Обратный клапан и камера предварительного сгорания

 

Изобретение предназначено для регулирования потока текучей среды, текущей в одном направлении, предотвращения ее перемещения в противоположном направлении в камерах предварительного сгорания двигателей внутреннего сгорания. Обратный клапан содержит корпус с входным и выходным каналами, клапанный элемент и седло. В корпусе между входным и выходным каналами выполнен промежуточный канал с меньшим диаметром. Седло расположено с внешней стороны промежуточного канала. Клапанный элемент выполнен сферическим и расположен в выходном канале с возможностью перемещения между первым положением на седле и вторым положением на расстоянии от седла. Клапанный элемент перемещается в первое положение при обратном давлении в выходном канале, превышающем давление во входном канале. Выходной канал выполнен цилиндрическим. Площадь поперечного сечения промежуточного канала равна площади потока текущей среды, проходящей между седлом и клапанным элементом при втором положении последнего для поддержания заранее заданной скорости потока. Площадь потока текущей среды в кольцевом зазоре между клапанным элементом и внутренней поверхностью выходного канала в два раза превышает площадь потока между этим клапанным элементом и седлом для достижения потока заданной скорости. Камера предварительного сгорания двигателя внутреннего сгорания содержит обратный клапан. Последний выполнен как он описан выше для регулирования подачи в камеру предварительного сгорания газообразного топлива. В результате повышается надежность регулирования потока текучей среды. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к обратному клапану, предназначенному для регулирования потока жидкости только в одном направлении, и может быть использовано в камерах предварительного сгорания двигателей внутреннего сгорания, работающих на газообразном топливе.

В описании слово "жидкость" (текучая среда) применяется в техническом смысле и означает любое горючее вещество, включая жидкость или газ, даже если в описании предпочтительного варианта конструкции оно первоначально означало поток газа.

Известно устройство, описанное в Международной заявке PCT/AU92/00575, которое характеризуется как система для подачи газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания искрового зажигания. Газообразное топливо подается в область, прилегающую к источнику зажигания, причем эта область состоит из зоны предварительного сгорания и зоны сгорания, связанных между собой по потоку жидкости. Сгорание газообразного топлива начинается в зоне предварительного сгорания, а результирующий эффект от зажигания газообразного топлива направлен на достижение сгорания оставшегося газообразного топлива в зоне сгорания. Величины отношения количества газообразного топлива, подаваемого в зону предварительного сгорания и в зону сгорания, тщательно регулируются с тем, чтобы получить минимальное значение отношения топливо/воздух или режим слабого сгорания.

Обратный клапан по данному изобретению предназначен для регулирования подачи газа в зону предварительного сгорания, однако он может найти применение везде, где требуется регулирование потока текучей среды в одном направлении.

Наиболее близким к заявленному обратному клапану по технической сущности является обратный клапан для регулирования потока текучей среды в одном направлении и предотвращения потока в противоположном направлении, содержащий корпус с входным и выходным каналами и клапанный элемент, взаимодействующий с седлом, причем в корпусе между входным и выходным каналами выполнен промежуточный канал, имеющий меньший диаметр, чем входной (выходной) канал, а седло расположено с внешней стороны промежуточного канала, при этом клапанный элемент установлен с возможностью перемещения между первым положением на седле с перекрытием выходного канала при давлении в выходном канале, превышающем давление во входном канале, и вторым положением на расстоянии от седла с открытым выходным каналом для прохода текучей среды (см. патент GB, 1373662, кл. F 16 K 15/04, 1974 г.).

Наиболее близкой к заявляемой камере предварительного сгорания является камера предварительного сгорания двигателя внутреннего сгорания, работающего на газообразном топливе, содержащая обратный клапан (см. патент США N 4319552, кл. F 02 В 19/10, 1982 г.).

