Топливная синтез-форсунка для двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: двигателестроение, в частности, топливовпрыскивающая аппаратура. Сущность изобретения: синтез-форсунка двигателя внутреннего сгорания имеет корпус 1, делящийся на две части, одна из которых расположена в камере сгорания и образует за счет боковых и торцевых стенок полость для дозы топлива. Над этой полостью в боковых стенках выполнены окна 10, а в торце - дросселирующее отверстие 9. При ходе поршня 13 вверх происходит повышение давления, которое формирует из-за существенной разницы площадей отверстия 9 и внешней поверхности ванны для топлива усилие давления, выдавливающего топливо через отверстие 9. Конструкция позволяет осуществить прямую и непосредственную связь между давлением в камере сгорания и выпуском дозы топлива в камеру сгорания. При этом возможно использование каталитической насадки на выходе топлива из дросселирующего отверстия. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к конструкциям форсунок топливоподающей аппаратуры двигателей внутреннего сгорания.

Известна топливная форсунка двигателя внутреннего сгорания, содержащая вворачиваемый в картер двигателя в зоне камеры сгорания корпус цилиндрической формы, внутри которого выполнена камера для заполнения подаваемым от насоса топливом, внутри камеры расположен поршень, поршневая полость которого герметизирована и подпружинена с сообщением с внешне подаваемым давлением, шток пропущен через торцевую часть корпуса с выходом его торца в камеру сгорания, в его средней части выполнен упорный бурт, перекрывающий дросселирующие отверстия, сообщающие камеру сгорания с камерой с топливом (см. патент Франции N 1338173, F 02 M 49/02, 1963 г.) Данная форсунка работает от давления, создаваемого поршнем в камере сгорания. При ходе поршня в камере сгорания к в. м. т. повышение давления приводит к созданию усилия на торце штока, в результате чего упорный бурт поднимается и находящееся в камере форсунки топливо под давлением попадает в камеру сгорания. После этого в результате повышения давления в поршневой полости форсунки бурт перекрывает дросселирующие отверстия.

Принцип работы такой форсунки основан на разнице давлений, создаваемой внешним приложением сил, в связи с чем была вызвана необходимость введения герметизирующих приставок с целью разграничения действия разнородных сред. Недостатком такой форсунки является сложность в регулировании соотношений внешне создаваемых давлений с тем, чтобы выбором оптимального соотношения организовать работу форсунки в соответствии с циклом двигателя.

Известна топливная форсунка для двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус с элементами закрепления в картере двигателя в верхней части камеры сгорания, выполненный в нижней своей части, расположенной в камере сгорания, с ограниченной боковыми стенками полостью для дозы топлива, сообщенной с полостью камеры сгорания через выполненное в торце корпуса по крайней мере одно дросселирующее отверстие, а также управляемый клапан в верхней части корпуса для подачи дозы топлива в указанную полость (см. заявку Великобритании N 2236148, F 02 M 49/02, 1991 г.) Особенностью данной форсунки является то, что она снабжена поршнем, управляющая полость которого сообщена с камерой сгорания двигателя, что приводит при повышении давления в конце хода сжатия поршня цилиндра к перемещению поршня форсунки и выдавливании дозы топлива через клапан дросселирующего отверстия в полость камеры сгорания. Преимуществом данного решения перед ранее рассмотренным является то, что вводится прямая связь между давлением в камере сгорания в ходе сжатия и регулирующим давлением в самой форсунке.

Недостатком конструкции данной форсунки является то, что при ее создании с использованием прямой связи управляющего воздействия на топливо с давлением в камере сгорания использовано традиционное решение по введению в конструкцию поршня, воздействующего на дозу топлива, как промежуточного передаточного звена. Введение поршня также было обусловлено задачей перекрытия канала подачи топлива в полость и надежного запирания этой дозы в ограниченном объеме (возможно, чтобы исключить колебательные процессы в жидкой среде, вызванные вибрационной деятельностью самого двигателя).

Кроме того, данная форсунка не может быть модернизирована за счет введения приставок с катализаторами на выходе дросселирующей щели, так как при этом перекрываются проходные окна для сообщения управляющей полости форсунки с камерой сгорания.

Изобретение направлено на решение задачи исключения промежуточных элементов в системе "давление в камере сгорания давление в форсунке на выдавливание топлива", а также создание форсунки с возможностью ее использования с приспособлениями, несущими катализаторы для обработки дозы топлива в момент впрыска. Достигаемый при этом технический эффект заключается в упрощении конструкции и расширении ее функциональных возможностей для улучшения качества смеси.

Указанный технический эффект достигается тем, что в топливной форсунке для двигателя внутреннего сгорания, содержащей корпус с элементами закрепления в картере двигателя в верхней части камеры сгорания, выполненный в нижней своей части, расположенной в камере сгорания, с ограниченной боковыми стенками полостью для дозы топлива, сообщенной с полостью камеры сгорания через выполненное в торце корпуса по крайней мере одно дросселирующее отверстие, а также управляемый клапан в верхней части корпуса для подачи дозы топлива в указанную полость, корпус выполнен с окнами, выполненными в боковых его стенках, расположенных в камере сгорания на участке над указанной полостью для дозы топлива и управляемым клапаном.

