Инжектор для подачи текучей среды - RU2125180C1

Чертежи

Описание

Данное изобретение относится к инжекторам для текучих сред, предназначенным для подачи регулируемого количества текучей среды, например, под давлением и в частности относится к газовому инжектору, предназначенному для подачи регулируемого количества газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания.

Под термином "жидкость", используемым в описании данного изобретения, понимается любая с технической точки зрения текучая среда, в том числе жидкость и газ, даже если в описании в основном говорится о подаче газа.

В Международной заявке N PCT/AU92/00575 описывается система подачи газа, предназначенная для подачи газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания. В системе использовано множество газовых инжекторов, предназначенных для введения регулируемого количества газообразного топлива в зону, примыкающую к источнику зажигания в каждом цилиндре двигателя. Система подачи газа управляется блоком управления двигателем, который управляет непосредственно работой каждого инжектора, легко реагирующего на изменения различных рабочих параметров двигателя, включая скорость вращения двигателя и нагрузку. Блок управления двигателем рассчитывает время включения для каждого инжектора с тем, чтобы подавать точно дозированное количество газообразного топлива в каждый цилиндр двигателя, тем самым добиваясь оптимальной работы двигателя при существующих скорости и нагрузке.

Оказалось, что рабочие характеристики известных жидкостных инжекторов не соответствуют упомянутой выше системе подачи газа. В частности, либо оказывалось, что время срабатывания на открытие или закрытие известных инжекторов было слишком длительным, либо скорость потока слишком мала для подачи точно дозированного и соответствующего количества газообразного топлива в каждый цилиндр по необходимости.

В связи с этим настоящее изобретение разработано в целях создания инжектора для текучих сред, который мог бы преодолеть по крайней мере некоторые ограничения, присущие существующим инжектором.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается инжектор, предназначенный для подачи регулируемого количества жидкости под давлением, причем этот инжектор содержит:
клапанный элемент, способный перемещаться из первого положения, при котором канал закрыт для прохождения упомянутой жидкости через инжектор, во второе положение, в котором упомянутый канал открыт для пропускания потока упомянутой жидкости через инжектор, при этом упомянутый клапанный элемент снабжен полым удлиненным клапанным штоком с отверстиями у обоих концов для пропускания потока упомянутой жидкости, и электромагнитный привод для перемещения упомянутого клапанного элемента из упомянутого первого положения в упомянутое второе положение в ответ на управляющий электрический сигнал, благодаря чему при эксплуатации инжектор может подавать точно дозированное количество упомянутой жидкости, при этом упомянутый клапанный элемент подвижно установлен в инжекторе так, что один конец клапанного штока примыкает к торцевой поверхности электромагнитного привода, упомянутый клапанный шток имеет фланец из магнитного материала, предусмотренный с той стороны, которая обращена к торцевой поверхности электромагнитного привода, и являющийся якорем магнитной цепи, которая образована электромагнитным приводом.

Предпочтительно, чтобы упомянутый электромагнитный привод состоял из катушки, намотанной на неподвижный магнитный сердечник, причем этот сердечник выполнен полым внутри и соединен по потоку и коаксиально с упомянутым полым клапанным штоком, благодаря чему при эксплуатации жидкость, текущая через инжектор, может способствовать рассеиванию тепла, вырабатываемого катушкой.

Предпочтительно предусмотреть перегородку из немагнитного материала между торцевой поверхностью сердечника и упомянутым кольцевым фланцем на клапанном штоке, благодаря чему при эксплуатации сила остаточного магнитного поля, действующая на клапанный элемент после отключения упомянутого управляющего электрического сигнала, может быть уменьшена до минимального значения.

Предпочтительно, чтобы воздушный зазор между упомянутым кольцевым фланцем и упомянутой торцевой поверхностью сердечника был выполнен минимальным и по существу, равным расстоянию, на которое необходимо поднять упомянутый клапанный элемент над седлом клапана и перевести его во второе положение, плюс толщина упомянутой перегородки из немагнитного материала.

