Документ описывает управляемую клапанную форсунку для двигателя внутреннего сгорания, которая включает корпус, распылитель топлива, конусный клапан и гидравлические элементы, что позволяет обеспечить прерывистый впрыск топлива с повышенной надежностью и долговечностью. Основное отличие данной модели заключается в наличии аккумуляторной системы подачи и электрогидравлического клапана с дроссельной поверхностью, что улучшает качество распыла и равномерность сгорания топлива. В документе также озвучиваются недостатки существующих решений и приводятся детали конструкции новой форсунки.

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7206
(13) U
(46) 2011.04.30
(51) МПК (2009)
F 02M 51/00
(54) УПРАВЛЯЕМАЯ КЛАПАННАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
(21) Номер заявки: u 20100815
(22) 2010.09.29
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Объединенный
институт машиностроения Нацио-
нальной академии наук Беларуси"
(BY)
(72) Авторы: Маньшин Геральд Григорье-
вич; Марковский Анатолий Борисович;
Дробышевский Чеслав Брониславович;
Стародетко Константин Евгеньевич;
Тихомиров Василий Леонтьевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный
институт машиностроения Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(57)
1. Управляемая клапанная форсунка для двигателя внутреннего сгорания, содержащая
корпус со штуцером для подачи топлива, распылитель топлива с конической поверхностью,
конусный клапан, состоящий из тарелки и штанги, гидробустер с приводным поршнем,
гидрораспределитель "сопло-заслонка", поляризованный электромагнит, отличающаяся
тем, что форсунка дополнительно снабжена аккумуляторной системой подачи с прерыви-
стым впрыском и электрогидравлическим клапаном с дроссельной поверхностью на его
штанге.
Фиг. 1
BY7206U2011.04.30

2. BY 7206 U 2011.04.30
2
2. Форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит дополнительно разгрузочный
дроссель для подачи топлива высокого давления на тарелку клапана.
3. Форсунка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что содержит тарельчатую пружину
для предварительного поджима тарелки клапана к конической поверхности седла распы-
лителя.
4. Форсунка по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что содержит вторую тарель-
чатую пружину с большей толщиной, чем первая пружина, для закрытия кольцевой поло-
сти высокого давления в исходном состоянии.
(56)
1. Патент DE 10251932B4, 2007.07.12. Устройство для впрыска топлива при использо-
вании встроенного усилителя давления.
2. Патент RU 2029129, МПК F 02M 51/00, 1995. Управляемая форсунка для двигателя
внутреннего сгорания.
3. Патент WO 2005/069719, МПК F 02M 45/10, 2005.08.04 "THE FUEL FEED TECH-
NIQUE IN COMBUSTION ENGINE COMBUSTION CHAMBER AND NOZZLE (Способ
подачи топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания и форсунка).
РСТ/ЕА2005/000001.
Полезная модель относится к двигателестроению, она предназначена для использова-
ния в топливной аппаратуре дизелей, в частности в аккумуляторной системе топливопо-
дачи с прерывистым впрыском.
Известна топливная система [1], в которой в устройстве для впрыска используется
встроенный усилитель давления. В устройстве между топливной форсункой и источником
топлива высокого давления расположен усилитель с поршнем, который разграничивает
соединенную с источником топлива камеру, камеру высокого давления и камеру перепада
давления. Усилитель работает от клапана, соединенного с камерой перепада давления.
Гидравлически управляемые обратные клапаны поддерживают поступление топлива в ка-
меру перепада давления и в камеру высокого давления. При сбросе давления из камеры
перепада давления осуществляется выпуск текучей среды из камеры высокого давления.
Недостаток описанной топливной системы впрыска состоит в том, что в ней использу-
ется игольчатая форсунка, которая имеет распыляющие отверстия в распылителе и их ко-
личество всегда ограничено возможностью размещения по окружности носика
распылителя.
