ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА Российский патент 2015 года по МПК F02M61/12 F02M61/10 F02M61/18 

Настоящее изобретение относится к топливной форсунке для впрыскивания топлива в камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Уровень техники

Из DE 102006012242 А1 известна топливная форсунка для ДВС, имеющая корпус с выполненной в нем полостью высокого давления, заполняемой топливом под высоким давлением, и с по меньшей мере одним отходящим от нее распылительным отверстием. В этой полости высокого давления расположена перемещающаяся в продольном направлении игла распылителя топливной форсунки, взаимодействующая своей уплотняющей поверхностью с выполненным в полости высокого давления коническим седлом для открытия и закрытия по меньшей мере одного распылительного отверстия. С целью обеспечить протекание топлива в достаточном количестве между уплотняющей поверхностью иглы и ее седлом к распылительным отверстиям игла для достижения соответствующей интенсивности впрыскивания должна совершать определенный минимальный ход в направлении своего открытия. Подобная необходимость обусловлена тем, что при своем подъеме игла сначала должна преодолеть участок, на котором зазор между уплотняющей поверхностью иглы и ее седлом дросселирует поток топлива, а преобладающее у распылительных отверстий давление впрыскивания по этой причине снижено. Однако при большой величине минимального хода иглы для достижения полного давления впрыскивания невозможно реализовать многоразовое впрыскивание топлива быстро следующими один за другим циклами. Поэтому в указанной выше публикации коническое седло иглы предлагается выполнять с углом раствора конуса в пределах от 75 до 100°. Преимущество такой известной топливной форсунки перед топливными форсунками, у которых коническое седло иглы выполнено с обычным углом раствора конуса, составляющим примерно 60°, состоит в том, что для преодоления участка, на котором происходит дросселирование потока топлива в зазоре с седлом иглы, необходим меньший ее ход, благодаря чему возможно многоразовое впрыскивание топлива под высоким давлением быстро следующими один за другим циклами. Помимо этого больший угол раствора конуса конического седла должен уменьшать создаваемые потоком топлива паразитные силы, которые могут привести к появлению дезаксиальности иглы.

В настоящее время при разработке современных топливных форсунок ввиду постоянно существующей тенденции к увеличению давления впрыскивания первостепенное значение приобретают аспекты, связанные с обеспечением достаточной прочности, прежде всего в зоне седла иглы. При этом значительное влияние на работу топливной форсунки оказывает выбранная геометрия седла.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать топливную форсунку, которая обладала бы высокой прочностью прежде всего в зоне седла иглы.

Указанная задача решается с помощью топливной форсунки с отличительными признаками, представленными в п.1 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения приведены различные предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Краткое изложение сущности изобретения

Предлагаемая для решения положенной в основу изобретения задачи топливная форсунка имеет иглу, которая установлена в центральном отверстии в корпусе распылителя топливной форсунки с возможностью направленного возвратно-поступательного перемещения в этом отверстии для открытия или закрытия по меньшей мере одного распылительного отверстия и которая своим выполненным на ее обращенном к камере сгорания конце кольцевым уплотнительным участком взаимодействует с коническим герметичным седлом, выполненным на обращенном к камере сгорания конце корпуса распылителя топливной форсунки. Согласно изобретению коническое герметичное седло имеет угол раствора конуса в пределах от 40 до 50°. Преимущество подобной геометрии седла состоит в том, что благодаря меньшему углу раствора его конуса, составляющему значительно меньше обычных 60°, удается добиться явного снижения напряжений в зоне герметичного седла на обращенном к камере сгорания конце корпуса распылителя топливной форсунки. Достигаемое снижение напряжений, соответственно снижение нагрузки позволяет, например, повысить давление впрыскивания на соответствующие величины. Вместо этого или дополнительно к этому корпус распылителя топливной форсунки может также иметь меньшую толщину стенки в зоне распылительных отверстий, которые благодаря этому имеют меньшую длину, что в свою очередь благоприятно сказывается на склонности к закоксовыванию. Несмотря на принципиально существующую возможность достижения повышенной прочности, соответственно эксплуатационной надежности конструкции в зоне герметичного седла и путем принятия иных, направленных на повышение механической прочности мер, таких, например, как использование материалов повышенного качества, увеличение толщины стенок или усиление конструкции элементами жесткости, подобные меры, однако, в большинстве случаев дороже в реализации и обычно оказывают влияние на работу топливной форсунки.

