ТОПЛИВНЫЙ ИНЖЕКТОР Российский патент 2011 года по МПК F02M51/06 F02M61/00 C23C18/48 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к топливному инжектору однорядного двигателя внутреннего сгорания инжекторного типа.

Уровень техники

Известен однорядный двигатель внутреннего сгорания инжекторного типа с впрыскиванием топлива непосредственно в камеру сгорания. Каждый топливный инжектор впрыскивает топливо в камеру сгорания в соответствии с условиями работы в нужное время.

В камере сгорания впрыснутое распыленное топливо смешивается с воздухом. Образованная воздушно-топливная смесь воспламеняется посредством свечи зажигания и сгорает.

Топливный инжектор в однорядном двигателе внутреннего сгорания инжекторного типа обычно содержит:

- корпус клапана, в котором последовательно выполнены основная полость для приема топлива, воронка, служащая расходным отсеком, и отверстие для впрыска;

- иглу, подвижно установленную в корпусе клапана и имеющую на своем переднем конце запорную часть, в результате перемещения которой запорная часть или отходит от внутренней поверхности корпуса клапана, или контактирует с ней, тем самым открывая или закрывая проход топлива из основной полости в воронку.

Если в заданное время иглу перемещают, чтобы разделить внутреннюю поверхность корпуса клапана и запорную часть переднего конца иглы и открыть проход топлива между ними, то основная полость и воронка оказываются сообщенными и топливо проходит между ними и через приемную воронку в отверстия для впрыска в камеру сгорания.

В таком топливном инжекторе заданное количество топлива сразу наполняет воронку, а затем впрыскивается через отверстие для впрыска, так что, даже если период впрыска топлива заканчивается и игла закрывает топливный канал, еще не впрыснутое топливо остается внутри воронки.

Оставшееся в воронке топливо выжигается газообразными продуктами сгорания, в результате чего внутреннюю поверхность воронки, лицевую сторону переднего конца иглы (в особенности запорную часть) и т.д. покрывают налипающие на них отложения, выделившиеся из топлива (оксиды, карбиды, продукты разложения и т.д.). Налипающие отложения уменьшают сечение для прохода топлива и оказывают сопротивление потоку топлива. Они вызывают уменьшение потока топлива, вызывают отклонения в количестве впрыснутого топлива и способны вызвать ухудшение сгорания. Кроме того, если отложения продолжают налипать, то они могут вызвать даже закупорку отверстия для впрыска.

Для решения такой проблемы ранее предлагалось, например, покрывать поверхность отверстия для впрыска топливного инжектора фторполимером (патентная публикация Японии (A) №2003-503637) или покрывать ее раствором, включающим в себя алкоксидные металлы и фторалкильный группозамещенный алкоксид, в котором алкоксильные группы замещены фторалкильными группами, и сжигать их для получения покрывающей пленки, подавляющей налипание отложений (патент JP 3156610).

Альтернативно было предложено покрывать поверхность топливного инжектора FAS-пленкой, полученной по так называемой золь-гелевой технологии гидролизации и полимеризации алкилтриалкоксисилана, имеющего фторалкильную группу (патентная публикация Японии (A) №2004-84499).

Дополнительно было предложено снабдить клапанное гнездо иглы или поверхность иглы полимером, или металлом, или другим покрытием, снижающим поверхностную энергию или реакционную способность поверхности (патентная публикация Японии (A) №2002-543330).

Кроме того, было предложено снабдить клапанное гнездо иглы вкладышем из керамического материала, замедляющего налипание (патентная публикация Японии (A) №2001-280224).

Однако указанные выше топливные инжекторы имели следующие проблемы.

Топливный инжектор по патентной публикации Японии (A) №2003-503637 имеет отверстие для впрыска, обращенное к камере сгорания и подверженное воздействию высокой температуры, так что при использовании фторполимера надежность была недостаточна. Если часть полимерного покрытия разрушалась и выкрашивалась, то с этих выкрошенных частей могло начинаться образование отложений.

Топливный инжектор по патенту Японии №3156610 имеет покрытие с низкой энергией адсорбции, так что при соответствующем выполнении был бы достигнут высокий эффект подавления образования отложений, однако было выбрано покрытие на основе углерода и предельно тонкое, так что надежность, зависящая от условий поверхности покрытия, оказалась низкой.

Из патентных публикаций Японии (A) №2004-84499 и (A) №2002-543330 неизвестны конкретные материалы покрытия и диапазон покрытия топливных инжекторов, позволяющие удовлетворительно подавить налипание отложений и обеспечить надежность. Их нельзя непосредственно использовать для практического применения.

