RU2069788C1 - Топливная форсунка двигателя внутреннего сгорания для подачи топлива, захваченного газом - Google Patents

Abstract

Использование: двигателестроение, в частности топливовпрыскивающая аппаратура. Сущность изобретения: инжектор топлива для двигателя внутреннего сгорания, имеющий селективно открывающуюся насадку 10, через которую топливо подается в камеру сгорания двигателя. Насадка 10 включает отверстие 12, имеющее внутреннюю кольцевую поверхность 13, и клапанный элемент 20, имеющий наружную кольцевую поверхность, соосную относительно внутренней кольцевой поверхности. Кольцевые поверхности имеют такую форму, что, когда внутренняя и наружная кольцевые поверхности находятся в плотном контакте, закрывая насадку, максимальная ширина 17 прохода между упомянутыми поверхностями по существу не превышает 40 микрон, предпочтительно не превышает 20 микрон, в направлении, перпендикулярном упомянутым поверхностям. 7 з. п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к инжекторным насадкам клапанного распределения двигателей внутреннего сгорания, к которым могут относиться только двигатели с периодическим циклом сгорания, такими, например, как поршневые или роторные двигатели.

Известные инжекторные насадки, используемые для подачи топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя, являются насадками с клапанами проходного типа (заявка Великобритании N 2219627, кл. F 02 M 61/18), которые подают топливо в виде цилиндрической или расходящейся струи. Природа формы струи топлива зависит от ряда факторов, включающих геометрию отверстия и клапана, образующих насадку и особенно поверхностей отверстий и клапана, непосредственно примыкающих к седлу, в котором отверстие и клапан входят в зацепление для образования уплотнения при закрытой насадке. После того как была выбрана геометрия насадки для обеспечения требуемого действия, сравнительно небольшие отклонения от этой геометрии могут привести в сильному ухудшению этого действия.

В частности, прилипание или накопление твердых продуктов сгорания или других осаждений на поверхностях, по которым протекает топливо, может стать причиной нарушения работы насадки. Основной причиной осаждений на таких поверхностях является прилипание к ним углеродистых или других частиц, которые могут быть образованы в результате сгорания или частичного сгорания топлива, остающегося на этих поверхностях между циклами впрыскивания или за счет углеродистых частиц, образованных в камере сгорания во время сжигания.

Образование осаждений на этих поверхностях также может оказать отрицательное влияние на дозирующее действие инжекторной насадки когда дозирование происходит на инжекторной насадке. Наличие осаждений может непосредственно сократить площадь поперечного сечения пути прохождения топлива через открытую насадку и/или стать причиной эксцентричности между клапаном и отверстием насадки, за счет чего изменяется площадь поперечного сечения пути прохождения топлива. Степень этих осаждений может быть такова, что нельзя будет осуществить адекватное закрывание инжекторной насадки и это приведет к постоянной утечке топлива через насадку в камеру сгорания. Эта утечка оказала бы слишком сильное отрицательное действий на уровень эмиссии выхлопных газов, а также вызвала нестабильность работы двигателя.

Характеристики распыления топлива, подаваемого из насадки в двигатель внутреннего сгорания, например, непосредственно в камеру сгорания, оказывают сильное влияние на эффективность сгорания топлива, что, в свою очередь, влияет на стабильность работы двигателя, эффективность использования топлива двигателя и на состав выхлопных газов двигателя. Для оптимизации таких влияний, в частности, в двигателях с искровым зажиганием, желательными параметрами формы распыления топлива, выходящего из насадки, являются небольшой размер капель топлива (жидкие виды топлива), регулируемая геометрия и проникновение распыляемого топлива и по крайней мере при низких нагрузках двигателя, относительно содержащееся и равномерно распределенное сгораемое облако пара топлива вблизи свечи зажигания двигателя.

Задача изобретения создание насадки, через которую топливо впрыскивается в двигатель внутреннего сгорания и которая бы способствовала уменьшению образования осаждений на пути прохождения топлива, подаваемого в двигатель и, следовательно, улучшила бы действие насадки во время работы.

