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

Настоящее изобретение касается устройства впрыска текучей среды, например, топлива, в частности, для двигателя внутреннего сгорания.

В частности, первым объектом настоящего изобретения является устройство впрыска текучей среды, имеющее главную ось впрыска и содержащее:

- сопло, содержащее вдоль указанной оси отверстие впрыска и седло, соединенное с противоположной стороны с картером,

- иглу, содержащую вдоль указанной оси первый конец, образующий клапан в зоне контакта с седлом, и с противоположной стороны соединенную с приводом, установленным с возможностью перемещения в осевом направлении в картере для создания колебаний иглы, обеспечивая между ее первым концом и седлом сопла относительное перемещение, поочередно открывая и закрывая клапан, при этом привод содержит вдоль оси первую, вторую и третью части, выполненные с возможностью прохождения через них акустических волн, инициируемых колебаниями второй части, при этом первая и третья части расположены в осевом направлении по обе стороны от второй части, которая содержит электроактивный материал, при этом все три части стянуты вместе, образуя блок, имеющий в осевом направлении две противоположные границы, при этом первая часть соединена с иглой в месте одной из указанных границ,

- средства возбуждения, предназначенные для создания колебаний во второй части привода с заданным периодом τ.

Такое устройство впрыска, называемое инжектором, обеспечивает цикличное открывание клапана инжектора с заданным периодом τ, с контролируемыми частотой, например частотой ультразвука, и амплитудой, в частности, в установившемся режиме его работы, то есть во время работы при заранее определенной температуре, кроме фаз запуска и остановки инжектора. Слой, образуемый текучей средой, выходящей из сопла при открывании клапана, распыляется и образует мелкие капельки. В варианте применения инжектора, в котором он распыляет топливо в камере сгорания, мелкие капельки способствуют образованию более однородной смеси воздух/топливо, что снижает загрязнение окружающей среды и делает двигатель более экономичным.

В известных устройствах цикличное открывание обеспечивают при помощи известных средств создания колебаний, например, пьезоэлектрических и/или магнитострикционных, оборудованных соответствующими средствами возбуждения. Средства создания колебаний выполнены в приводе, имеющем в осевом направлении две противоположные границы, одна из которых, называемая первой границей, связана с иглой. Возбуждаемый средствами создания колебаний привод преобразует электрическую энергию в колебание своей первой границы с заданным периодом тис заранее определенной амплитудой. Привод, действующий через первую границу непосредственно на иглу, выполняет, таким образом, роль активного «ведущего» элемента, управляющего иглой, которая в этом случае является управляемым пассивным «ведомым» элементом. Действительно, колебания первой границы «ведущего» привода создают продольно возвратно-поступательное движение «ведомой» иглы и, следовательно, ее первого конца относительно седла сопла. Для обеспечения достаточного расхода топлива во время открывания клапана, необходимо обеспечить резонанс между головкой иглы и соплом по существу с противоположностью фаз. Для этого, как известно, выбирают специальные значения длины иглы и сопла таким образом, чтобы время распространения акустических волн в соответствующих материалах иглы и сопла было равно четверти периода колебаний τ/4 или нечетному кратному указанной четверти периода, то есть [2j+1]τ/4 с целым положительным и не равным нулю множителем j. Образованные таким образом резонансные структуры «игла/сопло» и «игла/привод» обеспечивают большие амплитуды открывания клапана при небольших значениях давления, например, равных или меньших 5 МПа, в камере сгорания. По мере впрыска топлива во время такта сжатия давление в камере сгорания и, следовательно, противодавление на клапан увеличивается. Это противодавление может меняться в зависимости от рабочей точки двигателя. С повышением противодавления интенсивность ударов первого конца иглы по седлу, даже ослабляемых слоем топлива, все больше увеличивается. Возвращение этих ударов в резонансную структуру «игла/сопло» по классической четверти длины волны [2n+1]τ/4 и, с другой стороны, в другую резонансную структуру «игла/привод» наводит связь между ударом и отходом первого конца иглы от седла, изменяя амплитуду открывания клапана. Если удары продолжаются долго, отход иглы становится хаотичным. Польза от резонанса теряется. Открывание клапана становится хаотичным, что выражается в беспорядочной работе инжектора и может привести к неконтролируемому расходу топлива.

В этом контексте настоящее изобретение призвано предложить устройство впрыска текучей среды, которое может, по меньшей мере, сократить, по меньшей мере, одно из вышеупомянутых ограничений. В этой связи устройство впрыска, охарактеризованное во вступительной части заявки, в основном характеризуется тем, что длину между двумя границами блока определяют таким образом, чтобы время распространения Т акустических волн, инициируемых колебаниями второй части привода и проходящих эту длину, отвечало следующему уравнению: Т=n*[τ/2] с учетом допуска, где n является целым положительным и не равным нулю множителем.

Такое выполнение инжектора должно привести к следующим результатам: резонансная структура «игла/привод» содержит, по меньшей мере, один элемент, - привод, образующий указанный блок, - который имеет «симметрию», с точки зрения акустики. Эта значит, что эхо акустической волны, исходящей в одном месте симметричного блока, возвращается после одного или нескольких отражений на границах блока в это же место излучения акустической волны через не равное нулю положительное целое число периодов после ее излучения. Например, любая акустическая волна, поднимающаяся по игле от клапана к приводу и попадающая в привод через границу, называемую первой границей блока между иглой и первой частью, распространяется в осевом направлении в приводе и затем отражается на границе, называемой второй границей блока, противоположной указанной первой границе. Благодаря симметричной резонансной структуре привода, первая отраженная волна, то есть первое эхо волны, излучаемой на первой границе, возвращается к этой первой границе через период после своего излучения. Это же касается и акустических волн, возбуждаемых электроактивным материалом второй части привода и распространяющихся в осевом направлении к игле, которые, в свою очередь, могут отражаться на первой границе, возвращаться в привод и отражаться на второй границе, затем возвращаться к первой границе через период после своего излучения от первой границы. Таким образом, симметричная резонансная структура привода не создает никакой задержки или изменения знака волн, - в частности, для волн типа синусоидальных, где часть синусоиды по положительному знаку следует за симметричной частью синусоиды по отрицательному знаку, - излучаемых на первой границе, независимо от происхождения этих волн (от иглы или от привода). Таким образом, симметричная резонансная структура привода способствует упорядоченной работе инжектора.

Другим объектом настоящего изобретения является двигатель внутреннего сгорания, в котором используют устройство впрыска в соответствии с настоящим изобретением, то есть двигатель, в котором установлено такое устройство впрыска.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схема устройства впрыска в соответствии с настоящим изобретением, установленного в двигателе и оборудованного иглой с выходящей головкой, связанной с приводом;

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

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

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

фиг.7 и 8 - схематичный упрощенный вид сбоку в частичном продольном разрезе соответственно: монолитной иглы в виде цилиндрического стержня (фиг.7); составной иглы, содержащей три сегмента (фиг.8);

фиг.9 и 10 - схематичный упрощенный вид сбоку в частичном продольном разрезе соответственно: монолитного цилиндрического сопла (фиг.9); составного сопла, содержащего три сегмента (фиг.10);

фиг.11 - схематичный упрощенный вид сбоку в продольном разрезе привода;

фиг.12 - схематичный частичный упрощенный вид сбоку первой части привода, соединенной с иглой;

фиг.13-15 - схематичный упрощенный вид сбоку в продольном разрезе соответственно трех разных схем привода;

фиг.16 - схематичный упрощенный вид сбоку в продольном разрезе привода, содержащего центральный стержень;

фиг.17 - схематичный упрощенный вид сбоку в продольном разрезе привода, содержащего центральный стержень, средство предварительного напряжения и упругое средство.

Устройство впрыска или инжектор, показанный на фиг.1 (или 2), предназначен для впрыска текучей среды, например, топлива 131 в камеру сгорания 15 двигателя 151 внутреннего сгорания или в не показанный впускной воздушный трубопровод, или в не показанный выпускной трубопровод для выхлопных газов.

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 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 трубопроводом 130 подачи топлива 131 через, по меньшей мере, одно отверстие 9. Трубопровод 130 подачи топлива 131 содержит устройство 13 обработки топлива 131, содержащее, например, бак, насос, фильтр.

