ТОПЛИВНЫЙ КЛАПАН ДЛЯ БОЛЬШИХ ДВУХТАКТНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2013 года по МПК F02M61/10 F02M59/46 

Настоящее изобретение относится к топливным клапанам для больших двухтактных дизельных двигателей.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Большие двухтактные дизельные двигатели обычно используют в качестве основных двигателей на больших морских судах, например на контейнерных судах, или в силовых установках.

Эти двигатели обычно снабжены двумя или тремя топливными клапанами, расположенными на каждой из крышек цилиндра. Топливный клапан снабжен подпружиненной иглой, которая действует в качестве выполненного с возможностью перемещения элемента клапана. Когда давление топлива (которое обычно представляет собой тяжелое дизельное топливо) превышает заранее установленное давление (обычно 350 бар), игла приподнимается над седлом, обеспечивая поступление топлива в камеру сгорания через форсунку, расположенную в передней части топливного клапана.

Стандартная форсунка имеет продольную ось, расположенную приблизительно под углом от десяти до пятнадцати градусов относительно направления перемещения поршня в цилиндре двигателя, и снабжена центральным каналом и выходными каналами, которые направляют топливо от стенок цилиндра внутрь камеры сгорания. Как правило, в момент впрыска в камере сгорания существует воздушный вихрь, а большая часть выходных каналов направлена таким образом, чтобы осуществлять впрыск топлива с потоком вихря, хотя некоторые из каналов могут быть направлены для осуществления впрыска топлива в поток.

Остаточный объем топлива, находящегося, например, в центральном канале, проходящем в продольном направлении внутри форсунки, или так называемый паразитный объем топлива, которое может проникать внутрь камеры сгорания, должен быть как можно меньше, поскольку это топливо может попасть в камеру сгорания в то время когда температуры слишком низки для надлежащего сгорания топлива.

Тем не менее, это вытекание может вызвать увеличение выбросов, в частности дымообразование, большие выбросы оксидов азота и летучих органических соединений, и, что немаловажно, может привести к снижению эффективности топлива.

Указанные проблемы выбросов и потребления топлива решает золотниковый топливный клапан компании «MAN Diesel», конструкция которого характеризуется минимизированным побочным объемом остаточного топлива.

Форсунка этого известного топливного клапана снабжена каналами, через которые струя топлива покидает форсунку, при этом все каналы расположены в одном и том же продольном направлении вблизи свободного конца форсунки. Выходные каналы распределены в пространстве радиально и тангенциально относительно продольной оси топливной форсунки. Ввиду пространственных ограничений некоторые из выходных каналов направлены по существу радиально, в то время как другие выходные каналы направлены главным образом тангенциально. Перекрывающий золотник/ползун, расположенный внутри центрального продольного канала, выполненного с отверстиями, соответствующими выходным каналам, не позволяет топливу из центрального канала форсунки вытекать после того как штатный этап впрыска выполнен.

Однако характеристика потока, особенно тех выходных каналов, которые направлены не радиально, а тангенциально, не оптимальна.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Исходя из уровня техники, задачей настоящего изобретения является обеспечение топливного клапана, в котором преодолены или по меньшей мере менее выражены указанные выше недостатки.

Поставленная задача решена с помощью топливного клапана для впрыска топлива внутрь камеры сгорания большого двухтактного дизельного двигателя, содержащего

корпус топливного клапана, содержащий фланец, расположенный на его тыльной стороне, предназначенный для крепления топливного клапана к крышке цилиндра большого двухтактного дизельного двигателя,

удлиненную форсунку с осевым каналом и закрытой передней частью,

упруго перемещаемую иглу клапана, выполненную с возможностью взаимодействия с седлом клапана и контроля потока топлива к форсунке,

выходные отверстия, распределенные по форсунке таким образом, что оси выходных отверстий по существу сходятся с осью осевого канала форсунки,

полый перекрывающий стержень, выполненный с возможностью синхронного перемещения с иглой клапана, и выполненный с возможностью осевого перемещения в центральном канале форсунки для открытия и закрытия выходных отверстий,

причем указанный перекрывающий стержень содержит отверстия, соответствующие выходным отверстиям, выполненные с возможностью соединения выходных отверстий и внутренней полости перекрывающего стержня в одной его позиции и разъединения выходных отверстий и внутренней полости перекрывающего стержня в другой его позиции, а сам перекрывающий стержень предотвращен от вращения относительно форсунки и корпуса топливного клапана.

Благодаря применению перекрывающего стержня, открывающего и закрывающего выходные отверстия синхронно с открытием и закрытием иглы клапана, побочный объем уменьшен практически до нуля, при этом конструкция форсунки и ее ориентация обеспечивают получение оптимальной и стабильной струи топлива.

При поднятии иглы клапана над ее седлом может происходить совмещение указанных отверстий, расположенных в указанном перекрывающем стержне, с выходными отверстиями.

При соединении иглы клапана и ее седла указанные отверстия, расположенные в указанном перекрывающем стержне, могут не совпадать с выходными отверстиями.

Согласно одному варианту реализации, при поднятии иглы клапана над ее седлом происходит соединение внутренней полости перекрывающего стержня с входным отверстием топливного клапана.

Предпочтительно, игла клапана и перекрывающий стержень выполнены как единый элемент.

В одном варианте реализации выходные отверстия распределены вдоль длины форсунки таким образом, что не перекрывают выходные отверстия, видимые в направлении продольного удлинения форсунки.

В еще одном варианте реализации выходные отверстия распределены вдоль длины форсунки таким образом, что по существу перекрывают пары выходных отверстий, видимых в направлении продольного удлинения форсунки.

Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение применения топливного клапана в большом двухтактном дизельном двигателе крейцкопфного типа для впрыска топлива внутрь камеры сгорания большого двухтактного дизельного двигателя, где указанный топливный клапан содержит:

корпус топливного клапана, содержащий фланец, расположенный на его тыльной стороне, предназначенный для крепления топливного клапана к крышке цилиндра большого двухтактного дизельного двигателя,

удлиненную форсунку с осевым каналом и закрытой передней частью,

упруго перемещаемую иглу клапана, выполненную с возможностью взаимодействия с седлом клапана и контроля над потоком топлива к форсунке,

выходные отверстия, распределенные по форсунке, таким образом, что оси выходных отверстий по существу сходятся с осью осевого канала форсунки,

полый перекрывающий стержень, выполненный с возможностью синхронного перемещения с иглой клапана и выполненный с возможностью осевого перемещения в центральном канале форсунки для открытия и закрытия выходных отверстий,

причем указанный перекрывающий стержень содержит отверстия, соответствующие выходным отверстиям, выполненные с возможностью соединения выходных отверстий и внутренней полости перекрывающего стержня в одной его позиции и разъединения выходных отверстий и внутренней полости перекрывающего стержня в другой его позиции, а сам перекрывающий стержень предотвращен от вращения относительно форсунки и корпуса топливного клапана.

Другие задачи, признаки, преимущества и свойства топливного клапана согласно настоящему изобретению будут понятны из подробного описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее приведено подробное описание настоящего изобретения со ссылками на приведенные в качестве примера варианты реализации, показанные на чертежах, среди которых:

Фиг.1 - продольный разрез приведенного в качестве примера варианта реализации топливного клапана,

Фиг.2 - продольный разрез в более крупном масштабе передней части топливного клапана, изображенного на фиг.1, игла клапана показана в закрытой позиции,

Фиг.3 - продольный разрез в более крупном масштабе форсунки топливного клапана, показанного на фиг.1,

Фиг.4 - вид сверху форсунки, показанной на фиг.3,

Фиг.5 - осевой разрез в более крупном масштабе иглы клапана и перекрывающего стержня топливного клапана, показанного на фиг.1,

Фиг.6 - вид сверху иглы клапана и перекрывающего стержня, показанных на фиг.5,

Фиг.7 - вид сверху еще одного варианта реализации форсунки для топливного клапана, показанного на фиг.1,

Фиг.8 - осевой разрез в более крупном масштабе форсунки, показанной на фиг.7, и

Фиг.9 - вид сверху еще одного варианта реализации иглы клапана, используемой в сочетании с форсункой, показанной на фиг.7 и 8.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ

Топливный клапан 1, изображенный на фиг.1, содержит удлиненный наружный корпус 10, содержащий фланец (14), расположенный на его тыльной стороне, предназначенный для крепления топливного клапана (1) любым известным способом к крышке цилиндра большого двухтактного дизельного двигателя, и может быть соединен с топливным насосом (не показан). Фланец 14 содержит входное отверстие 16 для нефтяного топлива, которое связывает поток с каналом 17. Канал проходит через невозвратный клапан 12 к игле 20 клапана, выполненной с возможностью осевого перемещения в канале корпуса 10. Игла 20 перемещается к ее седлу 22 при помощи закрывающей пружины 18. Передняя часть корпуса 10 содержит форсунку 30, которая проходит через корпус 10 во внутрь камеры сгорания цилиндра двигателя (не показана), когда клапан 1 прикреплен к крышке цилиндра. Форсунка является удлиненной форсункой (30) с осевым каналом и закрытой частью.

Фиг.2-6 более подробно показывают иглу 20 клапана и форсунку 30. Пружина 18 прижимает иглу 20 к ее седлу 22. Фиг.2 показывает иглу 20 клапана, покоящуюся на седле 22. В этой позиции поток топлива от входного отверстия 16 к форсунке 30 заблокирован.

Игла 20 содержит передний перекрывающий стержень 40, более тонкий, чем задняя секция иглы 20, и проходящий внутрь центрального канала 33 форсунки 30.

Форсунка 30 содержит центральный канал 33 и выходные отверстия 35, через которые топливо впрыскивается внутрь камеры сгорания, расположенные таким образом, что во время впрыска топлива его струя поступает из каждого из отверстий 35.

Выходные отверстия 35 распределены по форсунке 30 таким образом, что обеспечено наличие расстояния между ними в продольном направлении удлинения форсунки. Таким образом, даже принимая во внимание размеры выходных отверстий 35, не происходит наложение выходных отверстий 35 в продольном направлении удлинения форсунки. Кроме того, выходные отверстия 35 разнесены по радиусу и направлены радиально в разных направлениях, для охвата широкого сектора камеры сгорания струями топлива, поступающими из выходных отверстий 35.

В одном из вариантов реализации выходные отверстия 35 просверливают в форсунке. Оси 36 каждого выходного отверстия 35 по существу сходится с осью 34 центрального канала 33, т.е. оси 36 выходных отверстий 35 направлены не тангенциально, а напротив, все они направлены к оси 34 центрального канала 33. Оси 36 выходных отверстий 35 могут не сходиться точно с осью 34 центрального канала 33, но направление выходных отверстий 35 не должно быть по существу тангенциальном относительно оси 34 центрального канала 33.

Как можно видеть на фиг.3, оси 36 выходных отверстий 35 могут находиться под углом к оси 34 центрального канала 33, отличным от прямого угла.

Перекрывающий стержень 40 в приводимом в качестве примера варианте реализации выполнен как единое целое с иглой 20. Перекрывающий стержень 40 выполняют полым, а его внутренняя полость соединена с пространством, находящимся ниже седла 22. Таким образом, при поднятии иглы 20 клапана над ее седлом 22 проточный канал 17 проходит по всей длине - от входного отверстия 16 до внутренней полости стержня 40.

Передняя часть перекрывающего стержня 40 является цилиндрической и точно входит внутрь центрального канала 33. Эта передняя часть стержня 40 содержит отверстия 45, которые соответствуют выходным отверстиям 35. Угловое положение иглы 20, а следовательно, и перекрывающего стержня 40, зафиксировано штифтом 48, который предотвращает от вращения иглу 20 относительно корпуса 10. Это сделано для гарантии того, что отверстия 45 в стержне 40 будут совмещены с выходными отверстиями 35 при поднятии иглы 20 клапана над ее седлом 22.

В процессе работы при превышении давления топлива, подаваемого в клапан 1, заранее определенного граничного значения, игла 20 клапана поднимается над ее седлом 22. В этот момент топливо получает возможность проникать внутрь полого стержня 40, и далее сквозь отверстия 45, которые теперь совмещены с выходными отверстиями 35, через выходные отверстия 35 внутрь камеры сгорания. Когда подача топлива в клапан 1 прекращается, в конце процесса впрыска топлива сниженное давление топлива не может более удерживать иглу 20 над ее седлом 22, и пружина 18 толкает иглу 20 в осевом направлении вперед к ее седлу 22. Поскольку стержень 40 перемещается синхронно с иглой 20, он тоже перемещается в осевом направлении к передней части клапана 1. Теперь, при нахождении иглы 20 на ее седле 22, отверстия 45 перекрывающего стержня больше не совмещены с выходными отверстиями 35. Таким образом топливо в форсунке (по существу в полом стержне 40) заперто и не может проникать внутрь камеры сгорания.

Таким образом, побочный объем (объем топлива, который может истекать из форсунки после того как процесс впрыска топлива завершен) равен практически нулю в сочетании с оптимальной геометрией выходных отверстий 35.

На фиг.7-9 показан еще один вариант реализации изобретения, который по существу аналогичен варианту реализации, описанному выше, за исключением того, что положение выходных отверстий 35 немного изменено.

Выходные отверстия 35 размещены парами по два выходных отверстия 35, которые помещены по существу в одинаковые продольные положения в направлении продольного удлинения 30. Выходные отверстия 35 распределены по радиусу таким же образом, как в варианте реализации, описанном выше, и это сделано по тем же причинам. Преимуществом этого варианта реализации является обеспечение возможности выполнения форсунки 30 с укороченным продольным удлинением, что уменьшает поглощение тепла во время цикла сгорания.

Настоящее изобретение обеспечивает множество преимуществ. Разные варианты реализации или исполнения могут обеспечить по меньшей мере одно из следующих преимуществ. Необходимо отметить, что это не исчерпывающий перечень, и могут иметься другие преимущества, которые не упомянуты в настоящем документе. Одним из преимуществ принципа настоящего изобретения является реализация топливного клапана для большого двухтактного дизельного двигателя, сочетающего оптимальную конструкцию выходного отверстия и очень маленький побочный объем. Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что оно предлагает топливный клапан, который сочетает оптимальную конструкцию выходного отверстия, очень маленький побочный объем и уменьшенную длину форсунки.

Необходимо понимать, что принципы настоящего изобретения были подробно описаны лишь в пояснительных целях, и специалистами в данной области в них могут быть внесены изменения без выхода за рамки объема предлагаемого изобретения.

Термин «содержащий», используемый в формуле изобретения, не исключает наличие других элементов или шагов. Упоминание терминов изобретения в единственном числе не исключает возможность их присутствия во множественном числе. Одно обрабатывающее устройство или иной узел может исполнять функции нескольких средств, указанных в формуле.

Настоящее изобретение относится к топливным клапанам для больших двухтактных дизельных двигателей. Изобретение позволяет обеспечить оптимальную характеристику потока топлива из выходных каналов форсунки. Топливный клапан для впрыска топлива внутрь камеры сгорания большого двухтактного дизельного двигателя содержит корпус топливного клапана, содержащий фланец, расположенный на его тыльной стороне и предназначенный для крепления топливного клапана к крышке цилиндра большого двухтактного дизельного двигателя, удлиненную форсунку с осевым каналом и закрытой передней частью, упруго перемещаемую иглу клапана, выполненную с возможностью взаимодействия с седлом клапана и с возможностью контроля потока топлива к форсунке. Выходные отверстия распределены по длине форсунки таким образом, что оси выходных отверстий по существу сходятся с осью центрального канала форсунки. Полый перекрывающий стержень выполнен с возможностью синхронного перемещения с иглой клапана и с возможностью осевого перемещения между поднятым положением и закрытым положением в центральном канале форсунки для открытия и закрытия выходных отверстий. Перекрывающий стержень содержит отверстия, соответствующие выходным отверстиям и выполненные с возможностью соединения всех выходных отверстий и внутренней полости перекрывающего стержня в поднятом положении и с возможностью разъединения всех выходных отверстий и внутренней полости перекрывающего стержня в закрытом положении, и предотвращено вращение перекрывающего стержня относительно форсунки и корпуса топливного клапана. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Топливный клапан (1) для впрыска топлива внутрь камеры сгорания большого двухтактного дизельного двигателя, содержащий:
корпус (10) топливного клапана, содержащий фланец (14), расположенный на его тыльной стороне и предназначенный для крепления топливного клапана (1) к крышке цилиндра большого двухтактного дизельного двигателя,
удлиненную форсунку (30) с осевым каналом и закрытой передней частью, упруго перемещаемую иглу (20) клапана, выполненную с возможностью взаимодействия с седлом (22) клапана и с возможностью контроля потока топлива к форсунке (30),
выходные отверстия (35), распределенные по длине форсунки (30) таким образом, что оси (36) выходных отверстий (35), по существу, сходятся с осью (34) центрального канала (33) форсунки (30),
полый перекрывающий стержень (40), выполненный с возможностью синхронного перемещения с иглой (20) клапана и с возможностью осевого перемещения между поднятым положением и закрытым положением в центральном канале (33) форсунки (30) для открытия и закрытия выходных отверстий (35),
причем указанный перекрывающий стержень (40) содержит отверстия (45), соответствующие выходным отверстиям (35) и выполненные с возможностью соединения всех выходных отверстий (35) и внутренней полости перекрывающего стержня (40) в поднятом положении и с возможностью разъединения всех выходных отверстий (35) и внутренней полости перекрывающего стержня (40) в закрытом положении, и предотвращено вращение перекрывающего стержня (40) относительно форсунки (30) и корпуса (10) топливного клапана.

2. Топливный клапан (1) по п.1, в котором при поднятии иглы (20) клапана над ее седлом (22) происходит совмещение указанных отверстий (45), расположенных в указанном перекрывающем стержне (40), с выходными отверстиями (35).

3. Топливный клапан (1) по п.1, в котором при соединении иглы (20) клапана и ее седла (22) указанные отверстия (45), расположенные в указанном перекрывающем стержне (40) не совпадают с выходными отверстиями (35).

4. Топливный клапан (1) по п.1, в котором при поднятии иглы (20) клапана над ее седлом (22) происходит соединение внутренней полости перекрывающего стержня (40) с входным отверстием (16) топливного клапана (1).

5. Топливный клапан (1) по п.1, в котором игла (20) клапана и перекрывающий стержень (40) выполнены как единый элемент.

6. Топливный клапан (1) по п.1, в котором выходные отверстия (35) распределены вдоль длины форсунки таким образом, что не перекрывают выходные отверстия (35), видимые в направлении продольной протяженности форсунки (30).

7. Топливный клапан (1) по п.1, в котором выходные отверстия (35) распределены вдоль длины форсунки (30) таким образом, что, по существу, перекрывают пары выходных отверстий (35), видимых в направлении продольной протяженности форсунки (30).

8. Применение топливного клапана (1) в большом двухтактном дизельном двигателе крейцкопфного типа в качестве средств для впрыска топлива внутрь камеры сгорания большого двухтактного дизельного двигателя, где указанный топливный клапан содержит:
корпус (10) топливного клапана, содержащий фланец (14), расположенный на его тыльной стороне и предназначенный для крепления топливного клапана (1) к крышке цилиндра большого двухтактного дизельного двигателя,
удлиненную форсунку (30) с осевым каналом и закрытой передней частью, упруго перемещаемую иглу (20) клапана, выполненную с возможностью взаимодействия с седлом (22) клапана и с возможностью контроля потока топлива к форсунке (30),
выходные отверстия (35), распределенные по длине форсунки (30) таким образом, что оси (36) выходных отверстий (35), по существу, сходятся с осью (34) центрального канала (33) форсунки (30),
полый перекрывающий стержень (40), выполненный с возможностью синхронного перемещения с иглой (20) клапана и с возможностью осевого перемещения между поднятым положением и закрытым положением в центральном канале (33) форсунки (30) для открытия и закрытия выходных отверстий (35),
причем указанный перекрывающий стержень (40) содержит отверстия (45), соответствующие выходным отверстиям (35) и выполненные с возможностью соединения всех выходных отверстий (35) и внутренней полости перекрывающего стержня (40) в поднятом положении и с возможностью разъединения всех выходных отверстий (35) и внутренней полости перекрывающего стержня (40) в закрытом положении, и предотвращено вращение перекрывающего стержня (40) относительно форсунки (30) и корпуса (10) топливного клапана.