АЭРОЗОЛЬНАЯ НАСОС-ФОРСУНКА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02M49/02 F02M57/02 

Изобретение относится к двигателестроению, а более конкретно к системам подачи топлива, и касается топливовпрыскивающих форсунок, объединенных с топливными насосами.

Известна аэрозольная насос-форсунка для двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус, установленный в нем с возможностью продольного поступательного перемещения плунжер, смесительную камеру и сообщающий ее с камерой сгорания двигателя распылитель, расположенные под первым торцом плунжера. На входе в насос-форсунку расположен жиклер, а в нижней части корпуса - дозирующий жиклер. В корпусе установлен обратный клапан, отсоединяющий линию низкого давления от смесительной камеры при нагнетательном ходе плунжера до момента перекрытия дозирующего жиклера. Со стороны второго торца плунжера с ним соединена штанга, обеспечивающая шарнирное соединение плунжера с коромыслом механизма привода, связанного с коленчатым валом двигателя (Заявка ФРГ N 3245962, кл. F 02 M 57/02, 1983).

Недостатками известной насос-форсунки являются: необходимость иметь сложный и дорогой в изготовлении кулачковый механизм привода, который не позволяет обеспечить необходимое быстродействие форсунок на двухтактных быстроходных двигателях; жиклеры и распылитель с мелкими отверстиями, которые засоряются даже мелкими частицами из топлива; тонкостенный распылитель, склонный к закоксовыванию и сгоранию; плохое качество распыла топливовоздушной смеси при малой частоте вращения двигателя.

Известна аэрозольная насос-форсунка для двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус, основной и вспомогательный плунжер с приводом поступательного перемещения, размещенные в корпусе, распылитель с распыливающим каналом, закрепленный на корпусе под первым торцом основного плунжера с образованием с последним смесительной камеры, связанной через распыливающий канал с камерой сгорания, ограничитель продольного перемещения основного плунжера, размещенный со стороны второго торца последнего, нагнетательную полость, образованную первым торцом вспомогательного плунжера и корпусом и сообщенную каналом со смесительной камерой через окно, привод вращательного движения вспомогательного плунжера, расположенный со стороны второго торца последнего, причем основной плунжер установлен с возможностью перекрытия окна, вспомогательный плунжер выполнен с винтообразными отсечными кромками на его наружной боковой поверхности. Два плунжера получают одновременное одностороннее движение от эксцентрика. Движение плунжеров в противоположную сторону осуществляется посредством пружин (авт. св. N 64640, кл. F 02 M 57/02, 1943).

Недостатками известной насос-форсунки являются привод плунжеров кулачковым механизмом, который не позволяет иметь хорошее качество распыла топлива при малой частоте вращения двигателя и высокое быстродействие при большой частоте вращения; одновременность нагнетания топлива в смесительную камеру и нагнетание смеси в цилиндр ухудшает смесеобразование в смесительной камере; воздушный канал, сообщающий камеру сгорания двигателя со смесительной камерой, быстро и неизбежно закоксовывается; относительно длинные и мелкие по диаметру каналы распылителя трудны в изготовлении и также быстро закоксовываются. Следствием этого является неудовлетворительное качество распыла топливо-воздушной смеси и недостаточная надежность работы форсунки.

Целью изобретения является улучшение качества распыла топливовоздушной смеси при одновременном повышении надежности работы форсунки.

Эта цель достигается тем, что аэрозольная насос-форсунка для двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус, основной и вспомогательный плунжеры с приводом поступательного перемещения, размещенные в корпусе, распылитель с распыливающим каналом, закрепленный на корпусе под первым торцом основного плунжера с образованием с последним смесительной камеры, связанной через распыливающий канал с камерой сгорания, ограничитель продольного перемещения основного плунжера, размещенный со стороны второго торца последнего, нагнетательную полость, образованную первым торцом вспомогательного плунжера и корпусом и сообщенную каналом со смесительной камерой через окно, привод вращательного движения вспомогательного плунжера, расположенный со стороны второго торца последнего, причем основной плунжер установлен с возможностью перекрытия окна, вспомогательный плунжер выполнен с винтообразными отсечными кромками на его наружной боковой поверхности, снабжена первой и второй гильзами, установленными в корпусе коаксиально соответственно основному и вспомогательному плунжерам, окно выполнено в первой гильзе, привод поступательного перемещения плунжеров выполнен гидравлическим, с возможностью перемещения плунжеров в противофазе.