Второй корпус, представляющий собой привод 2, установлен подвижно с возможностью перемещения в осевом направлении в картере 1. Игла 4 имеет длину вдоль оси АВ 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.

На фиг.1 представлен случай иглы 4 с так называемой выходящей головкой 7. Игла 4 с выходящей головкой 7 имеет расширенную форму, расходящуюся в направлении оси АВ инжектора от картера 1 наружу сопла 3 в камеру 15 сгорания. Предпочтительно игла 4 с выходящей головкой 7 имеет усеченную конусную расходящуюся расширенную форму (фиг.1). Выходящая головка 7 закрывает седло 5 с наружной стороны сопла 3, обращенной противоположно картеру 1 в направлении оси АВ инжектора.

На фиг.2 показан случай иглы 4 с так называемой входящей головкой 7'. Игла 4 с входящей головкой 7' сужается в направлении оси АВ от картера 1 наружу сопла 3 и закрывает седло 5' с внутренней стороны сопла 3, обращенной к картеру 1.

Для удержания головки 7 (или 7') иглы 4 в положении опоры на седло 5 (или 5') могут быть предусмотрены возвратные средства 11 (или 11') привода 2. Таким образом, возвратные средства 11 (или 11') обеспечивают закрывание клапана при любом давлении в камере сгорания 15. Место нахождения точки приложения возвратных сил к приводу 2 не имеет значения. Возвратные средства 11 (или 11') могут быть выполнены в виде предварительно наряженной спиральной пружины, расположенной вдоль оси АВ на выходе картера 1 (в частности, в случае иглы 4 с выходящей головкой 7, фиг.1) или на входе картера 1 (в частности, в случае иглы 4 с входящей головкой 7', фиг.2) по отношению к направлению потока топлива 131 к соплу 3. Возвратные средства 11 (или 11') могут быть также выполнены в виде гидравлического средства, например, типа гидравлического домкрата, в котором топливо 131 выполняет функцию рабочей жидкости. Зазоры, связанные с расширениями различных элементов картера 1, предпочтительно компенсируются действием возвратных средств 11 (или 11') таким образом, чтобы расход топлива 131 через сопло 3 оставался не чувствительным к тепловым колебаниям на разных режимах работы двигателя 151.

В примере, представленном на фиг.1, возвратные средства 11 выполнены с возможностью деформации, например упругой деформации, действуя с заранее определенным усилием при очень слабом удлинении, например, менее 100 мкм, таким образом, чтобы притягивать выходящую головку 7 иглы 4 к седлу 5 сопла 3 вдоль оси АВ, обеспечивая закрывание клапана независимо от давления в камере сгорания 15.

В примере, представленном на фиг.2, возвратные средства 11' выполнены с возможностью деформации, например упругой деформации, действуя с заранее определенным усилием при очень слабом удлинении, например, менее 100 мкм, таким образом, чтобы толкать головку 7' иглы 4 к седлу 5' сопла 3 вдоль оси АВ, обеспечивая закрывание клапана независимо от давления в камере сгорания 15.

Вдоль оси АВ привод 3 продолжен иглой 4. В качестве «ведущего» элемента привод 2 выполнен с возможностью непосредственного создания колебаний «ведомой» иглы 4 с заданным периодом τ, обеспечивая, таким образом, между первым концом 6 иглы 4 и седлом 5 (или 5') сопла 3 относительное осевое перемещение, которое может поочередно открывать или закрывать клапан, как показано на фиг.3-4 и 5-6. Колебания действуют с заранее определенной частотой ν, например, с частотой ультразвука, которая может находиться в пределах примерно от v=20 кГц и примерно до ν=60 кГц, то есть с заданным периодом ν колебаний, составляющим соответственно от 50 микросекунд до 16 микросекунд. Например, для стали длина волны λ колебаний примерно равна 10^-1 при ν=50 кГц (τ=20 микросекунд).

Следует отметить, что поскольку входящая головка 7' сужается (фиг.2), ее поверхность менее подвержена действию волн противодавления в камере 15 сгорания по сравнению с поверхностью выходящей головки 7 (фиг.1). Точно так же входящая головка 7' имеет меньшую массу по сравнению с массой выходящей головки 7, что минимизирует амплитуду напряжений на седло 5' (по сравнению с выходящей головкой 7) в момент удара, сопровождающего закрывание клапана. Сборка инжектора облегчается, так как иглу 4 с входящей головкой 7' можно сначала установить на приводе 2, затем вставить в картер 1. Игла 4 с входящей головкой 7' стремится опуститься на седло 5' под действием силы тяжести. Таким образом, инжектор работает в условиях позитивной безопасности за счет соответствующей конструкции. В случае неисправности возвратных средств 11' привода 2 и даже при их отсутствии клапан остается в закрытом положении, обеспечивая, таким образом, герметичность инжектора с входящей головкой 7'. Кроме того, при непредвиденном разрушении иглы 4 ее отвалившаяся часть остается в картере 1 и не может попасть в камеру сгорания 15.

Привод 2 содержит вдоль оси АВ первую 21, вторую 22 и третью 23 части, выполненные с возможностью прохождения через них акустических волн, инициируемых колебаниями второй части 22, при этом первая 21 и третья 23 части расположены в осевом направлении по обе стороны от второй части 22 (фиг.1-2). Последняя содержит электроактивный материал 221. Все три части 21, 22, 23 стянуты вместе и образуют блок, содержащий в осевом направлении две противоположные границы С, D, при этом первая часть 21 соединена с иглой 4 в месте одной D из указанных границ С, D.

Предпочтительно третья часть 23 представляет собой заднюю массу, выполняющую функцию равномерного распределения напряжений на электроактивном материале 221.

Предпочтительно электроактивный материал 221 является пьезоэлектрическим и может быть выполнен, например, в виде одной или нескольких керамических пьезоэлектрических шайб, наложенных друг на друга в осевом направлении, образуя вторую часть 22 блока. Селективные деформации электроактивного материала 221, например, периодические деформации с заданным периодом τ, создающие акустические волны в инжекторе, в конечном счете приводят к относительному движению головки 7 (или 7') по отношению к седлу 5 (или 5') или наоборот, которое поочередно открывает и закрывает клапан, как было указано выше со ссылками на фиг.3-4 и 5-6. Эти селективные деформации управляются соответствующими средствами 14 возбуждения, например, при помощи электрического поля, создаваемого за счет разности потенциала, прикладываемого к электродам, неподвижно соединенным с пьезоэлектрическим электроактивным материалом 221. В альтернативном варианте электроактивный материал 221 может быть магнитострикционным. Селективные деформации такого материала управляются не показанными соответствующими средствами возбуждения, например, при помощи магнитной индукции, создаваемой селективным магнитным полем, получаемым, например, при помощи не показанного возбудителя и, в частности, катушки, неподвижно соединенной с приводом 2, или другой катушки, охватывающей привод 2.

Из вышеизложенного следует, что сопло 3 с картером 1 и игла 4 с приводом 2 образуют соответственно первую и вторую среды распространения акустических волн. Каждая из этих двух 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=f_I(Σ, ρ, с). Чтобы проиллюстрировать это соотношение, рассмотрим различные упрощенные примеры, касающиеся иглы 4 или сопла 3 и показанные соответственно на фиг.7-8 и 9-10. Для простоты будем считать, что во всех этих примерах привод 2 совпадает с вторым корпусом. Для обеспечения открывания клапана инжектора, мало чувствительного к давлению в камере сгорания 15, инжектор управляет перемещением первого конца 6 иглы 4, тогда как седло (упрощенно показанное на фиг.7-10 и обозначенное позицией 50) сопла 3 динамически удерживается неподвижным или фиксированным и ведет себя, таким образом, как узел перемещения.

