Возвратно-поступательный гидравлический насос
В изобретении предлагается возвратно-поступательный насос, который включает в себя секцию привода и насосную секцию. Секция привода содержит совершающий возвратно-поступательное движение узел катушки, на который в ходе работы подают сигналы управления знакопеременной полярности. Узел постоянного магнита секции привода создает магнитное поле, которое взаимодействует с электромагнитным полем, создаваемым за счет приложения сигналов управления к обмотке катушки. В зависимости от полярности сигналов управления, приложенных к обмотке, катушка приводится в движение в одном из двух возможных направлений движения. Приводной элемент передает движение катушки на элемент насоса, который совершает возвратно-поступательное движение вместе с катушкой для того, чтобы всасывать флюид в камеру насоса и выталкивать флюид в ходе каждого цикла работы насоса. Насос особенно хорошо подходит для циклических применений, таких, как впрыск топлива в цилиндры двигателей внутреннего сгорания и впрыск флюида в систему контроля выбросов для двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет снизить время цикла насоса без существенного увеличения сил, создаваемых электрическими приводными компонентами и потребляемого ими тока. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область применения изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к области возвратно-поступательных насосов с электрическим приводом. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к насосу, приводимому в движение при помощи узла соленоида, в котором используется постоянный магнит и катушка соленоида для создания вариаций давления в насосной секции, за счет чего происходит всасывание флюида внутрь насосной секции и затем выталкивание флюида из нее. Кроме того, настоящее изобретение также имеет отношение к системам впрыска топлива и к системам управления введением флюида в выхлопные газы для снижения выбросов выхлопных газов, в которых используется такой насос.
Известный уровень техники
Уже известен широкий диапазон насосов с электроприводом, разработанных для вытеснения флюидов под давлением. Например, в некоторых системах впрыска топлива топливо вытесняется через узел возвратно-поступательного насоса, приводимого в действие при помощи электрического тока, поступающего от источника, которым обычно является система электропитания автомобиля. В одной из конструкций топливного насоса такого типа катушка с имеющим магнитное сопротивление воздушным зазором установлена в корпусе соленоида, а якорь выполнен с возможностью перемещения в корпусе и закреплен на направляющей трубке. При подаче электропитания соленоид перемещает якорь в направлении воздушного зазора в магнитной цепи, образованной вокруг катушки соленоида. Направляющая трубка движется вместе с якорем, входя в насосную секцию и выходя из нее. За счет возвратно-поступательного движения направляющей трубки, входящей в насосную секцию и выходящей из нее, в ходе работы флюид всасывается в насосную секцию и выталкивается из нее.
В насосах описанного выше типа якорь и направляющая трубка обычно возвращаются в свое исходное положение под действием одной или нескольких пружин смещения. В том случае, когда с насосом соединена форсунка для впрыска топлива, может быть использована дополнительная пружина смещения для возврата форсунки для впрыска топлива в ее исходное положение. При прерывании подачи тока на катушку комбинация пружин смещения возвращает весь подвижный узел в его исходное положение. Продолжительность (время) цикла такого устройства является суммой промежутка времени, который требуется для осуществления такта нагнетания при подаче питания на соленоид, и промежутка времени, который требуется для возврата якоря и приведения его в исходное положение для следующего такта нагнетания.
Время цикла таких насосов может быть очень малым, поэтому такие насосы используют в соответствующих применениях, например, для подачи топлива в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания или для введения флюидов в поток выхлопных газов, для снижения выбросов в атмосферу. Более того, воспроизводимость циклов и точность начала и конца тактов насоса может быть важной для оптимизации рабочих характеристик двигателя при изменении его режимов работы. Несмотря на то, что время цикла может быть снижено за счет использования более сильных пружин для возврата совершающего возвратно-поступательное движение узла в его исходное положение, такие пружины создают противодействующие усилия, воздействующие на узел, совершающий возвратно-поступательное движение при подаче питания на соленоид. Следовательно, такие усилия приходится преодолевать за счет соответствующего увеличения сил, создаваемых за счет подачи питания на соленоид. Однако существенное увеличение силы тока, необходимое для создания таких сил, является нежелательным, принимая во внимание предельные характеристики электрических компонентов и дополнительный нагрев за счет электрических потерь.
Следовательно, существует необходимость в создании усовершенствованной техники для нагнетания флюидов с использованием линейных возвратно-поступательных гидравлических насосов. Существует особенно большая необходимость в создании усовершенствованной техники, позволяющей снизить время цикла гидравлического насоса без существенного увеличения сил, создаваемых электрическими приводными компонентами, и потребляемого ими тока.