Аэрозольная насос-форсунка снабжена первым обратным клапаном, установленным в канале между смесительной камерой и нагнетательной полостью, вторым обратным клапаном и уплотнительными кольцами, в корпусе выполнены дополнительные полости, плунжеры выполнены с поршнями, установленными в дополнительных полостях с образованием совместно с последними надпоршневых и подпоршневых камер, уплотнительные кольца установлены на поршнях, надпоршневая и подпоршневая камеры вспомогательного плунжера сообщены с первым и вторым каналами подвода рабочей жидкости гидропривода, подпоршневая камера вспомогательного плунжера сообщена с надпоршневой камерой основного плунжера, надпоршневая камера вспомогательного плунжера сообщена с подпоршневой камерой основного плунжера, причем канал между нагнетательной полостью и смесительной камерой сообщен через второй обратный клапан с первым каналом для подвода рабочей жидкости, а на участке, расположенном между нагнетательной полостью и первым обратным клапаном, сообщен со сливом через дросселирующее отверстие, расположенное с возможностью перекрытия последнего вспомогательным плунжером. Распыливающий канал в распылителе выполнен соосным плунжеру, причем канал распылителя и сопряженный с ним первый торец основного плунжера выполнены с коническими поверхностями, обращенными своими вершинами в направлении камеры сгорания двигателя, угол при вершине конуса канала распылителя больше, чем угол при вершине на торце плунжера. Конус на торце основного плунжера выполнен с выступом на вершине, взаимодействующим с сопряженной поверхностью распылителя. Окно в первой гильзе выполнено в виде дополнительного распылителя с соплом.

В основном плунжере со стороны его второго торца выполнен центральный глухой канал, на ограничителе выполнен выступ, расположенный напротив глухого канала. Привод вращательного движения вспомогательного плунжера выполнен в виде кольца и поводка, связанного с вспомогательным плунжером через шлицевое соединение, выполненное в виде торцевого паза на поводке, и взаимодействующего с последним торцевым выступом, причем кольцо размещено на поводке.

При таком выполнении форсунки обеспечивается одинаково высокая скорость перемещения плунжеров независимо от частоты вращения двигателя, исключается дробный впрыск топлива при малой частоте вращения, обеспечивается удаление паровых и воздушных пробок из полостей, а также эффективное демпфирование плунжеров. Следствием этого является улучшение качества распыла топливовоздушной смеси при одновременном повышении надежности работы форсунки.

На фиг.1 приведена схема насос-форсунки; на фиг.2 - предлагаемая насос-форсунка, вид спереди (со стороны распылителя); на фиг.3 - вид по стрелке А на фиг.2; на фиг.4 - вид по стрелке Б на фиг.2; на фиг.5 - вид по стрелке В на фиг.2; на фиг.6 - разрез Г-Г на фиг.3; на фиг.7 - разрез Д-Д на фиг.3; на фиг.8 - разрез Е-Е на фиг.2; на фиг.9 - разрез Ж-Ж на фиг.3; на фиг.10 - второй плунжер с приводом для поворота плунжера вокруг своей оси; на фиг.11 - вид по стрелке З на фиг.10; на фиг.12 - вид по стрелке И на гильзу форсунки на фиг.8.

Насос-форсунка (фиг.8 и 1) содержит корпус 1 с размещенными внутри него гильзами 2 и 3 и установленными в них коаксиально гильзам параллельными соответственно первым 4 и вторым (вспомогательным) 5 плунжерами. Под первым торцом 6 плунжера 4 расположены смесительная камера 7 и распылитель 8, в котором выполнен один соосный плунжеру и открытый с двух сторон канал 9, диаметром 1,3 мм, сообщающий смесительную камеру 7 с камерой сгорания двигателя (не показана). Канал 9 и сопряженный с ним торец 6 плунжера 5 имеют конические поверхности, обращенные своими вершинами в направлении камеры сгорания цилиндра двигателя; при этом угол при вершине конуса распылителя 8 больше, чем угол при вершине на торце 6 плунжера 4. Плунжер 4 на своем конусном конце имеет выступ-наконечник 10. Со стороны другого своего торца 11 плунжер 4 имеет ограничитель перемещения-упор 12, выполненный с выступом 13. Последний расположен напротив глухого канала 14, выполненного в плунжере 4 соосно его наружному диаметру. Под первым торцом 15 второго плунжера 5 расположена нагнетательная полость 16, сообщенная каналом 17, в котором установлен обратный (подпорный) клапан 18, со смесительной камерой 7 через окно 19, выполненное в виде дополнительного распылителя топлива с соплом в гильзе 2 плунжера 4 и перекрываемое им при его продольном перемещении. Со стороны второго торца 20 плунжера 5 в корпусе размещены пробка-цапфа 21 и поводок 22, связанный цанговым замком с рычагом 23 привода насос-форсунки, и уплотнительное кольцо 24.