Кроме того, форсунка выполнена с дополнительным клапаном, головка которого расположена с внешней стороны торца корпуса в камере сгорания, а стержень пропущен через полость для дозы топлива и подпружинен относительно корпуса форсунки или картера двигателя для перекрытия дросселирующего отверстия.

Кроме того, предлагается выполнить дополнительный клапан тарельчатым.

Кроме того, для расширения функциональных свойств в части улучшения качества топлива (синтез-процесс) форсунка снабжена присоединяемой к торцу корпуса в зоне дросселирующего отверстия каталитической насадкой, представляющей собой перфорированную втулку с элементами катализаторов.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточных для получения указанного технического эффекта.

Так, выполнение окон в боковых стенках корпуса форсунки, расположенных в камере сгорания, обеспечивает протекание процесса создания давления в камере сгорания от хода сжатия поршня на поверхности дозы топлива. При этом это давление образовано прямым воздействием на поверхность топлива. Расположение окон до управляемого клапана обеспечивает целенаправленное воздействие на поверхность ванны для топлива. А упоминание о дросселирующем отверстии указывает на наличие разницы в площадях зон вытеснения топлива и заполнения ванны (полости).

На фиг. 1 дан общий вид топливной форсунки с расположением в камере сгорания двигателя (продольный разрез); на фиг. 2 топливная форсунка с дополнительным клапаном; на фиг. 3 топливная форсунка по фиг.1 с каталитической насадкой.

Топливная форсунка для двигателя внутреннего сгорания содержит (см. фиг. 1) корпус 1, несущий на внешней своей поверхности элементы 2 присоединения к картеру 3 двигателя или к другим элементам, формирующим силовой каркас в зоне расположения цилиндра. Корпус элементами присоединения разделен на две части, первая из которых расположена вне камеры 4 сгорания, а вторая 5 расположена в камере сгорания 4 двигателя. В верхней части корпуса 1 монтируются управляемый клапан 6, открывающий и закрывающий проходное отверстие, через которое поступает топливо по каналу 7 от подающего устройства, например, топливного насоса (не показан). В нижней части корпуса 1 боковыми стенками ограничена полость 8 для дозы топлива, пропускаемой через управляемый клапан 6. Полость 3 сообщена с камерой сгорания через по крайней мере одно дросселирующее отверстие 9 и окна 10, расположенные в боковых стенках корпуса 1 над уровнем топлива в ванне (полости 8), но ниже зоны перекрытия управляемым клапаном 6 отверстия подачи топлива от подающего устройства и ниже или по крайней мере на границе верхних торцевых стенок 12 камеры сгорания. Поршень 13 перемещается в цилиндре до нижнего торца корпуса 1 при плоской поверхности днища или при наличии вогнутого профиля днища поршня последний, приподнимаясь, по ходу утапливает выступающую часть корпуса 1 в полость днища (не показана ).

В приведенном примере дросселирующее отверстие выполнено прямым, но может иметь иную форму и выполнено из нескольких отверстий и т.д. Форма получаемого распыления не рассматривается ввиду несущественности для решения поставленной задачи.

Также не раскрываются подробно особенности впуска воздуха и выпуска отработавших газов.

На фиг. 2 представлен другой пример исполнения предложенной форсунки. Форсунка по фиг. 1 в этом примере исполнения снабжается дополнительным клапаном, имеющим стержень 14, подпружиненный относительно корпуса 1 или относительно картера двигателя. Головка 15, расположенная с внешней стороны торца корпуса 1, перекрывает дросселирующее отверстие 9 или дросселирующие отверстия 9, если их несколько. Пружина 16 выбирается с таким усилием поджатия, что ее усилия достаточно для равновесного удержания топлива при нахождении или приближении поршня к в. м. т.

Конструкция предлагаемой форсунки позволяет при выполнении ее концевой части, расположенной в камере сгорания, осуществить связь с элементами присоединения для монтажа каталитической присадки 17. Каталитическая насадка 17 (см. фиг. 3) представляет собой корпус 18 любой формы, главное, чтобы он имел возможность монтироваться на корпусе 1 форсунки. Внутри корпуса 18 насадки размещаются катализаторы 19, выполненные в виде перфорированных пленок, металлических колец (P, Т, Fe, Cu) или магнитов и т.д. Корпус 18 выполняется с перфорированными стенками для уменьшения сопротивления выходу распыляемого через дросселирующее отверстие 9 топлива. Тип катализатора, способы его закрепления на стенках корпуса 18, а также процессы, связанные с обработкой топлива, в рамках данной заявки не рассматриваются. Существо заявленного в по данному примеру исполнения сводится к возможности размещения насадки с катализаторами на концевой части форсунки. Это позволит производить обработку топлива непосредственно в камере сгорания.

Предлагаемая форсунка работает следующим образом.

После выпуска отработавших газов и подачи воздуха в камеру сгорания (см. фиг. 1) происходит перемещение поршня к в. м. т. Управляемый клапан 6 приподнят, топливо поступило в полость 8, после чего клапан 6 перекрыл магистраль подачи топлива.

