Клапан с электромагнитным приводом

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к клапанам с электромагнитным приводом для клапанных форсунок впрыскивания топлива. Изобретение позволяет усовершенствовать клапан с электромагнитным приводом, увеличить срок его службы и улучшить его характеристики. Клапан с электромагнитным приводом имеет продольную ось, выполненный из ферромагнитного материала сердечник с торцовой поверхностью, катушку и якорь с торцовой поверхностью, приводящий в действие взаимодействующий с неподвижным седлом клапана запорный элемент и при возбужденной катушке притягивающийся к служащей упором торцовой поверхности сердечника. Одна из двух обращенных одна к другой торцовых поверхностей таких деталей, как якорь и сердечник, имеет сферически выпуклый кольцевой контур с постоянной в окружном направлении формой. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Настоящее изобретение относится к клапану с электромагнитным приводом, прежде всего к клапанной форсунке для систем впрыскивания топлива двигателей внутреннего сгорания, имеющему продольную ось, выполненный из ферромагнитного материала сердечник с торцовой поверхностью, катушку и якорь с торцовой поверхностью, приводящий в действие взаимодействующий с неподвижным седлом клапана запорный элемент и при возбужденной катушке притягивающийся к служащей упором торцовой поверхности сердечника.

Известны различные типы клапанов с электромагнитным приводом, в частности клапанные форсунки для впрыскивания топлива, у которых подверженные наиболее интенсивному износу детали снабжают износостойким покрытием. Так, например, согласно известному из DE-OS 3230844 решению в клапанной форсунке предлагается выполнять якорь и контактирующую с ним упорную поверхность с износостойкими поверхностями. Эти поверхности могут быть никелированными, т.е. дополнительно иметь покрытие, или азотированными, т.е. упрочнены за счет их насыщения азотом.

В DE-OS 3810826 описана клапанная форсунка для впрыскивания топлива, в которой по меньшей мере одна упорная поверхность выполнена в форме шарового свода для получения воздушного зазора с максимально точными размерами, при этом по центру упорной поверхности вставлена дополнительная вставка в виде круглого элемента из высокопрочного немагнитного материала. Обе упорные поверхности, имеющие форму шарового свода, контактируют друг с другом точно по центру в месте прохождения продольной оси форсунки.

Из DE-OS 4421935 уже известен клапан с электромагнитным приводом, имеющий упорный участок особой конструкции. По меньшей мере одна из деталей такого клапана, которыми являются якорь и/или сердечник, имеет клиновидную поверхность, на которую в последующем наносится износостойкое покрытие и которая при изготовлении допускает определенное варьирование ее формы и размеров для достижения соответственно оптимальных электромагнитных и гидравлических характеристик клапана. Упорная, соответственно контактная поверхность на образованном благодаря клиновидности кольцевом упорном участке имеет определенную ширину, которая остается неизменной в течение всего срока службы клапана, поскольку износ упорной поверхности при длительной эксплуатации не приводит к увеличению ширины контактной поверхности.

В основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствовать клапан с электромагнитным приводом таким образом, чтобы увеличить срок его службы, а также улучшить его характеристики.

Указанная задача решается согласно изобретению благодаря тому, что в клапане с электромагнитным приводом одна из двух обращенных одна к другой торцовых поверхностей таких деталей, как якорь и сердечник, имеет сферически выпуклый кольцевой контур с постоянной в окружном направлении формой.

Преимущество предлагаемого в изобретении клапана с электромагнитным приводом состоит в том, что одна из таких упирающихся друг в друга деталей, как якорь и сердечник, выполнена такой формы, чтобы после формирования износостойкой поверхности даже после длительного срока эксплуатации не происходило обусловленного износом нежелательного увеличения площади упорной поверхности, благодаря чему скорость срабатывания подвижной детали, характеризующаяся временем втягивания якоря и временем его отпускания, остается практически постоянной. Достигается это за счет выполнения поверхности одной из упирающихся друг в друга деталей сферически выпуклой формы еще до придания ей повышающих износостойкость свойств.

Преимущество выполненных подобным образом деталей заключается в повышенном сроке их службы и, как следствие, в увеличении межремонтного периода, поскольку при упоре друг в друга эти детали соприкасаются по кольцевой линии контакта, которая расположена не по подверженным опасности повреждения краям упорной поверхности, а смещена к центру последней.

Сферически выпуклая торцовая поверхность благодаря ее простой геометрии не требует особой технологии ее изготовления и позволяет с использованием простых средств контролировать ее форму и размеры.

