ES2249753T3 - Aguja hueca para inyector de combustible. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de cierre de válvula para un sistema de inyección de carburante que comprende una aguja (101) saliente, cerrada en reposo, y destinada a deformarse por la acción de ondas ultrasónicas con el fin de definir una hendidura anular de eyección con respecto a un asiento de válvula, caracterizado porque comprende una primera parte que constituye la aguja (101) y porque la aguja (101) está formada por una barra cilíndrica hueca, cerrada por un primer extremo (102).

Description

Aguja hueca para inyector de combustible.

La presente invención se refiere a un dispositivo de cierre de válvula utilizado, en particular, en dispositivos destinados a asegurar una pulverización de fluidos.

La presente invención se refiere, más concretamente, a un tipo de geometría para una válvula destinada a la entrega dosificada de fluidos, por ejemplo, en los sistemas de inyección de carburante de un vehículo automóvil. Un dispositivo de este tipo se describe, por ejemplo, en la solicitud de patente FR2801346.

Esta solicitud de patente describe un dispositivo de inyección de carburante caracterizado, en particular, porque dicho sistema de inyección está dotado de una aguja, denominada saliente, que puede deformarse por la acción de ondas ultrasónicas con el fin de definir una hendidura anular de eyección en relación con un asiento de válvula.

Pero en todos los casos debe hacerse frente al delicado problema de obtener, a la vez, una excelente estanqueidad del asiento cuando el dispositivo esté en reposo pero sin afectar a las otras funciones que tiene que asegurar la aguja y, en particular, las aperturas y los cierres de la válvula que permitan la pulverización del fluido.

Además, la aguja tiene que tener características mecánicas de un nivel suficientemente alto, con el fin de poder soportar sin riesgo de rotura las tensiones mecánicas generadas, por una parte, por las ondas de deformación y, por otra, por la presión elevada del fluido que baña la aguja.

Así, la consideración de todas las tensiones funcionales de la aguja no permite, necesariamente, optimizar por separado todos los parámetros geométricos, y la elección definitiva de las formas y las dimensiones de las diferentes partes de la aguja es siempre el resultado de un compromiso entre las prestaciones del sistema, su robustez y su fiabilidad. Por ejemplo, la resistencia mecánica, estática, de la aguja a la presión cuando el sistema esté en reposo depende de la sección del vástago. Pero este parámetro tiene influencia, también, en la apertura de la aguja por el efecto de las ondas de deformación ultrasónicas, ya que modifica, a la vez, las propiedades elásticas e inerciales de la aguja.

Por otro lado, el compromiso entre la presión de inyección, el caudal y la resistencia mecánica del sistema supone un problema importante, puesto que la sección máxima de la aguja esté limitada por el problema antedicho y el diámetro mínimo de la cabeza de la aguja, al nivel de la zona de estanqueidad en su asiento, está determinado por el caudal mínimo deseado. En este caso, en efecto, la diferencia entre las dos secciones antedichas define una sección aparente en el fluido que estará sometida a esfuerzos debidos a la presión, esfuerzos que será necesario compensar tirando de la aguja, con el fin de garantizar la buena estanqueidad de la válvula en reposo. De ese modo, la presión máxima utilizable en el sistema estará limitada por el esfuerzo máximo de tracción aceptable por la aguja en reposo. Para una sección determinada del vástago de la aguja, la presión máxima admisible será tanto más baja cuanto mayor sea la sección aparente en el fluido.

En el caso, por ejemplo, de la solicitud de patente FR2801346, la apertura de la válvula se produce merced a las deformaciones de la aguja por efecto de las ondas acústicas ultrasónicas. Para este tipo de aplicación en la que sea necesario garantizar un caudal de fluido suficiente para el buen funcionamiento del motor, la sección del vástago de la aguja tiene que ser suficientemente pequeña para permitir deformaciones importantes y, al mismo tiempo, la sección de la válvula al nivel de la zona de estanqueidad tiene que ser suficientemente grande para asegurar el caudal deseado.

En funcionamiento, la sección aparente en el fluido a presión así definida no permite superar una presión máxima superior a una centena de bares, a fin de que, en reposo, la tensión estática en el vástago generada por el esfuerzo de tracción necesario para la estanqueidad, no provoque la rotura de la aguja. Además, para asegurar un funcionamiento correcto del sistema, el esfuerzo de tracción debe reajustarse en caso de variaciones de la presión de funcionamiento.

La presente invención tiene por objeto perfeccionar la realización del dispositivo antedicho al proponer una geometría de la aguja adaptada con el fin de que sus características mecánicas respondan mejor a las necesidades funcionales de un dispositivo destinado a la entrega dosificada de fluidos y, en particular, permitan aumentar sensiblemente la presión de alimentación de dicho dispositivo y que, al mismo tiempo, permitan la reducción del esfuerzo estático a aplicar en la aguja para asegurar la estanqueidad del sistema en reposo y una auto adaptación de este esfuerzo en relación con la presión de funcionamiento.

