Магнитный клапан

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам впрыскивания топлива. Изобретение позволяет точно выдерживать необходимые короткие интервалы срабатывания магнитного клапана, снизить подвижную массу и остаточные вибрации якорной детали. Магнитный клапан для управления клапанной форсункой системы впрыскивания топлива содержит иглу клапана. Управление открытием и закрытием иглы клапана осуществляется магнитным клапаном, содержащим электромагнит, якорь и перемещаемый с помощью указанного якоря и нагруженный в направлении закрытия пружиной клапана клапанный элемент, взаимодействующий с седлом клапана. Якорь выполнен разъемным из двух деталей и состоит из якорной шайбы, которая установлена на якорном стержне с возможностью перемещения относительно него в направлении закрытия клапанного элемента под действием своей собственной инерционной массы против усилия возвратной пружины. На якорной шайбе предусмотрена часть гидравлического демпфирующего устройства, обеспечивающего гашение переходных колебаний якорной шайбы при ее динамическом перемещении. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к магнитному клапану для управления клапанной форсункой системы впрыскивания топлива с иглой клапана, управление открытием и закрытием которой осуществляется этим магнитным клапаном, и более точно - к магнитному клапану, содержащему электромагнит, якорь и перемещаемый с помощью указанного якоря и нагруженный в направлении закрытия пружиной клапана клапанный элемент, взаимодействующий с седлом клапана, причем якорь выполнен разъемным из двух деталей и состоит из якорной шайбы, которая установлена на якорном стержне с возможностью перемещения относительно него в направлении закрытия клапанного элемента под действием своей собственной инерционной массы против усилия возвратной пружины. Магнитный клапан такого типа известен, например, из ЕР 0690223 А2. Согласно этой заявке он используется для управления клапанной форсункой с электроприводом. При этом на иглу клапана клапанной форсунки в направлении закрытия действует давление, преобладающее в распределительной полости. Магнитный клапан функционирует, как известно, таким образом, что для осуществления впрыскивания он инициирует сброс давления из распределительной полости при возбуждении магнита магнитного клапана, в результате чего игла клапанной форсунки приподнимается от своего седла под действием высокого давления, приложенного к ней с другой стороны. В магнитном клапане якорь жестко соединен с якорным стержнем, на котором в свою очередь установлен клапанный элемент магнитного клапана.

Недостаток известного магнитного клапана состоит в том, что при работе могут иметь место колебания якоря и/или жесткий отскок клапанного элемента, что является наиболее отрицательным моментом в том случае, если требуется высокая скорость срабатывания магнитного клапана, а с помощью последнего должно осуществляться управление двойным или ступенчатым впрыскиванием, разделенным на предварительное и основное.

Далее, уже предлагалось снизить подвижную массу состоящего из якоря и клапанного элемента узла за счет выполнения одной части якоря подвижной относительно другой его части. Однако и такая конструкция обладает определенным недостатком, состоящим в том, что та часть якоря, которая является подвижной относительно другой его части, после прижатия клапанного элемента к его седлу в последующем начинает совершать переходные колебания. В результате таких колебаний якорь по завершении цикла предварительного впрыскивания занимает неопределенное положение, что в процессе последующего основного впрыскивания при одинаковой продолжительности управляющих воздействий может привести к различной длительности нахождения магнитного клапана в открытом состоянии, а это в свою очередь может вызвать разброс такого параметра, как количество впрыскиваемого топлива.

Задача изобретения заключается в создании магнитного клапана для управления клапанной форсункой системы впрыскивания топлива, свободного от отмеченных конструктивных недостатков.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого магнитного клапана для управления клапанной форсункой системы впрыскивания топлива с иглой клапана, управление открытием и закрытием которой осуществляется этим магнитным клапаном, содержащим электромагнит, якорь и перемещаемый с помощью указанного якоря и нагруженный в направлении закрытия пружиной клапана клапанный элемент, взаимодействующий с седлом клапана, причем якорь выполнен разъемным из двух деталей и состоит из якорной шайбы, которая установлена на якорном стержне с возможностью перемещения относительно него в направлении закрытия клапанного элемента под действием своей собственной инерционной массы против усилия возвратной пружины. Согласно изобретению на якорной шайбе предусмотрена часть гидравлического демпфирующего устройства, обеспечивающего гашение переходных колебаний якорной шайбы при ее динамическом перемещении.

