БЫСТРОХОДНЫЙ ДИЗЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02M61/00 F02B23/06 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в дизелях.

Известен дизель, содержащий поршень с камерой сгорания, цилиндр, головку цилиндра с впускными и выпускным клапанами, насос высокого давления с топливопроводом и форсункой, установленной несимметрично относительно оси камеры сгорания (1).

Недостаток данного двигателя состоит в том, что при несимметричном расположении форсунки относительно оси камеры сгорания не удается в полной мере обеспечить эффективное смесеобразование во всех зонах смещения топлива и окислителя из-за неидентичности их качественного состояния. Этот дизель имеет так же высокую скорость нарастания давления в камере сгорания и, как результат высокий уровень шума рабочего цикла.

Известен также "Дизельный двигатель", содержащий поршень с камерой сгорания, цилиндр, головку цилиндра с впускными и выпускным клапанами, насос высокого давления, форсунку, установленную несимметрично относительно оси камеры сгорания, распылитель, имеющий две группы распыливающих отверстий, ориентированных на ближние и дальние стенки сгорания (2). Эта известная система позволяет улучшить топливную экономичность дизеля, однако проблемы "жесткости" процесса сгорания и шума от работающего двигателя она также не решает. Описанный двигатель выбран в качестве прототипа, который является наиболее близким известным техническим решением по отношению к заявляемому.

Вновь заявляемое техническое решение направлено на создание дизеля с более совершенными эксплуатационными характеристиками и, в частности, с уменьшенным уровнем шума при его работе путем организации более оптимального процесса впрыскивания и воспламенения топлива, а также с улучшенными экологическими свойствами путем улучшения характеристик выхлопных газов дизеля.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном быстроходном дизеле, содержащем поршень с камерой сгорания, цилиндр, головку цилиндра с впускными и выпускными клапанами, насос высокого давления, форсунку с распылителем, имеющим в корпусе носок и две группы распыливающих отверстий, входные кромки распыливающих отверстий первой группы расположены в подыгольном объеме, а входные кромки распыливающих отверстий второй группы на запирающей конической поверхности корпуса распылителя, согласно изобретению геометрическая ось по крайней мере одного из распыливающих отверстий первой группы направлена в зону выпускного клапана, ограниченную частью поверхности камеры сгорания и двумя плоскостями, проходящими через носок корпуса распылителя параллельно оси камеры сгорания и касательно к окружности, проведенной в плоскости, перпендикулярной оси головки выпускного клапана, радиусом где R_вып радиус выпускного клапана, а δ - межклапанная перемычка.

Кроме этого, поставленная задача решается тем, что ориентированное в указанную выше зону выпускного клапана распыливающее отверстие первой группы выполнено с входными кромками, частично расположенными на запирающей конической поверхности корпуса распыливателя.

Поставленная задача решается также тем, что в одной плоскости осевого сечения с указанным распыливающим отверстием первой группы выполнено сообщенное с ним своим выходом распыливающее отверстие второй группы, пересекающее своими входными кромками входные кромки распыливающего отверстия первой группы.

Решение поставленной задачи с достижением технического результата в виде снижения уровня шума работающего дизеля становится возможным благодаря ориентации по крайней мере одного распыливающего отверстия первой группы распылителя в определенную зону зону выпускного клапана, связанную с геометрическими параметрами выпускного и впускного клапанов и учитывающую не симметричное расположение форсунки относительно оси камеры сгорания. Зона под выпускным клапаном это наиболее нагретая зона дизеля. Однако более оптимальной, с точки зрения температуры, является зона, ограниченная частью поверхности камеры сгорания и двумя плоскостями, касательными к окружности, радиус которой превосходит радиус головки выпускного клапана на половину размера межклапанной перегородки. Таким образом, радиус головки выпускного клапана и размеры межклапанной перемычки однозначно определяют позицию двух ограничительных плоскостей зоны, одновременно увязанных с расположением форсунки относительно оси камеры сгорания.