Технической задачей, решаемой при использовании изобретений, является регулирование потока текучей среды, текущей в одном направлении, и предотвращение ее перемещения в противоположном направлении.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что в обратном клапане для регулирования потока текучей среды в одном направлении и предотвращения потока в противоположном направлении, содержащем корпус с входным и выходным каналами и клапанный элемент, взаимодействующий с седлом, при этом между входным и выходным каналами выполнен промежуточный канал, имеющий меньший диаметр, а седло расположено с внешней стороны клапана; при этом клапанный элемент промежуточного канала выполнен сферическим и расположен в выходном канале с возможностью перемещения между первым положением на седле, с перекрытием выходного канала и вторым положением на расстоянии от седла внутри выходного канала для его открытия и пропускания текучей среды между клапанным элементом и внутренней поверхностью выходного канала, причем клапанный элемент перемещается в упомянутое первое положение при обратном давлении в выходном канале, превышающем давление во входном канале, а выходной канал выполнен цилиндрическим, причем площадь поперечного сечения промежуточного канала равна площади потока текучей среды, проходящей между седлом и клапанным элементом при упомянутом втором положении последнего, для поддержания заранее заданной скорости потока, а площадь потока текучей среды в кольцевом зазоре между клапанным элементом и внутренней поверхностью выходного канала в два раза превышает площадь потока между клапанным элементом и седлом для достижения потоком заданной скорости.

Предпочтительно изготовление седла из упроченного материала, что позволяет увеличить характеристики его износостойкости, благодаря чему при использовании увеличивается срок эксплуатации клапана. Седло клапана может быть съемным для замены в случае износа или повреждения.

Также полезным является выполнение клапанного элемента из упроченного материала. В предпочтительном варианте изобретения этот клапанный элемент изготовлен из керамического материала.

Желательно, чтобы в упомянутом выходном канале был установлен съемный ограничивающий элемент, например, типа крышки, с одним или более отверстиями для пропускания текущей среды, идущей по выходному каналу, при упомянутом втором положении клапанного элемента, что позволяет крышке выполнять двойную функцию: фиксирование клапанного элемента в выходном канале и предотвращение попадания обратного потока жидкости с высокой температурой назад в выходной канал.

Суммарная площадь отверстий упомянутого элемента больше площади потока текучей среды, проходящей между седлом и клапанным элементом при втором положении последнего для фиксации клапанного элемента в выходном канале и предотвращения обратного потока в входной канал при высоких температурах.

Упомянутый ограничивающий элемент может быть выполнен цилиндрическим с внешней резьбой, соответствующей внутренней резьбе, выполненной на выходной части выходного канала корпуса, для обеспечения его снятия при эксплуатации.

Предпочтительно, чтобы на внешней поверхности корпуса со стороны выходного канала была выполнена коническая резьба для резьбового соединения с камерой предварительного сгорания двигателя внутреннего сгорания, работающего на газообразном топливе, с обеспечением герметизации и теплопередачи между корпусом и камерой предварительного сгорания.

Согласно настоящему изобретению камера предварительного сгорания двигателя внутреннего сгорания, работающего на газообразном топливе, содержащая обратный клапан, выполненный, как описано выше для регулирования подачи в камеру предварительного сгорания газообразного топлива.

На фиг. 1 представлен вид с частичным разрезом камеры предварительного сгорания, в которой используется предпочтительный вариант обратного клапана, выполненного в соответствии с данным изобретением; на фиг. 2 изображено сечение корпуса обратного клапана, изображенного на фиг. 1; и на фиг. 3 (а) и (б) представлены вид сбоку и вид сзади соответственно ограничивающего элемента типа крышки, применяемого в обратном клапане, изображенном на фиг. 1 и 2.