Такие форсунки [1, 2] не могут создать сплошной конус распыла по образующей ко-
нуса, что снижает эффективность их работы и ограничивает возможность создания гомо-
генного сгорания топлива в камере сгорания дизеля. Большой ход иглы распылителя резко
усложняет решение задачи прерывистого впрыска и снижает долговечность работы из-за
разбивания посадочных поверхностей конуса.
Известна также топливная система для дизеля, являющаяся наиболее близким анало-
гом, в состав которой входит источник топлива высокого давления, усилитель давления и
топливная форсунка с клапанным распылителем топлива [3]. Для улучшения впрыска и
распыла топлива его подают в камеру сгорания в виде сплошного полого конуса с углом
распыла более 50° через кольцевую щель, образованную конической поверхностью кла-
пана и коническим седлом в корпусе. Исследования показали, что конус распыла с углом
раскрытия менее 50° выполнять нецелесообразно, поскольку в этом случае не получается
качественное смесеобразование и сгорание топлива. Топливо подают симметрично, со
смещением или под углом к оси камеры сгорания и тем, что на одну из поверхностей, об-
разующих кольцевую щель при впрыске топлива, накладывают вибрацию, и кольцевая
щель может периодически перекрываться.

3. BY 7206 U 2011.04.30
3
Подача топлива в камеру сгорания дизеля в виде полого конуса с углом распыла
большим, чем 50°, через кольцевую щель, образованную седлом клапана, позволяет
впрыскивать топливо в камеру сгорания существенно более однородным и мелкораспы-
ленным. При этом щель распыла и гнездо клапана совмещены в одном элементе, и поэто-
му при необходимости увеличения подачи топлива клапан открывают с большим зазором.
Одновременно с этим увеличивается количество подаваемого в камеру сгорания топлива.
В состав клапанной форсунки входят корпус, распылитель топлива и выполненный в
них канал подачи топлива. Корпус распылителя крепится к корпусу форсунки посред-
ством резьбового стакана. В торце корпуса распылителя выполнено седло, соответствую-
щее конусу, выполненному на тарелке клапана. Клапан имеет длинный упруго
деформируемый шток. Со стороны, противоположной тарелке клапана, на штоке выпол-
нена резьба и расположены гайки для создания предварительного натяга между тарелкой
и седлом клапана. Между штоком и корпусом распылителя выполнен зазор для пропуска-
ния топлива к седлу и тарелке клапана. Для центрирования клапана на штоке выполнены
центровочные крылья. Седло клапана может быть выполнено с расширением к выходу для
обеспечения заданных гидродинамических свойств. Для электромагнитного управления
вокруг штока может быть выполнена обмотка электромагнита.
Недостатком топливной форсунки, выбранной в качестве прототипа, является недо-
статочная надежность и стабильность работы форсунки, так как на шток (штангу) клапана
и его тарелки постоянно действуют большие силы растяжения (натяжения) как в рабочем,
так и в нерабочем состояниях. К тому же долговечность форсунки в рабочем состоянии
снижается из-за цикличности работы, прерывания впрыска и вибраций.
Задачей изобретения является качественное улучшение впрыска топлива и его распы-
ла, а также повышение надежности функционирования и долговечности работы форсунки.
Поставленная задача решается тем, что управляемая клапанная форсунка для двигате-
ля внутреннего сгорания, содержащая корпус со штуцером для подачи топлива, распыли-
тель топлива с конической поверхностью, конусный клапан, состоящий из тарелки и
штанги, гидробустер с приводным поршнем, гидрораспределитель "сопло-заслонка", по-
ляризованный электромагнит, дополнительно снабжена аккумуляторной системой подачи
с прерывистым впрыском и электрогидравлическим клапаном с дроссельной поверхно-
стью на его штанге; содержит дополнительно разгрузочный дроссель для подачи топлива
высокого давления на тарелку клапана; тарельчатую пружину для предварительного под-
жима тарелки клапана к конической поверхности седла распылителя; вторую тарельчатую
пружину с большей толщиной, чем первая пружина, для закрытия кольцевой полости вы-
сокого давления в исходном состоянии.
