<B>Ajutage de</B> pulvérisation La présente invention concerne les ajutages et plus particulièrement ceux destinés spéciale ment à l'injection de combustibles liquides dans les chambres de combustion de divers types de moteurs.
Il existe actuellement divers types de moteurs utilisant des combustibles liquides qui doivent être injectés dans leurs chambres de combustion, ces moteurs comprenant le moteur bien connu d'automobile à combustion interne, les moteurs diesel, les turboréacteurs, les réacteurs à propulsion, les moteurs à ré action à piston et analogues.
Bien que ces derniers types de moteurs soient à l'heure actuelle largement utilisés en aviation, on es père qu'ils trouveront à brève échéance leur application dans les locomotives et les navires: Dans certains de ces moteurs, il est nécessaire de disposer d'une large gamme de débit du combustible, comprise entre des limites mini mum et maximum choisies, tout en maintenant une faible perte de charge totale dans l'aju- tage, entre le collecteur d'admission et la chambre de combustion.
Dans le passé, on a utilisé dans ces appli cations des ajutages du type à orifice ouvert, mais sans grand succès, principalement en rai son de leur gamme limitée de débit, comprise à peu près entre 10 et 1. La gamme de débit que l'on doit obtenir pour assurer de façon continue un fonctionnement approprié de cer- tains des moteurs modernes à réaction est dans certains cas comprise entre 125 et 1.
Les. aju- tages habituels à orifice ouvert ne sont pas capables d'assurer une gamme aussi large de fonctionnement, attendu que dans ces ajuta- ges, lorsqu'on augmente le taux du débit d'un facteur déterminé, la courbe de pression cor respondante doit être augmentée du carré de ce facteur. Essayer de réaliser . une large gamme de débit- avec ce dernier type d'ajutage est par suite entièrement irréalisable pratique ment, car l'on arrive à des courbes de pression élevées de façon inadmissible dans la gamme supérieure du débit.
Par contre, avec des ajutages à orifice nor malement fermé et à ouverture variable, il est possible d'obtenir une large gamme de débit sans qu'il soit nécessaire de recourir à des pressions d'admission excessives pour obtenir de très hauts taux de débit. Cependant, avec ce dernier type d'ajutage, on rencontre une sérieuse difficulté lorsqu'on essaie de satisfaire aux spécifications strictes imposées générale ment en ce qui concerne le maintien d'un angle déterminé du cône de pulvérisation pour tous les taux du débit en fonctionnement. Lorsque le taux du débit s'abaisse à un très faible niveau,
il devient très difficile de réaliser un ajutage de ce type qui puisse être réglé automatiquement en vue de maintenir l'angle désiré de pulvérisation. L'invention se propose donc notamment de réaliser un ajutage (a) présentant une large gamme de débit (b) une faible augmentation<B>-</B>de<B>'></B> la perte de charge en passant d'un taux de débit fai ble à un taux élevé ; (c) qui conserve à l'enveloppe de pulvérisa tion un angle constant sur cette large gamme de débit ; (d) qui atomise le liquide rapidement, avant que le cône de pulvérisation liquide ne se propage très loin ; (e) qui se ferme automatiquement lorsque la charge à l'admission s'abaisse au-dessous d'une valeur déterminée.
L'invention se propose également de réali ser un ajutage de ce type qui soit disposé de manière à empêcher une fuite de liquide sous un taux de débit extrêmement élevé dans le cas où la soupape de sortie cesserait de fonc tionner convenablement pour une raison quel conque; qui puisse être fabriqué à un prix raisonnable et qui exige le minimum d'entre tien et de réparations.
D'autres détails et particularités de l'in vention résulteront de la description de diver ses formes d'exécution de l'invention, données ci-après à titre d'exemples en référence au dessin annexé.
La fig..1 est une coupe longitudinale dia métrale d'une première forme d'exécution de l'ajutage .selon l'invention ; les fige 2, 3 et 4 sont des vues en coupe transversale suivant les lignes 2-2, 3-3 et 4-4, respectivement, de la fige 1 ; la fige 5 est une vue en coupe longitudi nale diamétrale d'une deuxième forme d'exécu tion de l'ajutage ; la fige 6 est une vue en coupe partielle de l'orifice de l'ajutage -montrant la soupape de sortie légèrement ouverte ;
la fige 7 est une - vue analogue à la fige 6, mais montre la soupape ouverte relativement largement ; et la fige 8 est un graphique comparant la perte de charge entre le collecteur d'admission et la chambre de combustion à la perte de charge entre la chambre au côté d'admission de la soupape de sortie et la chambre de com bustion pour divers pourcentages d'un taux de débit déterminé du combustible à travers l'aju- tage.
L'ajutage représenté aux fige 1 à 4 com prend un corps 1 de forme générale cylindri que, présentant une base 2 de plus grand dia mètre et taraudée en vue de la fixation sur un collecteur d'admission (non représenté) du moteur. Un manchon intérieur 3, muni d'un filtre 4, par exemple en toile métallique, est vissé dans la base 2. Le filtre sert à protéger les parties intérieures de l'ajutage, indépen damment des filtres habituels prévus dans la canalisation. principale d'alimentation en com bustible. L'autre extrémité du corps de l'aju- tage est fermée, à l'exception d'un orifice cen tral 5. Toutes les pièces peuvent avantageuse ment être en acier inoxydable, par exemple.
Une chemise interne 6, forcée à l'intérieur du corps cylindrique 1, présente à sa périphé rie externe une rainure longitudinale de forme semi-circulaire formant un canal 7 ouvert à l'extrémité qui est tournée du côté de l'admis sion du combustible. L'autre extrémité de ce canal est fermée, à l'exception d'un passage 8 qui débouche radialement vers l'intérieur à travers la chemise 6.