Игла 4 и сопло 3, каждое, представляют собой тело, радиальные размеры которого, перпендикулярные к оси АВ, являются незначительными по сравнению с его длиной вдоль оси АВ. В сплошном стержне 400, представленном в данном случае как упрощенная модель иглы 4 (фиг.7), или в стержне 300 с продольным сквозным отверстием, представленном в данном случае как упрощенная модель сопла 3 (фиг.9), распространение акустических волн связывает распространение скачка напряжения (усилия) ΔF₀ и скачка скорости Δv при помощи уравнения ΔF₀=Σ*Δσ=Σ*z*Δv, где Σ является площадью сечения стержня, перпендикулярного к его главной оси АВ, например, его оси симметрии, Δσ=z*Δv является скачком напряжения, z является акустическим импедансом, определяемым уравнением z=ρ*с, где ρ является плотностью стержня, а с является скоростью звука в стержне. При этом подразумевается, что напряжение F₀ является положительным при сжатии, и скорость v является положительной в направлении распространения акустических волн. Произведение I=Σ*z=Σ*ρ*c, характеризующее акустические свойства стержня, сплошного или полого, называют «линейным акустическим импедансом» или «линейным импедансом».

Любое изменение линейного акустического импеданса I приводит к появлению эха, то есть к ослаблению акустической волны, распространяющейся в направлении стержня (например, справа налево на фиг.7, 9), другой акустической волной, распространяющейся в обратном направлении стержня (например, слева направо на фиг.7, 9), начиная от точки изменения линейного импеданса I, например, на уровне соединения между иглой 4 и приводом 2 (фиг.7) или на уровне другого соединения между соплом 3 и картером 1 (фиг.9). Это же рассуждение можно применить для любого разрыва 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 небольшом расстоянии относительно длины волны, предпочтительно на 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.9) или картера 1, и, по меньшей мере, одну другую зону разрыва линейного акустического импеданса, находящуюся на расстоянии от зоны контакта первого конца 6 с седлом 50 вдоль иглы 4 (фиг.7) или привода 2. Указанные одна зона и другая зона разрыва линейного акустического импеданса являются, каждая, первой в порядке, начиная от указанной зоны контакта между первым концом 6 иглы 4 и седлом 50, в направлении распространения акустических волн соответственно к картеру 1 и приводу 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 определяют таким образом, чтобы время распространения, называемое «временем акустического прохождения», T_B акустических волн, инициируемых приводом 2 и проходящих это первое расстояние L_B=f_B(T_B), отвечало следующему уравнению:

где n_B является целым положительным и не равным нулю множителем, называемым первым множителем, и расстояние, называемое вторым расстоянием L_A, между, с одной стороны, зоной контакта между первым концом 6 и седлом 5 (или 5') и, с другой стороны, первой зоной разрыва линейного акустического импеданса вдоль иглы 4 или привода 2 определяют таким образом, чтобы время распространения, называемое «временем акустического прохождения», T_A акустических волн, инициируемых приводом 2 и проходящих это второе расстояние L_A=f_A(Т_А), отвечало следующему уравнению:

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

Понятно, что вышеуказанные уравнения Е1 и Е2 следует рассматривать как проверенные с учетом определенного допуска, чтобы учитывать производственные условия, например, при допуске порядка плюс или минус 10% от заданного периода τ, то есть порядка плюс или минус 20% от заданного полупериода τ/2. С учетом этого допуска вышеуказанные уравнения Е1 и Е2 можно соответственно переписать следующим образом:

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 контрольными значениями, вычисленными при помощи вышеуказанных уравнений Е1 и Е2. Эти незначительные отклонения могут быть связаны с эффектом соединяемых масс. Последние могут соответствовать, например, головке 7 (или 7') иглы 4 и/или направляющему приливу (не показан) в плоскости, перпендикулярной к оси АВ, направления конца 6 иглы 4 в сопле 3. Указанный допуск позволяет учитывать указанный эффект соединяемых масс, чтобы корректировать выражения по времени акустического прохождения первого L_B=f_B(T_B) и второго L_A=f_A(T_A) расстояний при помощи вышеуказанных уравнений Е1' и Е2'.

Предпочтительно n_A=n_B для второго и первого множителей и, в частности, n_A=n_B=1, чтобы минимизировать линейные размеры инжектора вдоль оси АВ и оставить максимум места для впускных и/или выпускных трубопроводов. Таким образом, начиная от зоны контакта между седлом 5 (или 5') и первым концом 6 иглы 4, сопло 3 имеет постоянные акустические свойства на последовательных участках длины, характеризующей первое расстояние L_B=f_B(T_B), по существу равных между собой по времени акустического прохождения, выражение которых по времени акустического прохождения T_B предпочтительно сводится 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 между собой по времени акустического прохождения, выражение которых по времени акустического прохождения т_а предпочтительно сводится к одному заданному полупериоду τ/2.

Для облегчения сборки, по меньшей мере, на 90% первого расстояния L_B=f_B(T_B) инжектор может иметь изменение линейного акустического импеданса, меньшее или равное 5%, причем это изменение не может рассматриваться как разрыв линейного акустического импеданса. Точно так же, по меньшей мере, на 90% второго расстояния L_A=f_A(T_A) инжектор может иметь другое изменение линейного акустического импеданса, меньшее или равное 5%, причем это изменение не может рассматриваться как разрыв линейного акустического импеданса.

Во время установившегося режима 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 сгорания 15. В примере, представленном на фиг.1, речь идет одновременно об управлении перемещением первого конца 6, продолженного головкой 7 иглы 4, и о динамичном удержании седла 5 сопла 3 неподвижным. Как было указано выше, управление перемещением головки 7 иглы 4 происходит благодаря селективным деформациям, например, периодическим деформациям с заданным периодом τ электроактивного материала 221, передаваемым на иглу 4 через привод 2. Удержания седла 5 динамически неподвижным достигают благодаря сохранению его продольной скорости вдоль оси АВ, равной нулю, используя периодичность явления распространения акустических волн. Каждое закрывание клапана во время периодических посадок с заданным периодом τ головки 7 иглы 4 на седло 5 порождает удар. Последний создает акустическую волну, называемую падающей волной, связывая скачок скорости Δv 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 3 в картер 1 и которая имеет сечение в плоскости, перпендикулярной к оси АВ, намного большее сечения сопла 3. После отражения падающей волны ее эхо, называемое отраженной волной, возвращается в сопло 3 и проходит первое расстояние L_B в противоположном направлении, то есть от картера 1 к седлу 5. Отраженная волна имеет тот же знак скачка напряжения Δδ, что и падающая волна, и знак скачка скорости Δδ, противоположный знаку падающей волны (поскольку направление распространения поменялось на противоположное, скачок скорости Δδ поменял знак, если считать теперь положительными все скорости в направлении к седлу 5, а не в направлении распространения волн). Учитывая, что первое расстояние предпочтительно обусловлено уравнением L_B=f_B(T_B)=f_B(n_B*[τ/2]), отраженная волна попадает на сопло 5 точно в тот же момент, в который ударом создается новая падающая волна, связанная с закрыванием клапана, при этом перемещение головки 7 иглы 4 тоже обусловлено вторым расстоянием L_A, предпочтительно зависящим от кратного заданного полупериода τ/2:L_A=f_A(T_A)=f_A(n_A*[τ/2]). Как следствие, в седле 5 напряжения сохраняются и скорости аннулируются. Таким образом, седло 5 представляет собой узел перемещения. В этих условиях изменение давления в камере сгорания 15 приведет к усилению ударов, не меняя при этом их синхронности. Поэтому это изменение давления в камере сгорания 15 не будет влиять на работу инжектора.

Чтобы достичь идентичности скачков напряжения Δσ, когда две соответствующие волны, падающая и отраженная, встречаются, необходимо, чтобы отражение акустических волн на уровне первой зоны разрыва линейного акустического импеданса было максимальным. Это условие почти полного отражения a priori может быть удовлетворено для сопла 3, вставленного в картер 1, который, в свою очередь, связан с головкой 8 блока цилиндров, при этом данную конфигурацию можно соотнести с идеальным случаем стержня с конечным диаметром (типа балки), вставленным в бесконечное тело. Учитывая законченный размер привода 2, трудно достичь полного отражения акустических волн в зоне соединения ZJ между иглой 4 и приводом 2. В примере, представленном на фиг.2, в зоне соединения ZJ привод 2 имеет линейный акустический импеданс I_AC-ZJ, и игла 4 имеет линейный акустический импеданс I_A-ZJ. Удовлетворительный компромисс с точки зрения отражения акустических волн в зоне соединения ZJ может быть достигнут, если соотношение I_AC-ZJ/I_A-ZJ превышает заранее определенное значение. Предпочтительно проверяют следующее отношение: I_AC-ZJ/I_A-ZJ≥2.5.

