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ES2277229T3 - Servovalvula para controlar el inyector de combustible de un motor de combustion interna. - Google Patents

Servovalvula para controlar el inyector de combustible de un motor de combustion interna. Download PDF

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ES2277229T3
ES2277229T3 ES04425475T ES04425475T ES2277229T3 ES 2277229 T3 ES2277229 T3 ES 2277229T3 ES 04425475 T ES04425475 T ES 04425475T ES 04425475 T ES04425475 T ES 04425475T ES 2277229 T3 ES2277229 T3 ES 2277229T3
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ES
Spain
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fuel injector
shutter
injector according
axial rod
fuel
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ES04425475T
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English (en)
Inventor
Mario Ricco
Sisto Luigi De Matthaeis
Adriano Gorgoglione
Alfonso Di Meo
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Centro Ricerche Fiat SCpA
Original Assignee
Centro Ricerche Fiat SCpA
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Abstract

Un inyector de combustible para un motor de combustión interna (1) que comprende: - una carcasa exterior (2) que finaliza en una tobera para inyectar combustible al interior de un cilindro relativo del motor; - un aguja de obturador que puede moverse para cerrar y abrir dicha tobera; - un eje (7) alojado en dicha carcasa exterior (2) y que puede deslizar a lo largo de una dirección axial (3) para controlar el movimiento de dicha aguja del obturador; - una servoválvula de control (8) alojada en dicha carcasa exterior (2) y que comprende: a) medios de accionamiento (9); b) una cámara de control (13) que comunica con una entrada de combustible (5) y un paso de salida de combustible (22) que tiene una porción calibrada (23), y cuya presión controla el deslizamiento axial de dicho eje (7); y c) un obturador (35) que se puede mover, a lo largo de un eje longitudinal (3) por dichos medios de accionamiento (9), entre una posición totalmente cerrada, en la cual cierra dicho paso de salida (22), y una posición totalmente abierta, en la cual deja abierto dicho paso de salida (22), para variar la presión en dicha cámara de control (13) con el fin de cerrar y abrir dicha tobera; en donde dicha servoválvula de control (8) también comprende una varilla axial (29) en una posición fija con respecto a dicha carcasa (2); y en donde dicho paso de salida (22) sale a través de una superficie lateral exterior (30) de dicha varilla axial (29); estando acoplado dicho obturador (35) a dicha superficie lateral exterior (30) de un modo axialmente deslizante y sustancialmente estanco al fluido y, en dicha posición totalmente cerrada, cierra dicho paso de salida (22) para que sea sometido a una fuerza axial resultante nula por la presión del combustible.

Description

Servoválvula para controlar el inyector de combustible de un motor de combustión interna.
La presente invención se refiere a una servoválvula para controlar el inyector de combustible de un motor de combustión interna.
Como es sabido, un inyector comprende un cuerpo de inyector que define una tobera para inyectar combustible en el motor, y aloja una varilla de control que se puede mover a lo largo de un respectivo eje para activar una aguja que cierra la tobera. El cuerpo del inyector aloja también una servoválvula de control electromagnética que comprende una cámara de control limitada axialmente, en uno de los lados, por la varilla de control y, en el otro lado, por una pared extrema que tiene un orificio de salida axial calibrado que, en el exterior de la cámara de control, sale axialmente hacia el interior de un asiento cónico. La servoválvula de control comprende también un obturador que se acopla con el asiento cónico y es activado por un accionador electromagnético para moverse axialmente hacia y desde el asiento para abrir y cerrar el orificio de salida y variar así la presión dentro de la cámara de control.
Más concretamente, el obturador se somete, en uno de los lados, al empuje axial ejercido por la presión del combustible en el orificio de salida y, en el otro lado, a la acción del accionador y al empuje axial de un resorte precargado para mantener cerrado el orificio de salida cuando el accionador no es activado.
Las soluciones conocidas como las descritas anteriormente son insatisfactorias, teniendo en cuenta que las características y tamaño del resorte posicionador del obturador han de ser tales que ejerza una alta precarga, por ejemplo, de alrededor de 70 newtons, para mantener cerrado el orificio de salida a elevada presión (incluso tan elevada como de 1.800 bares), de manera que también se requieren accionadores potentes.
Para reducir al mínimo los inconvenientes anteriores, se ha llevado a cabo un intento de reducir al mínimo el área de obturación del obturador para reducir la presión sobre el obturador. Sin embargo, debido al área de obturación más pequeña, la descarga del volumen de control para activar la tobera de inyección requiere una elevación relativamente alta (alrededor de 50 micrómetros) del obturador para descubrir secciones de flujo suficientemente grandes, cuya elevación es indeseable.