La périphérie externe de la chemise com porte plusieurs rainures semi-circulaires ana logues, formant des canaux longitudinaux 9 ouverts du côté de l'orifice d'extrémité de l'ajutage, auquel ils se raccordent au moyen de fentes tangentielles 10 de turbulence. Les autres extrémités des canaux 9 communiquent par des passages radiaux 11 avec une chambre annulaire intérieure 12 formée dans la péri phérie interne de la chemise cylindrique 6.
Un guide 13 de soupape est forcé à l'inté rieur de la chemise 6 vers l'orifice d'extrémité de l'ajutage. Ce guide présente à sa périphé rie externe une rainure annulaire qui forme une chambre annulaire 14 disposée de façon à communiquer avec le canal 7 à travers le passage radial 8. La' surface externe du guide 13 présente plusieurs fentes hélicoïdales (qua tre dans le cas présent) qui forment des ca naux hélicoïdaux 15 faisant communiquer la chambre annulaire 14 avec une chambre ].6 située juste en dedans de l'orifice 5. Les élé ments que l'on vient de décrire constituent les organes fixes ou immobiles de l'ajutage.
Une soupape de sortie 17 du type à cla pet, destinée à reposer dans l'orifice 5, com porte une tige de soupape 18 logée dans une glissière cylindrique 19 ménagée dans le guide 13, en alignement axial avec l'orifice 5.
Une coquille cylindrique ou piston 20 susceptible de coulisser à l'intérieur de la che mise 6 est ouverte en regard du guide 13 : et fermée du côté de l'extrémité d'admission du combustible de l'ajutage. Une vis de réglage 21 traversant cette dernière extrémité est des tinée à être fixée. en position de réglage au moyen d'un écrou de blocage 22. Une tige de connexion 23, constituée par un fil en acier à ressort, passe dans un passage central 24 ménagé dans la tige de soupape 18, l'une des extrémités de cette tige de connexion étant réunie, par exemple par brasage à faible tem pérature, à une extrémité de la vis 21, tandis que son autre extrémité est réunie de façon analogue à un prolongement extérieur 25 de la soupape de sortie 17.
Des évents 26 ména gés dans ce prolongement communiquent avec le passage 24, de sorte que l'intérieur du pis ton cylindrique alternatif 20 est continuelle ment en communication avec l'atmosphère ou avec l'intérieur d'une chambre de combustion ou autre chambre d'évacuation raccordée à l'ajutage. Un ressort de compression 27, logé à l'intérieur du piston 20, porte par une de ses extrémités contre l'extrémité du guide fixe 13 et par son autre extrémité contre une ron delle 28 et une pièce d'épaisseur 29 de ré glage, interposées dans l'extrémité fermée dudit piston.
On voit maintenant que lorsque le piston 20 et les pièces qui lui sont reliées sont animés d'un mouvement alternatif, la soupape de sor tie 17 participe à leur mouvement par l'inter médiaire de la tige 23. Un certain degré de défaut d'alignement entre la soupape et le pis ton est toutefois permis par suite de la flexibi lité de la tige 23 et du jeu que cette tige présente dans le passage 24. On peut régler la pression sous laquelle la soupape 17 s'appli que dans l'orifice 5 tout d'abord en utilisant une pièce 29 d'épaisseur appropriée et en -se cond lieu en choisissant un ressort de coin" pression 27 approprié.
On peut obtenir un réglage complémentaire en tournant la vis de réglage 21, mais cette vis remplit un autre rôle dont il sera parlé ci-après.
Un épaulement 30 du piston 20 est bi seauté de façon à créer un passage de commu nication de section variable avec la chambre annulaire 12 lorsque le piston _20 est mû vers l'intérieur à l'encontre du ressort de compres sion 27. Ce piston alternatif fonctionne en conséquence comme une soupape de réglage et sera, en conséquence, appelé ci-après piston-valve . Le réglage de la vis 21, en corrélation avec la variation de l'épaisseur de la pièce 29, détermine le débit du fluide com primé qui, lors- du mouvement de va-et-vient du piston-valve 20, est admis au-delà de l'épaulement 30 dans la chambre 12.
On décrira maintenant le fonctionnement de l'ajutage. Le combustible liquide pénètre dans l'ajutage en provenance du collecteur d'admission et il est évacué à travers l'orifice 5 dans une chambre extérieure à pression rela tivement basse. Lorsque la pression du fluide qui s'applique contre l'extrémité du piston- valve régulateur 20 dépasse celle qui règne dans ladite chambre extérieure d'une quantité juste suffisante pour surmonter la tension ini tiale du ressort 27, la soupape de sortie 17 s'ouvre. La pression du fluide qui s'exerce di rectement contre la surface réduite de la sou pape 17 est relativement peu importante.
L'ouverture de la soupape 17 permet au com bustible de s'écouler par le canal 7, le passage 8 et les canaux hélicoïdaux 15 dans la cham bre 16 et au-delà de la soupape 17 dans la chambre extérieure (normalement une cham bre de combustion qui peut être à une pres sion sensiblement égale à la pression atmo sphérique ou dans certains cas à des pressions de beaucoup supérieures à la pression atmo sphérique).