Краткое изложение изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается новая техника для нагнетания флюидов при помощи возвратно-поступательного насоса, позволяющая удовлетворить указанные требования. Эта техника особенно хорошо подходит для подачи топлива в камеру сгорания, например, при непосредственном (прямом) впрыске топлива в камеру, а также для введения флюидов в поток выхлопных газов для снижения выбросов в атмосферу. Однако предлагаемая техника ни в коей мере не ограничена только такими применениями, и может быть использована в широком диапазоне технических областей. Предлагаемые системы нагнетания флюидов обладают существенными преимуществами по сравнению с известными техническими решениями, позволяя снизить время цикла, контролировать начальные положения совершающего возвратно-поступательное движение узла и, следовательно, его перемещение в ходе одного цикла, и т.п.
Предлагаемая техника основана на применении системы приведения в движение, в которой используют по меньшей мере один постоянный магнит и по меньшей мере один узел катушки. Питание на узел катушки подают циклически для создания силы Лоренца, обеспечивающей возвратно-поступательное движение приводного элемента, который может быть соединен непосредственно с катушкой. В ходе движения приводного элемента в любом направлении полярность на узле катушки может быть изменена на обратную, чтобы создать противоположно направленную силу Лоренца для демпфирования движения, если это необходимо. Приводной элемент может заходить в насосную секцию и создавать изменения давления флюида за счет входа в насосную секцию и выхода из нее, в ходе своего возвратно-поступательного движения. В насосной секции имеются клапаны, такие как запорные клапаны, которые срабатывают за счет изменения давления и позволяют всасывать флюид в насосную секцию и выталкивать флюид из нее.
Краткое описание чертежей
Указанные ранее и другие преимущества и характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1А схематично показан ряд узлов гидравлических насосов, примененных для впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания.
На фиг.1 В схематично показана система контроля выбросов, которая позволяет вводить водосодержащий флюид в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания.
На фиг.1C схематично показана система контроля выбросов, которая позволяет вводить содержащий мочевину флюид в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания.
На фиг.2 показан частичный разрез примерного насоса в соответствии с настоящим изобретением, предназначенного для вытеснения флюида под давлением, например для впрыска топлива в камеру двигателя внутреннего сгорания, как это показано на фиг.1А.
На фиг.3 показан частичный разрез насоса, показанного на фиг.2, питание на который подают в ходе фазы нагнетания.
На фиг.4 показан частичный разрез альтернативного варианта секции привода гидравлического насоса в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.5 показан частичный разрез другого альтернативного варианта секции привода насоса.
Подробное описание специфических вариантов изобретения
Обратимся сначала к рассмотрению фиг.1А, на которой схематично показана система впрыска топлива 10, которая содержит ряд насосов для нагнетания (вытеснения) топлива под давлением в двигатель внутреннего сгорания 12. Несмотря на то, что гидравлические насосы в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы в самых различных областях применения, они особенно хорошо подходят для использования в системах впрыска топлива, в которых относительно небольшие количества топлива циклически сжимаются для впрыска топлива в камеры сгорания двигателя по мере необходимости. Могут быть использованы насосы с индивидуальными камерами сгорания, как это показано на фиг.1А, или же они могут быть объединены с камерами различным образом для сжатия порций топлива, например, в виде распределителя топлива, топливного коллектора и т.п. В более общем случае, техника нагнетания в соответствии с настоящим изобретением может быть использована и в других применениях, отличающихся от впрыска топлива, например для вытеснения флюидов под давлением, когда поступают электрические сигналы управления и подается питание на катушки узла привода, как это обсуждается далее более подробно. Например, техника нагнетания может быть использована в системах контроля выбросов (в атмосферу), как это показано на фиг.1 В и 1C.
В варианте, показанном на фиг.1А, система впрыска топлива 10 включает в себя топливный резервуар 14, например бак, где хранится запас жидкого топлива. Первый насос 16 всасывает топливо из резервуара и подает его в сепаратор 18. В то время как система может надлежащим образом и без сепаратора 18, в показанном варианте сепаратор 18 служит для иллюстрации того, что система впрыска топлива ниже по течению получает жидкое топливо, в отличие от топлива со смешанными фазами. Второй насос 20 всасывает топливо из сепаратора 18 и подает его через охладитель 22 в питающий или впускной коллектор 24. В качестве охладителя 22 может быть использован охладитель любого подходящего типа, в том числе воздушные и жидкостные теплообменники, радиаторы и т.п.