Además, una fuerte fuerza de cierre del obturador y la exposición axial directa del obturador a una elevada presión causa el "rebote" del obturador cuando se cierra. Es decir, el obturador rebota realmente en lugar de asentarse inmediatamente, sobre el asiento de obturación.
La DE4310984 describe una válvula de control hidráulico, accionable electromagnéticamente, que comprende una bobina de electroimán, una armadura que presenta una parte interna en forma de manguito, montada de manera desplazable sobre un pasador de guía central dispuesto en una posición fija con respecto a la bobina de electroimán, y un resorte de retorno. Dicha válvula de control se emplea en una tubería de alimentación de combustible en el exterior de un inyector de combustible.
Un objeto de la presente invención consiste en proporcionar una servoválvula para controlar el inyector de combustible de un motor de combustión interna, diseñada para solucionar los problemas anteriores de manera directa y a bajo coste y que, preferentemente, resulta sencilla de producir y montar, es compacta y comprende un pequeño número de componentes.
De acuerdo con la presente invención, se proporciona un inyector de combustible para un motor de combustión interna que comprende:
- una carcasa exterior que finaliza en una tobera para inyectar combustible al interior de un cilindro relativo del motor;
- un aguja de obturador que puede moverse para cerrar y abrir dicha tobera;
- un eje alojado en dicha carcasa exterior y que puede deslizar a lo largo de una dirección axial para controlar el movimiento de dicha aguja del obturador;
- una servoválvula de control alojada en dicha carcasa exterior y que comprende:
a) medios de accionamiento;
b) una cámara de control que comunica con una entrada de combustible y un paso de salida de combustible que tiene una porción calibrada, y cuya presión controla el deslizamiento axial de dicho eje; y
c) un obturador que se puede mover, a lo largo de un eje longitudinal por dichos medios de accionamiento, entre una posición totalmente cerrada, en la cual cierra dicho paso de salida, y una posición totalmente abierta, en la cual deja abierto dicho paso de salida, para variar la presión en dicha cámara de control con el fin de cerrar y abrir dicha tobera;
en donde dicha servoválvula de control también comprende una varilla axial en una posición fija con respecto a dicha carcasa; y en donde dicho paso de salida sale a través de una superficie lateral exterior de dicha varilla axial; estando acoplado dicho obturador a dicha superficie lateral exterior de un modo axialmente deslizante y sustancialmente estanco al fluido y, en dicha posición totalmente cerrada, cierra dicho paso de salida para que sea sometido a una fuerza axial resultante nula por la presión del combustible.
La solución anterior proporciona una reducción del 50% aproximadamente en la elevación del obturador y una reducción del 30% aproximadamente en la fuerza de cierre; y el hecho de que el obturador esté equilibrado ayuda a reducir el "rebote" del obturador.
Se describirá ahora, solo a modo de ejemplo, una modalidad no limitativa de la invención, con referencia a los dibujos adjuntos, en donde:
La figura 1 muestra una sección, con partes canceladas para ofrecer una mayor claridad, de una modalidad preferida de un inyector de combustible para un motor de combustión interna de acuerdo con la presente invención.
La figura 2 es similar a la figura 1 y muestra una variación del inyector de combustible de la figura 1.
El número 1 en la figura 1 indica, en su conjunto, un inyector de combustible (mostrado parcialmente) de un motor de combustión interna, en particular un motor diesel (no mostrado). El inyector 1 comprende una estructura o carcasa exterior 2 que se extiende a lo largo de eje longitudinal 3, tiene una entrada lateral 5 para conectarse a una bomba que forma parte de un sistema de alimentación de combustible (no mostrado) y termina en una tobera (no mostrada) que comunica con la entrada 5 y para la inyección de combustible al interior de un cilindro relativo del motor.
La carcasa 2 define un asiento axial 6 y aloja una varilla 7 que se desliza axialmente y de un modo estanco al fluido en el interior del asiento 6, para controlar una aguja del obturador (no mostrada) para el cierre y apertura de la tobera de inyección de combustible.
La carcasa 2 aloja una servoválvula de control 8 que comprende un dispositivo de accionamiento 9, que es coaxial con la varilla 7 y comprende un electroimán 10; una armadura segmental 11 que se desliza axialmente por el interior de la carcasa 2 bajo el control del electroimán 10; y un resorte precargado 12 rodeado por el electroimán 10 y que ejerce un empuje sobre la armadura 11 en la dirección opuesta a la atracción por el electroimán 10.