Торцовой поверхности для получения сферической выпуклости с учетом наименьших производственных затрат наиболее предпочтительно придавать форму шарового сегмента, соответственно форму шарового свода. Поэтому согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения обращенная к сердечнику торцовая поверхность якоря выполнена в форме шарового сегмента, а расположенная напротив нее торцовая поверхность сердечника выполнена плоской и проходит наклонно к продольной оси клапана. В другом варианте обращенная к якорю торцовая поверхность сердечника выполнена в форме шарового сегмента, а расположенная напротив нее торцовая поверхность якоря выполнена плоской и проходит наклонно к продольной оси клапана. В обоих этих вариантах выполненная в форме шарового сегмента торцовая поверхность предпочтительно имеет кольцевую линию контакта, а расположенная напротив нее торцовая поверхность в положении контакта проходит по касательной к этой линии контакта.

Предпочтительно далее, чтобы выполненный в форме шарового сегмента контур торцовой поверхности имел постоянный радиус R. В этом случае центр шара, образующего имеющий форму шарового сегмента контур торцовой поверхности, предпочтительно лежит на продольной оси клапана на расстоянии радиуса R.

Помимо этого согласно еще одному предпочтительному варианту якорь жестко соединен с подвижной в осевом направлении вдоль продольной оси клапана иглой клапана, на противоположном конце которой расположен запорный элемент клапана, причем этот запорный элемент выполнен сферическим, и центр шара, образующего имеющий форму шарового сегмента контур торцовой поверхности, лежит в центре сферы, форму которой имеет запорный элемент клапана, на расстоянии радиуса R. В этом случае даже при большой величине так называемого радиального биения запорного элемента относительно якоря условия в месте контакта двух деталей при их упоре друг в друга практически не зависят от допусков на изготовление и сборку этих деталей. При таком выполнении упорного участка обеспечивается эффективное гидравлическое гашение удара при вхождении движущейся детали в контакт с неподвижной деталью, поскольку при относительно большом радиусе шаровидной торцовой поверхности, которую имеет одна из этих деталей, образуются узкие сдавливаемые зазоры размером менее 10 мкм.

В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения сердечник и/или якорь предпочтительно имеют на участке их торцовой поверхности покрытие.

Сердечник и/или якорь предпочтительно далее подвергать на участке их торцовой поверхности обработке методом упрочнения.

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

на фиг.1 - клапан с электромагнитным приводом, выполненный в виде клапанной форсунки для впрыскивания топлива,

на фиг.2 - увеличенное изображение упорного участка в клапанной форсунке в зоне контакта сердечника и якоря по фиг.1 с указанием геометрических величин,

на фиг.3 - второй пример выполнения согласно изобретению упорного участка и

на фиг.4 - третий пример выполнения упорного участка.

Представленный в качестве примера на фиг.1 клапан с электромагнитным приводом, выполненный в виде клапанной форсунки для систем впрыскивания топлива двигателей внутреннего сгорания со сжатием рабочей смеси и принудительным зажиганием, имеет окруженный катушкой 1 сердечник 2 из ферромагнитного материала, который служит впускным патрубком для подачи топлива и который в данном примере выполнен трубчатым. В каркасе 3 катушки расположена обмотка катушки 1, и этот каркас в сочетании с сердечником 2 обеспечивает особую компактность клапанной форсунки в зоне катушки 1.

С нижним концом 9 сердечника 2 концентрично продольной оси 10 форсунки (или в более общем случае концентрично продольной оси 10 клапана) герметично соединена, например сваркой, трубчатая металлическая опора 12 седла клапана, которая при этом частично охватывает конец 9 сердечника. В опоре 12 имеется продольное отверстие 17, которое выполнено концентрично продольной оси 10 форсунки. В этом продольном отверстии 17 размещена, например трубчатая, игла 19 клапана, которая ее нижним по ходу потока концом 20 соединена, например сваркой, с запорным элементом 21, который выполнен сферическим и по периметру которого предусмотрено, например, пять лысок 22 для прохождения топлива.

Клапанная форсунка имеет выполненный известным образом электромагнитный привод. Для осевого перемещения иглы 19, а тем самым и для открытия клапанной форсунки против действия возвратной пружины 25, соответственно для закрытия форсунки служит электромагнитная цепь, состоящая, в частности, из катушки 1, сердечника 2 и якоря 27. Якорь 27 жестко соединен с иглой 19 на ее дальнем от запорного элемента 21 конце и установлен на одной оси с сердечником 2. В продольное отверстие 17 с расположенного ниже по ходу потока и обращенного в противоположную сторону от сердечника 2 конца опоры 12 вставлен цилиндрический корпус 29 седла клапана, герметично соединенный с этой опорой сваркой и образующий неподвижное и жесткое седло клапана.

