Впрыскивающее устройство - RU2102625C1
Код документа: RU2102625C1
Чертежи
Описание
Данное изобретение касается устройства для впрыска текучей среды под давлением. Этим устройством может быть топливная форсунка двигателей внутреннего сгорания, приспособление для впрыска жидкостей, например, катализатора в химические реакторы, и другая аппаратура дозированного впрыска текучей среды.
Хотя настоящее изобретение охватывает все варианты дозированного впрыска текучей среды под давлением, представляется удобным рассмотреть его применительно к конкретному случаю впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания.
Топливные форсунки, используемые в дизельных двигателях внутреннего сгорания, работающих по принципу как искрового, так и компрессионного зажигания, в общем случае требуют применения внешнего насоса, обеспечивающего давление, достаточное для впрыска топлива в цилиндр двигателя. Момент впрыска в пределах рабочего цикла двигателя задается путем внешнего механического контроля работы иглы форсунки. Один из недостатков систем внешнего нагнетания и контроля состоит в необходимости их материального обеспечения и обслуживания.
Главной проблемой использования форсунок, особенно питаемых от внешнего насоса, является их недостаточная чувствительность к любой неисправности связанного с ними цилиндра. Так, например, при выходе из строя поршневого кольца все известные на сегодняшний день форсунки будут продолжать впрыск топлива в цилиндр. Несгоревшая часть топлива выбрасывается из двигателя, загрязняя окружающий воздух.
Ранее было предложено использовать давление, развиваемое внутри цилиндра двигателя внутреннего сгорания во время такта сжатия, для активизации процесса сжатия топлива внутри корпуса форсунки. Например, предлагалась топливная форсунка, в корпусе которой расположен поршень, способный перемещаться под действием давления, развиваемого в цилиндре двигателя. Движение поршня в корпусе форсунки вызывает увеличение давления топливного заряда внутри последнего до значения, при котором происходит открытие обратного клапана, связанного с соплом форсунки и впрыск топлива в цилиндр двигателя.
Недостатками данного устройства являются затрудненность и нечеткость закрытия клапана, ведущие к продолжению истечения топлива из форсунки по достижении требуемого момента отсечки, а также невозможность осуществления полного контроля работы форсунки.
Патент [1] распространяется на топливную форсунку, в которой давление впрыска топлива создается в процессе такта сжатия в цилиндре двигателя, связанном с данной форсункой. В сопле форсунки запатентованного устройства установлен обычный обратный клапан с пружинным возвратом, так что процесс открывания и запирания сопла определяется исключительно перепадом давлений и жесткостью пружины. Контроль развиваемого давления в определенной степени обеспечивается посредством обратного клапана, установленного на выходе камеры нагнетания насоса, а также посредством регулировочного дросселя на выходе обратного клапана. Возможность управления работой данного устройства, включая регулировку времени, давления и объема впрыска, а также точность его действия очень ограничены.
Патент [2] также распространяется на форсунку, в которой давление впрыска создается в процессе такта сжатия в цилиндре двигателя. В данном устройстве обратный клапан используется в качестве инжекторного. Обратный клапан с электромагнитным управлением установлен на выходе камеры нагнетания насоса, регулировочный дроссель на выходе обратного клапана. Таким образом обеспечивается регулировка скорости рабочего потока при открытом обратном клапане. Как и в предыдущем случае (патент N 2.516.690 США), возможность управления работой данной форсунки, включая регулировку времени, давления и объема впрыска, а также точность ее действия очень ограничены.
Патент [3] распространяется на форсунку, отличающуюся от предыдущей (патент N 4.394.856 США) лишь возможностью регулировки зазора между рабочим органом электромагнитного клапана и его седлом на выходе камеры нагнетания насоса, позволяющей в определенной степени управлять скоростью потока топлива, вытекающего из регулировочной камеры. Как и две предыдущие [1 и 2] данная форсунка обеспечивает ограниченные возможность управления и точность действия, особенно применительно к инжекторному обратному клапану.
Предметом настоящего изобретения является устройство впрыска текучей среды под давлением, содержащее корпус, поршневые средства, выполненные с возможностью перемещения в корпусе под действием приложенного извне давления текучей среды и с возможностью сжатия текучей среды, предназначенной для впрыска, в камере высокого давления, а также с возможностью перемещения, производимого с преодолением усилия давления в камере низкого давления и избирательно управляемого путем управления этим давлением, и избирательно управляемый инжекторный клапан с инжекторным соплом, сообщающимся с камерой высокого давления, выполненный с возможностью впрыска текучей среды, находящейся под высоким давлением в камере высокого давления, через инжекторное сопло при избирательном открывании инжекторного клапана.