Топливный инжектор по патентной публикации Японии (A) №2001-280224 требует снабжения клапанного гнезда иглы вкладышем, что усложняет конструкцию и увеличивает стоимость производства.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения являются устранение отмеченных выше проблем в известных устройствах и создание топливного инжектора, предотвращающего налипание отложений и обладающего повышенной надежностью за счет простоты конструкции.

Для решения указанной задачи в топливном инжекторе, содержащем корпус клапана, в котором выполнены основная полость для приема топлива и отверстие для впрыска; и иглу, подвижно установленную в корпусе клапана и имеющую на своем переднем конце запорную часть, в результате перемещения которой запорная часть или отходит от внутренней поверхности корпуса клапана, или контактирует с ней, тем самым открывая или закрывая проход топлива из основной полости в отверстие для впрыска, согласно изобретению отверстие для впрыска покрыто материалом с более низкой адсорбцией кислорода и низкой реакционной способностью к взаимодействию с кислородом по сравнению с материалом самого корпуса клапана; а запорная часть иглы снабжена покрытием, выполненным из материала с более высокой способностью отталкивания жидкости по сравнению с материалом самой иглы и не образующим металлическую поверхность.

Установлено, что в результате покрытия отверстия для впрыска, примыкающего к камере сгорания и подверженного воздействию высокой температуры, материалом с низкой адсорбцией кислорода и реакционной способностью к взаимодействию с ним, а также покрытия запорной части иглы, сравнительно отделенной от камеры сгорания и подверженной воздействию относительно более низкой пиковой температуры, материалом с высокой способностью отталкивания жидкости и низкой энергией адсорбции кислорода, т.е. при использовании селективных покрытий, значительно уменьшаются отложения и одновременно гарантируется надежность.

Предпочтительно, материал покрытия отверстия для впрыска представляет собой золото, а материал покрытия запорной части иглы представляет собой материал на основе двуокиси кремния.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показаны основные части топливного инжектора согласно изобретению, вид в разрезе;

на фиг.2 - сравнительная диаграмма скоростей снижения потока топлива после эксплуатационных испытаний двигателя для покрытий согласно данному изобретению и сопоставительных примеров;

на фиг.3 - график зависимости величины образования отложений на опытном образце в зависимости от теплоты адсорбции O₂ для золота, использованного в данном изобретении, и других металлов.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показаны в сечении основные части топливного инжектора согласно изобретению. Топливный инжектор 5 имеет корпус 13 клапана, по существу образующий пустотелый цилиндр (полный вид опущен). Внутри цилиндра имеется основная полость 7 для приема топлива, в передней части которой имеется по существу полусферическая воронка 11, служащая расходным отсеком для топлива. Из воронки 11 наружу с наклоном под заданным углом выходит отверстие 12 для впрыска.

В корпусе 13 клапана установлена игла 14 с возможностью перемещения вдоль собственной оси (на фиг.1 - вертикальное направление). На переднем конце иглы 14 образована коническая запорная часть 14a. Зазор между запорной частью 14a и внутренней поверхностью 13a корпуса 13 клапана образует проход 10 для топлива.

На фиг.1 показано положение, в котором запорная часть 14a иглы 14 и внутренняя поверхность 13a корпуса 13 клапана разделены. Если игла 14 передвинута в осевом направлении до совместного контакта, то проход 10 для топлива закрыт.

Таким образом, отход запорной части 14a от внутренней поверхности 13a корпуса 13 клапана и контакт с ней вследствие перемещения иглы 14 в осевом направлении приводят к открытию и закрытию прохода 10 для топлива между запорной частью 14a иглы и внутренней поверхностью 13a корпуса клапана. При этом основная полость 7 и отверстие 12 для впрыска сообщаются через воронку 11 или разъединяются и впрыск топлива из отверстия 12 соответственно осуществляется или прекращается.

Следует отметить, что игла 14 нагружена пружиной (не показана), установленной в корпусе 13, в направлении закрытия прохода 10 для топлива (вниз на фиг.1).

С другой стороны, включением соленоида, установленного в корпусе 13 клапана с возможностью создания усилия для перемещения иглы 14 вверх против действующего усилия пружины, открывают проход 10 для топлива, и основная полость 7 и отверстие 12 для впрыска соединяются через воронку 11.