В свете вышеуказанных уточнений понятно, что в общем случае для первого и второго множителей, когда n_B≠n_A, именно падающие волны и отраженные волны, смещенные на несколько периодов τ, взаимно компенсируются в седле 5, чтобы сделать его динамически неподвижным. Эта компенсация может быть неполной, 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 Т_А=n_A*[τ/2] в акустическом контексте. Это связано с присутствием колебаний, например, ультразвуковых колебаний заданного периода τ, инициированных второй частью 22 привода 2, как было указано выше. Иначе говоря 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, показанном на фиг.1, с иглой 4 с выходящей головкой 7 понятно, что первая акустическая граница, позволяющая определить второе L_A расстояние, связанное с второй средой «игла 4 + привод 2» распространения акустических волн, берется по половине высоты расходящейся усеченной конусной выходящей 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 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 с второй средой «игла 4 + привод 2» распространения акустических волн, берется по половине высоты сходящейся усеченной конусной 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, представляет собой соответствующую первую зону разрыва линейного акустического импеданса I, как было указано выше. Например, вторая акустическая граница может соответствовать месту, где диаметр рассматриваемого узла изменяется в плоскости, перпендикулярной к оси АВ, например, на уровне зоны соединения ZJ иглы 4 с первой частью 21 привода 2, или в месте врезки SX сопла 3 в картер 1 (фиг.1, 2), с учетом того, что:

- в зоне соединения ZJ игла 4 и привод 2 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 путем механической обработки из материала, предпочтительно имеющего одинаковые плотность и скорость звука.

Действительно, выполнение механической обработкой из моноблочной детали представляется наиболее простым в применении решением при изготовлении указанных деталей в промышленном масштабе.

Однако в некоторых случаях акустические границы тел могут не совпадать с физическими границами этих тел. Как показано на фиг.10, внутри первой среды распространения акустических волн на указанном первом расстоянии L_B имеются несколько сегментов 301, 302, 303, отличающихся друг от друга, по меньшей мере, по двум критериям из трех следующих критериев, характеризующих каждый из сегментов 301, 302, 303: (а) геометрия сегмента; (б) плотность ρ сегмента; (в) скорость с звука в сегменте, при этом сегменты 301, 302, 303 являются такими, что их соответствующие линейные акустические импедансы, - I₃₀₁=Σ₃₀₁*ρ₃₀₃*с₃₀₁; I₃₀₂=Σ₃₀₂*ρ₃₀₂*с₃₀₂; I₃₀₃=*Σ₃₀₃*ρ₃₀₃*c₃₀₃, - равны: I₃₀₁=I₃₀₂=I₃₀₃. Таким образом, независимо от их соответствующих линейных размеров, в зонах соединения между соответствующими двумя сегментами: 301/302, 302/303 не появляется никакого паразитного эха, поэтому первое расстояние L_B остается между седлом 50 и местом врезки SX сопла 3 в картер 1 (фиг.10). Таким образом, можно выполнить сопло 3 из разных материалов, комбинируя их таким образом, чтобы наделить сопло 3 локально и/или аксиально селективными физическими свойствами (отличными от акустических свойств), характерными для каждого из сегментов 301, 302, 303 (например, повышая их ударную стойкость, снижая их механический износ и/или их тепловое расширение и т.д.); главное, чтобы их акустические свойства вдоль оси АВ, представляющие собой соответствующие линейные акустические импедансы I₃₀₁, I₃₀₂; I₃₀₃, оставались одинаковыми: I₃₀₁=I₃₀₂=I₃₀₃. Как показано на фиг.8, внутри второй среды распространения акустических волн на указанном втором расстоянии L_A имеются несколько сегментов 401, 402, 403, отличающихся друг от друга, по меньшей мере, по двум критериям из трех следующих критериев, характеризующих каждый из сегментов 401, 402, 403: (а) геометрия сегмента; (б) плотность ρ сегмента; (в) скорость с звука в сегменте, при этом сегменты 401, 402, 403 являются такими, что их соответствующие линейные акустические импедансы, - I₄₀₁=Σ*₄₀₁*ρ₄₀₁*c₄₀₁; I₄₀₂=Σ*₄₀₂*ρ₄₀₂*c₄₀₂; I₄₀₃=Σ*₄₀₃*ρ₄₀₃*c₄₀₃, - равны: I₄₀₁=I₄₀₂=I₄₀₃. Таким образом, независимо от их соответствующих линейных размеров, в зонах соединения между соответствующими двумя сегментами: 401/402, 402/403 не появляется никакого паразитного эха, поэтому второе расстояние L_A остается заключенным между седлом 50 и зоной соединения ZJ иглы 4 с приводом 2 (фиг.8). Таким образом, можно выполнить иглу 4 из разных материалов, комбинируя их таким образом, чтобы наделить иглу 4 локально и/или аксиально селективными физическими свойствами (отличными от акустических свойств), характерными для каждого из сегментов 401, 402, 403 (например, повышая их ударную стойкость, снижая их механический износ и/или их тепловое расширение), главное, чтобы их акустические свойства вдоль оси АВ, представляющие собой соответствующие линейные акустические импедансы L₄₀₁, I₄₀₂, I₄₀₃, оставались одинаковыми: I₄₀₁=I₄₀₂=I₄₀₃.

Как показано на фиг.2, зона соединения ZJ между иглой 4 и приводом 2 образована со стороны привода 2, по меньшей мере, первой частью 21 привода 2. Предпочтительно первая часть 21 имеет круглое сечение заранее определенного диаметра, называемого диаметром D_1-1 первой части 21, измеренным в плоскости, перпендикулярной к оси АВ. Зона соединения ZJ между иглой 4 и приводом 2 образована со стороны иглы 4, по меньшей мере, одним круглым цилиндрическим участком заранее определенного диаметра, называемого диаметром D₄ иглы 4, измеренным в плоскости, перпендикулярной к оси АВ. Предпочтительно первая часть 21 и цилиндрический участок иглы 4 выполнены из материала, имеющего одинаковые плотность ρ и скорость с звука. Диаметр D_1-1 первой части 21 привода 2 и диаметр D₄ иглы 4 связаны следующим неравенством: . Предпочтительно это соотношение диаметров D_1-1/D₄ соответствует приемлемой «акустической врезке» иглы 4 в привод 2. Благодаря этой приемлемой акустической врезке, падающая волна, отходящая от головки 7' иглы 4 и проходящая вдоль иглы 4 в зону соединения ZJ (фиг.2), отражается с минимумом потерь амплитуды и/или частоты, которые могли бы помешать открыванию и закрыванию клапана с заданным периодом τ (и, следовательно, вышеупомянутому управлению перемещением головки 7' иглы 4).

Чтобы сделать инжектор еще более эффективным с точки зрения акустики, длину L между двумя границами С, D блока, образованного тремя частями 21, 22, 23 привода 2 (фиг.1-2), определяют таким образом, чтобы время распространения Т акустических волн, инициированных колебаниями второй части 22 привода 2 и проходящих эту длину L=f(T), отвечало следующему уравнению:

где n является не равным нулю положительным целым множителем, называемым третьим множителем, например, n≠n_B≠n_A. По аналогии с соплом 3 и иглой 4 привод 2 может иметь симметричную акустическую структуру, при которой эхо акустической волны, излученной в одном месте симметричного блока, стремится вернуться после одного или нескольких отражений от границ блока в это же место излучения акустической волны через не равное нулю положительное целое число периодов после ее излучения. Эта акустическая симметрия привода 2 является особенно предпочтительной, если акустическая врезка иглы 4 в привод 2 не является идеальной, и падающая волна, отходящая от головки 7' иглы 4 и проходящая вдоль иглы 4 в зону соединения ZJ (фиг.2), после частичного отражения на первой границе D привода проникает в этот привод. Однако поскольку, благодаря акустической симметрии привода 2, эхо этой падающей волны возвращается к первой границе 213 через не равное нулю положительное целое число периодов после ее излучения, это не создает никакой задержки или изменения знака излучаемых волн на первой границе 213, поэтому не происходит нарушения возвратно-поступательного движения иглы 4.