В предложенном дизеле осуществляется опережающая подача топлива именно в указанную зону и именно через распыливающее отверстие первой группы. Благодаря тому, что данное отверстие выполнено в нижней части распылителя, топливо, будучи распыленным в указанной наиболее высокотемпературной зоне выпускного клапана, воспламеняется в ней, опережая соответствующие подачу и воспламенение топлива в остальном объеме камеры сгорания. Таким образом, процесс воспламенения топливной смеси в объеме камеры сгорания становится более растянутым во времени и, следовательно, не сопровождается резким взрывным повышением давления, т.е. достигается снижение "жесткости" процесса сгорания. В конечном итоге достигается более плавный режим сгорания массы топлива, что ведет к снижению уровня шума рабочего цикла дизеля.

Конкретное выполнение в корпусе распылителя распыливающего отверстия первой группы, ориентированного в зону выпускного клапана и имеющего смещенную на запирающую коническую поверхность входную кромку, дает возможность уменьшить в форсунке подыгольный объем, что, как известно, ведет к уменьшению подачи топлива, обусловленного опустошением подыгольного объема, и в конечном итоге к улучшению в целом экологических характеристик выхлопных газов дизеля.

Конструктивное выполнение в одной плоскости осевого сечения корпуса распылителя распыливающего отверстия первой группы с частично смещенной на запирающую коническую поверхность входной кромкой и распыливающего отверстия второй группы, выполненного сообщенным с отверстием первой группы своим выходом и пересекающим его входные кромки своими входными кромками, позволяет кроме уменьшения подыгольного объема форсунки вести некоторую угловую коррекцию топливной струи в зоне выпускного клапана. В начальный момент впрыскивания (начало подъема запорной иглы) подача топлива осуществляется вдоль оси распыливающего отверстия первой группы. При этом ось топливной струи ориентирована на выходе по направлению к головке выпускного клапана. В дальнейшем, вследствие запирающей иглы, будет увеличиваться зазор для подачи топлива между корпусом распылителя и запирающей иглой, что приведет к тому, что будет увеличиваться поток топлива, ориентированный уже вдоль распыливающего отверстия второй группы. В итоге произойдет изменение углового положения топливной струи по направлению к оси камеры сгорания. Описанный процесс повторяется затем в обратном порядке, в результате чего топливная струя перемещается в свое начальное положение, т.е. смещается к головке выпускного клапана. Таким образом, представляется возможным более эффективно использовать как объем зоны выпускного клапана, так и имеющийся градиент температуры, обусловленный различными температурами поверхностей поршня и головки выпускного клапана.

В известных источниках информации, использованных для определения уровня техники, не описана совокупность заявляемых признаков, кроме этого она не является очевидной, так как не следует непосредственно из уровня техники. На основании этого можно утверждать, что заявляемое техническое решение является новым и неочевидным. При этом заявляемое техническое решение осуществимо в промышленных условиях и, следовательно, является промышленно осуществимым. Таким образом, представленный быстроходный дизель соответствует критериям изобретения.

На фиг.1 представлена конструктивная схема дизеля в разрезе (сечение Б-Б на фиг.2); на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3, 4 и 5 различные конструкции распылителя с распыливающими отверстиями первой и второй групп.

Быстроходный дизель содержит поршень 1 с камерой сгорания 2, цилиндр 3 и его головку 4 с выпускным и впускным клапанами 5 и 6, соответственно, насос 7 высокого давления с топливопроводом 8, форсунку 9 с распылителем 10, установленную несимметрично относительно геометрической оси 11 камеры сгорания 2. Распылитель 10 состоит из корпуса 12 и запирающей иглы 13. В корпусе 12 выполнены запирающая коническая поверхность 14, образующая с поверхностью запирающей иглы 13 подыгольной объем 15, и две группы распыливающих отверстий 16 и 17. При этом входные кромки 18 распыливающего отверстия 16 первой группы расположены в подыгольном объеме 15, а входные кромки 19 распыливающего отверстия 17 второй группы на запирающей конической поверхности 14. Корпус распылителя 10 имеет носок 20.

В камере сгорания 2 выделена зона 21 зона выпускного клапана 5 (на фиг.1 и 2 зона 21 в проекциях показана заштрихованной). Выделенная зона 21 является наиболее высокотемпературной зоной в связи с близостью выпускного клапана 5, головка которого и является наиболее нагретой деталью конструкции, и ограничена частью поверхности 22 камеры сгорания 2 и плоскостями 23 и 24, проведенными через носок 20 распылителя 10 параллельно оси 11 камеры сгорания 2 и касательно к окружности 25, проведенной в перпендикулярной к оси головки выпускного клапана 5 плоскости, например, в плоскости торцевой поверхности 26 головки выпускного клапана 5. Радиус R окружности 25 равен где R_вып. радиус выпускного клапана 5, а δ межклапанная перемычка.

