УСТРОЙСТВО ВПРЫСКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2012 года по МПК F02M47/04 F02M45/08 F02M51/06 

Настоящее изобретение относится к устройству впрыска текучей среды, например топлива, в частности, для двигателя внутреннего сгорания.

В частности, первым объектом настоящего изобретения является устройство впрыска текучей среды, называемое инжектором, имеющее главную ось впрыска и, по меньшей мере, содержащее:

- картер,

- привод, установленный в осевом направлении в картере и содержащий набор с двумя фронтальными сторонами, противоположными в осевом направлении, включающий, по меньшей мере, одну электроактивную часть, содержащую электроактивный материал, и

- средство предварительного напряжения, выполненное с возможностью, по меньшей мере, частичного предварительного напряжения указанного набора.

Средство предварительного напряжения, выполненное с возможностью предварительного напряжения указанного набора и, в частности, электроактивного материала, например, пьезоэлектрических керамических шайб или магнитострикционных элементов, находящихся в наборе, хорошо известно специалистам, что описано, например, в документе EP 1172552. Установка этого средства предварительного напряжения требует выполнения отверстия в электроактивном материале, что приводит к повышению его хрупкости. Керамические шайбы растрескиваются и легко ломаются при сверлении и/или при сборке, и/или во время работы инжектора, что приводит к сокращению срока его службы.

Чтобы избежать проблем короткого замыкания, которое может нарушить работу инжектора, как правило, прибегают к деликатному компромиссу между компактностью привода, устанавливаемого в картере, и сложностью пространственного размещения электродов с их проводами, соединяющими каждую керамическую шайбу со средствами возбуждения электроактивного материала, находящимися снаружи картера. Это затрудняет сборку инжектора, поскольку любой контакт набора с картером, например во время введения привода в картер, может нарушить пространственное размещение электродов с их проводами.

Настоящее изобретение относится к устройству впрыска текучей среды и предназначено, по меньшей мере, для уменьшения, по меньшей мере, одной из вышеупомянутых проблем. В этой связи устройство впрыска, соответствующее родовому понятию, представленному во вступительной части, в основном характеризуется тем, что средство предварительного напряжения содержит, по меньшей мере, одну стяжную скобу, внешнюю по отношению к набору и расположенную между набором и картером.

Благодаря такой конструкции нет необходимости в выполнении отверстия в электроактивном материале, что делает его менее чувствительным, в частности, по отношению к механическим воздействиям, например, во время сборки и/или работы инжектора. Кроме того, наличие стяжной скобы между набором и картером защищает набор от случайного контакта и/или трения с картером, например, во время сборки инжектора, которые могли бы нарушить, например, пространственное размещение электродов с их проводами и даже повредить сам керамический материал.

Вторым объектом настоящего изобретения является двигатель внутреннего сгорания, в котором используют устройство впрыска текучей среды в соответствии с настоящим изобретением, то есть такой двигатель, в котором установлено это устройство впрыска.

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлено следующее:

фиг.1 - схема устройства впрыска в соответствии с настоящим изобретением, установленного в двигателе и оборудованного иглой с выходящей головкой, соединенной с приводом, установленным в осевом направлении в картере;

фиг.2 - схема устройства впрыска в соответствии с настоящим изобретением, установленного в двигателе и оборудованного иглой с входящей головкой, соединенной с приводом;

фиг.3 и 4 - схемы работы клапана, образованного соплом и иглой с выходящей головкой: клапан закрыт (фиг.3); клапан открыт (фиг.4);

фиг.5 и 6 - схемы работы клапана, образованного соплом и иглой с входящей головкой: клапан закрыт (фиг.5); клапан открыт (фиг.6);

фиг.7 - схематичный вид сбоку набора, предварительно напряженного стяжной скобой, внешней по отношению к набору и установленной между набором и картером;

фиг.8 - схематичный разрез инжектора в плоскости, перпендикулярной к оси симметрии инжектора;

фиг.9-11 - схематичный вид сбоку трех разных схем набора, предварительно напряженного стяжной скобой разной конструкции, при этом в осевом направлении между каждой скобой и набором установлено средство регулирования осевого усилия стягивания набора;

фиг.12-14 - схематичный вид сбоку трех разных схем набора, предварительно напряженного стяжной скобой разной конструкции, при этом средство регулирования дополнено упругим средством, установленным в осевом направлении между каждой скобой и набором;

фиг.15 - продольный разрез моноблочной иглы в виде цилиндрического стержня;

фиг.16 - продольный разрез моноблочного цилиндрического сопла. Как было указано выше, объектом изобретения является устройство впрыска или инжектор, предназначенный для впрыска текучей среды, например топлива 131, в камеру 15 сгорания двигателя 151 внутреннего сгорания (фиг.1 (или 2)), или в непоказанный впускной воздушный трубопровод или в непоказанную выхлопную трубу.

Инжектор содержит два корпуса, например, цилиндрической формы. Первый корпус, представляющий собой картер 1, продолжен вдоль главной оси АВ устройства впрыска, например его оси симметрии, по меньшей мере, одним соплом 3, имеющим длину вдоль оси АВ и содержащим отверстие впрыска и седло 5 (или 5'). Линейные размеры первого картера 1, например его ширина, измеренная перпендикулярно к оси АВ, и/или его длина, измеренная вдоль оси АВ, могут превышать размеры сопла 3. Плотность картера 1 может превышать плотность сопла 3. Картер 1 может быть соединен, по меньшей мере, с одним контуром 130 подачи топлива 131 через, по меньшей мере, одно отверстие 9. Контур 130 подачи топлива 131 содержит устройство 13 обработки топлива 131, содержащее, например, бак, насос, фильтр.