По аналогии с вышеуказанными уравнениями Е1 и Е2 понятно, что вышеуказанное уравнение Е3 необходимо рассматривать как проверенное с учетом определенного допуска, чтобы учитывать производственные условия, например, при допуске порядка плюс или минус 10% от заданного периода τ, то есть порядка плюс или минус 20% от заданного полупериода τ/2. С учетом этого допуска вышеуказанное уравнение Е3 можно переписать 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 изменения по сравнению с контрольными значениями, вычисленными при помощи вышеуказанного уравнения ЕЗ. Эти незначительные отклонения могут быть связаны с эффектом соединяемых масс. Последние могут соответствовать, например, выступам или выполненным механической обработкой захватным или соединительным элементам. Указанный допуск позволяет учитывать указанный эффект соединяемых масс, чтобы корректировать выражение по времени акустического прохождения длины L=f(T) при помощи вышеуказанного уравнения Е3'.

По тем же причинам, что были указаны выше в связи с n_B и n_A, предпочтительно, чтобы n=n_B=n_A и, в частности, n=n_B=n_A=1.

Как показано на фиг.11, первая часть 21 привода 2 может иметь в осевом направлении первую границу 213, совпадающую с границей D, где блок соединен с иглой 4, и вторую противоположную границу 212, прилегающую к электроактивному материалу 221 второй части 22 привода 2. Предпочтительно первую длину l₁, измеренную между указанными первой 213 и второй 212 границами, определяют таким образом, чтобы время распространения t₁ акустических волн, инициируемых колебаниями второй части 22 привода 2 и проходящих эту первую длину L₁=f₁(T₁), отвечало следующему уравнению:

где m является не равным нулю положительным целым множителем, например, m≠n≠n_B≠n_A. Эта конфигурация предусмотрена, например, для случая, когда, кроме уже упомянутой выше не идеальной врезки иглы 4 в привод 2, привод 2 содержит новую зону разрыва линейного акустического импеданса на второй границе 212. Благодаря акустической симметрии первой части 21 привода 2, не происходит никакой задержки или изменения знака волн, излучаемых на первой границе 212, несмотря на их паразитные эхо, создаваемые новой зоной разрыва линейного акустического импеданса на второй границе 212, поэтому возвратно-поступательные движения иглы 4 не нарушаются.

По аналогии с вышеуказанными уравнениями Е1-Е3 понятно, что вышеуказанное уравнение Е4 необходимо рассматривать как проверенное с учетом определенного допуска, чтобы учитывать производственные условия, например, при допуске порядка плюс или минус 10% от заданного периода τ, то есть порядка плюс или минус 20% от заданного полупериода τ/2. С учетом этого допуска вышеуказанное уравнение Е4 можно соответственно переписать следующим образом:

Следует отметить, что на практике первая длина L₁=f₁(T₁), выраженная временем акустического прохождения T₁ и измеренная на соответствующих деталях, изготовленных в промышленном масштабе, может иметь небольшие изменения по сравнению с контрольными значениями, вычисленными при помощи вышеуказанного уравнения E4. Эти незначительные отклонения могут быть связаны с эффектом соединяемых масс. Последние могут соответствовать, например, выступам или механической обработке для обеспечения захвата или соединения. Указанный допуск позволяет учитывать указанный эффект соединяемых масс, чтобы корректировать выражение по времени акустического прохождения первой длины L₁=f₁(T₁) при помощи вышеуказанного уравнения E4'.

По тем же причинам, что были указаны выше в связи с n_B и n_A, предпочтительно, чтобы m=n_B=n_A и, в частности, m=n_B=n_A=1.

Предпочтительно вторую длину L₂, измеренную между этой второй границей 212 и границей С блока, противоположной в осевом направлении игле 4, определяют таким образом, чтобы время распространения Т₂ акустических волн, инициируемых колебаниями второй части 22 привода 2 и проходящих эту вторую длину L₂=f₂(T₂), отвечало следующему уравнению:

где k является не равным нулю положительным целым множителем, например, k≠m≠n≠n_B≠n_A. Эта акустически симметричная конфигурация предусмотрена, например, для случая, когда новая зона разрыва линейного акустического импеданса на второй границе 212 имеет только частичный разрыв линейного акустического импеданса, поэтому акустические волны, поднимающиеся в осевом направлении по первой части 21 привода, могут проникать после их частичных отражений на второй границе 212 привода 2 во вторую часть 22, не нарушая при этом возвратно-поступательного движения второй границы 212 и/или возвратно-поступательного движения первой границы и/или возвратно-поступательного движения иглы 4.

По аналогии с вышеуказанными уравнениями Е1-Е4 понятно, что вышеуказанное уравнение E5 следует рассматривать как проверенное с учетом определенного допуска, чтобы учитывать производственные условия, например, при допуске порядка плюс или минус 10% от заданного периода τ, то есть порядка плюс или минус 20% от заданного полупериода τ/2. С учетом этого допуска вышеуказанное уравнение E5 можно соответственно переписать следующим образом:

Следует отметить, что на практике вторая длина L₂=f₂(Т₂), выраженная временем акустического прохождения Т₂ и измеренная на соответствующих деталях, изготовленных в промышленном масштабе, может иметь небольшие изменения по сравнению с контрольными значениями, вычисленными при помощи вышеуказанного уравнения Е5. Эти незначительные отклонения могут быть связаны с эффектом соединяемых масс. Последние могут соответствовать, например, выступам или механической обработке для обеспечения захвата или соединения. Указанный допуск позволяет учитывать указанный эффект соединяемых масс, чтобы корректировать выражение по времени акустического прохождения второй длины L₂=f₂(T₂) при помощи вышеуказанного уравнения Е5'.

По тем же причинам, что были указаны выше в связи с n_B и n_A, предпочтительно, чтобы k=n_B=n_A и, в частности, k=n_B=n_A=1.

Чтобы облегчить сборку в промышленном масштабе, по меньшей мере, на 90% второй длины L₂ привод 2 имеет небольшое отклонение линейного акустического импеданса, меньшее или равное 5%. Благодаря такому выполнению, можно, например, укладывать в стопку керамические пьезоэлектрические шайбы, образующие вторую часть 22 привода 2 и имеющие незначительные отклонения размера, например, осевого размера, без риска появления отклонения, не допустимого с точки зрения акустики, которое могло бы нарушить упорядоченную работу инжектора.

Предпочтительно первая часть 21 привода 2 предназначена для передачи колебаний от электроактивного материала 221 на иглу 4, усиливая их таким образом, чтобы перемещения иглы 4 на уровне клапана превышали интеграл деформаций электроактивного материала 221. Любое сечение, перпендикулярное к оси АВ, первой части 21 имеет смещения, производимые акустическими волнами, проходящими через первую часть 21 от ее второй границы 212 к ее первой границе 213. Предпочтительно первая часть 21 привода 2 имеет вдоль указанной оси АВ изменение линейного акустического импеданса I₂₁, при котором осевые смещения сечения, перпендикулярного к оси АВ и находящегося на первой границе 213, будут превышать смещения любого другого сечения первой части 21, при этом линейный акустический импеданс I₂₁ первой части 21 определяют следующим уравнением: I₂₁=Σ*₂₁*ρ₂₁*c₂₁, где Σ₂₁ является площадью сечения первой части 21, перпендикулярного к оси АВ, ρ₂₁ является плотностью первой части 21, c₂₁ является скоростью звука в первой части 21. Селективные деформации второй части 22 привода 2, наводимые деформациями электроактивного материала 221, усиливаются, производя, таким образом, максимально возможное перемещение на первой границе 213 привода и, следовательно, на первом конце 6 иглы 4, поэтому эта первая граница 213 становится местом, называемым «пучностью», где колебания (в частности, перемещения) усиливаются и являются максимальными.