Конструкция предпочтительного варианта, поясняемая чертежами, представляет собой (фиг. 1) обратный клапан 10, входящий вместе с камерой предварительного сгорания 12 в двигатель внутреннего сгорания на газообразном топливе. Эта камера предварительного сгорания 12 имеет, по существу, цилиндрическую форму и состоит из верхней части 14 корпуса, приваренной к нижней части 16 корпуса, причем основание 18 верхней части 14 корпуса вместе с нижней частью 16 корпуса образует зону предварительного сгорания 20. Источник зажигания в виде свечи зажигания 22 ввинчивается в основание 18 верхней части 14 корпуса, примыкающей к обратному клапану 10. Газообразное топливо подается в обратный клапан 10 с помощью газового инжектора, включаемого соленоидом (не показан), по трубопроводу 24 подачи газа от источника топлива, представляющего собой обычно емкости со сжатым природным газом (не показано).

Обратный клапан 10 состоит из корпуса 30, имеющего входной 32 и выходной 34 каналы, связанные по потоку жидкости между собой. Клапанный элемент 36 расположен в выходном канале 34 с возможностью перемещения между первым положением на седле внутри выходного канала для его открытия и вторым положением (как показано на фиг. 1), в котором выходной канал 34 открыт и пропускает поток текучей среды, идущий через клапан 10.

Как яснее видно на фиг. 2, входной канал 32 и выходной канал 34 соединены суженной частью корпуса 30, образуя промежуточный канал 38 с уменьшенным диаметром. В данном варианте конструкции клапанный элемент 36 имеет, по существу, сферическую форму или форму шара и размещен внутри выходного канала 34. Суженная часть 30 корпуса имеет круглое седло 40 клапана, расположенное со стороны выхода из промежуточного канала 38, на котором размещается шар клапана 36 в первом положении, при котором он закрывает выходной канал 34.

В этом варианте конструкции внутренний диаметр промежуточного канала 38 равен 0,9 мм и выбирается таким для того, чтобы получить заданную скорость потока газообразного топлива через обратный клапан 10, что позволит достичь желаемого соотношения газ/воздух в камере предварительного сгорания 12. Большая часть газа, подаваемого от каждого газового инжектора двигателя, подается через входное отверстие соответствующего цилиндра двигателя в зону сгорания (не показано), в то время, как остальная часть газообразного топлива проходит по трубопроводу 24 подачи газа и по обратному клапану 10 к зоне предварительного сгорания 20. Относительный размер промежуточного канала 38 в обратном клапане 10 и ограничения, возникающие из-за трубопровода подачи газа, ведущего во входное отверстие цилиндра, определяют соотношение между потоком газа через зону предварительного сгорания и через зону сгорания соответственно. Поэтому важно, чтобы в конструкции обратного клапана 10 зоны потока не ограничивали расчетный расход, определяемый промежуточным каналом 38.

В этом варианте конструкции обратного клапана 10 выходной канал 34 снабжен ограничивающим элементом типа крышки или фиксатора 42, имеющим одно или более отверстий 44, как показано на фиг. 3(6), что позволяет потоку газа проходить через выходной канал 34. Элемент типа крышки 42 имеет по существу цилиндрическую форму и снабжен внешней резьбой 46, которая соответствует внутренней резьбе 48, нанесенной на внутренней стороне корпуса 30. Во время работы клапана элемент типа крышки или фиксатора 42 привинчивается к корпусу 30 и несет двойственную функцию: фиксирования шара клапана 36 внутри выходного канала 34 и задерживания нежелательного обратного потока текучей среды в выходной канал 34. В целях предотвращения заедания резьба элемента 42 может быть покрыта с применением метода гальванопластики слоем меди или другим соответствующим материалом. Обычно ограничивающий элемент типа крышки 42 выполняется съемным и для этого имеет по диаметру прорезь 50, которая дает возможность затянуть или ослабить фиксатор 42 внутри корпуса 30 с помощью обычной отвертки. В этом случае фиксатор 42 можно легко снять для проведения технического обслуживания, например чистки или механической обработки промежуточного канала 38 или выходного канала 34 и/или для замены или ремонта шара клапана 36.

