PL216719B1 - Urządzenie wtrysku gazu - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie wtrysku gazu do kolektorów dolotowych silników spalinowych, a w szczególności może być stosowane do dozowania paliwa gazowego pod niskim ciśnieniem około 1 do 2 bar różnicy ciśnień pomiędzy dozowanym gazem i ciśnieniem w kolektorze dolotowym silnika, a także do silników o dużej pojemności skokowej jednego cylindra.

Wtryskiwacze paliwa gazowego stosowane do dozowania paliwa gazowego do kolektorów dolotowych silników spalinowych posiadają konstrukcję zaworów elektromagnetycznych. Paliw o dostarczane jest do poszczególnych kanałów dolotowych silnika za pośrednictwem indywidualnych zaworów lub zaworów połączonych w bloki, których działanie kontrolowane jest przez jednostkę sterującą. Dawka paliw a podawanego do cylindra regulowana jest przez czas zasilania cewki elektromagnetycznej zaworu przy padający na jeden cykl pracy cylindra silnika.

Znane dotychczas wtryskiwacze paliwa gazowego do silników spalinowych uruchamiane są za pomocą cewki elektromagnetycznej. Większość znanych wtryskiwaczy są to zawory bezpośredniego działania złożone z cewki elektromagnetycznej oraz obwodu magnetycznego z jednym ruchomym elementem, który pełni jednocześnie rolę elementu otwierającego zawór. Samoczynne zamykanie zaworów zapewniane jest przez element sprężysty. Działanie wtryskiwaczy paliwa gazowego polega na tym, że w wyniku przepływ u prądu elektrycznego przez uzwojenie cewki elektromagnetycznej powstaje strumień magnetyczny, wywołując) indukcję magnetyczną, a ta z kolei wywołuje siłę powodującą ruch elementu związanego z grzybkiem zaworu. Otwarcie zaworu wtryskiwacza następnie wtedy, gdy siła elektromagnesu pokona siłę sprężyny zamykającej zawór oraz siłę wytworzoną przez różnicę ciśnień przed i za zaworem. Dodatkowo siła otwarcia zaworu może być zwiększana przez siły kohezji związane z gromadzeniem się zanieczyszczeń zawartych w paliwie gazowym. Urządzenia wtrysku gazu takiej konstrukcji nie pozwalają na uzyskiwanie natężenia przepływ u gazu przez zawór odpowiedniego do zasilania silników o dużych pojemnościach skokowych jednego cylindra. Dzieje się tak, ponieważ dla zwiększenia przepływ u gazu należy stosować zawory o większych przekrojach dysz wylotowych oraz większych wzniosach grzybków zaworów. Większe przekroje dysz wyIotowych wymagają użycia większej siły do otwarcia zaworu, natomiast większe wzniosy powodują wzrost szczeliny powietrznej w obwodzie magnetycznym wtryskiwacza. powodując w ten sposób zmniejszenie siły elektromagnesu.

Znane są rozwiązania urządzeń wtrysku gazu wykorzystujące jako element roboczy ferromagnetyczny tłoczek umieszczony w polu magnetycznym, stanowiący jednocześnie grzybek zaworu.

Rozwiązanie z opisu wynalazku EP 1076167 zawiera cewkę elektromagnesu. Zworę magnetyczną oraz ruchomy element w postaci tłoczka, na stałe połączonego z grzybkiem zaworu dozującego paliwo gazowe. W wynalazku tym cały strumień gazu przepływa przez szczelinę powietrzną wokół tłoczka elektromagnesu. W związku z tym gromadzące się zanieczyszczenia mogą powodować utrudnienie ruchu tłoczka, a przez to wpływać na zmianę wydajności wtryskiwacza podczas eksploatacji.

Znane są także wtryskiwacze paliwa gazowego o zaworach, których głównym elementem jest płytka poruszająca się równolegle do osi dyszy wylotowej z opisu wynalazku EP 1193387A1 i WO 2004/013483A2. Rozwiązania te charakteryzują się znacznym przekrojem dyszy wyIotowej zaworu w stosunku do wzniosu zaworu. W związku z tym wtryskiwacz taki narażony jest na znaczną zmianę strumienia wypływającego gazu w trakcie zużywania się współpracujących elementów. Ponadto pomiędzy elektromagnesem a ruchomą płytką znajduje się mała szczelina powietrzna. w której mogą gromadzić się zanieczyszczenia, obniżając parametry eksploatacyjne wtryskiwacza. Rozwiązania z opisów wynalazków EP 1267065 oraz PL 379461 charakteryzują się tym, że posiadają płytkowe elementy zamontowane w sposób wahliwy. Takie rozwiązanie zapewnia mniejsze powierzchnie styku elementów ruchomych, co czyni wtryskiwacz bardziej odpornym na zanieczyszczenia znajdujące się w paliwie gazowym, lecz nic pozwala na uzyskiwanie dużych wydatków wypływającego gazu.