Предпочтительно первая часть 21 привода 2 содержит, по меньшей мере, один усеченный конусный сегмент, который сужается вдоль оси АВ в сторону иглы 4 (фиг.11, 12). Усеченный конусный сегмент с изменением сечения в плоскости, перпендикулярной к оси АВ, по существу линейным или экспоненциальным вдоль оси АВ, позволяет получить усиление селективных деформаций второй части 22 привода 2, наводимых деформациями электроактивного материала 221. По сравнению с первой частью 21, например, цилиндрической формы (фиг.13), часть, содержащая усеченный конусный сегмент (фиг.11-12), позволяет получить такое же перемещение на первой границе D при меньшем числе наложенных друг на друга в осевом направлении керамических пьезоэлектрических шайб. Не говоря уже об экономии времени во время сборки инжектора в промышленном масштабе, этот вариант выполнения делает привод 2 более надежным как с точки зрения качества сборки, так и в плане срока службы, поскольку керамические пьезоэлектрические шайбы, которые по своей природе являются хрупкими, могут подвергаться опасности поломки и/или растрескивания. Предпочтительно расстояние Н вдоль оси АВ между любым сечением EF усеченного конусного сегмента, перпендикулярным к оси АВ, и воображаемой точкой Р усеченного конусного сегмента (фиг.12) отвечает следующему неравенству: Н>0,22*с*τ. Благодаря такому выполнению, дисперсия акустических волн, наблюдаемых в усиливающем перемещение усеченном конусном сегменте, остается допустимой и не нарушает упорядоченной работы инжектора.

Как было указано выше, привод 2 состоит из нескольких частей 21, 22, 23, которые могут отличаться друг от друга своей геометрией и/или своей плотностью ρ, и/или характерной для каждой из них скоростью с звука (фиг.13-17). Поэтому, чтобы выполнить инжектор с приводом 2, имеющим, например, заранее определенный линейный акустический импеданс I, предпочтительно постоянный на своей длине L между двумя границами С, D и/или на своей первой длине L₁, и/или на своей второй длине L₁, указанные части 21, 22, 23 привода 2 могут иметь соответственно сечения разной площади в плоскостях, перпендикулярных к оси АВ, чтобы компенсировать возможные изменения линейного акустического импеданса I изменениями площади Σ соответствующих сечений, перпендикулярных к оси АВ. Первый пример представлен на фиг.14-15 и касается третьей 23 и второй 22 частей привода 2, имеющих соответственно сечения D₃ и D_2-3 разной площади в плоскостях, перпендикулярных к оси АВ. Второй пример представлен на фиг.16 и касается первой 21 и второй 22 частей привода 2, имеющих соответственно сечения D_1-2 и D_2-1 разной площади в плоскостях, перпендикулярных к оси АВ. Третий пример представлен на фиг.14-15 и касается первой части 21 привода и иглы 4, имеющих соответственно сечения D_1-1 и D₄ разной площади в плоскостях, перпендикулярных к оси АВ. Чтобы обеспечить максимально возможное равномерное распределение напряжений между частями разного сечения, можно предусмотреть сегменты сопряжения между тремя частями 21, 22, 23 привода 2 и/или между первой частью 21 и иглой 4. Предпочтительно третья часть 23 может содержать сегмент 230 сопряжения с второй частью 22, имеющий в осевом направлении длину L_A3, при которой время распространения T_A3 акустических волн, инициируемых колебаниями второй части 22 привода 2 и проходящих эту длину L_A3-f_A3(T_A3), отвечает следующему неравенству: T_A3<τ/10 (фиг.14-15). Благодаря такому выполнению, на ограниченных длинах L_A3=f_A3(T_A3) достигают максимально равномерного распределения напряжений между третьей частью 23 и второй частью 22.

Предпочтительно первая часть 21 содержит сегмент 211 сопряжения с второй частью 22, имеющий в осевом направлении длину L_A2, при которой время распространения T_A2 акустических волн, инициируемых колебаниями второй части 22 привода 2 и проходящих эту длину L_A2=f_A2(T_A2), отвечает следующему неравенству: T_A2<τ/10 (фиг.17). Благодаря такому выполнению, на ограниченных длинах L_A2=f_A2(T_A2) достигают максимально равномерного распределения напряжений между первой частью 21 и второй частью 22.

Предпочтительно первая часть 21 содержит сегмент 210 сопряжения с иглой 4, имеющий в осевом направлении длину L_A1, при которой время распространения T_A1 акустических волн, инициируемых колебаниями второй части 22 привода 2 и проходящих эту длину L_A1=f_A1(T_A1), отвечает следующему неравенству: T_A1<τ/20. Благодаря такому выполнению, между первой частью 21 и иглой 4 концентрации напряжений снижаются. Этот результат получают на очень небольших длинах L_A2=f_A2(T_A2), обеспечивая приемлемую с точки зрения акустики акустическую врезку иглы 4 в привод 2, как было указано выше.

Сегменты 210, 211, 230 сопряжения могут иметь форму усеченного конуса, например, с половиной угла в вершине, равной 45°. Такая геометрия усеченного конуса является наиболее легкой в реализации путем механической обработки. Однако эта геометрическая форма усеченного конуса не является ограничительной. Можно также предусмотреть сегменты 210, 211, 230 сопряжения, выполненные в виде круглых деталей, ограниченных двумя плоскостями, перпендикулярными к главной оси, например, к оси их симметрии, и поверхностью, образованной вращением кривой, находящейся в плоскости, содержащей указанную ось. Эта кривая может быть кривой сигмовидного и/или экспоненциального типа.

Для облегчения сборки привода 2 в промышленном масштабе первая часть 21 привода 2 может быть продолжена вдоль оси АВ противоположно игле 4 центральным стержнем 40, вставным (фиг.16) или не вставным (фиг.17). В этой конфигурации вторую 22 и третью 23 части привода 2 насаживают на центральный стержень 40. Центральный стержень 40 может содержать резьбу для облегчения стягивания трех частей 21, 22, 23 привода 2 между собой, например, при помощи средства 250 предварительного напряжения, предпочтительно содержащего резьбовую гайку. В менее предпочтительном варианте выполнения (не показан) третья часть 23 и средство 250 предварительного напряжения могут совпадать. В этом случае третья часть 23 может содержать резьбу, выполненную с возможностью завинчивания непосредственно на центральном стержне 40, обеспечивая, таким образом, предварительное напряжение электроактивного материала 221 второй части 22 привода 2. В другом менее предпочтительном варианте выполнения (не показан) третья часть 23, средство 250 предварительного напряжения и вторая часть 22 могут совпадать.

Предпочтительно центральный стержень 40 имеет тепловое расширение (в частности, коэффициент теплового расширения), по существу идентичное тепловому расширению электроактивного материала 221 второй части 22 привода 2 (фиг.16). Поскольку электроактивный материал 221, например, из керамики, имеет исключительно низкий коэффициент теплового расширения, стержень 40 тоже должен иметь исключительно низкий коэффициент теплового расширения, например, равный примерно 10^-6/°C. Например, для керамического электроактивного материала 221 центральный стержень 40 можно выполнять из железно-никелевого сплава с углеродом и хромом, например, из сплава типа «инвар». Благодаря такому выполнению, предварительное напряжение электроактивного материала 221 стремится оставаться постоянным независимо от изменений температуры инжектора. Одинаковое расширение двух материалов (электроактивного материала 221 и материала центрального стержня 40) обеспечивает тепловую компенсацию расширений, связанных с изменениями температуры инжектора. Сборка привода 2 происходит быстрее, так как не требует никакого средства для компенсации указанных расширений двух материалов. Предпочтительно центральный стержень 40 имеет тепловое расширение, по существу равное сумме тепловых расширений электроактивного материала 221 (керамика), третьей части 23 и первой части 21, которые не приводят к изменениям напряжений в электроактивном материале 221, например, в керамике, превышающим 5 МПа при 100°С изменения температуры инжектора.

В альтернативном варианте центральный стержень 40 может иметь тепловое расширение (в частности, коэффициент теплового расширения), отличное от теплового расширения электроактивного материала 221 и второй части 22 привода 2 (фиг.17) и, в частности, отличное от суммы тепловых расширений электроактивного материала 221 (керамики), третьей части 23 и первой части 21. Например, центральный стержень 40 может иметь коэффициент теплового расширения, превышающий коэффициент теплового расширения электроактивного материала 221 второй части 22 привода 2. В этом случае средство 250 предварительного напряжения, связанное с центральным стержнем 40 и выполненное с возможностью стягивания между собой трех частей 21, 22, 23 привода 2, соединяют через упругое средство 251 (например, по меньшей мере, одну резиновую прокладку, по меньшей мере, одну упругую шайбу или пружину) с концом блока привода 2, противоположным игле 4. Упругое средство 251 позволяет обеспечивать почти постоянное предварительное напряжение электроактивного материала 221 независимо от удлинений центрального стержня 40, связанных с тепловыми расширениями. Благодаря такому выполнению, можно продолжать сборку привода 2 в промышленном масштабе, например, при перерыве поставки стержней из инвара. Таким образом, этот вариант выполнения обеспечивает более надежное изготовление инжектора.

