ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА Российский патент 2020 года по МПК F02M61/18 F02M61/10 

Настоящее изобретение относится к топливной форсунке, которая используется преимущественно для впрыскивания топлива и тем самым предназначена для применения в двигателе внутреннего сгорания (ДВС).

Уровень техники

В современных ДВС с самовоспламенением рабочей смеси от сжатия топливо подается под высоким давлением непосредственно в камеры сгорания в двигателе. Высокое давление создается при этом для тонкого распыливания топлива и для достижения тем самым оптимального соотношения между топливом и находящимся в камере сгорания кислородом в их смеси, что является необходимым условием для эффективного сгорания рабочей смеси с образованием малотоксичных отработавших газов. С этой целью используются топливные форсунки, которые известны из уровня техники, например, из DE 102004050048 А1. Подобная топливная форсунка имеет корпус, в котором образована полость высокого давления, заполняемая топливом под высоким давлением, и в котором расположена игла с возможностью ее перемещения в продольном направлении, которая взаимодействует с запирающим конусом этого корпуса для открытия и закрытия одного или нескольких распыливающих отверстий. При этом на обращенном к камере сгорания конце корпуса топливной форсунки часто имеется полость между иглой и распыливающими отверстиями, так называемое глухое отверстие, которое примыкает к запирающему конусу корпуса топливной форсунки и от которого отходят указанные распыливающие отверстия. Такое глухое отверстие служит при этом для равномерного распределения топлива по отдельным распыливающим отверстиям и для обеспечения тем самым соответственно равномерного распределения топлива в камере сгорания. В процессе впрыскивания топливо, которое находится под высоким давлением в полости высокого давления, протекает через зазор между уплотняющей поверхностью иглы топливной форсунки и запирающим конусом ее корпуса в глухое отверстие, откуда топливо затем втекает в распыливающие отверстия и в конечном итоге распыляется через них в камеру сгорания.

В начале своего хода открытия игла топливной форсунки, т.е. в момент, когда игла начинает подниматься от места своего прилегания к запирающему конусу корпуса топливной форсунки, топливо начинает протекать через крайне узкий зазор между уплотняющей поверхностью иглы топливной форсунки и запирающим конусом ее корпуса в глухое отверстие, что приводит к завихрению в нем топлива. В результате улучшается распыливание топлива, если его завихрение происходит с не настолько высокой интенсивностью, при которой топливо неравномерно распределяется по распыливающим отверстиям. При дальнейшем перемещении иглы в направлении открытия зазор между ее уплотняющей поверхностью и запирающим конусом корпуса топливной форсунки становится больше, в результате чего топливо завихряется в глухом отверстии с меньшей интенсивностью и тем самым снижается склонность топлива к распыливанию при его прохождении через распыливающие отверстия. Преимущества изобретения

Преимущество предлагаемой в изобретении топливной форсунки с признаками, представленными в п. 1 формулы изобретения, перед известной из уровня техники топливной форсункой состоит в улучшении условий притока топлива к распыливающим отверстиям в зоне глухого отверстия благодаря тому, что даже при частичном ходе иглы топливной форсунки обеспечивается поступление топлива в распыливающее отверстие с достаточной турбулентностью и тем самым интенсифицируется распад струи топлива в камере сгорания при его выходе из распыливающих отверстий. Для этого топливная форсунка имеет корпус, в котором образована полость высокого давления, заполняемая топливом под высоким давлением, и в котором расположена перемещающаяся в продольном направлении игла, которая имеет уплотняющую поверхность, которой она взаимодействует с выполненным на корпусе запирающим конусом и таким путем открывает и закрывает соединение полости высокого давления с глухим отверстием. Это глухое отверстие при этом примыкает непосредственно к запирающему конусу и образует в этом месте цилиндрический участок, в результате чего на переходе между запирающим конусом и глухим отверстием образуется входная кромка. В корпусе топливной форсунки, кроме того, выполнено по меньшей мере одно распыливающее отверстие, которое отходит от глухого отверстия. Цилиндрический участок глухого отверстия на своем обращенном от входной кромки конце выполнен с уменьшением диаметра с образованием в результате в этом месте уступа, между которым и входной кромкой, т.е. в зоне цилиндрического участка глухого отверстия, от него отходит по меньшей мере одно распыливающее отверстие.

Благодаря наличию уступа в глухом отверстии поток топлива при своем входе в глухое отверстие направляется этим уступом и вследствие этого завихряется, что вызывает возникновение соответствующей турбулентности в потоке, которая при прохождении топлива через распыливающее отверстие приводит к интенсификации распада струи, т.е. струя топлива при своем выходе из распиливающего отверстия крайне быстро дробится на мельчайшие капельки топлива, которые образуют тонкодисперсный туман и которые эффективно и бездымно сгорают в камере сгорания в смеси с присутствующим в ней кислородом.

В первом предпочтительном варианте к уступу примыкает дно глухого отверстия, выполненное в основном полусферической формы. Такая форма дна глухого отверстия способствует преодолению уступа потоком топлива, благодаря чему интенсифицируется требуемое дополнительное завихрение потока топлива уступом.

