CZ20011227A3

CZ20011227A3 - Vstřikovací čerpadlo pro vstřikovací systém spalovacích motorů

Info

Publication number: CZ20011227A3
Application number: CZ20011227A
Authority: CZ
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 2000-08-02
Publication date: 2002-02-13
Also published as: DE50014969D1; HUP0104906A3; EP1203151B1; HUP0104906A2; US6783086B1; WO2001011221A1; ATE386205T1; DE19937559A1; JP2003524725A; EP1203151A1

Description

Oblast techniky

Vynález se týká vstřikovacího čerpadla pro vstřikovací systém t spalovacích motorů s magnetickým ventilem, který řídí odtok paliva odtokovým kanálem z ovládacího prostoru ventilu, přičemž magnetický ventil má prostředky k uzavírání odtokového kanálu, kotvu ovládanou elektromagnetem, která je v činném spojení s prostředky k uzavírání odtokového kanálu, první ventilovou pružinu a druhou ventilovou pružinu a první doraz zdvihu.

Dosavadní stav techniky

Dvoustupňové magnetické ventily pro vstřikovací čerpadla vstřikovacích systémů jsou známé. Prvním otevíracím stupněm magnetického ventilu se má dosáhnout toho, že vstřikovací jehla vstřikovací trysky otevírá pomalu, takže je usnadněno přesné odměření malých množství předvstřiku. Druhý otevírací stupeň slouží hlavnímu vstřiku. Přitom je žádoucí velká otevírací rychlost vstřikovací jehly.

U jedné známé formy provedení dvoustupňového magnetického ventilu je kotva magnetického ventilu ovladatelná tlačnými pružinami, sériově zapojenými ve dvou řadách, proti směru otevírání tohoto ventilu. Až k dosažení prvního dorazu zdvihu působí na kotvu proti směru otevírání ventilu pouze první tlačná pružina. Poté co kotva prošla prvním dorazem zdvihu, působí na ni dodatkově druhá tlačná pružina ve stejném směru působení.

Nevýhodou tohoto provedení je, že konstrukční délka magnetického ventilu je na základě sériového řazení velká. To je problematické zvláště u moderních, kompaktně konstruovaných motorů a moderních automobilů, protože konstrukční prostor je zpravidla omezen. Kromě toho vede sériové řazení dvou pružin za pomoci vloženého kusu k tomu, že vlastní kmitočet magnetického ventilu je relativně nízký, což může v provozních podmínkách působit nepříznivě.

Dvoustupňový ventil vstřikovacího čerpadla, ovládaný piezoelektrickým ovladačem, je známý ze spisu DE OS 1974 1850. U tohoto magnetického ventilu jsou rovněž zařazeny za sebou dvě ventilové pružiny, přičemž mezi oběma těmito pružinami je uspořádán mezikroužek. Také tento magnetický ventil vykazuje výše uvedené nevýhody.

Úkolem vynálezu je připravit dvoustupňový magnetický ventil pro vstřikovací čerpadlo, který má kompaktní konstrukci a jehož* chování je za provozu dobré i při nejrůznějších kmitočtech.

Podstata vynálezu

Tento úkol je vyřešen vstřikovacím čerpadlem pro vstřikovací systém spalovacích motorů s magnetickým ventilem, který řídí odtok paliva odtokovým kanálem z ovládacího prostoru ventilu, přičemž magnetický ventil má prostředky k uzavírání odtokového kanálu, kotvu ovládanou elektromagnetem, která je v činném spojení s prostředky k uzavírání odtokového kanálu, první ventilovou pružinu a druhou ventilovou pružinu a první doraz zdvihu, podle vynálezu, jehož podstatou je, že první ventilová pružina působí na kotvu větším napětím ve směru uzavírání, že od uzavírací polohy magnetického ventilu až k dosažení prvního dorazu zdvihu působí na kotvu ve směru otevírání druhá ventilová pružina menším napětím.

