с подводящей линией, которая проходит от источника высокого давления, предпочтительно от источника подачи топлива под высоким давлением, и проходное сечение которой определяется дросселем, а также имеющее сливной канал, максимальное проходное сечение которого определяется дросселем и который проходит к разгрузочной полости и в котором также выполнено седло распределительного клапана с поджатым в направлении к этому седлу пружиной клапанным элементом, рабочая поверхность которого взаимодействует с этим седлом и на противоположном от рабочей поверхности конце которого имеется обращенная к седлу нагрузочная поверхность, ограничивающая гидравлическую напорную полость, которая с другой стороны ограничена подвижной стенкой, которая приводится в движение пьезоэлектрическим приводом и площадь которой больше площади нагрузочной поверхности, клапанный элемент распределительного клапана имеет установленный в направляющем отверстии с возможностью перемещения в нем толкатель, на одном конце которого, выступающем из направляющего отверстия, расположена нагрузочная поверхность, а на его другом конце, выступающем с противоположной стороны из направляющего отверстия, расположен запорный элемент, который выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения толкателем в клапанной камере и на обращенной к распределительной полости стороне которого выполнена первая рабочая поверхность, взаимодействующая с первым седлом, а на другой его стороне, противоположной первой рабочей поверхности, выполнена вторая рабочая поверхность, взаимодействующая со вторым седлом, расположенным на входе в сливной канал напротив первого седла, причем расстояние между первым и вторым седлами имеет такую величину, чтобы запорный элемент, находясь в промежуточном положении между обоими седлами, не контактировал ни с одним из них и обеспечивал соединение через клапанную камеру между теми частями сливного канала, которые примыкают к соответствующим седлам.

Ход запорного элемента при его перемещении от одного из седел к другому может иметь такую величину, что с учетом скорости перемещения этого запорного элемента при устанавливающемся в процессе этого перемещения от одного седла к другому соединении частей сливного канала друг с другом до момента прерывания этого соединения, определяемого упором запорного элемента в одно из седел, из распределительной полости происходит сброс давления, сопровождающийся предварительным впрыскиванием.

Первое седло может быть выполнено коническим.

Второе седло может быть выполнено коническим.

Второе седло может быть выполнено сферическим.

Второе седло может быть выполнено плоским.

Запорный элемент может быть выполнен сферическим.

Направляющее отверстие может оканчиваться в кольцевой полости, которая образована выступающим из направляющего отверстия толкателем, вторым седлом и стенкой корпуса клапанной форсунки и от которой отходит сливной канал к разгрузочной полости.

Нагрузочная поверхность может быть расположена на соединенном с толкателем первом поршне, вставленном с возможностью перемещения в отверстие во втором поршне, который с возможностью перемещения установлен в цилиндрическом отверстии и торец которого вместе с расположенной рядом с ним нагрузочной поверхностью ограничивает гидравлическую полость и который также удерживается пружиной прижатым к расположенному по другую сторону от торца пьезоэлектрическому приводу.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примере одного из вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано: на фиг. 1 - схематичное изображение известного устройства впрыскивания топлива, на фиг.2 - конструкция распределительного клапана для устройства впрыскивания топлива по фиг.1 и на фиг. 3 - диаграмма, показывающая взаимосвязь между перемещением клапанного элемента распределительного клапана и величиной хода клапанного элемента клапанной форсунки для впрыскивания топлива в зависимости от времени.

На фиг.1 показано известное устройство впрыскивания топлива с клапанной форсункой 1, имеющей корпус 2 с отверстием 3, которое служит направляющей для перемещения в нем клапанного элемента 5 форсунки. Этот элемент 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 11 клапанного элемента форсунки, которая имеет меньший диаметр и которая переходит в рабочую поверхность 6, и доходит до седла 7. Напорная полость 9 постоянно сообщается напорной линией 12 с источником 14 подачи топлива под высоким давлением. В зоне напорной полости 9 имеющая меньший диаметр часть 11 клапанного элемента форсунки переходит через обращенную к седлу 7 конусную поверхность 16 в большую по диаметру часть 18 клапанного элемента форсунки. 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 клапанного элемента форсунки. В зоне соединительной части 19 клапанный элемент форсунки имеет опорную тарелку 22 пружины, между которой и корпусом 2 форсунки зажата пружина 21 сжатия, которая поджимает клапанный элемент форсунки в направлении закрытия.

