Усовершенствованный электромагнитный дозирующий клапан с шаровой заслонкой для форсунки

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливовпрыскивающей аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет упростить конструкцию, повысить ее надежность и быстродействие. Электромагнитный дозирующий клапан с шаровой заслонкой для форсунки содержит шарик, действующий на коническое гнездо для закрывания выпускного трубопровода управляющей камеры форсунки, и электромагнит для приведения в действие якоря для управления цилиндрическим стержнем, соосным с коническим гнездом и обычно упруготолкаемым для удержания шарика в закрытом положении относительно конического гнезда. Стержень направляется направляющей втулкой, также соосной с коническим гнездом. Между стержнем и шариком установлено разъединяющееся сочленение для передачи действия стержня на шарик соосно с коническим гнездом и снижения возможного колебания хода якоря вследствие износа шариком. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение касается усовершенствованного электромагнитного дозирующего клапана с шаровой заслонкой для форсунки и, в частности, для двигателей внутреннего сгорания.

Дозирующие клапаны форсунок обычно содержат камеру управления с трубопроводом выпуска, который обычно закрывается очень твердым шариком. В известных дозирующих клапанах шарик обычно удерживается в закрытом положении внутри гнезда трубопровода выпуска посредством пружины, и, когда возбуждается управляющий электромагнит, якорь освобождает шарик от действия пружины для открывания трубопровода. Вследствие высокого давления топлива внутри камеры управления для закрывания клапана требуется очень сильная пружина.

В известных клапанах якорь подсоединен к стержню, который прижимается непосредственно к заслонке, так что контакт между стержнем и шариком оказывается по существу прямым. Это приводит к сильному давлению между шариком и стержнем, и, поскольку шарик сделан из более жесткого материала, чем стержень, в конечном итоге к деформированию или меткам износа стержня, которые в конечном счете действуют на движение шарика.

Как известно, движение шарика и, следовательно, якоря электромагнита, является одним из основных параметров, определяющих количество впрыскиваемого в двигатель топлива. То есть при заданной длительности времени возбуждения электромагнита и при заданном давлении подачи топлива увеличение хода шарика соответствует увеличению времени открывания и закрывания клапана и, следовательно, увеличению впрыскиваемого топлива.

Более того, неизбежные допуски при изготовлении механизма передачи между якорем и шариком делают чрезвычайно трудным совершенное выравнивание оси якоря, стержня и гнезда шарика, так что известные клапаны создают проблему приведения в действие шарика в совершенном осевом направлении относительно гнезда, то есть исключения поперечных составляющих, создаваемых действием стержня на шарик. Кроме того, чтобы гарантировать эффективное уплотнение клапана активная поверхность якоря должна быть совершенно параллельной поверхности размещения шарика.

Известны дозирующие клапаны вышеуказанного типа, в которых гнездо клапана имеет коническую форму, чтобы избежать соприкосновения с острой кромкой, и дополнительно предложен дозирующий клапан, в котором стержень содержит сферическую полость, вмещающую шарик. Однако такая полость не позволяет осуществлять боковое перемещение шарика, так что в случае смещенного приведения в действие шарика из-за неизбежных допусков при сборке элементов клапана шарик не способен автоматически центрироваться.

Из документа US 5381999 известна топливная форсунка, снабженная электромагнитным дозирующим клапаном, содержащим шарик, действующий на коническое гнездо для закрывания трубопровода управляющей камеры, в которой цилиндрический стержень является упруготолкаемым для удержания шарика у конического гнезда, через пластину, имеющую ровную поверхность, зацепляемую стержнем, и сферическую вогнутость, зацепляющую шарик. Поскольку сферическая вогнутость имеет диаметр по существу равный диаметру шарика, последний обычно зацепляет зону ограниченной поверхности сферической вогнутости под большим давлением, вызывая таким образом деформацию меток износа на поверхностной зоне.

Задачей настоящего изобретения является создать очень простой, надежный дозирующий клапан вышеупомянутого типа, сконструированный для исключения указанных недостатков известных устройств посредством гарантирования уплотнения клапана при условиях максимального давления и надежной постоянной работы форсунки.

