Запорный элемент клапана и способ и устройство для изготовления уплотнительных поверхностей на запорных элементах клапана

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам и устройствам для обработки уплотнительных поверхностей на запорных элементах клапана для распыления топлива в установках для впрыскивания топлива в двигателях внутреннего сгорания. Изобретение обеспечивает герметичное запирание клапана и получение идеальных уплотнительных поверхностей. Запорный элемент клапана с продольной осью запорного элемента снабжен хвостиком клапана, конусным участком и вращательно-симметричной уплотнительной поверхностью, проходящей по линии контакта между переходным участком и участком, имеющим конусную форму. Уплотнительная поверхность выполнена в виде узкой сферической зоны с радиусом, выраженным математической зависимостью. Способ изготовления вращательно-симметричных уплотнительных поверхностей на запорных элементах клапанов заключается в том, что продольную ось запорного элемента клапана таким образом наклоняют относительно продольной оси инструмента, что запорный элемент клапана выполняет прецизионное перемещение. Устройство содержит корпус инструмента, вертикально удерживаемый в корпусе для приема инструмента несущего узла и приводимый вместе с ним во вращение вокруг вертикальной продольной оси инструмента узел закручивания, вращающий запорный элемент клапана вокруг его продольной оси с радиальной направляющей, взаимодействующей с запорным элементом клапана. 3 с. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к запорному элементу клапана согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к способу согласно ограничительной части пункта 2 формулы изобретения и устройству согласно ограничительной части пункта 7 формулы изобретения.

Известны запорный элемент клапана, способ и устройство для осуществления способа (DE 39 25 043 A1), причем согласно способу запорный элемент клапана вводится в контакт с поверхностью седла клапана в корпусе клапана и приводится во вращение, а также на корпус седла клапана и запорный элемент передается действующее с высокой частотой параллельно оси клапана качательное движение. При этом, хотя поверхности выполняются с очень высоким качеством, не обеспечивается достаточное уплотнение при наклоне продольной оси запорного элемента относительно продольной оси седла клапана. Для идеального уплотнения запорного элемента клапана относительно поверхности седла клапана в корпусе клапана необходимо, чтобы линия уплотнения, по которой происходит контакт запорного элемента клапана с его уплотнительной поверхностью и поверхностью седла клапана в корпусе клапана, максимально приближалась к форме круга на уплотнительной поверхности запорного элемента клапана и поверхности седла клапана. Однако, вследствие того, что запорный элемент клапана никогда не может направляться настолько точно, чтобы его продольная ось идеально совпадала с продольной осью седла клапана, то возникает определенный зазор при направлении, который приводит к перекосу запорного элемента клапана относительно продольной оси седла клапана, и поэтому для достижения идеальной круглой формы по линии уплотнения в пределах зоны контакта между запорным элементом клапана и поверхностью седла клапана уплотнительная поверхность на запорном элементе клапана должна выполняться сферической.

Преимущества изобретения Запорный элемент клапана согласно изобретению с отличительными признаками согласно пункту 1 формулы изобретения имеет преимущество, заключающееся в том, что при не совсем точном направлении в клапане с помощью узкой уплотнительной поверхности обеспечивается герметичное запирание клапана. Способ согласно изобретению для изготовления уплотнительных поверхностей на запорных элементах клапана согласно пункту 2 и устройство согласно изобретению для осуществления способа изготовления уплотнительных поверхностей на запорных элементах клапана по пункту 7 формулы изобретения обеспечивают простым образом получение идеальных уплотнительных поверхностей, имеющих вращательно-симметричную форму в виде сферической зоны.

Признаки, приведенные в подпунктах, позволяют осуществить предпочтительные усовершенствования и улучшения способа, описанного в пункте 2 формулы изобретения, и устройства, описанного в пункте 7 формулы изобретения.

Особенно предпочтительно создавать силу прижима на запорном элементе клапана сжатым воздухом и создавать таким образом без контакта и без износа усилие прижима запорного элемента клапана к корпусу инструмента.