В предпочтительном варианте обеспечено избирательное управление работой инжекторного клапана, управляющего процессом впрыска текучей среды через инжекторное сопло под высоким давлением. Рабочий орган клапана выполнен с возможностью перемещения с преодолением усилия давления текучей среды, при этом управление работой инжекторного клапана осуществляется путем избирательного управления давления текучей среды в регулировочной камере. Регулировочная камера предпочтительно сообщается с камерой низкого давления, вследствие чего повышение давления текучей среды в камере низкого давления при перемещении поршневого устройства вызывает увеличение ее давления в регулировочной камере и противодействует таким образом открыванию инжекторного клапана.
В предпочтительном варианте выполнения камера высокого давления соединена с инжекторным соплом через напорную камеру. При этом текучая среда из камеры высокого давления подается в напорную камеру через обратный напорный клапан, запирающий последнюю и таким образом удерживающий в ней заряд текучей среды под давлением. Обратный напорный клапан предпочтительно имеет рабочий орган, который на первом этапе своего перемещения разъединяет камеры высокого давления и напорную, а на втором обеспечивает ограниченный сброс давления в напорной камере, уменьшая таким образом давления рабочей среды перед инжекторным клапаном.
Поршневое устройство предпочтительно выполнено с возможностью перемещения под действием приложенного извне давления текучей среды, преодолевая при этом сопротивление главной пружины, жесткость которой, по меньшей мере частично, определяет величину приложенного извне давления текучей среды, необходимую для приведения в движение поршневого устройства. Устройство впрыска включает помимо этого напорную пружину, преодолевая сопротивление которой открывается инжекторный клапан, обеспечивая таким образом впрыск текучей среды через инжекторное сопло. Жесткость напорной пружины, по крайней мере, частично определяет величину давления текучей среды в камере высокого давления, необходимую для открывания инжекторного клапана, обеспечивающего впрыск среды через инжекторное сопло.
В предпочтительном варианте выполнения при заранее заданной максимальном перемещении поршневого устройства происходит стравливание текучей среды из камеры высокого давления через открывающийся при этом стравливающий канал. В результате стравливания давление текучей среды в камере высокого давления понижается до значения, достаточного для прекращения подачи ее через инжекторный клапан.
Предметом настоящего изобретения является также система впрыска, включающая в себя устройство впрыска в соответствии с изобретением, канал стравливания давления текучей среды из камеры низкого давления в целях обеспечения и контроля перемещения поршневого устройства, а также связанный с ним блок управления, который осуществляет избирательный контроль давления текучей среды в камере низкого давления, предотвращая или постепенно ограничивая процесс стравливания давления из камеры низкого давления через стравливающий канал, реагируя таким образом на перемещение поршневого устройства. Блок управления в составе данного устройства впрыска может включать в себя устройство ограничения потока, расположенное в канале стравливания давления текучей среды и избирательно регулирующее площадь поперечного сечения последнего с помощью приводного устройства, связанного с устройством ограничения. Блок управления включает в себя также обратный клапан, расположенный в стравливающем канале на выходе устройства ограничения потока. Назначение обратного клапана поддерживать заранее заданное минимальное противодавление внутри канала стравливания текучей среды, открываясь лишь при превышении заданного значения этого давления.
В предпочтительном варианте выполнения системы впрыска в канале стравливания давления текучей среды расположен блок компенсации давления, который включает в себя сужение и регулирующее приспособление, выполненное с возможностью изменения размеров сужения в зависимости от изменения давления текучей среды за блоком компенсации. Назначение регулирующего приспособления - уменьшение площади поперечного сечения потока с целью поддержания заранее заданного давления на выходе блока компенсации. Последний может включать в себя камеру, соединенную с камерой низкого давления. Кроме того, в блок компенсации давления входит шиберный затвор, реагирующий на перепад давлений текучей среды между вышеупомянутой камерой какой-либо областью канала стравливания за данной камерой. При увеличении перепада давлений шиберный затвор уменьшает площадь поперечного сечения потока и таким образом замедляет процесс стравливания давления из камеры блока компенсации в указанную область канала.