Este objeto se logra mediante un dispositivo de cierre de válvula para un sistema de inyección de carburante que comprende una aguja saliente o suspendida destinada a deformarse por la acción de ondas ultrasónicas a fin de definir una hendidura anular de eyección en relación con un asiento de válvula, caracterizado porque comprende una primera parte que forma la aguja y porque la aguja está formada por una barra cilíndrica hueca, cerrada por un primer extremo.

Esta geometría particular permite, a la vez, reducir sensiblemente la sección aparente en el fluido y mantener las características mecánicas de una aguja cilíndrica no hueca de diámetro inferior, como la descrita en la solicitud de patente FR2801346.

De acuerdo con un modo particular de realización de la invención, la aguja comprende dos partes distintas, que forman un conjunto solidario.

De ese modo, mediante este tipo de estructura heterogénea, se obtiene una ventaja esencial porque cada una de las partes de la aguja disfruta de una flexibilidad de realización mayor.

Una vez fijado el diámetro exterior, la sección aparente en el fluido que corresponde, de acuerdo con la solicitud de patente FR2801346, a la diferencia de sección entre la pared exterior de la aguja y el ánima conformada a lo largo del conducto que forma el cuerpo de dicho inyector, podrá adaptarse con el fin de reducir lo máximo posible el esfuerzo estático a aplicar en la aguja para mantener la válvula cerrada, pero sin generar demasiadas pérdidas de carga durante el trayecto del fluido hasta la cabeza de eyección destinada a desembocar en la cámara de combus-
tión.

Se comprenderán mejor los objetos, aspectos y ventajas de la presente invención por medio de la descripción proporcionada en lo que sigue de diferentes modos de realización, presentados a modo de ejemplos no limitativos, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una vista global, en corte parcial, del dispositivo objeto de la presente invención.

la figura 2 es una vista, en corte, de la parte inferior del cuerpo de la aguja.

En lo que se refiere a la figura 1, se ha representado el dispositivo de válvula objeto de la invención.

Como se ha indicado en el preámbulo, el dispositivo según la invención puede aplicarse a un sistema de inyección de carburante que cuente con una aguja denominada saliente o suspendida que pueda deformarse por la acción de ondas ultrasónicas, con el fin de definir una hendidura anular de eyección con respecto a un asiento de válvula. Un sistema de este tipo se describe en la solicitud de patente francesa FR2801346.

Este dispositivo según la invención se compone de dos partes distintas, solidarias. La primera parte comprende un vástago o aguja 101 constituida por una barra cilíndrica hueca en cuyo extremo están conformados los medios obturadores 102, cuya geometría específica se detallará en lo que sigue. La barra cilíndrica hueca se caracteriza porque el ánima 103 es pasante, solamente, por uno solo de sus extremos 105 y coopera, por este extremo, con la segunda parte 104 de la válvula que constituye los medios de retención mecánica de la aguja.

Así, los medios 104 de retención mecánica de la aguja están constituidos por una barra cilíndrica, al menos parcialmente, cuyo primer extremo 106 está destinado a cooperar sin holgura con el interior del ánima 103 de la aguja. Este extremo 106 presenta una parte cilíndrica ajustada al diámetro del ánima 103 que se extiende en una longitud suficiente, destinada a asegurar un centrado y un guiado suficiente del primer extremo 106 de los medios 104 de retención mecánica en el ánima 103, garantes de una buena coaxialidad entre los ejes de revolución de las dos partes que constituyen la válvula, una vez montada ésta.

La unión entre el extremo 106 y el resto de la barra cilíndrica que forma los medios 104 de retención mecánica define un resalto 107 destinado a asegurar el bloqueo en traslación del primer extremo 106 de la barra 104 en el ánima 103.

El resalto 107 formado por la unión de las superficies cilíndricas de los medios 104 de retención mecánica y del primer extremo 106 de la barra está adaptado de modo que apoye, durante el montaje, en el extremo 105 del cuerpo de la aguja 101. Una vez montadas las dos piezas, la unión completa entre la aguja 101 y los medios 104 de retención mecánica se obtiene merced a medios de soldadura mecánica como, por ejemplo, una soldadura por haz de electrones o, también, por láser, cuya forma podrá adaptarse, en función de la resistencia deseada, a lo largo de una superficie definida por la superficie exterior del extremo 105 de la aguja 101, frente al primer extremo 106 de los medios 104 de retención mecánica.