Наконец, согласно конфигурации, показанной на фиг.16, разницу между коэффициентами расширения электроактивного материала 221 (керамики) и материалов третьей части 23, первой части 21 и центрального стержня 40 можно выбрать таким образом, чтобы в рабочем температурном диапазоне инжектора дифференциальные расширения этих деталей не приводили к изменению предварительного напряжения электроактивного материала 221, превышающему 10% от номинального значения напряжения (обеспечиваемого средством 250 предварительного напряжения).

Понятно, что за счет геометрии центрального стержня 40 его плотность и скорость звука имеют ничтожное влияние с точки зрения акустики. Например, если центральный стержень 40 является сплошным, его диаметром, измеренным в плоскости, перпендикулярной к оси АВ, можно пренебречь (в отличие от того, что схематично показано без соблюдения масштаба на фиг.16-17) по отношению к диаметру D_2-1 второй части 22 и даже к диаметру D₄ иглы 4. То есть присутствие центрального стержня 40 существенно не влияет на длину L=f(T) блока, содержащего три части 21, 22, 23 привода 2, выраженную временем акустического прохождения Т при помощи вышеуказанных уравнений (Е3) и (Е'3).

Если центральный стержень 40 имеет тепловое расширение, по существу равное сумме тепловых расширений электроактивного материала 221 (керамики), третьей части 23 и первой части 21 (в частности, если центральный стержень 40 имеет тепловое расширение, по существу равное тепловому расширению электроактивного материала 221 (керамики)), то понятно, что с точки зрения акустики длина L=f(T), выраженная вышеуказанным уравнением (Е3) (которое, в свою очередь, может быть уточнено при помощи уравнения (Е'3)), всегда остается заключенной между двумя противоположными границами (фронтальные стороны) С, D блока, как показано на фиг.16, учитывая что:

- представленное выше определение первой границы, обозначенной D на фиг.16 (фронтальная сторона, обращенная к игле 4, первой части 21 привода 2), остается неизменным,

- другая граница, обозначенная С на фиг.16, соответствует границе средства 250 предварительного напряжения (его фронтальная сторона), противоположной игле 4, а не границе третьей части 23 (ее фронтальная сторона), противоположной игле 4.

Если центральный стержень 40 имеет тепловое расширение, по существу отличное от суммы тепловых расширений электроактивного материала 221 (керамики), третьей части 23 и первой части 21 (в частности, если центральный стержень 40 имеет тепловое расширение, отличное от теплового расширения электроактивного материала 221 (керамики)), то понятно, что с точки зрения акустики представленные выше определения двух границ С, D (фиг.17) блока, содержащего три части 21, 22, 23 привода 2, остаются неизменными (в частности, граница С блока соответствует границе третьей части 23, противоположной игле 4), поэтому длина L=f(T) блока, описанная вышеуказанным уравнением (Е3) (которое, в свою очередь, может быть уточнено при помощи вышеуказанного уравнения (Е'3)), всегда остается заключенной между этими двумя границами С, D (фиг.17). Действительно, упругое средство 251 имеет низкий линейный импеданс, и акустические волны отражаются на границе С, образующей границу раздела между третьей частью 23 и упругим средством 251 таким образом, что ни одна акустическая волна, приходящая в осевом направлении от третьей части 23, не проникает в средство 250 предварительного напряжения через упругое средство 251. Поскольку присутствием центрального стержня можно пренебречь в акустическом плане, как было указано выше, разрыв линейного акустического импеданса между третьей частью 23 и упругим средством 251 можно приравнять к полному разрыву, то есть не существует никакой непрерывности акустической среды между третьей частью 23 и средством 250 предварительного напряжения, как показано на фиг.17.