Na základě rozdílných směrů působení první a druhé ventilové pružiny je možné dosáhnout obzvlášť kompaktní konstrukce magnetického ventilu.

V případě, že jak první tak i druhá ventilová pružina je tlačná nebo tažná, mohou být tyto ventilové pružiny uspořádány na každé straně kotvy, takže délka ventilových pružin se nesčítá do konstrukční délky kotvy a tím do celkové konstrukční délky magnetického ventilu. To znamená, že nejméně jedna ventilová pružina může být uspořádána rovnoběžně s kotvou, zejména soustředně s kotvou, takže celková konstrukční délka magnetického ventilu se dále zmenšuje.

Krom sériovému toho je řazení rezonanční chování u uspořádání ventilových magnetického podle vynálezu možné se vyhnout pružin, což ventilu.

působí příznivě na

U další varianty vynálezu je upraveno, že první ventilovou pružinou napnutou mezi tělesem vstřikovacího čerpadla a koncem kotvy, odvráceným od prostředků k uzavírání odtokového kanálu, je tlačná pružina, že druhou ventilovou pružinou napnutou mezi tělesem vstřikovacího čerpadla a koncem kotvy, přivráceným k prostředkům k uzavírání odtokového kanálu, je tlačná pružina, takže je dosaženo jednoduché konstrukce a současně malé potřeby místa pro magnetický ventil. Malá potřeba místa vychází mimo jiné z uspořádání druhé ventilové pružiny mezi prostředky k uzavírání odtokového kanálu a kotvou. Kromě toho je u této formy provedení při stanovení menších množství předvstřiku přesto umožněna vyšší otevírací rychlost vstřikovací jehly u hlavního vstřiku.

U jiné varianty vynálezu je upraveno, že druhá ventilová pružina působí na kotvu přes posuvný mezikroužek, a že dráha mezikroužku je omezena prvním dorazem zdvihu tak, že tento první zdvihový doraz je možné snadno a přesně stanovit.

U jednoho provedení vynálezu je dráha kotvy omezena druhým zdvihovým dorazem tak, že otevření magnetického ventilu u hlavního vstřiku může být určeno s opakovanou přesností.

U dalšího provedení vynálezu jsou prostředky k uzavírání odtokového kanálu v činném spojení s kotvou přes tlačnou tyčku, takže je upraveno prostorové oddělení mezi prostředky k uzavírání odtokového kanálu a kotvou. Mimo to je tak k dispozici více místa pro druhou ventilovou pružinu.

U jedné varianty vynálezu je upraveno, že druhá ventilová pružina a/nebo mezikroužek jsou uspořádány soustředně s tlačnou tyčkou, takže nároky na míso pro magnetický ventil podle vynálezu jsou opět menší.

V doplnění vynálezu je upraveno, že prostředky k uzavírání odtokového kanálu jsou koule a kulové sedlo v tělese nebo ventilová hlava uspořádaná na konci tlačné tyčky, odvráceném od kotvy, a odpovídajícím způsobem tvarované sedlo ventilu v tělese, takže jednoduchým způsobem vzniká spolehlivé utěsnění odtokového kanálu.

Provedení vynálezu předpokládá, že vstřikovacím systémem je systém se společným tlakovým potrubím zvaný common rail, takže výhody podle vynálezu prospívají také těmto vstřikovacím systémům.

Přehled obrázků na výkresech

Další výhody a výhodná provedení vynálezu jsou patrné z následujícího popisu, patentových nároků a obrázků, na kterých znamená obr. 1 schématické znázornění vstřikovacího čerpadla podle vynálezu, dvoustupňový magnetický ventil podle vynálezu a obr. 3

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je schématicky znázorněno vstřikovací čerpadlo. Vysokotlakou přípojkou 1 se přes přítokový kanál 5. přivádí ke vstřikovací trysce 7 palivo 3., stejně jako přes přívodní škrticí klapku 9 do ovládacího prostoru 11 ventilu. Ovládací prostor 11 ventilu: je přes odtokový kanál 12 a odtokovou škrticí klapku 13. která může být otevírána magnetickým ventilem 15. spojen se zpětným tokem 17 paliva. Palivo unikající magnetickým ventilem 15 je odváděno únikovým odtokem £8.. Palivo 3. je na obr. 1 znázorněno jako černá plocha.