При этом предпочтительно якорную шайбу установить с возможностью скольжения по якорному стержню, а другую часть демпфирующего устройства образовать неподвижно установленной деталью магнитного клапана.

Неподвижно установленная деталь магнитного клапана в предпочтительном варианте выполнения представляет собой гильзу скольжения, служащую направляющей для якорного стержня.

При этом предпочтительно также, чтобы якорная шайба имела обращенный в осевом направлении выступ, который при перемещении якорной шайбы имеет возможность входить в выполненное дополняющим по форме этот выступ и расположенное неподвижно углубление в гильзе скольжения с тем, чтобы углубление вместе с выступом ограничивало демпфирующую полость, которая через служащий для отвода топлива перепускной зазор сообщается с окружающей его разгрузочной полостью.

Неподвижная деталь может представлять собой якорный стержень, удерживаемый посредством прижатия клапанного элемента к седлу клапана.

Предпочтительно на якорном стержне предусмотреть кольцевой уступ, окруженный частью якорной шайбы, а на самой этой якорной шайбе выполнить кольцевой уступ, между которым и кольцевым уступом якорного стержня постоянно должна быть заключена демпфирующая полость, сообщающаяся через служащий для отвода топлива перепускной зазор с окружающей разгрузочной полостью.

Преимущество предложенного магнитного клапана в сравнении с уровнем техники состоит в том, что предотвращаются как отскок клапанного элемента от его седла, так и переходные колебания первой якорной детали, в результате чего после закрытия магнитного клапана этот клапанный элемент снова быстро устанавливается в свое закрытое положение, а якорная деталь после совершения необходимого первого перемещения снова быстро возвращается в исходное положение до момента начала основного впрыскивания. Кроме того, еще одно преимущество заключается в том, что достигаемое таким путем демпфирование перемещения якорной детали, выходящей из своего исходного положения, обеспечивается без применения дополнительных деталей благодаря тому, что в зоне этой якорной детали образована демпфирующая полость.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере двух вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны: на фиг.1 - разрез части клапанной форсунки с предлагаемым согласно изобретению магнитным клапаном, содержащим якорную шайбу, кинематически подвижно связанную с якорным стержнем, на фиг.2 - первый вариант выполнения демпфирующей полости и на фиг.3 - второй вариант выполнения демпфирующей полости.

На фиг. 1 показан разрез части клапанной форсунки 1 с электроприводом, известной, например, из описанного выше уровня техники. Такая клапанная форсунка предназначена для применения в системе впрыскивания топлива, оснащенной высоконапорным топливным аккумулятором, в который насосом высокого давления непрерывно под высоким давлением подается топливо и из которого это топливо под давлением впрыскивания может подводиться через клапанные форсунки с электроприводом к двигателю внутреннего сгорания (ДВС). Показанная на чертеже частично в разрезе клапанная форсунка 1 имеет при этом корпус 4 с продольным отверстием 5, в которое вставлен затвор 6 клапана, действующий одним своим концом на не показанную на чертеже иглу клапана, которая в свою очередь известным образом, как это описано, например, в указанной выше заявке ЕР 0690223, управляет открытием и закрытием отверстий распылителя клапанной форсунки. Затвор 6 клапана служит при этом для перемещения иглы клапана в положение закрытия, на которую в направлении открытия в свою очередь постоянно действует высокое давление топлива, которое подводится от высоконапорного топливного аккумулятора по напорному каналу 8, проходящему в корпусе 4 в продольном направлении. По этому каналу к распылительным отверстиям подводится также определенное количество топлива, которое впрыскивается в камеру сгорания соответствующего ДВС. Для подсоединения напорного канала 8 к высоконапорному топливному аккумулятору на корпусе 4 предусмотрен соединительный штуцер 9.