Второй корпус, представляющий собой привод 2, предпочтительно установлен подвижно с возможностью перемещения в осевом направлении в картере 1. Игла 4 имеет вдоль оси АВ длину и первый конец 6, образующий клапан в зоне контакта с седлом 5 (или 5') сопла 3. Линейные размеры привода 2, например его ширина, измеренная перпендикулярно к оси АВ, и/или его длина, измеренная вдоль оси АВ, могут превышать размеры иглы 4. Плотность привода 2 может превышать плотность иглы 4. Игла 4 и привод 2 соединены между собой зоной соединения ZJ (фиг.2). Предпочтительно первый конец 6 продолжен вдоль оси АВ головкой 7 (или 7'), закрывающей седло 5 (или 5'), обеспечивая лучшую герметичность клапана инжектора.

Вдоль оси АВ привод 2 продолжен иглой 4 и выполнен с возможностью непосредственного создания вибрации на игле 4 с заданным периодом τ, обеспечивая, таким образом, между иглой 4 и седлом 5 (или 5') сопла 3 относительное осевое движение, которое может поочередно открывать и закрывать клапан, как показано на фиг.3-4 и 5-6. Таким образом, привод 2 выполняет роль активного элемента, управляющего иглой 4, которая в этом случае выполняет роль управляемого пассивного элемента.

Привод 2 содержит набор с двумя фронтальными сторонами С, D, противоположными в осевом направлении, включающий, по меньшей мере, одну электроактивную часть 22, содержащую электроактивный материал 221 (фиг.7-14). Последний предназначен для создания вибраций с заранее определенной частотой ν, например, с частотой ультразвука, которая может составлять примерно от ν=20 кГц примерно до ν=60 кГц, то есть с заданным периодом τ вибраций, составляющим соответственно от 50 микросекунд до 16 микросекунд. Например, для стали длина волны 'k составляет примерно 10^-1 м при ν=50 кГц (τ=20 микросекунд). Как показано на фиг.1 и 2, набор может совпадать с приводом 2.

Набор содержит, по меньшей мере, одну часть, называемую усилителем 21, связанную в осевом направлении с иглой 4 в месте одной D из указанных фронтальных сторон С, D, при этом электроактивная часть 22 и игла 4 расположены в осевом направлении по обе стороны от усилителя 21. Последний предназначен для передачи вибраций от электроактивного материала 221 на иглу 4, усиливая их таким образом, чтобы перемещения иглы 4 на уровне клапана были больше интеграла деформаций электроактивного материала 221. Усилитель 21 может иметь, по существу, цилиндрическую форму (фиг.7, 9-10, 12-13). В альтернативном варианте выполнения усилитель 21 может иметь другую форму, например форму усеченного конуса, сужающуюся в направлении оси АВ от электроактивной части 22 к игле 4 (фиг.11, 14).

Кроме того, набор содержит, по меньшей мере, одну другую часть 23, называемую задней массой 23, выполняющую функцию равномерного распределения напряжений на электроактивном материале 221. Усилитель 21 и задняя масса 23 расположены в осевом направлении по обе стороны от электроактивной части 22. Задняя масса 23 содержит стенку, противоположную в осевом направлении по отношению к электроактивной части 22, при этом указанная стенка совпадает с фронтальной стороной С набора, противоположной в осевом направлении по отношению к игле 4.

Усилитель 21, электроактивную часть 22 и заднюю массу 23, с одной стороны, стягивают вместе при помощи средства предварительного напряжения, выполненного с возможностью, по меньшей мере, частичного предварительного напряжения указанного набора, и, с другой стороны, выполненного с возможностью прохождения через него акустических волн, инициированных вибрациями электроактивной части 22.

Средство предварительного напряжения содержит, по меньшей мере, одну стяжную скобу 25, внешнюю по отношению к набору и расположенную между набором и картером 1.

Предпочтительно электроактивный материал 221 является пьезоэлектрическим материалом, который может представлять собой, например, одну или несколько керамических шайб, расположенных в осевом направлении друг над другом, образуя электроактивную часть 22 набора. Селективные деформации электроактивного материала 221, например периодические деформации с заданным периодом τ, создающие акустические волны в инжекторе, приводят в конечном итоге к относительным продольным движениям головки 7 (или 7') иглы 4 по отношению к седлу 5 (или 5') или наоборот, которые поочередно открывают и закрывают клапан, как было указано выше со ссылками на фиг.3-4 и 5-6. Этими селективными деформациями управляют соответствующие средства 14 возбуждения, выполненные с возможностью приведения в состояние вибрации электроактивной части 22 набора с заданным периодом τ, например, при помощи электрического поля, создаваемого за счет разности потенциалов, подаваемой через провода (не показаны) на электроды 220, неподвижно соединенные с пьезоэлектрическим электроактивным материалом 221. В альтернативном варианте выполнения электроактивный материал 221 может быть магнитострикционным. Селективными деформациями этого материала в этом случае управляют непоказанные соответствующие средства возбуждения за счет магнитной индукции в результате действия селективного магнитного поля, получаемого, например, при помощи непоказанного возбудителя и, в частности, катушки, неподвижно соединенной, например, с набором, или при помощи другой катушки, охватывающей набор.

