ES2897530T3 - Válvula de control proporcional de sellado positivo con válvula de ventilación sellable - Google Patents

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Abstract

Válvula (24) de control proporcional para una bomba de combustible, que comprende: una válvula (5) de retención de entrada que coopera con un asiento (25) de válvula, en el que la válvula (5) de retención de entrada tiene una posición cerrada contra dicho asiento (25) durante una fase de bombeo de dicha bomba y una posición abierta variable para permitir un flujo hidráulico a través del asiento (25) en una dirección aguas abajo a un conducto (26) de baja presión en la bomba durante una fase de carga de la bomba; un muelle (27) principal que actúa sobre un lado aguas abajo de dicha válvula (5) de retención de entrada para proporcionar una fuerza de empuje sobre la válvula (5) de retención de entrada hacia dicho asiento (25); una cámara (10') impelente hidráulica que actúa sobre el lado aguas arriba de dicha válvula (5) de retención de entrada, en oposición a dicho muelle (27) principal, de manera que, cuando una fuerza sobre la válvula (5) de retención de entrada debida a la presión en la cámara (10') impelente supera la fuerza de empuje del muelle (27) principal sobre la válvula (5) de retención de entrada durante la fase de carga, la válvula (5) de retención de entrada se abre, permitiendo un flujo hidráulico a dicho conducto (26) de baja presión; un manguito (10) con extremos aguas arriba y aguas abajo, que define un orificio (28) de pistón y un orificio (4) de entrada que pasa transversalmente a través del manguito (10) de pistón al interior del orificio (28) de pistón; una cámara impelente de alimentación para suministrar combustible a una presión más alta que la presión en dicho conducto (26) de baja presión, a dicho puerto (4) de entrada; un pistón (13) de dosificación que tiene extremos de dosificación y de no dosificación, deslizable en el interior del orificio (28) de pistón de dosificación a lo largo de una primera dirección a una primera posición que cubre dicho puerto (4) de entrada y sella una trayectoria de flujo a dicha cámara (10') impelente hidráulica y a lo largo de una segunda dirección opuesta a una segunda posición variable que abre respectivamente de manera variable dicha trayectoria de flujo a dicha cámara (10') impelente hidráulica y dicho puerto (4) de entrada, de manera que la apertura del puerto (4) de entrada establezca una trayectoria de flujo desde dicho puerto (4) de entrada a dicha cámara (10') impelente hidráulica de manera que la cámara (10') impelente hidráulica aplique presión de alimentación hidráulica al lado aguas arriba de la válvula (5) de retención de entrada; un actuador (9) conectado al pistón (13) de dosificación para deslizar de manera selectiva el pistón (13) de dosificación entre dichas posiciones primera y segunda; una cámara de fluido en el extremo de no dosificación del pistón (13) de dosificación; una trayectoria de fuga a lo largo del orificio (28) de pistón del manguito (10), desde el puerto (4) de entrada a dicha cámara de fluido; una válvula (12) de ventilación entre la cámara (10') impelente hidráulica y la cámara de fluido, conectada al actuador (9), para exponer la cámara de fluido a la presión en la cámara (10') impelente hidráulica antes de que el actuador (9) mueva el pistón (13) de dosificación desde la primera posición a una segunda posición.

Description

DESCRIPCIÓN
Válvula de control proporcional de sellado positivo con válvula de ventilación sellable
Antecedentes
La presente invención se refiere a bombas de inyección de combustible de gasolina para suministrar combustible a alta presión a un conducto común.
Los sistemas de combustible de inyección directa de gasolina (Gasoline Direct Injection, GDI) deben regular el volumen de combustible suministrado al conducto común como parte de una estrategia de gestión de presión global. En la actualidad, se emplean dos estrategias para controlar la cantidad de combustible suministrada a la cámara de bombeo y, de esta manera, el grado al que se presuriza el conducto. Una estrategia usa un solenoide de activación/desactivación digital, tal como se describe en el documento US 7.707.996, y otra usa una válvula proporcional, tal como se describe en el documento US 6.792.916.
