ИНЖЕКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНЖЕКЦИОННОГО УСТРОЙСТВА
INJECTION DEVICE AND METHOD OF USING INJECTION DEVICE

Настоящее изобретение относится к инжекционному устройству для впрыска текучей среды под давлением, например, устройству для впрыска топлива для двигателей внутреннего сгорания, устройству для впрыска жидкостей, например, катализатора в химические реакторные сосуды, находящиеся под давлением, и другим устройствам для дозированного впрыска текучей среды.
Хотя настоящее изобретение применимо к любой ситуации, при которой требуется производить впрыск отмеренной дозы текучей среды под давлением, будет удобным раскрыть изобретение конкретно по отношению к впрыску топлива в двигатель внутреннего сгорания.
Топливные инжекторы, применяемые в двигателях внутреннего сгорания, включая и двигатели с искровым зажиганием, и двигатели с компрессионным зажиганием (дизельные двигатели), как правило, используются совместно с внешним насосом для подачи под достаточным давлением топлива, которое подлежит впрыскиванию в цилиндр двигателя. Момент впрыска топлива в рабочем цикле двигателя определяют путем внешнего управления работой инжекторного клапана при помощи механических или электрических средств. Одним недостатком, который присущ обеспечению внешней насосной подачи и управления, является необходимость обеспечения и обслуживания указанных внешних систем
Общей проблемой, которая связана с инжекторами, в частности теми, которые питаются от внешнего насоса, является отсутствие ответной реакции на какие-либо неисправности в соответствующем цилиндре. Например, если разрушено поршневое кольцо, то известные инжекторы будут продолжать впрыскивать топливные заряды в цилиндр. Таким образом, топливо будет выбрасываться из двигателя, что приведет к загрязнению воздуха выбросом несгоревшего топлива.
Инжекционное устройство раскрыто в документе ЕР 0601038.
Инжекционное устройство раскрыто в документе US 4427151.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечено инжекционное устройство для впрыска текучей среды под давлением в сопряженную камеру, содержащее:
корпус,
поршень, выполненный с возможностью перемещения в корпусе под действием давления текучей среды в сопряженной камере, которое действует на поршень снаружи, при этом поршень является приводимым в действие для сжатия подлежащей впрыску текучей среды в камере высокого давления, причем поршень выполнен с возможностью перемещения навстречу действию давления указанной текучей среды в управляющей камере, в силу чего перемещение поршня является избирательно управляемым путем управления текучей средой в управляющей камере,
инжекторный клапан и связанное с ним инжекторное отверстие, избирательно сообщающееся по текучей среде с камерой высокого давления, в силу чего обеспечена возможность впрыска текучей среды под высоким давлением из камеры высокого давления через инжекторное отверстие при открытии инжекторного клапана,
причем поршень определяет первую рабочую область поршня, обращенную к сопряженной камере, при этом первая рабочая область поршня является кольцевой,
и первая рабочая область поршня определена первой наружной периферией, имеющей наружную уплотнительную поверхность для перемещения относительно первого компонента инжектора, и первой внутренней периферией, имеющей первую внутреннюю уплотнительную поверхность для перемещения относительно второго компонента инжектора, при этом второй компонент является неподвижным относительно корпуса, и второй компонент представляет собой клапанный элемент инжекторного клапана, причем указанный клапанный элемент является неподвижным относительно корпуса.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечено инжекционное устройство для впрыска текучей среды под давлением в сопряженную камеру, содержащее:
корпус,
поршень, выполненный с возможностью перемещения в корпусе под действием давления текучей среды в сопряженной камере, которое действует на поршень снаружи, при этом поршень является приводимым в действие для сжатия подлежащей впрыску текучей среды в камере высокого давления, причем поршень выполнен с возможностью перемещения навстречу действию давления указанной текучей среды в управляющей камере, при этом перемещение поршня является избирательно управляемым путем управления текучей средой в управляющей камере,
инжекторный клапан и связанное с ним инжекторное отверстие, избирательно сообщающееся по текучей среде с камерой высокого давления, в силу чего обеспечена возможность впрыска текучей среды под высоким давлением из камеры высокого давления через инжекторное отверстие при открытии инжекторного клапана,
причем в конструкции отсутствуют механические устройства, действие которых смещает поршень
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечено инжекционное устройство для впрыска текучей среды под давлением в сопряженную камеру, содержащее:
корпус,
поршень, выполненный с возможностью перемещения в данном корпусе под действием давления текучей среды в сопряженной камере, которое действует на поршень снаружи, при этом поршень является приводимым в действие для сжатия подлежащей впрыску текучей среды в камере высокого давления, причем поршень выполнен с возможностью перемещения навстречу действию давления указанной текучей среды в управляющей камере, в силу чего перемещение поршня является избирательно управляемым путем управления текучей средой в управляющей камере,
инжекторный клапан и связанное с ним инжекторное отверстие, избирательно сообщающееся по текучей среде с камерой высокого давления, в силу чего обеспечена возможность впрыска текучей среды под высоким давлением из камеры высокого давления через инжекторное отверстие при открытии инжекторного клапана,
причем перемещение поршня происходит исключительно в результате действия на поршень давления текучей среды.