Así, haciendo uso del resalto 107, asociado con un montaje sin holgura del diámetro del primer extremo 106 en el ánima 103 de la aguja 101, y mediante una soldadura mecánica, se obtiene, a la vez, una unión rígida junto con una perfecta coaxialidad entre las dos partes que constituyen la válvula, y una estanqueidad entre el ánima 103 conformada dentro del cuerpo de la aguja 101 y el medio exterior.

El segundo extremo 108 de los medios 104 de retención mecánica de la aguja 101 presenta una forma cónica 109 terminada en una rosca 110. El cono 109 es de tipo cono Morse, es decir, que está destinado a penetrar en una contrapieza que presente un ánima cónica con, sensiblemente, el mismo ángulo que el de dicho cono 109. Por ejemplo, el ángulo del cono 109 podrá ser del orden de 5 a 6º.

Esta geometría permite asegurar una unión elástica bidireccional, desmontable, de tipo cono Morse y contratuerca entre la válvula y una masa que asegure una rotura de la impedancia acústica.

Con el fin de permitir el mantenimiento en rotación de la aguja durante el establecimiento de la unión antedicha, hay conformada una parte plana 111, destinada a cooperar con un útil de montaje, en el extremo de la rosca 110.

A modo de ejemplo, en el caso de una estructura tal como la descrita en la solicitud de patente FR2801346, en la que la hendidura de eyección del fluido se obtiene mediante una deformación por ultrasonidos de la aguja y de la pieza que soporta el asiento, la superficie de la sección de la aguja podrá estar comprendida, por ejemplo, entre 0,7 y 10 mm^{2}, preferiblemente 0,78 mm^{2}, y, el material escogido podrá ser titanio, por ejemplo, de clase TA6V, de modo que su deformación en funcionamiento no requiera mucha energía.

En lo que se refiere al diámetro exterior de la parte cilíndrica hueca de la aguja 101, éste se fijará en función de la sección máxima deseada para el vástago y de la presión de alimentación prevista para el sistema. Por ejemplo, en el caso de una presión de alimentación del orden de 600 bares, el diámetro exterior de la aguja 101 de clase TA6V podrá fijarse en 3,1 mm y el diámetro interior, en 2,7 mm.

En relación ahora con la figura 2, puede verse la forma particular de los medios obturadores 102 conformados en el extremo del cuerpo de la aguja 101.

Así, los medios obturadores 102 están constituidos por una forma 112 parcialmente esférica destinada a cooperar con el asiento de la válvula. Por tanto, para asegurar una estanqueidad a los fluidos se requieren, a lo largo de la zona 112 de contacto, un excelente estado de la superficie así como un defecto de forma muy pequeño, lo que garantiza una estanqueidad perfecta de la válvula.

En particular, los defectos de forma de esta parte tienen que ser inferiores a 5 \mum, preferiblemente del orden de una micra. La forma esférica 112 se extiende así a todo lo largo de la zona de contacto entre la válvula y su asiento.

El resto de la superficie exterior 113 de los medios obturadores situados fuera de la zona 112 de contacto se mecaniza de modo que presente un volumen reducido y una masa lo más pequeña posible, en particular, en el caso de aplicaciones tales como la descrita en la solicitud de demanda FR2801346. Esta parte tiene que asegurar, también, una rigidez suficiente al conjunto de la cabeza 102 de la aguja, con el fin de reducir las deformaciones generadas por los esfuerzos de contacto ejercidos por el asiento de válvula a lo largo de la superficie 112.

La conexión entre la superficie 112, que define la zona de apoyo de la válvula en su asiento, y la superficie exterior 113, presenta una pendiente á cuya función es evitar los fenómenos de mojadura de la cabeza de la aguja con el carburante durante la inyección. Siempre por las mismas razones, será preferible pulir la superficie exterior 113 después del mecanizado a fin de obtener una rugosidad de superficie pequeña, por ejemplo, Ra<0,5 \mum.

En el extremo inferior 114 de los medios obturadores 102, la superficie exterior define un vaciado, por ejemplo en forma de concavidad cónica, que permite reducir sensiblemente el peso de la cabeza 102 de la aguja 101, pero sin afectar a la rigidez global de la parte 102. Esta forma podrá adaptarse para ajustar la masa global del extremo de la cabeza 102 y proporcionarle, si es necesario, un valor de masa específica. Se ha comprobado que este parámetro, que permite un ajuste de la masa de la parte 102, resulta ventajoso en el caso de funcionamiento acústico de la aguja, tal como el descrito en la solicitud de patente FR2801346.