Поршневой конец 20 ограничивает в корпусе 2 клапанной форсунки своим торцем 24, площадь которого больше площади конусной поверхности 16, распределительную полость 25, которая через первый дроссель 26 постоянно сообщается с источником 14 подачи топлива под высоким давлением, 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.

На фиг.2 показано устройство распределительного клапана 31, выполненного согласно настоящему изобретению. На этом чертеже также показан поршневой конец 20 клапанного элемента форсунки, ограничивающий в корпусе 2 форсунки распределительную полость 25. В этой распределительной полости оканчивается подводящая линия 33, проходное сечение которой определяется расположенным в ней первым дросселем 26 и через которую распределительная полость 25 постоянно сообщается с источником 14 подачи топлива под высоким давлением. Коаксиально поршневому концу 20 от распределительной полости 25 отходит сливной канал 28 с расположенным в нем вторым дросселем 27, которым определяется проходное сечение этого канала. Сливной канал 28 оканчивается при этом в клапанной камере 35 и на входе в нее имеет первое седло 36, которое предпочтительно выполнено коническим. С этим седлом взаимодействует также выполненная конической формы первая рабочая поверхность 37 запорного элемента 38, который может перемещаться в клапанной камере 35 между двумя крайними положениями и на другой стороне которого, противоположной первой рабочей поверхности 37, имеется вторая, также коническая рабочая поверхность 39, которая в соответствующем положении взаимодействует со вторым седлом 40, также выполненным конической формы.

Запорный элемент 38 находится на конце толкателя 42, который перемещается в направляющем отверстии 43 в корпусе 2 форсунки. Это направляющее отверстие 43 оканчивается в кольцевой полости 44, которая находится между направляющим отверстием 43 и вторым седлом 40, соответственно второй рабочей поверхностью 39 и ограничено толкателем 42 и стенкой корпуса 2. Кольцевая полость 44 постоянно сообщается с отводящей частью 46 сливного канала, проходящего к разгрузочной полости 29. С противоположной стороны направляющее отверстие 43 оканчивается в камере 48, в которой установлена пружина и внутри которой расположена выполненная на толкателе 42 опорная тарелка 49 пружины, при этом между тарелкой 49 и корпусом 2 форсунки установлена опирающаяся на них пружина 50 сжатия, прижимающая толкатель вместе с его запорным элементом к первому седлу 36. Из камеры 48 установки пружины толкатель входит в направляющее отверстие и далее проходит в гидравлическую напорную полость 52, ограниченную первым поршнем 53 в конце цилиндрического отверстия 54, которое служит направляющей для этого поршня. В глухое отверстие 57, выполненное в первом поршне 53, коаксиально последнему вставлен с возможностью перемещения второй поршень 56, который своим первым торцем 58, образующим нагрузочную поверхность, вместе с расположенным рядом с ним торцем 59 первого поршня 53 ограничивают напорную полость 52, образуя ее подвижную стенку. Второй торец 60 второго поршня 56 ограничивает в глухом отверстии 57 первую разгрузочную камеру 61, которая через отверстие 63 в дне первого поршня 53 переходит во вторую разгрузочную камеру 62.

С торцем 64 первого поршня 53, противоположном его другому торцу 59 и ограничивающем в цилиндрическом отверстии разгрузочную камеру 62, взаимодействует пьезоэлектрический привод 65, который, как известно, может состоять из нескольких пьезоэлектрических элементов и возбуждением, соответственно развозбуждением которого управляет не показанный на чертеже блок управления, при этом при возбуждении такой пьезоэлектрический привод расширяется в продольном направлении, создавая высокое усилие, которое передается на первый поршень 53.

Первый поршень 53 тарельчатой пружиной 66, расположенной в гидравлической напорной полости 52, удерживается в постоянном контакте с пьезоэлектрическим приводом 65. В положении, показанном на фиг.2, пьезоэлектрический привод 65 не возбужден, а толкатель 42 нагружен пружиной 50 сжатия и поэтому в этом положении первая рабочая поверхность 37 плотно прилегает к первому седлу 36, а распределительная полость 25 тем самым закрыта. В результате в этой распределительной полости 25 устанавливается такое же давление, которое создает источник 14 подачи топлива под высоким давлением, поскольку этот источник высокого давления и распределительная полость 25 постоянно сообщаются друг с другом по подводящей линии 33. Это высокое давление в сочетании с усилием пружины 21 сжатия удерживает клапанный элемент форсунки в закрытом положении, противодействуя давлению, приложенному в противоположном направлении к конусной поверхности 16.