Для этого предлагается топливная форсунка для двигателя внутреннего сгорания, имеющая селективно открывающуюся насадку, через которую топливо подается в камеру сгорания двигателя, причем упомянутая насадка имеет отверстие с внутренней кольцевой поверхностью и клапанный элемент, имеющий наружную кольцевую поверхность соосную с внутренней кольцевой поверхностью, причем упомянутый клапанный элемент может двигаться по оси относительно отверстий для выборочного обеспечения между упомянутыми внутренней и наружной кольцевыми поверхностями непрерывного прохода для подачи через него топлива, или плотного контакта между ними вдоль круглой линии седла, по существу соосно с соответствующими кольцевыми поверхностями для предотвращения подачи топлива между ними, причем упомянутые кольцевые поверхности имеют такую относительную форму, что когда внутренняя и наружная кольцевые поверхности находятся в плотном контакте вдоль упомянутой круглой линии седла, максимальная ширина прохода между упомянутыми поверхностями в любую сторону от линии седла по существу не превышает 40 мкм в направлении, перпендикулярном упомянутым поверхностям.

Удобнее всего, если максимальная ширина прохода находится ниже седла относительно направления потока топлива через проход.

Максимальная ширина прохода предпочтительно незначительно больше 35 мкм и предпочтительно незначительно больше 35 мкм.

Предпочтительно корпус, в котором выполнено отверстие, и клапанный элемент имеют соответственно концевые поверхности у нижнего конца внутренней и наружной кольцевых поверхностей, которые по существу перпендикулярны соответствующим кольцевым поверхностям. Предпочтительно, концевые поверхности направлены под прямым углом плюс или минус 10^o к соответствующим кольцевым поверхностям.

Для удобства концевые поверхности корпуса и клапанный элемент по существу являются копланарными, когда клапанный элемент находится в плотном контакте с отверстием по круглой линии седла, или по крайней мере ни одна из кольцевых поверхностей по существу не нависает или не выходит за край другой поверхности на нижнем конце когда клапанный элемент находится в седле.

Длина по крайней мере одной из внутренней и наружной кольцевых поверхностей предпочтительно составляет 0,50 2,0 мм и наиболее целесообразно 0,80 1,50 мм.

Целесообразно, чтобы внутренняя и наружная кольцевые поверхности были наклонены к их общей оси под соответствующими углами таким образом, чтобы они отходили от круглой линии седла вниз в направлении потока топлива во время подачи.

Круглая линия седла может находиться по существу около или быть примыкающей к концу внутреннего или меньшего диаметра внутренней кольцевой поверхности отверстия.

Внутренняя и наружная кольцевые поверхности могут быть в виде усеченного конуса, хотя наружная кольцевая поверхность клапанного элемента может быть дугообразной в осевом сечении представляя собой выпуклую и предпочтительно частично сферическую поверхность, обращенную к внутренней кольцевой поверхности отверстия. Применение выпуклой поверхности во время изготовления способствует получению нужного положения круглой линии седла, образующего уплотнение между отверстием и клапанным элементом.

Вышеописанное взаимодействие внутренней и наружной поверхностей было проверено при испытании для сохранения требуемой формы распыления и требуемого действия насадки в течение более длительных периодов времени, чем было раньше. Было предложено, чтобы уменьшенный максимальный размер зазора между кольцевыми поверхностями ниже круглой линии седла мог создавать ударную нагрузку, действующую на какое-либо осаждение при каждом закрывании насадки. Такая ударная нагрузка сдвигает осаждение, и таким образом, предотвращает образование наслоений на противоположных поверхностях.

Кроме того, размещение конечных поверхностей приводит к тому, что любое выступание осаждений на концевых поверхностях в путь прохождения топлива оказывается на непосредственном пути прохождения топлива и, таким образом, подвергается действию ударной силы топлива, отламывающей такие выступы осаждений. Развитие таких нависающих осаждений также сдерживается соответствующей концевой поверхностью, являющейся капланарной когда клапанный элемент посажен в отверстии.

Предлагаемое изобретение будет более понятным при рассмотрении описания трех практических вариантов размещения насадки для впрыскивания топлива, воплощающих пример осуществления изобретения, как это показано на прилагаемых чертежах.