Как указывалось ранее, все зоны потока внутри обратного клапана 10 тщательно сконструированы таким образом, чтобы поддерживать заданную заранее величину скорости потока через промежуточный канал 38. Таким образом, например, площадь потока между шаром 36 и седлом 40 клапана, когда шар находится в открытом положении, рассчитана равной площади поперечного сечения промежуточного канала 38. Поскольку в этой точке ожидается звуковой поток, абсолютное давление нисходящего потока будет в 0,544 раз больше давления на входе при увеличении инверсии (1.84) удельного объема газообразного топлива. По этой причине площадь потока в кольцевом зазоре между шаром 36 и внутренней окружностью выходного канала 34 в два раза превышает площадь потока между шаром 36 и седлом 40 клапана. Та же идеология расчетов распространяется на площадь потока через ограничивающий элемент типа крышки 42, который в четыре раза превышает площадь потока между шаром 36 и седлом 40 клапана. Это достигается сверлением отверстий 44 размером 4х0.9 мм в указанном элементе типа крышки 42.

Когда начинается процесс сгорания, горячие газы выталкиваются в обратный клапан 10 из зоны предварительного сгорания 20. Для защиты шара клапана 36 и седла 40 клапана от воздействия чрезмерных температур отверстия размером 4х0.9 мм в ограничивающем элементе типа крышки 42 предусмотрены для блокирования газов благодаря высокому значению отношения суммарной площади их поверхности к площади потока. Те же газы также выталкивают шар 36 и заставляют его плотно упереться в седло 40 клапана, тем самым закрывая выходной канал и предотвращая возвращение этих газов через промежуточный канал 38 в трубопровод 24 подачи газа.

Также относительные размеры выходного канала 34, шара клапана 36 и их конфигурация рассчитаны так, чтобы гарантировалось выталкивание шара клапана 36 назад к седлу 40 клапана, когда сгорающие газы стремятся назад через отверстия 44 к крышке 42. Если эти размеры рассчитаны неточно, тогда газы могут обтекать шар клапана 36, по существу не перемещая его в направлении седла 40 клапана.

Желательно, чтобы шар клапана 36 был изготовлен из материала с увеличенной прочностью с тем, чтобы увеличить срок службы данного клапана, т.к. шар 36 подвергается многократным соударениям с седлом 40 клапана и с крышкой 42. Аналогично желательно, чтобы седло 40 клапана было изготовлено из материала с увеличенной прочностью, например из стали с поверхностной закалкой, из которой изготовлен корпус 30 клапана. В качестве альтернативного варианта можно изготовить из материала с увеличенной прочностью само седло клапана и сделать его съемным. Нежелательно усиливать весь корпус 30 клапана, т.к. он затем становится слишком хрупким и легко может сломаться при удалении клапана 10 из камеры предварительного сгорания 12 для проведения технического обслуживания. Желательно, чтобы шар клапана 36 не был бы изготовлен из того же материала, что и седло 40 клапана, например из керамического материала, чтобы предотвратить коррозию и/или местное спаивание шара 36 и седла 40 клапана. В показанном варианте конструкции седло 40 клапана выполнено в форме усеченного конуса с углом наклона 5900 относительно центральной оси 53 корпуса 30 клапана.

Корпус 30 клапана имеет по существу цилиндрическую форму, а внешняя поверхность у выхода имеет гексагональную конфигурацию 54, для того чтобы дать возможность завинчивать или развинчивать клапан обычным гаечным ключом. Со стороны выхода корпус 30 имеет с допуском в узких пределах параллельную внутреннюю нарезку 56 для соединения трубки подачи газа с обратным клапаном с помощью соответствующего материала для уплотнения.

