Патент на изобретение №2256816

(54) УСТРОЙСТВО ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ЗОЛОТНИКА И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам впрыскивания топлива под высоким давлением для двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет значительно повысить срок службы золотника устройства, а также повысить эксплуатационные характеристики ДВС. Устройство впрыскивания топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) имеет топливный аккумулятор высокого давления, соединяемый через трехходовой двухпозиционный распределитель (3/2-распределитель) с форсункой. Указанный распределитель имеет золотник, соединяющий питающий топливопровод с топливопроводом высокого давления или с оканчивающимся в топливном баке разгрузочным топливопроводом. Золотник имеет на своих концевых частях, обращенных к соответствующим ограничителям хода, демпфирующие его перемещение элементы. Двигатель внутреннего сгорания с устройством впрыскивания топлива, имеющим топливный аккумулятор высокого давления, соединен через трехходовой двухпозиционный распределитель (3/2-распределитель) с форсунками. Предусмотрен золотник, соединяющий питающий топливопровод с топливопроводом высокого давления или с оканчивающимся в топливном баке разгрузочным топливопроводом. Золотник имеет на своих концевых частях, обращенных к соответствующим ограничителям хода, демпфирующие его перемещение элементы. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к системам впрыскивания топлива, в частности, к устройству впрыскивания топлива под высоким давлением с гидравлическим перемещением золотника и к двигателю внутреннего сгорания, оснащенному таким устройством.

В устройствах впрыскивания топлива описанного выше типа применяют трехходовые двухпозиционные распределители (3/2-распределители), имеющие золотники, возвратно-поступательное движение которых влияет на характеристику впрыскивания. Поскольку золотники совершают внутри корпуса 3/2-распределителя возвратно-поступательные движения, посадочные (опорные) поверхности и управляющие кромки золотника подвергаются высоким нагрузкам.

В 3/2-распределителях золотники, открывающие и перекрывающие подачу топлива к клапанной форсунке, устанавливают в корпусе. С целью обеспечить максимально точное дозирование топлива и свести к минимуму потери от его утечек или просачивания золотники и отверстия в корпусах распределителей выполняют с исключительно узким полем допуска на их диаметры. Дозирование топлива обеспечивается расположенными с выходной и входной сторон управляющими кромками и зависит от хода золотника в корпусе 3/2-распределителя. При этом опорные поверхности золотника подвергаются исключительно высоким механическим нагрузкам, поскольку золотник перемещается практически без демпфирования.

При небольшой длине хода золотников в корпусах 3/2-распределителей эти золотники могут лишь в ограниченной степени влиять на характеристику впрыскивания. Поскольку, однако, характеристика впрыскивания топлива в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) имеет важное значение для протекания процесса и полноты сгорания топлива в цилиндрах, представляется неприемлемым задавать характеристику впрыскивания с целью оптимизации протекания процесса сгорания топлива и с целью полного использования внутренней энергии топлива в виде параметра, зависящего от хода золотника.

Предлагаемое устройство впрыскивания топлива для ДВС имеет топливный аккумулятор высокого давления, соединяемый через трехходовой двухпозиционный распределитель (3/2-распределитель) с форсункой, при этом указанный распределитель имеет золотник, соединяющий питающий топливопровод с топливопроводом высокого давления или с оканчивающимся в топливном баке разгрузочным топливопроводом. Для повышения рабочих характеристик устройства золотник имеет на своих концевых частях, обращенных к соответствующим ограничителям хода, демпфирующие его перемещение элементы.

Предлагаемое в изобретении демпфирование золотника при его приближении к конечным положениям в процессе возвратно-поступательного движения, совершаемого им в корпусе 3/2-распределителя, позволяет значительно повысить срок службы этой детали 3/2-распределителя.

