Форсунка для впрыскивания топлива в двигатель внутреннего сгорания

 

Использование: в двигателестроении, в частности в топливовпрыскиващей аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: форсунка содержит полый корпус с коническим седлом, предсопловым каналом, соплом, каналом подвода топлива, ограничитель хода иглы, запорную пружину, иглу. Игла после запорной части выполнена цилиндрической, а на одной из поверхностей пары цилиндрическая поверхность иглы - внутренняя поверхность предсоплового канала изготовлены винтовые лопасти, причем длина цилиндрической части иглы и длина предсоплового канала приведены в виде математического неравенства. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к топливной аппаратуре дизелей и может быть использовано в автомобилестроении, тракторостроении, судостроении, тепловозостроении.

Известные форсунки, используемые для этой цели, можно разделить на две группы: форсунки, в которых впрыск топлива осуществляется без его закручивания вокруг оси, вдоль которой происходит его движение, и форсунки с закручиванием топлива.

В каждой группе есть большое разнообразие конструкций, однако все они не обеспечивают достаточно тонкого распыла, что приводит к неполному сгоранию топлива. В форсунках второй группы возможно достижение более тонкого распыла, поскольку из-за закручивания возникают центробежные эффекты, которые приводят к образованию более мелких капель, улучшению распыла. Однако в имеющихся конструкциях закручивание осуществляется либо до запорной части иглы, либо на запорной части. В результате на начальной стадии впрыска топливо перед подачей в двигатель не успевает достаточно раскрутиться, что ухудшает качество распыла в начале впрыска. Кроме того, в процессе подъема или опускания иглы меняется величина закрутки, что делает распыл не одинаковым за время впрыска.

Прототипом изобретения является распылитель, в котором закручивание топлива осуществляется с помощью винтовых канавок, расположенных на цилиндрическом продолжении (после конической запорной части) иглы.

Недостатком распылителя является то, что топливо вытекает из канавок в камеру сгорания в виде отдельных струй, и поэтому распыл каждой из них в основном происходит по механизму распыла отдельной струи, поскольку после истечения струи имеют различное направление. Центробежные эффекты здесь используются для создания надлежащего конуса распыла топлива и не приводят к качественно новым явлениям, улучшающим распыл.

Предлагаемое техническое решение имеет задачей улучшить качество распыления топлива. Качественный распыл согласно изобретению достигается созданием на выходе из сопла точкой конической пленки топлива, которая затем распадается на мелкие капли. Качество распыла определяется толщиной пленки: чем тоньше пленка, тем лучше распыл. Поэтому конструктивные особенности распылителя направлены на создание такой пленки на выходе из сопла.

Для решения поставленной задачи в форсунке для впрыскивания топлива в двигатель внутреннего сгорания, содержащей полый корпус с коническим седлом, предсопловый канал, сопло, канал для подвода топлива, ограничитель хода иглы, запорную пружину, иглу с запорной частью, согласно изобретению игла после запорной части выполнена цилиндрической, а на одной из поверхностей пары цилиндрическая поверхность иглы внутренняя поверхность предсоплового канала изготовлены винтовые лопасти, причем длина цилиндрической части иглы и длина предсоплового канала выбраны такими, чтобы l ≅ L ε + δ_o˙ ctg α, где l длина цилиндрической части иглы; L длина предсоплового канала; ε зазор между верхним торцом иглы и ограничителем хода иглы; δ_o ширина кольцевого канала, образованного поверхностями цилиндрической части иглы и предсоплового канала; α половина угла конуса, образованного поверхностью седла.

При этом сопло выполнено в виде усеченного конуса.

На фиг. 1 изображена форсунка с винтовыми лопастями, установленными на цилиндрической части иглы; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 форсунка с винтовыми лопастями, установленными на внутренней поверхности предсоплового канала; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3.

Форсунка содержит корпус 1 с коническим седлом 2, предсопловым каналом 3, соплом 4, каналом 5 для подвода топлива, подыгольную камеру 6, ограничитель 7 хода иглы, иглу 8 с запорной частью 9 и цилиндрической частью 10, размещенную в полости корпуса 1, винтовые лопасти 11, установленные после запорной части 9 по направлению движения топлива на цилиндрической части 10 (фиг. 1 или на внутренней поверхности предсоплового канала 3 (фиг. 3), запорную пружину 12.