Кроме того, предпочтительно, чтобы инжектор содержал возвратную пружину, установленную между упомянутым электромагнитным приводом и клапанным элементом, и предназначенную для смещения упомянутого клапанного элемента по направлению к упомянутому первому положению, при этом собственная частота колебаний возвратной пружины выбирается так, чтобы она была значительно выше обычной частоты работы инжектора, благодаря чему при эксплуатации удается избежать резонансных разрушений возвратной пружины.

В предпочтительном варианте изобретения инжектор снабжен внешним кожухом из магнитного материала, прием стенка этого внешнего кожуха расположена в непосредственной близости от упомянутой катушки и вместе с упомянутыми сердечником и фланцем образует часть магнитной цепи электромагнитного привода. Обычно сердечник и внешний кожух имеют по существу цилиндрическую форму, а упомянутый фланец на клапанном штоке имеет кольцевую форму.

Для более полного понимания существа изобретения, здесь дается подробное описание предпочтительного варианта инжектора для текучих сред, только в качестве примера, со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан вид сбоку в сечении предпочтительного варианта инжектора в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 показан вид сбоку в сечении второго варианта выполнения инжектора в соответствии с изобретением;
на фиг. 3 показано увеличенное изображение клапанной части инжектора, показанной на фиг. 2;
на фиг. 4 показано сечение А-А на фиг. 3;
на фиг. 5(a) и (b) показаны типичные графики зависимости электрического тока от времени и скорости потока газа соответственно для инжектора, изображенного на фиг. 1.

Хотя следующее ниже описание дается со ссылкой на газовый инжектор, в основном предназначенный для применения в системе подачи газа в двигатель, внутреннего сгорания, работающий на газообразном топливе, следует понимать, что этот инжектор может применяться при незначительных изменениях для многих других целей, например, в пищевой промышленности для подачи точно дозированного количества жидких пищевых продуктов.

Предпочтительный вариант инжектора в соответствии с данным изобретением в виде газового инжектора 10, показан на фиг. 1. Газовый инжектор 10 содержит клапанный элемент 12, способный размещаться, упираясь в седло клапана 14, в первом или закрытом положении, (как показано) в котором поток жидкости через инжектор не пропускается; и который способен перемещаться в направлении ко второму или открытому положению, в котором клапанный элемент 12 поднимается над седлом клапана 14 и пропускает поток жидкости через инжектор 10. Кроме того, инжектор 10 содержит электромагнитный привод 16 для перемещения клапанного элемента 12 из первого положения во второе положение в ответ на управляющий электрический сигнал. При эксплуатации путем модулирования управляющего электрического сигнала можно подавать точно дозированные количества газа с помощью газового инжектора 10 в двигатель внутреннего сгорания.

Клапанный элемент 12 имеет коническую клапанную поверхность 18 и полый удлиненный клапанный шток 20, имеющий первое отверстие 22 с одной стороны, а второе отверстие в виде трех радиальных отверстий 24 с другой стороны, которые пропускают поток газа через клапанный элемент 12 при эксплуатации. Выполняя клапанный элемент 12 с полым клапанным штоком 20, уменьшают до минимума массу клапанного элемента 20. Малая масса желательна для того, чтобы у инжектора 10 были короткие периоды срабатывания и для уменьшения силы удара, воздействующей на седло клапана 14. Клапанный элемент 12 установлен подвижно в подшипниках 26, при этом упомянутый конец клапанного штока 20 примыкает к торцевой поверхности 28 электромагнитного привода 16. Клапанный шток 20 снабжен кольцевым фланцем 30 с упомянутого конца, который обращен к торцевой поверхности 28 электромагнитного привода. Кольцевой фланец 30 изготовлен из магнитного материала и является якорем магнитной цепи, которая, в свою очередь, образована электромагнитным приводом 16.