Средство предварительного напряжения содержит, по меньшей мере, одно средство 250 регулирования осевого усилия стягивания набора. Это позволяет средству предварительного напряжения стягивать электроактивную часть 22, как показано на фиг.1 и 2, с усилием, регулируемым «от случая к случаю» в зависимости, например, от характера - пьезоэлектрического или магнитострикционного - электроактивного материала 221 и/или от сечения в плоскости, перпендикулярной к оси АВ, пьезоэлектрических керамических шайб или магнитострикционных элементов в наборе, и/или от пространственного распределения указанных шайб в наборе, и/или от их форм, и/или от их линейных размеров (и/или, в конечном счете, от их форм). Средство 250 регулирования может быть соединено со стяжной скобой 25 (фиг.1, 2, 7, 9-14).

В частности, можно предусмотреть, чтобы средство 250 регулирования находилось в осевом направлении между стяжной скобой 25 и набором (фиг.7, 9-10, 12-14). Следует учесть, что это облегчает сборку инжектора, осевое позиционирование средства 250 регулирования позволяет сохранять структурную и/или акустическую симметрию узла «игла 4+ привод 2», чтобы соответственно ни осевые возвратно-поступательные движения иглы 4, ни распространение акустических волн в узле «игла 4+ привод 2» не подвергались влиянию возмущений со стороны асимметричной массы.

Предпочтительно стяжная скоба 25 обладает тепловым расширением (в частности, коэффициентом теплового расширения), по существу, одинаковым с набором и, в частности, с электроактивным материалом 221. Например, отклонение между коэффициентами расширения электроактивного материала 221 и материалов набора можно выбрать таким образом, чтобы дифференциальные расширения этих деталей не приводили в температурном диапазоне работы инжектора к изменению предварительного напряжения электроактивного материала 221, превышающему 10% значения номинального напряжения (создаваемого средством 250 предварительного напряжения). Для керамического электроактивного материала 221 стяжную скобу 25 можно выполнять из сплава железа или никеля с углеродом и хромом, например из сплава типа «инвар». Благодаря такому выполнению предварительное напряжение электроактивного материала 221 стремится оставаться постоянным независимо от температурных колебаний инжектора. Одинаковое тепловое расширение набора (и, в частности, электроактивного материала 221 и материала стяжной скобы 25) обеспечивает термическую компенсацию расширений, связанных с температурными колебаниями инжектора. Сборка набора и, следовательно, привода 2 становится быстрее, так как не требует никакого другого средства для компенсации указанных тепловых расширений. В этом варианте выполнения задняя масса 23 может совпадать со средством 250 регулирования (этот случай на фигурах не показан).

В альтернативном варианте выполнения стяжная скоба 25 может обладать тепловым расширением (в частности, коэффициентом теплового расширения), отличным от теплового расширения набора и, в частности, электроактивного материала 221. В этом случае средство предварительного напряжения содержит, по меньшей мере, одно упругое средство 251 (например, по меньшей мере, одну резиновую прокладку, упругую шайбу, пружину), установленное между стяжной скобой 25 и набором. Упругое средство 251 обеспечивает почти постоянное предварительное напряжение электроактивной части 22 и, в частности, электроактивного материала 221 независимо от удлинений стяжной скобы 25, связанных с тепловыми расширениями. Благодаря такому выполнению можно продолжать сборку набора и, следовательно, привода 2 в промышленном масштабе, например, при перерыве в поставках стяжных скоб 25 из сплава инвар. Таким образом, этот вариант выполнения способствует повышению надежности изготовления инжектора.

Предпочтительно упругое средство 251 располагают между набором и средством 250 регулирования (фиг.7, 12-14), чтобы ускорить сборку набора.

Предпочтительно средство 250 регулирования выполняют в виде винта, предпочтительно резьбового винта, при этом стяжная скоба 25 содержит соответствующее отверстие, предпочтительно центральное, то есть выполненное по оси АВ и содержащее внутреннюю резьбу (фиг.7, 9-14).

В частности, стяжная скоба 25 опирается на две противоположные фронтальные стороны С, D набора (фиг.7), обеспечивая, таким образом, равномерное распределение напряжений во время стягивания набора.

Усилитель 21 может содержать, по меньшей мере, один сегмент, сужающийся вдоль оси АВ в сторону иглы 4, например, сегмент 211 соединения с электроактивной частью 22. В этом случае стяжная скоба 25 может, по меньшей мере, частично следовать форме указанного сужающегося сегмента усилителя 21, как показано на фиг.10-11, 13-14. Это позволяет уменьшить осевую длину стяжной скобы 25, что можно отметить, если сравнить соответственно стяжные скобы 25 на фиг.9 и 12 со стяжными скобами, показанными на фиг.10-11 и 13-14. Эта возможность выполнить стяжную скобу 25 более короткой позволяет изготавливать либо более легкие скобы (при этом все остальные параметры скобы не меняются), либо более прочные (например, пропорционально увеличивая толщину укороченной скобы) по отношению к механическому износу и/или к повышенным усилиям стягивания.

Средство предварительного напряжения может содержать несколько стяжных скоб 25, расположенных симметрично вокруг набора и отстоящих друг от друга в радиальном направлении на заранее определенный угол, измеренный в плоскости, перпендикулярной к оси АВ. Наличие нескольких скоб обеспечивает равномерное распределение напряжений во время стягивания набора.

На фиг.1 показана игла 4 с так называемой выходящей головкой, имеющей расширяющуюся (предпочтительно в виде усеченного конуса) форму, расходящуюся в направлении оси АВ от картера 1 наружу сопла 3 в камеру 15 сгорания. Выходящая головка 7 закрывает седло 5 с наружной стороны сопла 3, противоположной картеру 1 в направлении оси АВ.

На фиг.2 показана игла 4 с так называемой входящей головкой 7' предпочтительно в виде усеченного конуса, сужающейся в направлении оси АВ от картера 1 наружу сопла 3 и закрывающей седло 5' с внутренней стороны сопла 3, обращенной к картеру 1.