La servoválvula 8 comprende una cámara de control 13 que está formada en una posición axial intermedia entre el dispositivo de accionamiento 9 y la varilla 7, comunica permanentemente con la entrada 5 a lo largo de un paso 18 para recibir combustible a presión, y está limitada axialmente, en uno de los lados, por la varilla 7, y en el otro lado por un disco extremo 20 alojado en una posición fija dentro de la carcasa 2.
La cámara 13 comprende un paso de salida 22 simétrico con respecto al eje 3, y que comprende un orificio de sección calibrada 23 formado a lo largo del eje 3 en el disco 20, y una porción extrema 24 formada en un cuerpo de distribución 25 situado en una posición axial intermedia entre el disco 20 y el dispositivo de accionamiento 9.
El cuerpo 25 comprende una base 26 sujeta axialmente contra el disco 20, de un modo estanco al fluido y en una posición fija, mediante una tuerca circular 27 que se rosca en una superficie interna 28 de la carcasa 2 y descansa axialmente sobre una porción anular exterior de la base 26. El cuerpo 25 también comprende una varilla o aguja 29, la cual se proyecta desde la base 26 a lo largo del eje 3 en la dirección opuesta a la cámara 13, está formada en una sola pieza con la base 26, queda limitada exteriormente por una superficie lateral cilíndrica 30 y presenta dos orificios radiales internos, diametralmente opuestos 31. Los orificios 31 forman parte de la porción 24, comunican de manera estanca al fluido con el orificio 23 por medio de un orificio intermedio 32 formado a lo largo del eje 3 en la base 26, y sale de la aguja 29 en una posición axial adyacente a la base 26, hacia el interior de una cámara anular 34 formada a lo largo de la superficie 30.
La salida del paso 22, definida por la cámara 34, es abierta/cerrada por un obturador definido por un manguito 35, el cual es activado por el dispositivo de accionamiento 9 para variar la presión en la cámara de control 13 y así abrir y cerrar la tobera de inyección por translación axial de la varilla 7.
El manguito 35 está formado en una sola pieza con la armadura 13 y tiene una superficie interna cilíndrica 36 que coincide, de un modo sustancialmente estanco al fluido, con la superficie 30 con un huelgo diametral calibrado suficientemente pequeño, por ejemplo menor de 4 micrómetros, o con la interposición de elementos obturadores, tales como anillos de PTFE cargado con bronce o de materiales conocidos por los nombres comerciales "Turcite" o "Turcon".
El manguito 35 se desliza axialmente, a lo largo de la superficie 30, entre una posición totalmente adelantada, en la cual cierra el paso 22 y un extremo 37 del manguito 35 descansa sobre un hombro cónico 38 que conecta la superficie 30 con la base 26, y una posición totalmente retraída, en donde hace que el paso 22 quede abierto. Más concretamente, en la posición totalmente adelantada, el combustible ejerce un empuje resultante axial nulo sobre el manguito 35, en virtud de la presión en la cámara 34 que actúa radialmente sobre la superficie 36 y, en la posición totalmente retraída, el combustible fluye desde el paso 22 hacia un canal de descarga o recirculación (no mostrado) a través de un paso anular 39 definido por la tuerca circular 27 y el manguito 35, a través de la abertura 11 y a través de la cavidad 40 que aloja al resorte 12.
La posición totalmente adelantada del manguito 35 queda definida por el hombro 38 que conecta con el manguito; y la posición totalmente retraída queda definida por un anillo 41 ajustado en una posición fija a un extremo 42 de la varilla 29. Más concretamente, el extremo 42 se proyecta axialmente con respecto al manguito 35 al interior de la cavidad 40.
La figura 2 muestra una variación de servoválvula 8, cuyas partes componentes vienen indicadas, cuando sea posible, empleando los mismos números de referencia que en la figura 1.
La variación de la figura 2 difiere de la modalidad descrita anteriormente por el hecho de que el electroimán 10 ha sido reemplazado por un accionador piezoeléctrico 10a (mostrado parcialmente) el cual, cuando se somete a voltaje, aumenta de tamaño axialmente para activar el manguito 35 y abrir así la salida del paso 22.
Más concretamente, la cámara 34 y el hombro 38 son adyacentes al extremo 42 y el resorte 12 es reemplazado por un resorte 12a interpuesto axialmente entre el manguito 35 y la base 26 para empujar axialmente el manguito 35, en oposición al empuje axial del accionador 10a hacia la posición totalmente retraída para cerrar la cámara 34 de manera estanca al fluido.
