Топливная форсунка с датчиком давления
Настоящее изобретение относится к топливной форсунке с датчиком давления. Топливная форсунка (1) имеет часть (32) высокого давления, в которой при работе присутствует находящееся под высоким давлением топливо, часть (38) низкого давления, в которой при работе присутствует находящееся под низким давлением топливо, расположенный в части (38) низкого давления датчик (12) и передаточное средство (9), которое расположено таким образом, что оно периодически прикладывает к датчику (12) усилие, соответствующее давлению топлива в части (32) высокого давления, также она имеет уравновешенный по давлению управляющий клапан, в находящейся в котором части (38) низкого давления расположен датчик (12) и который имеет игольчатый затвор (8), при этом передаточное средство (9) представляет собой расположенный внутри этого игольчатого затвора (8) нажимной стержень (9). Техническим результатом является упрощение конструкции и возможность измерять давление в форсунке в системах без центрального аккумулятора давления. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится к топливной форсунке с датчиком давления.
Уровень техники
Датчики давления, используемые в системах впрыскивания топлива для измерения его давления, известны из уровня техники. Подобные известные датчики давления в большинстве случаев расположены в центральном аккумуляторе давления, которым оснащена система впрыскивания топлива, и нагружены в нем высоким давлением топлива, преобладающим в системе его впрыскивания. В современных системах с общей топливной магистралью высокого давления (системах "common rail") давление топлива может составлять несколько тысяч бар. Поэтому датчики давления должны быть герметизированы относительно пространства, в котором топливо находится под высоким давлением, преобладающим в системе впрыскивания, и по этой причине представляют собой сложную и дорогостоящую деталь. Помимо этого в системах без центрального аккумулятора давления проблематично найти приемлемое место для размещения датчика давления.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу настоящего изобретения была положена задача предложить простое и недорогое устройство для измерения давления топлива в системе его впрыскивания.
Указанная задача решается с помощью топливной форсунки, заявленной в независимом п.1 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы приведены предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Предлагаемая в изобретении топливная форсунка имеет часть (или зону) высокого давления, в которой при работе по меньшей мере периодически присутствует находящееся под высоким давлением впрыскивания топливо. Предлагаемая в изобретении топливная форсунка имеет также часть низкого давления, в которой при работе отсутствует топливо и/или которая соединена с топливоотводом, и поэтому в части низкого давления не создается высокое давление топлива и преобладает меньшее давление, чем в части высокого давления. В части низкого давления расположен датчик, при этом предусмотрено передаточное средство, которое расположено таким образом, что оно по меньшей мере периодически прикладывает к датчику усилие, соответствующее давлению топлива в части высокого давления.
Объектом изобретения является также система впрыскивания топлива, имеющая топливный насос, по меньшей мере одну предлагаемую в изобретении топливную форсунку и регулирующий давление клапан. Применение предлагаемой в изобретении топливной форсунки со встроенным датчиком давления позволяет отказаться от использования центрального аккумулятора давления с размещенным в нем датчиком давления. Подобная система впрыскивания топлива позволяет реализовать ее с использованием малого количества деталей и тем самым с невысокими затратами.
Расположение датчика давления в самой топливной форсунке позволяет безо всяких проблем измерять давление даже в системах без центрального аккумулятора давления. Датчик давления, поскольку он расположен в находящейся под низким давлением части топливной форсунки, не требует его специальной герметизации относительно пространства, в котором преобладает высокое давление. Поэтому появляется возможность использовать простые и недорогие датчики.
В одном из вариантов усилие, прикладываемое передаточным средством к датчику, пропорционально давлению топлива в части высокого давления. Благодаря этому обработка измеренных датчиком значений для определения преобладающего в системе давления топлива является особо простой.
В еще одном варианте топливная форсунка имеет управляющий клапан, а датчик расположен в находящейся в этом управляющем клапане части низкого давления. Размещение датчика в подобном управляющем клапане в его части низкого давления является оптимальным.
В еще одном варианте выполнения предлагаемой в изобретении топливной форсунки управляющий клапан представляет собой уравновешенный по давлению управляющий клапан. Топливная форсунка с уравновешенным по давлению управляющим клапаном позволяет открывать и закрывать ее с малыми усилиями и позволяет тем самым переключать ее между открытым и закрытым положениями за особо короткое время. Подобный управляющий клапан может приводиться в действие небольшим и недорогим приводом.
