Топливная форсунка двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам подачи топлива двигателей внутреннего сгорания, а именно к топливным форсункам дизельных двигателей. Изобретение позволяет повысить топливную экономичность двигателя за счет повышения качества распыла топлива форсункой в камеру сгорания. Топливная форсунка двигателя внутреннего сгорания содержит аксиально подвижно установленную в корпусе цилиндрическую запорную иглу, прецизионная часть конической поверхности конца которой взаимодействует с ответной поверхностью сопла форсунки. На конической поверхности иглы между ее прецизионной частью и зоной перехода конуса в цилиндр выполнена сегментная площадка, плоскость сегмента которой преимущественно перпендикулярна геометрической оси иглы, а предпочтительная высота сегмента равна 0,15 - 0,2 мм. 3 ил.

Изобретение относится к системам подачи топлива двигателей внутреннего сгорания, в частности к топливным форсункам дизельных двигателей.

Общеизвестна топливная форсунка дизеля (см., например, Ю.Я. Фомин, Г.В. Никонов, В. Г. Ивановский. Топливная аппаратура дизелей. Справочник, М., "Машиностроение", 1682, стр. 38-39), содержащая корпус, на конце которого выполнено сопло, имеющее распыливающие отверстия (выходные каналы). Внутри корпуса размещена аксиально подвижная запорная игла с наружным запорным корпусом, взаимодействующим с ответным внутренним конусом сопла.

При подъеме иглы топливо под большим давлением (200-300 атм) через выходные каналы подается в камеру сгорания двигателя.

Известно, что мощность двигателя зависит от качества распыла топлива, поступающего в камеру сгорания: чем выше распыл топлива в воздушном заряде, тем больше полнота его сгорания и, следовательно, при одинаковой мощности ниже расход топлива.

Известны многочисленные конструкции топливных форсунок, которые повышают мощность двигателя за счет увеличения турбулентности топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания.

Например, форсунка по а.с. СССР N 1511449, МКИ F 02 M 61/16, 1986 имеет свободно вращательное сопло, у которого выходные каналы ориентированы тангенциально. Выбрасываемое из них с большой скоростью топливо создает реактивный момент, в результате чего сопло начинает вращаться и топливо более интенсивно смешивается с воздухом в камере сгорания.

Можно согласиться с теоретическими предпосылками авторов известного изобретения об улучшении сгорания топлива, однако вызывает большое сомнение возможность практической реализации этой конструкции ввиду ее низкой эксплуатационной надежности и долговечности, поскольку следует ожидать, что в связи с чрезвычайно жесткими условиями работы через достаточно короткий промежуток времени сопло должно прекратить свое вращение (окисление, коксование, эрозии металла, температурное коробление взаимодействующих деталей и т.п.). Подтверждением тому служит, во-первых, неизвестность практического применения вращающегося сопла и, во-вторых, известность форсунок, у которых каналы сопла также расположены тангенциально, но само сопло не вращается, будучи выполненным заодно с корпусом.

Однако потоку топлива можно придать турбулентность не только на выходе из каналов в камеру сгорания, но и на входе топлива в сопло, т.е. в самой форсунке.

Так, кафедрой "Надежность и ремонт машины" СГАУ при проведении научно-исследовательских работ в области ремонта топливной аппаратуры с сельскохозяйственными предприятиями области были заключены хоздоговоры на ремонт, в частности, топливных форсунок, в ходе которого отрабатывалась технология ремонта, выявлялись различные закономерности, выдавались рекомендации и т.д. При этом часть однажды отремонтированных форсунок по истечении межремонтного срока службы возвращалась на повторные ремонты.

За время длительного сотрудничества с предприятиями было обнаружено следующее явление.

При соблюдении всех требований к качеству ремонта в отдельных случаях некоторые форсунки из одной партии однотипных форсунок обнаруживали при эксплуатации свойство несколько увеличивать мощность двигателя. Такие форсунки непроизвольно отмечались механизатором-эксплуатационником как "хорошая форсунка" и в дальнейшем, при поступлении на повторный ремонт, сопровождались этой характеристикой (деление форсунок на "хорошие" и "плохие" широко распространено в среде механизаторов).

Указанное явление никаким известным закономерностям не подчинялось.