Ovládací prostor 11 ventilu je ohraničen ventilovou vložkou 19.

Na ventilovou vložku 19 navazuje vstřikovací jehla 21. která zabraňuje protékání paliva 3. pod tlakem do neznázorněného spalovacího prostoru mezi vstřiky. Vstřikovací jehla 21 vykazuje změnu 23 průřezu z většího průměru 25 na menší průměr 27. Svým větším průměrem 25 je vstřikovací jehla 21 vedena v tělese 29.

Změna 23 průřezu ohraničuje tlakový prostor 3 1 vstřikovací trysky 7.

Při uzavřené odtokové škrticí klapce 13 je hydraulická síla, působící na čelní plochu 3 3 ventilové vložky 19, větší než hydraulická síla působící na změnu 23 průřezu, protože čelní plocha 33 ventilové vložky 19 je větší než kruhová plocha změny 23 průřezu. V důsledku toho je vstřikovací jehla 21 zatlačována do sedla 3.5. vstřikovací jehly a utěsňuje přítokový kanál 5. ke spalovacímu prostoru, který není znázorněn.

'· *

Pokud neznázorněné vysokotlaké čerpadlo vstřikovacího systému paliva není poháněno, protože motor stojí, pak vstřikovací trysku 7, respektive injektor, uzavírá pružina 39 trysky působící na osazení 37 vstřikovací jehly 21.

Pokud odtoková škrticí klapka 13, respektive magnetický ventil 15 otevírá, klesá tlak v ovládacím prostoru 11 ventilu a tím hydraulická síla, působící na čelní plochu 33 ventilové vložky 19. Jakmile je tato hydraulická síla menší než hydraulická síla působící na změnu 23 průřezu, vstřikovací jehla 21 otevírá, takže palivo 3. může pronikat přes neznázorněný vstřikovací otvor do spalovacího prostoru. Toto nepřímé ovládání vstřikovací trysky 21 přes hydraulický zesilovací systém je nezbytné, protože síly potřebné k rychlému otevírání vstřikovací jehly 21 nemohou být přímo produkovány magnetickým ventilem 15. Takzvané „řídicí množství“ paliva, potřebné přitom dodatkově k množství paliva vstříknutého do spalovacího prostoru, se přes přítokovou škrticí klapku 9, ovládací prostor 11 ventilu a odtokovou škrticí klapku 13 dostane do zpětného toku 17 paliva.

K řídicímu množství se na vedení vstřikovací jehly a vedení ventilové vložky přidává také ještě vzniklý dodatečný průsak. Řídicí a průsakové množství mohou obnášet až 50 mm³/zdvih. Přes zpětný

Ί

tok 17 paliva se tato množství vedou opět zpátky do neznázorněné palivové nádrže.

Na obr. 2 je znázorněn magnetický ventil 15 podle vynálezu. Mezi vstřiky se odtoková škrticí klapka 13 uzavírá koulí 41 magnetického ventilu 15. To se děje nepřímo přes kotvu 43. s ní spojenou tlačnou tyčku 44 a první ventilovou pružinu 45 tím, že koule 41 je zatlačována do kulového sedla 47 tělesa 29. Mezi kulovým sedlem 47 a kotvou 43 je uspořádána druhá ventilová pružina 57. která přes mezikroužek 59 působí na kotvu 43 silou, která účinkuje proti první ventilové pružině 45.

Mezikroužek 59 je posuvný ve směru podélné osy kotvy 43 až k prvnímu zdvihovému dorazu 61. Na obr. 2 je znázorněno provedení, u kterého je mezikroužek 59 centrován pomocí vybrání 63 prvním zdvihovým dorazem 61. Síla, kterou je koule 41 ve znázorněném provozním stavu magnetického ventilu přitlačována do kulového sedla 47, je rozdílem síly první ventilové pružiny 45 a druhé ventilové pružiny 57..