Форсунка работает следующим образом.

Топливо под давлением по каналу 5 подается в подыгольную камеру 6. По достижении в камере давления, равного начальному давлению впрыскивания, игла 8, преодолевая сопротивление запорной пружины 12, поднимается до тех пор, пока не упрется в ограничитель 7, и топливо через зазор между запорной частью 9 и седлом 2, кольцевой канал, образованный цилиндрической частью иглы 10 и поверхностью предсоплового канала 3, и сопло 4 поступает в двигатель. При прохождении через кольцевой канал топливо приобретает вращательное движение за счет винтовых лопастей 11.

По окончании подачи топлива давление в подыгольной камере 6 падает, игла 8 под действием пружины 12 опускается на седло 2 и перекрывает запорной частью 9 поступление топлива в кольцевой канал и сопло 4. Впрыскивание топлива в двигатель прекращается. Канал с винтовыми лопастями служит для образования вращающейся кольцевой струи. В сопле благодаря вращению струя преобразуется в тонкий слой, который двигается по стенкам сопла. Из сопла топливо вытекает в виде пленки, которая из-за вращения имеет форму конуса и на некотором расстоянии после выхода распадается на капли. Все элементы, формирующие на выходе из распылителя пленку топлива, расположены за запорной частью.

Предлагаемая конструкция имеет следующие преимущества.

Возмущения и гидравлические потери, вносимые в поток, сведены к минимуму. В результате на входе в сопло формируется слабо возмущенная тонкая кольцевая струя, которая при движении в сопле в виде слоя может еще больше утоньшаться, что позволяет получить тонкую пленку на выходе. Возмущения потока могут вноситься винтовыми лопастями в область перехода из канала в сопло. Для их уменьшения толщина лопастей (фиг.2,3) делается минимально возможной и определяется условиями прочности. Длина цилиндрической части 10 иглы ограничивается тем, что в положении, когда игла поднята, не было сужения кольцевого канала.

Благодаря расположению винтовых лопастей в кольцевом канале достигается высокая эффективность закрутки. При этом, поскольку шаг винта и диаметр цилиндрической части иглы постоянны, то тангенс угла закрутки, т.е. отношение вращательной компоненты скорости к продольной, а следовательно, и угол конуса распыла остаются неизменными за все время впрыска. Это приводит к тому, что геометрические характеристики распыленной струи и качество распыла на протяжении впрыска меняются незначительно.

В начальный момент подъема иглы, когда давление нарастает и не достигает своего максимального значения, топливо не сразу впрыскивается в двигатель, а поступает в кольцевой канал, где происходят увеличение его скорости и закрутка. К моменту выхода в сопло давление и скорость достигают значений, близких к предельным, что улучшает качество распыла на начальной стадии впрыска.

Таким образом, выполнение после запорной части кольцевого канала с винтовыми лопастями и сопла позволяет сформировать вращающуюся тонкую кольцевую струю, которая вытекает из сопла в виде пленки топлива, увеличить эффективность закручивания топлива, сохраняя при этом неизменным на протяжении всего впрыска угол закрутки, что приводит к улучшению качества распыления топлива, особенно на начальной стадии впрыска.

Рассчитаем движение слоя топлива в сопле. Влиянием вязкости пренебрегаем. Вводится цилиндрическая система координат (r, ϕ, z) с осью z, совпадающей с осью сопла. (u, v, ω ) компоненты скорости, соответствующие (r, ϕ, z). Через r₁(z), r_*(z) обозначаются радиусы внутренней поверхности слоя и сопла соответственно. Полагаем δr_*- r₁. Считаем, что δ <<r*/dz<< 1. Последнее условие означает, что радиус сопла слабо меняется с координатой z. В силу малой толщины слоя и слабой зависимости r_*(z) можно считать, что u< < ω, v и ω примерно постоянно по глубине слоя. Тогда уравнения неразрывности, сохранения циркуляции, центробежного баланса и Бернулли на поверхности сопла примут вид ω (r_*² r₁²) Q const; v ˙r A const; Pv²/r dP/dr; + +P_*=PH=const (1) где P_* и v_* давление и вращательная компонента скорости на внутренней поверхности слоя.