Далее изобретение будет раскрыто, только в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 в разрезе изображает инжекционное устройство согласно настоящему изобретению,
фиг. 2 в увеличенном виде изображает фрагмент фиг. 1,
фиг. 3 изображает инжекционное устройство по фиг. 1, установленное в двигателе внутреннего сгорания,
фиг. 4 представляет дополнительный вид фиг. 1, изображающий контур охлаждения,
фиг. 5 изображает инжекционное устройство по фиг. 1 во время заполнения,
фиг. 6 изображает инжекционное устройство по фиг. 1 во время впрыска,
фиг. 7 схематически в увеличенном виде изображает поршень инжекционного устройства по фиг. 1,
фиг. 8 изображает инжекционное устройство по фиг. 1 в конце впрыска,
фиг. 9 изображает инжекционное устройство по фиг. 1 в последующем положении,
фиг. 10 изображает инжекционное устройство по фиг. 1 в последующем положении,
фиг. 11 в разрезе изображает часть инжекционного устройства согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг. 12 изображает инжекционное устройство по фиг. 11 в разрезе по направлению стрелки В,
фиг. 13 изображает часть инжекционного устройства по фиг. 11 - вид по стрелке В,
фиг. 14 изображает частичный вид по фиг. 11, взятый по стрелке L,
фиг. 15 изображает вид, аналогичный виду на фиг. 14, с пазом другой формы, и
фиг. 16 представляет вид, аналогичный виду на фиг. 11 варианта осуществления инжекционного устройства по фиг. 11.
На прилагаемых чертежах показан инжектор 10, содержащий в общем цилиндрический корпус 12 инжектора. На верхней стороне инжектора установлен первый соленоид 14, который приводит в действие первый клапан 16. Второй соленоид 18 установлен рядом с первым соленоидом, и приводит в действие второй клапан 20. Инжекторный клапан 22 установлен в корпусе, и содержит первый элемент 24 и второй элемент 26. Поршень 28 установлен на том конце корпуса, который противоположен первому соленоиду. Корпус включает в себя цилиндрическую гильзу 30. Корпус содержит следующие различные порты/каналы/ области для текучей среды:
впускной порт 32;
выпускной порт 34;
охлаждающий канал 36, содержащий ход 37, ход 38 и ход 39;
управляющую камеру 40, содержащую область 41, область 42, область 43, область 44, область 45, область 46, область 47, область 48 и область 49;
область 50 высокого давления; область 52;
выпускной канал 54.
Между впускным портом 32 и областью 41 находится обратный клапан 56, в данном случае - подпружиненный шариковый клапан.
Между областью 46 и областью 50 высокого давления находится обратный клапан 58, в данном случае - подпружиненный шариковый клапан.
Управляющий клапан 60 (см., в частности, фиг. 2) содержит клапанный элемент 61, образованный цилиндрической стенкой 62 и круглым торцом 63. Управляющий клапан 60 выполнен с возможностью скольжения в отверстии 64 корпуса 12 инжектора.
Круглый торец 63 обращен к области 49. Часть цилиндрической стенки 62 обращена к области 52. Часть клапанного элемента 61 обращена к области 48. Движение клапанного элемента 61 в направлении стрелки А на фиг. 2 будет приводить к открытию управляющего клапана 60, поскольку круглый торец 63 будет двигаться вверх, проходить примыкающую часть области 52, и тем самым устанавливать сообщение по текучей среде между областью 49 и областью 52.
Пружина 65 смещает клапанный элемент 61 в направлении стрелки В на фиг. 2, что будет дополнительно рассмотрено ниже.
Клапанный элемент 61 определяет первую рабочую область 61А, которая обращена к области 49. Давление текучей среды в области 49 будет воздействовать на первую рабочую область 61А так, что сила, действующая в направлении стрелки А, приложенная к клапанному элементу 61, равна давлению в области 49, умноженному на площадь первой рабочей области 61А. В этом случае первая рабочая область эквивалентна площади поперечного сечения клапанного элемента 61.
Клапанный элемент 61 также определяет вторую рабочую область 61В, которая обращена к области 48. Давление текучей среды в области 48 будет воздействовать на вторую рабочую область 61В так, что сила, приложенная в направлении стрелки В к клапанному элементу 61, равна давлению в области 48, умноженному на площадь второй рабочей области 61В. В этом случае вторая рабочая область 61В такая же, что и первая рабочая область 61А.
Второй клапанный элемент 26 является, в общем, удлиненным и содержит, в общем, цилиндрическую стенку 70, соединенную с коническим торцом 71. Конический торец 71 содержит множество инжекторных отверстий 72. В общем цилиндрическая стенка 70 на своем конце, противоположном коническому торцу, содержит наружную резьбу 73, которая позволяет ввинтить второй клапанный элемент в отверстие корпуса с внутренней резьбой, и тем самым обеспечить жесткое прикрепление второго клапанного элемента к корпусу. В общем цилиндрическая стенка 70 содержит два продольных паза 74 и 75.
Первый клапанный элемент 24 образован штифтом 76 и поперечным штифтом 78. Штифт 76 является, в общем, удлиненным и содержит конический конец 77, который избирательно может входить в контакт с конической внутренней поверхностью 71А конического торца 71, и тем самым закрывать инжекторный клапан, что будет дополнительно рассмотрено ниже. Первый клапанный элемент также содержит пружинный упор в виде поперечного штифта 78, у которого имеются концы 78А и 78В. Поперечный штифт 78 с геометрическим замыканием соединен со штифтом 76. Согласно фиг. 1, конец 78А выступает вбок через паз 75, а конец 78В выступает вбок в противоположном направлении через паз 74. Пружина 80 воздействует на концы 78А и 78В, и смещает поперечный штифт 78, а, следовательно, и штифт 76, в общем, вниз, как показано на фиг. 1.
Конец 80А пружины 80 упирается в корпус 12 инжектора. Соответственно, первый клапанный элемент 24 может перемещаться в направлении стрелки А и в направлении стрелки В, как будет рассмотрено ниже, в то время как второй клапанный элемент 26 жестко закреплен в корпусе 12 инжектора, и, следовательно, не может перемещаться ни в направлении А, ни в направлении В.