El documento DE102005022661 A1 describe una válvula de control para una bomba de combustible.
En casos en los que se prefiere una válvula de control proporcional, existe el riesgo de una disminución del rendimiento de la válvula que se experimenta como tiempos de respuesta más lentos y una pérdida de la longitud de carrera funcional debido al atrapamiento de combustible en la cámara de fluido de la válvula de control proporcional en el lado no funcional del pistón de dosificación. El combustible puede quedar atrapado en el volumen inerte de la válvula debido a fugas a través de muchas trayectorias potenciales, pero es más probable que se produzca debido a fugas más allá del pistón de dosificación desde el suministro de la bomba cuando la presión en la válvula de control aumenta en respuesta al funcionamiento del mecanismo de bombeo permitido por el tiempo de respuesta finito de la válvula de retención de entrada. A medida que el combustible se acumula en el volumen inerte de la válvula de control proporcional, este empezará a retardar el movimiento de la válvula de control proporcional al requerir que la válvula presurice el fluido atrapado durante la retracción o expulse el mismo a través de las mismas trayectorias de fuga altamente restringidas a través de las cuales entró. Finalmente, esto necesita un solenoide y un sistema de válvula proporcional que produzca más fuerza sobre el pistón y aumenta el coste.
Sumario
El aparato descrito alivia la presión atrapada en el interior de una válvula de control proporcional. Esto reduce el riesgo de fallos de la válvula de control proporcional, mejora el tiempo de respuesta y permite el uso de un mecanismo actuador más débil.
La válvula de control proporcional comprende un conjunto de dosificación en el interior de un orificio ajustado muy apretado sobre el que actúa un muelle de empuje de inducido y un solenoide de control. Este conjunto de dosificación comprende un conjunto de pistón de dosificación, un muelle de empuje de pistón, un inducido y una válvula de ventilación. La válvula de ventilación, tal como una bola, está fijada al inducido y el conjunto de pistón de dosificación está configurado alrededor de la válvula de ventilación de manera que acople el pistón de dosificación al inducido. El conjunto de pistón de dosificación comprende un pistón de dosificación y un asiento de válvula de ventilación, unidos de manera permanentemente uno al otro, que contienen un sello y una superficie de asiento respectivamente, entre los cuales se permite que la válvula de ventilación se mueva durante el funcionamiento de la válvula de control proporcional.
Cuando se proporciona una señal de control nula al solenoide, el muelle de empuje de inducido empujará el conjunto de dosificación a la posición inicial y cerrará completamente el orificio variable para suministrar combustible al extremo de dosificación del pistón. El muelle de empuje de inducido superará también la carga sobre el muelle de empuje de pistón y causará que la bola contacte con la cara de sellado en el interior del pistón de dosificación. En esta posición, la válvula proporcional está completamente cerrada, permitiendo un flujo nulo a la cámara de bombeo.
Cuando se recibe una orden de suministrar combustible, el solenoide entra a un estado energizado que empezará a elevar el conjunto de inducido, superando al muelle de empuje de inducido y elevando el conjunto de dosificación. Inicialmente, el inducido se desplazará en respuesta a la señal de control mientras el pistón de dosificación permanece en la posición inicial hasta que el muelle de empuje de pistón causa que la válvula de ventilación contacte con la cara de tope en el interior del conjunto de pistón de dosificación. A medida que la válvula de ventilación se eleva, se abrirá un pequeño conducto de flujo entre un volumen interno inerte de la válvula de control proporcional y la cámara impelente, aliviando cualquier presión atrapada en el interior de ese volumen inerte. Una vez que la bola ha contactado con la cara de tope en el interior del pistón, el pistón se elevará en respuesta a una señal de solenoide y el flujo al interior de la cámara de bombeo puede suministrarse aumentando el área abierta del orificio variable. El muelle de empuje de pistón mantiene la bola contra el tope del pistón y previene un movimiento involuntario entre el pistón y el pasador.