Топливо из питающего коллектора 24 подается для впрыска в камеры сгорания двигателя 12, как это обсуждается далее более подробно. Обратный коллектор 26 служит для рециркуляции флюида, не поступившего в камеры сгорания двигателя. В показанном варианте клапан 28 регулировки давления установлен последовательно в линии 26 обратного коллектора и служит для поддержания желательного давления в обратном коллекторе. Флюид, возвращенный через клапан 28 регулировки давления, рециркулирует в сепараторе 18, где накапливается топливо 30 в жидкой фазе. Компоненты 32 газообразной фазы топлива поднимаются над уровнем поверхности жидкого топлива и, в зависимости от уровня жидкого топлива в сепараторе, могут выходить через поплавковый клапан 34. Предусмотрен вентиляционный канал 36 для выпуска газообразных компонентов, что необходимо, например, для снижения давления, для рециркуляции и т.п.
Двигатель 12 включает в себя ряд (множество) камер сгорания или цилиндров 38, предназначенных для приведения во вращение выходного вала (не показан). Специалисты легко поймут, что в зависимости от конструкции двигателя может быть использовано множество поршней (не показаны), которые совершают возвратно-поступательное движение в каждой из камер сгорания за счет воспламенения топлива в камерах сгорания. Ход поршня в камере позволяет вводить в камеру свежий воздух, необходимый для осуществления следующего цикла сгорания, а также удалять продукты горения (сгорания) из камеры. В то время как в приведенном варианте используют однорядный (прямой) двухтактный двигатель, следует иметь в виду, что насосы в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы в широком диапазоне применений, при различных конструкциях двигателей, в том числе для двигателей с другим числом тактов.
В показанном варианте возвратно-поступательный насос 40 объединен с каждой камерой сгорания и подает сжатое топливо из питающего коллектора 24, причем затем дополнительно сжатое топливо впрыскивается в соответствующую камеру сгорания. Форсунка 42 служит для распыления сжатого топлива ниже по течению относительно (от) каждого возвратно-поступательного насоса 40. В то время как настоящее изобретение не ограничено случаем использования какой-либо специфической системы или схемы впрыска, в показанном варианте в жидком топливе создается импульс давления, который принудительно подает распыленное топливо, образующееся на выходе форсунки, для осуществления непосредственного впрыска в цилиндр. Работой возвратно-поступательных насосов 40 управляет контроллер впрыска 44. Контроллер впрыска 44 обычно содержит программируемый микропроцессор или другую цифровую схему управления (обработки), а также память для хранения стандартной программы, применяемой для подачи сигналов управления на насосы, чтобы обеспечить их включение и возвратно-поступательное движение, как это обсуждается далее более подробно.
Возвратно-поступательные насосы, которые описаны далее более подробно, могут быть также использованы в различных других применениях, например в промышленности, на автомобилях или на кораблях. Например, возвратно-поступательный насос может быть использован для введения желательного флюида в поток выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания для того, чтобы контролировать температуру и облегчить применение других мер контроля выбросов, таких как избирательное каталитическое восстановление (SCR) оксидов азота (NOx) и каталитическое окисление (OXI) углеводородов (НС) и угарного газа (СО). Следовательно, конкретный флюид, вводимый в поток выхлопных газов, может эффективно снижать выбросы оксидов азота, оксидов серы, углеводородов и различных других порошкообразных веществ и нежелательных загрязняющих веществ.
На фиг.1В и 1C показана примерная система контроля выбросов 44, которая предназначена для обработки выхлопных газов 46 двигателя внутреннего сгорания 48. Двигателем внутреннего сгорания 48 может быть любой двухтактный или четырехтактный двигатель, предназначенный для любого возможного применения, например, на автомобиле или на корабле. На фиг.1В и 1C показано, что двигатель внутреннего сгорания 48 имеет поршень 50, выполненный с возможностью перемещения в цилиндре 52, между положением 54 верхней мертвой точки и положением 56 нижней мертвой точки, что позволяет создавать камеру сгорания 58 переменного объема над поршнем 50. Поршень 50 соединен с узлом 60 коленчатого вала при помощи поршневого штока 62, который приводит во вращение узел 60 коленчатого вала в результате всасывания, зажигания и сгорания топливовоздушной смеси в камере сгорания 58.