Оба плунжера 4 и 5 выполнены ступенчатыми. Их большие ступени - поршни соответственно 25 и 26, расположенные ближе к торцам 11 и 20, имеют пружинные уплотнительные кольца 27 и 28. Второй плунжер 5 со стороны торца 15 на наружной боковой поверхности имеет паз 29 и винтообразную отсечную кромку 30. Поводок 22 связан с плунжером 5 посредством телескопического шлицевого соединения (фиг. 10 и 11), при этом на поводке выполнен торцевой паз 31, взаимодействующий с торцевым выступом 32 на торце плунжера и снаружи закрытый охватывающим его по окружности кольцом 33. Плунжеры 4 и 5 имеют гидропривод для продольного поступательного перемещения в гильзах 2 и 3, который включает в себя два канала 34 и 35 (фиг.1) для попеременного подвода рабочей жидкости (топлива) к насос-форсунке от топливного насоса и распределителя, имеющих привод от коленчатого вала двигателя (не показаны). Поршни 25 и 26 установлены в дополнительных полостях, каждая из которых разделена соответствующим поршнем на надпоршневую и подпоршневую камеры. Первый канал 34 (фиг. 1, 7, 8 и 9) сообщен с кольцевой полостью (надпоршневой камерой) 36, расположенной над большей ступенью поршнем 25 плунжера 4, и с кольцевой полостью (подпоршневой камерой 37, расположенной под большей ступенью 26 плунжера 5. Второй канал 35 сообщен с кольцевой полостью (подпоршневой камерой) 38, расположенной под ступенью 25 плунжера 4, и с кольцевой полостью (надпоршневой камерой) 39, расположенной над ступенью 26 плунжера 5.

Для обеспечения высокого быстродействия форсунки каналы 35 и 36 должны иметь весьма малое гидравлическое сопротивление (не более 0,5 Па).

К каналу 34 через обратный клапан 40 и мелкосетчатый фильтр 41 подключен канал 17. Последний на участке, расположенном между полостью 16 и обратным клапаном 18, сообщен через дроссельное отверстие 42 с дренажным каналом 43 (фиг.1 и 6). Внутри гильзы 2 плунжер 4 в средней его части окружен кольцевой дренажной полостью 44, сообщенной со сливным каналом 43 (фиг.1 и 8). Канал 17 подключен к смесительной камере 7 посредством распылителя, выполненного в виде сопла 19 с центробежным распылом топлива. На корпусе закреплены трубные наконечники 45, 46 и 47 (фиг.5, 7 и 9). Резьбовой выступ 48 насос-форсунки ввертывается в цилиндр или головку цилиндра двигателя (не показаны).

Диаметр отверстия распылителя 19, объем смесительной камеры 7, величина давления топлива в каналах 34 и 35 и масса плунжеров 4 и 5 выбираются расчетно-экспериментальным путем, исходя из условия звукового или сверхзвукового истечения топливовоздушной смеси (аэрозоля) из смесительной камеры 7 в цилиндр двигателя.

Заявляемая насос-форсунка работает следующим образом.

Во время работы двигателя топливо от топливного насоса под сравнительно низким давлением (1-2 МПа в двухтактных двигателях с искровым зажиганием и под давлением 4-6 МПа в дизелях) подается попеременно посредством распылителя в каналы 34 и 35. Из канала 34 топливо поступает через фильтр 41 и обратный клапан 40 в полость 16 и далее по каналу 17 к обратному подпорному клапану 18. Для удаления паровых пробок из каналов перед обратным клапаном 18 топливо через дроссельное отверстие 42 поступает к пазу 29, выполненному на топливном плунжере 5, и удаляется по дренажному каналу 43, сообщенному с трубным наконечником 47 и сливной трубкой (не показана).

Для нагнетания топлива через обратный клапан 18 в смесительную камеру 7 топливо под давлением подается в канал 35, далее в две полости 38 и 39 к плунжерам 4 и 5. Под давлением топлива плунжер 4 топливовоздушной смеси перемещается в сторону упора 12, а топливный плунжер 5 перемещается в противоположную сторону. В это время из цилиндра двигателя воздух через канал 9 поступает в смесительную камеру 7, а прокачка топлива отсекается (прекращается) кромкой 30 плунжера 5 в связи с закрытием дроссельного отверстия 42 этим плунжером.