В соответствии с настоящим изобретением создан электромагнитный дозирующий клапан с шаровой заслонкой для форсунки, содержащий шарик, действующий на коническое гнездо для закрывания выпускного трубопровода 43) управляющей камеры форсунки, и электромагнит для приведения в действие якоря для управления цилиндрическим стержнем, соосным с коническим гнездом и обычно упруготолкаемым для удержания шарика в закрытом положении относительно конического гнезда, стержень направляется направляющей втулкой, также соосной с коническим гнездом, в котором согласно изобретению между стержнем и шариком установлено разъединяющееся сочленение для передачи действия стержня на шарик соосно с коническим гнездом и снижения возможного колебания хода якоря вследствие износа шариком. Разъединяющееся сочленение содержит пластину, имеющую плоскую поверхность, сцепляющуюся со стержнем, и сферическую вогнутую поверхность напротив плоской поверхности и зацепляющую шарик, причем вогнутая поверхность центрирует шарик на коническом гнезде и обеспечивает оптимальное уплотнение клапана. Диаметр (D) вогнутой поверхности в дозирующем клапане согласно изобретению несколько больше диаметра (d) шарика для снижения давления между взаимно сцепляющимися поверхностями вогнутой поверхности и шариком. Предпочтительно отношение (d/D) между диаметром (d) шарика и диаметром (D) вогнутой поверхности находится в диапазоне между 92/100 и 98/100, причем твердость шарика больше твердости пластины. Угол при вершине конического гнезда находится в диапазоне между 110 и 120^o. При этом якорь имеет форму диска, соосного со стержнем, причем диск образует одну деталь с втулкой, скользящей по стержню против действия пружины, и стержень образует одну деталь с фланцем, сцепляющимся с плоской поверхностью пластины.

Более конкретно, разъединяющееся сочленение содержит пластину, имеющую плоскую поверхность, зацепляющую стержень, и сферическую вогнутую поверхность напротив плоской поверхности, зацепляющую шарик, где вогнутая поверхность центрирует шарик в коническом гнезде и гарантирует оптимальное уплотнение клапана.

Ниже будет описан предпочтительный, не ограничивающий вариант осуществления настоящего изобретения с помощью примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых: фиг.1 иллюстрирует частичный вид в разрезе форсунки, отличающейся соответствующим настоящему изобретению дозирующим клапаном, фиг.2 иллюстрирует разрез в увеличенном масштабе дозирующего клапана показанной на фиг.1 форсунки, фиг.3 иллюстрирует деталь фиг.2 в увеличенном масштабе.

Позицией 5 на фиг.1 показана форсунка, например, для дизельного двигателя внутреннего сгорания, содержащая полое тело 6, подсоединенное к насадке 9, оканчивающейся одним или более выходными отверстиями форсунки 11, а внутри тела 6 скользит шток управления 8 и соединяется сочленением 10 со штифтом 12 для закрывания отверстия 11.

Тело 6 содержит отверстие 13, в котором установлен впускной патрубок 16, соединенный с нормальным насосом подачи топлива, и которое, в свою очередь, содержит отверстие 14 (фиг.2), сообщающееся через трубопроводы 17, 18 и 21 (фиг. 1) с камерой впрыскивания 19, насадку 9, штифт 12, содержащий заплечик 22, на который действует находящееся под давлением топливо в камере 19, и пружину сжатия 23, помогающую толкать штифт 12 вниз.

Форсунка 5 содержит также дозирующий клапан, в целом показанный позицией 24, и, в свою очередь, содержащий электромагнит 26 для управления якорем 27, а электромагнит 26 содержит кольцеобразный магнитный сердечник 28, имеющий ось 30, размещающий нормальную электрическую катушку 29 и имеющий осевое отверстие 31, сообщающееся с выпускным патрубком 32, подсоединенным к топливному баку.

Дозирующий клапан 24 содержит также тело 33, коаксиальное с осью 30 и имеющее фланец 34, закрепленный в теле 6 посредством кольцевой гайки 36 через промежуточные калиброванные прокладки 35 (фиг.2), как более подробно описано ниже. Якорь 27 расположен коаксиально с осью 30 и содержит диск 38, образующий одну деталь с втулкой 40 и имеющий одну или более прорезей 39, через которые выпускная камера 37, образованная в теле 6, сообщается с центральным отверстием 31 сердечника 28, а диск 38 содержит активную поверхность 45, обращенную к сердечнику 28 и перпендикулярную оси 30.

Тело 33 клапана 24 содержит также осевую управляющую камеру 41, в свою очередь, содержащую калиброванный радиальный впускной трубопровод 42 (фиг. 2), сообщающийся с отверстием 14, и калиброванный выпускной трубопровод 43, коаксиальный с осью 30 и сообщающийся с выпускной камерой 37. Внизу управляющую камеру 41 определяет поверхность вершины штока 8, и благодаря большей площади поверхности вершины штока 8 по сравнению с площадью заплечика 22 (фиг. 1) давление топлива с добавлением действия пружины 23 нормально удерживает шток 8 в таком положении, чтобы закрывать отверстие 11 насадки 9.