L'étranglement formé par les canaux hélicoïdaux 15 établit une contre-pres- sion suffisante pour déplacer le piston-valve 20 et ouvrir par suite la soupape de sortie 17 qui lui est accouplée par la tige 23 sur une dis tance supérieure à celle qu'on obtiendrait par l'action de la pression du fluide s'exerçant directement contre le côté intérieur de surface réduite de la soupape 17. Les canaux hélicoï daux 15 communiquent au combustible un taux élevé de turbulence dans la chambre 16, même pour de faibles débits de combustible, de sorte qu'on obtient une excellente atomi- sation dans l'enveloppe de pulvérisation du combustible, même pour ces faibles débits.
La turbulence des particules du combustible de l'enveloppe formée dans la chambre 16 provo que la rupture des particules et la désa grégation de l'enveloppe à l'état d'un brouillard finement pulvérisé, lequel se trans forme ensuite en une vapeur relativement sèche.
Les canaux hélicoïdaux 15 de section ré duite empêchent qu'il ne s'établisse dans la chambre 16 une pression élevée du fluide lors de l'ouverture initiale de la soupape de sortie 17, de sorte que l'évacuation initiale du fluide hors de l'ajutage s'effectue à une vitesse relati vement faible. De même, ces canaux hélicoï daux de section réduite assurent le maintien de la pression d'admission contre le piston- valve 20.
Lorsque le débit du combustible augmente, le piston-valve 20 est déplacé progressivement de gauche à droite (fig. 1) en amenant l'épau lement biseauté 30 au-delà du bord de la chambre 12. En conséquence, le combustible pénètre dans cette chambre dans une mesure croissante au fur et à mesure que le piston- valve s'ouvre et il s'écoule à partir de cette chambre 12 par les canaux 9 et les fentes 10 de turbulence dans la chambre 16 et de -là à travers l'orifice 5. Naturellement, la soupape 17 s'est ouverte de façon correspondante lors de l'ouverture du piston-valve 20.
Une certaine quantité de combustible continue à s'écouler par le canal 7 et les canaux 15, mais ce débit devient bientôt sans importance par rapport à celui, beaucoup plus important, qui pénètre dans la chambre 12 et s'écoule par les canaux 9. On donne aux fentes 10 une forme telle que pour le débit maximum déterminé du combus tible, la perte de charge entre une chambre annulaire 31 et la chambre 16 soit aussi faible que possible, tout en exerçant une action suf fisante de turbulence à travers ces fentes pour assurer une pulvérisation satisfaisante du combustible à l'orifice 5.
Les fentes 10 de turbulence assurent aux débits plus élevés le même résultat que les canaux hélicoïdaux 15 pour un plus faible débit, mais la perte de charge à travers les fentes 10 est beaucoup plus faible, attendu qu'elles ont une section transversale relativement importante. Au lieu de prévoir des fentes 10 disposées obliquement pour obtenir l'action recherchée de turbulence, on peut donner aux canaux 9 eux-mêmes une forme quelque peu hélicoïdale.
L'ajutage représenté à la fig. 5 est de façon générale semblable à celui décrit en ré férence à la fig. 1, mais présente certaines mo difications. Le corps d'ajutage 32 est fileté extérieurement de façon à permettre de l'insé rer dans une ouverture taraudée de façon cor respondante, communiquant avec le collecteur d'admission du combustible. La construction générale intérieure de cet ajutage est analogue à celle de celui représenté à la fig. 1, de sorte qu'il est inutile de la décrire de nouveau, les pièces analogues étant affectées des mêmes numéros de référence.
L'extrémité d'admission du canal 7, au lieu de déboucher directement dans l'extrémité d'entrée de l'ajutage, commu nique avec une chambre annulaire 33 présen tant dans sa périphérie interne une étroite lu mière d'admission 34 destinée à être fermée par un piston-valve 20 animé d'un mouvement de va-et-vient. Au lieu de munir le piston- valve régulateur 20 d'un épaulement à profil contourné ou biseauté, afin de régler l'admis sion du fluide dans la chambre annulaire 12, on donne à la périphérie interne d'une bague 36 un profil correspondant 35 en vue d'obte nir le même résultat.
Cet ajutage comporte un moyen de sûreté du fait que lors du fonction- nement sous un faible débit, au cas où la sou pape de sortie 17 viendrait à se rompre ou à se détacher, le ressort 27 serait à même de déplacer le piston-valve 20 vers la gauche, en interrompant l'écoulement du combustible à la fois dans la chambre annulaire 12 et dans la chambre annulaire 33. On obtient ce résul tat comme suit : on peut régler la vis de réglage de telle façon que lorsque la soupape 17 s'applique dans l'orifice de l'ajùtage, le piston-valve 20 ferme les lumières 34 et 12.
En conséquence, il ne s'écoulera pas de fluide à travers l'ajutage jusqu'à ce que la pression dans la canalisation d'admission ait atteint une valeur minimum déterminée. Lorsque cette pression s'est élevée suffisamment pour dépla cer légèrement le piston-valve 20 vers la droite, la soupape 17 s'ouvre et la lumière 34 est dégagée, au moins partiellement, de façon à permettre un débit limité vers l'orifice 5.
Dans les ajutages connus du type normalement fermé, dans le cas d'une rupture de la soupape de sortie réglée pour un faible débit du com bustible, il se produit une forte augmentation du débit hors de l'ajutage, donnant lieu à un échauffement local qui est très nuisible dans certains types de moteurs où il est primordial d'assurer un chauffage uniforme. Par contre, dans le présent ajutage, dans le cas où la sou pape 17 viendrait à se rompre en position de fermeture, on voit que le ressort 27 agit pour déplacer le piston-valve 20 davantage vers la gauche (fig. 5), en maintenant fermées les lu mières 34 et 12.