Una realización se refiere a una válvula de control proporcional para una bomba de combustible, que comprende una válvula de retención de entrada que coopera con un asiento de válvula, en el que la válvula de retención de entrada tiene una posición cerrada contra el asiento durante una fase de bombeo y una posición abierta variable para permitir un flujo hidráulico a través del asiento a un conducto de baja presión en la bomba durante una fase de carga de la bomba. Un muelle principal actúa sobre la válvula de retención de entrada para proporcionar una fuerza de empuje hacia el asiento. Una cámara impelente hidráulica actúa en el otro lado de la válvula de retención, en oposición al muelle principal, de manera que, cuando una fuerza sobre la válvula de retención debida a la presión en la cámara impelente excede la fuerza de empuje del muelle principal sobre la válvula de retención durante la fase de carga, la válvula de retención se abre, permitiendo un flujo hidráulico al conducto de presión.
Un manguito define un orificio de pistón, y un puerto de entrada u orificio pasa transversalmente a través del manguito al interior del orificio del pistón. Una cámara impelente de alimentación suministra combustible al puerto de entrada a una presión más alta que la presión en el conducto de baja presión. Un pistón de dosificación es deslizable en el interior del orificio del pistón a lo largo de una primera dirección a una primera posición de dosificación nula que cubre el puerto y a lo largo de una segunda dirección opuesta a una segunda posición de dosificación variable que abre de manera variable la trayectoria de flujo a la cámara impelente y al puerto, de manera que la cámara impelente aplique presión de alimentación hidráulica al lado aguas arriba de la válvula de retención de entrada. Un actuador conectado al pistón desliza de manera selectiva el pistón entre las posiciones primera y segunda.
Una cámara de fluido cerrada está situada en el extremo no dosificador del pistón, y hay presente una trayectoria de fuga a lo largo del orificio del manguito, desde el puerto de entrada a la cámara de fluido. Hay provista una válvula de ventilación entre la cámara impelente y la cámara de fluido, conectada al actuador, para exponer la cámara de fluido a la presión en la cámara impelente antes de que el actuador mueva el pistón desde la primera posición a una segunda posición.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 muestra un esquema del sistema en el que se materializa la invención;
La Figura 2 muestra una implementación ejemplar de la presente invención, con el pistón de dosificación en la posición cerrada y la válvula de ventilación cerrada;
La Figura 3 muestra el pistón de dosificación ejemplar en una posición de dosificación completamente abierta, con la válvula de ventilación abierta; y
Las Figuras 4 y 5 muestran vistas detalladas correspondientes a las Figuras 2 y 3, respectivamente.
Descripción detallada
Las Figuras 1 a 3 muestran una válvula 24 de control proporcional que incluye una bomba 2 de alimentación que extrae combustible desde el depósito 1 de combustible y bombea el mismo a través de la línea de combustible del chasis y al interior de la entrada de la bomba 3 GDI de alta presión. A continuación, el combustible fluye a través de un conducto transversal al manguito 10 al interior del orificio 28 del pistón, en forma de un puerto 4 de entrada, a continuación, a través de la válvula 5 de retención de entrada y al interior de la cámara 16 de bombeo durante la carrera de carga del émbolo 14 de bombeo. Un muelle 27 principal actúa sobre la válvula 5 de retención de entrada para proporcionar una fuerza de empuje hacia un asiento 25 de válvula de retención. Durante la carrera de bombeo, el émbolo 14 de bombeo es accionado por la leva 15 del motor (normalmente, a través de un elevador, no mostrado), comprimiendo de esta manera el combustible en la cámara 16 de bombeo. A continuación, el combustible comprimido fluye a través de la válvula 17 de retención de salida, la línea 19 de alta presión y al interior del conducto 20 de combustible. Los inyectores 21 de combustible pulverizan y atomizan el combustible al interior de la cámara de combustión del motor (no mostrada) y son controlados electrónicamente por la ECU 23 del motor. La ECU 23 usa algoritmos o relaciones de datos predeterminados para el inyector 21 así como una señal desde el sensor 22 de presión para determinar el nivel de corriente apropiado a enviar al solenoide 7 proporcional de la válvula de dosificación de entrada.