В состав системы впрыска может входить также демпферное устройство, соединенное с каналом стравливания давления текучей среды. Демпферное устройство включает в себя подвижной рабочий орган и связанное с ним регулируемое ограничительное устройство. Подвижной рабочий орган реагирует на повышение давления текучей среды в канале стравливания, перемещаясь таким образом, чтобы уменьшить это давление. Ограничительное устройство задает перемещение подвижного рабочего органа, определяя таким образом эффективную величину стравливания, обеспечиваемого последним. Подвижной рабочий орган может включать в себя упругий демпферный диск, который является одной из стенок камеры, соединенный с каналом стравливания давления текучей среды. Ограничительное устройство содержит стопор, который отрегулирован на возможность вхождения в контакт с демпферным диском.
Другой вариант выполнения системы впрыска отличается тем, что в канал стравливания давления текучей среды помещен высокоскоростной электромагнитный клапан, способный открывать и запирать данный канал под действием управляющих сигналов. На выходе электромагнитного клапана расположен блок управления, обеспечивающий плавное нарастание до регулируемого предела потока текучей среды через канал стравливания ее давления.
Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, на которых: фиг. 1 - продольный разрез форсунки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 2 продольный разрез регулятора или акселератора одного из возможных конструктивных вариантов, используемого для управления работой форсунки; фиг. 3 продольный разрез форсунки альтернативного конструктивного варианта в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 4 продольный разрез задней части форсунки возможного конструктивного варианта, показывающей различные средства управления ее работой; фиг. 5 выносной элемент "A" см. фиг. 4; фиг. 6 разрез IV-IV см. фиг. 4.
Форсунка, изображенная на фиг. 1, имеет корпус 10, состоящий из двух частей передней 11 и задней 13. Передняя часть корпуса может иметь резьбовой конец 12 для закрепления в резьбовом отверстии двигателя. Корпус 10 снабжен входным каналом 15, в котором располагается обратный клапан 16, приводимый в действие пружиной 17. В рабочих условиях топливо подается во входной канал 15 под низким давлением, достаточным для преодоления сопротивления пружины 17. Жесткость пружины 17 не является критической. Напор топлива может быть сравнительно низким, так что отпадает необходимость в топливных коммуникациях высокого давления.
В выходном канале 20 расположен обратный клапан 21, приводимый в действие пружиной 22, жесткость которой не является критической. В данном конструктивном варианте топливо может постоянно подаваться под низким давлением во входной канал 15 и, проходя по каналу 25, выходить наружу через выходной канал 20. Этот непрерывный топливный поток обеспечивает охлаждение системы, хотя возможно дополнительное охлаждение.
В состав форсунки входит поршень 30 низкого давления, который может скользить внутри передней части 11 корпуса при воздействии на лицевую поверхность 31 давления в цилиндре двигателя. Компрессионное 32 и маслосъемное 33 кольца выполняют стандартные функции. К поршню 30 низкого давления привинчен поршень 35 высокого давления. Поршневой узел 30, 35 движется внутри корпуса 10, преодолевая сопротивление главной пружины 36. Жесткость главной пружины частично определяет возможность перемещения поршневого узла 30, 35 под действием давления в цилиндре на лицевую поверхность 31 поршня низкого давления. Главная пружина 36 расположена в камере 37 низкого давления, из которой возможно перетекание среды через зазор 38, канал 25 и канал 21 в выходной канал 20, так что давление текучей среды в камере 37 низкого давления, препятствующее перемещение поршневого узла 30, 31, может быть сравнительно низким и регулируемым. Процесс регулировки описан ниже.
Возможен вариант выполнения описанного устройства, в котором главная пружина 36 заменена пневматическим или другим смещающим устройством.
Поршень 35 высокого давления имеет удлиненный конец 40 сравнительно небольшого поперечного сечения, который перемещается внутри расточки 41 в корпусе 42 высокого давления. Последний включает в себя основание 43 и гильзу 44 высокого давления, внутри которой собственно и перемещается удлиненный конец 40 поршня 35 высокого давления. Основание 43 и гильза 44 высокого давления в сборе образуют камеру 45 высокого давления, в которой топливо сжимается с помощью удлиненного конца 40 поршня 35 высокого давления. При втягивании удлиненного конца 40 поршня высокого давления внутрь расточки 41 обратный клапан 46, приводимый в действие пружиной 47, обеспечивает проникновение топлива в камеру 45 высокого давления из канала 25. Жесткость пружины 47 не является критической.