Поршень 28 содержит в общем круглый диск 82, связанный с вертикальной, в общем цилиндрической стенкой 83. Прокладка 84 герметизирует периферический край в общем круглого диска 82 относительно углубления в корпусе 12 инжектора. Прокладка 85 герметизирует в общем цилиндрическую стенку 83 относительно внутренней поверхности цилиндрической гильзы 30. Прокладка 86 герметизирует внутреннюю поверхность в общем цилиндрической стенки 83 относительно наружной поверхности в общем цилиндрической стенки 70 второго элемента 26 клапана. Соответственно, указанный поршень может перемещаться в направлении стрелки А и направлении стрелки В относительно корпуса 12 инжектора, что будет дополнительно рассмотрено ниже. Стопорное кольцо 87 вставлено в круговой паз на внутренней стороне в общем цилиндрической стенки 83. Стопорное кольцо содержит два направленных внутрь выступа 86А и 86В, которые соответственно входят в пазы 75 и 74 второго элемента 26 клапана. За счет выступов 86А и 86В, упирающихся в концы пазов 75 и 74, стопорное кольцо ограничивает ход поршня, который последний может иметь в направлении В.
Инжектор 10 используется для впрыска топлива в камеру 91А сгорания двигателя 90 (фиг. 3) внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Двигатель содержит головку 91 цилиндров и блок 92 цилиндров, содержащий цилиндр 93, внутри которого поршень 94 совершает возвратно-поступательное движение. Головка цилиндров содержит впускной порт 95, в котором имеется впускной клапан 95А, и выпускной порт 96, в котором имеется выпускной клапан 96А. Инжектор 10 вставлен в отверстие 97 в головке цилиндров, так что поршень 28 подвергается воздействию давления в камере 91А сгорания.
Инжектор может быть закреплен на своем месте посредством фиксатора 98 и стопорного кольца 99 (только часть показана на фиг. 3). Фиксатор 98 удерживается на месте посредством болта (не показан), который пропущен через фиксатор и ввинчен в отверстие 191 в головке 91 цилиндров.
Топливный насос Р подает топливо F из топливного бака Т во впускной порт 32, что будет дополнительно рассмотрено ниже. Возвратная магистраль R передает топливо из выпускного порта 34 обратно в бак Т.
В данном случае двигатель 90 представляет собой четырехтактный дизельный двигатель, который работает традиционным образом, то есть, на такте впуска воздух всасывается через впускной порт 95 и клапан 95А в цилиндр 93, по мере того как поршень 94 опускается. Такт сжатия имеет место, когда поршень 94 движется к головке цилиндров. Затем инжектор 10 в надлежащий момент времени впрыскивает топливо, которое воспламеняется, и вынуждает поршень на рабочем такте опускаться, создавая мощность, после чего поршень движется к головке цилиндров, причем в это время клапан 96А открыт, и позволяет вывести продукты сгорания через выпускной порт 96 (такт выпуска). Затем указанная последовательность действий повторяется.
Согласно фиг. 4, ход 38 охлаждающего канала 36 является спиральным, и выполнен на станке в цилиндрическом углублении 110 корпуса 12 инжектора еще до установки каких-либо компонентов в корпус, в частности, до установки в корпус 12 цилиндрической гильзы 30. Как только спиральный паз, который определяет ход 38, будет проточен, можно запрессовать гильзу 30, и тем самым создать спиральный ход 38. Один конец 38А хода 38 непосредственно сообщается по текучей среде с ходом 37, а противоположный конец 38В хода 38 непосредственно сообщается по текучей среде с ходом 39.
При эксплуатации, насос Р нагнетает топливо F из бака Т во впускной порт 32. Некоторое количество этого топлива проходит в охлаждающий канал 36, поступая сначала в ход 37, и затем проходя через конец 38А хода 38, через сам ход 38, затем через конец 38В хода 38, затем через ход 39 и затем через выпускной порт 34 и по возвратной магистрали R обратно в бак Т. Стрелка С на фиг. 4 показывает этот путь потока. Топливо F, выходящее из топливного бака Т, будет более холодным, чем головка цилиндров двигателя, и поэтому, когда топливо течет, в частности, по ходу 38, оно будет отбирать тепло от инжектора, охлаждая тем самым последний. Теперь уже нагретое топливо будет возвращено в бак Т, и тепло будет рассеиваться в атмосферу.
Далее будет рассмотрена работа инжектора во время такта впуска, такта сжатия, рабочего такта и такта выпуска двигателя.
Заполнение инжектора
Фиг. 5 изображает, как происходит заполнение камеры 50 высокого давления инжектора.
Приводят в действие первый соленоид 14, так чтобы первый клапан 16 был в закрытом положении (первый соленоид 14 и клапан 16 выполнены так, что клапан 16 является нормально закрытым, т.е., когда первый соленоид 14 не запитан, то есть ток не протекает через катушки первого соленоида, клапан 16 закрыт). Второй соленоид 18 приводят в действие так, чтобы второй клапан 20 находился в открытом положении (второй соленоид 18 и второй клапан 20 выполнены так, что второй клапан 20 является нормально открытым, т.е. второй клапан 20 открыт, когда питание на соленоид 18 не подано). Поскольку область 47 связывает по текучей среде область 49 с областью 48, и поскольку область 48 не связана по текучей среде с областью 52 (так как клапан 16 закрыт), давление в области 49 и области 48 одинаково, и, следовательно, гидравлическое давление с противоположных сторон клапанного элемента 61 также одинаково. Таким образом, сила, действующая в направлении стрелки А, созданная давлением в области 49, действующим на первую рабочую область 61А, равна силе, действующей в направлении стрелки В на клапанный элемент 61, созданной давлением в области 49, действующим на вторую рабочую область 61В (поскольку давления в областях 48 и 49 одинаковы и поскольку величина первой рабочей области 61А равна величине второй рабочей области 61В). В свете вышесказанного, пружина 65 воздействует на клапанный элемент 61, вынуждая его двигаться в направлении стрелки В, закрывая тем самым управляющий клапан 60. Давление от насоса Р на впускном порте 32 заставляет обратный клапан 56 открыться, и, поэтому топливо из впускного порта 32 проходит в управляющую камеру 40, т.е. в область 41, а из нее - в область 42 и 43. Некоторая часть топлива проходит из области 41 в область 44, а оттуда - в область 46. Топливо, поступающее в область 46, вынуждает обратный клапан 58 открыться, что позволяет топливу проходить в область 50 высокого давления. Из области 44 топливо также поступает в область 49, а оттуда - в область 45. Топливо не может пройти в область 52 поскольку, как говорилось выше, управляющий клапан 60 закрыт.