Со стороны выхода корпус 30 клапана снабжен конической внешней резьбой 58, приспособленной для ввинчивания в соответствующую резьбу, нанесенную снизу верхней части корпуса 14 камеры предварительного сгорания 12. Использование конической резьбы (1/8 дюйма BSPT) на корпусе 30 обратного клапана обеспечивает хорошую герметизацию и теплопередачу между корпусом 30 и камерой предварительного сгорания 12. Для предотвращения заедания резьба 58 корпуса 30 может быть покрыта гальваническим слоем меди или другого подходящего материала. Кроме того, изгибающее действие внешней части конической резьбы 58 создает запирающее усилие (направленное радиально внутрь), которое зажимает ограничивающий элемент типа крышки 42 внутри корпуса 30 и не позволяет ему действовать в незавинченном состоянии при эксплуатации.

Теперь, когда предпочтительный вариант конструкции обратного клапана 10 подробно описан, специалистам в области механики станет ясно, что из описанного варианта конструкции можно создать множество вариаций и модификаций, не отступая от основной концепции изобретения. Например, клапанный элемент 36 не обязательно должен быть в форме шара, но может быть, например, цилиндрической формы при соответствующей модификации клапанного седла. Кроме того, относительные диаметры входного, промежуточного и выходного каналов могут значительно отличаться от тех, которые показаны здесь, где скорость потока жидкости через клапан является меньше критической. Могут быть изобретены альтернативные средства для фиксирования клапанного элемента 36 внутри выходного канала, при этом элемент типа крышки будет особенно предпочтителен, если иметь в виду его двойственную функцию.

Объем данного изобретения позволяет использовать описанные выше варианты и модификации отдельных элементов устройства.

Формула изобретения

1. Обратный клапан для регулирования потока текучей среды в одном направлении и предотвращения потока в противоположном направлении, содержащий корпус с входным и выходными каналами и клапанный элемент, взаимодействующий с седлом, при этом в корпусе между входным и выходным каналами выполнен промежуточный канал, имеющий меньший диаметр, а седло расположено с внешней стороны промежуточного канала, при этом клапанный элемент выполнен сферическим и расположен в выходном канале с возможностью перемещения между первым положением на седле с перекрытием выходного канала и вторым положением на расстоянии от седла внутри выходного канала для его открытия и пропускания текучей среды между клапанным элементом и внутренней поверхностью выходного канала, причем клапанный элемент перемещается в упомянутое первое положение при обратном давлении в выходном канале, превышающем давление во входном канале, а выходной канал выполнен цилиндрическим, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения промежуточного канала равна площади потока текучей среды, проходящей между седлом и клапанным элементом при упомянутом втором положении последнего, для поддержания заранее заданной скорости потока, а площадь потока текучей среды в концевом зазоре между клапанным элементом и внутренней поверхностью выходного канала в два раза превышает площадь потока между этим клапанным элементом и седлом для достижения потоком заданной скорости.

2. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что в выходном канале установлен ограничивающий элемент с отверстиями для пропускания текучей среды при упомянутом втором положении клапанного элемента.

3. Клапан по п.2, отличающийся тем, что суммарная площадь отверстий упомянутого элемента больше площади потока текучей среды, проходящей между седлом и клапанным элементом при втором положении последнего, для фиксации клапанного элемента в выходном канале и предотвращения обратного потока в выходной канал при высоких температурах.

4. Клапан по п.3, отличающийся тем, что упомянутый ограничивающий элемент выполнен цилиндрическим с внешней резьбой, соответствующей внутренней резьбе, выполненной на выходной части выходного канала корпуса для обеспечения его снятия при эксплуатации.

5. Клапан по п.1, отличающийся тем, что на внешней поверхности корпуса со стороны выходного канала выполнена коническая резьба для резьбового соединения с камерой предварительного сгорания двигателя внутреннего сгорания, работающего на газообразном топливе, с обеспечением герметизации и теплопередачи между корпусом и камерой предварительного сгорания.

6. Камера предварительного сгорания двигателя внутреннего сгорания, работающего на газообразном топливе, содержащая обратный клапан, отличающаяся тем, что обратный клапан выполнен по любому из предыдущих пунктов для регулирования подачи в камеру предварительного сгорания газообразного топлива.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3