В одном из вариантов управляющий клапан имеет втулкообразный игольчатый затвор, а передаточное средство выполнено в виде нажимного стержня, подвижно расположенного внутри этого игольчатого затвора. Подобный клапан с расположенным внутри его втулкообразного игольчатого затвора нажимным стержнем позволяет обеспечить особо простую передачу давления из части высокого давления на расположенный в части низкого давления датчик, а также прост и дешев в изготовлении.
В еще одном варианте управляющий клапан выполнен с электромагнитным приводом. Электромагнитные приводы хорошо зарекомендовали себя при применении в топливных форсунках и дешевы в изготовлении.
В еще одном варианте управляющий клапан выполнен с пьезоэлектрическим приводом. Пьезоэлектрические приводы обеспечивают особо короткое время переключения.
В еще одном варианте между нажимным стержнем и датчиком расположен компенсационный элемент. Подобный компенсационный элемент позволяет компенсировать угловые погрешности между датчиком и нажимном стержнем и повысить тем самым точность измерений.
В одном из вариантов выполнения предлагаемой в изобретении системы впрыскивания топлива она имеет по меньшей мере две топливные форсунки, при этом топливный насос, топливные форсунки и регулирующий давление клапан соединены между собой по последовательной схеме таким образом, что у каждой топливной форсунки ее топливоотвод соединен с топливоподводом следующей топливной форсунки. Подобное последовательное соединение позволяет минимизировать общую длину топливопроводов высокого давления в системе впрыскивания топлива. Благодаря этому изготовление подобной системы впрыскивания топлива возможно с особо малыми затратами.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - вид в разрезе предлагаемой в изобретении топливной форсунки и
на фиг.2 - схематичное изображение системы впрыскивания топлива с по меньшей мере одной предлагаемой в изобретении топливной форсункой.
На фиг.1 в продольном разрезе показана предлагаемая в изобретении топливная форсунка 1. Такая топливная форсунка 1 имеет цилиндрический распылитель 2, который в плоскости чертежа по фиг.1 расположен внизу, и расположенную сверху распылителя 2 и прочно свинченную с ним цилиндрическую накидную гайку 4. Топливная форсунка 1 на своем верхнем в плоскости чертежа по фиг.1 конце закрыта резьбовой заглушкой 41, которая гидравлически плотно, соответственно герметично, ввинчена в накидную гайку 4.
Внутри распылителя 2 образована полость 32 высокого давления, заполняемая находящимся под высоким давлением топливом, подаваемым внешним топливным насосом 28 через топливоподвод 30.
На нижнем в плоскости чертежа по фиг.1 конце распылителя 2 выполнены распылительные отверстия 3, через которые топливо может из полости 32 высокого давления поступать в не показанную на чертеже камеру сгорания, окружающую нижний конец распылителя 2.
Со своего верхнего противоположного по отношению к распылительным отверстиям 3 конца полость 32 высокого давления ограничена клапанной пластиной 24, которая накидной гайкой 4 прочно прижата к распылителю 2 и гидравлически плотно закрывает полость 32 высокого давления.
С обращенной к полости 32 высокого давления стороны клапанной пластины 24 на ней выполнен цилиндрический выступ с заключенной в нем управляющей полостью 18. С обращенной от клапанной пластины 24 стороны 17 выступа выполнено отверстие под иглу распылителя топливной форсунки.
Вдоль продольной оси полости 32 высокого давления расположена игла 6 распылителя топливной форсунки, имеющая верхний обращенный к клапанной пластине 24 конец 6a и нижний обращенный к распылительным отверстиям 3 конец 6b. Игла 6 может быть выполнена цельной либо составной из нескольких частей, которые кинематически связаны между собой.
Верхний конец 6a иглы 6 через предназначенное под нее отверстие, выполненное с обращенной от клапанной пластины 24 стороны 17 управляющей полости 18, входит в нее таким образом, что объем управляющей полости 18 варьируется при перемещении иглы 6 параллельно ее продольной оси.
Под управляющей полостью 18 на игле 6 по ее окружности выполнен буртик 14. Между этим буртиком 14 и обращенной от клапанной пластины 24 стороной 17 управляющей полости 18 расположена пружина 16 иглы 6, которая через эту свою пружину упруго опирается на выступ клапанной пластины 24. Игла 6 своим нижним концом 6b поджимается при этом пружиной 16 в направлении распылительных отверстий 3 в нижней части распылителя 2 таким образом, что нижний конец 6b иглы 6 перекрывает эти распылительные отверстия 3, через которые топливо тем самым не поступает из полости 32 высокого давления в камеру сгорания.