Топливовоздушную смесь получают с использованием воздухозаборника 64 и системы впрыска топлива 66, которая подает желательную топливную смесь от источника топлива 68 (например, как это показано на фиг.1А). Желательная топливная смесь может содержать бензин, дизельное топливо, топливо на базе водорода, или же это может быть любая другая подходящая топливная смесь. Тактирование впрысков топлива может производиться при помощи специализированного блока управления или при помощи центрального блока управления, такого как блок управления 70, который также управляет системой 72 искрового зажигания и гидравлическим насосом 74. Таким образом, блок управления 70 обеспечивает впрыск желательного количества топлива в камеру сгорания 58 в надлежащий момент времени, чтобы облегчить перемешивание топлива с воздухом до осуществления зажигания. Затем блок управления 70 подает команду на систему 72 искрового зажигания для того, чтобы воспламенить топливовоздушную смесь в камере сгорания 58, что заставляет поршень 50 двигаться в направлении вниз в цилиндре 52. Это движение поршня 50 вниз приводит во вращение коленчатый вал и создает желательное механическое движение, такое как движение карданного вала автомобиля или гребного винта корабля. Различные продукты сгорания (то есть выхлопные газы 46) затем удаляются из камеры сгорания 58 через канал 76 для выхлопных газов, который может быть выполнен в виде одного или нескольких отверстий для выхлопных газов, коллекторов выхлопных газов, сборников выхлопных газов, выхлопных труб, каталитических дожигателей выхлопных газов, глушителей и других устройств контроля выхлопных газов.
Как это показано на фиг.1В, гидравлический насос 74 всасывает воду из источника воды 78 и впрыскивает воду в выхлопные газы 46. Это введение воды благоприятно снижает температуру выхлопных газов и уменьшает выбросы выхлопных газов из двигателя 48. Как это показано на фиг.1C, гидравлический насос 74 всасывает содержащий мочевину флюид из источника мочевины 80 и впрыскивает содержащий мочевину флюид в выхлопные газы 46. Это введение содержащего мочевину флюида особенно благоприятно для снижения выбросов дизельных двигателей. Несмотря на то, что на фиг.1В и 1C приведены специфические примеры, следует иметь в виду, что гидравлический насос 74 может быть использован для впрыскивания любого подходящего флюида, позволяющего снижать выбросы, в выхлопные газы 46. Блок управления 70 также может тактировать введение флюида в выхлопы двигателя 48. Как это описано далее со ссылкой на фиг.2-5, гидравлический насос 74 может содержать узел насоса и форсунки 100, который позволяет создавать аэрозоль для обработки выхлопных газов, которая содержит воду, мочевину, аммиак или любые другие желательные средства обработки.
Примерный возвратно-поступательный узел насоса, который предназначен для использования в системе для впрыска топлива такого типа, которая показана на фиг.1, или в системе контроля выбросов 44 такого типа, которая показана на фиг.1В и 1C, показан на фиг.2 и 3. В частности, на фиг.2 показан узел насоса и форсунки 100, который включает в себя насос, имеющий привод в соответствии с настоящим изобретением. Узел 100 главным образом содержит секцию привода 102 и насосную секцию 104. Секция привода предназначена для создания возвратно-поступательного действия нагнетания в насосной секции, при приложении сигналов, управления с изменяемой полярностью, которые возбуждают катушку секции привода, как это обсуждается далее более подробно. Таким образом, можно управлять выходными характеристиками насосной секции путем изменения формы сигнала с изменяемой полярностью, поступающего в секцию привода. В рассматриваемом варианте узел насоса и форсунки 100, который показан на фиг.2, особенно хорошо подходит для использования в двигателе внутреннего сгорания, примером чего являются насосы 40 и 74 на фиг.1А-1С. Более того, в варианте, который показан на фиг.2, узел форсунки установлен непосредственно у выпуска насосной секции, так что насос и форсунка (например, насос 40 и форсунка 42 фиг.1А) выполнены в виде единого узла или блока. Насос 74 фиг.1В и 1C также может иметь отдельный или выполненный в виде единого целого узел форсунки. Как это показано выше на фиг.1А, в соответствующих применениях насос, показанный на фиг.2, может быть выполнен отдельно от форсунки, например, для подачи флюида под давлением во впускной или выпускной коллектор выхлопных газов, в распределитель топлива или в любой другой расположенный ниже по течению компонент.
Как это показано на фиг.2, секция привода 102 включает в себя корпус 106, в котором герметично установлены компоненты секции привода и который служит опорой для них в ходе работы. Секция привода дополнительно включает в себя по меньшей мере один постоянный магнит 108, а в показанном предпочтительном варианте - два постоянных магнита 108 и 110. Постоянные магниты отделены друг от друга и расположены в непосредственной близости от центрального сердечника 112, который изготовлен из материала, способного пропускать магнитный поток, такого как ферромагнитный материал. Катушка 114 охватывает постоянные магниты 108 и 110 и сердечник 112. В то время как магниты 108 и 110 и сердечник 112 закреплены в корпусе 106, катушка 114 может свободно скользить в продольном направлении относительно этих компонентов. Таким образом, катушка 114 зацентрирована вокруг сердечника 112 и может скользить относительно сердечника вверх и вниз в соответствии с ориентацией, показанной на фиг.2. Обмотка 116 намотана внутри катушки 114 и ее свободные концы подключены к выводам L для получения возбуждающих сигналов управления, например, от контроллера впрыска 44, показанного на фиг.1А. Катушка 114 дополнительно имеет выступающую часть 118, которая выходит из той области катушки, в которой установлена обмотка, и предназначена для приведения в действие насосной секции, как это обсуждается далее более подробно. Несмотря на то, что на фиг.2 показана только одна выступающая часть, следует иметь в виду, что катушка может иметь несколько таких частей, например, 2, 3 или 4 части, расположенные по окружности вокруг катушки. Наконец, секция привода 102 содержит опору или перегородку 120, которая поддерживает постоянные магниты и сердечник, а также отделяет секцию привода от насосной секции. Однако следует иметь в виду, что в показанном варианте внутренний объем секции привода, в том числе и объем, в котором располагается обмотка, в ходе работы может быть заполнен жидкостью, например охлаждающей жидкостью.