Pro uvolnění předvstřiku je elektromagnet 49 magnetického ventilu 15 ovládán záběrovým proudem Iy. Síla elektromagnetu 49. která tak působí na kotvu 43. je dimenzována tak, že převyšuje rozdíl síly první ventilové pružiny 45 působící na kotvu 43 a druhé ventilové pružiny 57.. V důsledku toho se kotva 43 pohybuje ve směru elektromagnetu 49 až mezikroužek 59 dolehne na první doraz 61 zdvihu. Jakmile první doraz 61 zdvihu zachytí sílu druhé ventilové pružiny 57. působí celá síla první ventilové pružiny 45 proti síle vyvolané elektromagnetem 49 na kotvu 43. Síla první ventilové pružiny 45 je větší než síla elektromagnetu 49. pokud tímto elektromagnetem protéká proud Iv. Proto otevírá kotva 43 při předvstřiku pouze tehdy, dokud mezikroužek 59 nedolehne na

·· 9 ·	Φ· • *	·» 0··· • · 0	0 0 · • «00

• ·	•	• 0 0	0 0 0
• 0	00··	• 0 0	• 0 0 0

zdvihový doraz 61. Tento zdvih odpovídá dráze 65. označené takto na obr. 2. Je možné si ale představit také jiné délky zdvihu. Roztahování druhé ventilové pružiny 57 může být například omezeno také táhlem, spojeným s touto druhou ventilovou pružinou 57 nebo podobným způsobem. Pojem první doraz zdvihu může být v souvislosti s předkládaným vynálezem chápán tak, že po dosažení určitého zdvihu kotvy 43 už druhá ventilová pružina 57 na kotvu 43 dále nepůsobí.

Částečně otevřeným magnetickým ventilem 15 může palivo 3. odtékat přes odtokový kanál 12 a v něm uspořádanou odtokovou škrticí klapkou 13 z ovládacího prostoru 11 ventilu do dutého prostoru 51 ležícího nad ním a přes zpětný tok 17 paliva k neznázorněné palivové nádrži, takže tlak v ovládacím prostoru 11 ventilu klesá. Přítoková škrticí klapka 9 zabraňuje úplnému vyrovnání tlaků mezi přítokovým kanálem 5_, znázorněným na obr. 1 a ovládacím prostorem 11 ventilu. Jakmile je na základě klesajícího tlaku v ovládacím prostoru 11 ventilu hydraulická síla působící na čelní plochu 33 ventilové vložky 19 menší než hydraulická síla, která se uplatňuje s vstřikovacím tlakem a je znázorněna na obr. 1, a která působí na změnu 23 průřezu, vstřikovací jehla 21 otevírá a vstřikování začíná.

Rychlost otevírání vstřikovací jehly 21, znázorněné na obr. 1, je určena rozdílem průtoku mezi přítokovou škrticí klapkou 9 a odtokovou škrticí klapkou 13. Odtoková škrticí klapka 13 i kulové sedlo 47 a koule 41 představují za sebou řazené průtočné odpory. Při předvstřiku je kvůli malému zdvihu 65 kotvy 43 průtočný odpor kulového sedla 47 a koule 41 velký. Proto je rychlost otevírání vstřikovací jehly 21 při předvstřiku relativně malá. To ulehčuje odměření malých předvstřikovaných množství.