Изобретение относится к устройству впрыска текучей среды, в частности, для двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Устройство впрыска текучей среды имеет главную ось (АВ) впрыска и содержит: сопло (3), картер (1), привод (2), иглу (4) и средства возбуждения. Сопло (3) соединено с картером (1). Сопло (3) содержит отверстие впрыска и седло (5). Привод (2) установлен с возможностью перемещения в осевом направлении в картере (1) для создания колебаний иглы (4). Привод (2) содержит первую (21), вторую (22) и третью (23) части. Первая часть (21) соединена с иглой (4). Вторая часть (22) содержит электроактивный материал (221). Средства возбуждения (14) создают колебания во второй части (22) с периодом τ, инициируя акустические волны. Части (21, 22, 23) стянуты, образуя блок. Блок имеет в осевом направлении две противоположные границы (С), (D). Длина (L) между границами (С), (D) определена так, чтобы время распространения (Т) акустических волн, проходящих эту длину (L), удовлетворяло уравнению: Т=n*[τ/2], где n - целый, положительный и не равный нулю множитель. Также в изобретении представлен ДВС, содержащий указанное устройство. Технический результат заключается в создании симметричной резонансной структуры привода, что способствует упорядоченной работе инжектора и сокращению интенсивности ударов первого конца иглы по седлу. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Устройство впрыска текучей среды (131), имеющее главную ось (АВ) впрыска и содержащее:
сопло (3), содержащее вдоль указанной оси (АВ) отверстие впрыска и седло (5) и соединенное с противоположной стороны с картером (1),
иглу (4), содержащую вдоль указанной оси (АВ) первый конец (6), образующий клапан в зоне контакта с седлом (5), и с противоположной стороны соединенную с приводом (2), установленным с возможностью перемещения в осевом направлении в картере (1) для создания колебаний иглы (4), обеспечивая между ее первым концом (6) и седлом (5) сопла (3) относительное перемещение, поочередно открывающее и закрывающее клапан, при этом привод (2) содержит вдоль оси (АВ) первую (21), вторую (22) и третью (23) части, выполненные с возможностью прохождения через них акустических волн, инициируемых колебаниями второй части (22), при этом первая (21) и третья (23) части расположены в осевом направлении по обе стороны от второй части (22), которая содержит электроактивный материал (221), при этом все три части (21, 22, 23) стянуты между собой, образуя блок, имеющий в осевом направлении две противоположные границы (С), (D), при этом первая часть (21) соединена с иглой (4) в месте одной (D) из указанных границ (С), (D),
средства возбуждения, предназначенные для создания колебаний во второй части (22) привода (2) с заданным периодом τ,
отличающееся тем, что длина (L) между двумя границами (С), (D) блока определена таким образом, чтобы время распространения (Т) акустических волн, инициируемых колебаниями второй части (22) привода (2) и проходящих эту длину (L), удовлетворяло следующему уравнению: Т=n·[τ/2] с учетом допуска, где n является целым положительным и не равным нулю множителем.
2. Устройство впрыска по п.1, отличающееся тем, что первая часть (21) привода (2) имеет в осевом направлении первую границу (213), совпадающую с границей (D), где блок соединяется с иглой (4), и вторую противоположную границу (212), прилегающую к электроактивному материалу (221) второй части (22) привода (2), при этом первая длина (L ₁ ) между первой (213) и второй (212) границами определена таким образом, чтобы время распространения (T ₁ ) акустических волн, инициируемых колебаниями второй части (22) привода (2) и проходящих эту первую длину (L ₁ ), удовлетворяло следующему уравнению: T ₁ =m·[τ/2] с учетом допуска, где m является целым положительным и не равным нулю множителем.
3. Устройство впрыска по п.1 или 2, отличающееся тем, что первая часть (21) привода (2) имеет в осевом направлении первую границу (213), совпадающую с границей (D), где блок соединяется с иглой (4), и вторую противоположную границу (212), прилегающую к электроактивному материалу (221) второй части (22) привода (2), при этом вторая длина (L ₂ ) между второй границей (212) и границей (С) блока, противоположной игле (4), определена таким образом, чтобы время распространения (Т ₂ ) акустических волн, инициируемых колебаниями второй части (22) привода (2) и проходящих эту вторую длину (L ₂ ), удовлетворяло следующему уравнению: Т ₂ =k·[τ/2] с учетом допуска, где k является целым положительным и не равным нулю множителем.
4. Устройство впрыска по п.3, отличающееся тем, что, по меньшей мере, на 90% второй длины (L ₂ ) привод (2) имеет изменение линейного акустического импеданса, меньшее или равное 5%.
5. Устройство впрыска по п.1, отличающееся тем, что третья (23) и вторая (22) части привода (2) имеют соответственно сечения разной площади в плоскостях, перпендикулярных к оси (АВ), при этом третья часть (23) содержит сегмент (23) сопряжения с второй частью (22), имеющий в осевом направлении такую длину (L _А3 ), чтобы время распространения (T _А3 ) акустических волн, инициируемых колебаниями второй части (22) привода (2) и проходящих эту длину (L _А3 ), удовлетворяло следующему уравнению: Т _А3 <τ/10.
6. Устройство впрыска по п.1, отличающееся тем, что первая часть (21) выполнена с возможностью смещения любого перпендикулярного оси (АВ) сечения первой части (21) вследствие акустических волн, проходящих через первую часть (21) от ее второй границы (212) к ее первой границе (213), при этом первая часть (21) привода (2) имеет вдоль указанной оси (АВ) изменение линейного акустического импеданса (I ₂₁ ), при котором осевое смещение сечения, перпендикулярного к оси (АВ) и находящегося на первой границе (213), превышает смещение любого другого сечения первой части (21), при этом линейный акустический импеданс (I ₂₁ ) первой части (21) определен следующим уравнением: I ₂₁ =∑ ₂₁ ·ρ ₂₁ ·c ₂₁ , где ∑ ₂₁ - площадь сечения первой части (21), перпендикулярного к оси (АВ); ρ ₂₁ - плотность первой части (21); c ₂₁ - скорость звука в первой части (21).
7. Устройство впрыска по п.1, отличающееся тем, что первая часть (21) содержит по меньшей мере один сегмент в виде усеченного конуса, который сужается вдоль оси (АВ) к игле (4), при этом расстояние (Н) вдоль оси (АВ) между любым сечением (EF) сегмента в виде усеченного конуса, перпендикулярным к оси (АВ), и воображаемой вершиной (Р) указанного усеченного конуса удовлетворяет следующему неравенству: Н>0,22·с·τ.
8. Устройство впрыска по п.1, отличающееся тем, что первая (21) и вторая (22) части привода (2) выполнены соответственно с сечениями разной площади в плоскостях, перпендикулярных к оси (АВ), при этом первая часть (21) содержит сегмент (211) сопряжения с второй частью (22), имеющий в осевом направлении такую длину (L _A2 ), чтобы время распространения (Т _A2 ) акустических волн, инициируемых колебаниями второй части (22) привода (2) и проходящих эту длину (L _A2 ), удовлетворяло следующему соотношению: Т _A2 <τ/10.
9. Устройство впрыска по п.1, отличающееся тем, что первая (21) часть привода (2) и игла (4) имеют соответственно сечения разной площади в плоскостях, перпендикулярных к оси (АВ), при этом первая часть (21) содержит сегмент (210) сопряжения с иглой (4), имеющий в осевом направлении такую длину (L _A1 ), чтобы время распространения (T _A1 ) акустических волн, инициируемых колебаниями второй части (22) привода (2) и проходящих эту длину (L _A1 ), удовлетворяло следующему соотношению: T _A1 <τ/20.
10. Устройство впрыска по п.1, отличающееся тем, что первая часть (21) привода (2) продолжена вдоль оси (АВ) противоположно игле (4) центральным стержнем (40), при этом вторая (22) и третья (23) части привода (2) насажены на центральный стержень (40).
11. Устройство впрыска по п.10, отличающееся тем, что центральный стержень (40) имеет тепловое расширение, равное тепловому расширению электроактивного материала (221) второй части (22) привода (2).
12. Устройство впрыска по п.10, отличающееся тем, что центральный стержень (40) имеет тепловое расширение, отличное от теплового расширения электроактивного материала (221) второй части (22) привода (2), при этом средство (250) предварительного напряжения, связанное с центральным стержнем (40), выполнено с возможностью стягивания вместе трех частей (21), (22), (23) привода (2) и соединено через упругое средство (251) с концом блока привода (2), противоположным игле (4).
13. Устройство впрыска по п.1, отличающееся тем, что
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=∑·ρ·с, где ∑ - площадь сечения среды, перпендикулярного к оси (АВ); ρ - плотность среды; с - скорость звука в среде,
по меньшей мере, одна первая 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), и
указанные первая и другая зоны разрыва линейного акустического импеданса являются, каждая, первой в порядке, начиная от указанной зоны контакта между первым концом (6) иглы (4) и седлом (5), в направлении распространения акустических волн соответственно к картеру (1) и к приводу (2),
при этом расстояние, называемое 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) определена таким образом, чтобы время распространения (Т _B ) акустических волн, инициируемых второй частью (22) привода (2) и проходящих это первое расстояние (L _B ), удовлетворяло следующему уравнению: Т _B =n _B ·[τ/2] с учетом допуска, где n _B - целый положительный и не равный нулю множитель, а
расстояние, называемое 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) определено таким образом, чтобы время распространения (Т _А ) акустических волн, инициируемых второй частью (22) привода (2) и проходящих это второе расстояние (L _A ), удовлетворяло следующему уравнению: Т _А =n _А ·[τ/2] с учетом допуска, где n _А - целый положительный и не равный нулю множитель.
14. Устройство впрыска текучей среды по п.13, отличающееся тем, что внутри первой среды распространения акустических волн на указанном первом расстоянии (L _B ) имеется несколько сегментов (301, 302, 303), отличающихся друг от друга, по меньшей мере, по двум критериям из трех следующих критериев, характеризующих сегменты (301, 302, 303): (а) геометрия сегмента; (б) плотность ρ сегмента; (в) скорость с звука в сегменте, при этом сегменты (301, 302, 303) выполнены такими, что их соответствующие линейные акустические импедансы (I ₃₀₁ ), (I ₃₀₂ ), (I ₃₀₃ ) равны: I ₃₀₁ =I ₃₀₂ =I ₃₀₃ .
15. Устройство впрыска текучей среды по п.13 или 14, отличающееся тем, что внутри второй среды распространения акустических волн на указанном втором расстоянии (L _A ) имеется несколько сегментов (401, 402, 403), отличающихся друг от друга, по меньшей мере, по двум критериям из трех следующих критериев, характеризующих сегменты (401, 402, 403): (а) геометрия сегмента; (б) плотность ρ сегмента; (в) скорость с звука в сегменте, при этом сегменты (401, 402, 403) выполнены такими, что их соответствующие линейные акустические импедансы (I ₄₀₁ ), (I ₄₀₂ ), (I ₄₀₃ ) равны: I ₄₀₁ =I ₄₀₂ =I ₄₀₃ .
16. Устройство впрыска текучей среды по п.13, отличающееся тем, что игла (4) и привод (2) соединены между собой зоной соединения (ZJ), которая передает акустические волны, при этом в зоне соединения (ZJ) привод (2) имеет линейный акустический импеданс I _AC-ZJ , а игла (4) имеет линейный акустический импеданс I _A-ZJ , при этом выполняется следующее соотношение: I _AC-ZJ /I _A-ZJ ≥2,5.
17. Устройство впрыска текучей среды по п.16, отличающееся тем, что первая часть (21) привода (2) содержит, по меньшей мере, одно круглое сечение заранее определенного диаметра, называемого диаметром (D _1-1 ) первой части (21), измеренным в плоскости, перпендикулярной к оси (АВ), при этом зона соединения (ZJ) между иглой (4) и приводом (2) образована со стороны привода (2) указанным круглым сечением, причем зона соединения (ZJ) между иглой (4) и приводом (2) образована со стороны иглы (4), по меньшей мере, одним круглым цилиндрическим участком заранее определенного диаметра, называемого диаметром (D ₄ ) иглы (4), измеренным в плоскости, перпендикулярной к оси (АВ), при этом диаметр (D _1-1 ) первой части (21) привода (2) и диаметр (D ₄ ) иглы (4) связаны следующим неравенством:
18. Двигатель (151) внутреннего сгорания, характеризующийся тем, что в нем использовано устройство впрыска текучей среды по любому из пп.1-17.