Затвор 6 своим концом, расположенным с противоположной от не показанной на чертеже иглы клапана стороны, перемещается внутри служащего направляющей цилиндрического отверстия 11, выполненного в клапанной втулке 12. В этом цилиндрическом отверстии торец 13 затвора клапана ограничивает распределительную напорную полость 14, которая постоянно сообщается через радиальное, проходящее через стенку клапанной втулки дросселирующее отверстие 15 с окружающей снаружи по периметру эту клапанную втулку кольцевой полостью 16, которая также постоянно сообщается с соединительным штуцером 9 и в которой действует высокое давление топлива, преобладающее в высоконапорном топливном аккумуляторе.

Из распределительной напорной полости 14 соосно затвору 6 отходит проходящее внутри клапанной втулки 12 отверстие 17, в котором имеется разгрузочный дроссель 18 и которое оканчивается в разгрузочной полости 19, которая не показанным на чертеже образом сообщается со сливным топливопроводом клапанной форсунки. Отверстие 17 выходит из клапанной втулки в зоне конусообразно сужающейся части 21 наружного торца клапанной втулки 12. При этом клапанная втулка 12 неподвижно закреплена в корпусе 4 с помощью винтового элемента 23, прижимающего ее со стороны фланца 22.

В зоне выхода отверстия 17 в конусообразной части 21 выполнено седло 24 клапана, с которым взаимодействует клапанный элемент 25 магнитного клапана 30, управляющего клапанной форсункой. Клапанный элемент 25 соединен с разъемным якорем, состоящим из двух деталей, которыми являются якорный стержень 27 и якорная шайба 28, и взаимодействующим с электромагнитом 29 магнитного клапана 30. Якорная шайба установлена на якорном стержне с возможностью динамического перемещения под действием своей инерционной массы против усилия предварительно сжатой возвратной пружины 35 и прижимается с помощью этой возвратной пружины в исходном положении к ограничителю в виде упорного кольца 26 на якорном стержне. Возвратная пружина 35 установлена неподвижно относительно корпуса, опираясь на фланец 32 гильзы 34 скольжения, которая служит направляющей для якорного стержня и которая этим фланцем неподвижно закреплена в корпусе клапана между клапанной втулкой 12 и винтовым элементом 23. На якорный стержень и вместе с ним на якорную шайбу, а также на соединенный с якорным стержнем клапанный элемент 25 в направлении закрытия постоянно действует неподвижно опирающаяся на корпус запорная пружина 31, вследствие чего клапанный элемент 25 обычно находится в закрытом положении, прилегая к седлу 24. При возбуждении электромагнита якорная шайба 28 притягивается электромагнитом, открывая при этом отверстие 17 в разгрузочную полость 19.

Между клапанным элементом 25 и якорной шайбой 28 расположен кольцевой буртик 33, который предусмотрен на якорном стержне 27 и который при возбужденном магните упирается во фланец 32, ограничивая тем самым ход открытия клапанного элемента 25. Для регулирования хода открытия между фланцем 32 и клапанной втулкой 12 установлена регулировочная шайба 38.

Управление открытием и закрытием иглы клапана осуществляется магнитным клапаном следующим образом. В закрытом положении клапанного элемента 25 магнитного клапана распределительная напорная полость 14 закрыта в направлении разгрузочной полости 19, вследствие чего в результате притока топлива через дроссель 15 в этой полости очень быстро создается высокое давление, которое сохраняется также в высоконапорном топливном аккумуляторе. Действуя на поверхности торца 13, давление создает в распределительной напорной полости 14 запирающее усилие, которое передается на иглу клапана и которое превышает величину усилий, действующих с другой стороны в направлении открытия вследствие преобладающего высокого давления. При открытии распределительной напорной полости 14 в направлении разгрузочной полости 19 в результате открытия магнитного клапана давление в малом объеме распределительной напорной полости 14 быстро падает, поскольку последняя отсоединена от стороны высокого давления дроссельным отверстием 15. Вследствие этого преобладает действующее на иглу клапана в направлении открытия усилие, обусловленное действующим на иглу клапана высоким давлением топлива, благодаря чему игла перемещается вверх, открывая при этом распылительное отверстие для впрыскивания. Когда же магнитный клапан 30 снова перекрывает отверстие 17, давление в распределительной напорной полости 14 тем не менее все еще может очень быстро нарастать в результате поступления по дроссельному отверстию 15 топлива, благодаря чему моментально достигается первоначальное запирающее усилие, а игла клапана закрывает клапанную форсунку. Таких управляющих операций достаточно также для реализации очень коротких интервалов впрыскивания, которые, как известно, необходимы для осуществления предварительного впрыскивания, предшествующего основному впрыскиванию.