99	'9 9	9 9	9· 4 9	9 9 9
9 9	9' 9	4	9	9	9	9	9 9
9 9	9	9	9	9	•	•
9 ·
9 9	9	9	9	9	9	9
9 9	99 9 9		99	9	9 9		99

Hlavní vstřik je uvolněn tím, že elektromagnet 49 magnetického ventilu 15 je ovládán takzvaným záběrovým proudem Ia, který je větší než proud Iy. Síla elektromagnetu 49. působící na kotvu 43. převyšuje v tomto případě také sílu první ventilové pružiny 45. působící na kotvu 43, takže kotva 43 otevírá až k dosažení druhého zdvihového dorazu 67. Při otevírání magnetického ventilu 15 působí pozitivně následující souvislosti:

- pokud je magnetický ventil 15 uzavřen, je vzdálenost mezi kotvou 43 a elektromagnetem 49 velká. Proto je síla elektromagnetu 49 působící na kotvu 43 relativně malá. V této poloze působí na kotvu 43 pouze rozdíl sil první ventilové pružiny 45 a druhé ventilové pružiny 57. To znamená, že na začátku otevírání magnetického ventilu 15 musí být navíc k třecím a setrvačným silám překonáno jen malé napětí pružiny. Proto stačí už záběrový proud Iy k tomu, aby způsobil dílčí otevření magnetického ventilu 15 a tedy pomalé otevírání vstřikovací jehly 2 1.

- pokud je magnetický ventil už částečně nebo dokonce úplně otevřen, je vzdálenost mezi kotvou 43 a elektromagnetem 49 malá. Kvůli jen malé vzduchové mezeře mezi kotvou 43 a elektromagnetem 49 je síla elektromagnetu 49, působící na kotvu 43, při stejném proudovém toku elektromagnetem 49 relativně velká. V tomto případě může elektromagnet 49 překonat také sílu první ventilové pružiny 4.5. Jako podpora k tomu přispívá to, že setrvačné síly kotvy 43 v tomto stádiu otevírání magnetického ventilu 15 už poklesly.

- při hlavním vstřikování protéká elektromagnetem 49 větší záběrový proud Ia, což má za následek rychlejší a další otevírání magnetického ventilu 15 a v důsledku toho také vstřikovací jehly 21. Rychlost otevírání vstřikovací jehly 21 při hlavním vstřikování je * · _ '· ♦ · φ · · · · · · 4 • · · · φ · · · ·· · • · · · · ♦ · ·· • · ·<···· · · ·· ♦ · · · · · · 9· ·· ···· ·· ··· ·« velká, protože kotva 43 urazila větší dráhu zdvihu a proto odpor proudění v kulovém sedle 47 a v kouli 41 je mnohem menší než při předvstřikování. Při plně otevřené vstřikovací trysce 7 je palivo 3_ do spalovacího prostoru vstřikováno pod tlakem, který přibližně odpovídá tlaku v tlakovém potrubí.

Po určitém čase je zvýšený záběrový proud Ia redukován na menší vratný proud Lh. To je možné proto, že vzduchová mezera magnetického obvodu je nyní menší.

Jakmile vratný proud Ih přestane protékat, je kotva 43 stlačena silou první ventilové pružiny 45 ve směru koule 41 a tato koule 41 uzavírá odtokovou krticí klapku 13. Druhá ventilová pružina 57 přitom zabrzdí, jakmile je překročen zdvih 65, kotvu 43 a brání silnému opotřebení kulového sedla 47 a koule 41.

Díky uzavření odtokové škrticí klapky 13 vzniká v ovládacím prostoru 11 ventilu nad přítokovou škrticí klapkou 9 opět tlak. Tento tlak vyvolává přes čelní plochu ventilové vložky 19 oproti otevřenému stavu zvýšenou hydraulickou sílu na ventilovou vložku 19. Jakmile tato hydraulická síla a síla pružiny 39 trysky překročí hydraulickou sílu působící na změnu 23 průřezu, vstřikovací jehla 21 uzavírá.

Uzavírací rychlost vstřikovací jehly 21 je určena průtokem přítokové škrticí klapky 9. Vstřikování končí, když vstřikovací jehla 21 dolehne na sedlo 35 vstřikovací jehly.