Можно предусмотреть возвратные средства 11 (или 11') привода 2, чтобы удерживать головку 7 (или 7') иглы 4 в положении опоры на седло 5 (или 5') сопла 3, обеспечивая закрывание клапана, независимо от давления в камере 15 сгорания.

Стяжная скоба 25 и картер 1 могут содержать, по меньшей мере, одну продольную контактную зону, показанную пунктирной линией и обозначенную UW на фиг.8. Возможное наличие продольной контактной зоны UW может облегчить сборку инжектора, в частности, с обеспечением защиты электродов 220 от любого случайного контакта с картером 1, например, во время введения набора в картер 1 при сборке инжектора, оборудованного иглой 4 и выходящей головкой 7, контролируя одновременно трения и выравнивания.

Сопло 3 с картером 1 и игла 4 с приводом 2 образуют соответственно первую и вторую среды распространения акустических волн. Каждая из этих сред имеет, по меньшей мере, один линейный акустический импеданс I, который зависит от площади Σ сечения среды, перпендикулярного к оси АВ, от плотности ρ среды и от скорости с звука в среде: I=f₁(Σ, ρ, с). Для иллюстрации этого отношения рассмотрим различные упрощенные примеры, связанные с иглой 4 или соплом 3 и показанные соответственно на фиг.15-16. Чтобы упростить пояснение, будем считать, что во всех этих примерах второй корпус, привод 2 и набор совпадают. Чтобы обеспечить открывание клапана инжектора, малочувствительное к давлению в камере 15 сгорания, инжектор управляет перемещением первого конца 6 иглы 4, тогда как седло (упрощенно показанное и обозначенное позицией 50 на фиг.15-16) сопла 3 динамически удерживается неподвижным или фиксированным, в результате чего они функционируют как узел перемещения.

Игла 4 и сопло 3 представляют собой тела, радиальные размеры которых, перпендикулярные к оси АВ, являются незначительными по отношению к их длине вдоль оси АВ. В сплошном стержне 400, представленном здесь в качестве упрощенной модели иглы 4 (фиг.15), или в стержне 300 с внутренним продольным отверстием, представленном здесь в качестве упрощенной модели сопла 3 (фиг.16), распространение акустических волн связывает распространение скачка напряжения (сила) ΔF₀ и скачка скорости Δν при помощи уравнения: ΔF₀=Σ*Δσ=Σ*z*Δν, где S является площадью сечения стержня, перпендикулярного к его главной оси АВ, например к его оси симметрии. Δσ=z*Δν является скачком напряжения, z является акустическим импедансом, определяемым уравнением z=р*с, где ρ является плотностью стержня, и с является скоростью звука в стержне. Подразумевается, что напряжение F₀ является положительным при сжатии, и скорость v является положительной в направлении распространения акустических волн. Произведение I=Σ*z=S*ρ*c, характеризующее акустические свойства стержня - сплошного или полого - называют «акустическим линейным импедансом» или «линейным импедансом».

Любое изменение линейного акустического импеданса I приводит к появлению эха, то есть к ослаблению акустической волны, распространяющейся в одном направлении стержня (например, справа налево на фиг.15-16), другой акустической волной, распространяющейся в обратном направлении стержня (например, слева направо на фиг.15-16), начиная от точки изменения линейного импеданса I, например, на уровне соединения между иглой 4 и приводом 2 (фиг.15) или на уровне другого соединения между соплом 3 и картером 1 (фиг.16). Это же рассуждение можно применить к любому разрыву линейного импеданса I, при этом термин «разрыв» следует понимать как «изменение линейного импеданса I, превышающее заранее определенный порог, характеризующий разность между линейным импедансом на входе и линейным импедансом на выходе, - по отношению к направлению распространения акустических волн, - зоны разрыва линейного импеданса, находящейся в среде распространения акустических волн на незначительном расстоянии перед длиной волны, предпочтительно меньшей одной восьмой длины волны λ/8».

Инжектор может содержать, по меньшей мере, одну зону разрыва линейного акустического импеданса, находящуюся на расстоянии от зоны контакта седла 50 с первым концом 6 иглы 4 вдоль сопла 3 (фиг.16) или картера 1, и, по меньшей мере, одну другую зону разрыва линейного акустического импеданса, находящуюся на расстоянии от зоны контакта первого конца 5 с седлом 50 вдоль иглы 4 (фиг.15) или привода 2. Указанные одна зона и другая зона разрыва линейного акустического импеданса являются, каждая, первой по порядку, начиная от указанной зоны контакта между первым концом 6 иглы 4 и седлом 50, в направлении распространения акустических волн соответственно в сторону картера 1 и привода 2.

Как схематично показано на фиг.1 (или 2), расстояние, называемое первым расстоянием L_B, между, с одной стороны, зоной контакта между седлом 5 (или 5') и первым концом 6 и, с другой стороны, первой зоной разрыва линейного акустического импеданса вдоль сопла 3 или картера 1 является таким, что время распространения, называемое «временем акустического прохождения» T_B, акустических волн, создаваемых электроактивной частью 22 набора и проходящих это первое расстояние LB=f_B(T_B), отвечает следующему уравнению:

где n_B является целым положительным и не равным нулю коэффициентом-множителем, называемым первым коэффициентом-множителем, и расстояние, называемое вторым расстоянием LA, между, с одной стороны, зоной контакта между седлом 5 (или 5') и первым концом 6 и, с другой стороны, первой зоной разрыва линейного акустического импеданса вдоль иглы 4 или привода 2 является таким, что время распространения, называемое «временем акустического прохождения» T_A, акустических волн, инициируемых электроактивной частью 22 набора и проходящих это первое расстояние L_A=f_A(T_A), отвечает следующему уравнению:

где n_A является целым положительным и не равным нулю коэффициентом-множителем, называемым первым коэффициентом-множителем, например, n_A≠n_B.