Поскольку текучая среда может поступать в область 43, и также может поступать в область 50 высокого давления, это дает возможность поршню 28 перемещаться в направлении стрелки В по мере того, как область 50 и область 43 заполняются топливом.
Следует понимать, что силы, действующие на поршень 28, представляют собой комбинацию мгновенного значения давления в области 50 высокого давления, мгновенного значения давления в управляющей камере 40 и мгновенного значения давления в камере 91А сгорания. В частности, мгновенное значение давления в камере 91А сгорания будет ниже атмосферного давления в определенные периоды цикла горения, в частности, на такте впуска. Соответственно, может быть обеспечено движение поршня 28 в направлении стрелки В, такое, чтобы область 50 высокого давления и область 43 заполнялись топливом по мере того, как объем области 50 высокого давления и области 43 увеличивается, благодаря перемещению поршня 28.
Следует отметить, что стопорное кольцо 87 и выступы 87А и 87В ограничивают величину перемещения поршня 28, которое он может совершать в направлении стрелки В, т.е. стопорное кольцо 87 не дает поршню 28 «выпасть» в головку цилиндров.
Как только инжектор оказывается заполненным (или заправленным), тогда во время четырехтактного цикла на такте сжатия давление в головке цилиндров начнет увеличиваться, действуя тем самым на поршень 28. Однако, поскольку управляющий клапан 60 закрыт, и поскольку обратные клапаны 56 и 58 будут закрыты, управляющая камера 40 окажется гидравлически запертой, и, следовательно, будет препятствовать перемещению поршня в направлении стрелки А.
Начало впрыска
Фиг. 6 изображает, как начинается впрыск.
Чтобы начать впрыск, первый соленоид 14 приводят в действие, чтобы открыть первый клапан 16. Второй клапан 20 остается открытым.
При открытом первом клапане 16 текучая среда, находящаяся в области 48, может проходить, минуя клапан 16 и клапан 20, в выпускной порт 34, как показано стрелкой D на фиг. 6, и попадать в область низкого давления, т.е. в бак Т. Это приводит к тому, что давление топлива в области 48 падает, в частности, ниже уровня, который обнаруживается в области 49. Область 47 является сравнительно узкой, и действует в качестве ограничителя, когда поток проходит из области 49 в область 48. Это ограничение вызывает перепад давления, когда текучая среда движется по области 47, приводя к тому, что давление в области 48 будет более низким, чем в области 49. Следовательно, имеется более низкое давление, действующее на вторую рабочую область 61В, чем на первой рабочей области 61А, и этого перепада давления достаточно, чтобы преодолеть усилие пружины 65, что ведет к перемещению клапанного элемента 61 в направлении стрелки А в положение, показанное на фиг. 6, и тем самым - открытию управляющего клапана 60, что позволяет текучей среде, находящейся в области 49, течь в область 52 и наружу через выпускной порт 34 (см. стрелку Е).
Открытие управляющего клапана 60, как раскрыто выше, приводит к тому, что область 40 низкого давления более не является гидравлически запертой. На давление в камере сгорания (показанное на фиг. 6 стрелками Е), которое действует на кольцевой торец поршня 28, более не оказывает обратного действия давление в области 43 (поскольку данная область теперь соединена с областью низкого давления (т.е. с баком) через область 42, 44, 49, 52 и выпускной порт 34). Поэтому, противодействие давлению, действующему на поршень 28, оказывает только давление в области 52 высокого давления.
На фиг. 7 отдельно упрощенно показан поршень 28. Поршень имеет большой наружный диаметр G1 и внутренний диаметр G2. Понятно, что давление в головке цилиндров действует на рабочую область Н1:
Топливо в области 50 высокого давления действует на рабочую область Н2:
Следовательно, давление в области 50 высокого давления в Н1/Н2 раз больше давления в головке цилиндров. И, следовательно, на поршне 28 происходит «умножение» давления в цилиндре до давления в области 50 высокого давления.
Штифт 76 находится в скользящем контакте с прокладкой 76А. Прокладка 76А в свою очередь уплотнена в отверстии корпуса 12 цилиндра. Таким образом, область 45 изолирована от области 50 высокого давления. Область 45 образует часть управляющей камеры 40, которая, как показано на фиг. 6, соединена с областью низкого давления, т.е. с баком Т, так что часть штифта 76, расположенная ниже прокладки 76А (согласно фиг. 6), подвергается действию высокого давления (т.е. давления в области 50 высокого давления), в то время как часть штифта, расположенная выше прокладки 76А подвергается действию давления управляющей камеры 40, которое при открытом управляющем клапане 60 равно атмосферному давлению. Соответственно разность давлений между областью 50 высокого давления и управляющей камерой 40 достаточна, чтобы переместить штифт 76 вверх против действия пружины 80, и тем самым отвести конический торец 77 от конической внутренней поверхности 71А, и, следовательно, открыть инжекторный клапан 22 и дать возможность произвести впрыск топлива в головку цилиндров через инжекторные отверстия 72.