En la variación de la figura 2, el manguito 35 descansa axialmente contra el accionador 10a con la interposición de apéndices 11a formados en una sola pieza con el manguito 35; y la varilla 29 y la base 26 quedan definidas por partes separadas ajustadas entre sí en una posición fija y de un modo estanco al fluido, con el fin de que el manguito 35 y el resorte 12a se puedan ajustar alrededor de la varilla 29 a la hora de efectuar el montaje.
En otra modalidad no ilustrada, la cámara 34 y el hombro 38 son adyacentes a la base 26 (como en la figura 1) y se proporciona un sistema de transmisión entre el accionador piezoeléctrico 10a y el manguito 35 para extraer el manguito 35 hacia el extremo 42 y abrir la salida del paso 22 cuando el accionador 10a aumenta de tamaño axialmente. El sistema de transmisión es tal que, en el montaje, el cuerpo 35 con la varilla 29 se pueden insertar primeramente de forma axial y ajustarse en su sitio, seguido por el manguito 35, posiblemente junto con la armadura 11.
Como resultará claro a partir de la descripción anterior, las características del paso 22 y del ajuste por deslizamiento, a lo largo del eje 3, del manguito 35 y de la varilla 29, proporcionan una presión de equilibrio axial sobre el manguito 35 en la posición cerrada. Dicho equilibrio, como ya ha sido indicado, permite una reducción del 30% aproximadamente en la precarga del resorte 12, 12a, una reducción en la fuerza requerida del accionador eléctrico (10, 10a) y, por tanto, una reducción en el tamaño del resorte 12 y del accionador eléctrico, en comparación con soluciones conocidas en donde el obturador cierra frontalmente la salida del orificio 23.
Además, incluso solo una pequeña cantidad de elevación o desplazamiento axial del manguito 35 produce amplias secciones de flujo, mejorando así el comportamiento dinámico del inyector 1.
En virtud de que la varilla axial 29 es fija y se define un elemento de guía axial interno para el manguito 35, se pueden formar los orificios 23 y 32 a lo largo del eje 3, simplificando así enormemente la fabricación y montaje de la servoválvula 8. De hecho, si los orificios 23 y 32 estuvieran situados a una distancia del eje 3, tendrían que proporcionarse sistemas de ajuste relativamente complejos con el fin de situar la base 26 y el disco 20 angularmente al objeto de mantener alineados los orificios 23 y 32.
La ausencia de dichos sistemas de ajuste, la formación del cuerpo 25 en una sola pieza y la formación de la armadura 11 y del manguito 35 en una sola pieza, dan lugar a un número relativamente pequeño de partes componentes y, por tanto, a un montaje relativamente sencillo y un ajuste de alta precisión.
Teniendo en cuenta las características de la base 26, la varilla 29 se puede ajustar a la carcasa 2 fácilmente por medio de una tuerca anular 27, lo cual de ningún modo aparece normalmente en las soluciones conocidas.
El hecho de que los topes de limitación del manguito 35, es decir, el anillo 41 y el hombro 38, estén dispuestos sobre la varilla 29, causa la disociación del desplazamiento total del manguito 35 y de la armadura 11 con respecto a la posición del electroimán 10. Además, cualquier desplazamiento o deformación elástica del cuerpo 25 también produce el desplazamiento del anillo 41 y, por tanto, no presenta sustancialmente ningún efecto sobre el desplazamiento total del manguito 35 entre sus posiciones límites.
El uso de un accionador piezoeléctrico 10a simplifica enormemente la fabricación del inyector 1 al eliminar los devanados eléctricos del electroimán 10.
Como es evidente, pueden efectuarse cambios en la servoválvula de control 8 como la anteriormente descrita e ilustrada, sin desviarse por ello del alcance de la presente invención.
En particular, la cámara 34 puede formarse en la superficie 36, proporcionando todavía al mismo tiempo la presión resultante nula sobre el obturador, definido por el manguito 35, en la posición totalmente cerrada.
El orificio calibrado 23 se puede formar en la varilla 29 y, en particular, puede quedar definido por una porción radial entre la cámara 34 y el orificio 32.
En lugar de acoplar una ranura anular en el extremo 42, el anillo 41 puede descansar axialmente sobre otro elemento distinto de la varilla 29 y roscarse, ajustarse con apriete o encolarse, en una posición fija en la varilla 29.