Понятно, что вышеуказанные уравнения Е1 и Е2 следует рассматривать как проверенные при определенном допуске с учетом производственных требований, например, при допуске порядка ±10% заданного периода τ, то есть порядка ±20% заданного полупериода τ/2. Принимая во внимание этот допуск, вышеуказанные уравнения Е1 и Е2 можно представить соответственно в следующем виде:

Следует отметить, что на практике первое расстояние L_B=f_B(T_B), выраженное временем акустического прохождения T_B, и второе расстояние L_A=f_A(T_A), выраженное временем акустического прохождения Т_А, измеренные на соответствующих деталях, изготовленных в промышленном масштабе, могут иметь небольшие отклонения по сравнению с опорными значениями, вычисленными при помощи вышеуказанных уравнений Е1 и Е2. Эти незначительные отклонения могут быть связаны с эффектом присоединяемых масс. Последние могут соответствовать, например, головке 7 (или 7') иглы 4 и/или направляющему приливу (не показан) в плоскости, перпендикулярной к оси АВ конца 6 иглы 4 в сопле 3. Указанный допуск позволяет учитывать указанный эффект присоединяемых масс, чтобы корректировать выражения во времени акустического прохождения первого L_B=f_B(T_A) и второго L_A=f_A(T_A) расстояний при помощи вышеуказанных уравнений Е1' и Е2'.

Предпочтительно n_A=n_B для первого и второго коэффициентов-множителей, в частности, при n_A=n_B=1, чтобы минимизировать линейные размеры инжектора вдоль оси АВ и оставить максимум места для впускного и/или выпускного трубопроводов. Таким образом, начиная от зоны контакта между седлом 5 (или 5') и первым концом 6 иглы 4, сопло имеет постоянные акустические свойства на последовательных участках длины, характеризующей первое расстояние L_B=f_B(T_B), по существу, равных друг другу по времени акустического прохождения, выражение которых по времени акустического прохождения T_B предпочтительно сводится только к одному заданному полупериоду τ/2. Точно так же, начиная от зоны контакта между седлом 5 (или 5') и первым концом 6 иглы 4, последняя имеет постоянные акустические свойства на последовательных участках длины, характеризующей второе расстояние L_A=f_A(T_A), по существу, равных друг другу по времени акустического прохождения, выражение которых по времени акустического прохождения T_A предпочтительно сводится только к одному заданному полупериоду τ/2.

При установившемся режиме работы, то есть во время работы при заранее определенной температуре, кроме фаз запуска и остановки инжектора, последний предпочтительно позволяет поочередно открывать и закрывать клапан, практически независимо от давления в камере 15 сгорания. В примере, представленном на фиг.1, речь идет одновременно об управлении перемещением первого конца 6, продолженного головкой 7, иглы 4 и о динамическом удержании в неподвижном положении седла 5 сопла 3. Как было указано выше, управление перемещением головки 7 иглы 4 обеспечивается за счет селективных, например, периодических деформаций с заданным периодом τ электроактивного материала 221 набора, передаваемых на иглу 4 через привод 2 при помощи усилителя 21 (фиг.1) набора. Динамического удержания седла 5 в неподвижном положении достигают за счет сохранения в нулевом значении его продольной скорости вдоль оси АВ, используя периодичность явления распространения акустических волн. Каждое закрывание клапана во время периодических касаний с заданным периодом τ головки 7 иглы 4 с седлом 5 производит удар. Последний генерирует акустическую волну, называемую падающей волной, связывающую скачок скорости Δν и скачок напряжения Δσ. Эта волна распространяется в сопле 3 в сторону картера 1, проходя первое расстояние L_B, затем отражается в первой зоне разрыва линейного акустического импеданса, которая на фиг.1 совпадает с местом врезки SX сопла 2 в картер 1 с сечением в плоскости, перпендикулярной к оси АВ, намного большим, чем сечение сопла 3. После отражения падающей волны ее эхо, называемое отраженной волной, возвращается в сопло 3 и проходит первое расстояние L_B в обратном направлении, то есть от картера 1 к седлу 5. Отраженная волна имеет тот же знак скачка напряжения Δσ, что и падающая волна, и знак скачка скорости Δν, обратный знаку скачка скорости падающей волны (поскольку направление распространения поменялось на противоположное, скачок скорости Δν поменял знак, если в данном случае рассматривать все положительные скорости в направлении попадания на седло 5, а не в направлении распространения волн). Учитывая, что первое расстояние предпочтительно обусловлено уравнением: L_B=f_B(T_A)=f_B(n_B*[τ/2]), отраженная волна приходит на седло 5 точно в тот же момент, что и новая падающая волна, произведенная ударом в результате закрывания клапана, при этом перемещение головки 7 иглы 4 тоже обусловлено вторым расстоянием LA, предпочтительно зависящим от кратного заданного полупериода τ/2: L_A=f_A(T_A)=f_A(n_A*[τ/2]). Отсюда следует, что в сопле 5 напряжения сохраняются, а скорости аннулируются. Таким образом, сопло 5 представляет собой узел перемещения. В этих условиях изменение давления в камере 15 сгорания приведет к усилению ударов, но не меняя при этом их синхронности. Поэтому это изменение давления в камере 15 сгорания не будет влиять на работу инжектора.