Lorsqu'une telle rupture se produit lorsque la soupape 17 est légèrement ouverte, la conséquence est très sensiblement analogue. Lorsque l'orifice 5 est débloqué, le débit du fluide tend à augmenter brusquement, mais la légère diminution qui résulte de la pression du fluide qui s'exerce contre le piston- valve 20 permet à ce dernier de se déplacer vers la gauche et de fermer ou réduire davan tage les lumières, de sorte que toute augmen tation sensible du débit est de très courte durée.
A mesure que la pression s'établit en suite dans l'extrémité d'entrée de l'ajutage, la lumière 34 se rouvre quelque peu, mais le taux du débit à travers l'ajutage est inférieur au taux normal, ce qui évite un endommagement des éléments desservis.
En se reportant maintenant aux fig. 6 et 7, on voit que l'orifice 5 de l'ajutage présente un siège biseauté 37 de soupape destiné à s'ap pliquer contre la surface<B>38</B> biseautée de façon correspondante de la soupape de sortie 17. Lorsque cette soupape n'est que légèrement ouverte, comme le représente la fig. 6, le com bustible tourbillonnant est évacué à travers l'orifice selon un angle qui est déterminé par les parties de siège parallèles 37 et 38.
Tou tefois, dans le cas où les éléments de la sou pape ne présentent que de tels sièges, on cons tate que pour des taux élevés du débit, l'enve loppe du combustible évacué de l'orifice assume une forme arrondie ou en para pluie , au lieu de conserver la forme conique désirée, comme dans le cas d'un faible taux de débit.
La demanderesse a constaté qu'en formant un angle double sur la face interne de la sou pape 17, de façon à constituer une deuxième surface biseautée 39 de profil conique plus obtus (c'est-à-dire d'un plus grand angle au sommet), l'angle de l'enveloppe de pulvérisa tion 40 qui est déterminé par la surface 38, 39 se juxtapose plus étroitement au siège 37.
En conséquence, comme le représente la fig. -7, lorsque la soupape 17 est ouverte d'une quan tité relativement , grande et que l'orifice 5 de l'ajutage débite une forte quantité de combus tible, l'angle de l'enveloppe conique de pulvé risation est relativement grand près de son sommet, ce qui s'oppose à la tendance à la formation d'une enveloppe arrondie et main tient l'angle désiré à l'intérieur des limites prescrites. On peut prévoir plus de deux surfa ces coniques- d'angle au sommet croissant, ou bien avoir recours à une surface courbe conti nue en vue d'arriver sensiblement au même résultat.
On se référera maintenant au graphique de la fig. 8 qui compare la perte de charge totale (courbe A) entre l'admission de l'ajutage et la chambre d'évacuation (ordinairement une chambre de combustion) à la perte de charge (courbe B) entre la chambre 16 (juste en dedans de la soupape de sortie) et ladite chambre d'évacuation. La première -détermine le degré d'ouverture de la soupape de sortie et la deuxième détermine le caractère du cône de pulvérisation obtenu.
On a porté en abcisse sur ce graphique les pourcentages du débit du combustible sortant de l'ajutage par rapport à un taux déterminé et en ordonnée les pourcen tages de la pression maximum qui assure l'ou verture de la soupape. Pour une pression d'admission déterminée, la soupape 17 s'ouvre, le fluide s'écoule dans le canal 7 et les canaux hélicoïdaux 15 vers l'orifice 5.
Comme on l'a expliqué ci-dessus, la pression d'admission qui s'exerce sur -la surface relativement grande du piston-valve 20 agit pour ouvrir tout d'abord la soupape 17 rapidement, en s'opposant à toute tendance que celle-ci aurait à coller sur son siège, mais le débit .du fluide est néan moins faible par suite de la capacité limitée des canaux hélicoïdaux 15 de section réduite. Pour augmenter-le débit à travers ces canaux d'un facteur déterminé, il serait nécessaire d'élever au carré de ce facteur la pression dans la canalisation.
En conséquence, dans la gamme du fonctionnement à faible débit, lors qu'il se produit une légère augmentation de la pression de la canalisation, la soupape .de sor tie s'ouvre proportionnellement, mais -le débit du fluide qui s'écoule dans les canaux 15 vers cette soupape n'augmente que de peu.
Toute fois, lorsque la pression dans la canalisation d'admission augmente de façon notable, le piston-valve 20 se déplace davantage de façon à commencer à admettre du fluide au-delà du profil 30 vers la lumière 12, en contournant les canaux 15, la perte de charge (courbe B) entre la chambre 16 et la chambre d'évacua tion augmente, tandis que la perte de charge totale à travers l'ensemble de l'ajutage (courbe A) n'augmente que selon un taux sensiblement moins rapide qu'auparavant.
En d'autres termes, la perte- de charge to tale dans l'ajutage augmente rapidement pen- dant les premiers 15 % de la gamme du débit. Ceci résulte du fait que le débit du fluide n'a lieu qu'à travers les canaux hélicoïdaux 15 de section réduite.
La pression s'applique directe- ment contre la surface relativement grande du piston-valve 20, en provoquant une ouverture rapide de façon correspondante de la soupape 17 bien due le débit soit encore relativement faible. On obtient ainsi une bonne pulvérisa tion, tandis qu'au cas où l'on compterait seu lement sur la pression du liquide qui s'exerce contre la soupape 17 pour assurer l'ouverture de cette dernière, elle, ne serait pas soulevée suffisamment de son siège au début pour assu rer l'enveloppe conique désirée du combusti ble à l'orifice de l'ajutage.