Удлиненный конец 40 имеет канал стравливания 50, а гильза высокого давления 44 канал стравливания 51, который открывается в камеру низкого давления 37. Если ход поршневого узла 30, 35 достаточен для совмещения стравливающих каналов 50 и 51, перетекание топлива из камеры высокого давления 45 в камеру низкого давления 37 вызовет немедленное падение его давления в первой до значения, недостаточного для продолжения процесса впрыска по описанной ниже схеме. Таким образом, расстояние между стравливающими каналами 50 и 51 в продольном направлении фактически определяет максимальную величину топливного заряда, который может быть впрыснут за один ход поршневого узла 30, 35, а это, в свою очередь, предопределяет максимальную скорость работы двигателя, связанного с данной форсункой.
Внутри удлиненного конца 40 поршня высокого давления 35 расположен продольный топливный канал 55, по которому сжимаемое топливо под действием давления в цилиндре поступает из камеры 45 высокого давления к поршневому узлу 30, 35. При этом оно проходит через обратный напорный клапан 56, который в нерабочем состоянии прижат к выступу 57 пружиной 58. В процессе работы форсунки топливо под высоким давлением отжимает клапан 56 от выступа 57, преодолевая сопротивление пружины 58. Протекание топлива через канал 56 возможно лишь в случае, когда последний отжат достаточно для того, чтобы его заплечик 59 оказался внутри прохода 60, образованного внутренней поверхностью поршня 35 высокого давления. В условиях данной конструкции в процессе закрывания напорного клапана 56 топливный поток через него прекращается, как только заплечик 59 достигает края прохода 60, однако, клапан 56 продолжает движение до следующего граничного положения, при котором он упирается в выступ 57. Это продолжающееся движение клапана 56 после полного отсекания потока топлива облегчает стравливание давления последнего на выходе его из канала 56 с целью, описанной ниже.
Поршень низкого давления 30 имеет напорную камеру 65, в которую топливо под высоким давлением вводится через канал 66, выполненный в распорной втулке 67. Передняя часть напорной камеры 65 содержит напорное сопло 68, выполненное во вкладыше 69. В нерабочем состоянии сопло 68 закрыто напорным игольчатым клапаном 70, который прижимается к вкладышу 69 напорной пружины 71. Когда давление топлива в напорной камере 65 достаточно велико, игольчатый клапан 70, преодолевая сопротивление напорной пружины 71, открывает сопло 68, через которое топливо впрыскивается в цилиндр двигателя, связанный с данным соплом. Начало впрыска топлива через сопло 68 вызывает немедленное падение его давления в напорной камере 65, и игольчатый клапан 70 стремится вновь перекрыть сопло 68. Это, в свою очередь, способствует росту давления в напорной камере 65 и снова открывает игольчатый клапан 70. Таким образом, игольчатый клапан 70 открывает и закрывает сопло 68 с высокой частотой. Данный процесс известен как "гудение" напорного игольчатого клапана 70 и вызывает волновой впрыск топлива через сопло 68, что, предположительно, увеличивает полноту сгорания топлива.
Игольчатый клапан 70 имеет хвостовик 75, который движется внутри направляющей втулки 76. Торцевая поверхность 77 хвостовика 75, удаленная от напорного сопла 68, закрывает регулировочную камеру 78, которая соединена с камерой 37 низкого давления посредством "совмещенных" каналов 79, 80, выполненных соответственно в распорной втулке 67 и поршне низкого давления 30, а также посредством зазора 81 вокруг наружной поверхности поршня низкого давления 30. Таким образом, в нормальном состоянии регулировочная камера 78 соединена с топливным зарядом низкого давления, обеспечивая возможность смещения игольчатого клапана 70 и хвостовика 75 от вкладыша 69 под действием давления топлива в напорной камере 65, в результате чего открывается сопло 68.
На фиг. 2 изображен акселератор или регулятор, позволяющий контролировать поток топлива на выходе форсунки. Данный регулятор, являющийся частным практическим примером, включает в себя корпус 85, имеющий отверстие 86, соединенное с выходным каналом 20 форсунки. Выходной конец отверстия 86 путем снятия с него фаски выполнен в виде гнезда 87. Регулятор 90, обладающий избирательной возможностью продольного перемещения внутри отверстия 86, имеет заплечик 91, скошенный соответственно гнезду 87, который при прилегании к последнему полностью перекрывает отверстие 86. Регулятор 90 снабжен хвостовиком 92, входящим в отверстие 86 без зазора. Хвостовик 92 имеет паз 93, который постепенно суживается по глубине от входного конца 94 хвостовика 92 к заплечику 91. При продольном смещении регулятора 90 в направлении по стрелке A топливо может протекать внутри отверстия 86 по пазу 93 и далее между заплечиком 91 и гнездом 87. Если смещение регулятора 90 от гнезда 87 незначительно, топливный поток вдоль паза 93 сильно ограничен, так как канал в точке сопряжения 95 гнезда 87 с отверстием 86 образован самим узким концом паза 93. При дальнейшем перемещении регулятора 90 в направлении по стрелке A поток в точке 95 увеличивается вследствие углубления паза 93 в сторону торцевой поверхности 94. Таким образом, избирательное перемещение регулятора 90 внутри отверстия 86 в двух противоположных направлениях обеспечивает контроль давления в камере низкого давления 37 форсунки, что, в свою очередь, делает возможной регулировку хода поршневого узла 30, 35. Перемещение регулятора 90 в направлении контакта заплечика 91 с гнездом 87 затрудняет топливный поток через входной канал 30, а это ведет к гидравлическому запиранию поршневого узла 30, 35 в результате блокирования канала стравливания давления топлива из камеры низкого давления 37.