Точно также является предпочтительным приводить запорный элемент клапана во вращение с большим числом оборотов с помощью сжатого воздуха, подаваемого на запорный элемент клапана, то есть при отсутствии контакта и износа.

На чертежах упрощенно показаны примеры выполнения изобретения, которые поясняются более подробно в нижеследующем описании.

На фиг. 1 показан запорный элемент клапана согласно изобретению в виде клапанной иглы в частичном изображении, контактирующей с поверхностью седла клапана в корпусе клапана; на фиг. 2 - упрощенное изображение устройства согласно изобретению для изготовления запорного элемента клапана согласно фиг. 1; на фиг. 3 - частичное изображение запорного элемента клапана, выполненного согласно изобретению, сопряженного с инструментом по фиг. 2; на фиг. 4 - разрез по линии IV -IV на фиг. 2.

Описание примера выполнения На фиг. 1 частично показан обозначенный позицией 1 запорный элемент клапана в виде клапанной иглы, применяемый в известных клапанах для распыления топлива в установках для впрыскивания топлива в двигателях внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием. Как представлено, например, в DE 39 25 043 АЛ запорный элемент клапана в корпусе 2 седла клапана направляется в отверстии 3 и имеет возможность осевого перемещения вдоль продольной оси 5 запорного элемента. В представленном на фиг. 1 частичном разрезе клапана, если смотреть в направлении потока, направляющее отверстие 3 переходит через уступ 6 в конически сужающуюся поверхность 7 седла клапана, которая в свою очередь переходит ниже по ходу потока в цилиндрическое распыляющее отверстие 9, заканчивающееся на нижней поверхности 10 запорного элемента 2 клапана. Запорный элемент клапана, имеющий форму иглы, снабжен хвостовиком 11 клапана, выполненным цилиндрическим в виде тела вращения, с осью, являющейся осью 5 запорного элемента. К хвостовику клапана примыкает переходной участок 13, выполненный, например, закругленным, и ниже по ходу потока - конически сужающийся участок 14, переходящий в цилиндрическую шейку 15, выступающую в распылительное отверстие 9. Линия контакта между переходным участком 13, выполненным закругленным, и конусным участком 14 образует уплотнительную поверхность 17, проходящую перпендикулярно к продольной оси 5, которая в идеальном случае представляет собой линию, имеющую форму круга и при закрытом клапане плотно прилегающую в запорном элементе клапана, к поверхности 7 седла клапана. Согласно изобретению уплотнительная поверхность 17 должна быть выполнена в виде узкой сферической зоны с радиусом r = D/2cosα/2 вокруг центра M на продольной оси 5 запорного элемента. При этой D обозначает диаметр уплотнительной поверхности 17, перпендикулярно к продольной оси 5 запорного элемента, а α - угол конуса поверхности 7 седла клапана. Штриховой линией обозначен воображаемый круг 18 с радиусом r вокруг центра M, сферическая зона которого образует уплотнительную поверхность 17. При этом сферическая зона имеет высоту, приблизительно, от 20 до 100 мкм в направлении продольной оси 5 запорного элемента. Угол конуса участка 14, имеющего конусную форму больше, чем угол α конуса, образованный поверхностью 7 седла клапана, имеющей конусную форму.

На фиг. 2 показано устройство для получения идеальных вращательно-симметричных уплотнительных поверхностей на запорных элементах клапана, как это схематически показано на фиг. 1. Устройство согласно фиг. 2 имеет несущий узел 20 с основным корпусом 21. Через основной корпус 21 в вертикальном направлении проходит ступенчатое сквозное отверстие 22, в котором расположены подшипники 24 качения. Во внутреннее отверстие 25 каждого подшипника 24 качения впрессован трубчатый корпус 26 для приема инструмента, проходящий через сквозное отверстие 22 основного корпуса 21, размещенный без зазора в подшипниках 24 качения с возможностью вращения вокруг проходящей вертикально продольной оси 28 инструмента. Вращение корпуса 26 для приема инструмента осуществляется, как показано на чертеже, от ременной передачи 29, шкив 30 которой сидит на корпусе 26 для приема, инструмента и приводит его во вращение. Привод корпуса 26 для приема инструмента может осуществляться и каким-либо другим способом, например, от не показанного на чертеже электродвигателя и через повышающую или понижающую передачу.