В свете вышеуказанных уточнений понятно, что в общем случае для первого и второго коэффициентов-множителей, когда n_B≠n_A, именно падающие и отраженные волны, смещенные на несколько периодов τ, взаимно компенсируются в седле 5, делая его динамически неподвижным. Эта компенсация может быть не полной, если, например, разность между n_B и n_A превышает заранее определенное значение, и/или рассеяние акустических волн в сопле 3 (и, в конечном счете, его линейного акустического импеданса) превышает определенный порог. Поэтому конфигурация инжектора с n_B=n_A и, в частности, n_B=n_A=1 представляется изначально более надежной в акустическом плане и остается более предпочтительной перед конфигурацией с n_B≠n_A.

При этом понятно, что первое L_B=f_B(T_B) и второе L_A=f_A(T_A) расстояния, соответственно связанные с первой «сопло 3 + картер 1» и второй «игла 4 + привод 2» средами распространения акустических волн, предпочтительно определяются соответствующим временем акустического прохождения T_B=n_B*[τ/2] и T_A=n_A*[τ/2] в акустическом контексте. Это время связано с присутствием вибраций, например ультразвуковых вибраций заданного периода τ, инициированных электроактивной частью 22 набора, совпадающей в данном примере с приводом 2, как было указано выше. То есть первое L_B=f_B(T_B) и второе L_A=f_A(T_A) расстояния находятся между двумя акустическими границами. Как правило, первая акустическая граница, позволяющая определить одновременно первое L_B и второе L_A расстояния, представляет собой конец рассматриваемого узла («сопло 3 + картер 1» или «игла 4 + привод 2»). Упрощенно можно считать, что эта первая акустическая граница совпадает с зоной контакта между первым концом 6 иглы 4 (в случае необходимости, продолженным головкой 7 (или 7') в осевом направлении) и седлом 5 (или 5') сопла 3, как показано на фиг.1 (или 2).

В примере, представленном на фиг.1, с иглой 4 с выходящей головкой 7, понятно, что первая акустическая граница, позволяющая определить второе расстояние L_A, связанное со второй средой «игла 4 + привод 2» распространения акустических волн, берется по половине высоты усеченной конусной расходящейся выходящей головки 7. Точно так же, первая акустическая граница, позволяющая определить первое расстояние L_B=f_B(T_A), связанное с первой средой «сопло 3 + картер 1» распространения акустических волн, берется по половине высоты соответствующего расходящегося усеченного конусного седла 5.

В примере, представленном на фиг.2, с иглой 4 с входящей головкой 7', понятно, что первая акустическая граница, позволяющая определить второе расстояние L_A, связанное со второй средой «игла 4+ привод 2» распространения акустических волн, берется по половине высоты усеченной конусной сходящейся входящей головки 7'. Точно так же, первая акустическая граница, позволяющая определить первое расстояние L_B=f_B(T_B), связанное с первой средой «сопло 3 + картер 1» распространения акустических волн, берется по половине высоты соответствующего сходящегося усеченного конусного седла 5'.

Вторая акустическая граница, характерная для каждого из двух узлов, представлена соответствующей первой зоной разрыва линейного акустического импеданса 1, как было указано выше. Например, вторая акустическая граница может соответствовать месту, где диаметр рассматриваемого узла меняется в плоскости, перпендикулярной к оси АВ, например, на уровне зоны соединения ZJ иглы 4 с усилителем 21 набора или места врезки SX сопла 3 в картер 1 (фиг.1, 2), учитывая при этом, что:

- в зоне соединения ZJ игла 4 и усилитель 21 выполнены, например, путем механической обработки моноблочной детали из материала, предпочтительно имеющего одинаковую плотность и одинаковую скорость звука, и

- в месте врезки SX сопло 3 и картер 1 выполнены, например, путем механической обработки моноблочной детали из материала, предпочтительно имеющего одинаковую плотность и одинаковую скорость звука.

Действительно, механическая обработка в моноблочной детали представляет собой наиболее простое решение, применяемое во время изготовления указанных деталей в промышленном масштабе.

Вместе с тем, следует учитывать, что акустические границы тел могут не совпадать с их физическими границами. Действительно, кроме геометрии тел, акустические свойства, выражаемые, например, при помощи вышеуказанного линейного акустического импеданса, зависят также от других параметров, таких как плотность тел и скорость звука в телах.

Для повышения эффективности инжектора в акустическом плане длину L, измеренную между двумя противоположными фронтальными сторонами С, D набора, образованного усилителем 21, электроактивной частью 22 и задней массой 23 (фиг.1-2, 7, 9-14), определяют таким образом, чтобы время Т распространения акустических волн, инициированных вибрациями электроактивной части 22 и проходящих эту длину L=f(T), отвечало следующему уравнению:

где n является целым положительным и не равным нулю коэффициентом-множителем, называемым третьим коэффициентом-множителем, например, n≠n_B≠n_A. По аналогии с соплом 3 и иглой 4 привод 2 (совпадающий в данном примере с набором, как было указано выше) может иметь симметричную акустическую структуру, при которой эхо акустической волны, излучаемой в одном месте симметричного набора, после одного или нескольких отражений на границах набора, представленных противоположными фронтальными сторонами С, D на фиг.1-2, 7, 9-14, стремится вернуться в это же место излучения акустической полны через целое положительное и не равное нулю число периодов после своего излучения. Например, любая акустическая волна, поднимающаяся по игле 4 от клапана к приводу 2 и проникающая (например, если акустическая врезка иглы 4 в привод 2 не является идеальной) в последний через сторону D, называемую первой стороной набора, между иглой 4 и усилителем 21, распространяется в осевом направлении в приводе 2 и затем отражается от стороны С, называемой второй стороной набора, противоположной указанной первой стороне D. Благодаря симметричной резонирующей структуре привода 2, первая отраженная волна, то есть первое эхо волны, излученной на первой стороне D, возвращается к этой первой стороне D через один период после ее излучения. Это же касается и акустических волн, инициированных электроактивным материалом 221 электроактивной части 22 набора и распространяющихся в осевом направлении в сторону иглы 4, которые, в свою очередь, могут отражаться от первой стороны D, возвращаться в привод 2 и отражаться от второй стороны С, затем возвращаться на первую сторону D через один период после отхода от первой стороны D. Таким образом, симметричная резонирующая структура привода 2 не создает никакой задержки или изменения знака волн, в частности волн синусоидального типа, в которых часть синусоиды по отрицательному знаку следует за симметричной частью синусоиды по отрицательному знаку, излучаемых на первой стороне D, независимо от происхождения этих волн (игла 4 или привод 4). Таким образом, симметричная резонирующая структура привода 2 способствует упорядоченной работе инжектора.

По аналогии с вышеуказанными уравнениями Е1 и Е2, понятно, что вышеуказанное уравнение Е3 следует рассматривать как проверенное при определенном допуске с учетом производственных требований, например, при допуске порядка ±10% заданного периода τ, то есть порядка ±20% заданного полупериода τ/2. Принимая во внимание этот допуск, вышеуказанное уравнение Е3 можно переписать соответственно следующим образом:

Следует отметить, что на практике длина L=f(T), выраженная временем акустического прохождения Т и измеренная на соответствующих деталях, изготовленных в промышленном масштабе, может иметь небольшие отклонения по сравнению с опорными значениями, вычисленными при помощи вышеуказанного уравнения Е3. Эти незначительные отклонения могут быть связаны с эффектом присоединяемых масс. Последние могут соответствовать, например, вспомогательным элементам, захватным элементам или элементам для сборки. Указанный допуск позволяет учитывать указанный эффект присоединяемых масс, чтобы корректировать выражение по времени акустического прохождения длины L=f(T) при помощи вышеуказанного уравнения Е3'.

По тем же соображениям, что и упомянутые выше в связи с n_B и n_A, предпочтительно, чтобы n=n_B=n_A и, в частности, чтобы n=n_B=n_A=1.

Понятно, что с учетом своей геометрии (и, в частности, толщины, измеренной в плоскости, перпендикулярной к оси АВ, которой можно пренебречь по отношению к диаметру D4 иглы 4), своей плотности, скорости звука, стяжная скоба 25 оказывает ничтожное влияние в акустическом плане. Следовательно, наличие стяжной скобы 25 не влияет существенно на длину L=f(T) набора, выраженную временем акустического прохождения Т.

Если стяжная скоба 25 имеет коэффициент теплового расширения, идентичный с набором и, в частности, идентичный коэффициенту теплового расширения электроактивного материала 221, то следует учесть, что в акустическом плане вторая фронтальная сторона С набора соответствует стороне средства 250 регулирования, противоположной игле 4 (а не стороне задней массы 23, противоположной игле 4), и вышеупомянутое определение первой фронтальной стороны D набора остается неизменным, а длина L=f(T) набора остается по-прежнему между двумя противоположными фронтальными сторонами С, D, как показано на фиг.9-11.

Если стяжная скоба 25 имеет коэффициент теплового расширения, отличный от набора и, в частности, отличный от коэффициента теплового расширения электроактивного материала 221, то следует учесть, что в акустическом плане вышеупомянутые определения первой D и второй С фронтальных сторон набора остаются без изменения, и длина L=f(T) набора остается по-прежнему между двумя противоположными фронтальными сторонами С, D, как показано на фиг.7, 12-14. Действительно, упругое средство 251 имеет незначительный линейный импеданс, и акустические волны отражаются на стороне С, образующей границу раздела между задней массой 23 и упругим средством 251, поэтому никакая акустическая волна, приходящая в осевом направлении от задней массы 23, не проникает в средство 250 регулирования через упругое средство 251. Поскольку разрыв линейного акустического импеданса между задней массой 23 и упругим средством 251 является полным, то нет никакой непрерывности акустической среды между задней массой 23 и средством 250 регулирования, как показано на фиг.7, 12-14.

Изобретение относится к устройству впрыска текучей среды (топлива) и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Устройство впрыска текучей среды (131) имеет главную ось (АВ) впрыска и содержит картер (1), привод (2) и средство предварительного напряжения. Привод (2) установлен по оси картера (1). Привод (2) содержит набор с двумя фронтальными сторонами (С), (D). Стороны (С), (D) противоположны в осевом направлении. Привод (2) включает, по меньшей мере, одну электроактивную часть (22), содержащую электроактивный материал (221). Средство предварительного напряжения выполнено с возможностью, по меньшей мере, частичного предварительного напряжения указанного набора. Средство предварительного напряжения содержит, по меньшей мере, одну стяжную скобу (25). Стяжная скоба (25) выполнена внешней по отношению к набору и расположена между набором и картером (1). Также в изобретении представлен ДВС, содержащий устройство впрыска топлива (131). Технический результат заключается в снижении чувствительности электроактивного материала по отношению к механическим воздействиям во время сборки и/или работы инжектора и защите набора от контакта и/или трения с картером. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Устройство впрыска текучей среды (131), имеющее главную ось (АВ) впрыска и, по меньшей мере, содержащее:
картер (1),
привод (2), установленный в осевом направлении в картере (1) и содержащий набор с двумя фронтальными сторонами (С), (D), противоположными в осевом направлении, включающий, по меньшей мере, одну электроактивную часть (22), содержащую электроактивный материал (221), и
средство предварительного напряжения, выполненное с возможностью, по меньшей мере, частичного предварительного напряжения указанного набора,
отличающееся тем, что средство предварительного напряжения содержит, по меньшей мере, одну стяжную скобу (25), внешнюю по отношению к набору и расположенную между набором и картером (1).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство предварительного напряжения содержит, по меньшей мере, одно средство (250) регулирования осевого усилия стягивания набора, при этом средство (250) регулирования соединено со стяжной скобой (25).