Вместе с тем, топливный плунжер нагнетает топливо через обратный клапан 18 в смесительную камеру 7. В этот момент времени величина давления топлива перед обратным клапаном 18 возрастает по сравнению с величиной давления в подводящем канале 35 в 5-6 раз в связи с разными величинами площадей торцов топливного плунжера.

Для вытеснения топливовоздушной смеси из смесительной камеры 7 в цилиндр двигателя топливо тоже под давлением подается в другой подводящий канал 34 и полости 36 и 37, а канал 35 соединяется со сливом в бак (не показан). В связи с этим плунжер 4 перемещается в сторону распылителя 8 до упора в него конической поверхностью, а плунжер 5 перемещается в противоположную сторону. В этот момент времени возобновляется прокачка топлива через дроссельное отверстие 42.

Рабочая температура форсунки прогретого двигателя изменяется в зависимости от режима работы в пределах 50-80^оС, а температура воздуха, поступающего через отверстие 9 распылителя 8 в камеру 7 вместе с остаточными газами - в пределах 100-150^оС.

Топливо в объеме цикловой подачи, проходящее через обратный клапан 18 и распылитель топлива 19, перед впрыском в смесительную камеру 7 нагревается от самой насос-форсунки, а после впрыска в смесительную камеру нагревается дополнительно от воздуха и частично испаряется. После этого из камеры 7 в цилиндр двигателя впрыскивается мелкодисперсная топливовоздушная смесь (аэрозоль). При этом значительная часть топлива находится в парообразном состоянии.

Истечение топливовоздушной смеси из канала 9 распылителя 8 форсунки происходит со звуковой или сверхзвуковой скоростью. Топливовоздушная смесь проходит через скачки уплотнения звукового или сверхзвукового потока (звуковые барьеры), на которых дополнительно диспергируется.

В конце каждого впрыскивания топливовоздушной смеси из смесительной камеры 7 в цилиндр двигателя плунжер 4 с помощью выступа-наконечника 10 очищает канал 9 от нагара, если он будет образовываться у распылителя форсунки.

Выходной канал распылителя 19 топлива перекрывается плунжером 4 в конце процесса впрыскивания топливовоздушной смеси в цилиндр.

Регулирование величины цикловой подачи производится повертыванием плунжера 5 вокруг его продольной оси. Это позволяет винтообразной кромке 30 плунжера при его продольном перемещении закрывать выход топлива из дроссельного отверстия 42 на слив при различной величине этого перемещения и тем самым изменять количество цикловой подачи топлива в смесительную камеру форсунки. Топливный плунжер повертывается поводком 22 с помощью рычага 23 от задатчика нагрузочного режима двигателя.

Принятая схема гидропривода плунжеров обеспечивает одинаковую высокую скорость их перемещения независимо от частоты вращения двигателя. В связи с этим качество приготовления топливовоздушной смеси в смесительной камере и качество распыла этой смеси в цилиндре двигателя также не зависят от частоты его вращения.

Это, в частности, позволяет иметь одноканальный распылитель 8 и очищение его выступом 10 плунжера 4. Кроме того, гидропривод плунжеров форсунки исключает дробный впрыск топлива при малой частоте вращения двигателя, характерный для форсунок, работающих с насосом высокого давления или насос-форсунок с механическим приводом.

Паровые и воздушные пробки, которые могут возникать в полостях 36, 37, 38 и 39 во время работы насос-форсунки, вытесняются в дренажные каналы через зазоры между плунжерами и их гильзами, а также через неплотности в конце резьбовых соединений упоров плунжеров и корпуса.

Выполнение распылителя 19, связывающего канал 17 со смесительной камерой 7, в виде сопла с центробежным распылом топлива дополнительно усиливает диспергирование топлива при подаче его в смесительную камеру, а ступенчатость плунжеров позволяет снизить давление топлива в гидроприводе насос-форсунки.

Плунжеры 4 и 5 форсунки перемещаются с большой скоростью. В конце перемещения они интенсивно притормаживаются (демпфируются), что исключает их повреждение. Топливовоздушный плунжер 4 при перемещении в сторону распылителя 8 демпфируется топливовоздушной смесью, истечение которой из смесительной камеры 7 затрудняется при вхождении выступа-наконечника 10 плунжера 4 в канал 8 распылителя . Тот же плунжер 4 в конце обратного перемещения тормозится топливом, истечение которого из внутренней полости 14 плунжера затрудняется при вхождении выступа 13 упора 12 в эту полость.

Демпфирование плунжера 5 при перемещении в одну сторону производится топливом, вытесняемым в смесительную камеру 7, а при движении в обратную сторону топливом, вытесняемым из телескопического шлицевого соединения топливного плунжера 5 и поводка 22. Усиление демпфирования достигается напрессованным на поводок кольцом 33.