Основной корпус 21 имеет опорную поверхность 32 со стороны, противоположной ременной передаче 29, над которой выступает зажимающий конец 33 корпуса 26 для приема инструмента. Концентрично к продольной оси 28 инструмента через корпус 26 для приема инструмента проходит продольное отверстие 34, имеющее в зоне зажимающего конца 33 внутреннюю резьбу 36, в которую ввинчен резьбовой хвостовик держателя 37 инструмента, снабженный наружной резьбой. Вне резьбового хвостовика держатель 37 инструмента имеет головку, на которую насажен и закреплен, например, приклеиванием корпус 38 инструмента. Корпус 38 инструмента выполнен трубчатым и проходит в осевом направлении вдоль продольной оси 28 инструмента, причем он выступает, например, частично в зажимающий конец 33 и без зазора может вращаться с корпусом 26 для приема инструмента. На своем конце, противоположном держателю 37 инструмента, корпус 38 инструмента имеет конусно сужающуюся к внутренней полости обрабатывающую поверхность 40, угол конуса которой соответствует углу конуса поверхности 7 седла клапана на фиг. 1.

На опорную поверхность 32 основного корпуса 21 насажена и закреплена, по меньшей мере, одна поддерживающая обойма 41. С помощью поддерживающей обоймы 41 на осевом расстоянии от основного корпуса 21 удерживается закручивающий узел 42, имеющий, например, один элемент 44 с воздушными соплами, расположенный соосно продольной оси 28 инструмента. На элементе 44 с воздушными соплами выполнен окружной канал 45 для воздуха, проходящий, например, по периметру, закрытый поддерживающей обоймой 41 и соединенный с трубопроводом 46 для подачи сжатого воздуха. Трубопровод 46 для подачи сжатого воздуха может запираться запорным пневмоклапаном 48 или может соединяться с пневматическим насосом 49 или другим источником для подачи сжатого воздуха. От канала 45 для подачи сжатого воздуха элемента 44 с воздушными соплами проходят в радиальном направлении, горизонтально или наклонно к продольной оси 28 инструмента, воздушные сопла 50, которые, как показано на фиг. 4, расположены со смещением относительно продольной оси 28 инструмента. Воздушные сопла 50, отходящие от канала 45, входят в окруженную элементом 44 с воздушными соплами в радиальном направлении воздушную полость 52 для привода.

Запорный элемент 1 клапана проходит в осевом направлении через воздушную полость 52 и своей уплотнительной поверхностью 17 контактирует, как это представлено в измененном масштабе на чертеже, с обрабатывающей поверхностью 40 корпуса 38 инструмента. На хвостовике 11 клапана известным образом выполнены направляющие участки 53, проходящие со скольжением в направляющем отверстии 3 запорного элемента 2 клапана и направляющие при этом запорный элемент 1 клапана в радиальном направлении. В случае клапана с электромагнитным управлением конец хвостовика 11 клапана, противоположный уплотнительной поверхности 17, соединен с цилиндрическим якорем 54, который при запорном элементе клапана, вставленном в устройство, входит с зазором в воздушную полость 52, и через которую по воздушным соплам 50 выходят струи воздуха, например, приблизительно по касательной к ее окружности, и приводится во вращение с высоким числом оборотов в направлении, противоположном корпусу 38 инструмента. На фиг. 4 представлены четыре воздушных сопла, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга, однако может также иметься два или три, или больше чем четыре сопла, которые направлены к якорю 54. Воздушные сопла 50 не обязательно должны быть направлены к якорю 54, они точно также могут быть расположены и в другом месте по осевой протяженности запорного элемента 1 клапана и направлять на него воздушные струи. Корпус 38 инструмента, выполненный, например, из мелкозернистого корундного материала, может смачиваться жидкостью, для чего служит устройство 56 для подачи жидкости, показанное на фиг. 2 штриховой линией, и жидкость подается через трубопровод 57 на обрабатывающую поверхность 40.