De igual manera, el fondo 116 del ánima 103 presenta una forma adaptada con el fin de permitir un aligeramiento de la cabeza 102 de la aguja y asegurar, al mismo tiempo, que las deformaciones de la parte exterior 115 por efecto de los esfuerzos del fluido a presión sean inferiores a algunas micras, preferiblemente, menos de 5 \mum. De acuerdo con la variante representada en la figura 2, el perfil de la forma del fondo 116 del ánima 103 de la aguja 101 es una W.

Aguas arriba de la superficie 112 de contacto hay conformada una parte cilíndrica 115 de diámetro exterior ligeramente superior al del resto del cuerpo de la aguja 101. Esta zona está destinada a cooperar con un ánima del sistema de inyección (no representada), con el fin de asegurar un guiado de la válvula para evitar que los movimientos de traslación durante las aperturas y los cierres de la válvula no sean perturbados por un batimiento muy pronunciado del cuerpo de la aguja 101.

La tolerancia de guiado de la parte cilíndrica 115 deberá fijarse en función de los materiales utilizados y tendrá que tener en cuenta las deformaciones debidas a las tensiones térmicas a las que serán sometidos dichos materiales durante el funcionamiento del dispositivo. Se escogerá, por ejemplo, una holgura inferior en 5 \mum al diámetro, preferiblemente 2 \mum.

Resulta evidente que la invención no se limita en modo alguno a los modos de realización descritos e ilustrados, que solamente se proporcionan a modo de ejemplo.

Claims (12)

1. Dispositivo de cierre de válvula para un sistema de inyección de carburante que comprende una aguja (101) saliente, cerrada en reposo, y destinada a deformarse por la acción de ondas ultrasónicas con el fin de definir una hendidura anular de eyección con respecto a un asiento de válvula, caracterizado porque comprende una primera parte que constituye la aguja (101) y porque la aguja (101) está formada por una barra cilíndrica hueca, cerrada por un primer extremo (102).

2. Dispositivo de cierre de válvula según la reivindicación 1, caracterizado porque el primer extremo de la barra (101) termina en una forma ensanchada, de diámetro superior al de la barra cilíndrica hueca (101), destinada a cooperar con un asiento, y que constituye así los medios obturadores del sistema de inyección de fluido.

3. Dispositivo de cierre de válvula según la reivindicación 2, caracterizado porque los medios obturadores son de forma semiesférica, al menos parcialmente, con el fin de constituir, durante los contactos con el asiento de válvula, una zona de contacto anular.

4. Dispositivo de cierre de válvula según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los medios obturadores (102) comprenden una zona (115) de guiado formada por una parte cilíndrica (115) de diámetro exterior ligeramente superior al del resto del cuerpo de la aguja (101).

5. Dispositivo de cierre de válvula según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la superficie exterior de los medios obturadores (102) comprende, en el eje de la aguja (101), un vaciado (114) de volumen determinado con vistas a asegurar una reducción de la masa de la aguja (101) manteniendo una resistencia suficiente a las deformaciones generadas por los esfuerzos de contacto entre la válvula y su asiento.

6. Dispositivo de cierre de válvula según la reivindicación 5, caracterizado porque el vaciado es una concavidad cónica.

7. Dispositivo de cierre de válvula según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la superficie interior (116) de los medios obturadores (102) presenta un perfil con vistas a asegurar una reducción de la masa de la aguja (101) manteniendo una resistencia suficiente a las deformaciones generadas por los esfuerzos de contacto entre la válvula y su asiento.

8. Dispositivo de cierre de válvula según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el dispositivo comprende una segunda parte, distinta, que forma los medios (104) de retención mecánica.

9. Dispositivo de cierre de válvula según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la superficie de la sección de la aguja (101) está comprendida entre 0,7 y 10 mm^{2}, preferiblemente 0,78 mm^{2}, y el material escogido es titanio, por ejemplo de clase TA6V, de modo que su deformación en funcionamiento no requiera mucha energía.

10. Dispositivo de cierre de válvula según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el diámetro exterior de la barra cilíndrica hueca que forma la aguja (101) se determina en función de la sección máxima deseada para la aguja y de la presión de alimentación prevista para el sistema y, preferiblemente, en el caso de una presión de alimentación del orden de 600 bares, el diámetro exterior de la aguja es del orden de 3,1 mm y el diámetro interior, del orden de 2,7 mm.

11. Dispositivo de cierre de válvula según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque comprende una segunda parte que forma los medios (104) de retención mecánica de la aguja (101), solidarizados mecánicamente con la primera parte.

12. Dispositivo de cierre de válvula según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque los medios (104) de retención mecánica comprenden una parte cilíndrica, al menos parcialmente, cuyo primer extremo (106) coopera, merced a una conexión solidaria, con el resto de la aguja (101), y el otro extremo está destinado a cooperar con una masa que asegura una rotura de la impedancia acústica entre la aguja (101) y el resto de la estructura del sistema de inyección.