Выпускной трубопровод 43 управляющей камеры 41 нормально закрывается заслонкой в форме шарика 44, сделанного из очень твердого материала, например из карбида вольфрама, который покоится на коническом гнезде 46 (фиг.3) тела 33, соосного с трубопроводом 43, и управляется цилиндрическим стержнем 47 (фиг. 2), имеющим канавку, в которой размещено С-образное кольцо 49, относительно которого пружина 50 толкает диск 38, так что якорь 27 отсоединяется от стержня 47.

Стержень 47 на заданную длину выступает внутри отверстия 31 и оканчивается участком 51 маленького диаметра для поддержания и крепления первой нажимной пружины 52, размещенной внутри отверстия 31. Стержень 47 скользит внутри неподвижной втулки 53, коаксиальной с осью 30 и образующей одну деталь с нижним фланцем 54 (фиг.2), содержащим осевое отверстие 56, а у основания стержень 47 содержит сделанный за одно целое фланец 57, перпендикулярный оси 30, и этот фланец опирается на нижнюю поверхность фланца 54.

Кольцевая гайка 36 прижимает фланец 54 к калиброванным прокладкам 35, которые действуют на плоскую поверхность 55 фланца 34 тела 33. Фланец 34, в свою очередь, расположен на заплечике тела 6 форсунки, а кольцевая гайка 36 навернута с помощью резьбы с внешней стороны и навернута на резьбу выпускной камеры 37 (фиг. 1). Более конкретно, прокладки 35 выбирают таким образом, чтобы определять требуемый ход h стержня 47, а фланец 57 стержня 47 размещен внутри вихревой камеры 58, сообщающейся через отверстия 56 с выпускной камерой 37.

Неизбежные допуски изготовления, вызываемые при сборке тела 6, сердечника 28, прокладок 35, фланца 54, втулки 53, стержня 47, втулки 48 и якоря 27, делают чрезвычайно трудным точно выровнять ось якоря 27, стержня 47 и конического гнезда 46. И если бы стержень действовал непосредственно на шарик 44, это привело бы к непосредственному контакту между фланцем 54 и шариком 44, и твердость шарика вызвала бы быстрое деформирование фланца 54 и появление на нем меток износа.

Более того, даже самая незначительная несоосность любой одной из вышеперечисленных осей подвергает шарик 44 действию поперечных составляющих усилия пружины 52, которое предотвращает точное соприкосновение шарика 44 с гнездом 46, ухудшая работу клапана 24, а также быстро деформируя гнездо 46.

В соответствии с настоящим изобретением для устранения вышеуказанных недостатков между фланцем 57 стержня 47 и шариком 44 предусмотрено разъединяющееся сочленение, в общем показанное позицией 62, для отсоединения фланца 54 от шарика 44 и направления шарика 44 таким образом, чтобы удерживать его центрированным относительно оси гнезда 46, и это сочленение 62 содержит кольцевую пластину 63 (фиг. 3), имеющую плоскую поверхность 64 и сферическую вогнутую поверхность 66 напротив плоской поверхности 64.

Более того, плоская поверхность 64 зацепляет фланец 57 стержня 47 и позволяет осуществлять некоторую величину поперечного перемещения пластины 63 относительно оси стержня 47, тогда как вогнутая поверхность 66 зацепляет шарик 44 и обеспечивает центрирующее действие стержня 47 вдоль оси конического гнезда 46, чтобы компенсировать неизбежное несовпадение осей якоря 27, стержня 47 и тела 33 клапана 24 и любую потерю параллельности между поверхностью 45 (фиг.1) диска 38 якоря 27 и поверхностью 55 (фиг.2) тела 33.

Диаметр D вогнутой поверхности 66 (фиг.3) несколько больше диаметра d шарика 44 для уменьшения давления между взаимно сцепляющимися поверхностями вогнутой поверхности 66 и шарика 44, а вогнутая поверхность 66 имеет кривизну F для предотвращения выхода шарика 44, когда якорь 27 (фиг.1) притягивается сердечником 28.

Более конкретно, отношение d/D между диаметром d шарика 44 и диаметром D вогнутой поверхности 66 может находиться в диапазоне между 92/100 и 98/100, а кривизна F - между 8/10 и 9/10 диаметра d шарика 44. При диаметре трубопровода 43, равном примерно 0,25 мм, диаметр d шарика 44 предпочтительно может составлять примерно 1,35 мм, диаметр D вогнутой поверхности 66 - примерно 1,40 мм, а кривизна F - примерно 1,00 мм.

Кроме того, угол α при вершине конического гнезда 46 может находиться в диапазоне 110 и 120^o, и чтобы предотвратить взаимное влияние между периферийной кромкой 67 пластины 63 и поверхностью конического гнезда 46, верхняя поверхность 25 тела 33 содержит полость 68, которая может содержать поверхность в форме усеченного конуса с углом при вершине больше, чем угол α гнезда 46.