С помощью первого уравнения исключается ω второго v, третьего Р (с учетом того, что Р(r₁) 0)). Полученные выражения подставляются в уравнение Бернулли. В результате после пренебрежения малыми членами, δ < < r_*, получается уравнение на δ
+ r²_* 1 (2)
Если r_* меняется слабо, то зависимость δ (r_*) в первом приближении можно найти дифференцированием δ по r_*. Тогда из выражения (2) следует
при z=0.

Отсюда знак dδ/dr_* зависит от знака знаменателя в выражении (3). Заменяя А и Q через v и ω согласно уравнению (1) с учетом δ < < r_*, находим, что d δ/dr_* > 0, если (v/ ω ) > √2r_*o/δ_o и наоборот.

Таким образом, в зависимости от отношения v к ω, т.е. шага винта к диаметру цилиндрической части иглы, толщина слоя δ убывает по направлению к выходу либо в сужающемся, либо в расширяющемся сопле.

Рассчитаем толщину лопаток δ ₁, исходя из условий прочности. Пусть давление впрыска равно Р. Тогда условие прочности на изгиб примет вид
≅ где σ максимально выдерживаемое напряжение. Полагая σ 10³ кГ/см², получим, что при изменении Р от 100 до 1500 кГ/см² отношение δ ₁/δ _oменяется от ≈ 0,7 до 2,6.

Ограничение на длину цилиндрической части иглы накладывается тем, чтобы при поднятой игле не было сужения цилиндрического канала. Тогда должно выполняться неравенство
l ≅ L ε + δ_o ˙ctg α,
Для проверки работы распылителя были проведены эксперименты на модельной лабораторной установке. Впрыск осуществляется в воздух при атмосферном давлении и комнатной температуре. В качестве рабочей жидкости использовалась вода. Работа распылителя проверялась при полностью открытом зазоре между запорной частью и седлом. Жидкость выталкивалась поршнем в течение 20 мс с постоянной скоростью. Время разгона и остановки поршня было меньше 1 мс. Внутренний диаметр предсоплового канала составлял 7 мм, толщина кольцевого канала δ_oравнялась 0,2 мм, объем выбрасываемой жидкости ≈ 1 см³. На цилиндрической части иглы располагалось четыре лопасти толщиной δ₁ 0,5 мм. Тангенс угла закрутки (отношение длины окружности цилиндра к шагу винта) примерно равнялся единице. В экспериментах варьировался угол конусности сопла.

Эксперименты показали, что хороший распыл достигался в сходящемся сопле с углом конуса 60^о и длиной 5 мм. При этом основной распыл начинался на некотором расстоянии от сопла, что свидетельствует о том, что капли образуются в результате распада конической пленки топлива, вытекающей из сопла. Однако объем области основного распыла был много больше объема области слабого распыла в данном случае примерно в 30 раз.

Формула изобретения

1. ФОРСУНКА ДЛЯ ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая полый корпус с коническим седлом, предсопловым каналом, соплом, каналом подвода топлива, ограничителем хода иглы, размещенные в полости корпуса запорную пружину, иглу с запорной и цилиндрической частями, расположенными последовательно по потоку, элементы закрутки потока, причем игла размещена соосно с соплом с образованием зазора между торцом со стороны ее запорной части и ограничителем хода иглы, отличающаяся тем, что элементы закрутки потока выполнены в виде винтовых лопастей, установленных на цилиндрической части иглы или на поверхности предсоплового канала, цилиндрическая часть иглы расположена в предсопловом канале с образованием кольцевого канала, а длина l цилиндрической части иглы и длина L предсоплового канала выполнены в соответствии с неравенством
l≅ L-ε+δ_o·ctgα,
где ε - зазор между верхним торцом иглы и ограничителем хода иглы;
d_o - ширина кольцевого канала, образованного поверхностями цилиндрической части иглы и предсоплового канала;
α - половина угла конуса, образованного поверхностью седла.

2. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что сопло выполнено в виде усеченного конуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4