Использование тарельчатых пружин в управляемой клапанной форсунке обеспечивает
уменьшение ударной нагрузки на клапан, на тарелку и торец штанги при его закрывании.
Подача топлива в камеру сгорания в виде полого конуса с углом распыла от 50 до 180°
через кольцевую щель, образованную конической поверхностью клапана и коническим
седлом распылителя, с использованием электрогидравлического управления клапаном с
дроссельной поверхностью на его штанге и двух тарельчатых пружин позволяет впрыски-
вать топливо в камеру сгорания существенно более гомогенным и обеспечить высокую
надежность функционирования и долговечность работы управляемой клапанной форсун-
ки. Эта задача не разрешалась в аналогах и прототипе.
Полезная модель поясняется тремя чертежами управляемой клапанной форсунки для
двигателя внутреннего сгорания, на которых изображены:
на фиг. 1 - сечение конструкции управляемой клапанной форсунки;
на фиг. 2 - сечение конструкции гидрораспределителя "сопло-заслонка";
на фиг. 3 - сечение конструкции штанги совместно с дросселем и клапаном впрыска.
Конструкция клапанной форсунки состоит из следующих деталей: корпуса 1 (фиг. 1);
штуцера высокого давления 2; распылителя топлива 3; штанги клапана 4 диаметром d1

4. BY 7206 U 2011.04.30
4
совместно с дроссельной частью на штанге и конусным клапаном 5 для впрыска топлива в
камеру сгорания; гидробустера 6 с приводным поршнем 7; резьбового соединения 8
(фиг. 2) со штангой 4; тарельчатых пружин 9, 10, прижимающих клапан 5 штанги 4 к сед-
лу 18 (фиг. 3) распылителя 3; гидрораспределителя "сопло-заслонка" 21 в составе нагнета-
тельного сопла 11, сливного сопла 12 и заслонки 13. Заслонка 13 закреплена на оси 14
поляризованного электромагнита 15 и работает между соплами 11 и 12 с зазором
40…50 мкм.
Внутри корпуса распылителя 3 выполнена камера 22 для подачи топлива высокого
давления из штуцера 2 в камеру сгорания двигателя и размещения в ней штанги 4 сов-
местно с дросселем и клапаном впрыска 5.
Таким образом, в камере 22 с размещенной в ней штангой создается область постоян-
ного высокого давления топлива, объем которой формируется полостью высокого давле-
ния 16, цилиндрической областью, создаваемой внутренним диаметром d2 канала
распылителя 3 и цилиндрической поверхностью штанги 17 с диаметром d1 = d2 - 2δ1, где δ1 -
зазор между цилиндрическими поверхностями штанги и камеры распылителя на участке
от полости высокого давления 16 до дросселя на штанге клапана 5. Полость высокого дав-
ления 16 герметизируется сверху корпусом распылителя 3 и штангой 4, а снизу - кониче-
ской поверхностью 18 на клапане 5 и конической поверхностью распылителя 3. В области
23 штанга клапана 5 содержит поверхность 19 (фиг. 3) с кольцевыми канавками 20, вхо-
дящую с зазором δ2 ≈ 5 мкм в распылитель 3. К нагнетательному соплу 11 (фиг. 2) подво-
дится давление управления pупр = 5…20 МПа от нагнетательного трубопровода.
Тарельчатая пружина 9 создает предварительный поджим клапана 5 в штанге 4 по ко-
нической поверхности 18 к распылителю 3, а усилие предварительного поджима при этом
регулируется с помощью резьбового соединения 8 штанги 4 с поршнем 7. Тарельчатая
пружина 10 имеет большую толщину, чем пружина 9, и предназначена для закрытия
штангой 4 кольцевой полости высокого давления 16.