В частных вариантах выполнения предлагаемого устройства каждый из предусмотренных на концевых частях золотника демпфирующих элементов выполнен в виде уступа, образованного на золотнике в месте перехода между его участками со ступенчато изменяющимся диаметром, благодаря чему в месте перехода между этими участками в каждой их паре образуется по уступу, которые выполняют функцию гидравлического демпфера.

Кроме того, каждая из концевых частей золотника может входить в одну из соответствующих камер для демпфирования перемещений этого золотника, что позволяет уравновешивать давление в соответствующих камерах, в которые входят указанные концевые части золотника, обеспечивая тем самым демпфирование золотника при его приближении в процессе возвратно-поступательного движения к одному из конечных положений. Благодаря этому удается значительно продлить срок службы цилиндрического элемента, выполняющего функцию золотника. Выполнение упорных поверхностей, расположенных напротив соответствующих торцов золотника и выполняющих функцию ограничителей его хода, в виде плоских кольцевых поверхностей позволяет упростить процесс обработки и одновременно с этим значительно повысить износостойкость выполненной таким образом упорной поверхности по сравнению, например, с коническим седлом.

В соответствии с изобретением может быть предусмотрена возможность сброса давления в верхней камере с помощью дросселя. Соответственно, для инициирования процесса впрыскивания сначала можно подавать соответствующий управляющий сигнал на установленный над верхней золотниковой камерой привод, при срабатывании которого обеспечивается сброс давления в этой верхней золотниковой камере, вследствие чего золотник начинает перемещаться в верхнее конечное положение. В результате открывается впускное отверстие подающего топливопровода, ведущего к форсунке, в которую при этом начинает поступать находящееся под высоким давлением топливо.

Золотник предпочтительно устанавливать во втулке, запрессованной в корпус 3/2-распределителя. Это позволяет легко заменить втулку при ремонте на новую. В этом варианте корпус распределителя можно выполнять из недорогого материала, а из высококачественного материала выполнять только саму сменную втулку. Управляющие кромки, образованные между запрессованной в корпус 3/2-распределителя втулкой и уступами золотника, изготавливают с соблюдением узких полей допуска на их размеры и форму, что позволяет свести к минимуму утечки топлива. За счет перекрытия имеющихся между золотником и втулкой управляющих кромок на выходной и входной сторонах золотника удается свести к минимуму потери топлива от утечек, которое можно отводить обратно в топливный бак по разгрузочному топливопроводу.

Для управления процессом впрыскивания можно использовать регулируемое в зависимости от хода золотника дросселирование, для чего над золотниковой камерой может быть расположен 2/2-распределитель с управлением от электрического привода, в качестве которого может быть использован пьезопривод с регулируемым ходом, позволяющий регулировать дросселирование в зависимости от хода золотника.

Золотник на участке размещения расположенной с входной стороны управляющей кромки может иметь уступ, определяющий характеристики впрыскивания и обеспечивающий с входной стороны дросселирование в зависимости от хода золотника.

3/2-распределитель может быть выполнен в виде отдельного модуля, установленного между топливным аккумулятором высокого давления и комплектом форсунок.

Объектом изобретения является также ДВС с устройством впрыскивания топлива, имеющим топливный аккумулятор высокого давления, соединяемый через трехходовой двухпозиционный распределитель (3/2-распределитель) с форсунками. В устройстве впрыскивания топлива предусмотрен золотник, соединяющий питающий топливопровод с топливопроводом высокого давления или с оканчивающимся в топливном баке разгрузочным топливопроводом. Для повышения эксплуатационных характеристик ДВС золотник имеет на своих концевых частях, обращенных к соответствующим ограничителям хода, демпфирующие его перемещение элементы.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 – 3/2-распределитель модульной конструкции, установленный между топливным аккумулятором высокого давления и клапанной форсункой, и

на фиг.2 – золотник, который установлен в запрессованной в корпус втулке с возможностью перемещения в ней и который имеет расположенный на входной стороне уступ, определяющий характеристику впрыскивания.