При возбуждении пьезоэлектрического привода первый поршень 53 начинает перемещаться, что приводит к повышению давления в гидравлической напорной полости 52, в результате чего под действием этого же давления, приложенного и к торцу 58 второго соединенного с толкателем 42 поршня 56, последний начинает перемещаться из своего исходного положения и по мере утапливания в глухое отверстие 57 вытесняет топливо из первой разгрузочной камеры 61 во вторую разгрузочную камеру 62. Кроме того, при воздействии пьезоэлектрического привода на поршень 53 объем второй камеры увеличивается, что также способствует утапливанию второго поршня в глухое отверстие 57. Такой процесс в свою очередь приводит к тому, что толкатель 42 начинает перемещаться против усилия пружины 50 сжатия и приподнимает при этом запорный элемент 38 от первого седла 36. В этот момент происходит сброс давления из распределительной полости 25, поскольку сливной канал 28 оказывается соединенным со своей отводящей частью 46 благодаря открытым в этом случае отверстиям в седлах 36 и 40. Если усилия, развиваемого пьезоэлектрическим приводом 65 при его возбуждении, достаточно, чтобы толкатель 42 мог переместить запорный элемент 38 до упора его второй рабочей поверхности 39 во второе седло 40, то происходит повторное перекрытие сливного канала, в результате чего давление в распределительной полости 25 после промежуточного сброса снова возрастает до уровня, создаваемого источником подачи топлива под высоким давлением. При протекании этого процесса вышеописанным образом в интервале между открытием сливного канала у первого седла 36 и повторным его закрытием у второго седла 40 происходит кратковременный сброс давления из распределительной полости 25. Вследствие этого нагрузка на клапанный элемент 5 форсунки также уменьшается, и поэтому он на непродолжительное время перемещается в по меньшей мере частично открытое положение. Такой непродолжительный сброс давления обеспечивает впрыскивание очень малого количества топлива. После прижатия ко второму седлу 40 запорный элемент в последующем закрывает доступ к сливному каналу 28 с его отводящей частью 46, а по мере возрастания давления в распределительной полости 25 клапанный элемент 5 форсунки снова перемещается в закрытое положение и в последующем постоянно остается в этом закрытом положении. Непосредственно за таким впрыскиванием очень малого количества топлива, что в предпочтительном варианте может соответствовать предварительному впрыскиванию, в последующем по окончании паузы между впрыскиваниями давление из распределительной полости 25 может быть снова сброшено с целью открыть клапанный элемент форсунки для основного впрыскивания, при этом управление пьезоэлектрическим приводом должно осуществляться таким образом, чтобы запорный элемент 38 оставался неподвижным в промежуточном положении между первым седлом 36 и вторым седлом 40. Особое преимущество пьезоэлектрического привода состоит в том, что его можно остановить также в промежуточном положении, если приложить к нему возбуждение соответствующей величины. Пьезоэлектрический привод должен оставаться в этом промежуточном положении до тех пор, пока не будет впрыснуто необходимое основное количество топлива, после чего возбуждение пьезоэлектрического привода можно снять, например, полностью, в результате чего толкатель с запорным элементом 38 под действием пружины 50 сжатия снова переместится в закрытое положение к первому седлу 36.

На диаграмме по фиг. 3 вверху показана последовательность перемещений запорного элемента распределительного клапана, а внизу показана последовательность перемещений клапанного элемента 5 форсунки. Как показано в верхней части диаграммы, при возбуждении пьезоэлектрического привода, что соответствует точке 0 на оси абсцисс, толкатель 42 за определенный промежуток времени совершает перемещение в обратном направлении из положения h_a в положение h₀, в котором запорный элемент 38 упирается во второе седло 40. Как показано на нижней части диаграммы, за время этого хода клапанный элемент форсунки совершает перемещение V, соответствующее предварительному впрыскиванию. По окончании паузы Р, в течение которой клапанный элемент 5 форсунки с некоторым инерционным выбегом снова устанавливается в закрытое положение, происходит, например, частичное возбуждение пьезоэлектрического привода, который перемещает толкатель 42 в промежуточное положение h_z, и, следовательно, происходит открытие обоих отверстий в седлах 36 и 40. В результате происходящего при этом сброса давления из распределительной полости 25 игла клапанного элемента 5 форсунки перемещается, совершая ход Н для основного впрыскивания. При последующем снятии возбуждения пьезоэлектрического привода толкатель 42 под действием пружины сжатия снова возвращается в исходное положение h_a. Направление инерционного выбега клапанного элемента совпадает с направлением закрытия, что обусловлено также динамическим сбросом давления из распределительной полости 25 и параметрами дросселей 26 и 27.