Au contraire, le fluide aurait tout d'abord tendance à émerger sous la forme de jets fins en forme de cor des , ce qui est une condition inacceptable qui se produit après que la soupape a été soulevée d'une distance de l'ordre de 0,025 mm seule ment. Par contre, lorsqu'on opère à un faible débit, les ajutages classiques de ce type néces sitent une augmentation proportionnelle con sidérable du débit du combustible avant que la pression se soit .élevée dans une mesure suffisante pour ouvrir la soupape de sortie.
Lorsqu'on arrive à 3 ou 4 % du débit estimé, le piston-valve 20 s'est déplacé suffi samment pour faire passer l'épaulement profilé 30 au-delà du bord de la lumière 12 et par suite pour commencer à admettre le -liquide dans les passages 9.
Lorsque le débit atteint 15 % environ du débit estimé (voir fig. 8), le taux de l'augmentation de la perte de charge dans l'ensemble de l'ajutage diminue lorsque le débit augmente, en raison de la forme du profil 30 qui permet un débit accru vers la chambre 12 et les passages 9, et qu'on choisit d'habitude de façon à admettre un débit pro gressivement croissant dans la lumière 12 au fur et à mesure que la soupape s'ouvre, de sorte qu'on peut,
maintenir relativement cons tant l'angle du cône de pulvérisation pour tous les débits.
Lorsque la soupape de sortie est ouverte en grand et -que le pourcentage du débit est de 40 % environ de la gamme du débit, la forme du siège de la soupape 17 cesse d'avoir un grand effet sur l'ouverture de la soupape, bien qu'elle affecte encore la forme du cône de pul vérisation. La tige de soupape et l'orifice 5 déterminent alors en commun l'ouverture an nulaire à travers laquelle le fluide s'écoule.
Etant donné qu'à ce stade il devient impossi ble d'augmenter davantage l'ouverture effi cace de sortie, on peut choisir le profil 30 pour admettre le fluide dans la lumière 12 se lon un débit croissant à mesure que le piston- valve 20 se déplace sous l'effet d'une augmen tation de la pression d'admission. Ceci compense le fait qu'on ne peut pas agrandir davantage simultanément l'ouverture de la sou pape de sortie. On pourrait aussi donner à la tige de soupape 17 une forme effilée vers l'in térieur, afin de modifier la dimension de l'ou verture de la soupape, mais attendu que les ajutages sont souvent très petits, il convient de ne pas affaiblir indûment la tige.
En modi fiant d'une manière appropriée le profil 30, il est possible d'obtenir une augmentation relati vement importante du débit à la suite d'une légère augmentation de la pression dans la limite supérieure de la gamme.
On voii en conséquence que l'ajutage dé crit est susceptible de fonctionner sous une large gamme du débit, tout en maintenant uni formes les caractéristiques de pulvérisation dans ladite gamme. Cet ajutage fonctionne au tomatiquement, en ne s'ouvrant que lorsqu'on a atteint une pression minimum de fonctionne ment déterminée et en se fermant lorsque la pression s'abaisse au-dessous de ce point. On obtient une action appropriée de turbulence pour des débits tant élevés que faibles, et l'on peut maintenir dans d'étroites limites prescrites l'angle d'évacuation de l'enveloppe conique de pulvérisation.
Certaines caractéristiques de l'ajutage dé crit, comme la disposition de dérivation pré vue afin de régulariser le débit du combusti ble, peuvent également être appliquées avec profit aux ajutages du type ouvert, bien qu'on n'obtienne pas tous les résultats désirables que l'on obtient avec l'ajutage du type décrit. On peut traiter divers liquides tels que l'eau, et des gaz, mais le présent ajutage est particu lièrement destiné à être utilisé avec des com bustibles liquides tels que le fuel oil, le kéro- sène, l'essence de pétrole et les liquides analogues.
<B> Spray nozzle </B> The present invention relates to nozzles and more particularly those intended especially for the injection of liquid fuels into the combustion chambers of various types of engines.
There are currently various types of engines using liquid fuels which are to be injected into their combustion chambers, these engines including the well-known internal combustion automobile engine, diesel engines, turbojets, propulsion reactors, gasoline engines. piston reaction and the like.
Although these latter types of engines are now widely used in aviation, it is expected that they will soon find their application in locomotives and ships: In some of these engines, it is necessary to have a wide range of fuel flow, between the minimum and maximum limits chosen, while maintaining a low total pressure drop in the nozzle, between the intake manifold and the combustion chamber.
In the past, nozzles of the open-orifice type have been used in these applications, but with little success, mainly due to their limited flow range of approximately 10 to 1. The flow range that l Proper operation of some modern jet engines must be obtained in order to ensure continuous operation is in some cases between 125 and 1.
The. Usual open orifice fittings are not capable of ensuring such a wide range of operation, since in these nozzles when increasing the rate of flow by a determined factor the corresponding pressure curve must be increased by the square of this factor. Trying to achieve. a wide range of flow rates with the latter type of nozzle is therefore entirely impracticable in practice, since unacceptably high pressure curves are obtained in the upper range of the flow rate.
On the other hand, with normally closed orifice and variable opening nozzles, it is possible to obtain a wide range of flow rates without the need to resort to excessive inlet pressures to obtain very high flow rates. . However, with this latter type of nozzle, a serious difficulty is encountered when attempting to meet the strict specifications generally imposed with regard to maintaining a determined angle of the spray cone for all rates of flow in operation. . When the flow rate drops to a very low level,
it becomes very difficult to make such a nozzle which can be automatically adjusted to maintain the desired spray angle. The invention therefore proposes in particular to produce a nozzle (a) having a wide range of flow rates (b) a small increase in <B> - </B> of <B> '> </B> the pressure drop on passing from a low rate of flow to a high rate; (c) which maintains a constant angle to the spray jacket over this wide range of flow rates; (d) which atomizes the liquid quickly, before the liquid spray cone spreads very far; (e) which closes automatically when the inlet load drops below a determined value.