Следует понимать, что впрыск топлива будет происходить при определенном мгновенном значении давления в области 50 высокого давления, которое будет в Н1/Н2 раз больше мгновенного значения давления в головке цилиндров.
Окончание впрыска
Чтобы остановить впрыск, управляющую камеру 40 приводят к гидравлической блокировке. Это выполняют путем закрытия второго клапана 20, как показано на фиг. 8. Как только второй клапан 20 закроется, поршень 28 больше не сможет перемещаться в направлении стрелки А из-за гидравлического запирания управляющей камеры 40. После того как поршень 28 остановит свое движение в направлении стрелки А, объем области 50 высокого давления прекратит уменьшаться, и, следовательно, впрыск топлива прекратится.
Фиг. 8 изображает момент, когда клапан 20 закрывается. В этот момент управляющий клапан 60 по-прежнему открыт.
Очень скоро после закрытия клапана 20 давления в областях 48 и 49 выровняются (через область 47), и тем самым вынудят пружину 65 переместить клапанный элемент 61 в направлении стрелки В, закрывая тем самым управляющий клапан 60. Это показано на фиг. 9.
Клапан 16 затем может быть закрыт (как показано на фиг. 10).
Клапан 20 затем можно открыть (как показано на фиг. 5), обеспечивая возможность снова заполнить (или заправить) камеру 50 высокого давления, т.е. подготовить для следующего эпизода впрыска.
Согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения, можно использовать и другие инжекторные клапаны, например, мог бы быть использован игольчатый клапан. Игольчатые инжекторные клапаны хорошо известны: в них первый клапанный элемент выполнен с возможностью перемещения относительно второго элемента, чтобы избирательно определять инжекторное отверстие.
На фиг. 11 и 13 изображен дополнительный вариант осуществления инжектора 210, в котором компоненты, выполняющие, по существу, туже функцию, что в инжекторе 10, обозначены номерами, которые на 200 больше прежних.
Поршень 228 содержит в общем плоский диск 310, прикрепленный по наружной периферии к в общем цилиндрической детали 312. Деталь 312 содержит наружную поверхность 314 и упор 316. Упор 316 не является сплошным кольцевым упором, скорее, он состоит из четырех отдельных упоров (три из которых показаны на фиг. 12). Каждый упор 316 содержит два ориентированных по окружности края 364, 365, назначение которых будет рассмотрено ниже.
Часть цилиндрической детали 312 проходит вниз от плоского диска 310, заканчиваясь скошенным краем 318. От центра диска 310 вверх проходит цилиндр 320, у которого имеется наружная поверхность 322 и центральное отверстие 323. В цилиндре 320 выполнено поперечное сверление, определяющее поперечно ориентированные отверстия 324 и 325. В нижней части центрального отверстия 323 расположен обратный клапан 328 с шариком 329, который смещен пружиной 331 вверх и находится в контакте с седлом 330. К нижней части цилиндра 320 прикреплен диск 334. Диск 334 отстоит от нижней поверхности 228А поршня 228, определяя область 336. Наружный периферический край 335 диска 334 скошен под углом, который равен углу скошенного края 318. Поперечные отверстия 338 и 339 дают возможность центральному отверстию 323 сообщаться по текучей среде с областью 336.
Край 335 диска 334 в общем имеет коническую форму, но содержит ряд канавок 340 (см. фиг. 13), ориентированных в общем радиально. Между каждыми из канавок имеется часть конической поверхности - фаска 341. Каждый паз - мелкий, например, имеет глубину 0,025 мм.
Диск установлен на нижнюю часть цилиндра 320 и приварен на своем месте так, что фаски 341 входят в контакт со скошенным краем 318 цилиндрической детали 312. Таким образом, пазы 340 совместно с фасками 341 и скошенным краем 318 образуют ряд инжекторных отверстий 272.
Область 250 высокого давления частично определена цилиндром 350, который приварен к крышке 352 (обычно лазерной сваркой). Крышка 352, таким образом, наглухо закрывает торец 350А цилиндра 350. Цилиндр 350 содержит внутреннюю поверхность 354 и просверленные в нем отверстия 356 и 357, ориентированные в поперечном направлении. Крышка 352 входит в углубление 359 корпуса 212 инжектора. Диаметр крышки 352 входит в углубление 359 со свободной посадкой по причинам, которые будут рассмотрены ниже.
Стопорное кольцо 360 входит в паз 362 корпуса, чтобы не дать цилиндру 350 и крышке 352 двигаться в направлении В.
Корпус 312 инжектора содержит кольцевой упор 366 и цилиндрическую внутреннюю поверхность 367.
Принцип работы инжектора 210 аналогичен инжектору 10.
Таким образом, область 250 высокого давления может предварительно заполняться из управляющей камеры 240, когда поршень движется в направлении стрелки В. Гидравлическое запирание управляющей камеры 240 препятствует перемещению поршня в направлении стрелки А. Осуществление выпуска из управляющей камеры 240 в область низкого давления (например, в бак) дает возможность поршню двигаться в направлении стрелки А. Благодаря тому, что рабочая область 300Н1 поршня, которая обращена к камере сгорания 291А, больше эффективной рабочей области 200Н2 цилиндра 320, топливо проходит из области 250 высокого давления вниз через центральное отверстие 323, минуя обратный клапан 280 через отверстия 338 и 339, через область 336, и впрыскивается в камеру 291А сгорания через инжекторные отверстия 272.