Тем не менее к магнитному клапану следует предъявлять высокие требования касательно точности его срабатывания. Особый недостаток при этом, как это было упомянуто выше, проявляется в жестком отскоке клапанного элемента и его колебаниях. Отскок возникает в том случае, когда относительно большая масса приобретает ускорение, а затем происходит ее внезапная остановка в результате удара о неподвижную поверхность, т.е. когда якорный стержень вместе с якорной шайбой и клапанным элементом всей своей массой ударяют в седло клапана. Благодаря тому, что согласно предлагаемому в изобретении решению якорная шайба, на которую приходится значительная часть всей массы якоря, установлена с возможностью перемещения на якорном стержне, на который приходится остальная часть массы якоря, после прижатия клапанного элемента 25 к седлу 24 якорная шайба 28 может продолжать перемещаться против действия возвратной пружины 35, в результате чего, во-первых, снижается эффективно заторможенная масса и, во-вторых, уменьшается упругая деформация действующего как аккумулятор энергии седла клапана, приводящая к нежелательному отскоку клапанного элемента. Движущаяся по инерции якорная шайба создает далее действующее на клапанный элемент и возрастающее по мере сжатия возвратной пружины 35 усилие, которое дополнительно неподвижно удерживает клапанный элемент прижатым к его седлу и предотвращает отскок. Однако такое движение по инерции, или выбег, может вызвать в ответ значительные нежелательные колебания якорной шайбы 28 под действием возвратной пружины 35, в результате чего положение якорной шайбы при необходимом непосредственно после этого приведении в действие клапанного элемента является неопределенным, а срабатывание магнитного клапана происходит недостаточно быстро и с невоспроизводимо постоянным временем срабатывания.

Поэтому в другом варианте выполнения, показанном на фиг.2 и являющемся модификацией варианта выполнения по фиг.1, якорный стержень и якорь имеют несколько иное исполнение. При этом на фиг.2 показана только часть представленного на фиг. 1 варианта с якорным стержнем 27, якорной шайбой 28' и направляющей гильзой 34' скольжения. Якорь, как и в варианте по фиг.1, выполнен в виде шайбы, плоскопараллельно прилегающей к полюсам электромагнита 29 и переходящей с другой стороны в скользящую втулку 39, которая скользит по якорному стержню 27. Ход скольжения с одной стороны также задается ограничителем 26, выполненным в форме пружинного стопорного кольца, вставленного в якорный стержень 27, а с другой стороны - упором торца 40 скользящей втулки 39 в торец 41 направляющей гильзы 34'. Нажимная пружина 35 в нормальном положении удерживает якорную шайбу 28' прижатой к ограничителю 26, как показано на фиг.2. Однако в данном случае предусмотрено гидравлическое демпфирующее устройство благодаря тому, что торцы 40 и 41 выполнены такой формы, что они образуют демпфирующую полость 50, при этом один из торцов, например торец 40, выполнен ступенчатым с обращенным в осевом направлении выступом 51, который непосредственно охватывает якорный стержень, а другой торец 41 имеет осевое дополняющее по форме выступ 51 углубление 52, в которое при относительном движении якорной шайбы 28', т.е. ее скользящей втулки 39, в сторону гильзы 34' при неподвижном якорном стержне входит выступ, закрывая со стороны указанных торцов демпфирующую полость 50 в углублении 52, при этом давление находящегося в этой полости топлива, попавшего из разгрузочной полости 19, возрастает, тормозя благодаря этому относительное движение. Якорный стержень в этой фазе перевел клапанный элемент 25 в закрытое положение и тем самым неподвижно зафиксирован. При повышении возникающего вследствие сжатия запирающего усилия на клапанном элементе 25 движение по инерции якорной шайбы 28' затормаживается и последняя снова быстро отводится в воспроизводимое постоянное исходное положение к ограничителю 26. Благодаря выполнению калиброванного, служащего для отвода топлива перепускного зазора между углублением и входящим в него выступом регулируется динамика процесса демпфирования и обеспечивается отвод якорной шайбы назад.