The invention also proposes to provide such a nozzle which is arranged so as to prevent liquid leakage at an extremely high rate of flow rate in the event that the outlet valve should cease to function properly for any reason whatsoever. ; which can be manufactured at a reasonable price and which requires a minimum of maintenance and repairs.
Other details and features of the invention will result from the description of various embodiments of the invention, given below by way of examples with reference to the accompanying drawing.
Fig..1 is a longitudinal section dia métrale of a first embodiment of the nozzle .selon the invention; Figs 2, 3 and 4 are cross sectional views taken along lines 2-2, 3-3 and 4-4, respectively, of Fig 1; Fig. 5 is a longitudinal diametral sectional view of a second embodiment of the nozzle; Fig. 6 is a partial sectional view of the orifice of the nozzle - showing the outlet valve slightly open;
Fig 7 is a view similar to Fig 6, but shows the valve relatively wide open; and Fig. 8 is a graph comparing the pressure drop between the intake manifold and the combustion chamber to the pressure drop between the chamber at the intake side of the outlet valve and the combustion chamber for various percentages a determined rate of flow of fuel through the nozzle.
The nozzle shown in figs 1 to 4 com takes a body 1 of generally cylindrical shape, having a base 2 of larger diameter and threaded for attachment to an intake manifold (not shown) of the engine. An internal sleeve 3, provided with a filter 4, for example made of wire mesh, is screwed into the base 2. The filter serves to protect the internal parts of the nozzle, independently of the usual filters provided in the pipe. main fuel supply. The other end of the fitting body is closed, with the exception of a central hole 5. All parts can advantageously be made of stainless steel, for example.
An internal jacket 6, forced inside the cylindrical body 1, has at its external periphery a longitudinal groove of semicircular shape forming a channel 7 open at the end which is turned towards the fuel intake side. . The other end of this channel is closed, with the exception of a passage 8 which opens radially inwards through the sleeve 6.
The outer periphery of the sleeve com carries several similar semi-circular grooves, forming longitudinal channels 9 open on the side of the end orifice of the nozzle, to which they are connected by means of tangential turbulence slots 10. The other ends of the channels 9 communicate by radial passages 11 with an internal annular chamber 12 formed in the internal periphery of the cylindrical jacket 6.
A valve guide 13 is forced inside the liner 6 towards the end orifice of the nozzle. This guide has at its outer periphery an annular groove which forms an annular chamber 14 arranged so as to communicate with the channel 7 through the radial passage 8. The outer surface of the guide 13 has several helical slots (four in the case of present) which form helical channels 15 communicating the annular chamber 14 with a chamber] .6 situated just inside the orifice 5. The elements which have just been described constitute the fixed or immobile members of the nozzle.
An outlet valve 17 of the flap type, intended to rest in the orifice 5, comprises a valve stem 18 housed in a cylindrical slide 19 formed in the guide 13, in axial alignment with the orifice 5.
A cylindrical shell or piston 20 capable of sliding inside the plug 6 is open facing the guide 13: and closed on the side of the fuel inlet end of the nozzle. An adjustment screw 21 passing through this last end is tinée to be fixed. in the adjustment position by means of a locking nut 22. A connecting rod 23, formed by a spring steel wire, passes through a central passage 24 formed in the valve rod 18, one of the ends of this connecting rod being joined, for example by brazing at low temperature, at one end of screw 21, while its other end is joined in a similar fashion to an external extension 25 of outlet valve 17.
Vents 26 formed in this extension communicate with the passage 24, so that the interior of the reciprocating cylindrical udder 20 is continuously in communication with the atmosphere or with the interior of a combustion chamber or other chamber. 'discharge connected to the nozzle. A compression spring 27, housed inside the piston 20, bears by one of its ends against the end of the fixed guide 13 and by its other end against a ron delle 28 and a thickness adjustment piece 29, interposed in the closed end of said piston.
It can now be seen that when the piston 20 and the parts which are connected to it are moved in a reciprocating motion, the outlet valve 17 participates in their movement through the intermediary of the rod 23. A certain degree of defect of Alignment between the valve and the udder is however permitted owing to the flexibility of the rod 23 and the play that this rod presents in the passage 24. The pressure under which the valve 17 is applied in the passage can be adjusted. port 5 first by using a part 29 of suitable thickness and then by choosing an appropriate wedge spring 27 pressure.
An additional adjustment can be obtained by turning the adjustment screw 21, but this screw fulfills another role which will be discussed below.
A shoulder 30 of the piston 20 is angled so as to create a communication passage of variable section with the annular chamber 12 when the piston 20 is moved inwardly against the compression spring 27. This reciprocating piston therefore functions as a regulating valve and will therefore be referred to hereinafter as piston-valve. The adjustment of the screw 21, in correlation with the variation in the thickness of the part 29, determines the flow rate of the compressed fluid which, during the reciprocating movement of the piston-valve 20, is admitted to the- beyond the shoulder 30 in the chamber 12.
The operation of the nozzle will now be described. Liquid fuel enters the nozzle from the intake manifold and is discharged through port 5 into an outer chamber at relatively low pressure. When the pressure of the fluid which is applied against the end of the piston-regulating valve 20 exceeds that prevailing in said outer chamber by an amount just sufficient to overcome the initial tension of the spring 27, the outlet valve 17 s' opens. The pressure of the fluid which is exerted directly against the reduced surface of the valve 17 is relatively small.