В результате проведенных исследований было установлено, что причиной этого явления служат некоторые нарушения геометрических параметров нерабочей части поверхности корпуса запорной иглы.

Так, при ремонте иглы проводятся следующие технологические операции: - шлифование наружного конуса иглы; - притирка наружного конуса иглы к внутреннему конусу сопла.

Поскольку игла выполняет роль запорного конического клапана, то жесткие требования предъявляются только к рабочей части конуса иглы, которая (рабочая часть) представляет собой узкий поясок (прецизионная часть конуса). Для остальной же, нерабочей, части (поверхности) конуса выдерживался только угол конусности, а требования к чистоте поверхности, как несущественные, не предъявлялись.

Выяснилось, что нерабочая часть поверхности конуса, как правило, имеет риски, мелкие каверны (последствия механической обработки), а в отдельных случаях даже не препятствующую последующей притирке несоосность конуса и цилиндрической части иглы, обычно возникающую из-за деформации при большом сроке службы (наклон осей и/или их эксцентриситет).

Математическая обработка полученных данных показала, что указанные факторы при их некоторых числовых значениях из-за высоких скоростей и давлений обтекающего конус потока топлива вызывает его кавитацию, приводящую к срыву потока и, соответственно, к его турбулентности.

Таким образом, было установлено, что в соответствующих случаях повышение мощности двигателя обусловлено турбулизацией потока топлива, поступающего в сопло, чем улучшается распыление топлива и, соответственно, его сгорание.

В принципе повышение качества распыла за счет изменения геометрии поверхности иглы известно. Например, в а.с. СССР N 1724917, МКИ F 02 M 61/12, 1990, зауженная цилиндрическая часть иглы между ее направляющей поверхностью и запорным конусом, называемая стержнем, имеет один или несколько винтовых пазов определенного авторскими притязаниями размера.

Хотя в известном изобретении указанные пазы имеют иное назначение (основным назначением пазов является вращение иглы), можно считать, что они нарушают симметричность обтекания иглы топливом, придавая потоку турбулентность и тем самым улучшая распыл (в а.с. 1724917 сказано о повышении качества распыла).

Однако, т. к. пазы выполнены в средней части стержня и их отделяет от конуса цилиндрический участок, то перед входом в сопло будет происходить некоторая нормализация течения, вследствие чего эффективность распыления топлива снижается, хотя это второстепенный недостаток известного устройства. Главными же его недостатками являются, во-первых, снижение прочности иглы по сравнению с цилиндрической и, во-вторых, чрезвычайно высокая сложность выполнения пазов заданного размера на поверхности стержня малого диаметра (например, диаметр стержня форсунки типа ЯМЗ составляет 4 мм), что препятствует модернизации общеизвестной форсунки с цилиндрическим стержнем путем выполнения на ее игле указанных пазов.

Перед изобретением была поставлена задача повысить топливную экономичность общеизвестной форсунки.

Поставленная задача решается тем, что предложена топливная форсунка двигателя внутреннего сгорания, в корпусе которой аксиально подвижно установлена цилиндрическая запорная игла, прецизионная часть конической поверхности конца которой взаимодействует с ответной поверхностью сопла форсунки.

Новым в предложенной форсунке является то, что на конической поверхности иглы между ее прецизионной частью и зоной перехода конуса в цилиндр выполнена сегментная площадка, плоскость сегмента которой преимущественно перпендикулярна геометрической оси иглы, а предпочтительная высота сегмента равна 0,15-0,2 мм.

Технический результат предложенного заключается в экономии топлива или, соответственно, в повышении мощности двигателя. При этом, поскольку неотъемлемой частью любой топливной форсунки является коническая запорная игла, то получить указанный технический результат можно практически без затрат на форсунке любой конструкции наиболее простым и коротким путем с помощью универсального общедоступного металлообрабатывающего оборудования без каких-либо конструктивных изменений других элементов форсунки.

На фиг. 1 изображен фрагмент форсунки, вид сбоку в разрезе; на фиг. 2 - фрагмент запорной иглы в увеличенном масштабе; на фиг. 3 - вид "А" по фиг. 2.