На фиг. 1 показан разрез отверстия и клапана насадки в закрытом положении; на фиг.2 вид согласно фиг. 1 с клапаном в открытом положении; на фиг. 3 вид согласно фиг. 1 с альтернативной формой клапана; на фиг.4 вид согласно фиг. 1 с еще одной альтернативной формой клапана.

На фиг. 1 и 2 корпус 10 насадки имеет в своей нижней части осевое сквозное отверстие 11, которое заканчивается отверстием 12, имеющим внутреннюю кольцевую поверхность 13. Отверстие 12 окружено выступающим кольцом 14, имеющим концевую поверхность 15, которая пересекает внутреннюю кольцевую поверхность 13 под прямым углом.

Клапанный элемент 20 имеет шток 21 с головкой 22 клапана, являющейся его неотъемлемой частью на одной его конце.

Шток 21 взаимодействует с механизмом для совершения возвратно-поступательного движения в корпусе 10 насадки для того, чтобы селективно открывать и закрывать насадку. Топливо, предпочтительно захватываемое газом, таким как воздух, подается через отверстие 11 для подачи в двигатель, когда насадка открыта. Количество топлива можно дозировать, когда оно подается через насадку, или же его можно подавать в дозированных количествах к отверстиях 11. Головка 22 клапана имеет наружную кольцевую поверхность 23, расходящуюся наружу от штока 21, и концевую поверхность 24, сходящуюся от края кольцевой поверхности 23. Поверхности 23 и 24 имеют форму усеченного конуса и пересекаются под прямыми углами.

Угол конуса кольцевой поверхности 23 меньше угла кольцевой поверхности 13, поэтому они расходятся относительно друг друга в направлении к концевым поверхностям 15 и 24 соответственно. Углы и диаметры поверхностей 13 и 23 выбираются таким образом, чтобы головка 22 клапана была посажена на стыке отверстия 11 и внутренней кольцевой поверхности 13 отверстия 12. Круглая линия посадки обозначена позицией 16 на головке 22 клапана. Длина поверхностей 13 и 23 выбирается таким образом, что когда головка 22 клапана посажена в отверстии 12 соответствующие концевые поверхности 15 и 24 проходят в одной плоскости. Это можно легко обеспечить за счет шлифования этих поверхностей после сборки клапанного элемента в корпусе насадки.

Выбор углов кольцевых поверхностей 13 и 23 и длины каждой ниже линии 16 седла определяют ширину кольцевого зазора 17 между ними по их краям. Для того, чтобы обеспечить преимущественное контролирование образования осаждений между этими поверхностями, ширина кольцевого зазора 17 при посаженном клапанном элементе 20 не должна по существу превышать 40 мкм. Это также можно обеспечить посредством шлифования концевых поверхностей 15 и наружной кольцевой поверхности 23 составляет соответственно 40 и 39^o, с номинальным диаметром отверстия 11 4,20 мм и максимальным диаметром наружного конца головки 22 клапана 5,90 мм. Эти размеры обеспечивают зазор 17 величиной приблизительно 20 мкм с нижнего края, а длина внутренней поверхности 13 отверстия составляет 1,35 мм.

Следует понимать, что другие номинальные углы посадки в насадке также могут быть использованы и они могут составлять 20 60^o, предпочтительно 30 50^o. Кроме того, длина внутренней поверхности 13 отверстия не должна превышать 2,00 мм и предпочтительно составлять 0,8 1,5 мм.