Na obr. 3 je kvalitativně znázorněn časový průběh ovládání magnetického ventilu a vstřikovací trysky. Na obr. 3a je znázorněn zdvih 69 kotvy magnetického ventilu po čas 71. Na pořadnici je zdvih kotvy při předvstřiku označen „v“ a zdvih kotvy při hlavním vstřiku

1 „h“. Z porovnání stoupání je patrné, že rychlost otevírání magnetického ventilu je při hlavním vstřikování větší než při předvstřikování. Toho může být dosaženo například větším proudem v kotvě v porovnání s předvstřikem.

Na obr. 3b je znázorněn zdvih vstřikovací trysky 73 v čase 71. Kolmo probíhající přerušovanou čárou je znázorněno časové zpoždění mezi činností otevírání magnetického ventilu a otevíráním, popřípadě uzavíráním vstřikovací trysky.

Všechny znaky, znázorněné v popisu, následujících patentových nárocích a obrázcích mohou být podstatou vynálezu jak v jednotlivostech, tak i v libovolných vzájemných kombinacích.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Vstřikovací čerpadlo pro vstřikovací systém spalovacích motorů s magnetickým ventilem (15), který řídí odtok paliva (3) odtokovým kanálem (12) z ovládacího prostoru (11) ventilu, přičemž magnetický ventil (15) má prostředky (41, 47) k uzavírání odtokového kanálu (12), kotvu (43) ovládanou elektromagnetem (49), která je v činném spojení s prostředky (41, 47) k uzavírání odtokového kanálu (12), první ventilovou pružinu (45) a druhou ventilovou pružinu (57) a první doraz (61) zdvihu, vyznačující se tím, že první ventilová pružina (45) působí na kotvu (43) větším napětím ve směru uzavírání, že od uzavírací polohy magnetického ventilu (15) až k dosažení prvního dorazu (45) zdvihu působí na kotvu (43) ve směru otevírání druhá ventilová pružina (57) menším napětím.
2. Vstřikovací čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že první ventilovou pružinou (45) je tlačná pružina napnutá mezi tělesem (29) vstřikovacího čerpadla a koncem kotvy (43) odvráceným od prostředků (41, 47) k uzavírání odtokového kanálu (12), že druhou ventilovou pružinou (57) je tlačná pružina napnutá mezi tělesem (29) vstřikovacího čerpadla a koncem kotvy (43) přivráceným k prostředkům (41, 47) k uzavírání odtokového kanálu (12).
3. Vstřikovací čerpadlo podle nároku 2, vyznačující se tím, že druhá ventilová pružina (57) působí na kotvu (43) přes posuvný mezikroužek (59), a že dráha mezikroužku (59) je omezena prvním dorazem (61) zdvihu.

• 4 ^Γ4· ·· '4 4 9 · ‘4 4 · • ♦ · 4 · · · 4 4 44 • 44 4 · 4 4 4 4
4 4 · 4 4 4 4 4 4 4 4 · 4 ι

4. Vstřikovací čerpadlo podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že dráha kotvy (43) je omezena druhým dorazem (67) zdvihu.
5. Vstřikovací čerpadlo podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že prostředky (41, 47) k uzavírání odtokového kanálu (12) jsou přes tlačnou tyčku (44) v činném spojení s kotvou (43).
6. Vstřikovací čerpadlo podle nároku 5, vyznačující se tím, že druhá ventilová pružina (57) a/nebo mezikroužek (59) jsou uspořádány soustředně s tlačnou tyčkou (44).
7. Vstřikovací čerpadlo podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že prostředky (41, 47) k uzavírání odtokového kanálu (12) jsou koule (41) a kulové sedlo (47) v tělese (29).
8. Vstřikovací čerpadlo podle jednoho z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že prostředky k uzavírání odtokového kanálu (12) jsou ventilová hlava, uspořádaná na konci tlačné tyčky (44), odvráceném od kotvy (43) a odpovídajícím způsobem tvarované ventilové sedlo v tělese (29).
9. Vstřikovací čerpadlo podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vstřikovacím systémem je vstřikovací systém se společným tlakovým potrubím.