Перемещение поршня вверх приводит к повышению давления в камере сгорания, которое реализуется по закону Паскаля по всем направлениям. При этом давление создается по отношению к дозе топлива в полости 8 через дросселирующее отверстие 9 и через окна 10 на развитую внешнюю поверхность ванны. Учитывая большую разницу в площадях этих отверстий (или их поверхностей), имеет место создание силы давления P₁, существенно большей силы P₂, где P₁ и P₂ суммарные силы давления соответственно в зоне внешней поверхности ванны и дросселирующего отверстия. При ходе поршня к в. м. т. сопровождающимся большой скоростью его перемещения и резким повышением давления, происходит запирание топлива как жидкости в зоне дросселирующего отверстия. При приближении поршня к в. м. т. его ход замедляется, что создает условия к возможности вытеснения топлива через дросселирующее отверстие в камеру сгорания от силы давления P₁. При этом происходит нагрев дозы топлива, вызванный прохождением его через сопротивление дросселя, в результате чего улучшается процесс распыла из-за снижения вязкости жидкости.

Возможность протекания данного процесса выдавливания топлива за счет создания давления на его внешней поверхности обусловлена значительной разницей площадей внешней поверхности и отверстия дросселирующего топлива, скоростью нарастания давления в камере сгорания (график ускорения роста давления нелинейный, что и определяет возможность" запирания" жидкости в дросселирующем отверстии, при подходе поршня к в. м. т. ускорение стремится к нулю и создается равновесное состояние, в результате которого жидкость "отпирается"), очень коротким временным интервалом. Наилучший эффект достигается в быстроходных двигателях.

Если в корпусе 1 форсунки разместить дополнительный клапан (см. фиг. 2), то при сохранении самого процесса открытие дросселирующего отверстия будет производиться за счет давления на головку этого клапана, в результате чего, преодолевая усилие пружины 16, головка 15 опустится вниз и приоткроет отверстие 9. Топливо будет выдавливаться веерообразно.

Обращается внимание на то, что форма корпуса 1 в нижней своей части (коническая, цилиндрическая и т.д.) не оговаривается, так как она влияет на реализацию давления на поверхности корпуса, и в каждом конкретном случае форма корпуса выбирается из условия минимального негативного воздействия на создание разницы давлений на противоположных поверхностях ванны дозы топлива. В связи с этим автор не оговаривает форму корпуса.

Однако предлагается в торцевой части корпуса 1 в зоне расположения дросселирующего отверстия выполнить элементы крепления 20, например, резьба для установки каталитической насадки 17. Как правило, обработка топлива катализаторами или магнитным полем и т.д. производится до момента подачи топлива в камеру сгорания. В данном случае предлагается эту обработку производить в самой камере сгорания. С этой целью насадку 17 навинчивают на корпус 1, что позволяет при распыле топлива через дросселирующее отверстие произвести каталитическую обработку распыленного топлива в момент его выхода из корпуса 1. Для снижения сопротивления распылу топлива корпус 18 насадки выполняется максимально перфорированным по всем стенкам или может быть выполнен сетчатым (не показан), или его корпус сам является катализатором. Это существенно важно, так как позволяет использовать катализаторы, способствующие улучшению процесса горения, например при создании процесса образования аммиака при избыточном атомарном кислороде. Последний (аммиак) образуется при наличии катализатора (Fe или Cu) непосредственно в момент горения углеводородного топлива.

Предлагаемая форсунка по своим эксплуатационным и функциональным свойствам выгодно отличается от известных в части простоты конструкции с сохранением той же работоспособности, что и в прототипе, но при этом имеет возможность осуществления каталитической обработки топлива непосредственно в камере сгорания (т.е. имеется возможность влияния на процесс сгорания в сторону, например, уменьшения токсичности выхлопа за счет более полного сгорания топлива). В связи с этим данная форсунка названа автором "синтез-форсунка".

Формула изобретения

Топливная синтез-форсунка для двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус с элементами закрепления в картере двигателя в верхней части камеры сгорания, выполненный в нижней своей части, расположенной в камере сгорания, с ограниченной боковыми стенками полостью для дозы топлива, сообщенной с полостью камеры сгорания через выполненное в торце корпуса по крайней мере одно дросселирующее отверстие, а также управляемый клапан в верхней части корпуса для подачи дозы топлива в указанную полость, отличающаяся тем, что корпус выполнен с окнами, выполненными в боковых его стенках, расположенных в камере сгорания на участке над указанной полостью для дозы топлива и управляемым клапаном.

2. Форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена с дополнительным клапаном, головка которого расположена с внешней стороны торца корпуса в камере сгорания, а стержень пропущен через полость для дозы топлива и подпружинен относительно корпуса форсунки или картера двигателя для перекрытия дросселирующего отверстия.

3. Форсунка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что дополнительный клапан выполнен тарельчатым.

4. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена присоединяемой к торцу корпуса в зоне дросселирующего отверстия каталитической насадкой, представляющей собой перфорированную втулку с элементами катализаторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1