В отличие от варианта выполнения, показанного на фиг.2, в другом варианте согласно фиг.3 ступенчатым выполнен якорный стержень 27', а именно он состоит из участка 42 меньшего диаметра, расположенного со стороны якорной шайбы 28', и из участка 43 большего диаметра, расположенного со стороны клапанного элемента 25. Между этими обоими участками якорного стержня образован кольцевой уступ 45, обращенный в сторону электромагнита 29. Соответственно продольное отверстие в скользящей втулке 39 якоря 28' выполнено также ступенчатым, дополняя по форме ступенчатую форму якорного стержня, и состоит из участка 46 с внутренним отверстием большего диаметра, который скользит по имеющему больший диаметр участку 43 якорного стержня, и участка 47 с внутренним отверстием меньшего диаметра, который скользит по имеющему меньший диаметр участку 42 якорного стержня. Оба этих участка скользящей втулки переходят друг в друга также по кольцевому уступу 49, благодаря чему между кольцевым уступом 49 и кольцевым уступом 45, а также примыкающими к ним частями якорного стержня и скользящей втулки образована демпфирующая полость 50', объем которой уменьшается, как только якорная шайба 28' под действием своей инерционной массы начинает перемещаться против усилия возвратной пружины 35 к клапанному элементу при прижатии последнего к его седлу. Таким образом, в этом варианте, как и в варианте по фиг.2, обеспечивается демпфирование движения якорной шайбы с достижением тех же самых преимуществ. С помощью перепускного зазора между якорным стержнем и скользящей втулкой осуществляется регулирование динамики процесса демпфирования, а также обеспечивается отвод назад якорной шайбы. Этот перепускной зазор служит далее для повторного заполнения топливом демпфирующей полости 50'.

Формула изобретения

1. Магнитный клапан (30) для управления клапанной форсункой системы впрыскивания топлива с иглой клапана. управление открытием и закрытием которой осуществляется этим магнитным клапаном, содержащим электромагнит (29), якорь и перемещаемый с помощью указанного якоря и нагруженный в направлении закрытия пружиной (31) клапана клапанный элемент (25), взаимодействующий с седлом (24) клапана, причем якорь выполнен разъемным из двух деталей и состоит из якорной шайбы (28), которая установлена на якорном стержне (27) с возможностью перемещения относительно него в направлении закрытия клапанного элемента (25) под действием своей собственной инерционной массы против усилия возвратной пружины (35), отличающийся тем, что на якорной шайбе предусмотрена часть гидравлического демпфирующего устройства, обеспечивающего гашение переходных колебаний якорной шайбы (28) при ее динамическом перемещении.

2. Магнитный клапан по п. 1, отличающийся тем, что якорная шайба (28) установлена с возможностью скольжения по якорному стержню (27), а другая часть демпфирующего устройства образована неподвижно установленной деталью магнитного клапана.

3. Магнитный клапан по п. 2, отличающийся тем, что неподвижно установленная деталь магнитного клапана представляет собой гильзу (34) скольжения, служащую направляющей для якорного стержня (27).

4. Магнитный клапан по п. 3, отличающийся тем, что якорная шайба (28') имеет обращенный в осевом направлении выступ (51), который при перемещении якорной шайбы имеет возможность входить в выполненное дополняющим по форме этот выступ и расположенное неподвижно углубление (52) в гильзе (34) скольжения, при этом углубление (52) вместе с выступом (51) ограничивают демпфирующую полость (50), которая через служащий для отвода топлива перепускной зазор сообщается с окружающей его разгрузочной полостью (19).

5. Магнитный клапан по п. 2, отличающийся тем, что неподвижная деталь представляет собой якорный стержень, удерживаемый посредством прижатия клапанного элемента (25) к седлу (24) клапана.

6. Магнитный клапан по п. 5, отличающийся тем, что на якорном стержне (27') предусмотрен кольцевой уступ (45), окруженный частью якорной шайбы (28'), а на самой якорной шайбе (28') также выполнен кольцевой уступ (49), между которым и кольцевым уступом (45) якорного стержня (27') постоянно заключена демпфирующая полость (50'), сообщающаяся через служащий для отвода топлива перепускной зазор с окружающей разгрузочной полостью (19).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3