Opening valve 17 allows fuel to flow through channel 7, passage 8 and helical channels 15 into chamber 16 and past valve 17 into the outer chamber (normally a chamber combustion which may be at a pressure substantially equal to the atmospheric pressure or in some cases at pressures much higher than the atmospheric pressure).
The constriction formed by the helical channels 15 establishes sufficient back pressure to displace the piston-valve 20 and thereby open the outlet valve 17 which is coupled thereto by the rod 23 to a greater distance than that which the action of the pressure of the fluid acting directly against the inner side of the valve 17 with reduced surface area would be obtained. The helical channels 15 impart to the fuel a high rate of turbulence in the chamber 16, even at low flow rates. of fuel, so that excellent atomization in the fuel spray jacket is obtained, even at these low flow rates.
The turbulence of the envelope fuel particles formed in chamber 16 causes the particles to rupture and disintegrate the envelope to a finely pulverized mist state, which then transforms into a relatively dry vapor. .
The helical channels 15 of reduced cross section prevent a high pressure of the fluid from building up in the chamber 16 upon the initial opening of the outlet valve 17, so that the initial discharge of the fluid out of the chamber. The nozzle is carried out at a relatively low speed. Likewise, these helical channels of reduced section ensure that the inlet pressure is maintained against the piston-valve 20.
As the fuel flow increases, the piston-valve 20 is moved progressively from left to right (Fig. 1) bringing the bevelled shoulder 30 beyond the edge of the chamber 12. As a result, the fuel enters this chamber. chamber to an increasing extent as the piston-valve opens and it flows from this chamber 12 through the channels 9 and the turbulence slots 10 into chamber 16 and from there through the chamber. Port 5. Of course, valve 17 opened correspondingly upon opening of piston-valve 20.
A certain quantity of fuel continues to flow through channel 7 and channels 15, but this flow rate soon becomes irrelevant compared to the much greater one which enters chamber 12 and flows through channels 9. The slits 10 are given a shape such that for the determined maximum flow rate of the fuel, the pressure drop between an annular chamber 31 and the chamber 16 is as low as possible, while exerting a sufficient turbulent action through these slits. to ensure satisfactory atomization of fuel at port 5.
The turbulence slots 10 provide at higher flow rates the same result as the helical channels 15 for lower flow rate, but the pressure drop across the slots 10 is much lower, since they have a relatively large cross section. Instead of providing slits 10 arranged obliquely to obtain the desired action of turbulence, the channels 9 themselves can be given a somewhat helical shape.
The nozzle shown in FIG. 5 is generally similar to that described with reference to FIG. 1, but has some changes. The nozzle body 32 is externally threaded so as to allow it to be inserted into a correspondingly threaded opening communicating with the fuel inlet manifold. The general internal construction of this nozzle is similar to that shown in FIG. 1, so that it is unnecessary to describe it again, similar parts being assigned the same reference numbers.
The inlet end of the channel 7, instead of opening directly into the inlet end of the nozzle, communicates with an annular chamber 33 having in its internal periphery a narrow inlet light 34 intended for be closed by a piston-valve 20 driven by a reciprocating movement. Instead of providing the piston-valve regulator 20 with a shoulder with a contoured or bevelled profile, in order to regulate the admission of the fluid into the annular chamber 12, the internal periphery of a ring 36 is given a corresponding profile 35. in order to obtain the same result.
This nozzle comprises a safety means owing to the fact that during operation at a low flow rate, in the event that the outlet valve 17 should break or become detached, the spring 27 would be able to move the piston-valve. 20 to the left, interrupting the flow of fuel both in the annular chamber 12 and in the annular chamber 33. This result is obtained as follows: the adjustment screw can be adjusted so that when the valve 17 is applied in the orifice of the adjustment, the piston-valve 20 closes the openings 34 and 12.
Consequently, no fluid will flow through the nozzle until the pressure in the inlet line has reached a determined minimum value. When this pressure has risen enough to move the piston-valve 20 slightly to the right, the valve 17 opens and the port 34 is released, at least partially, so as to allow a limited flow towards the port 5. .
In known nozzles of the normally closed type, in the event of a rupture of the outlet valve set for a low fuel flow rate, a large increase in the flow rate out of the nozzle occurs, resulting in local heating. which is very harmful in certain types of engines where it is essential to ensure uniform heating. On the other hand, in the present nozzle, in the event that the valve 17 should break in the closed position, it can be seen that the spring 27 acts to move the piston-valve 20 further to the left (fig. 5), in now closed on Lights 34 and 12.
When such a rupture occurs when the valve 17 is slightly opened, the consequence is very substantially similar. When orifice 5 is unblocked, the flow of fluid tends to increase sharply, but the slight decrease which results from the pressure of the fluid exerted against the piston-valve 20 allows the latter to move to the left and to turn the lights off or down further, so that any noticeable increase in flow is very short lived.
As pressure subsequently builds up in the inlet end of the nozzle, lumen 34 reopens somewhat, but the rate of flow through the nozzle is less than the normal rate, avoiding damage to serviced items.
Referring now to Figs. 6 and 7, it is seen that the orifice 5 of the nozzle has a beveled valve seat 37 intended to abut against the correspondingly beveled surface <B> 38 </B> of the outlet valve 17. When this valve is only slightly open, as shown in fig. 6, the swirling fuel is discharged through the orifice at an angle which is determined by the parallel seat portions 37 and 38.
However, in the case where the elements of the valve have only such seats, it is noted that for high rates of flow, the envelope of the fuel discharged from the orifice assumes a rounded or rainproof shape. , instead of keeping the desired conical shape, as in the case of a low flow rate.