На фиг.1 показан трехходовой двухпозиционный распределитель 3 (3/2-распределитель), установленный между топливным аккумулятором 1 высокого давления (“common rail”) и форсункой 2.

Отходящий от топливного бака 24 питающий топливопровод проходит к насосу 26 высокого давления, в котором оканчивается также перепускной топливопровод 27 и который поддерживает в топливном аккумуляторе 1 высокое давление топлива. От топливного аккумулятора 1 высокого давления отходят питающие топливопроводы 28, проходящие к соответствующим 3/2-распределителям 3, один из которых подробно изображен на чертеже. Блок 14 управления управляет топливным аккумулятором 1 высокого давления и приводом 4, который обеспечивает сброс давления в расположенной над золотником 5 золотниковой камере 17.

Верхний концевой участок золотника 5, который заключен внутрь выполненной из высококачественного материала втулки 15, запрессованной в горячем состоянии в корпус 30, имеет диаметр 6, который больше диаметра 22 того его участка, который непосредственно примыкает к торцу. В показанном на фиг.1 положении оба указанных участка со ступенчато изменяющимися диаметрами 6, 22 в верхней концевой части золотника 5 входят внутрь золотниковой камеры 17. Когда последняя при обесточенном приводе 4 закрыта двухходовым двухпозиционным распределителем 55 (2/2-распределителем), уступ, образованный в месте перехода между участками со ступенчато изменяющимся диаметром 22, 6, выполняет функцию гидравлического демпфирующего элемента для золотника 5.

В направлении сужающегося среднего участка золотника 5 находятся расположенные с входной стороны управляющие кромки 19, 19’, которые при движении золотника 5 вверх после сброса давления в золотниковой камере 17 открывают расположенное с входной стороны впускное отверстие, ведущее в топливопровод 9 высокого давления, который проходит к форсунке 2. В открытом положении золотника находящееся под высоким давлением топливо через питающий топливопровод 28 поступает внутрь втулки 15 и через открытое управляющими кромками 19, 19’ отверстие подается в топливопровод 9 высокого давления. В этот момент времени в результате перекрытия поверхностей управляющих кромок 19, 19’ и 20, 20’ расположенное на выходной стороне отверстие уже закрыто, что исключает утечку топлива на золотнике 5. По завершении впрыскивания золотник 5 занимает показанное на фиг.1 положение, при этом проход между расположенными с выходной стороны управляющими кромками 20, 20’ открыт, и топливо может поступать через перепускное отверстие 11 и перепускной канал 12 в нижней части золотника 5 в разгрузочный топливопровод 13, который в свою очередь оканчивается в топливном баке 24.

Та часть золотника 5, в которой выполнен перепускной канал 12, имеет диаметр 7 и заключена внутрь втулки 15 с диаметром 7’, что позволяет исключительно точно подогнать одну деталь к другой с соблюдением узких полей допусков и тем самым свести к минимуму просачивание топлива. Ниже выполненного с диаметром 7 участка золотника 5 расположен участок с диаметром 21, который несколько меньше диаметра 7. Аналогично верхней концевой части золотника 5 в его нижней концевой части в месте перехода между участками различных диаметров 7, 21 также образован уступ, который выполняет функцию демпфирующего элемента для золотника 5 при его перемещении вниз и предотвращает тем самым преждевременный износ служащей ограничителем хода золотника нижней поверхности втулки 15. Установленный во втулке 15 золотник 5 работает следующим образом.