Выше закручивающего узла 42 на несущем узле 20 расположен пневматический силовой элемент 59, установленный вдоль продольной оси 28 инструмента с возможностью перемещения вверх и вниз, как это показано двойной стрелкой 60. Торцевая поверхность 61 силового элемента так же, как и торцевая поверхность 63 якоря, проходит горизонтально и направлена по ней. От торцевой поверхиости 61 силового элемента отходит пневмопровод 64, проходящий через пневматический силовой элемент 59, ведущий ко второму запорному пневмоклапану 65. К пневмопроводу 64, между пневматическим силовым элементом 59 и вторым запорным пневмоклапаном 65, подключен вакуумпровод 67, в котором расположен вакуумный запорный клапан 68. Вакуумный запорный клапан 68 соединяет или разделяет вакуумпровод 67 с вакуумнасосом 69. Для установки запорного элемента 1 клапана в устройство и тем самым на корпусе 38 инструмента или для удаления запорного элемента 1 клапана из устройства второй запорный пневмоклапан 65 закрывается, а вакуумный запорный клапан 68 открывается таким образом, что вакуумнасос создаст через вакуумпровод 67 и пневмопровод 64 разрежение, как только пневматический силовой элемент 59 своей торцевой поверхностью входит в контакт с торцевой поверхностью 63 якоря. Перепад давления между атмосферным давлением, действующим на запорный элемент 1 с якорем 54, и вакуумом в пневмопроводе 64, приводит к тому, что запорный элемент 1 клапана удерживается на пневматическом силовом элементе 59 и при перемещении пневматического силового элемента 59 вниз может насаживаться на корпус 38 инструмента, а при перемещении пневматического силового элемента вверх может приподниматься от корпуса 38 инструмента вверх. Таким образом осуществляется замена обрабатываемого целиком запорного элемента 1 клапана. Как только запорный элемент 1 клапана будет насажен на корпус 38 инструмента, вакуумный запорный клапан 68 закрывается. После этого открывается второй запорный пневмоклапан 65 и пневмопровод 64 соединяется с пневмонасосом 49 таким образом, что в пневмопроводе 64 создается избыточное давление, под действием которого на торцевую поверхность 63 якоря действует усилие прижима в направлении к корпусу 38 инструмента. При этом между торцевой поверхностью 63 якоря и торцевой поверхностью 61 пневматического силового элемента 59 образуется небольшое осевое расстояние, на которое поднимается вверх пневматический силовой элемент 59, благодаря чему оба эти элемента устанавливаются бесконтактно напротив друг друга. Управление первым запорным пневмоклапаном 48, вторым задорным пневмоклапаном 65 и вакуумным запорным клапаном 68 осуществляется, например, электромагнитно или с помощью среды управления, например, воздуха или масла.

Для осуществления способа радиальное направление якоря 54 в воздушной полости 52 выполнено с таким зазором, чтобы продольная ось 5 задорного элемента проходила под углом α, составляющим приблизительно от 10 до 80^o относительно вертикально направленной продольной оси 28 инструмента. Наклон продольной оси 5 запорного клапана относительно продольной оси 28 инструмента выполняет при вращении задорного элемента 1 клапана прецизионное перемещение, благодаря которому уплотнительная поверхность 17 обрабатывает с помощью корпуса 38 инструмента, выполненного, например, из мелкозернистого корундного материала поверхность в виде сферической зоны на высоте около от 10 до 100 мкм по оси согласно пояснениям к фиг. 1. Выполнение уплотнительной поверхности 17 в виде узкой сферической зоны обеспечивает, что запорный элемент 1 клапана во встроенном в клапан состоянии, несмотря на всегда имеющийся направляющий зазор в закрытом состоянии, всегда герметично контактирует с поверхностью 7 седла клапана в корпусе 2 клапана.