Как говорилось выше, поверхность 314 поршня является цилиндрической, так же, как и внутренняя поверхность 367 корпуса 212. Обе поверхности 314 и 367 изготовлены с жесткими допусками, так что диаметр поверхности 314 почти равен диаметру поверхности 367, а разность диаметров позволяет поршню лишь скользить в корпусе. Соответственно, между поверхностями 367 и 314 создается уплотнение, т.е. не требуется дополнительной уплотнительной кольцевой прокладки, кольцевого уплотнения поршня или подобного элемента - такова точность изготовления в допусках размеров поверхностей 314 и 367.
Аналогично, поверхность 322 и поверхность 354 изготовлены с жесткими допусками, причем диаметр поверхности 354 лишь незначительно больше диаметра поверхности 322, что достаточно для получения скользящей посадки. Соответственно, между поверхностями 322 и 354 создается уплотнение, т.е. не требуется дополнительной уплотнительной кольцевой прокладки, кольцевого уплотнения поршня или подобного элемента - такова точность изготовления в допусках размеров поверхностей 322 и 354.
Как говорилось выше, крышка 352 свободно садится в углубление 359. Это дает возможность крышке 352 и цилиндру 350 перемещаться относительно плоскости чертежа (фиг. 11) «вправо, влево, внутрь, изнутри», чтобы компенсировать любые рассогласования осей поверхностей 314 и 367 относительно осей поверхностей 322 и 354. За счет того, что цилиндр 350 с крышкой 352 получают возможность «плавать» указанным образом, поверхности 314 и 367 могут быть изготовлены на станке точным образом, чтобы работать в качестве уплотнения, а также поверхности 322 и 354 могут быть изготовлены на станке точным образом, чтобы работать в качестве уплотнения, при этом любое рассогласование осей может быть компенсировано «плавающим» движением крышки 352.
Следует понимать, что поршень 228 может свободно вращаться вокруг оси К. Любое такое вращение поршня 228 будет приводить к тому, что края 364 и 365 упора 316 также вращаются, и тем самым очищают любой осадок, который мог бы накапливаться на упоре 366.
Согласно другому варианту осуществления, пазы 340, хотя и ориентированы в общем радиально, но могут в своей ориентации содержать небольшую тангенциальную составляющую. Когда производится впрыск топлива, указанная тангенциальная составляющая ориентации будет способствовать вращению поршня 228, и тем самым обеспечению упомянутого выше очищающего действия. В ином варианте ось поверхности 322 может быть немного смещена от оси поверхности 312. Это небольшое смещение также может заставлять поршень 228 вращаться, обеспечивая тем самым указанное очищающее действие для упора 336.
Работа инжектора 210 при четырехтактном цикле происходит следующим образом.
Управляющую камеру 240 снабжают топливом от насоса способом, аналогичным питанию управляющей камеры 40 посредством насоса Р, как показано на фиг. 5. Когда поршень 228 движется в направлении стрелки В под влиянием давления в управляющей камере 240 и частичного разрежения в камере 291А сгорания на такте всасывания, топливо может течь из управляющей камеры 240 через отверстия 357 и 356 цилиндра 350 и через отверстия 325 и 324 цилиндра 320 в центральное отверстие 323, заполняя область 250 высокого давления. Продолжение движения поршня 228 в направлении стрелки В приведет к тому, что упор 316 войдет в контакт с упором 366, препятствуя дальнейшему перемещению поршня 228 в направлении стрелки В.
Как только область 250 высокого давления расширится до своего максимального объема, и будет заполнена топливом, управляющую камеру 240 можно гидравлически запереть, например, как было показано на фиг. 5 в отношении управляющей камеры 40.
Когда на такте сжатия давление увеличивается, поршень 228 не будет перемещаться в силу гидравлического запирания управляющей камеры 240.
Когда потребуется впрыск топлива, будет осуществляться выпуск из управляющей камеры 240 в область низкого давления (например, выпуск в бак). Это вынудит поршень 228 перемещаться в направлении стрелки А, что приведет к тому, что нижний край отверстия 324 пройдет мимо верхнего края отверстия 356, а также нижний край отверстия 325 пройдет мимо верхнего края отверстия 357. Как только это произойдет, область 250 высокого давления будет изолирована от управляющей камеры 240, и продолжение движения поршня 228 в направлении стрелки А приведет к тому, что текучая среда из области 250 высокого давления пойдет вниз по центральному отверстию 323, минуя обратный клапан 328, через отверстия 338 и 339 в область 336, и будет выходить через инжекторные отверстия 272 и камеру 291А сгорания.
Чтобы прекратить впрыск, управляющую камеру 240 снова гидравлически запирают (например, как показано на фиг. 8, где управляющая камера 40 гидравлически заперта). Гидравлическое запирание управляющей камеры 240 препятствует дальнейшему перемещению поршня 228 в направлении стрелки А, и тем самым - дальнейшему впрыску текучей среды.
Перемещение поршня 228 в направлении стрелки В может быть достигнуто за счет обеспечения возможности текучей среды поступать в управляющую камеру под давлением от насоса, а также, за счет создания частичного разрежения в камере 291А сгорания на такте всасывания. Движение поршня 228 вниз будет создавать низкое давление в области 250 высокого давления до момента, когда нижний край отверстия 324 опустится ниже верхнего края отверстия 356, а нижний край отверстия 325 опустится ниже верхнего края отверстия 357, после чего область 250 высокого давления начнет сообщаться по текучей среде с управляющей камерой 240, а область высокого давления начнет заполняться текучей средой из управляющей камеры 240.