При обесточенном электрическом приводе 4 соединение между топливным аккумулятором 1 высокого давления (“common rail”) и форсункой 2 отсутствует. При этом подаче находящегося под высоким давлением в питающем топливопроводе 28 топлива к форсунке препятствует золотник 5. Благодаря плотной посадке 7, 7’ на участке расположения управляющих кромок 19, 19’ впускное отверстие, ведущее в топливопровод 9 высокого давления, проходящий к форсунке 2, перекрыто. При этом давление в форсунке 2, а также в разгрузочном топливопроводе 13, перепускном канале 12, перепускном отверстии 11, отверстиях 10 и топливопроводе 9 высокого давления отсутствует. При срабатывании привода 4, что сопровождается срабатыванием 2/2-распределителя 55 и открытием дросселя 16, происходит сброс давления в золотниковой камере 17, в результате чего золотник 5 начинает перемещаться вверх в сторону опорной поверхности, служащей ограничителем 18 хода золотника. При этом уступ, образованный в месте перехода между участками со ступенчато изменяющимся диаметром 6, 22, обеспечивает демпфирование (торможение) золотника 5, замедляя его перемещение по мере приближения к верхней плоской кольцевой поверхности, служащей ограничителем 18 хода золотника. Проходное сечение на участке диаметром 6, т.е. зазор между золотником 5 и направляющей втулкой 15, имеет меньшие размеры по сравнению с размерами поперечного сечения дросселя 16 в верхнем ограничителе 18. При перемещении золотника вверх расположенные с выходной стороны управляющие кромки 20, 20’ перекрывают выпускное отверстие, тогда как расположенные с входной стороны управляющие кромки 19, 19’ открывают впускное отверстие топливопровода 9 высокого давления. При перемещении золотника 5 вверх сила его удара о кольцевую поверхность ограничителя 18 гасится благодаря демпфирующему действию уступа, образованного в месте перехода между участками со ступенчато изменяющимся диаметром 6, 22. При перемещении вниз, начинающемся в результате отключения привода 4, золотник 5 движется в сторону нижнего ограничителя 8 под действием высокого давления, преобладающего в этом случае и в золотниковой камере 17, в результате чего его смещающаяся вниз управляющая кромка 19 и управляющая кромка 19’ перекрывают впускные отверстия топливопровода 9 высокого давления. В процессе перемещения золотника 5 вниз топливо перетекает через перепускное отверстие 11 и перепускной канал 12 в разгрузочный топливопровод 13, ведущий к топливному баку 24. Торможение золотника 5 при его перемещении вниз обеспечивается за счет демпфирующего действия уступа, который образован в месте перехода между участками со ступенчато изменяющимся диаметром 7, 21 и который в расположенной в нижней части втулки 15 демпфирующей камере 29 обеспечивает тем самым равномерное демпфирование золотника 5 при его возвратно-поступательном движении внутри охватывающей его втулки 15.

Предлагаемый в изобретении 3/2-распределитель может быть непосредственно встроен в форсунку или же может быть выполнен в виде отдельного узла, устанавливаемого между топливным аккумулятором 1 высокого давления (“common rail”) и форсункой 2.

В показанном на фиг.2 варианте золотник 5, установленный с возможностью перемещения в запрессованной в горячем состоянии втулке 15, имеет расположенный с входной стороны уступ 23, определяющий характеристику впрыскивания.

Ниже расположенных с входной стороны управляющих кромок 19, 19’ золотник 5 имеет уступ 23, который в показанном на чертеже примере конически сужается в сторону нижнего ограничителя 8 и который позволяет влиять на характеристику впрыскивания путем дросселирования, являющегося функцией хода золотника 5. В другом варианте выполнения изобретения задавать и влиять на характеристику впрыскивания можно за счет регулируемого дросселирования с помощью 2/2-распределителя 55 с использованием для этой цели, например, пьезоэлектрического привода. Соответствующее расположение находящихся с входной стороны управляющих кромок 19, 19’ и находящихся с выходной стороны управляющих кромок 20, 20’ позволяет снизить давление в системе на первой фазе открытия золотника.