Приводной элемент 122 прикреплен к катушке 114 при помощи выступающей части 118. В показанном варианте приводной элемент 122 представляет собой главным образом чашеобразную пластину, имеющую центральное отверстие для пропускания флюида. Чашеобразная форма приводного элемента помогает центрировать плунжер 124, который расположен в вогнутом участке приводного элемента. Плунжер 124 преимущественно имеет продольное центральное отверстие (канал) 126, идущее от его основания до головного участка 128, который входит в контакт с приводным элементом 122 и упирается в него. Пружина смещения 130, которая сжата между головным участком 128 и нижним компонентом насосной секции, поддерживает плунжер 124, приводной элемент 122 и узел катушки с обмоткой в верхнем или смещенном положении. Специалисты легко поймут, что плунжер 124, приводной элемент 122, выступающая часть 118, катушка 114 и обмотка 116 образуют узел, совершающий возвратно-поступательное движение при работе устройства, как это обсуждается далее более подробно.
Секция привода 102 и насосная секция 104 выполнены с возможностью сопряжения друг с другом, что позволяет их изготавливать раздельно и затем устанавливать в виде компоновочных узлов, с возможностью технического обслуживания по мере необходимости. В показанном варианте корпус 106 секции привода 102 заканчивается юбкой 132, которая охватывает внешнюю стенку 134 насосной секции 104. Секция привода и насосная секция являются преимущественно герметизированными, например, при помощи мягкого уплотнения 136. Альтернативно, их корпуса могут быть сопряжены при помощи резьбового соединения или при помощи любого другого подходящего средства.
Насосная секция 104 имеет центральное отверстие 138, в которое входит плунжер 124. Это отверстие 138 также служит в качестве направляющей для плунжера при его возвратно-поступательное движении в ходе работы устройства. Кольцевая выемка 140 вокруг отверстия 138, в которую входит пружина смещения 130, поддерживает пружину смещения по центру и дополнительно помогает направлять плунжер 124. В показанном варианте головной участок 128 плунжера имеет кольцевую канавку или выемку 142, в которую входит конец пружины смещения 130, удаленный от дна выемки 140.
Клапанный элемент 144 расположен в насосной секции 104 под плунжером 124. В показанном варианте клапанный элемент 144 в ходе работы образует отдельную выступающую часть (удлинение) плунжера 124, однако он разделен от плунжера 124 зазором 146, когда плунжер 124 находится во втянутом положении, как это показано на фиг.2. Зазор 146 образован путем ограничения движения вверх клапанного элемента 144, например, за счет сужения сечения отверстия 138. В этом месте могут быть предусмотрены канавки (не показаны) для прохождения потока флюида вокруг клапанного элемента 144, когда плунжер находится во втянутом положении. Как это обсуждается далее более подробно, зазор 146 позволяет всему совершающему возвратно-поступательное движение узлу, в том числе и плунжеру 124, получать импульс движения во время такта нагнетания до входа в контакт с клапанным элементом 144 для того, чтобы сжимать и выталкивать флюид из насосной секции.
Клапанный элемент 144 расположен в насосной камере 148, которая получает флюид через впуск 150. Впуск 150 имеет канал 152 для прохода флюида, такого как сжатое топливо, в насосную камеру. Узел 154 запорного клапана, который предусмотрен между каналом 152 и насосной камерой 148, закрыт за счет давления, созданного в насосной камере 148 в ходе такта нагнетания устройства. В показанном варианте предусмотрен канал флюида 156 между впускным каналом 152 и объемом, в котором расположены компоненты секции привода. Канал 156 позволяет флюиду свободно протекать в секцию привода, так что компоненты секции привода находятся в ванне флюида. Выпуск флюида (не показан) также может сообщаться с внутренним объемом секции привода для рециркуляции флюида из секции привода.