Дозирующий клапан 24 форсунки 5 работает следующим образом.

При возбуждении катушки 29 (фиг. 1) сердечник 28 притягивает диск 38 якоря 27, который посредством кольца 49 принудительно тянет стержень 47 вверх против действия пружины 52, фланец 57 стержня 47 создает турбулентность внутри камеры 58 с целью амортизации останавливания фланца 57 неподвижным фланцем 54, поэтому давление топлива внутри камеры 41 перемещает шарик 44 в открытое положение для выпуска топлива из камеры 41 обратно в бак, а давление топлива внутри камеры 19 преодолевает остаточное давление на верхней поверхности штока 8 с целью поднятия штифта 12 и, таким образом, впрыскивания топлива в камеру 19 через отверстие 11.

При снятии возбуждения с катушки 29 пружина 52 толкает стержень 47 вниз, чтобы посредством кольца 49 тянуть якорь 27 вниз. Кинетическая энергия стержня 47 также частично рассеивается турбулентностью, создаваемой фланцем 57 в топливе внутри камеры 58. Благодаря зазору из-за разности диаметров d и D поверхность вогнутости 66 (фиг.3) пластины 63, сопрягающаяся с шариком 44, дает возможность шарику 44 все время центрироваться относительно конического гнезда 46 клапана 24, поэтому шарик 44 закрывает выпускной трубопровод 43, а находящееся под давлением топливо восстанавливает давление внутри управляющей камеры 41, так что штифт 12 (фиг.1) закрывает отверстие 11.

Более того, благодаря соприкосновению между шариком 44 и вогнутой поверхностью 66 (фиг.3), появляющемуся между двумя сферическими поверхностями несколько различных диаметров, давление на упомянутых поверхностях уменьшается, предотвращая таким образом образование меток износа и, следовательно, колебание хода h якоря 27, и таким образом обеспечивая длительную плотность в отношении количества впрыскиваемого топлива.

Из приведенного выше описания становятся ясными преимущества соответствующего изобретению клапана 24 по сравнению с известными клапанами. В частности, пластина 63 обеспечивает, с одной стороны, направление и центрирование шарика 44 относительно конического гнезда 46, и с другой стороны, улучшая устойчивость клапана 24.

Ясно, что можно осуществлять изменения описанного и показанного здесь дозирующего клапана, однако, не выходя при этом за рамки настоящего изобретения. Например, якорь 27 можно делать в виде одной детали со стержнем 47, стержень необязательно должен содержать фланец 57, а форма и размер пластины 63 могут быть отличными от описанных.

Формула изобретения

1. Электромагнитный дозирующий клапан с шаровой заслонкой для форсунки, содержащий шарик (44), действующий на коническое гнездо (46) для закрывания выпускного трубопровода (43) управляющей камеры (41) форсунки, и электромагнит (26) для приведения в действие якоря (27) для управления цилиндрическим стержнем (47), соосным с коническим гнездом (46) и обычно упруготолкаемым для удержания шарика (44) в закрытом положении относительно конического гнезда (46), стержень (47) направляется направляющей втулкой (53), также соосной с коническим гнездом (46), отличающийся тем, что между стержнем (47) и шариком (44) установлено разъединяющееся сочленение (62) для передачи действия стержня (47) на шарик (44) соосно с коническим гнездом (46) и снижения возможного колебания хода якоря (27) вследствие износа шарика (44).

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что разъединяющееся сочленение (62) содержит пластину (63), имеющую плоскую поверхность (64), сцепляющуюся со стержнем (47), и сферическую вогнутую поверхность (66) напротив плоской поверхности (64) и зацепляющую шарик (44), причем вогнутая поверхность (66) центрирует шарик (44) на коническом гнезде (46) и обеспечивает оптимальное уплотнение клапана.

3. Клапан по п.2, отличающийся тем, что диаметр (D) вогнутой поверхности (66) несколько больше диаметра (d) шарика (44) для снижения давления между взаимно сцепляющимися поверхностями вогнутой поверхности (66) и шариком (44).

4. Клапан по п.3, отличающийся тем, что отношение (d/D) между диаметром (d) шарика (44) и диаметром (D) вогнутой поверхности (66) находится в диапазоне между 92/100 и 98/100, причем твердость шарика (44) больше твердости пластины (63).

5. Клапан по п. 4, отличающийся тем, что угол при вершине конического гнезда (46) находится в диапазоне между 110 и 120^o.

6. Клапан по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что якорь (27) имеет форму диска (38), соосного со стержнем (47), причем диск (38) образует одну деталь с втулкой (40), скользящей по стержню (47) против действия пружины (50), и стержень (47) образует одну деталь с фланцем (57), сцепляющимся с плоской поверхностью (64) пластины (63).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3