Поскольку существует опасность появления дезаксиальности иглы распылителя топливной форсунки, согласно изобретению, кроме того, в центральном отверстии предлагается выполнять расположенный вблизи седла направляющий участок, предназначенный для направления иглы при ее возвратно-поступательном перемещении. Под выражением "расположенный вблизи седла" согласно изобретению подразумевается направляющий участок, который выполнен в пределах того участка центрального отверстия, длина которого составляет максимум 40% от общей длины корпуса распылителя форсунки, считая от обращенного к камере сгорания конца этого корпуса. Обеспечение направленного перемещения иглы вблизи ее седла позволяет воспрепятствовать появлению ее дезаксиальности, соответственно ее перекосу. В результате достигаются оптимальная симметрия струи впрыскиваемого топлива, а тем сам и равномерное его распределение в камере сгорания в ДВС, что в противном случае не гарантируется прежде всего при распылении топлива распылителями с распылительными отверстиями в седле из-за возможного появления дезаксиальности иглы. Для этого центральное отверстие имеет участок уменьшенного диаметра для образования направляющего участка, расположенного вблизи седла.

Предлагаемой в изобретении геометрией седла обусловлен больший ход иглы, обеспечивающий устранение эффекта дросселирования потока топлива в зазоре с седлом иглы. В соответствии с этим в предлагаемой в изобретении топливной форсунке преимущественно используются быстродействующие клапаны. В таких клапанах их игольчатый затвор (игла) на своем ходе открытия быстрее достигает того участка, который расположен выше участка, на котором происходит дросселирование потока топлива в зазоре с седлом, благодаря чему давление впрыскивания у распылительных отверстий за короткое время достигает необходимого полного давления. Для повышения скорости подъема иглы можно, например, выбирать большое соотношение между проходными сечениями сливного дросселя и входного дросселя. Тем самым увеличенный ход иглы компенсируются ее "быстрым" перемещением (подъемом). С другой стороны, целенаправленное использование дросселирующего участка в начале хода открытия иглы и целенаправленное использование уменьшенной силы, действующей на иглу, при малых величинах ее хода позволяет точнее дозировать топливо при необходимости его впрыскивания малыми и особо малыми порциями. Обусловлено это тем, что в отличие от топливных форсунок с углом раствора конуса конического седла их иглы, равным 60°, у предлагаемой в изобретении топливной форсунки на ее иглу при малых величинах ее хода действует меньшая сила. Благодаря меньшей действующей на иглу силе при применении сервоклапана для управления перемещениями иглы распылителя топливной форсунки обеспечивается далее более быстрый сброс давления из управляющей полости такого клапана, вследствие чего игла вновь приобретает ускорение.

В одном из предпочтительных вариантов по меньшей мере одно распылительное отверстие отходит от центрального отверстия, имеющегося в корпусе распылителя, в зоне герметичного седла. В соответствии с этим предлагаемая в изобретении топливная форсунка в предпочтительном варианте имеет так называемый распылитель с распылительными отверстиями в седле. Преимущество подобных распылителей с распылительными отверстиями в седле перед распылителями с распылительными отверстиями под седлом, у которых распылительные отверстия отходят от глухого отверстия ниже седла иглы, состоит помимо прочего в возможности уменьшения паразитного объема на величину, достигающую 50%. Благодаря меньшему паразитному объему значительно снижается также выброс углеводородов. Поскольку, кроме того, постоянно возрастают требования к предельно допустимым показателям выброса вредных веществ с отработавшими газами, в качестве еще одной задачи настоящего изобретения можно рассматривать снижение таких выбросов вредных веществ. В этом отношении выполнение седла иглы предлагаемой в изобретении топливной форсунки с описанной выше геометрией в сочетании с выполнением ее распылителя в виде распылителя с распылительными отверстиями в седле зарекомендовали себя как особенно предпочтительные. Хотя подобный распылитель из-за выполнения распылительных отверстий в зоне седла и обладает обычно меньшей прочностью по сравнению с распылителем, у которого распылительные отверстия выполнены под седлом, тем не менее его меньшая прочность компенсируется возможностью значительного снижения напряжений благодаря предлагаемому в изобретении выполнению конического герметичного седла с меньшим углом раствора конуса.

В еще одном предпочтительном варианте направляющий участок, расположенный вблизи герметичного седла, непосредственно примыкает к нему. Благодаря этому, во-первых, обеспечивается оптимальное направление иглы при ее возвратно-поступательном перемещении, а во-вторых, упрощается изготовление направляющего участка в пределах центрального отверстия в корпусе распылителя. Такое центральное отверстие имеет для образования направляющего участка уменьшенный диаметр, и поэтому к направляющему участку только с одной его стороны, т.е. с его дальней от седла стороны, примыкает тот участок центрального отверстия, на котором оно имеет больший диаметр и который тем самым можно изготавливать простым путем удалением материала.