Исключить нежелательное неконтролируемое поступление топлива можно, обеспечив такое перемещение золотника 5, чтобы при нормальной работе он не доходил до ограничителя 18, а его верхняя часть входила в контакт с кольцевой поверхностью ограничителя 18 лишь при выходе из строя привода 4 или 2/2-распределителя 55. В случае отказа одного из этих узлов перепускное отверстие 11 может переместиться в обозначенное позицией 11’ положение, что позволяет сбросить давление в форсунке 2 за счет вытекания находящегося под высоким давлением топлива через перепускной канал 12 и разгрузочный топливопровод 13 в топливный бак 24. Благодаря этому при выходе из строя управляющих элементов 4, 55 удается защитить остальные детали и узлы от воздействия слишком высоких механических нагрузок, возникающих при подобном выходе из строя управляющих элементов 4, 55.

Формула изобретения

1. Устройство впрыскивания топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС), имеющее топливный аккумулятор (1) высокого давления, соединяемый через трехходовой двухпозиционный распределитель (3) (3/2-распределитель) с форсункой (2), при этом указанный распределитель (3) имеет золотник (5), соединяющий питающий топливопровод (28) с топливопроводом (9) высокого давления или с оканчивающимся в топливном баке (24) разгрузочным топливопроводом (13), отличающееся тем, что золотник (5) имеет на своих концевых частях, обращенных к соответствующим ограничителям (8, 18) хода, демпфирующие его перемещение элементы (7, 21; 6, 22).

2. Устройство впрыскивания топлива по п.1, отличающееся тем, что каждый из предусмотренных на концевых частях золотника (5) демпфирующих элементов выполнен в виде уступа, образованного на золотнике в месте перехода между его участками со ступенчато изменяющимся диаметром (7, 21; 6, 22).

3. Устройство впрыскивания топлива по п.1, отличающееся тем, что каждая из концевых частей золотника (5) входит в одну из соответствующих камер (17, 29) для демпфирования перемещений этого золотника.

4. Устройство впрыскивания топлива по п.3, отличающееся тем, что предусмотрена возможность сброса давления в верхней камере (17) с помощью дросселя (16).

5. Устройство впрыскивания топлива по п.1, отличающееся тем, что золотник (5) установлен во втулке (15), запрессованной в корпус 3/2-распределителя (3).

6. Устройство впрыскивания топлива по п.5, отличающееся тем, что втулка (15), в которой установлен золотник (5), выполнена сменной из высококачественного материала.

7. Устройство впрыскивания топлива по п.1, отличающееся тем, что над золотниковой камерой (17) расположен 2/2-распределитель (55) с управлением от электрического привода (4).

8. Устройство впрыскивания топлива по п.7, отличающееся тем, что электрический привод выполнен в виде пьезопривода с регулируемым ходом, позволяющего регулировать дросселирование в зависимости от хода золотника (5).

9. Устройство впрыскивания топлива по п.1, отличающееся тем, что 3/2-распределитель (3) выполнен в виде отдельного модуля, установленного между топливным аккумулятором (1) высокого давления и комплектом форсунок (2).

10. Устройство впрыскивания топлива по п.1, отличающееся тем, что золотник (5) имеет на участке размещения расположенной с входной стороны управляющей кромки (19, 19’) определяющий характеристики впрыскивания уступ (23).

11. Устройство впрыскивания топлива по п.1, отличающееся тем, что потери от утечки топлива при впрыскивании сведены к минимуму за счет перекрытия управляющих кромок (19, 19’; 20, 20’) между золотником (5) и втулкой (15).

12. Двигатель внутреннего сгорания с устройством впрыскивания топлива, имеющим топливный аккумулятор (1) высокого давления, соединяемый через трехходовой двухпозиционный распределитель (3) (3/2-распределитель) с форсунками (2), при этом предусмотрен золотник (5), соединяющий питающий топливопровод (28) с топливопроводом (9) высокого давления или с оканчивающимся в топливном баке (24) разгрузочным топливопроводом (13), отличающийся тем, что золотник (5) имеет на своих концевых частях, обращенных к соответствующим ограничителям (8, 18) хода, демпфирующие его перемещение элементы (7, 21; 6, 22).

РИСУНКИ