El solenoide 7 proporcional genera una fuerza magnética que mueve el actuador 9, comprimiendo el muelle 8 de empuje de la válvula de dosificación de entrada. El actuador 9, que incluye una varilla 9’ y un inducido 9’’, está unido a la válvula 12 de ventilación en las interfaces 9’’’ y 12’ mediante soldadura o similar y unido al pistón 13 de dosificación y al asiento 13' de la válvula de ventilación mediante la válvula 12 de ventilación y el muelle 11 de empuje del pistón. Esto resulta en la vinculación del movimiento del pistón 13 de dosificación al movimiento del actuador 9 a menos que el pistón 13 de dosificación esté en la posición completamente cerrada. La posición del pistón 13 de dosificación en respuesta al solenoide 7 proporcional, el muelle 8 de empuje de la válvula de dosificación de entrada y el muelle 11 de empuje del pistón varía el tamaño del puerto 4 de entrada, controlando de esta manera el caudal a través de la bomba de alta presión.
En la realización mostrada, el tamaño del puerto 4 de entrada es variado mediante un escalón en el lado del pistón 13 de dosificación que cubre una parte de una ranura de alimentación estrecha en el lado del orificio del pistón en el interior del manguito 10. Los niveles de corriente más elevados suministrados al solenoide 7 causan un avance adicional del pistón 13 de dosificación, hasta que el puerto 4 de entrada está completamente abierto, e idealmente no suministra combustible cuando se envía una señal nula.
Es necesario tener una carcasa 6, 6’ y 6’’ de válvula de dosificación completamente sellada con el fin de evitar escapes de combustible al interior del compartimiento del motor a través de la bomba. La cámara de fluido alrededor del solenoide a través de la cual se desplazan el actuador 9 y el pistón 13 de dosificación y que contiene el muelle 8 de empuje de la válvula de dosificación de entrada, el actuador 9, el muelle 11 de empuje del pistón, el asiento 13’ de la válvula de ventilación y un extremo del manguito 10 puede presurizarse debido a la fuga más allá del pistón 13 de dosificación desde el puerto 4 de entrada. Esto puede restringir el movimiento del pistón 13 de dosificación, requiriendo que presurice este fluido atrapado si se ordena un flujo elevado y, finalmente, podría resultar en un bloqueo hidráulico del pistón 13 de dosificación.
Esto se alivia mediante el uso de la válvula 12 de ventilación que permite una trayectoria de flujo entre la cámara de fluido en el interior de la carcasa 6, 6’ y 6’’ de la válvula de dosificación y la cámara 10' impelente hidráulica en el interior del manguito 10 entre el puerto 4 de entrada y la válvula 5 de retención de entrada. Esto permite que el pistón 13 de dosificación se mueva sin presurizar ningún fluido atrapado en el interior de la carcasa 6, 6’ y 6’’ de la válvula de dosificación. Cuando se ordena un flujo nulo, la válvula 12 de ventilación creará un sello en el interior del pistón 13 de dosificación y el pistón 13 de dosificación creará un sello contra el manguito 10, aislando completamente la cámara 10’ impelente hidráulica, el puerto 4 de entrada y el volumen de fluido en el interior de la carcasa 6, 6’ y 6’’ de la válvula de dosificación.
Las Figuras 2 y 3 muestran una implementación ejemplar con las Figuras 4 y 5 que presentan vistas detalladas de la válvula 12 de ventilación, del pistón 13 de dosificación y del conjunto de asiento 13’ de válvula de ventilación. Las Figuras 2 y 4 muestran la válvula 24 de control proporcional en la primera posición, en la que la ECU 23 no ordena ningún suministro de combustible. En la implementación ejemplar mostrada, no se realiza ninguna orden de combustible como señal de corriente nula al solenoide 7 proporcional. En esta posición la fuerza debida al muelle 8 de empuje de la válvula de dosificación de entrada empuja el actuador 9 con fuerza suficiente para superar al muelle 11 de empuje del pistón, sellando la válvula 12 de ventilación contra el pistón 13 de dosificación y moviendo el pistón 13 de dosificación a su posición de corriente nula, cerrando completamente el puerto 4 de entrada.