В следующем предпочтительном варианте выполненный на игле кольцевой уплотнительный участок имеет по меньшей мере один конический участок. У этого конического участка угол при вершине его конуса предпочтительно выбран по меньшей мере незначительно больше угла раствора конуса конического герметичного седла. В соответствии с этим игла распылителя в основном линейно контактирует со своим седлом в месте прилегания к нему. Для образования уплотняющей кромки кольцевой уплотнительный участок может также состоять из двух конических участков с различающимися между собой углами при вершине их конусов.

В еще одном предпочтительном варианте выполненный на игле кольцевой уплотнительный участок имеет воспринимающий давление уступ с гидравлическими рабочими поверхностями, нагружаемыми давлением топлива в осевом направлении и/или радиальном направлении. Подобный воспринимающий давление уступ может также иметь, например, форму кольцевой канавки. Прикладываемое к нему действующее в радиальном направлении гидравлическое давление также может способствовать направлению иглы при ее возвратно-поступательном перемещении, предотвращая тем самым опасность появления ее дезаксиальности.

Благодаря указанным выше свойствам предлагаемая в изобретении топливная форсунка наиболее пригодна для применения в современных ДВС с высокой долей процессов сгорания предварительно приготовленной рабочей смеси в диапазоне частичных нагрузок, при котором наблюдается явно повышенный выброс углеводородов. Распылители обычно выбираемых конструкций способствуют повышению выбросов углеводородов. Обусловлено это тем, что распылитель топливной форсунки обычно выполнен в виде распылителя с распылительными отверстиями под седлом и с углом раствора конуса конического седла примерно 60°. Топливная же форсунка с распылителем предлагаемой в изобретении конструкции позволяет значительно снизить выбросы углеводородов, обеспечить оптимальную симметрию струи впрыскиваемого топлива и обеспечить достаточно высокую прочность топливной форсунки в зоне ее распылителя, допускающую возможность впрыскивания топлива под высоким давлением. Помимо этого широко распространены баллистические топливные форсунки без ограничителя хода их иглы. Предлагаемая в изобретении топливная форсунка также может быть выполнена в виде топливной форсунки подобного типа.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичные виды в разрезе в зоне герметичного седла, на которых распылитель предлагаемой в изобретении топливной форсунки с углом раствора конуса конического герметичного седла, равным 45°, сопоставляется с распылителем известной из уровня техники топливной форсунки с углом раствора конуса конического герметичного седла, равным 60°, и

на фиг.2 - схематичные виды в разрезе, на которых распылитель, у которого распылительные отверстия расположены в седле, сопоставляется с распылителем, у которого распылительные отверстия расположены под седлом.

На фиг.1 в сопоставлении между собой показаны изображенный с левой стороны распылитель топливной форсунки предлагаемой в изобретении конструкции и изображенный с правой стороны распылитель топливной форсунки известной конструкции. Такие распылители топливных форсунок в обоих вариантах их конструктивного исполнения имеют иглу 1, которая установлена в центральном отверстии 2 в корпусе 3 распылителя с возможностью направленного возвратно-поступательного перемещения в этом отверстии. Для этого в распылителе топливной форсунки предлагаемой в изобретении конструкции имеется расположенный вблизи седла иглы направляющий участок 7 уменьшенного диаметра. Игла 1 при своем возвратно-поступательном перемещении открывает или закрывает по меньшей мере одно распылительное отверстие 4. Оба распылителя выполнены в виде распылителей с распылительными отверстиями в седле, т.е. у каждого из таких распылителей по меньшей мере одно их распылительное отверстие 4 отходит от центрального отверстия 2 в зоне выполненного в пределах него герметичного седла 6. В каждом распылителе герметичное седло 6 имеет коническую форму, которая в основном соответствует форме конического участка (запирающего конуса) 8 иглы 1 и образует уплотнительный участок 5. К коническому участку 8 иглы 1 примыкает цилиндрический участок, а к нему в свою очередь вновь примыкает конический участок, в соответствии с чем на игле 1 образуется воспринимающий давление уступ 9, а между иглой 1 и герметичным седлом 6 образуется кольцевая полость в качестве камеры высокого давления (так называемого кармана), которая при работе топливной форсунки заполнена находящимся под высоким давлением топливом. Такая камера высокого давления сообщается с образованным между иглой 1 и центральным отверстием 2 кольцевым зазором, который также выполняет функцию камеры высокого давления. Со стороны камеры сгорания (снизу на фиг.1) центральное отверстие 2 в каждом распылителе переходит в глухое отверстие 10. Различия между обоими распылителями заключаются в основном лишь в величине выбранного угла раствора конуса α₁ конического герметичного седла 6, который у показанного слева распылителя составляет 45°, а у показанного справа распылителя составляет 60°, а также в величине выбранного угла при вершине конуса α₂ из конического участка 8 иглы 1, имеющего в каждом из распылителей соответствующее значение.