В зону 21 под выпускным клапаном 5 направлено своей геометрической осью по меньшей мере одно распыливающее отверстие 16 первой группы, выполненное в корпусе 12 распылителя 10.

При этом возможно иное конструктивное выполнение упомянутого выше распыливающего отверстия 16 первой группы, а именно, когда его входные кромки 18 частично расположены на запирающей конической поверхности 14 распылителя 10.

Возможно также в одной плоскости осевого сечения с распыливающим отверстием 16 первой группы выполнение сообщенного с ним своим выходом распыливающего отверстия 17 второй группы, входные кромки 19 которого пересекаются с входными кромками 18 распыливающего отверстия 16 первой группы с образованием непрерывного контура на внутренней поверхности корпуса 12 распылителя 10.

Двигатель четырехтактный и работает по известной схеме следующим образом.

Такт первый впуск рабочего тела (воздуха) через впускной клапан 6 в период движения поршня 1 вниз в цилиндре 3 (см. изображение на фиг. 1). Такт второй сжатие рабочего тела в период движения поршня 1 вверх. В конце такта сжатия насос 7 с помощью топливопровода 8 осуществляет подачу топлива к форсунке 9, в которой начинает повышаться давление. При достижении давления в полости распылителя 10 форсунки 9 значений, превышающих значения давления начала движения запирающей иглы 13, последняя поднимается и топливо впрыскивается в камеру сгорания 2. При этом в период движения запирающей иглы 13, т. е. на частичных ее подъемах, коэффициент расхода распыливающего отверстия 16 первой группы значительно (в 2 3 раза) больше, чем распыливающего отверстия 17 второй группы, вследствие чего струя распыливающего топлива, впрыскиваемого из отверстия 16, значительно быстрее, чем другие, достигает зоны 21, расположенной под выпускным клапаном 5. Именно в этой зоне, границы которой определены расположением камеры сгорания 2 относительно оси цилиндра 1, координатами форсунки 9, а также расположением двух плоскостей 23 и 24, касательных к окружности 28 радиусом именно в ней, одновременно "привязанной" к носку 20 распылителя 10, температуры значительно выше, чем в других зонах камеры сгорания 2. Это определяет более раннее воспламенение топлива в зоне 21, чем в других зонах, и последующее плавное нарастание давления в камере сгорания 2 дизеля, что и будет предопределять, в частности, меньший шум рабочего цикла дизеля. Заканчивается впрыскивание топлива после прохождения поршнем 1 верхней мертвой точки, т.е. в период третьего такта рабочего хода, который осуществляется при движении поршня 1 вниз. Четвертый такт выхлоп, во время которого отработавшие газы удаляются из цилиндра 3 через выпускной клапан 5, нагревая его и смежные с ним детали. Основной период этого такта по длительности во время движения поршня вверх.

В случае, когда подача топлива в зону 21 под выпускным клапаном 5 осуществляется через распыливающее отверстие 16 первой группы с частичным смешением входным кромок 18 на запирающую коническую поверхность 14 корпуса 12 распылителя 10 (см. фиг.4), работа дизеля происходит аналогично описанному. При этом появляется возможность уменьшить подыгольный объем 15 в форсунке 9 по сравнению с конструкцией, представленной на фиг.3. В итоге, как известно, экологические характеристики выхлопных газов такого дизеля улучшаются по сравнению с традиционным в связи с уменьшением подачи топлива, обусловленным опустошением подыгольного объема 15 форсунки 9.