Клапан 144 удерживается в положении смещения в направлении зазора 146 при помощи пружины смещения 158. В показанном варианте пружина смещения 158 сжата между верхним участком клапанного элемента и стопорным кольцом 160.
Когда насос с описанными выше компонентами используют для непосредственного впрыска топлива или для впрыска флюида для контроля выбросов, то узел форсунки 162 может быть встроен непосредственно в нижнюю часть узла насоса. Как это показано на фиг.2, примерная форсунка имеет корпус форсунки 164, который герметично введен в насосную секцию. Тарельчатый клапан 166 расположен в центральном отверстии корпуса клапана (вероятно, должно быть "форсунки" - Прим. переводчика) и прилегает к корпусу клапана во втянутом положении, показанном на фиг.2. У верхнего конца тарельчатого клапана 166 предусмотрен стопорный элемент 168. Стопорный элемент 168 контактирует с пружиной смещения 170, которая сжата между корпусом форсунки и стопорным элементом для того, чтобы прижимать (смещать вверх) тарельчатый клапан к корпусу форсунки. Флюид может свободно проходить из насосной камеры 148 в область вокруг стопорного элемента 168 и пружины 170. Этот флюид может также проходить в каналы 172, образованные в корпусе форсунки вокруг тарельчатого клапана 166. Удлиненный кольцевой проток 174 идет от каналов 172 до уплотненного (нижнего) конца тарельчатого клапана. Специалисты легко поймут, что насос, форсунка или секция привода могут содержать и другие компоненты. Например, при необходимости, выпускной запорный клапан может быть установлен на выходе насосной камеры 148, чтобы изолировать расположенную ниже по течению область от насосной камеры.
На фиг.3 показан узел насоса и форсунки фиг.2 при возбуждении (при подаче электропитания). Как это показано на фиг.3, после подачи тока в обмотку 116 обмотка, катушка 114, выступающая часть 118 и приводной элемент 122 перемещаются в направлении вниз. Это перемещение вниз является результатов взаимодействия между электромагнитным полем, возникающим вокруг обмотки 116 при протекании через нее тока возбуждения, и магнитным полем постоянных магнитов 108 и 110. В соответствии с предпочтительным вариантом это магнитное поле усиливается и канализируется при помощи сердечника 112. Так как приводной элемент 122 принудительно направляется вниз за счет взаимодействия этих полей (то есть за счет силы Лоренца), то он входит в контакт с плунжером 124 и принудительно направляет плунжер вниз, преодолевая сопротивление пружины 130. В начальной фазе этого перемещения плунжер 142 свободно входит в насосную камеру 148, без контакта с клапанным элементом 144, за счет наличия зазора 146 (см. фиг.2). Таким образом, плунжер 142 получает импульс движения и в конечном счете входит в контакт с верхней поверхностью клапанного элемента 144. Нижняя поверхность плунжера 124 герметично садится на верхнюю поверхность клапанного элемента 144, в результате чего прекращается поток флюида вверх через канал 126 плунжера, или поток флюида между плунжером и отверстием 138 насосной секции. При дальнейшем движении вниз плунжера и клапанного элемента начинает сжиматься флюид в насосной камере 148, что приводит к закрыванию впускного запорного клапана 154.
При последующем движении вниз плунжера и клапанного элемента созданный всплеск или пик давления передается вниз на узел форсунки 162. В показанном варианте этот всплеск давления заставляет тарельчатый клапан 166 выходить из контакта с корпусом форсунки и перемещаться вниз относительно корпуса форсунки, сжимая пружину 170 между стопорным элементом 168 и корпусом форсунки. Флюид, такой как топливо, при этом распыляется форсункой и выходит из нее, например, непосредственно в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, как уже было описано здесь ранее со ссылкой на фиг.1А.
Специалисты легко поймут, что при изменении на обратную полярности сигнала возбуждения или управления, приложенного к обмотке 116, электромагнитное поле вокруг обмотки будет иметь инверсную ориентацию (поменяет полярность), в результате чего будет создаваться сила с противоположной (обратной) ориентацией за счет взаимодействия между этим полем и магнитным полем магнитов 108 и 110 (то есть будет создаваться сила Лоренца в противоположном направлении). Эта сила будет перемещать обмотку и другие компоненты совершающего возвратно-поступательное движение узла назад в исходное положение. В показанном варианте, когда приводной элемент 122 при движении вверх приходит в положение, показанное на фиг.1А, пружина 130 смещает плунжер 128 вверх в его исходное положение, а пружина 158 аналогичным образом смещает клапанный элемент 144 назад в его исходное положение. Восстанавливается зазор 126 в соответствии с показанным на фиг.1А, и может начинаться новый цикл нагнетания. В том случае, когда используют форсунку, показанную на фиг.2 и 3, форсунка также закрывается за счет усилия пружины 170. В этом случае, а также если нет такой форсунки или если есть выпускной запорный клапан на выходе насосной камеры 148, то давление в насосной камере 148 снижается, что позволяет впускному запорному клапану 154 вновь открыться для впуска флюида для следующего цикла нагнетания.