Las Figuras 3 y 5 muestran la misma válvula completamente abierta a través de una carrera 'X' que consiste en la carrera 'Z' total del actuador menos la carrera 'Y' de la válvula 12 de ventilación. Esta condición se produce cuando la ECU 23 ha ordenado un flujo máximo al solenoide 7 proporcional. En esta posición, el pistón 13 de dosificación está permitiendo un flujo máximo a través del puerto 4 de entrada y el actuador 9 ha elevado la válvula 12 de ventilación desde la superficie de sellado al asiento 13’ de válvula de ventilación. Por diseño, la carrera 'Y' de la válvula 12 de ventilación es pequeña.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Válvula (24) de control proporcional para una bomba de combustible, que comprende:
una válvula (5) de retención de entrada que coopera con un asiento (25) de válvula, en el que la válvula (5) de retención de entrada tiene una posición cerrada contra dicho asiento (25) durante una fase de bombeo de dicha bomba y una posición abierta variable para permitir un flujo hidráulico a través del asiento (25) en una dirección aguas abajo a un conducto (26) de baja presión en la bomba durante una fase de carga de la bomba;
un muelle (27) principal que actúa sobre un lado aguas abajo de dicha válvula (5) de retención de entrada para proporcionar una fuerza de empuje sobre la válvula (5) de retención de entrada hacia dicho asiento (25); una cámara (10’) impelente hidráulica que actúa sobre el lado aguas arriba de dicha válvula (5) de retención de entrada, en oposición a dicho muelle (27) principal, de manera que, cuando una fuerza sobre la válvula (5) de retención de entrada debida a la presión en la cámara (10') impelente supera la fuerza de empuje del muelle (27) principal sobre la válvula (5) de retención de entrada durante la fase de carga, la válvula (5) de retención de entrada se abre, permitiendo un flujo hidráulico a dicho conducto (26) de baja presión;
un manguito (10) con extremos aguas arriba y aguas abajo, que define un orificio (28) de pistón y un orificio (4) de entrada que pasa transversalmente a través del manguito (10) de pistón al interior del orificio (28) de pistón; una cámara impelente de alimentación para suministrar combustible a una presión más alta que la presión en dicho conducto (26) de baja presión, a dicho puerto (4) de entrada;
un pistón (13) de dosificación que tiene extremos de dosificación y de no dosificación, deslizable en el interior del orificio (28) de pistón de dosificación a lo largo de una primera dirección a una primera posición que cubre dicho puerto (4) de entrada y sella una trayectoria de flujo a dicha cámara (10’) impelente hidráulica y a lo largo de una segunda dirección opuesta a una segunda posición variable que abre respectivamente de manera variable dicha trayectoria de flujo a dicha cámara (10’) impelente hidráulica y dicho puerto (4) de entrada, de manera que la apertura del puerto (4) de entrada establezca una trayectoria de flujo desde dicho puerto (4) de entrada a dicha cámara (10’) impelente hidráulica de manera que la cámara (10’) impelente hidráulica aplique presión de alimentación hidráulica al lado aguas arriba de la válvula (5) de retención de entrada;
un actuador (9) conectado al pistón (13) de dosificación para deslizar de manera selectiva el pistón (13) de dosificación entre dichas posiciones primera y segunda;
una cámara de fluido en el extremo de no dosificación del pistón (13) de dosificación;
una trayectoria de fuga a lo largo del orificio (28) de pistón del manguito (10), desde el puerto (4) de entrada a dicha cámara de fluido;
una válvula (12) de ventilación entre la cámara (10’) impelente hidráulica y la cámara de fluido, conectada al actuador (9), para exponer la cámara de fluido a la presión en la cámara (10') impelente hidráulica antes de que el actuador (9) mueva el pistón (13) de dosificación desde la primera posición a una segunda posición.