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство (250) регулирования установлено в осевом направлении между стяжной скобой (25) и набором.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стяжная скоба (25) имеет тепловое расширение, отличное от теплового расширения набора, причем средство предварительного напряжения содержит, по меньшей мере, одно упругое средство (251), установленное между стяжной скобой (25) и набором.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что упругое средство (251) установлено между набором и средством (250) регулирования.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стяжная скоба (25) опирается на две противоположные фронтальные стороны (С), (D) набора.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, одну иглу (4), тем, что набор содержит, по меньшей мере, одну часть, выполненную в виде усилителя (21), соединенную в осевом направлении с иглой (4) в месте одной из указанных фронтальных сторон (С), (D), при том электроактивная часть (22) и игла (4) установлены в осевом направлении по обе стороны от усилителя (21).

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что усилитель (21) содержит, по меньшей мере, один сегмент, сужающийся вдоль оси (АВ) в сторону иглы (4), причем стяжная скоба (25), по меньшей мере, частично совпадает с формой сужающегося сегмента усилителя (21).

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что набор содержит, по меньшей мере, одну другую часть, выполненную в виде задней массы (23), при этом усилитель (21) и задняя масса (23) установлены в осевом направлении по обе стороны от электроактивной части (22), причем задняя масса (23) содержит стенку, противоположную в осевом направлении к электроактивной части (22), при этом указанная стенка совпадает с фронтальной стороной (С) набора, противоположной в осевом направлении к игле (4).

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стяжная скоба (25) и картер (1) содержат, по меньшей мере, одну продольную контактную зону (UW).

11. Устройство по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что содержит средства (14) возбуждения для приведения электроактивной части (22) набора в состояние вибрации с заданным периодом τ, причем набор соединен с приводом (2), при этом усилитель (21), электроактивная часть (22) и задняя масса (23) стянуты вместе при помощи средства предварительного напряжения, и они выполнены с возможностью пропускания акустических волн, инициированных вибрациями электроактивной части (22).

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что длину (L) набора, измеренную между двумя противоположными фронтальными сторонами (С), (D), определяют таким образом, чтобы время (Т) распространения акустических волн, инициированных вибрациями электроактивной части (22) и проходящих эту длину (L), соответствовало следующему уравнению: T=n·[τ/2] с учетом допуска, где n является целым положительным и не равным нулю коэффициентом-множителем.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что содержит сопло (3), содержащее вдоль указанной оси (АВ) отверстие впрыска и седло (5) и соединенное с противоположной стороны с картером (1), причем игла (4) содержит вдоль указанной оси (АВ) первый конец (6), образующий клапан в зоне контакта с седлом (5), и соединена с противоположной стороны с набором усилителя (2), который приводит эту иглу (4) в состояние вибрации, обеспечивая между ее первым концом (6) и седлом (5) сопла (3) относительное движение, которое поочередно открывает и закрывает клапан, при этом сопло (3) с картером (1) и игла (4) с приводом (2) образуют соответственно первую и вторую среды распространения акустических волн, при этом каждая среда имеет линейный акустический импеданс (I), определяемый следующим уравнением: I=Σ·ρ·c, где Σ - площадь сечения среды, перпендикулярного к оси (АВ); ρ - плотность среды; c - скорость звука в среде, причем, по меньшей мере, одна зона разрыва линейного акустического импеданса находится на расстоянии от зоны контакта седла (5) с первым концом (6) вдоль сопла (3) или картера (1), и, по меньшей мере, одна другая зона разрыва линейного акустического импеданса находится на расстоянии от зоны контакта первого конца (6) с седлом (5) вдоль иглы (4) или привода (2), при этом указанные одна зона и другая зона разрыва линейного акустического импеданса являются, каждая, первой по порядку, начиная от указанной зоны контакта между первым концом (6) иглы (4) и седлом (5), в направлении распространения акустических волн соответственно в сторону картера (1) и привода(2).

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что расстояние, являющееся первым расстоянием (L_B), между, с одной стороны, зоной контакта между седлом (5) и первым концом (6), и, с другой стороны, первой зоной разрыва линейного акустического импеданса вдоль сопла (3) или картера (1) определяют таким образом, чтобы время (T_B) распространения акустических волн, инициированных вибрациями электроактивной части (22) набора и проходящих это первое расстояние (L_B), соответствовало следующему уравнению: T_B=n_B·[τ/2] с учетом допуска, где n_B является целым положительным и не равным нулю коэффициентом-множителем, причем расстояние, являющееся вторым расстоянием (L_A), между, с одной стороны, зоной контакта между первым концом (6) и седлом (5), и, с другой стороны, первой зоной разрыва линейного акустического импеданса вдоль иглы (4) или привода (2) определяют таким образом, чтобы время (T_A) распространения акустических волн, инициированных вибрациями электроактивной части (22) набора и проходящих это второе расстояние (L_A), соответствовало следующему уравнению: T_A=n_A·[τ/2] с учетом допуска, где n_A является целым положительным и не равным нулю коэффициентом-множителем.

15. Двигатель (151) внутреннего сгорания, содержащий устройство впрыска топлива (131) по любому из пп.1-14.