Inne znane rozwiązania wtryskiwaczy paliwa gazowego z opisu wynalazku US 05408967 oraz WO 99/45250 są to urządzenia o działaniu pośrednim, o rozwiązaniach typowych dla powszechnie stosowanych zaworów pneumatycznych ze wspomaganiem. W rozwiązaniach tych główny zawór dozujący paliwo gazowe uruchamiany jest poprzez siłę powstającą na skutek różnicy ciśnień po dwóch stronach membrany lub tłoka. Różnica ciśnień powstaje na skutek otwarcia dodatkowego kanału, przez który wypływa gaz, obniżając tym samym ciśnienie nad membraną lub tłokiem. W obu tych rozwiązaniach zawór sterujący jest zaworem elektromagnetycznym umieszczonym w dodatkowym kanale obejściowym, którego przepływ jest niezależny od położenia głównego zaworu. Wadą takiego

PL 217 719 B1 rozwiązania jest powstawanie znacznych sił działających na membranę lub tłoczek zaworu w wyniku działania różnicy ciśnień oraz duża zwloką otwarcia i zamknięcia wtryskiwacza.

Okazało się nieoczekiwanie, że skonstruowanie wtryskiwacza paliwa gazowego posiadającego zawór główny i zawór kontrolny, gdzie przepływ przez zawór kontrolny jest zależny od położenia zaworu głównego pozwala na uzyskanie optymalnych parametrów użytkowania wtryskiwacza oraz uzyskanie znacznie większego przepływu paliwa niż w dotychczas znanych wtryskiwaczach.

Istotą urządzenia wtrysku gazu, według wynalazku jest to, że dysza zaworu kontrolnego jest zespolona z tłokiem zaworu głównego, przy czym dysza zaworu kontrolnego połączona jest z dyszą zaworu głównego za pomocą kanału znajdującego się w tłoku oraz w membranie.

Dysza zaworu kontrolnego jest zespolona z membraną zaworu głównego.

Dysza zaworu kontrolnego oraz dysza zaworu głównego usytuowane są osiowosymetryczne. Pomiędzy komorą po stronie membrany, po której znajduje się dysza zaworu głównego, a komorą po przeciwnej stronie membrany jest zwężka. Komora po przeciwnej stronie membrany, po której znajduje się dysza zaworu głównego połączona jest z zaworem kontrolnym składającym się z dyszy oraz grzybka.

Korzystnym skutkiem rozwiązania według wynalazku jest uzyskanie dużych przepływów przez zawór wtryskiwacza przy jednoczesnej minimalizacji sił działających na elementy ruchome. Dzięki zastosowaniu zaworu głównego oraz zaworu kontrolnego, którego przepływ zależny jest od położenia zaworu głównego siła działająca na tłok wtryskiwacza zespolony z membraną wykonaną z elastomeru narasta tylko do chwili otwarcia tego zaworu, zapewniając w ten sposób małe siły, a co za tym idzie również małe prędkości osiadania współpracujących elementów. Dzięki zależności przepływ u gazu przez zawór kontrolny od położenia zaworu głównego uzyskano znaczne zwiększenie szybkości działania urządzenia wtrysku gazu (wtryskiwacza) w porównaniu z wtryskiwaczami. w których przepływ gazu przez zawór kontrolny nie zależy od położenia zaworu głównego. Dzięki temu duży przepływ gazu w początkowej fazie otwarcia powoduje szybką zmianę różnicy ciśnień po obu stronach membrany zaworu głównego i szybkie otwarcie zaworu głównego. Zmniejszenie przepływu gazu przez zawór kontrolny przy całkowitym otwarciu zaworu głównego pozwala na zmniejszenie różnicy ciśnień po obu stronach membrany. Skutkiem tego jest uzyskanie dużej szybkości zamykania zaworu głównego po zamknięciu zaworu kontrolnego.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny urządzenia wtrysku gazu, a działanie urządzenia wtrysku gazu zostało przedstawione na rysunkach schematycznych gdzie fig. 2 przedstawia urządzenie wtrysku gazu w położeniu zamkniętym, fig. 3 przedstawia urządzenie w początkowej fazie otwierania, fig. 4 przedstawia urządzenie w fazie całkowitego otwarcia, a fig. 5 przedstawia urządzenie w początkowej fazie zamykania. Natomiast na rysunku fig. 6 przedstawiono położenie elementów urządzenia w trysku gazu podczas jednego cyklu pracy.