Направляющей запорного элемента 21 при его осевом перемещении вдоль продольной оси 10 форсунки служит направляющее отверстие 32 в корпусе 29 седла. С противоположной стороны направляющей для якоря 27 как части подвижной в осевом направлении иглы 19 служит продольное отверстие 17 опоры 12 седла в месте расположения тонкостенного магнитного дроссельного участка 42. Сферический запорный элемент 21 взаимодействует с сужающимся в направлении течения топлива в виде усеченного конуса седлом клапана, выполненным на корпусе 29. Своим дальним от запорного элемента 21 торцом корпус 29 седла концентрично и жестко соединен с распылительной шайбой 34, которая выполнена, например, чашечной формы и в которой предусмотрено, например, четыре выполненных путем электроэрозионной обработки или штамповки распылительных отверстия 39.

Глубиной, на которую корпус 29 седла утоплен вместе с чашечной распылительной шайбой 34 в отверстие 17, определяется величина хода иглы 19. При этом одно из конечных положений иглы 19 при невозбужденной катушке 1 задается упором запорного элемента 21 в седло клапана в корпусе 29, а другое конечное положение иглы 19 при возбужденной катушке 1 определяется упором якоря 27 в конец 9 сердечника. Этот последний упорный участок, выполненный в соответствии с изобретением, обведен кружком и детально показан на фиг.2 в увеличенном масштабе.

В расположенное концентрично продольной оси 10 форсунки отверстие 46 в сердечнике 2, служащее для подачи топлива, вставлена регулировочная втулка 48, которая служит для регулировки предварительного сжатия прилегающей к ней возвратной пружины 25, которая, в свою очередь, своим противоположным концом опирается на иглу 19.

Клапанная форсунка практически полностью заключена в пластмассовый литой корпус 50, который проходит в осевом направлении, начиная от сердечника 2 через участок, на котором расположена катушка 1, вплоть до опоры 12 седла клапана. На этом пластмассовом корпусе 50 в процессе литья совместно с ним формуется электрическая штекерная часть 52.

С приточной стороны в отверстие 46 в сердечнике 2 вставлен топливный фильтр 61, который обеспечивает отфильтровывание тех, содержащихся в топливе частиц, которые из-за своего размера могли бы привести к закупорке или повреждению клапанной форсунки.

Согласно изобретению одна из обращенных друг к другу торцовых поверхностей сердечника 2 и якоря 27 выполнена на упорном участке сферически изогнутой, в частности шаровидно изогнутой, изогнутой в форме шарового сегмента, соответственно изогнутой в форме шарового свода, при этом благодаря кольцевой форме сердечника 2 и якоря 27 торцовая поверхность одного из них образует в конечном итоге кольцевой шаровой сегмент. На фиг.1 штрихпунктирной линией 70 обозначен круговой сегмент, описанный радиусом, характеризующим выпуклую форму такой поверхности. В идеальном случае центр 71 (воображаемого) шара с радиусом R (фиг.2) находится в центре сферического запорного элемента 21, т.е. в точке пересечения продольной оси 10 форсунки с плоскостью экватора (большого круга) сферы, форму которой имеет запорный элемент 21.

На фиг.2 еще раз в увеличенном масштабе показан очерченный кружком на фиг.1 упорный участок. Обращенная к сердечнику 2 верхняя торцовая поверхность 73 якоря 27 выполнена при этом шаровидно выпуклой с постоянным радиусом R. В отличие от нее обращенная к якорю 27 нижняя торцовая поверхность 74 сердечника 2 выполнена плоской и проходящей наклонно к продольной оси 10 форсунки. Угол наклона торцовой поверхности 74 подобран при этом таким образом, чтобы эта торцовая поверхность 74 проходила по касательной к сферической поверхности в требуемой точке 75 контакта (если смотреть только в плоскости чертежа) с якорем 27, соответственно по требуемой кольцевой линии 75 контакта (если рассматривать реальную объемную деталь) с якорем 27. Как указано выше, центр 71 (воображаемого) шара с радиусом R, образующего имеющую форму шарового сегмента торцовую поверхность 73 якоря 27, предпочтительно располагать в центре сферического запорного элемента 21. При таком предлагаемом в изобретении выполнении упорного участка обеспечивается эффективное гидравлическое гашение удара при вхождении движущегося якоря 27 в контакт с сердечником 2, поскольку при относительно большом радиусе R (для показанной на фиг.1 клапанной форсунки радиус R составляет примерно 24 мм) образуются узкие сдавливаемые зазоры размером менее 10 мкм.

Однако наряду с показанным на фиг.2 вариантом центр 71 (воображаемого) шара, форму которого должна иметь торцовая поверхность 73 якоря 27, можно также сместить по продольной оси 10 в том или ином направлении, получив имеющую форму шарового сегмента торцовую поверхность 73 с радиусом, который меньше или больше радиуса R по фиг.2. Вместе с тем для получения торцовой поверхности 73 равномерной кривизны по всей ее кольцевой протяженности центр вращения предпочтительно располагать на продольной оси 10 форсунки.