На фиг.2 в сопоставлении между собой показаны распылитель с распылительными отверстиями в седле (изображенный слева распылитель) и распылитель с распылительными отверстиями под седлом (изображенный справа распылитель). У первого из указанных распылителей по меньшей мере одно распылительное отверстие 4 отходит от центрального отверстия 2 в корпусе топливной форсунки в зоне герметичного седла 6, а у второго из указанных распылителей по меньшей мере одно распылительное отверстие 4 отходит от глухого отверстия 10. При впрыскивании топлива в камеру сгорания в ДВС через распылитель с распылительными отверстиями в седле в глухом отверстии 10 также остается паразитный объем. Однако такой паразитный объем, как следует из приведенных на фиг.2 изображений, явно меньше, т.е. меньше примерно на 50%. В соответствии с этим применение распылителя с распылительными отверстиями в седле позволяет существенно снизить также выброс углеводородов, в чем состоит еще одно преимущество предлагаемой в изобретении топливной форсунки.

Топливная форсунка для впрыскивания топлива в камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания, имеющая иглу (1), которая установлена в центральном отверстии (2) в корпусе (3) распылителя топливной форсунки с возможностью направленного возвратно-поступательного перемещения в этом отверстии для открытия или закрытия по меньшей мере одного распылительного отверстия (4) и которая своим выполненным на ее обращенном к камере сгорания конце кольцевым уплотнительным участком (5) взаимодействует с коническим герметичным седлом (6), выполненным на обращенном к камере сгорания конце корпуса (3) распылителя топливной форсунки, согласно изобретению, коническое герметичное седло (6) имеет угол раствора конуса (α₁) в пределах от 40 до 50°, а центральное отверстие (2) имеет расположенный вблизи седла направляющий участок (7) уменьшенного диаметра, предназначенный для направления иглы (1) при ее возвратно-поступательном перемещении и выполненный в пределах того участка центрального отверстия (2), длина которого составляет максимум 40% от общей длины корпуса (3) распылителя форсунки, считая от обращенного к камере сгорания конца этого корпуса (3). 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Топливная форсунка для впрыскивания топлива в камеру сгорания в двигателе внутреннего сгорания, имеющая иглу (1), которая установлена в центральном отверстии (2) в корпусе (3) распылителя топливной форсунки с возможностью направленного возвратно-поступательного перемещения в этом отверстии для открытия или закрытия по меньшей мере одного распылительного отверстия (4) и которая своим выполненным на ее обращенном к камере сгорания конце кольцевым уплотнительным участком (5) взаимодействует с коническим герметичным седлом (6), выполненным на обращенном к камере сгорания конце корпуса (3) распылителя топливной форсунки, отличающаяся тем, что коническое герметичное седло (6) имеет угол раствора конуса (α₁) в пределах от 40 до 50°, а центральное отверстие (2) имеет расположенный вблизи седла направляющий участок (7) уменьшенного диаметра, предназначенный для направления иглы (1) при ее возвратно-поступательном перемещении и выполненный в пределах того участка центрального отверстия (2), длина которого составляет максимум 40% от общей длины корпуса (3) распылителя форсунки, считая от обращенного к камере сгорания конца этого корпуса (3).

2. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно распылительное отверстие (4) отходит от центрального отверстия (2) в зоне герметичного седла (6).

3. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что направляющий участок (7), расположенный вблизи герметичного седла (6), непосредственно примыкает к нему.

4. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что выполненный на игле (1) кольцевой уплотнительный участок (5) имеет по меньшей мере один конический участок (8), у которого угол при вершине его конуса (α₂) предпочтительно выбран по меньшей мере незначительно больше угла раствора конуса (α₁) конического герметичного седла (6).

5. Топливная форсунка по одному из пп.1-4, отличающаяся тем, что выполненный на игле (1) кольцевой уплотнительный участок (5) имеет воспринимающий давление уступ (9) с гидравлическими рабочими поверхностями, нагружаемыми давлением топлива в осевом направлении и/или радиальном направлении.