За счет соответствующего выбора формы сигналов возбуждения, приложенных к обмотке 116, устройство в соответствии с настоящим изобретением может работать самым различным образом. Например, при обычном нагнетании при помощи насоса имеющие определенную форму сигналы знакопеременной полярности могут быть приложены к обмотке для создания возвратно-поступательное движения с частотой, равной частоте сигналов управления. Вытеснение флюида насосом в ходе одного цикла можно контролировать путем изменения параметров сигналов управления (то есть их частоты и длительности). Устройство позволяет также изменять давление в соответствии с необходимым выходным давлением. Это может быть выполнено за счет изменения амплитуды сигналов управления, чтобы создавать большую или меньшую силу за счет взаимодействия результирующего электромагнитного поля и магнитного поля постоянных магнитов в секции привода. Сила Лоренца и соответствующее перемещение описанных выше компонентов также могут быть изменены за счет изменения полярности на обмотке в ходе движения. Например, движение устройства можно демпфировать вблизи от конца его циклического перемещения в любом направлении, чтобы защитить устройство и изменять характеристики впрыска флюида.
В описанную конструкцию могут быть введены различные изменения, особенно в конфигурацию обмотки, катушки, в конструкцию постоянного магнита и компонентов возбуждения секции привода. Две такие альтернативные конфигурации секции привода показаны на фиг.4 и 5. Как это показано на фиг.4, в первой альтернативной секции привода 176 колоколообразный корпус 178 имеет нижний резьбовой участок 180, который навинчивают на соответствующий резьбовой участок насосной секции. Более того, в вариант фиг.4, в корпусе образован центральный участок сердечника 182, предназначенный для канализирования магнитного потока. Внутренний кольцевой объем 184, который окружает участок сердечника 182, используют для установки одного или нескольких постоянных магнитов 186 и 188. Эти кольцевые магниты окружают катушку 190, которая совершает возвратно-поступательное движение вдоль участка сердечника 182, с использованием этого участка сердечника в качестве направляющей. На обмотку 192 внутри катушки 190 подают сигналы управления знакопеременной полярности через выводы (не показаны), как уже было описано здесь ранее со ссылкой на фиг.2 и 3. Нижняя часть катушки 190 может непосредственно контактировать с плунжером (таким, как плунжер 124, фиг.2 и 3), который имеет соответствующую конфигурацию для центрирования относительно катушки. При приложении сигналов управления знакопеременной полярности вокруг обмотки 192 создается электромагнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем, создаваемым магнитами 186 и 188, в результате чего обмотка и катушка совершают возвратно-поступательное движение вдоль участка сердечника 182. Это возвратно-поступательное движение затем преобразуется в действие нагнетания при помощи компонентов, которые были описаны ранее со ссылкой на фиг.2 и 3.
В альтернативном варианте устройства 194, показанного на фиг.5, в корпусе 196 насосной секции используют направляющая стойку или направляющий палец 198, причем корпус 196 может быть изготовлен из материала, отличающегося от материала стойки 198. Стойка 198 преимущественно изготовлена из магнитного материала, такого как ферромагнитный материал, в результате чего стойка образует сердечник для канализирования силовых линий поля по меньшей мере в центральной области 200. Используют один или несколько постоянных магнитов 202 и 204 для создания магнитного поля, которое канализируется указанным сердечником. Предусмотрена катушка 206, аналогичная катушке 190, показанной на фиг.4, которая выполнена с возможностью перемещения относительно центральной области 200. На обмотку 208 внутри катушки 206 в ходе работы устройства подают сигналы управления знакопеременной полярности. Как и в описанных ранее вариантах, электромагнитное поле, полученное за счет приложения сигналов управления, взаимодействует с магнитным полем, создаваемым магнитами 102 и 104, в результате чего обмотка и катушка совершают возвратно-поступательное движение, которое преобразуется в действие нагнетания флюида при помощи таких компонентов, которые были описаны ранее со ссылкой на фиг.2 и 3.
Несмотря на то, что были подробно описаны в качестве примера со ссылкой на чертежи специфические варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в изобретение специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки формулы изобретения.