В предпочтительной конструкции клапанного элемента 12 используется узел из двух деталей, в котором клапанный шток 20 и коническая клапанная поверхность 18 составляет единую деталь, изготовленную из износостойкого материала, например, из инструментальной стали. Кольцевой фланец 30 представляет собой другую деталь, которая соединена с клапанным штоком 20 посредством винтовой резьбы и обычно изготавливается из магнитомягкого материала. В другом варианте клапанный шток 20 и коническая клапанная поверхность 18 изготавливаются из различных материалов, при этом клапанный элемент 12 состоит из трех частей. В таком случае клапанная поверхность 18 может заменяться при изнашивании без необходимости замены клапанного элемента 12 целиком.

Электромагнитный привод 16 содержит катушку 32, намотанную на стационарный сердечник 34. Внутри сердечник 34 полый и соединяется по потоку с полым клапанным штоком 20. Поэтому газ, подаваемый в инжектор 10 через входное отверстие 36, проходит через сердечник 34 и клапанный шток 20, до того, как пройти через второе отверстие 24 и выйти через выходное отверстие 38, когда инжектор находится во включенном режиме, т.е. когда клапанный элемент 12 поднят над седлом 14 во второе положение. Для экономии места катушка 32 наматывается прямо на сердечник 34, при этом каркас катушки 40 установлен в непосредственной близости к торцевой поверхности 28 сердечника для придания намотке катушки 32 правильной формы. Сердечник 34 обеспечивает прекрасный отвод тепла, вырабатываемого катушкой 32, т.к. газ проходит через центр сердечника 34.

Общеизвестны явления, происходящие в электромагните и заключающиеся в том, что даже если ток отключен, остаточное магнитное поле может некоторое время жестко удерживать клапанный элемент в открытом положении. Для уменьшения действия этой магнитной силы предусмотрена тонкая перегородка из немагнитного материала (прокладка) 42, размещены между торцевой поверхностью 28 сердечника и кольцеобразным фланцем 30 клапанного элемента.

Возвратная пружина 44 установлена между электромагнитным приводом 16 и клапанным элементом 12 внутри сердечника 34 и приспособлена для смещения клапанного элемента 12 по направлению к первому, или закрытому положению. Эта возвратная пружина 44 выполнена по возможности легкой для того, чтобы гарантировать значительное превышение частоты ее собственных колебаний над временем открывания клапана, составляющим 1 миллисекунду (если перевести в единицы частоты - типичный период, равный 2 миллисекундам, это примерно соответствует частоте от 500 Гц, наихудший случай, до 250 Гц). Собственная частота колебаний возвратной пружины 44 равна, например, 9.8 кГц, что примерно в 30 раз превышает частоту открывания клапана, и поэтому не может привести к резонансному разрушению возвратной пружины.

Седло клапана 14 опирается на имеющее доступ с внешней стороны регулирующее устройство 46, которое можно использовать для регулировки величины поднятия клапанного элемента 12 и, следовательно, регулировки потока жидкости при открытом положении клапана, или в режиме включения, инжектора 10. Небольшой радиальный зазор между расточным отверстием этого регулирующего устройства 46 и клапанным седлом 14 дает седлу клапана возможность самоцентрирования относительно поверхности клапана 18, что способствует ускорению совмещения поверхности клапана и седла. О-образные кольца из эластичного материала 48 создают уплотнение между седлом клапана 14, регулирующим устройством 46 и внешним кожухом 50 инжектора.

Внешний кожух 50 инжектора изготовлен из магнитного материала, и стенка этого внешнего кожуха расположена в непосредственном контакте с катушкой 32 таким образом, что при эксплуатации вместе с сердечником 34 и кольцеобразным фланцем 30 он образует часть магнитной цепи инжектора. При таком варианте конструкции, как сердечник 34, так и внешний кожух 50 имеют по существу цилиндрическую форму. Для уменьшения просачивания жидкости между торцевой поверхностью 28 сердечника 34 и внешним кожухом 50 диаметр кольцеобразного фланца 30 рассчитан так, чтобы расстояние по радиусу между внешней периферической поверхностью сердечника 34 и внутренней периферической поверхностью внешнего кожуха 50 было примерно в 2.5 раза больше расстояния, на которое поднимается клапан плюс толщина перегородки 42. Полость между корпусом сердечника 34 и внешним кожухом 50 является местом расположения катушки 32, которая будучи включенной направляет суммарное магнитное поле от каждого витка по траектории магнитного потока, проходящего внутри тела сердечника 34, кольцевого фланца 30, внешнего кожуха 50 и воздушного зазора. Профиль сечения кольцевого фланца 30 клапанного элемента 12 заострен для того, чтобы отражать магнитный поток такой же площади в случае, если превышаются размеры внешнего диаметра якоря 34. Это способствует также значительному снижению веса клапанного элемента 12.