Выше нижнего конца 6b иглы 6 на ней выполнена конусная поверхность 7. При работе топливной форсунки полость 32 высокого давления заполнена находящимся под высоким давлением топливом, которое через конусную поверхность 7 иглы 6 прикладывает к ней направленное вверх усилие.
Управляющая полость 18 выполненным в ее боковой стенке входным дросселем 20 гидравлически соединена, соответственно сообщается, с полостью 32 высокого давления, и поэтому в управляющей полости 18 из-за гидравлического равновесия преобладает такое же давление, что и в полости 32 высокого давления.
Со своей обращенной от иглы 6 стороны управляющая полость 18 ограничена клапанной пластиной 24. В клапанной пластине 24 в зоне управляющей полости 18 выполнено выпускное отверстие 21, которое гидравлически соединяет управляющую полость 18 с цилиндрической клапанной полостью 19, которая образована над обращенной от управляющей полости 18 и от полости 32 высокого давления стороной клапанной пластины 24.
В выпускном отверстии 21 выполнен выходной дроссель 22. Путем варьирования величины проходного сечения выходного дросселя 22 возможно регулирование расхода топлива через это выпускное отверстие.
В стенке 35, охватывающей клапанную полость 19, выполнено два выпускных отверстия 36, которые гидравлически соединяют клапанную полость 19 с полостью 38 низкого давления, образованной над клапанной пластиной 24 в накидной гайке 4. Полость 38 низкого давления гидравлически соединена с топливоотводом 40, через который топливо отводится из топливной форсунки 1, и поэтому в полости 38 низкого давления не создается высокое давление топлива.
На том конце выпускного отверстия 21, который обращен к клапанной полости 19, на клапанной пластине 24 выполнено герметичное седло 34. В клапанной полости 19 расположен игольчатый затвор 8, который может перемещаться в продольном направлении топливной форсунки 1 между своим нижним закрытым положением и своим верхним открытым положением. При этом в своем нижнем закрытом положении игольчатый затвор 8 прилегает к клапанной пластине 24 и закрывает герметичное седло 34. В своем же верхнем открытом положении игольчатый затвор 8 поднят над клапанной пластиной 24 и открывает герметичное седло 34.
При нахождении игольчатого затвора 8 в своем верхнем открытом положении, в котором он открывает герметичное седло 34, управляющая полость 18 через выпускное отверстие 21 и выходной дроссель 22 гидравлически соединена с клапанной полостью 19. При нахождении же игольчатого затвора 8 в своем нижнем закрытом положении, в котором он закрывает герметичное седло 34, соединение между управляющей полостью 18 и клапанной полостью 19 прервано.
Игольчатый затвор 8 через отверстие, выполненное в верхнем обращенном от клапанной пластины 24 ограничении 27 клапанной полости 19, проходит в полость 38 низкого давления и на своем верхнем обращенном от клапанной пластины 24 конце имеет в полости 38 низкого давления плоский якорь 25, который расположен перпендикулярно продольному направлению топливной форсунки 1 в полости 38 низкого давления.
Между плоским якорем 25 и резьбовой заглушкой 41, которая закрывает топливную форсунку 1 на ее верхнем конце, расположена якорная пружина 26. Через эту якорную пружину 26 плоский якорь 25 упруго опирается на резьбовую заглушку 41 таким образом, что игольчатый затвор 8 усилием якорной пружины 26 прижимается в направлении своего нижнего закрытого положения к выполненному на клапанной пластине 24 герметичному седлу 34 и гидравлически плотно закрывает его.
Между плоским якорем 25 и резьбовой заглушкой 41 внутри накидной гайки 4 расположен электромагнит 10, при активизации, соответственно запитывании, которого плоский якорь 25 перемещается против усилия якорной пружины 26 вверх в направлении резьбовой заглушки 41 в верхнее открытое положение и при этом поднимает игольчатый затвор 8 с герметичного седла 34. Таким путем при активизации электромагнита 10 открывается герметичное седло 34. В результате этого топливо перетекает из управляющей полости 18 через выпускное отверстие 21 и выходной дроссель 22 в клапанную полость 19, а из нее через выпускные отверстия 36 перетекает далее в полость 38 низкого давления и в топливоотвод 40.