Согласно другому варианту осуществления инжектора 210' (см. фиг. 16), обратный клапан 358' может быть установлен в крышке 352'. Такой обратный клапан будет позволять текучей среде проходить из управляющей камеры 240' в камеру 250' высокого давления, чтобы дать возможность заполнить (заправить) область высокого давления топливом, но будет препятствовать проходу текучей среды из области высокого давления в управляющую камеру во время впрыска топлива в камеру сгорания. Как можно видеть на фиг. 16, отверстия 357, 325, 324 и 356 исключены из конструкции по сравнению с фиг. 11.
Следует понимать, что поршень 228 и инжекторные отверстия 272 неподвижны друг относительно друга, и когда поршень движется в направлении стрелок А и В, как было раскрыто выше, инжекторные отверстия 272 движутся синхронно с поршнем.
Как говорилось выше, пазы 340 являются очень мелкими, например, имеют глубину 0,025 мм. Диск 334 может быть изготовлен посредством штамповки или прессования, или иным способом, чтобы получить сравнительно глубокие пазы на краю 335. Например, на краю 335 могут быть отштампованы или сформированы другим способом пазы глубиной 0,1 мм. После формирования глубоких канавок часть конической поверхности - фаски 341 могут быть обработаны на станке за одну операцию, например, посредством шлифования. В вышеприведенном примере, если фаски 341 сточить на 0,075 мм, то результирующий паз будет иметь глубину 0,025 мм. Диск 334 затем может быть установлен на остальную часть поршня 228 и зафиксирован на месте, например, лазерной сваркой.
Формирование сравнительно глубоких канавок, а затем станочная обработка фасок для получения мелких канавок - это эффективный способ получения мелких канавок. В частности, трудно выполнить инжекторные отверстия размером 0,025 мм. Хотя инжекторные отверстия могут быть получены лазерным сверлением, такое лазерное сверление имеет тенденцию давать более крупные отверстия, например, 0,1 мм в диаметре.
Преимущество инжекторного отверстия 272 глубиной 0,025 мм состоит в том, что влияние мениска топлива, подлежащего впрыску, внутри инжекторного отверстия 272 имеет тенденцию быстро останавливать впрыск, как только произошел выпуск из управляющей камеры 240 в область низкого давления. Такая быстрая остановка впрыска является предпочтительной, поскольку капельное просачивание топлива в инжекторах, известных из уровня техники, имеет тенденцию к созданию вредных выбросов.
Фиг. 14 изображает вид по фиг. 11 в направлении стрелки L, т.е. в направлении инжекторного отверстия 272. Инжекторное отверстие 272 образовано сочетанием V-образного паза 340 и скошенного края 318. Следует понимать, что инжекторное отверстие 272 не круглое. В данном случае оно имеет треугольное сечение с тремя в общем плоскими гранями.
Фиг. 15 изображает другую форму паза 340', который в данном случае имеет U-образное сечение. И снова, инжекторное отверстие является некруглым. В данном случае инжекторное отверстие имеет одну в общем плоскую грань, образованную скошенным краем 318 в общем цилиндрической поверхности 312. В других вариантах осуществления могут быть использованы пазы других форм.
Следует понимать, что для двух отверстий, имеющих одну и ту же область поперечного сечения, длина периметра некруглого отверстия будет больше длины окружности круглого отверстия. Таким образом, некруглые инжекторные отверстия дают конечный эффект увеличения области открытой поверхности струи топлива, когда последняя входит в камеру сгорания, что способствует перемешиванию топлива и воздуха и горению воздушно-топливной смеси.
Кольцевой поршень 28 инжектора 10 предпочтительно обеспечивает центральное отверстие для других компонентов инжектора, которые выступают через указанное отверстие - в данном случае через отверстие выступает инжекторный клапан. Такое расположение дает возможность поршню перемещаться в осевом направлении, а инжекторному клапану - оставаться неподвижным относительно корпуса инжекционного устройства. Предпочтительно, когда такое инжекционное устройство используется в качестве «запчасти» вместо инжекционного устройства другого типа, инжекторный клапан может быть расположен неподвижно в том же положении, что и инжекторный клапан, изначально установленный в двигатель. Это означает, что зазоры, в частности, зазоры между поршнем и инжектором можно сохранить такими, какие были в первоначальной конструкции двигателя.
Предпочтительно, управляющий клапан 60, используемый совместно с первым соленоидом 14 и первым клапаном 16, обеспечивает способ быстрого закрытия канала текучей среды между областями 49 и 52. Поэтому данное решение обеспечивает быстрое гидравлическое запирание управляющей камеры 40 и, следовательно, быстрое прекращение впрыска топлива.
Предпочтительно, включение в конструкцию первого соленоида 14, который приводит в действие первый клапан 16, и второго соленоида, который приводит в действие второй клапан 20, позволяет учесть время задержки срабатывания первого и второго соленоида. Клапан первого соленоида 14 является «нормально закрытым», а клапан второго соленоида 18 - «нормально открытым». Таким образом, на фиг. 5 показано состояние, при котором первый соленоид 14 и второй соленоид 18 обесточены, т.е. ни в первый соленоид 14, ни во второй соленоид 18 электрический ток не подается. На фиг. 6 показано начало впрыска, при котором на соленоид 14 нормально-закрытого клапана подано питание, так чтобы клапан 16 открылся. Однако в конце впрыска происходит не закрытие клапана 16, а закрытие клапана 20 путем подачи питания на соленоид 18, клапан которого является нормально-открытым (фиг. 8). Следует понимать, что период времени между началом впрыска и концом впрыска является сравнительно коротким (обычно это время, которое требуется коленвалу, чтобы повернуться на несколько градусов, когда поршень находится вблизи верхней мертвой точки). Включение в конструкцию двух соленоидов, связанных с двумя клапанами, позволяет начало и окончание впрыска осуществить за короткий период времени за счет подачи питания на один соленоид и вскоре после подачи питания на другой соленоид.
