Форсунка двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к форсункам для впрыскивания топлива в двигатель внутреннего сгорания. Изобретение позволяет обеспечить высокоэффективное сгорание топлива в цилиндре двигателя, простоту технического обслуживания и эксплуатации форсунки. Форсунка двигателя внутреннего сгорания содержит сопловой наконечник с центральным каналом и расположенным соосно с ним распыливающим каналом, выходное сечение которого обращено в сторону камеры сгорания двигателя. распыливающий канал выполнен в виде профилированного сопла Лаваля, контур которого образован гладкой кривой, выполненной на входном участке по соотношению Витошинского, а на выходном участке в виде параболоида вращения. 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а в частности к устройствам для впрыска топлива, и предназначено для улучшения технико-экономических и экологических характеристик ДВС.

Известны форсунки ДВС, содержащие сопловой наконечник корпуса распылителя с центральным каналом и радиальными распыливающими каналами, сообщенными с центральным каналом (см., например, авторское свидетельство SU №1772398 А1, кл. F 02 М 57/00, 1990 г., патент ФРГ №2557772, кл. F 02 М 61/04, 1975 г.).

Недостатками таких форсунок является низкая эффективность распыления топлива, обусловленная резким снижением скорости истечения топлива из распыливающих каналов и малой длиной истекающего факела, а также сильной неравномерностью концентрации топлива в сечениях факела. Дополнительным значительным недостатком известных форсунок является высокая трудоемкость обработки входных кромок распыливающих каналов. Малые (d=0,2-0,3 мм) диаметры распыливающих каналов определяют их высокую склонность к засорению и закоксовыванию, что существенно снижает функциональную надежность известных форсунок. Указанные недостатки снижают эффективность работы ДВС и затрудняют применение подобных форсунок в двигателестроении.

Эти недостатки частично устранены в форсунках, описанных в патенте RU №2030623 С1, кл. F 02 М 49/02, 57/02, 1991 г. и авторском свидетельстве SU №1236141 А1, кл. F 02 М 57/06, 1984 г., содержащих корпус с коническим соплом, смесительную камеру с конической выходной частью и цилиндрический канал, сообщающий смесительную камеру с камерой сгорания двигателя.

Однако эти форсунки имеют существенные недостатки, снижающие эффективность их функционирования. На линиях сопряжения цилиндрического канала с коническим поверхностями сопла и смесительной камеры, вследствие мгновенного изменения кривизны обтекаемого топливом профиля происходит соответствующее (скачкообразное) изменение гидродинамических параметров (скорости истечения, давления, температуры и т.д.) топлива, известное в науке и технике под названием “прямой скачок уплотнения”. Истечение топлива по каналу, резко изменяющего кривизну своего профиля, вызывает появление ряда (по длине канала) скачков уплотнения, резко снижающих эффективность преобразования потенциальной энергии сжатого топлива в кинетическую энергию истекающей из канала струи, что приводит к существенному снижению скорости истечения топлива. Дополнительное гидродинамическое сопротивление в цилиндрической части канала обусловлено пульсацией скорости истечения топлива.

В результате проявления этих процессов на выходе из сопла образуется ударная волна, а длина струи и скорость истечения топлива резко уменьшаются, что, в свою очередь, снижает эффективность перемешивания и воспламенения горючей смеси и, как следствие, приводит к неполному сгоранию топлива и повышенной токсичности отработанных газов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание форсунки, обеспечивающей высокоэффективное сгорание топлива в цилиндре двигателя и простоту ее технического обслуживания и эксплуатации.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известной форсунке двигателя внутреннего сгорания, содержащей сопловой наконечник с центральным каналом и расположенным соосно с ним распыливающим каналом, выходное сечение которого обращено в сторону камеры сгорания двигателя, согласно изобретению распыливающий канал выполнен в виде профилированного сопла Лаваля, контур которого образован гладкой кривой, выполненной на входном участке по соотношению Витошинского, а на выходном участке в виде параболоида вращения.

Выполнение соплового наконечника с одним распыливающим каналом позволяет увеличить сечение канала, что повышает устойчивость форсунки к засорению и закоксовыванию, а расположение распыливающего канала соосно оси центрального канала уменьшает гидравлические потери на разворот потока истекающего топлива.