Вращение запорного элемента 1 клапана может контролироваться чувствительным элементом 71 движения, показанным на чертеже штриховой линией. Чувствительный элемент 71 движения выполнен, например, как оптический чувствительный элемент с источником света, посылающим световой луч на направляющий участок 53 запорного элемента 1 клапана, и светочувствительным элементом, принимающим световой луч, отклоненный от направляющего участка 53, например, фотодиодом. Могут применяться и другие чувствительные элементы 71 движения, которые работают, например, индуктивно или с магнитами.

Формула изобретения

1. Запорный элемент клапана, в частности, клапана для тонкого распыления топлива в двигателе внутреннего сгорания с продольной осью запорного элемента, хвостовиком клапана, переходным участком между хвостовиком клапана и конусным участком и вращательно-симметричной уплотнительной поверхностью, проходящей по линии контакта между переходным участком и участком, имеющим конусную форму, отличающийся тем, что уплотнительная поверхность (17) выполнена в виде узкой сферической зоны с радиусом r = D/2cosα/2, где D обозначает диаметр уплотнительной поверхности (17), перпендикулярно к продольной оси (5) запорного элемента; α - угол конуса конусной поверхности (7) седла клапана, с которой взаимодействует уплотнительная поверхность (17).

2. Способ изготовления идеальных вращательно-симметричных уплотнительных поверхностей на запорных элементах клапанов по п.1, в частности, в клапанах для тонкого распыления топлива в двигателях внутреннего сгорания, в которых уплотнительная поверхность запорного элемента клапана входит в контакт с корпусом инструмента, при этом приводят во вращение запорный элемент клапана вокруг вертикальной продольной оси запорного элемента и корпус инструмента - вокруг продольной оси инструмента и относительно друг друга и подвергают нагрузкам под действием силы прижима в направлении друг к другу, отличающийся тем, что продольную ось (5) запорного элемента клапана таким образом наклоняют относительно продольной оси (28) инструмента, что запорный элемент (1) клапана выполняет прецизионное перемещение.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что силу прижима создают давлением воздуха, направленного на запорный элемент (1) клапана.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что запорный элемент (1) клапана и корпус (38) инструмента приводят во вращение в противоположных направлениях.

5. Способ по пп.2 - 4, отличающийся тем, что запорный элемент (1) клапана приводят во вращение с высоким числом оборотов под действием сжатого воздуха, направленного под углом к его окружности.

6. Способ по пп. 2 - 5, отличающийся тем, что корпус (38) инструмента расположен вертикально, и запорный элемент (1) клапана насаживается сверху на корпус (38) инструмента.

7. Устройство для изготовления идеальных вращательно-симметричных уплотнительных поверхностей на запорных элементах клапанов по п.1, в частности, в клапанах для тонкого распыления топлива в двигателях внутреннего сгорания, содержащее корпус инструмента, вертикально удерживаемый в корпусе для приема инструмента несущего узла и приводимый вместе с ним во вращение вокруг вертикальной продольной оси инструмента узел закручивания, вращающий запорный элемент клапана вокруг его продольной оси с радиальной направляющей, взаимодействующей с запорным элементом клапана, и с силой прижима, прилагаемой к запорному элементу клапана и корпусу инструмента, для осуществления способа по одному из пп.2 - 6, отличающееся тем, что радиальная направляющая так взаимодействует с запорным элементом (1) клапана, что продольная ось (5) запорного элемента проходит наклонно к продольной оси (28) инструмента.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что корпус (38) смочен жидкостью.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что имеется пневматический силовой элемент (59), из которого вытекает сжатый воздух, для создания силы прижима, направленный на запорный элемент (1) клапана.

10. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что узел (42) закручивания имеет элемент (44) с воздушными соплами (50), смещенными относительно продольной оси (5) запорного элемента, направленными по окружности запорного элемента (1) клапана, через которые выходит сжатый воздух, который приводит запорный элемент (1) клапана во вращение с высокой скоростью, противоположное вращению корпуса (38) инструмента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4