Urządzenie wtrysku gazu, według wynalazku, ma korpus 1 z kanałem wlotowym 2 oraz kanałem wylotowym 3. W kanale wlotowym 2 osadzony jest króciec wlotowy 4 uszczelniony za pomocą pierścienia uszczelniającego 5. W kanale wylotowym 3 osadzony jest króciec wyIotowy 6 uszczelniony za pomocą pierścienia uszczelniającego 7 i dysza zaworu głównego 8 uszczelniona za pomocą pierścienia uszczelniającego 9 oraz zabezpieczona przed odkręcaniem za pomocą śruby 10. Korpus 1 połączony jest z pokrywą 11 korpusu, w której osadzona jest tuleja prowadząca 12 tłoka zaworu głównego. W pokrywie 11 korpusu osadzona jest także śruba 13 zaworu dławiącego uszczelniona za pomocą pierścienia uszczelniającego 14 oraz tuleja prowadząca zaworu kontrolnego 15 uszczelniona za pomocą pierścienia uszczelniającego 16. Główny zawór urządzenia wtrysku gazu zbudowany jest z dyszy głównej 8, membrany 17 wykonanej z tworzywa elastomerowego, tłoka 18 oraz sprężyny 19 zamykającej zawór. Tłok zaworu 18 umieszczony jest w tulei prowadzącej 12. Membrana 17 zaworu głównego oddziela dwie komory ciśnieniowe 20 i 21 i stanowi grzybek zamykający dyszę 8 zaworu głównego oraz uszczelnienie pomiędzy korpusem 1 zaworu oraz pokrywą 11 korpusu. Kanał obejściowy 22 zaworu uszczelniony jest za pomocą pierścienia uszczelniającego 23. W tłoku 18 zaworu głównego umieszczona jest dysza wylotowa 24 zaworu kontrolnego i połączona kanałem 25 umieszczonym w tłoku 18 oraz w membranie 17 zaworu głównego z otworem w dyszy 8 zaworu głównego. Dysza 24 zaworu kontrolnego zamykana jest przez tłok 26 zaworu kontrolnego za pośrednictwem elastomerowego elementu uszczelniającego 27 stanowiącego grzybek zaworu, umieszczonego w tłoku 26. Po przeciwnej stronie tłoka 26 niż elastomerowy element uszczelniający 27 znajduje się warstwa materiału paramagnetycznego 28. Tłok 26 zaworu kontrolnego dociskany jest do dyszy 24 za

PL 216 719 B1 pomocą sprężyny 29. Zawór kontrolny jest zaworem elektromagnet ycznym, w którym ruchomym elementem jest tłok 26, przyciągany siłą elektromagnetyczną do nieruchomego zderzaka 30 umieszczonego w tulei 15. Wzajemne położenie tłoka 26 i zderzaka 30 w tulei 15 zapewnia że ruch osiowy tłoka 26 jest większy niż ruch osiowy tłoka 18. Wokół tulei 15 znajduje się zespół cewki elektromagnetycznej zamkniętej w obudowie 31. Zespół cewki elektromagnetycznej składa się z uzwojenia cewki elektromagnetycznej 32, złącza elektrycznego 33 oraz obejmy magnetycznej 34. Zespół cewki elektromagnetycznej przymocowany jest do tulei 15 zaworu kontrolnego za pomocą nakrętki 35. Działanie urządzenia wtrysku gazu zostało przedstawione na rysunkach schematycznych.