В случае, когда подача топлива в зону 21 под выпускным клапаном 5 осуществляется через комбинированное распыливающее отверстие в виде выполненных в одной осевой плоскости сечения корпуса 12 распылителя 10 отверстия 16 первой группы со смещенными на запирающую коническую поверхность 14 входными кромками 18 и отверстия 17 второй группы (см. фиг.5) так, что входные кромки 19 пересекают входные кромки 18, дизель также работает как описано выше. Но при этом появляется возможность угловой коррекции направления струи топлива, впрыскиваемого через такое комбинированное распыливающее отверстие. Необходимость коррекции направленной в зону 21 под выпускным клапаном 5 струи топлива возникает вследствие того, что в камере сгорания 2, в частности, в указанной точке 21 в процессе такта сжатия наблюдается градиент температур, обусловленный различными температурами поверхностей поршня 1 и головки выпускного клапана 5, которая является наиболее нагретой деталью конструкции. В начале впрыскивания (см. фиг.5), т.е. при частичных подъемах запирающей иглы 13, основная масса топлива, поступающего в отверстие 16, будет ориентирована вдоль оси распыливающего отверстия 16, которая направлена ближе к головке выпускного клапана 5. При дальнейшем развитии процесса впрыскивания вследствие подъема запирающей иглы 13 будет увеличиваться зазор между последней и запирающей конической поверхностью 14. Это приведет к тому, что будет увеличиваться поток топлива, ориентированный вдоль оси распыливающего отверстия 17. В итоге произойдет изменение направления топлива струи. Это позволит в конечном результате более эффективно использовать как объем зоны 21 под выпускным клапаном 5, так и неоднородность ее температуры. Таким образом, дизель будет обладать форсункой, обеспечивающей в зоне 21 более эффективный процесс воспламенения топлива по сравнению с конструкциями, представленными на фиг.3 и 4.

Таким образом, техническое решение, заключающееся в организации подачи топлива с помощью форсунки определенной конструкции первоначально в наиболее нагретую зону камеры сгорания определенную зону под выпускным клапаном, позволяет создать дизель, обладающий более высокими эксплуатационными свойствами, а именно с пониженным уровнем шума при его работе. Кроме этого, предлагаемый дизель имеет лучшие экологические свойства за счет улучшения характеристик выхлопных газов. В нем также предусмотрена возможность повышения эффективности впрыскивания за счет циклического изменения направления топливных струй в выделенной высокотемпературной зоне под выпускным клапаном.

Использование - двигателестроение, в частности топливовпрыскивающая аппаратура. Сущность изобретения: дизель содержит поршень 1 с камерой сгорания 2, цилиндр 3, выпускной и впускной клапаны 5 и 6, насос 7, форсунку 9 с распылителем 10, в корпусе которого выполнен носок 20 и две группы распыливающих отверстий 16 и 17 с входными кромками 18 и 19 в подыгольном объеме 15 и на запирающей поверхности 14 соответственно. Одно из отверстий 16 направлено в зону 21, которая ограничена частью поверхности 22 камеры сгорания 2 и двумя плоскостями 23 и 24, проходящими через носок 20 параллельно к окружности 25, проведенной в любой плоскости, перпендикулярной оси головки выпускного клапана 5, радиусом R R_вып + b/2, где R_вып - радиус выпускного клапана, а b - межклапанная перемычка. При подаче насосом 7 топлива в конце такта сжатия начальный расход обеспечивается в основном распыливающим отверстием 16, поэтому в зону 21, характеризуемую более высокими температурами, топливо поступает и воспламеняется, опережая подачу и воспламенение в других зонах камеры сгорания, поэтому процесс воспламенения становится растянутым во времени. Возможное частично смещение входных кромок 18 отверстия 16, ориентированного в зону 21, на запирающую поверхность распылителя 10 позволяет уменьшить подыгольный объем 15. Возможное комбинированное выполнение в одной плоскости осевого сечения отверстий 16 и 17 с общим выходом и с взаимно пересекающимися входными кромками 18 и 19 позволяет дополнительно вести в зоне 21 коррекцию топливных струй в зависимости от положения поршня 1. 5 ил.

Быстроходный дизель, содержащий поршень с камерой сгорания, цилиндр, головку цилиндра с впускным и выпускным клапанами, насос высокого давления, форсунку с распылителем, имеющим в корпусе носок и две группы распыливающих отверстий, причем входные кромки распыливающих отверстий первой группы расположены в подыгольном объеме, а входные кромки распыливающих отверстий второй группы на запирающей конической поверхности корпуса распылителя, отличающийся тем, что геометрическая ось по меньшей мере одного из распыливающих отверстий первой группы направлена в зону выпускного клапана, ограниченную частью поверхности камеры сгорания и двумя плоскостями, проходящими через носок корпуса распылителя параллельно оси камеры сгорания и касательно к окружности, проведенной в плоскости, перпендикулярной оси головки выпускного клапана, радиусом

где R_вып. радиус выпускного клапана;
δ межклапанная перемычка.