В результате описанного выше слива или отвода топлива из управляющей полости 18 давление топлива в ней снижается настолько, что его становится более не достаточно для удержания иглы 6 в ее нижнем закрытом положении против усилия, прикладываемого находящимся под высоким давлением топливом в полости 32 высокого давления к выполненной на нижнем конце 6b иглы 6 конусной поверхности 7. Поэтому игла 6 перемещается вверх в направлении клапанной пластины 24 и открывает распылительные отверстия 3. Через эти распылительные отверстия 3 топливо из полости 32 высокого давления поступает в не показанную на чертеже камеру сгорания, окружающую нижний конец распылителя 2.
Для окончания процесса впрыскивания топлива деактивизируют, соответственно обесточивают, электромагнит 10. При этом плоский якорь 25 отжимается якорной пружиной 26 обратно в нижнее закрытое положение, в котором игольчатый затвор 8 закрывает герметичное седло 34. При закрытом герметичном седле 34 топливо, которое поступает из полости 32 высокого давления через входной дроссель 20 в управляющую полость 18, не может перетекать из нее в клапанную полость 19, и поэтому давление в управляющей полости 18 возрастает. Повышенное давление в управляющей полости 18 прикладывает к игле 6 направленное вниз усилие, которым совместно с усилием пружины 16 иглы 6 она отжимается в свое нижнее закрытое положение. Нижний конец 6b иглы 6 перекрывает при этом распылительные отверстия 3 и таким путем прерывает дальнейшее поступление через них топлива из полости высокого давления в камеру сгорания.
В игольчатом затворе 8 вдоль продольной оси топливной форсунки 1 выполнено центральное отверстие 23. В это отверстие 23 по плотно пригнанной не проницаемой для высокого давления посадке вставлен нажимной стержень 9, который может перемещаться в отверстии 23 вдоль продольной оси топливной форсунки 1 параллельно направлению перемещения иглы 6 и игольчатого затвора 8. Такой нажимной стержень 9 проходит вверх за пределы игольчатого затвора 8 по центру через выполненное в плоском якоре 25 отверстие, якорную пружину 26 и электромагнит 10 и выше него кинематически связан, соответственно взаимодействует, с расположенным на резьбовой заглушке датчиком 12, передавая на него усилие, действующее на нижний обращенный к выпускному отверстию 21 в клапанной пластине 24 торец нажимного стержня 9.
В показанном на фиг.1 варианте между верхним обращенным к датчику 12 торцом нажимного стержня 9 и обращенной к нажимному стержню 9 поверхностью датчика 12 предусмотрен компенсационный элемент 11. Такой компенсационный элемент 11 позволяет компенсировать угловые погрешности между датчиком 12 и нажимным стержнем 9 и повысить тем самым точность измерений, выполняемых датчиком 12.
При нахождении игольчатого затвора 8 в своем нижнем закрытом положении, т.е. когда игольчатый затвор 8 прилегает к своему выполненному на клапанной пластине 24 герметичному седлу 34 и разобщает между собой управляющую полость 18 и клапанную полость 19, преобладающее в управляющей полости 18 высокое давление топлива воздействует через выпускное отверстие 21 на обращенный к нему торец нажимного стержня 9. Нажимной стержень 9 в свою очередь передает на датчик 12 усилие, которое пропорционально давлению топлива в управляющей полости 18.
Поскольку управляющая полость 18 через входной дроссель 20 гидравлически соединена с полостью 32 высокого давления, давление топлива в управляющей полости 18 из-за гидравлического равновесия равно давлению топлива в полости 32 высокого давления. Поэтому усилие, прикладываемое нажимным стержнем 9 к датчику 12, пропорционально давлению топлива в полости 32 высокого давления. Тем самым на основании измеренного датчиком 12 значения можно простым путем определить давление топлива в полости 32 высокого давления.
Датчик 12, поскольку он расположен в топливной форсунке 1 в ее части низкого давления, нет необходимости выполнять в виде датчика, способного выдерживать высокое давление. Более того, можно использовать конструктивно простой и недорогой в изготовлении датчик 12.