С целью уменьшения суммарного воздушного зазора, большая часть расстояния между кольцевым фланцем 30 и торцевой поверхностью 28 сердечника 34 предназначена для осуществления подъема клапана, т.е. этот подъем требует определенной скорости потока. Остальная часть этого суммарного воздушного зазора такая, которая требуется для перегородки 42, а зазор по радиусу между внешней периферией кольцевого фланца 30 и внутренней периферией внешнего кожуха 50 больше чем упомянутый зазор для уменьшения утечки. Уменьшение суммарного воздушного зазора непосредственно приводит к снижению необходимого количества ампер-витков катушки 32, что чрезвычайно желательно, т.к. увеличение габаритных размеров инжектора электромагнитного привода ухудшает рабочие характеристики инжектора.

В инжекторе на фиг. 1 седло клапана и клапанная поверхность подвергаются значительному истиранию из-за повторяемых соударений двух агрегатов, количество которых обычно превышает 1000•10⁶ циклов за время эксплуатационной службы данного инжектора. Во втором варианте конструкции инжектора, изображенном на фиг. 2, 3 и 4, клапанная часть инжектора спроектирована заново в целях избежания повторяющихся соударений между седлом клапана и клапанной поверхностью. Детали, имеющие такую же или подобную функцию во втором варианте, снабжены теми же цифровыми обозначениями, что и в варианте на фиг. 1.

Газовый инжектор 10 на фиг. 2 и 3 содержит клапанный элемент 12, способный, скользя, перемещаться от первого положения, (как показано) в котором канал 15 закрыт для потока газа через инжектор, ко второму положению, в котором канал 15 открыт для пропускания потока газа через инжектор 10. Фиксатор клапана 18, выполненный в форме кольца из немагнитного, желательно металлического материала, предусмотрен для ограничения хода клапанного элемента 12.

Клапанный элемент 12 в варианте на фиг. 2 и 3 также содержит полый удлиненный клапанный шток 20, который открыт с обоих концов, что позволяет потоку газа проходить через клапанный элемент 12 при эксплуатации. Благодаря тому, что клапанный элемент 12 имеет полый клапанный шток 20, можно значительно снизить его вес. Малый вес инжектора 10 желателен для того, чтобы он обладал быстрым срабатыванием и для снижения силы удара о фиксатор клапана 18. Клапанный шток 20, скользя, входит во втулку 22, а в боковой стенке втулки 22, то видно наиболее четко на фиг. 2 и 3, предусмотрен канал 15. Фиксатор клапана 20 снабжен двумя скользящими поверхностями 24, которые легко совмещаются с внутренней поверхностью втулки 22 и создают перекрытие с небольшим допуском. Трение скольжения между клапанным штоком 20 и втулкой 22 сводится к минимуму наличием смазочного пространства 26 между двумя деталями на большей части длины клапанного штока 20. Втулка 22 выполняется со множеством кольцеобразных канавок 27, в которых располагаются эластичные О-образные кольца, как показано на фиг. 1, предназначенные для установки втулки 22 внутри внешнего кожуха 50 данного инжектора. Наличие О-образных колец значительно уменьшает искривление втулки 22 под влиянием внешних сил, прикладываемых к внешнему кожуху 50.

Уплотнения 29 предусмотрены во втулке 22 напротив скользящих поверхностей 24 для размещения смазки за пределами пространства 26. В клапанном штоке 20 предусмотрены канавка и отверстия 31 в непосредственной близости от канала 15 во втулке 22 в целях снижения перепада давления через одно из уплотнений 29. Во втулке выполнены одно или более отверстий для доступа к смазке 33, а во внешнем кожухе 50 предусмотрена точка заправки смазочного материала 35 для удовлетворения требований по проведению технической смазки.