Jeżeli wtryskiwacz jest całkowicie zamknięty to element uszczelniający 27 znajdujący się w tłoku 26 zaworu kontrolnego zamyka dyszę 24 zaworu kontrolnego. Powoduje to wyrównanie się ciśnień w komorach 20 i 21 wtryskiwacza. Sprężyna 19 naciska na tłok 12 głównego zaworu wtryskiwacza a membrana 17 pełniąca jednocześnie rolę grzybka zaworu głównego zamyka przepływ gazu z komory 20 przez dyszę 8 zaworu głównego. Otwieranie urządzenia wtrysku gazu rozpoczyna się od uniesienia przez siłę elektromagnetyczna tłoka 26 zaworu kontrolnego. W tym czasie zawór główny zamknięty jest przez siłę sprężyny 19, a element uszczelniający 27 znacznie oddala się od dyszy 24 zaworu kontrolnego. Dzięki temu występuje duży przepływ gazu przez dyszę 24 zaworu kontrolnego oraz przez kanał w tłoku 25 zaworu głównego do otworu w dyszy wylotowej 8. Powoduje to szybkie opróżnianie komory 21 poprzez kanał 36 w tulei 12 i spadek ciśnienia w komorze 21. Powstająca różnica ciśnień po obu stronach membrany 17 powoduje przemieszczenie tłoka 18 i w ten sposób otwarcie głównego zaworu umożliwiając przepływ gazu bezpośrednio z komory 20 do dyszy zaworu głównego 8. Ruch tłoka 18 głównego zaworu zmniejsza szczelinę zaworu kontrolnego, co powoduje napełnianie komory 21 przez kanał obejściowy 22 oraz zwężkę zaworu dławiącego 37. Dzięki temu wzrasta ciśnienie w komorze 21 jednak nie powodując zamknięcia zaworu głównego wtryskiwacza. Po odłączeniu zasilania elektrycznego od cewki elektromagnetycznej zaworu kontrolnego w pierwszej kolejności tłok 26 za pomocą uszczelnienia 27 zamyka dyszę zaworu kontrolnego. Po tym czasie następuje dalsze napełnianie komory 21 przez kanał obejściowy 22 i kanał 36 oraz zwężkę zaworu dławiącego 37. W chwili, kiedy siła różnicy ciśnień w komorach 20 i 21 działających na membranę 17 zrównoważy siły działania sprężyn 19 i 29 następuje zamknięcie zaworu głównego wtryskiwacza.

Na rysunku fig. 6 przedstawiono położenie elementów urządzenia wtrysku gazu podczas jednego cyklu pracy. W chwili A rozpoczyna się przemieszczanie tłoka 26 zaworu kontrolnego oznaczone krzywą h 26. W tym czasie następuje szybki wzrost przepływu gazu przez dyszę 24 zaworu kontrolnego oznaczony na wykresie krzywą m24 oraz spadek ciśnienia w komorze 21 oznaczony krzywą p 21. W chwili B rozpoczyna się ruch tłoka 18 zaworu głównego oznaczony na wykresie krzywą h 18 i rozpoczyna się przepływ gazu przez główny zawór oznaczony na wykresie krzywą m3. W chwili C tłok 26 zaworu kontrolnego znajduje się w położeniu granicznym. Po całkowitym otwarciu zaworu głównego w chwili D ulega zmniejszeniu wznios zaworu kontrolnego oznaczony na wykresie krzywą h 26 - h 18. Na skutek zmniejszenia przepływu przez zawór kontrolny i napływu gazu przez zwężkę 37 oznaczonego na wykresie krzywą m37 wzrasta ciśnienie w komorze 21. W chwili E rozpoczyna się zamykanie zaworu kontrolnego a w chwili F tłok 26 zaworu kontrolnego całkowicie zamyka dyszę 24 zaworu kontrolnego. W tym czasie napływ gazu przez zwężkę 37 powoduje wyrównanie się ciśnień w komorach 20 i 21 wtryskiwacza i zamknięcie zaworu głównego wtryskiwacza w chwili G.

Claims (5)

1. Urządzenie wtrysku gazu, zawierające korpus z kanałem wIotowym oraz kanałem wylotowym, zawór główny złożony z dyszy i membrany, zespolonej z ruchomym tłokiem, zwężki oraz zawór kontrolny złożony z dyszy i grzybka zaworu, połączonego z tłokiem zaworu kontrolnego, znamienne tym, że dysza (24) zaworu kontrolnego jest zespolona z tłokiem (18) zaworu głównego, przy czym dysza (24) zaworu kontrolnego połączona jest z dyszą (8) zaworu głównego za pomocą kanału (25) znajdującego się w tłoku (18) oraz w membranie (17).

2. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że dysza (24) zaworu kontrolnego jest zespolona z membraną (17) zaworu głównego i połączona jest z dyszą (8) zaworu głównego za pomocą kanału (25) znajdującego się w membranie (17).

3. Urządzenie, według zastrz. 1 i 2, znamienne tym, że dysza (24) zaworu kontrolnego oraz dysza (8) zaworu głównego usytuowane są osiowo symetrycznie.

PL 217 719 B1

4. Urządzenie, według zastrz. 1 i 2, znamienne tym, że pomiędzy komorą (20) po stronie membrany (17), po której znajduje się dysza (8) zaworu głównego, a komorą (21) po przeciwnej stronie membrany (17) jest zwężka (37).

5. Urządzenie, według zastrz. 1 i 2, znamienne tym, że komora (21) po przeciwnej stronie membrany (17), po której znajduje się dysza (8) zaworu głównego połączona jest z zaworem kontrolnym składającym się z dyszy (24) oraz grzybka (27).