Перемещение регулятора 90, изображенного на фиг. 2, может быть обеспечено любым возможным способом, например, механической регулировкой положения регулятора 90. Альтернативными вариантами могут быть перемещение регулятора 90 с помощью электродвигателя постоянного тока или линейного электродвигателя, обеспечивающего электронный контроль топливного впрыска. Данный способ делает возможным бесступенчатое регулирование процесса топливного впрыска путем плавного управления процессом с помощью регулятора 90, то есть плавного регулирования низкого давления форсунки, что в свою очередь позволяет задавать момент начала движения поршневого узла 30, 35 в пределах рабочего цикла двигателя. В общем, гидравлический контроль давления с низконапорной стороны поршневого узла 30, 35 форсунки обеспечивает точную регулировку момента начала хода поршневого узла 30, 35, который задает величину топливного впрыска вплоть до его максимального значения, определяемого максимальным расстоянием между стравливающими каналами 50 и 51.
При работе форсунки двигателя внутреннего сгорания давление на лицевую поверхность 31 поршня низкого давления 30, увеличивающееся в процессе такта сжатия в цилиндре двигателя, будет стремиться переместить поршневой узел 30, 35, преодолевая при этом как сопротивление главной пружины 36, так и давление текучей среды в камере 37. При возможности стравливания давления из камеры 37 низкого давления через выходной канал 20 перемещение поршневого узла 30, 35 сжимает топливо в камере 45 высокого давления. Топливо по топливному каналу 55, минуя напорный клапан 56, попадает в напорную камеру 65. Давление в камере 65 открывает игольчатый клапан 70, преодолевая при этом как сопротивление напорной пружины 71, так и давление в камере низкого давления 37, которая, в свою очередь, соединена с регулировочной камерой 78, что делает возможным начало процесса топливного впрыска через сопло 68.
На начальной стадии впрыска он является сравнительно крупнодисперсным в связи с тем, что давление в цилиндре двигателя еще пока сравнительно невелико. Однако, в случае двигателя компрессионного зажигания немедленное воспламенение топлива в цилиндре вызывает быстрое повышение давления в нем, воздействующего на лицевую поверхность 31 поршня 30. В результате увеличивается давление впрыска через сопло 68, что уменьшает дисперсность впрыск, а это, в свою очередь, повышает полноту сгорания топлива. Начальный скачок давления впрыска может составлять от 4000 фунт-сила/квадратный дюйм (28000 кПа) до 25000 фунт-сила/квадратный дюйм (175000 кПа). Отношение давления топливного впрыска к давлению топлива, подводимого к форсунке, может быть между 6:1 и 12:1.
Величину топливного заряда, впрыскиваемого в условиях начального сравнительно низкого давления, как долю от общего объема впрыска, можно регулировать, меняя жесткость главной 36 и напорной 71 пружин. Так, например, увеличение жесткости главной пружины 36 затягивает момент начала движения поршневого узла 30, 35, задерживая таким образом начало впрыска и уменьшая долю топливного заряда, впрыскиваемого на начальной стадии в условиях низкого давления, которая предшествует возгоранию топлива в цилиндре. Регулируя жесткости пружин, можно изменить полноту сгорания топлива и, следовательно, контролировать выбросы, например, для различных типоразмеров цилиндров. Регулировке подвергается также соотношение высокого и низкого давления впрыска.
Величина максимального топливного заряда определяет удалением стравливающих каналов 50 и 51 друг от друга, которое фактически является ограничителем максимальной скорости работы двигателя. В частности при совмещении каналов 50 и 51 через них из камеры высокого давления 45 происходит немедленное стравливание давления, это падение давления немедленно передается в напорную камеру 65, вызывая немедленное запирание игольчатого клапана 70.