На фиг.3 и 4 показаны еще два возможных примера выполнения упорных участков, имеющих предлагаемую в изобретении форму. При этом в примере по фиг.3 форма торцовых поверхностей 73, 74 лишь изменена на обратную в сравнении с примером по фиг.2. Иными словами, выпуклой в форме шарового сегмента в данном примере выполнена нижняя торцовая поверхность 74 сердечника 2, а верхняя торцовая поверхность 73 якоря 27 выполнена плоской и проходит наклонно к продольной оси 10 форсунки. Центр 71 (воображаемого) шара в этом варианте расположен на продольной оси 10 форсунки гораздо выше конца 9 якоря.

На фиг.4 показан более сложный с технологической точки зрения в изготовлении вариант, в котором для получения выпуклой в форме шарового сегмента торцовой поверхности 73 якоря 27 используется не только один единственный центр 71 (воображаемого) шара. В этом случае используют несколько центров вращения, расположенных в стороне от продольной оси 10 форсунки и даже вне периметра якоря 27 для получения торцовой поверхности 73 равномерной кривизны по всему окружному направлению.

Преимущество всех вышеописанных вариантов выполнения изобретения заключается в повышении срока службы клапана и, как следствие, увеличении межремонтного периода, поскольку место контакта (линия 75 контакта) при упоре одной из деталей в другую смещено от подверженных опасности повреждения краев упорной поверхности к ее центру.

На торцовые поверхности 73, 74 методом гальванотехники дополнительно наносят, например, тонкие металлические покрытия, в частности хромовые или никелевые покрытия. Такие покрытия обладают особо высокой износостойкостью и снижают гидравлическое слипание соприкасающихся поверхностей.

Кроме того, износостойкость торцовых поверхностей 73, 74 можно повысить по меньшей мере частично на центральном участке путем обработки поверхности каким-либо методом упрочнения. В качестве подобных методов упрочнения поверхности в данном случае пригодны, например, известные методы азотирования, такие как ионное или газовое азотирование либо цементация. Используя методы упрочнения, позволяющие модифицировать структуру поверхности якоря 27 и/или сердечника 2, можно даже полностью отказаться от непосредственного нанесения покрытия на их поверхности.

Формула изобретения

1. Клапан с электромагнитным приводом, прежде всего клапанная форсунка для систем впрыскивания топлива двигателей внутреннего сгорания, имеющий продольную ось, выполненный из ферромагнитного материала сердечник с торцовой поверхностью, катушку и якорь с торцовой поверхностью, приводящий в действие взаимодействующий с неподвижным седлом клапана запорный элемент и при возбужденной катушке притягивающийся к служащей упором торцовой поверхности сердечника, отличающийся тем, что одна из двух обращенных одна к другой торцовых поверхностей (73, 74) таких деталей, как якорь (27) и сердечник (2), имеет сферически выпуклый кольцевой контур с постоянной в окружном направлении формой.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что обращенная к сердечнику (2) торцовая поверхность (73) якоря (27) выполнена в форме шарового сегмента, а расположенная напротив нее торцовая поверхность (74) сердечника (2) выполнена плоской и проходит наклонно к продольной оси (10) клапана.

3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что обращенная к якорю (27) торцовая поверхность (74) сердечника (2) выполнена в форме шарового сегмента, а расположенная напротив нее торцовая поверхность (73) якоря (27) выполнена плоской и проходит наклонно к продольной оси (10) клапана.

4. Клапан по п.2 или 3, отличающийся тем, что выполненная в форме шарового сегмента торцовая поверхность (73, 74) имеет кольцевую линию (75) контакта, а расположенная напротив нее торцовая поверхность (73, 74) в положении контакта проходит по касательной к этой линии (75) контакта.

5. Клапан по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что выполненный в форме шарового сегмента контур торцовой поверхности (73) имеет постоянный радиус R.

6. Клапан по п.5, отличающийся тем, что центр (71) шара, образующего имеющий форму шарового сегмента контур торцовой поверхности (73), лежит на продольной оси (10) клапана на расстоянии радиуса R.

7. Клапан по п.6, отличающийся тем, что якорь (27) жестко соединен с подвижной в осевом направлении вдоль продольной оси (10) клапана иглой (19) клапана, на противоположном конце которой расположен запорный элемент (21) клапана, причем этот запорный элемент (21) выполнен сферическим, и центр (71) шара, образующего имеющий форму шарового сегмента контур торцовой поверхности (73), лежит в центре сферы, форму которой имеет запорный элемент (21) клапана, на расстоянии радиуса R.

8. Клапан по п.1, отличающийся тем, что сердечник (2) и/или якорь (27) имеют на участке торцовой поверхности (73, 74) покрытие.

9. Клапан по п.1, отличающийся тем, что сердечник (2) и/или якорь (27) подвергнуты на участке торцовой поверхности (73, 74) обработке методом упрочнения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4