Таким образом, использование на двигателе внутреннего сгорания заявляемой насос-форсунки улучшает качество распыла топливовоздушной смеси при одновременном повышении надежности работы форсунки.

Использование: двигателестроение, в частности дизельная топливная аппаратура. Сущность: аэрозольная насос-форсунка для двигателя внутреннего сгорания содержит корпус с размещенными внутри него гильзами и установленными в них первым и вторым плунжерами, смесительную камеру и распылитель, расположенные под первым торцем первого плунжера. Плунжеры имеют двухсторонний гидропривод для их поступательного продольного перемещения. Канал, сообщающий полость под первым торцем второго плунжера со смесительной камерой, подключен к последней посредством распылителя, выполненного в виде сопла с центробежным распылом топлива. В этом канале установлен первый обратный клапан, а через второй обратный клапан этот канал подключен к одному из двух каналов для попеременного подвода рабочей жидкости к форсунке. Этот канал сообщен также со сливом через дросселирующее отверстие, перекрываемое при перемещении второго плунжера. 6 з.п.ф-лы, 12 ил.

1. АЭРОЗОЛЬНАЯ НАСОС-ФОРСУНКА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая корпус, основной и вспомогательный плунжеры с приводом поступательного перемещения, размещенные в корпусе распылитель с распыливающим каналом, закрепленный на корпусе под первым торцом основного плунжера с образованием с последним смесительной камеры, связанной через распыливающий канал с камерой сгорания, ограничитель продольного перемещения основного плунжера, размещенный со стороны второго торца последнего, нагнетательную полость, образованную первым торцом вспомогательного плунжера и корпусом и сообщенную каналом со смесительной камерой через окно, привод вращательного движения вспомогательного плунжера, расположенный со стороны второго торца последнего, причем основной плунжер установлен с возможностью перекрытия окна, вспомогательный плунжер выполнен с винтообразными отсечными кромками на его наружной боковой поверхности, отличающаяся тем, что насос-форсунка снабжена первой и второй гильзами, установленными в корпусе коаксиально соответственно основному и вспомогательному плунжерам, окно выполнено в первой гильзе, привод поступательного перемещения плунжеров выполнен гидравлическим с возможностью перемещения плунжеров в противофазе. 2. Насос-форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена первым обратным клапаном, установленным в канале между смесительной камерой и нагнетательной полостью, вторым обратным клапаном, уплотнительными кольцами, в корпусе выполнены дополнительные полости, плунжеры выполнены с поршнями, установленными в дополнительных полостях с образованием совместно с последними надпоршневых и подпоршневых камер, уплотнительные кольца установлены на поршнях, надпоршневая и подпоршневая камеры вспомогательного плунжера соединены с первым и вторым каналами подвода рабочей жидкости гидропривода, подпоршневая камера вспомогательного плунжера сообщена с надпоршневой камерой основного плунжера, надпоршневая камера вспомогательного плунжера сообщена с подпоршневой камерой основного плунжера, причем канал между нагнетательной полостью и смесительной камерой сообщен через второй обратный клапан с первым каналом для подвода рабочей жидкости, а на участке, расположенном между нагнетательной полостью и первым обратным клапаном, сообщен со сливом через дросселирующее отверстие, расположенное с возможностью перекрытия последнего вспомогательным плунжером. 3. Насос-форсунка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что распыливающий канал в распылителе выполнен соосным плунжером, причем канал распылителя и сопряженный с ним первый торец основного плунжера выполнены с коническими поверхностями, обращенными своими вершинами в направлении камеры сгорания двигателя, угол при вершине конуса канала распылителя больше, чем угол при вершине на торце плунжера. 4. Насос-форсунка по пп.1-3, отличающаяся тем, что конус на торце основного плунжера выполнен с выступом на вершине, взаимодействующим с сопряженной поверхностью распылителя. 5. Насос-форсунка по пп.1-4, отличающаяся тем, что окно в первой гильзе выполнено в виде дополнительного распылителя с соплом. 6. Насос-форсунка по пп.1-5, отличающаяся тем, что в основном плунжере со стороны его второго торца выполнен центральный глухой канал, на ограничителе выполнен выступ, расположенный напротив глухого канала. 7. Насос-форсунка по пп.1-6, отличающаяся тем, что привод вращательного движения вспомогательного плунжера выполнен в виде кольца и поводка, связанного с вспомогательным плунжером через шлицевое соединение, выполненное в виде торцевого паза на поводке и взаимодействующего с последним торцевым выспупом, причем кольцо размещено на поводке.