1. Возвратно-поступательный гидравлический насос, содержащий узел (100), содержащий секцию привода (102) и прилегающую насосную секцию (104); узел привода, расположенный в секции привода, включающий, по меньшей мере, один постоянный магнит (108) и узел катушки с обмоткой, причем узел катушки совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси между первым положением и вторым положением относительно постоянного магнита и связан с подвижным элементом; контроллер (44), генерирующий первый и второй сигналы, подаваемые на обмотку катушки, при этом первый сигнал создает магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем постоянного магнита, для обеспечения движения подвижного элемента между первым и вторым положениями, а второй сигнал создает магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем постоянного магнита, для управления движением подвижного элемента между вторым и первым положениями; причем полярность первого сигнала противоположна полярности второго; пружинный элемент, поддерживающий подвижный элемент в первом положении; и узел насоса, расположенный в насосной секции, включающий насосный элемент, выполняющий возвратно-поступательное движение, соединенный с подвижным элементом, причем движение подвижного элемента вызывает движение насосного элемента.
2. Гидравлический насос по п.1, в котором узел катушки окружает постоянный магнит.
3. Гидравлический насос по п.1, который содержит два постоянных магнита (108, 110).
4. Гидравлический насос по п.3, дополнительно содержащий центральный сердечник (112) из материала, способного пропускать магнитный поток, разделяющий пару постоянных магнитов и расположенный рядом с ними.
5. Гидравлический насос по п.1, дополнительно содержащий форсунку (42), находящуюся в жидкостном соединении с узлом насоса для выдавливания сжатого топлива из узла насоса.
6. Гидравлический насос по п.1, в котором подвижный элемент и узел насоса движутся в одном направлении.
7. Гидравлический насос по п.1, в котором подвижный элемент контактирует с узлом насоса, прижимая его к подпружиненному элементу.
8. Гидравлический насос по п.1, дополнительно содержащий насосную камеру (148), образованную в насосной секции, имеющую боковую стенку, и впускной канал жидкости (152), расположенный в боковой стене насосной камеры.
9. Гидравлический насос по п.1, дополнительно содержащий неподвижный элемент, образованный, по меньшей мере, частично магнитом, и подвижный элемент, движущийся от неподвижного элемента при движении из первого положения во второе положение.
10. Гидравлический насос по п.1, представляющий собой инжектор топлива для двигателя внутреннего сгорания.
11. Гидравлический насос по п.1, предназначенный для впрыска содержащего мочевину флюида в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания.
12. Гидравлический насос по п.1, предназначенный для впрыска воды в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания.
13. Гидравлический насос, содержащий корпус (106); по меньшей мере, один постоянный магнит (108), закрепленный в части корпуса; катушку (114), расположенную около, по меньшей мере, одного постоянного магнита с возможностью возвратного движения относительно него; обмотку (116), намотанную на катушку; приводной элемент (122), присоединенный к катушке; плунжер (124), входящий в центральное отверстие (138), имеющий головной участок (128), приспособленный для вхождения в контакт с приводным элементом так, чтобы совершать возвратно-поступательные движения с катушкой; первую пружину (130) для смещения плунжера, приводного элемента и катушки в направлении части корпуса, на которой закреплен, по меньшей мере, один постоянный магнит; насосную камеру (148), прилегающую к центральному отверстию для получения флюида; клапанный элемент (144), расположенный в насосной камере с возможностью возвратно-поступательного движения при взаимодействии с плунжером; первый канал (152) для подачи флюида в насосную камеру; вторую пружину (158) для смещения клапанного элемента в направлении плунжера; второй канал, соединенный флюидно с насосной камерой; и клапан (166), расположенный во втором канале с возможностью движения между открытым и закрытым положениями.
14. Гидравлический насос по п.13, в котором клапан (166) представляет собой тарельчатый клапан.
15. Гидравлический насос по п.14, дополнительно содержащий третью пружину (170) для смещения тарельчатого клапана в закрытое положение.
16. Гидравлический насос по п.13, который содержит два постоянных магнита.
17. Гидравлический насос по п.16, дополнительно содержащий центральный сердечник из материала, способного пропускать магнитный поток, разделяющий пару постоянных магнитов и расположенный рядом с ними.
18. Гидравлический насос по п.13, в котором плунжер имеет продольное центральное отверстие (126).
19. Гидравлический насос по п.13, в котором между плунжером и клапанным элементом образуется зазор (146) во время, по меньшей мере, части движения катушки.
20. Гидравлический насос по п.13, дополнительно содержащий третий канал (156), идущий от первого канала в объем, задаваемый корпусом.
21. Гидравлический насос по п.13, представляющий собой инжектор топлива для двигателя внутреннего сгорания.
22. Гидравлический насос по п.15, представляющий собой инжектор топлива для двигателя внутреннего сгорания.
23. Гидравлический насос по п.13, предназначенный для впрыска содержащего мочевину флюида в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания.
24. Гидравлический насос по п.13, предназначенный для впрыска воды в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания.