В процессе впрыскивания топлива, т.е. когда игольчатый затвор 8 в результате активизации электромагнита 10 переместился в свое верхнее открытое положение, открыв тем самым герметичное седло 34, выпускное отверстие 21 через клапанную полость 19 и отверстия 36 гидравлически соединено с полостью 38 низкого давления. В этом состоянии к нижнему торцу нажимного стержня 9 не приложено высокое давление, и поэтому в данном состоянии высокое давление в топливной системе не может измеряться датчиком 12. Промежутка времени, в течение которого герметичное седло 34 закрыто между последовательными процессами впрыскивания, а к нижнему торцу нажимного стержня 9 приложено высокое давление топлива в системе, достаточно для надежного измерения давления.
На фиг.2 показана система впрыскивания топлива с четырьмя топливными форсунками 1, 1a с топливным насосом 28 и с регулирующим давление клапаном 42.
Выход топливного насоса 28 через подводящий топливопровод 46 и входной дроссель 47 соединен с топливоподводом 30 первой топливной форсунки 1. Топливоотвод 40 первой топливной форсунки 1 соединительным топливопроводом 44 соединен с топливоподводом 30 второй топливной форсунки 1a. Топливоотвод 40 второй топливной форсунки 1a еще одним соединительным топливопроводом 44 соединен с топливоподводом третьей топливной форсунки 1. Топливоотвод 40 третьей топливной форсунки 1 третьим соединительным топливопроводом 44 соединен с топливоподводом 30 четвертой топливной форсунки 1. Топливоотвод 40 четвертой топливной форсунки 1 отводящим топливопроводом 48 соединен с регулирующим давление клапаном 42. Вторая топливная форсунка 1a выполнена в виде предлагаемой в изобретении топливной форсунки со встроенным в ее часть низкого давления датчиком 12 давления.
Показанная на фиг.2 система впрыскивания топлива не имеет центрального аккумулятора давления. Тем не менее возможно надежное измерение давления топлива в подобной системе его впрыскивания, поскольку по меньшей мере одна из топливных форсунок 1 выполнена в виде предлагаемой в изобретении топливной форсунки 1a со встроенным датчиком 12 давления. По мере надобности одна или несколько топливных форсунок 1 могут быть выполнены в виде предлагаемой в изобретении топливной форсунки 1a с датчиком 12 давления или в виде обычных топливных форсунок 1 без датчика 12 давления. Регулирующим давление клапаном 42 может регулироваться давление топлива в системе. Поскольку топливные форсунки 1, 1a соединены между собой по последовательной схеме, для регулирования давления топлива в системе его впрыскивания достаточно одного предназначенного для этого клапана 42. Благодаря этому отпадает необходимость в центральном аккумуляторе давления, а также в дополнительных соединительных топливопроводах. Подобная топливная система проста и дешева в реализации.
1. Топливная форсунка (1), имеющая часть (32) высокого давления, в которой при работе присутствует находящееся под высоким давлением топливо, часть (38) низкого давления, в которой при работе присутствует находящееся под низким давлением топливо, расположенный в части (38) низкого давления датчик (12) и передаточное средство (9), которое расположено таким образом, что оно по меньшей мере периодически прикладывает к датчику (12) усилие, соответствующее давлению топлива в части (32) высокого давления, отличающаяся тем, что она имеет уравновешенный по давлению управляющий клапан, в находящейся в котором части (38) низкого давления расположен датчик (12) и который имеет игольчатый затвор (8), при этом передаточное средство (9) представляет собой расположенный внутри этого игольчатого затвора (8) нажимной стержень (9).
2. Топливная форсунка (1) по п. 1, в которой усилие, прикладываемое передаточным средством (9) к датчику (12), пропорционально давлению топлива в части (32) высокого давления.
3. Топливная форсунка (1) по п. 1, в которой управляющий клапан выполнен с электромагнитным приводом (10).
4. Топливная форсунка (1) по п. 1, в которой управляющий клапан выполнен с пьезоэлектрическим приводом.
5. Топливная форсунка (1) по одному из пп. 1-4, в которой между нажимным стержнем (9) и датчиком (12) расположен компенсационный элемент (11).
6. Система впрыскивания топлива, имеющая топливный насос (28), по меньшей мере одну топливную форсунку (1) по одному из предыдущих пунктов и регулирующий давление клапан (42).
7. Система впрыскивания топлива по п. 6, имеющая по меньшей мере две топливные форсунки (1), при этом топливоподвод (30) первой топливной форсунки (1) соединен с топливным насосом, топливоотвод (40) первой топливной форсунки (1) соединен с топливоподводом (30) следующей топливной форсунки (1), а топливоотвод (40) последней топливной форсунки (1) соединен с регулирующим давление клапаном (42).