Втулка 22 опирается на регулятор 46, имеющий доступ с внешней стороны, в положении, когда конец клапанного штока 20 перекрывает канал 15 в первой, или закрытой позиции. Максимальную поверхность потока жидкости через канал 15 можно получить, выполнив три радиальных прорези в стенке втулки 22, что наиболее четко видно на фиг. 3. Радиальные прорези канала 15 выполнены механически с помощью цилиндрической фрезы, которая прорезает стенку втулки 22 в радиальном направлении, оставляя лишь небольшие промежутки 47. В показанном на иллюстрации варианте радиальные прорези 15 расположены аксиально на стенке втулки 22. Однако при желании каждая прорезь может быть смещена относительно соседней, так чтобы площадь радиального потока могла меняться тремя приращениями в зависимости от степени подъема клапанного элемента 12. Величина подъема клапанного элемента определяется расстоянием между кольцевым фланцем 30 в открытом положении и фиксатором 18. Площадь потока может быть такой же для идентичных инжекторов, если клапанный шток 20 полностью не закрывает прорези 15, т.е. величина подъема клапана больше ширины канала и перекрытия (в закрытом положении).

В других отношениях инжектор на фиг. 2 - 4 по существу идентичен изображенному на фиг. 1, и поэтому не будет здесь описываться. Остальная часть описания, которая последует далее, применима к обоим вариантам инжектора.

Необходимо провести ряд иттераций в процессе расчетов и проектирования инжектора 10 для определения размера сердечника, числа витков катушки и жесткости возвратной пружины. Быстрое срабатывание желательно для уменьшения различий между предположительно идентичными инжекторами и для гарантии того, что газ подается в каждый цилиндр при необходимости. Кроме того, время открывания инжектора должно быть малым по сравнению с максимальным временем включения для предотвращения перекрывания инжектором самого себя при больших скоростях вращения двигателя. Процесс расчета инжектора начинается с определения необходимых размеров отверстия, которые зависят от скорости, при которой двигатель вырабатывает максимальную мощность, и от количества газа, которое необходимо подать. Для того, чтобы убедиться в том, что поток установившийся, делят необходимое количество газа на время индукции, которое примерно равно времени, которое необходимо для выполнения 0.6 оборотов двигателя.

Отверстие рассчитано для возможности работы в режиме звуковой скорости потока таким образом, чтобы изменения прогнозируемого обратного давления не изменяли поток газа. Также давление газа на входе и диаметр седла клапана рассчитаны в таких значениях, которые потребуют поднятие клапана на расстояние порядка 1 мм. Кольцевой зазор между конической клапанной поверхностью 18 и седлом клапана 14 рассчитано так, чтобы его площадь была равна площади отверстия в седле клапана 14, когда клапанный элемент находится в поднятом состоянии. Обычно давление газа равно 700 - 800 кПа. Максимально допустимое обратное давление составляет 0.544 от абсолютного давления газа (0.544 зависит от составляющих газа, однако, эта цифра действительна для природного газа, что следует из термодинамической теории). Если размеры отверстия установлены, диаметр седла и площадь известны, а давление газа и минимальное обратное давление установлены, можно рассчитать силу давления газа, удерживающую клапан закрытым, которую необходимо преодолеть для того, чтобы открыть клапан.

Для быстрого открывания инжектора необходимо снижение нагрева от прохождения электрического тока через катушку, поэтому применяется специальная схема включения (не показана), в которой полная разность потенциалов (24 В) прикладывается к катушке 32, ток доводится до максимума равного 4 А, а затем контролируется ток в 1 А до переключения инжектора. Очевидно, что эти величины тока могут быть другими при других размерах инжектора. Ток будет увеличиваться в соответствии с приложенным напряжением, сопротивлением катушки и индукцией инжектора. Индукция инжектора пропорциональна (числу витков) и площади магнитного потока, деленного на площадь воздушного зазора и сопротивление катушки. Все переменные объединены в программу моделирования и зафиксированы в пробных значениях. Программа запускается и, если вырабатывается достаточная сила на достаточный срок, она будет поднимать клапанный элемент 12 до тех пор, пока фланец 30 не войдет в соприкосновение с сердечником 34 (перегородка 42). Изменяя число витков, устанавливают ток, достигающий 4 А, сразу после того, как клапан полностью откроется (самый неудачный случай).