The Applicant has observed that by forming a double angle on the internal face of the valve 17, so as to constitute a second bevelled surface 39 of more obtuse conical profile (that is to say of a greater angle at vertex), the angle of the spray shell 40 which is determined by the surface 38, 39 juxtaposes more closely with the seat 37.
Accordingly, as shown in fig. -7, when the valve 17 is opened to a relatively large amount and the orifice 5 of the nozzle delivers a large amount of fuel, the angle of the conical spray casing is relatively large near from its top, which opposes the tendency to form a rounded envelope and hand holds the desired angle within the prescribed limits. It is possible to provide more than two surfaces of these conical conicals with an increasing apex, or else to have recourse to a continuous curved surface in order to achieve substantially the same result.
Reference will now be made to the graph of FIG. 8 which compares the total pressure drop (curve A) between the inlet of the nozzle and the discharge chamber (usually a combustion chamber) to the pressure drop (curve B) between the chamber 16 (just inside outlet valve) and said discharge chamber. The first determines the degree of opening of the outlet valve and the second determines the character of the spray cone obtained.
The percentages of the flow rate of the fuel leaving the nozzle relative to a determined rate are plotted on the abscissa on this graph, and on the ordinate the percentages of the maximum pressure which ensures the opening of the valve. For a determined inlet pressure, the valve 17 opens, the fluid flows in the channel 7 and the helical channels 15 towards the orifice 5.
As explained above, the inlet pressure exerted on the relatively large area of the piston-valve 20 acts to first open the valve 17 rapidly, counteracting any tendency that may arise. this would have to stick on its seat, but the flow rate .du fluid is nevertheless low due to the limited capacity of the helical channels 15 of reduced section. In order to increase the flow rate through these channels by a determined factor, it would be necessary to increase the pressure in the pipe to the square of this factor.
Accordingly, in the range of low flow operation, when there is a slight increase in line pressure, the outlet valve opens proportionally, but the flow rate of the fluid flowing through it. the channels 15 to this valve increase only slightly.
However, when the pressure in the intake line increases significantly, the piston-valve 20 moves further so as to begin to admit fluid beyond the profile 30 towards the lumen 12, bypassing the channels 15, the pressure drop (curve B) between chamber 16 and the discharge chamber increases, while the total pressure drop across the entire nozzle (curve A) only increases at a significantly lower rate faster than before.
In other words, the total pressure drop across the nozzle increases rapidly during the first 15% of the flow range. This results from the fact that the flow of the fluid takes place only through the helical channels 15 of reduced section.
The pressure is applied directly against the relatively large area of the piston-valve 20, causing a correspondingly rapid opening of the valve 17 although the flow rate is still relatively low. A good spray is thus obtained, whereas if one relies only on the pressure of the liquid which is exerted against the valve 17 to ensure the opening of the latter, it would not be raised sufficiently. its seat at the start to ensure the desired conical envelope of fuel at the orifice of the nozzle.
On the contrary, the fluid would first tend to emerge as fine, horn-shaped jets, which is an unacceptable condition which occurs after the valve has been lifted a distance of the order of. 0.025 mm only. On the other hand, when operating at a low flow rate, conventional nozzles of this type require a substantial proportional increase in the fuel flow rate before the pressure has risen sufficiently to open the outlet valve.
When we arrive at 3 or 4% of the estimated flow, the piston-valve 20 has moved sufficiently to pass the profiled shoulder 30 beyond the edge of the lumen 12 and therefore to begin to admit the - liquid in passages 9.
When the flow rate reaches about 15% of the estimated flow rate (see Fig. 8), the rate of increase in pressure drop across the nozzle decreases as the flow rate increases, due to the shape of the profile 30 which allows an increased flow rate to chamber 12 and passages 9, and is usually chosen so as to admit a progressively increasing flow rate in lumen 12 as the valve opens, so that 'we can,
keep the angle of the spray cone relatively constant for all flow rates.
When the outlet valve is fully opened and the flow percentage is about 40% of the flow range, the shape of the valve seat 17 ceases to have a great effect on the opening of the valve, although it still affects the shape of the spray cone. The valve stem and the orifice 5 then jointly determine the annular opening through which the fluid flows.
Since at this stage it becomes impossible to further increase the effective outlet opening, the profile 30 can be chosen to admit the fluid into the lumen 12 at an increasing rate as the piston-valve 20 moves under the effect of an increase in the inlet pressure. This compensates for the fact that the opening of the outlet valve cannot be further enlarged simultaneously. The valve stem 17 could also be given an inwardly tapered shape in order to change the size of the valve opening, but since the nozzles are often very small, care should not be taken to weaken unduly. the rod.
By appropriately modifying the profile 30, it is possible to obtain a relatively large increase in flow rate following a slight increase in pressure in the upper limit of the range.
It can therefore be seen that the nozzle described is capable of operating under a wide range of the flow rate, while maintaining uniform spray characteristics in said range. This nozzle operates automatically, only opening when a determined minimum operating pressure is reached and closing when the pressure drops below this point. Appropriate turbulence action is obtained for both high and low flow rates, and the angle of discharge of the conical spray shell can be kept within narrow prescribed limits.
Some features of the nozzle described, such as the bypass arrangement designed to regulate the flow of fuel, can also be applied with advantage to nozzles of the open type, although not all of the desirable results are obtained. this is obtained with the nozzle of the type described. A variety of liquids such as water, and gases can be processed, but this nozzle is particularly intended for use with liquid fuels such as fuel oil, kerosene, petroleum gasoline and liquids. analogues.