В исходном положении (при отсутствии впрыска топлива через форсунку) штанга 4 за-
пирает кольцевую полость 16 с находящимся в ней под высоким давлением pm = 200 МПа
топливом с усилием предварительно сжатой пружины 10. При этом давление в гидробусте-
ре 6, сообщаемом со сливным соплом 12, отсутствует, а давление управления pупр = 20 МПа
в нагнетательном сопле 11 является недостаточным для отрыва от него заслонки 13, так как
этому противодействует усилие Рэ1 поляризованного электромагнита 15.
При смене направления тока в катушке управления электромагнита 15 с положитель-
ного на отрицательное (- iупр) изменяется направление магнитного потока в этой катушке.
Тогда на якорь заслонки 13 воздействует усилие Рэ2 > Рэ1 в направлении по часовой стрел-
ке, притягивающее его к правому магнитопроводу 15. В результате заслонка 13 отрывает-
ся от нагнетательного сопла 11, перекрывая сливное сопло 12 под воздействием суммы
двух усилий: Рг от давления pупр по площади среза сопла 11 и электромагнитной Рэ2. При
этом в гидробустере 6 устанавливается давление управления pупр ≈ 20 МПа. Под воздей-
ствием давления pупр приводной поршень 7, деформируя тарельчатую пружину 10, пере-
мещает штангу 4 вместе с клапаном 5 на величину h = 35…40 мкм, соответствующую
зазору 30…35 мкм между клапаном 5 и конической поверхностью 18 распылителя 3. Че-
рез этот зазор топливо из кольцевой камеры 16 распылителя 3 впрыскивается в камеру
сгорания двигателя. В процессе впрыска происходит частичное дросселирование топлива
с перепадом давления ∆pm ≈ 100 МПа при прохождении его через зазор δ2 по поверхности
19 дросселя клапана 5 с кольцевыми канавками 20. Перемещение h = 35…40 мкм штанги 4
ограничивается усилием Р10 максимальной деформации тарельчатой пружины 10, при ко-
тором наступает равенство:
P10 = pупрS7 + (pm - ∆pm)S18,
где S7 и S18 - площади приводного поршня 7 в гидробустере 6 и конической поверхности
18 в распылителе 3 соответственно.

5. BY 7206 U 2011.04.30
5
Давление pупр в гидробустере 6 удерживается во время прижатия заслонки 13 к слив-
ному соплу 12 с усилием P12 = pупр ⋅ S12, где S12 - площадь среза отверстия сопла 12. В мо-
мент времени смены направления тока (на положительный сигнал i) в катушке управления
поляризованного электромагнита 15 заслонка 13 отрывается от сливного сопла 12 из-за
неравенства сил:
Pэ1r1 > pупрS12r2,
где r1 и r2 - радиусы приложения сил на якоре 12.1 и заслонке 13 соответственно. В ре-
зультате происходит сброс давления pупр в гидробустере 6 и штанга 4 вместе с клапаном 5
запирают кольцевую полость 16 с высоким давлением pm ≈ 200 МПа, выбирая зазор между
клапаном 5 и конической поверхностью 18.
Частота вынужденных колебаний штанги 4 в клапанной форсунке определяется часто-
той колебаний давления управления pупр в гидробустере 6, которое может изменяться от
pmax до pmin ≈ 0,25 ⋅ pmax в течение периода впрыска, равного времени закрытия заслонкой
13 сливного сопла 12.
Таким образом, предлагаемая конструкция управляемой клапанной форсунки для дви-
гателя внутреннего сгорания решает поставленную задачу по улучшению качества впрыс-
ка топлива и его распыла, а также повышения надежности функционирования и
долговечности работы форсунки.
Совместно с Минским моторным заводом ведутся научно-исследовательские и опыт-
но-конструкторские работы по созданию конкурентоспособной топливной аппаратуры.
Фиг. 2 Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.