Claims (16)

1. Un inyector de combustible para un motor de combustión interna (1) que comprende:
- una carcasa exterior (2) que finaliza en una tobera para inyectar combustible al interior de un cilindro relativo del motor;
- un aguja de obturador que puede moverse para cerrar y abrir dicha tobera;
- un eje (7) alojado en dicha carcasa exterior (2) y que puede deslizar a lo largo de una dirección axial (3) para controlar el movimiento de dicha aguja del obturador;
- una servoválvula de control (8) alojada en dicha carcasa exterior (2) y que comprende:
a) medios de accionamiento (9);
b) una cámara de control (13) que comunica con una entrada de combustible (5) y un paso de salida de combustible (22) que tiene una porción calibrada (23), y cuya presión controla el deslizamiento axial de dicho eje (7); y
c) un obturador (35) que se puede mover, a lo largo de un eje longitudinal (3) por dichos medios de accionamiento (9), entre una posición totalmente cerrada, en la cual cierra dicho paso de salida (22), y una posición totalmente abierta, en la cual deja abierto dicho paso de salida (22), para variar la presión en dicha cámara de control (13) con el fin de cerrar y abrir dicha tobera;
en donde dicha servoválvula de control (8) también comprende una varilla axial (29) en una posición fija con respecto a dicha carcasa (2); y en donde dicho paso de salida (22) sale a través de una superficie lateral exterior (30) de dicha varilla axial (29); estando acoplado dicho obturador (35) a dicha superficie lateral exterior (30) de un modo axialmente deslizante y sustancialmente estanco al fluido y, en dicha posición totalmente cerrada, cierra dicho paso de salida (22) para que sea sometido a una fuerza axial resultante nula por la presión del combustible.
2. Un inyector de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho paso de salida (22) es simétrico con respecto a dicho eje longitudinal (3).
3. Un inyector de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque dicho paso de salida (22) sale hacia el interior de una cámara anular (34) formada radialmente entre dicha varilla axial (29) y dicho obturador (35).
4. Un inyector de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho obturador (35) comprende una superficie interna cilíndrica (36) que se desliza axialmente sobre dicha superficie lateral exterior (30) y cierra radialmente dicho paso de salida (22).
5. Un inyector de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dichos medios de accionamiento (9) comprenden un accionador electromagnético (10, 11); estando integrado dicho obturador (35) con la armadura (11) de dicho accionador electromagnético (10, 11).
6. Un inyector de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dichos medios de accionamiento (9) comprenden un accionador piezoeléctrico (10a).
7. Un inyector de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un primero (38) y un segundo (41) medios de tope limitadores que definen dicha posición totalmente cerrada y dicha posición totalmente abierta respectivamente; estando dispuestos en dicha varilla axial (29) dichos primero (38) y segundo (41) medios de tope limitadores.
8. Un inyector de combustible según la reivindicación 7, caracterizado porque dicho primer medio de tope limitador comprende un hombro cónico (38) formado en una sola pieza con dicha varilla axial (29), y dicho segundo medio de tope limitador comprende un anillo de tope (41) ajustado a dicha varilla axial (29).
9. Un inyector de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha porción calibrada (23) está formada en una posición adyacente a dicha cámara de control (13).
10. Un inyector de combustible según la reivindicación 9, caracterizado porque dicha porción calibrada (23) está formada axialmente en un cuerpo (20) distinto de dicha varilla axial (29); y porque dicho paso de salida comprende al menos una porción de salida radial (31) formada en dicha varilla axial (29) y comunicando de manera estanca al fluido con dicha porción calibrada (23).
11. Un inyector de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque dicha segunda porción calibrada (23) está formada en dicha varilla axial (29).
12. Un inyector de combustible según la reivindicación 11, caracterizado porque dicha porción calibrada (23) está formada en el extremo de dicho paso de salida (22).
13. Un inyector de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho paso de salida (22) comprende una porción extrema (24) formada en dicha varilla axial (29) y en una base (26) fijada en dicha carcasa (2) por una tuerca circular (27) e íntegra con dicha varilla axial (29).
14. Un inyector de combustible según la reivindicación 13, caracterizado porque dicha varilla axial (29) y dicha base (26) están formadas en una sola pieza (25).
15. Un inyector de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho obturador (35) está ajustado en dicha superficie lateral exterior (30) con un huelgo calibrado.
16. Un inyector de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque dicho obturador (35) está ajustado en dicha superficie lateral exterior (30) con la interposición de elementos de obturación.
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