Форсунка содержит корпус 1 (фиг. 1), внутри которого с возможностью аксиального возвратно-поступательного движения размещена цилиндрическая запорная игла 2. Корпус 1 заканчивается соплом 3, имеющим выходные каналы 4. Цилиндрическая поверхность иглы 2 (фиг. 2) на ее конце переходит в конус 5, часть 6 поверхности которого притерта к ответной поверхности сопла 3 и является прецизионной (рабочей). На нерабочей поверхности конуса 5 между прецизионной частью 6 и зоной перехода конуса 5 в цилиндр 2 выполнена по меньшей мере одна сегментная площадка 7 ("ступенька"), плоскость сегмента которой предпочтительно перпендикулярна геометрической оси "О" иглы 2.

Понятие "зона перехода" конуса в цилиндр означает, что при выполнении площадки 7 может быть удален некоторый объем металла, относящийся и к цилиндрической части иглы 2, как это показано на фиг. 2 и 3 справа от оси "О" (сектор с индексом 7¹). То или иное выполнение секторной площадки (7 или 7¹) обусловлено технологическими возможностями предприятия, модернизирующего известную форсунку, поскольку определяющим размером при модернизации форсунки является только высота "H" или "h¹" сегмента 7 или 7¹.

Работает форсунка следующим образом.

Топливо по топливному каналу 8 (фиг. 1) подается в подигольную камеру 9, и при достижении в ней давления, равного давлению впрыска, запорная игла 2, нагруженная со стороны надыгольной камеры пружиной (на чертеже не показаны), поднимается. При этом прецизионная (запорная) часть 6 конуса 5 отходит от контактирующей с ней ответной поверхности сопла 3 и топливо через образовавшийся зазор поступает к выходным каналам 4. Происходит впрыск топлива в камеру сгорания. В процессе обтекания топливом конуса 5 на сегментной площадке 7 происходит срыв потока, при этом из-за высокой скорости и большого давления при определенных геометрических параметрах возникает кавитация, по своей физической сути представляющая собой ничто иное, как микровзрыв (кавитация, например, разрушает поверхности лопастей гребного винта скоростного судна). В результате еще до подачи топлива в камеру сгорания оно уже в каналы 4 поступает в мелкодисперсном состоянии.

В основу определения оптимальных размеров сектора (ступеньки) 7 были положены технологические возможности имеющегося металообрабатывающего оборудования. Последовательно задавались различные размеры ступеньки 7 как по ее глубине "H", так и по ее длине (высоте ее стенки, параллельной оси "О" иглы).

Далее расчетным путем определились изменение расхода топлива, градиент скорости топлива в различных точках за конусом иглы, разница давлений около различных выходных каналов 4, несимметричность закручивания течения с обратными токами, стремящимися уменьшить расход, характеристики поведения потока в пограничном слое и т.д.

Было установлено, что длина стенки, параллельной оси "О", практически не влияет на качество распыла, а определяющим размером является только высота "H" сегмента 7, поверхность которого к тому же не обязательно должна быть строго перпендикулярной оси "О". Было также установлено, что конус 5 может иметь более одной ступеньки 7, которые должны быть расположены по разные стороны оси "О", причем лучший результат достигается при несимметричном их расположении.

В конечном итоге был установлен оптимальный размер "H", который колеблется в пределах от 0,15 до 0,2 мм. При этом какая-либо достоверная зависимость между размером "H" и диаметром иглы 2 и углом конуса 5 выявлена не была, т. е. предпочтительность размера "H" от 0,15 до 0,2 мм сохранялась для форсунок различных типоразмеров из числа известных.

Результаты стандартных испытаний показали, что предложенная форсунка по сравнению с известной при равной мощности двигателя уменьшает расход топлива примерно на 6%, при этом полученный результат выходит за пределы возможных погрешностей контрольно-измерительной аппаратуры и является устойчивым.

Формула изобретения

Топливная форсунка двигателя внутреннего сгорания, в корпусе которой аксиально подвижно установлена цилиндрическая запорная игла, прецизионная часть конической поверхности конца которой взаимодействует с ответной поверхностью сопла форсунки, отличающаяся тем, что на конической поверхности иглы между ее прецизионной частью и зоной перехода конуса в цилиндр выполнена сегментная площадка, плоскость сегмента которой преимущественно перпендикулярна геометрической оси иглы, а предпочтительная высота сегмента равна 0,15-0,2 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3