Инжекторное сопло, изображенное на фиг. 11, которое содержит диск с множеством инжекторных отверстий, расположенных по периферии диска, является предпочтительным, поскольку впрыск топлива осуществляется на сравнительно большом диаметре (т.е. диаметре диска). За счет этого получается хорошее распределение топлива по камере сгорания. Кроме того, наличие множества отверстий, например, по меньшей мере 50 отверстий или по меньшей мере 100 отверстий, при малом поперечном размере каждого отверстия (например, 0,05 мм или менее 0,025 мм) также приводит к хорошему распределению топлива по камере сгорания и хорошему распылению топлива.
Преимущество состоит в том, что сочетание инжекторных отверстий с поршнем (фиг. 11) приводит к движению инжекторных отверстий во время впрыска, и, следовательно, лучшему распределению топлива по камере сгорания.
Следует понимать, что давление впрыска топлива (например, давление в камере 250 высокого давления) зависит от давления в камере сгорания. Давление в камере сгорания помимо прочего зависит от положения поршня, а также от степени сжатия, которая имеет место. Таким образом, инжекторы 10 и 210 осуществляют впрыск топлива при меняющемся давлении. Исходное давление впрыска будет главным образом зависеть от степени сжатия в двигателе и конкретного положения поршня, когда начинается впрыск. Во время впрыска поршень будет продолжать двигаться, но более значимо то, что топливо, которое уже было введено в начале впрыска, начнет гореть, что в свою очередь увеличивает давление в цилиндре и, следовательно, увеличивает давление впрыска последующего впрыскиваемого топлива в направлении более поздней части цикла впрыска. Таким образом, начальное топливо, впрыскиваемое при сравнительно низком давлении, не может проникнуть в камеру сгорания так глубоко, как топливо, которое впрыскивается позднее в период впрыска, который будет происходить при более высоком давлении. И снова, за счет этого получается хорошее распределение топлива по камере сгорания, поскольку начальное впрыснутое топливо будет оставаться сравнительно близко к инжекторным отверстиям, в то время как топливо, введенное в процессе впрыска позднее, будет проникать дальше от инжекторных отверстий.
2
2
Как говорилось ранее, давление впрыска в Н1/Н2 раз больше давления в камере сгорания. Величины Н1 и Н2 могут быть изменены в зависимости от конкретного двигателя. Между тем Н1 и Н2 могут быть выбраны так, чтобы давление впрыска было выше 2450 кг/см2, предпочтительно - выше 2800 кг/см, а оптимально выше 3150 кг/см. Такие высокие значения давления впрыска значительно превышают те величины, которые можно встретить в известных системах впрыска, при этом такое высокое давление впрыска распыляет топливо на частицы очень малого размера, что в свою очередь, по существу, исключает образование твердых частиц. В сущности, для двигателей, оснащенных инжекторами, соответствующими настоящему изобретению, могут не требоваться системы дополнительной обработки отработавших газов, например, сажевые фильтры. Благодаря уменьшению количества выделяемых твердых частиц, процесс горения может быть организован так, чтобы он происходил при более низких температурах в камере сгорания, что в свою очередь снижает выбросы NOx. Соответственно, для двигателей, оснащенных инжекторами, соответствующими настоящему изобретению, могут не требоваться системы дополнительной обработки отработавшего газа в отношении NOx.
Как говорилось выше, поршень 28 можно заставить вращаться, при этом посредством ориентированных по окружности краев 364 и 365 благоприятным образом будут удаляться все отложения, которые могут собираться на упоре 366, и тем самым будет обеспечен полный ход поршня на протяжении всего срока службы инжектора 210. Аналогичным образом, поршень 28 может свободно вращаться.
Следует понимать, что поршень 28 и 228 перемещаются в направлении стрелки А во время впрыска. Это перемещение увеличивает объем камеры сгорания, и в результате изменяет общую механическую степень сжатия. Когда двигатель работает с малой мощностью, тогда производится впрыск сравнительно малого количества топлива, и поршень перемещается в направлении стрелки А на сравнительно небольшую величину. Когда двигатель работает с высокой мощностью, производится впрыск сравнительно большого количества топлива, и поршень перемещается в направлении стрелки А на сравнительно большую величину. Таким образом при работе с малой мощностью двигатель работает при сравнительно высокой степени сжатия, в то время как при работе с высокой мощностью двигатель работает при более низкой степени сжатия. В этом заключается преимущество, поскольку это способствует более холодному горению, что приводит к более низким уровням выброса NOx. Перемещение поршня в направлении стрелки А может изменять степень сжатия на 1,0 пункт или более. В ином варианте, перемещение поршня в направлении стрелки А может изменять степень сжатия на 1,5 пункта или более.
Чтобы избежать двусмысленности, уменьшение степени сжатия на 1,0 пункт означает, например, что номинальная степень сжатия 15:1 превращается в 14:1, или номинальная степень сжатия 16:1 становится равной 15:1.
Следует понимать, что при впрыске поршень перемещается только в направлении стрелки А. Как только область высокого давления оказывается заполненной (заправленной) топливом за счет перемещения поршня в направлении стрелки В, поршень остается в этом положении (на чертежах - внизу) до следующего момента впрыска. Это означает, что на такте выпуска объем камеры сгорания меньше (поскольку степень сжатия выше), и это способствует выпуску отработавших газов, поскольку меньше остаточных отработавших газов останется в камере сгорания, как только закроется выпускной клапан. Таким образом, подвижный поршень дает двойное преимущество - изменение степени сжатия на такте сжатия, но сохранение высокой степени сжатия на такте выпуска.