Внешний контроль сброса давления через выходной канал 20 форсунки, например, с помощью регулятора, изображенного на фиг. 2, не только определяет момент начала движения поршневого узла 30, 35, но также регулирует давление в камере низкого давления 37 в процессе впрыска. В случае задержки сброса давления через выходной канал 20 движение поршневого узла 30, 35 определяется сбросом давления в камере низкого давления 37, и открыванию игольчатого клапана 70 препятствует задержка сброса давления, действующего в регулировочной камере 78 на торцевую поверхность 77 хвостовика 75 игольчатого клапана 70. Таким образом, гидравлическое запирание низконапорной части форсунки определяет окончание процесса топливного впрыска. Альтернативным является случай окончания процесса топливного впрыска при впрыске максимального топливного заряда, когда совмещение стравливающих каналов 50 и 51 вызывает немедленное падение давления в высоконапорной части форсунки. В любом случае игольчатый напорный клапан 70 запирает сопло 68. При этом напорный клапан 56 под действием пружины 58 будет немедленно стремиться к положению запирания, и, когда заплечик 59 достигнет конца прохода 60, прерывается связь между камерами высокого давления 45 и напорной 65. Поскольку по достижению заплечика 69 конца прохода 60 напорный клапан 56 продолжает движение, в напорной камере 65 может продолжаться сброс давления, препятствующий открыванию игольчатого клапана 70 до тех пор, пока давление в напорной камере 65 вновь не возрастает. Таким образом, процесс гидравлического запирания сброса давления в низконапорной или высоконапорной части форсунки в сочетании с двухступенчатым движением напорного клапана 56 обеспечивает немедленное и полное прекращение топливного впрыска.
Форсунка, представленная на фиг. 3, в основном повторяет форсунку на фиг. 1, соответствующие элементы обеих форсунок имеют одинаковые цифровые обозначения.
Форсунку на фиг. 3 отличает от предыдущей усовершенствованный игольчатый клапан, носовая часть которого вместо конической имеет форму короткой толстой иглы 70а, почти полностью заполняющей углубление 72, которое представляет собой небольшое пространство сразу на входе в сопло 68. В форсунках предыдущих конструкций топливо, оставшееся в углублении 72, иногда продолжало истекать в цилиндр по достижении требуемого момента отсечки.
Кроме того, в форсунке, изображенной на фиг. 3, распорная втулка 67 имеет обратный клапан 100, обеспечивающий перетекание из регулировочной камеры 78 в камеру низкого давления 37, но предохраняющий первую в любой момент от ударной нагрузки.
В форсунке на фиг. 3 расположение входного канала 15 отличается от предыдущего варианта. В данном случае он снабжен сравнительно небольшим входным клапаном 16, обеспечивающим перетекание топлива под низким давлением из входного патрубка 15 во входной коллектор 102, который охватывает корпус 10 форсунки, и из кольцевого пространства 103 которого через канал 104 текучая среда попадает в камеру 37 низкого давления.
Далее форсунка на фиг. 3 имеет высокоскоростной соленоид 105, который связан с клапаном 106, избирательно запирающим выходной патрубок 20, а также с электрическим переключающим устройством 107, с помощью которого можно задавать время начала и продолжительность процесса впрыска. В частности, открывание клапана 106 с помощью соленоида 105 под контролем управляющего устройства 107 обеспечивает начало процесса впрыска. До открытия клапана 106 движение поршневого узла 30, 35 по сути гидравлически заблокировано. Аналогично, закрытие клапана 106 снова запирает поршневой узел 30, 35, прекращая таким образом процесс впрыска.
На выходе клапана 106 расположен выходной канал 110, через который при открытом клапане 106 может происходить сброс давления. В предпочтительном варианте выполнения за выходным каналом 110 или в непосредственной связи с ним устанавливается устройство регулируемого ограничения потока, обеспечивающее избирательный контроль степени сброса давления через выходной канал 110, при этом процесс регулируемого ограничения потока осуществляется с помощью регулирующего приспособления, аналогичного показанному на фиг. 2.
На фиг. 4 изображен вариант устройства управления работой форсунки. Данное устройство помещается в задней части 13 корпуса форсунки, хотя может выполняться в виде отдельного блока, подсоединяемого к каналу сброса давления из камеры низкого давления 37. Вариант выполнения, изображенный на фиг. 4, предполагает, что сброс давления из камеры 37 осуществляется через стравливающий канал, включающий в себя по ходу потока камеру 120, которая соединяется с промежуточной камерой 121 посредством устройства компенсации давления 122, имеющего вид сужения 123 (фиг. 5) в форме щели, выполненной внутри втулки 124. Также внутри последней расположен шиберный затвор 125, имеющий головку 126, которая постепенно перекрывает или открывает щель 123 по мере движения шиберного затвора 125 внутри втулки 124.