Предлагаемое в настоящем изобретении техническое решение обеспечивает впрыскивание максимально малых количеств топлива при работе ДВС с предварительным и основным впрыскиванием. При этом особое преимущество предлагаемой конструкции состоит в том, что пьезоэлектрический привод возбуждается только в том случае, когда должно происходить впрыскивание топлива. Пьезоэлектрический привод тем самым в течение большей части работы ДВС остается обесточенным, а подача электроэнергии к нему требуется только для процессов впрыскивания.

Формула изобретения

1. Устройство впрыскивания топлива для двигателей внутреннего сгорания, имеющее источник подачи топлива под высоким давлением, из которого топливо подается в клапанную форсунку (1) с клапанным элементом (5), служащим для управления открытием и закрытием распылительных отверстий (8), и с распределительной полостью (25), ограниченной подвижной стенкой (24), которая соединена по меньшей мере опосредованно с клапанным элементом (5) форсунки, и сообщающейся с подводящей линией (33), которая проходит от источника высокого давления, предпочтительно от источника подачи топлива под высоким давлением, и проходное сечение которой определяется дросселем (26), а также имеющее сливной канал (28, 46), максимальное проходное сечение которого определяется дросселем (27) и который проходит к разгрузочной полости (29) и в котором также выполнено седло (36) распределительного клапана (31) с поджатым в направлении к этому седлу (36) пружиной (50) клапанным элементом (42, 38), рабочая поверхность (37) которого взаимодействует с этим седлом (36) и на противоположном от рабочей поверхности (37) конце которого имеется обращенная к седлу (36) нагрузочная поверхность (58), ограничивающая гидравлическую напорную полость (52), которая с другой стороны ограничена подвижной стенкой (59), которая приводится в движение пьезоэлектрическим приводом (65) и площадь которой больше площади нагрузочной поверхности, отличающееся тем, что клапанный элемент (42, 38) распределительного клапана имеет установленный в направляющем отверстии (43) с возможностью перемещения в нем толкатель (42), на одном конце которого, выступающем из направляющего отверстия (43), расположена нагрузочная поверхность (58), а на его другом конце, выступающем с противоположной стороны из направляющего отверстия (43), расположен запорный элемент (38), который выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения толкателем (42) в клапанной камере (35) и на обращенной к распределительной полости (25) стороне которого выполнена первая рабочая поверхность (37), взаимодействующая с первым седлом (36), а на другой его стороне, противоположной первой рабочей поверхности (37), выполнена вторая рабочая поверхность (39), взаимодействующая со вторым седлом (40), расположенным на входе в сливной канал (28, 43) напротив первого седла (36), причем расстояние между первым (36) и вторым (40) седлами имеет такую величину, чтобы запорный элемент (38), находясь в промежуточном положении между обоими седлами (36, 40), не контактировал ни с одним из них и обеспечивал соединение через клапанную камеру (35) между теми частями (28, 43) сливного канала, которые примыкают к соответствующим седлам.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ход запорного элемента (38) при его перемещении от одного из седел к другому имеет такую величину, что с учетом скорости перемещения этого запорного элемента при устанавливающемся в процессе этого перемещения от одного седла к другому соединении частей сливного канала друг с другом до момента прерывания этого соединения, определяемого упором запорного элемента в одно из седел, из распределительной полости происходит сброс давления, сопровождающийся предварительным впрыскиванием.

3. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что первое седло (36) выполнено коническим.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что второе седло (40) выполнено коническим.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что второе седло (40) выполнено сферическим.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что второе седло (40) выполнено плоским.

7. Устройство по любому из пп. 3-5, отличающееся тем, что запорный элемент выполнен сферическим.

8. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что направляющее отверстие (43) оканчивается в кольцевой полости (44), которая образована выступающим из направляющего отверстия толкателем (42), вторым седлом (40) и стенкой корпуса (2) клапанной форсунки и от которой отходит сливной канал (43) к разгрузочной полости (29).

9. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что нагрузочная поверхность (58) расположена на соединенном с толкателем (42) первом поршне (56), вставленном с возможностью перемещения в отверстие (57) во втором поршне (53), который с возможностью перемещения установлен в цилиндрическом отверстии (54) и торец (59) которого вместе с расположенной рядом с ним нагрузочной поверхностью (58) ограничивает гидравлическую полость (52) и который также удерживается пружиной (66) прижатым к расположенному по другую сторону от торца (59) пьезоэлектрическому приводу (65).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3