Выполнение распиливающего канала в форме спрофилированного сопла Лаваля обеспечивает достижение в его выходном сечении максимально возможных значений скорости истечения топлива и длины его струи, необходимых для мгновенной доставки топлива в самые отдаленные зоны камеры сгорания двигателя, и высокоэффективных процессов внутреннего трения, перемешивания, воспламенения и сгорания горючей смеси.

Плавная (гладкая) кривая образующей контура сопла Лаваля распиливающего канала исключает появление скачков уплотнения по длине канала и на его срезе при истечении топлива в период впрыска, обеспечивая максимальный КПД преобразования потенциальной энергии сжатия топлива в кинетическую энергию истекающей струи.

Плавное (без скачков уплотнения) непрерывное расширение струи топлива при истечении из сопла Лаваля способствует образованию мелкодисперсного и однородного по концентрации факела распыляемого топлива.

Дополнительный эффект максимальной (сверхзвуковой) скорости истечения топлива еще более повышает устойчивость форсунки к засорению и закоксовыванию за счет трения пограничного слоя сверхзвукового потока топлива о стенки распыливающего канала, т.е. эффекта самоочищения.

Простая, высокотехнологическая конструкция форсунки обеспечивает простоту технического обслуживания топливной системы ДВС, его эксплуатации, производства и низкую себестоимость изделия.

Предложенное техническое решение неизвестно из доступных источников информации уровня техники, из которого явным образом не следует для специалиста двигателестроения и промышленно применимо для производства устройств впрыска топлива, то есть соответствует критериям патентоспособности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, который имеет иллюстративное значение и не ограничивает объема прав совокупности существенных признаков формулы изобретения. На чертеже изображены: сопловой наконечник форсунки 1, содержащий выполненный соосно центральный канал 2, имеющий один распыливающий канал 3, расположенный соосно (коаксиально) с центральным каналом 2, выполненный в форме спрофилированного сопла Лаваля, контур которого образован плавной (гладкой) кривой с выходным сечением, обращенным в сторону камеры сгорания двигателя (условно не показана).

По совокупности конструктивных признаков форсунка представляет собой реактивный двигатель, работающий в заторможенном (обращенном) режиме, в котором энергия истекающей струи топлива используется для получения высокоэффективного процесса сжигания топлива в камере сгорания ДВС.

Входной участок 4 распыливающего канала может быть выполнен в форме, определенной, например, по известному соотношению Витошинского, а выходной участок 5 может быть построен в форме параболоида вращения. Сопряжение образующих входного и выходного участков можно выполнить по дуге окружности.

Устройство функционирует следующим образом. Топливо от насоса высокого давления поступает в центральный канал 2 соплового наконечника 1, из которого под большим давлением поступает во входной участок 4, распыливающего канала 3, где течение топлива происходит с ускорением. В критическом сечении скорость течения достигает скорости звука. При движении в расширяющейся части распыливающего канала происходит дальнейшее увеличение скорости потока топлива и в его выходном сечении она существенно превосходит скорость звука. Попадая в камеру сгорания двигателя, сверхзвуковая струя топлива за счет эффекта внутреннего трения в воздушной среде резко разогревается и воспламеняется. При дальнейшем движении в объеме камеры сгорания горящая струя топлива, за счет высокоинтенсивных конвективных, вихревых процессов интенсивно перемешивается с объемом воздуха и догорает. Таким образом, происходит не зональное, а объемное воспламенение горючей смеси, что значительно увеличивает скорость ее сгорания, повышает эффективность сжигания топлива в ДВС.

Использование настоящего изобретения обеспечивает устойчивость работы ДВС на бедных смесях при снижении токсичности выхлопных газов в десятки раз, что обеспечивает улучшение экологических и экономических характеристик автотранспортных средств.

Формула изобретения

Форсунка двигателя внутреннего сгорания, содержащая сопловой наконечник с центральным каналом и расположенным соосно с ним распыливающим каналом, выходное сечение которого обращено в сторону камеры сгорания двигателя, отличающаяся тем, что распыливающий канал выполнен в виде профилированного сопла Лаваля, контур которого образован гладкой кривой, выполненной на входном участке по соотношению Витошинского, а на выходном участке в виде параболоида вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1