Фиг. 5(a) иллюстрирует изменение тока, вызванное в катушке 32 посредством цепи синхронизации. Цепь синхронизации выдает управляющий электрический сигнал для включения катушки, которая предназначена для создания управляющего тока, который быстро растет до максимального значения (4 А) для выполнения быстрого перемещения клапанного элемента до его открытого положения. Управляющий электрический сигнал прикладывается к катушке 32 посредством электрических контактов 52. Как видно на фиг. 5(a), в графике тока имеется небольшое понижение, вызванное изменением индукции в магнитной цепи, когда кольцеобразный фланец 30 перемещается к краевой поверхности 28 сердечника 34 и закрывает воздушный зазор между ними. Если клапанный элемент 12 находится в открытом положении, управляющий ток быстро падает до минимального значения (1 А), что требуется для удержания клапанного элемента в открытом положении. Ток управления удерживается на минимальном значении на заданное время, рассчитанное так, чтобы можно было достичь необходимое время включения инжектора для того, чтобы точно дозированное количество газа подавалось в соответствующий цилиндр. Фиг. 5(b) показывает изменение скорости потока газа, когда клапанный элемент перемещается из первого положения во второе (открытое) положение. Сначала имеется поток газа высокой скорости, когда поверхность клапана поднимается с седла 14, затем наступает короткий период сниженной скорости потока, что возникает из-за откачки газа внутри кожуха инжектора и распределительном трубопроводе и короткой задержкой срабатывания регулятора. После этого наступает режим установившегося потока, при котором газ проходит через инжектор с постоянной скоростью до тех пор, пока управляющий ток не отключится.

Теперь, когда предпочтительные варианты инжектора для текучей среды по данному изобретению описаны, станет очевидно, что описанный газовый инжектор имеет значительные преимущества перед уже известными сравнимыми инжекторами. В частности, путем тщательного расчета механической конструкции и магнитной схемы инжектора можно добиться минимального времени срабатывания, что позволит получать точно дозированные количества инжектируемой жидкости (предположительно) из идентичных инжекторов, т.е. значительно уменьшить расхождение, вызываемое наличием допуска при изготовлении.

Для специалистов в области электротехники и механики очевидно, что помимо уже описанных здесь, возможно еще огромное количество модификаций и вариаций, без отступлений от основной концепции изобретения. Например, рассмотренный поток жидкости через инжектор можно значительно изменить, чтобы приспособить его к текучим средам, имеющим различные характеристики потока, например, жидкостям. Все подобные вариации и модификации должны рассматриваться в пределах области данного изобретения, суть которого раскрыта в описании и прилагаемой формуле изобретения.

Реферат

Инжектор предназначен для подачи регулируемого количества текучей среды. Электропривод содержит катушку, намотанную на неподвижный в принципе цилиндрический магнитный сердечник, выполненный полым внутри и соединенный по потоку и коаксиально с полым клапанным штоком. Инжектор снабжен цилиндрическим внешним кожухом из магнитного материала, стенка которого расположена в непосредственной близости с упомянутой катушкой и вместе с сердечником и фланцем образует часть магнитной цепи электромагнитного привода. В инжекторе предусмотрена перегородка из немагнитного материала, установленная между торцевой поверхностью сердечника и кольцеобразным фланцем на клапанном штоке и уменьшающая при эксплуатации до минимального значения силу остаточного магнитного поля, действующую на клапанный элемент после отключения управляющего электрического сигнала. В результате достигается возможность подачи регулируемого количества текучей среды. 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула