СПОСОБ СЕЛЕКТИВНОГО ПОКРЫТИЯ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТОПЛИВНОЙ ИНЖЕКЦИОННОЙ ФОРСУНКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C23C4/00 

Изобретение касается форсунок, через которые проходит поток частиц, а более конкретно улучшения их износостойкости.

Двигатели внутреннего сгорания, созданные для получения на выходе полезной энергии посредством управляемого сгорания твердого энергетического топлива, такого как уголь, предлагались еще с ранних исследований Рудольфа Дизеля. Обычно трудности, встречаемые исследователями в связи с этими двигателями, сосредоточены на разработке техники формирования и управления горючей смесью для синхронного впуска в камеру сгорания.

В одном из подходов к конструкции двигателя, смесь энергетического угля и воздуха передают входному трубопроводу, предкамере или камере, ей подобной, после чего смесь направляют в область сгорания для выпуска. Поддержание суспензии в форме частиц во время этой процедуры трудноосуществимо, что выражено в нежелательном пылевидном накоплении и понижении желаемых отношений топливо-воздух. Подходы, предназначенные для поддержания подходящей суспензии в форме частиц включают, к примеру, "воодушевители", служащие для возбуждения частиц в смеси пока она ожидает ввода в область сгорания. Потеря консистенции в предопределенной и желаемой суспензии неизбежно ведет к потере точной дозировки топлива в камере сгорания, ведущей к неопределенностям отдаваемой мощности цилиндра. Смесь уголь/воздух накачивают в камеру сгорания под давлением, таким образом создавая проблемы аэрозии форсунки, особенно отверстия форсунки, которое впрыскивает смесь в камеру сгорания.

В другом типичном подходе к конструкции двигателя, смесь угля и воды (здесь и далее временами обозначаемая как СУВ) впрыскивают в поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, в такой как большой, среднескоростной, многоцилиндровый дизельный двигатель. В такой смеси присутствуют мелкие частицы угля, которые просто могут вызвать чрезмерные темпы износа и преждевременную поломку компонентов системы впрыска топлива. К примеру, топливная СУВ включает частицы угля по весу от менее, чем 30 мас. до 60 мас. в диапазоне от 0,01 до 50 микрон в диаметре. Эти частицы одновременно абразивные коррозионные для материалов, используемых в форсунках и других компонентах топливной впрыскивающей системы.

Вне зависимости от вида топливной смеси быстрый износ топливной впрыскивающей форсунки из-за эрозии является универсальной проблемой. Решение этого, особенно по отношению к топливной СУВ, включает вставку втулки или гильзы из очень твердого материала в форсунку инжектора топлива. Эти гильзы из карбида вольфрама, поликристаллических соединений алмаза и окиси алюминия (сапфир). Пока некоторые из этих материалов появились в качестве подходящих кандидатов для применений в отверстии форсунки для СУВ, такие гильзы нежелательно воздействуют на поток, распыление и силовые характеристики, необходимые для должной работы топливной впрыскивающей системы.

Настоящее изобретение касается практического способа отложения тонкого покрытия сверхтвердого материала на внутренних поверхностях отверстия форсунки, впрыскивающей топливо, данное отверстие включает в себя по крайней мере одну маленькую щель, пронизывающую основание относительно прочного ковкого материала. В конкретном исполнении форсунка представляет часть топливной впрыскивающей системы для дозировки топливной СУВ в большом среднескоростном многоцилиндровом двигателе. Для того, чтобы замедлить эрозию отверстия, основание в котором расположено отверстие, помещено в реакционную камеру химически отлагающихся паров (ХОП). Реакционный газ запускают в камеру при температуре ниже температуры реакции газа. Температура реакции газа, при которой и выше, реакционный газ осаждается в виде покрытия, а реакционный газ является смесью, посредством чего улучшенная сопротивляемость эрозии осуществлено отложенным покрытием, созданным потоком частиц в топливной СУВ. Реакционный газ направляют в отверстие форсунки, предназначенное для покрытия, часть основания в близости от отверстия выборочно нагревают по меньшей мере до температуры реакции газа для создания желаемого покрытия на внутренних поверхностях отверстия, покрытия из отложенных паров, созданное из реакционного газа. Для этого отверстие форсунки добавочно включает топливный сак, расположенный между большей полостью в основании и кольцом двух и более елей. Для того, чтобы способствовать выборочному отложению покрытия на внутренних поверхностях такого отверстия, может быть желательным охладить некоторые части основания, особенно те, на которых нежелательно покрытие отложенных паров.

Преимущества настоящего изобретения включает в себя способность выборочно покрывать отверстия форсунок покрытием отложенных паров. Другим преимуществом является способность покрывать отверстия форсунок износостойким слоем, который cущественно не изменяет рабочую характеристику форсунки. Дальнейшим преимуществом является способность управлять толщиной и равномерностью покрытия на отверстии форсунки управляя условиями реакции. Эти и другие преимущества будут для специалиста четко выделены на основании приводимых здесь указаний.

На фиг. 1 дано схематическое изображение, показывающее как данное изобретение может быть применено для выборочного покрытия отверстия форсунки на фиг. 2 поперечное сечение упрощенной топливной впрыскивающей форсунки, показывающее, где располагают покрытие, созданное процессом, представленным на фиг. 1 в увеличенном масштабе.

Типичная топливная впрыскивающая система, которая подвергается нежелательному износу из-за части топлива, проходящего через отверстие форсунки, раскрыта в широко распространенном патенте 4.782.794 США Гсу и Леонард. Очень высокое впрыскное давление (т.е. порядка 10,000-15,000 фунтов на квадратный дюйм) требуется для создания достаточного распыления СУВ так, чтобы это топливо было адекватно смешано с воздухом в камере сгорания для воспламенения и полного сгорания и допустимое время (т.е. 10-12 миллисекунд в двигателе за 1000 оборотов в минуту), и такое высокое давление при впрыскивании необходимо для поддержания хорошего сгорания при уменьшенных отношениях нагрузки и скорости. Тогда не удивительно, что отверстия форсунок предшествующего уровня техники страдали от преждевременной поломки из-за эрозии, возникающей от частиц топлива, накаченных через инжектор при таких очень высоких давлениях.

Применение традиционной технологии ХОП привело бы к отложению паров неравномерного покрытия на всех открытых поверхностях основания, помещенного в реакционной камере ХОП. Поскольку не желательно покрывать топливный инжектор полностью предусмотрен модифицированный способ ХОП. Как отражено на фиг. 1 в реакционной камере 10 ХОП обычно поддерживают вакуум вакуумным насосом Р обычного типа, присоединенным к выпускному отверстию 11 камеры, хотя специалистам предлагаются ХОП работающие при атмосферном и более высоком давлении. Круглое полое Основание 12, которое вполне может быть форсункой для топливного инжектора, располагают внутри реакционной камеры 10 ХОП. Это основание изготавливают из прочного ковкого материала, такого, как нержавеющая сталь. Желательно, чтобы были покрыты тонким слоем сверхтвердого материала только внутренние поверхности расположенного внутри топливного сака и впрыскивающие щели в дальнем конце форсунки 12.

Основание 12 поддерживают в перевернутом положении разветвленным трубопроводом 13 внутри реакционной камеры 10 ХОП, основная полость основания связана с одним из цилиндрических ответвлений этого трубопровода. Дополнительные основания (не показаны) могут быть расположены аналогичным образом на других ответвлениях этого трубопровода. Процесс покрытия включает прохождение ненагретого реакционного газа в камеру 10 через магистраль 14, связанную посредством измерителя расходов 15 и управляющего клапана V с баком 16 этого газа, находящегося там под давлением. Внутри камеры 10 трубопровод 13 направляет относительно холодный реакционный газ от магистрали 14 в полость основания 12.

Выборочный нагрев только дальнего окончания основания 12, т.е. части основания в непосредственной близости от топливного сака и впрыскивающих щелей осуществляют посредством электронагревательного элемента 18, который предпочтительно является индукционно нагревательной спиралью, охватывающей это окончание и возбуждаемая переменным током от подходящим образом управляемого источника 19 электрической энергии так, чтобы нагревать дальнее окончание основания 12 до температуры реакции этого газа. "Температура реакции" здесь температура, при которой реакционный газ откладывается в виде покрытия. Как альтернатива, нагревательным элементом может быть вольфрамовая нить накала. После истечения соответствующего периода времени покрытие толщины налипает на нагретые внутренние поверхности проходов, через которые газ покидает полость основания 12, и клапан V отключают. Перед удалением основания из камеры 10 желательно осуществить интервалы местного нагрева и избежания высоких концентраций напряжения в местах соприкосновения сверхтвердого покрытия и основания;
Непосредственно касаясь фиг. 2, будет отмечено, что основание 12 имеет относительно большую непокрываемую цилиндрическую полость 20, которая связана с покрываемым отверстием, включающим топливный сак 26 уменьшенного диаметра кольцо меньших отверстий или впрыскивающих щелей в дальнем конце основания 12. Два таких отверстия 22 и 24 изображены на фиг. 2, на практике количество отверстий может меняться от одного до десяти и более. В собранном инжекторе конический наконечник возвратно-поступательной подвижной иглы (не показана) расположится концентрически в соответственно сформированном гнезда клапана 28 вокруг открытого окончания топливного сака 26. Т.к. отверстие (т. е. отверстия 22 и 24 и топливный сак 26, с которым они связаны) представляет существенное сужение для потока реакционного газа при способе покрытия ХОП, изображенного на фиг. 1, способ дает улучшенный результат. Эта геометрия дает увеличение реакционного газа, когда он течет из полости 20, минуя гнездо клапана 28 через сак 26 и затем в отверстия 22 и 24. Более того, скорость реакционного газа также увеличивается в этих суженных проходах. Объединенное вместе с местным нагревом основания, увеличенная концентрация газа и скорость потока приводят к улучшенному покрытию внутренних поверхностей топливного сака 26 и отверстий 22 и 24, как обозначено номером 30 на фиг. 2. Более равномерное покрытие также получают посредством большей скорости газа, получающейся из-за геометрии форсунки. В результате достигается процесс покрытия с высокой селективностью.

В соответствии с известной технологией ХОП можно создавать множество сверхтвердых покрытий. Обычно, эти покрытия представляют керамику, такую как карбиды, нитриды и бориды. Специфические покрытия включают, к примеру, карбид кремния, карбид тантала, карбид вольфрама, нитрид бора, диборид титана и их смеси. Скоростью потока управляют так, чтобы газ проходил через отверстие форсунки со скоростью в диапазоне примерно от одного метра в час до одного метра в секунду. Покрываемые поверхности нагревают до температуры (т.е. 1500^o по Фаренгейту), оптимальный для создания желаемого отложения реакционного газа. Желательно толщину покрытия создавать от примерно 10,0 до 1,000 микрон, в зависимости от концентрации реакционного газа, температуры реакции и, особенно, от времени реакции. Для некоторых вариантов форсунок может быть достаточным менее, чем десять микрон. Алмазные покрытия ХОП инжекторов форсунок можно применять в соответствии с широко распространенным патентом Серии N 07/464,818, заявленном 16 января 1990 г.

Следуя вышеописанным шагам, удовлетворительные покрытия можно отложить, используя многие реакционные газы. Если, однако, желаемые покрытия не получены, к способу добавляют еще один шаг. Дополнительный, необязательный шаг состоит в ионизации и разложении реакционного газа так, что его атомы расщеплены из молекулярной структуры и будет активно прилипать к нагретым внутренним поверхностям отверстия форсунки. Этот ионизационно-расщепительный шаг выполняют перед впусканием газа в отверстие форсунки (т.е. в или около трубопровода 13) одним из двух способов: предварительным нагревом реакционного газа до его температуры разложения (которая может быть много выше его оптимальной температуры отложения), или возбуждением реакционного газа электромагнитным излучением (т. е. либо радиочастотное излучение, либо микроволны) создавая плазму. Шаг предварительного нагрева осуществляют, к примеру, вольфрамовой нитью накала в трубопроводе 13, в этом случае трубопровод необходимо термически изолировать от основания 12, либо в полости 20 самого основания, как обозначено номером 32 на фиг. 1. Альтернативный шаг для возбуждения можно осуществить, к примеру, соединяя источник радиочастоты или микроволн через два электрода, расположенных на противоположных сторонах пути потока реакционного газа, текущего вверх из основания 12.

Форсунки, покрываемые в соответствии с наступлением настоящего изобретения используемы в конкретной топливной инжекционной систем, такой как изложена в патенте N 4.782.794 США. Такое топливо преимущественно включает смесь воды и битуминозного угля (приблизительно 50% по весу каждого) уголь обогащают физическим процессом, что уменьшает его до очень маленьких частиц, (т. е. со средним размером частиц в диапазоне от 3 до 5 микрон в диаметре). Топливная СУВ должна иметь достаточно низкую вязкость, чтобы свободно протекать через щели диаметром примерно 0,5 мм (0,02 дюйма) отверстий 22 и 24 форсунки. В этой связи необходимо подчеркнуть, что настоящее изобретение позволяет наложить тонкие покрытия на подверженные эрозии участки таким образом, чтобы существенно не препятствовать распылению текущей здесь жидкости и не создавая нежелательных концентраций напряжения на покрываемой форсунке.

Многочисленные модификации, изменения, замены и эквиваленты настоящему изобретению, в соответствии с изложенным, возможно возникнут у специалиста. Соответственно, прилагаемыми формулами изобретения намечено покрыть все такие изменения и модификации, входящие в наставления и охват настоящего изобретения. Все ссылки, касающиеся изложенного, точно объединены здесь позициями.

Изобретение касается способа покрытия внутренних поверхностей отверстий в основании, которое формирует впрыскивающую форсунку суспензии твердого топлива в жидкости. В конкретном исполнении форсунка является частью топливной впрыскивающей системы для дозировки суспензии уголь-вода в большом, среднескоростном, многоцилиндровом дизельном двигателе. С целью замедления аэрозии отверстия, основание помещают в реакционную камеру химического отложения паров. Реакционный газ впускают в камеру при температуре газа ниже его температуры реакции и направляют сквозь отверстие в основании. Температура реакции газа - температура, при и выше которой реакционный газ откладывается в виде покрытия, и реакционный газ извлекается смесью, благодаря чему отложенное покрытие придает улучшенную сопротивляемость аэрозии потоком частиц в суспензии твердого топлива в жидкости. Только часть основания вблизи от отверстия, предназначенного для покрытия выборочно нагревают по крайней мере до температуры реакции газа для создания покрытия внутренних поверхностей отверстия отложенными парами, покрытия сформированного из реакционного газа. 2 с. и 11 з.п. ф-лы. 2 ил.

1. Способ селективного покрытия внутренних поверхностей топливной инжекционной форсунки, имеющей по меньшей мере одно отверстие, связанное с топливным баком, включающий помещение топливной инжекционной форсунки в реакционную камеру химического осаждения паров для обеспечения увеличения концентрации и скорости реакционного газа при прохождении газа через форсунку и из отверстия, подачу реакционного газа в камеру при температуре ниже его температуры реакции для обеспечения увеличения концентрации и скорости реакционного газа в камеру при температуре ниже его температуры реакции для обеспечения неприлипания газа к внутренним поверхностям форсунки, отличающийся тем, что осуществляют нагрев выбранной части внутренней поверхности форсунки вблизи отверстия до температуры, необходимой для взаимодействия газа с выбранной частью внутренней поверхности форсунки, направление реакционного газа через форсунку для обеспечения образования покрытия на выбранной части внутренней поверхности форсунки в результате взаимодействия газа с выбранной частью внутренней поверхности форсунки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакционный газ пропускают через форсунку со скоростью приблизительно от 1 м/ч до 1 м/с. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие наносят толщиной приблизительно 10 1 мкм. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие включает карбид, нитрид или борид. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие включает карбид кремния, карбид тантала, карбид вольфрама, нитрид бора, диборид титана или алмаз. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливную инжекционную форсунку размещают в поршневом двигателе внутреннего сгорания с самовоспламенением от сжатия. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что диаметр каждого отверстия равен приблизительно 0,5 мм. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученное покрытие обеспечивает улучшенное сопротивление эрозии отверстия потоком проходящей через него топливной смеси угля и воды. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют ионизацию реакционного газа перед входом его в топливную инжекционную форсунку. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что ионизацию реакционного газа осуществляют путем нагревания газа до температуры его разложения. 11. Способ по п.9, отличающийся тем, что ионизацию осуществляют путем возбуждения реакционного газа электромагнитным излучением. 12. Устройство для селективного покрытия внутренних поверхностей топливной инжекционной форсунки, содержащее камеру с размещенным в ней основанием, соединенную с откачным насосом и магистралью подачи реакционного газа с элементом регулирования, и источник электроэнергии, отличающееся тем, что оно снабжено средством нагрева выбранной части топливной впрыскивающей форсунки вблизи отверстия, а основание выполнено с каналом, один выход которого соединен с магистралью подачи реакционного газа, а на втором герметично установлено основание обрабатываемой форсунки. 13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным средством для нагревания определенной части форсунки и средством для направления определенного количества реакционного газа.