2. Válvula de control proporcional según la reivindicación 1, en la que
el pistón (13) de dosificación tiene un orificio pasante longitudinal perfilado entre la cámara de fluido y dicha cámara (10’) impelente hidráulica, incluyendo dicho orificio pasante longitudinal perfilado un asiento (13’) de válvula de ventilación;
una válvula (12) de ventilación está situada en el orificio pasante longitudinal perfilado, enfrentada a dicho asiento (13’) de válvula de ventilación;
el actuador (9) incluye un vástago (9') conectado a la válvula (12) de ventilación; y
la válvula (12) de ventilación es empujada contra el asiento (13’) de válvula de ventilación con una fuerza menor que la requerida para que el actuador (9) mueva el pistón (13) de dosificación desde la primera posición.
3. Válvula de control proporcional según la reivindicación 1, en la que la válvula (12) de ventilación tiene una carrera Y, el actuador (9) tiene una carrera Z y la carrera Y de la válvula (12) de ventilación es menor que la carrera Z del actuador (9).
4. Válvula de control proporcional según la reivindicación 1, en la que la válvula (12) de ventilación tiene una carrera Y, el pistón (13) de dosificación tiene una carrera X y la carrera Y de la válvula (12) de ventilación es menor que la carrera X del pistón (13) de dosificación.
5. Válvula de control proporcional según la reivindicación 1, en la que
el pistón (13) de dosificación tiene una carrera X, la válvula (12) de ventilación tiene una carrera Y, y el actuador (9) tiene una carrera Z; y
la carrera Y de la válvula (12) de ventilación es menor que la carrera X del pistón (13) de dosificación; y la carrera Y de la válvula (12) de ventilación es menor que la carrera Z del actuador (9).
6. Válvula de control proporcional según la reivindicación 1, en la que la válvula (12) de ventilación tiene la forma de una bola unida al actuador (9).
7. Válvula de control proporcional según la reivindicación 1, en la que el desplazamiento del pistón (13) de dosificación en la primera dirección hacia dicha primera posición desde una segunda posición a otra segunda posición restringe cada vez más una trayectoria de flujo desde dicho puerto (4) de entrada a dicha cámara (10') impelente hidráulica de manera que dicha cámara (10') impelente hidráulica aplique una presión de alimentación hidráulica reducida al lado aguas arriba de la válvula (5) de retención de entrada.
8. Válvula de control proporcional según la reivindicación 1 o 2, en la que el actuador (9) es accionado por un solenoide (7) electromagnético proporcional.
9. Válvula de control proporcional según la reivindicación 1, en la que la cámara (10’) impelente hidráulica está formada en el extremo de dosificación del pistón (13) de dosificación y el extremo de dosificación del pistón (13) de dosificación incluye un sello contra el manguito (10), entre el puerto (4) de entrada y la cámara (10') impelente hidráulica.
10. Válvula de control proporcional según la reivindicación 1, en la que
la cámara (10’) impelente hidráulica está formada en el extremo de dosificación del pistón (13) de dosificación y el extremo de dosificación del pistón (13) de dosificación incluye un sello contra el manguito (10), entre el puerto (4) de entrada y la cámara (10’) impelente hidráulica;
el pistón (13) de dosificación tiene un orificio pasante longitudinal perfilado entre la cámara de fluido y dicha cámara (10’) impelente hidráulica, incluyendo dicho perfil de orificio un asiento (13’) de válvula de ventilación; una válvula (12) de ventilación está situada en el orificio perfilado, enfrentada a dicho asiento (13’) de válvula de ventilación;
el actuador (9) es accionado por un solenoide (7) proporcional e incluye un vástago (9') unido a la válvula (12) de ventilación;
y la válvula (12) de ventilación es empujada contra el asiento (13’) de válvula de ventilación con una fuerza menor que la requerida para que el actuador (9) mueva el pistón (13) de dosificación desde la primera posición; el pistón (13) de dosificación tiene una carrera X, la válvula (12) de ventilación tiene una carrera Y, y el vástago (9') del actuador tiene una carrera Z;
la carrera Y de la válvula (12) de ventilación es menor que la carrera X del pistón (13) de dosificación; y la carrera Y de la válvula (12) de ventilación es menor que la carrera Z del vástago (9') del actuador.
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