На выходе канала сброса давления текучей среды находится камера низкого давления 130. Давление текучей среды в камере 130 в совокупности с жесткостью пружины 131 противодействует перемещению шиберного затвора 125 под влиянием давления среды, перетекающей из камеры 120 в промежуточную камеру 121. Однако, в случае значительного повышения перепада давления между камерами промежуточной 121 и низкого давления 130 шиберный затвор 125 начнет перемещаться, и головка 126, перекрывая щель 123, будет ограничивать поток через последнюю, при этом давление в промежуточной камере 121 понижается в результате перетока среды в камеру низкого давления 130.
В канал сброса давления текучей среды между промежуточной камерой 121 и камерой низкого давления 130 помещено устройство 135, избирательно осуществляющее контроль ограничения потока, которое имеет вид игольчатого клапана 136 с конической носовой частью 137, расположенной в проходе 138, соединяющем камеры промежуточную 121 и низкого давления 130. Игольчатый клапан 136 имеет возможность избирательного перемещения посредством электрического или механического управляющего устройства 139, обеспечивая таким образом избирательный контроль степени сброса давления через проход 138. Это, в свою очередь, делает возможным управление процессом впрыска.
На выходе устройства ограничения потока 135 расположен обратный клапан 140, назначение которого состоит в поддерживании минимального противодавления, являющегося функцией жесткости пружины 141 и положения регулируемого гнезда 142 пружины 141. При низких скоростях холостого хода двигателя, работающего с данной форсункой, клапан 140 задает минимальное противодавление. При более высоких скоростях работы двигателя клапан 140 остается открытым по существу все время.
Система, изображенная на фиг. 4, снабжена также регулируемым демпферным устройством 150, более подробно представленным на фиг. 6. Демпферное устройство 150 включает в себя подвижной рабочий орган 151, изображенный в виде демпферного диска, установленного в демпферной камере 152, которая через проток 153 соединена с промежуточной камерой 121. Демпферный диск 151 упруго реагирует на повышение давления в промежуточной камере 121. Упор 155, регулируемый с помощью установочного винта 156, обеспечивает возможность избирательного ограничения упругого перемещения демпферного диска 151. Регулировка положения упора 155 по существу задает скорость холостого хода связанного с ним двигателя. В частности, сравнительно большой зазор между упором 155 и демпферным диском 151 обеспечивает больший ход поршневого узла 30, 35 до того, как активизируется другое устройство ограничения потока или сброса давления, давая возможность установиться более высокой скорости холостого хода.
Выполнение системы впрыска в соответствии с фиг. 4, 5 и 6 и описанным выше обеспечивает широкий контроль работы форсунки, включая регулировку времени начала и конца впрыска, интенсивности впрыска, скорости холостого хода и даже изменение интенсивности впрыска в пределах единичного цикла впрыска. Возможность более широкого контроля делает рассматриваемый вариант системы впрыска особенно приемлемым для двигателей внутреннего сгорания прямого зажигания.
Конструкция и установка форсунок, а также связанных с ними средств контроля, проиллюстрированных и соответственно описанных, обеспечивают точную и стабильную регулировку момента начала впрыска, величины жидкого заряда, впрыскиваемого в течение каждого цикла впрыска, а также момента окончания впрыска. Трехступенчатое точное завершение процесса впрыска обеспечивает возможность применения настоящей форсунки в высокоскоростных двухтактовых двигателей.
Возможность автоматического контроля загрязнений является одним из преимуществ использования давления в цилиндре двигателя для развития давления впрыска. В частности, в случае дефекта в цилиндре двигателя, например, при выходе из строя поршневого кольца, ведущем к падению давления в цилиндре, это падение давления немедленно отсекает или по крайней мере уменьшает топливный заряд, впрыскиваемый форсункой в поврежденный цилиндр. Таким образом, выброс несгоревшего топлива из данного двигателя будет меньше по сравнению с двигателем, в поврежденный цилиндр которого продолжается впрыск полного топливного заряда. Подобная коррекция происходит также в случае нормального износа составных элементов двигателя, и результатом ее являются уменьшение загрязнений и компенсация износа двигателя.