В альтернативной конструкции, как показано на фиг. 3, единственным отличием от фиг. 1 и 2 является то, что наружная кольцевая поверхность 33 головки клапана не является конической как на фиг. 1 и 2, а является выпуклой, предпочтительно дугообразной в поперечном сечении. Контур выпуклой кольцевой поверхности выбирают с учетом внутренней кольцевой поверхности 13 таким образом, чтобы круглая линия посадки 32 находилась на некотором расстоянии от места соединения отверстия 11 и внутренней поверхности 13 и чтобы зазор между внутренней и наружной поверхностями 13 и 33 увеличивался постепенно от линии 32 посадки к концевой поверхности 34. Как и раньше ширина зазора 31 у конечной поверхности 34 составляет порядка 20 30 мкм при посаженном клапанном элементе. Выпуклая поверхность может быть частью сферы или состоять из двух или нескольких частично-сферических поверхностей и является симметричной по отношению оси клапанного элемента 20 в еще одном виде внутренняя кольцевая поверхность отверстия является вогнутой, а наружная кольцевая поверхность головки клапана выпуклой.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения кольцевые поверхности клапанного элемента 20 и отверстия 10 имеют такую форму, чтобы линия седла примыкала к наружному или нижнему краю внутренней кольцевой поверхности отверстия. Эта конструкция показана на фиг. 4, где внутренняя кольцевая поверхность 43 отверстия 10 и наружная кольцевая поверхность 44 клапанного элемента 10 имеет форму усеченного конуса. Угол конуса наружной кольцевой поверхности 44 больше угла конуса внутренней кольцевой поверхности 43 за счет чего контакта поверхностей происходит у их нижних концов по линии 45 посадки. Таким образом проход 46 между поверхностями 43 и 44 проходит вверх от линии 45 посадки к участку максимальной ширины 47. И вновь, внутренняя и/или наружная кольцевые поверхности могут быть выпуклыми или вогнутыми, как было описано ранее.

Кроме того, в примере осуществления, показанном на фиг. 4. концевая поверхность 48 отверстия по существу наклонена к концевой поверхности 49 клапанного элемента. Форма концевых поверхностей может также быть включена в пример осуществления, как показано на фиг. 1 3, и подобно форме, показанной на фиг. 1 3, может быть воплощена в примере осуществления, показанном на фиг. 4. Наклоненная назад поверхность 48 образует лишь относительно небольшую массу металла на конце корпуса, который во время использования сохранит высокую температуру и сожжет все отложившиеся на нем частицы.

В каждом примере осуществления насадки имеется открывающийся наружу клапанный элемент, обычно называемый тарельчатым клапаном, однако данное изобретение в равной степени применимо к клапанным элементам, открывающимся вовнутрь, обычно называемым игольчатые клапаны.

Описанная выше насадка может использоваться в топливной форсунке любого типа, имеющей тарельчатый клапан, а также может использоваться для впрыскивания как жидких, так и газообразных видов топлива, по отдельности или вместе и с захватыванием газовым носителем, таким как сжатый воздух, или без него.

Claims (8)

1. Топливная форсунка двигателя внутреннего сгорания для подачи топлива, захваченного газом, содержащая впрыскивающее сопло с осевым каналом и седлом, образованным внутренней кольцевой поверхностью впрыскивающего сопла, клапанный элемент с наружной кольцевой поверхностью, соосной с внутренней кольцевой поверхности седла впрыскивающего сопла, размещенный с возможностью возвратно-поступательного перемещения и контакта своей наружной кольцевой поверхностью с внутренней кольцевой поверхностью седла впрыскивающего сопла, причем наружная и внутренняя кольцевые поверхности расположены с возможностью образования кольцевого зазора и контакта по кольцевой линии посадки, соосной с кольцевым поверхностям, отличающаяся тем, что кольцевой зазор между кольцевыми поверхностями выполнен с максимальной шириной, не превышающей 30 мкм в любую сторону от линии посадки в направлении, перпендикулярном кольцевым поверхностям.

2. Форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что линия посадки образована контактированием между собой нижних краев кольцевых поверхностей относительно направления потока топлива через кольцевой зазор.

3. Форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя и наружная кольцевые поверхности расположены с образованием максимального зазора у нижнего края кольцевых поверхностей в направлении от линии посадки.

4. Форсунка по пп. 1 3, отличающаяся тем, что максимальная ширина кольцевого зазора не превышает 20 мкм.

5. Форсунка по пп. 1 4, отличающаяся тем, что по крайней мере одна из упомянутых кольцевых поверхностей имеет длину 0,5 2,0 мм.

6. Форсунка по пп. 1 4, отличающаяся тем, что по крайней мере одна из кольцевых поверхностей имеет длину 0,8 1,5 мм.

7. Форсунка по пп. 1 6, отличающаяся тем, что седло или клапанный элемент выполнены с концевой поверхностью у нижнего края кольцевой поверхности.

8. Форсунка по пп. 1 7, отличающаяся тем, что седло и клапанный элемент выполнены с концевыми поверхностями у нижнего края соответствующих кольцевых поверхностей, причем концевые поверхности выполнены компланарными.

Images