Таким образом, управляя открытием и закрытием прохода 10 для топлива посредством перемещения иглы 14, можно в заданное время впрыскивать топливо из основной полости 7 через воронку 11 и отверстие 12 непосредственно в камеру сгорания (не показана).

Согласно изобретению налипание отложений на топливный инжектор 5 подавлено, и одновременно повышена надежность за счет использования селективного покрытия с металлизацией или другого покрывающего средства в соответствии с местом размещения, что будет пояснено ниже.

Во-первых, отверстие 12 для впрыска подвержено прямому воздействию высокой температуры и высокого давления сгорающего газа из примыкающей камеры сгорания с высокой частотой, поэтому важно предотвращение налипания отложений на основе оксидов. По этой причине материал покрытия отверстия для впрыска должен обладать термостойкостью и низкой адсорбцией кислорода и реакционной способностью взаимодействия с ним. Таким материалом покрыта внутренняя поверхность отверстия 12 для впрыска.

В качестве материала покрытия отверстия для впрыска пригоден металл, обладающий требуемыми выше свойствами, предпочтительно, благородный металл, в частности золото.

С другой стороны, запорная часть 14a иглы 14 обращена к внутренней поверхности 13a корпуса 13 клапана и граничит с проходом 10 для топлива. В основном между запорной частью 14a иглы 14 и камерой сгорания расположено по крайней мере отверстие 12 для впрыска (в рассматриваемом примере выполнения также и воронка 11), так что по сравнению с отверстием 12 частота воздействия высокой температуры и высокого давления газа из камеры сгорания является более низкой, поэтому наиболее важным является предотвращение налипания отложений содержащихся в топливе солей металлов, таких как сульфат аммония и сульфат лития. По этой причине для покрытия запорной части иглы не требуется материал с такой высокой термостойкостью, как для покрытия отверстия для впрыска. Наоборот, необходимы высокая способность отталкивания жидкости и выполнение поверхности неметаллической. Запорная часть 14a иглы снабжена покрытием, выполненным из такого материала.

В качестве материала покрытия запорной части предпочтителен неметаллический материал, обладающий указанными выше свойствами. В частности, пригоден материал покрытия на основе двуокиси кремния, обладающий способностью отталкивать жидкость. В качестве отталкивающего жидкость материала покрытия на основе двуокиси кремния можно указать композицию, содержащую SiO₂ как основу и добавку обычно в виде полимера функциональной группы на основе фтора. Типичными примерами полимера функциональной группы на основе фтора являются полимер тетрафторэтилена, т.е. политетрафторэтилен (PTFE) или другие фторполимеры. Однако этим добавки не ограничены. Можно также применять известные добавки, использующиеся для формирования отталкивающих жидкость покрытий.

В результате покрытия отверстия 12, примыкающего к камере сгорания и подверженного воздействию высокой температуры, золотом, которое обладает высокой химической стойкостью, в частности, к окислению, достигается как надежность при высокой температуре, так и подавление налипания отложений. С другой стороны, покрытием запорной части 14a иглы 14, подверженной воздействию сравнительно низкой температуры, материалом на основе двуокиси кремния, способным отталкивать жидкость и стойким к налипанию солей металлов, можно достичь подавления налипания отложений на игле.

Таким образом, выборочно применяя покрытия, выполненные из определенных материалов, в соответствии с температурой и атмосферными условиями мест размещения топливного инжектора, которые подвержены налипанию отложений, можно простой конфигурацией одновременно достичь подавления налипания отложений и надежности.

Следует отметить, что использование изобретения даже в типичной конструкции, показанной в качестве примера на фиг.1, на которую легко налипают отложения и которая имеет воронку 11, служащую, как уже было отмечено, расходным отсеком для топлива, позволяет подавить налипание отложений и повысить надежность, т.е. результат от использования изобретения не зависит от наличия или отсутствия этой воронки 11.

Кроме того, на фиг.1 для удобства объяснения показан топливный инжектор 5 с прорезью в виде отверстия 12 для впрыска, однако данное изобретение не ограничено таким выполнением. Аналогичный эффект достигается даже при использовании изобретения в топливном инжекторе, конструкция которого имеет множество отверстий для впрыска (многоструйная форсунка) или вихревую форсунку.

Примеры

Были проведены испытания двигателя с селективными покрытиями согласно изобретению. Условия испытаний двигателя были следующие:

двигатель - однорядный (четырехцилиндровый);

температура переднего конца инжектора - 150°C;

время работы - 40 часов;

топливо - высокооктановое.

Внутренняя поверхность отверстия для впрыска была покрыта золотом, а запорная часть иглы была снабжена отталкивающим жидкость покрытием, содержащим SiO₂ в качестве основы с добавлением полимера PTFE.

Для сравнения были проведены испытания двигателя без покрытия и двигателя с покрытием золотом как отверстия для впрыска, так и запорной части иглы.

Скорости потока топлива до и после испытаний замерялись во всех трех указанных выше случаях. Были установлены степени снижения скоростей потока после испытания по сравнению со скоростями потока перед испытанием, и их оценили как снижение скорости потока.

На фиг.2 показаны результаты испытаний двигателя в виде диаграммы. По оси абсцисс отложены типы покрытия, а по оси ординат показано снижение скорости потока топлива после испытания.

Как показано на диаграмме, снижение скорости потока в базовом варианте при отсутствии покрытия составило 4%.

При покрытии золотом как отверстия для впрыска, так и запорной части иглы снижение скорости потока составило 5,5%, т.е. хуже, чем в базовом варианте при отсутствии покрытия.

При покрытии согласно изобретению отверстия для впрыска золотом, а запорной части иглы - отталкивающим жидкость материалом на основе двуокиси кремния в пределах точности измерения не было отмечено снижения скорости потока.

Таким образом, наиболее заметный эффект подавления отложений получен при селективном применении покрытия из золота и отталкивающего жидкость покрытия на основе двуокиси кремния для отверстия для впрыска и запорной части иглы соответственно.

Следует отметить, что для подтверждения преимущества применения, в частности, золота, из числа различных металлов в качестве покрытия отверстия для впрыска в автоклаве испытали опытные образцы.

Условия испытаний были следующие:

Атмосфера в автоклаве: давление - 1 МПа, температура - 200°C.

Способ испытания: напыление газообразных продуктов сгорания на опытный образец под давлением 2 МПа.

Опытный образец посредством металлизации был покрыт различными металлами, показанными на фиг.3.

На фиг.3 показаны результаты испытаний. По абсциссе отложена теплота адсорбции O₂, а по ординате - количество образованных отложений.

Как показано на графике, среди различных испытанных металлов при покрытии золотом количество образованных отложений заметно меньше по сравнению с покрытиями из других металлов. Как общая тенденция просматривается меньшая теплота адсорбции O₂, т.е. меньшая адсорбция кислорода, меньшая величина образования отложений.

По результатам испытаний опытные образцы из Ni и Fe имеют сравнительно небольшие образования отложений, однако стоят намного ниже Au или Pt по надежности при высокой температуре, поэтому непригодны для практического применения.

Настоящее изобретение может быть использовано в топливном инжекторе однорядного двигателя внутреннего сгорания инжекторного типа и может подавлять налипание отложений с одновременным повышением надежности благодаря простоте конструкции.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Технический результат - топливный инжектор предотвращает налипание отложений и одновременно повышает надежность за счет простоты конфигурации. Топливный инжектор содержит корпус клапана, в котором выполнены основная полость для приема топлива и отверстие для впрыска; и иглу, подвижно установленную в корпусе клапана и имеющую на своем переднем конце запорную часть, в результате перемещения которой запорная часть или отходит от внутренней поверхности корпуса клапана, или контактирует с ней, тем самым открывая или закрывая проход топлива из основной полости в отверстие для впрыска. Отверстие для впрыска покрыто материалом с более низкой адсорбцией кислорода и низкой реакционной способностью к взаимодействию с кислородом по сравнению с материалом самого корпуса клапана, а запорная часть иглы снабжена покрытием, выполненным из материала с более высокой способностью отталкивания жидкости по сравнению с материалом самой иглы и не образующим металлическую поверхность. Материалом покрытия отверстия для впрыска является золото, а материалом покрытия запорной части является материал на основе двуокиси кремния. 3 ил.

Топливный инжектор, содержащий корпус клапана, в котором выполнены основная полость для приема топлива и отверстие для впрыска, и иглу, подвижно установленную в корпусе клапана и имеющую на своем переднем конце запорную часть, в результате перемещения которой запорная часть или отходит от внутренней поверхности корпуса клапана, или контактирует с ней, тем самым открывая или закрывая проход топлива из основной полости в отверстие для впрыска, отличающийся тем, что отверстие для впрыска снабжено покрытием, выполненным из золота, а запорная часть иглы снабжена покрытием, выполненным из материала на основе двуокиси кремния.