Другим преимуществом предлагаемой форсунки является обеспечение ею автоматической регулировки момента впрыска. В частности, при возрастании скорости работы двигателя момент впрыска в пределах рабочего цикла в идеале должен быть сдвинут ближе к началу цикла, так как для полного сгорания топлива требуется заранее заданный минимум времени независимо от скорости двигателя. При работе двигателя с форсункой предлагаемой конструкции после начала такта сжатия, давление в цилиндре падает быстрее при более высоких скоростях двигателя, так как в этом случае утечка тепла из двигателя происходит не так быстро, как при более низких скоростях его работы. Более быстрый рост давления автоматически смещает момент впрыска ближе к началу в пределах рабочего цикла двигателя. Данное смещение от начальной установки в сторону момента впрыска, соответствующего максимальной скорости двигателя, может составлять более 15o.
Следующим преимуществом предлагаемой конструкции форсунки, описанной и проиллюстрированной, является пониженный средний предел давления сгорания как результат установления нового режима сгорания. Это, в свою очередь, приводит к возможности использования в двигателе составных частей облегченного типа. "Новый режим сгорания" является следствием существования различных фаз сгорания топлива. В случае обычного двигателя кривая зависимости давления от времени круто поднимается до максимума, затем резко падает. При использовании форсунок предлагаемой конструкции контроль дисперсности и давлений впрыска обеспечивает возможность управления процессом сгорания топлива таким образом, что график зависимости давления от времени может иметь сравнительно плоскую вершину, при этом охватываемая кривой площадь, которая характеризует работу, может быть такой же, как и для обычного двигателя, однако, пониженный максимум давления приводит к меньшим направлениям в двигателе и возможности использования составных частей его, меньших по размеру и весу.
Поскольку предлагаемые форсунки ввиду отсутствия подшипниковых узлов не требуют высокого уровня смазки, они могут работать на беспарафиновом дизельном топливе, что делает возможным их использование в условиях холодного климата. При тщательном выборе конструктивных материалов можно непосредственно использовать сжиженный нефтяной газ.
Конструктивным и эксплуатационным преимуществом предлагаемой форсунки является возможность ее предварительной автоматической настройки на последующую работу. Отключение внешних регулирующих устройств приводит к гидравлическому запиранию низконапорной части форсунки, при этом топливо будет накапливаться в напорной камере 65, поскольку оно не может быть выпущено через сопло 68 или напорный клапан 56. Таким образом, при повторном запуске связанного с данной форсункой двигателя первый такт сжатия в нем обеспечит возможность впрыска топлива под давлением из напорной камеры 65 с этого момента начинается нормальная работа двигателя.
В предлагаемой конструкции форсунок, представленной на чертежах, для обеспечения герметичности в местах соприкосновения неподвижных частей использован контакт металла по металлу. Так например, соединение передней 11 и задней 13 частей корпуса осуществляется с помощью контакта между острой кромкой 96 на задней части 13 корпуса и скошенной поверхностью 97 на передней части 11 корпуса. Аналогичным образом обеспечено соединение между распорной втулкой 67 и цилиндром низкого давления 30, между распорной втулкой 67 и цилиндром высокого давления 35, а также между гильзой высокого давления 44 и основанием 43. Данные соединения представляют собой усовершенствованный вариант линзовых уплотнений и обеспечивают надежное уплотнение в условиях высоких давлений.
Клапаны, включая входной 16, выходной 21, обратный 46, напорный 56 и игольчатый 70, обеспечивают плотный контакт с внутренним углом менее 90o между рабочими органами и соответствующими им гнездами. Предпочтительным является угол около 60o. Столько, например, составляет угол при вершине игольчатого клапана 70. Как было установлено, этот сравнительно небольшой посадочный угол обеспечивает надежное уплотнение в широком диапазоне давления текучей среды.
Реферат
Использование: двигателестроение, в частности топливовпрыскивающая аппаратура. Сущность изобретения: топливная форсунка приводится в действие давлением сжатия в цилиндре двигателя, воздействующим на лицевую поверхность 31 поршневого устройства 30, 35 и сжимающим топливо в камере высокого давления 45 в корпусе 10 форсунки. Поршневое устройство 30, 35 движется, преодолевая сопротивление пружины 36 и регулируемое давление топлива в камере низкого давления 37. Камера высокого давления 45 соединена с инжекторным соплом 68 через напорную камеру 65 и обратный напорный клапан 56. Подача топлива регулируется изменением его давления в камере низкого давления 37, для контроля которого используют различные средства. 14 з.п. ф-лы, 6 ил.