В следующем предпочтительном варианте уступ выполнен в виде кольцевой шайбы или кольцевой плоскости, при этом уступ такой формы можно изготовить простым путем. Образующиеся в результате этого сравнительно острые кромки приводят к значительному завихрению топлива в глухом отверстии. Равным образом может быть также предусмотрено выполнение уступа коническим, что хотя и исключает образование острых кромок на переходе, однако повышает механическую прочность. Возможно также выполнение переходов от цилиндрического участка глухого отверстия к кромке и от кромки ко дну глухого отверстия скругленными, прежде всего для уменьшения местных напряжений.

В еще одном предпочтительном варианте уступ выполнен одинаковой глубины по всей окружности глухого отверстия, благодаря чему поток топлива симметризируется в глухом отверстии с обеспечением тем самым поступления топлива во все распыливающие отверстия, если некоторые из них распределены по окружности корпуса топливной форсунки. При этом глубина уступа составляет преимущественно от 5 до 100 мкм, благодаря чему, с одной стороны, достигается возникновение требуемой дополнительной турбулентности в глухом отверстии, а с другой стороны, объем глухого отверстия не увеличивается сверх всякой меры.

В еще одном предпочтительном варианте в корпусе топливной форсунки выполнено несколько распыливающих отверстий, которые отходят от глухого отверстия на участке между уступом и входной кромкой и которые преимущественно равномерно распределены по окружности корпуса топливной форсунки. Чем больше количество распыливающих отверстий, тем равномернее топливо может распределяться в камере сгорания и тем обычно лучше сгорание горючей смеси.

В следующем предпочтительном варианте предусмотрено еще по меньшей мере одно другое распыливающее отверстие, которое отходит от запирающего конуса. В соответствии с этим возможно одновременное снабжение топливом распыливающих отверстий двух разных типов, а именно: распыливающих отверстий, которые отходят от глухого отверстия, и распыливающих отверстий, которые отходят непосредственно от запирающего конуса и которые имеют иную характеристику формирования струи, что может оказаться предпочтительным прежде всего для подачи топлива в сложные по своей конфигурации и больше по своим размерам камеры сгорания.

Чертежи

На прилагаемых к описанию чертежах представлены различные варианты выполнения предлагаемой в изобретении топливной форсунки. На этих чертежах, в частности, показано:

на фиг. 1 - вид известной из уровня техники топливной форсунки в продольном разрезе,

на фиг. 2 - выполненная по первому варианту предлагаемая в изобретении топливная форсунка,

на фиг. 3 - еще один вид топливной форсунки, изображенной на фиг. 2,

на фиг. 4 - та же топливная форсунка, что и на фиг. 3, с обозначением пути движения потока топлива в глухом отверстии и

на фиг. 5 и фиг. 6 - выполненная по другим вариантам предлагаемая в изобретении топливная форсунка с модифицированными уступами в глухом отверстии.

Описание вариантов осуществления изобретения

На фиг. 1 в продольном разрезе показана известная из уровня техники топливная форсунка, при этом на чертеже показаны только ее важные для изобретения части. Такая топливная форсунка имеет корпус 1, в котором образована полость 2 высокого давления, заполняемая топливом под высоким давлением, так называемый карман корпуса топливной форсунки, имеющий вид кольцевой полости. Топливо с повышенным до высокого давлением подготавливается, например, в так называемой топливной рампе ("common rail"), иначе называемой также общей топливной магистралью высокого давления или топливным аккумулятором высокого давления, топливо в который подается, например, топливным насосом высокого давления. В полости 2 высокого давления расположена игла 4 топливной форсунки с возможностью перемещения в продольном направлении, имеющая на своем обращенном к камере сгорания конце уплотняющую поверхность 5, которая выполнена конической и которой игла 4 для открытия и закрытия проходного сечения взаимодействует со своим также коническим седлом на корпусе топливной форсунки, так называемым запирающим конусом 7 корпуса топливной форсунки. К этому запирающему конусу 7 примыкает глухое отверстие 10, которое имеет цилиндрический участок 12 и дно 13, которое при этом выполнено в основном полусферической формы. От глухого отверстия 10 отходит распыливающее отверстие 14, при этом может быть предусмотрено также несколько распыливающих отверстий, через которые топливо может выходить из топливной форсунки и попадать в камеру сгорания в ДВС. При прилегании иглы 4 своей уплотняющей поверхностью 5 к запирающему конусу 7 проходное сечение между этими иглой 4 и запирающим конусом 7 перекрывается, вследствие чего находящееся в полости 2 высокого давления топливо остается в ней под высоким давлением, а в глухом отверстии 10 тем самым давление отсутствует и, соответственно, через распыливающие отверстия 14 не выходит никакое топливо.

При необходимости впрыскивания топлива игла 4 начинает перемещаться соответствующим механизмом в продольном направлении, приподнимаясь от запирающего конуса 7 и открывая проходное сечение между своей уплотняющей поверхностью 5 и запирающим конусом 7, в результате чего топливо втекает под высоким давлением из полости 2 высокого давления в глухое отверстие 10. Из него топливо протекает далее через одно или несколько распыливающих отверстий 14 и таким путем попадает в конечном итоге в камеру сгорания. При своем выходе из распыливающих отверстий 14 топливо распыляется, т.е. струя распадается или дробится с образованием множества мелких капелек топлива, которые гомогенно смешиваются с находящимся в камере сгорания кислородом с образованием тем самым горючей смеси. Для завершения впрыскивания топлива игла 4 отжимается обратно в свое закрытое положение, в котором она прилегает к запирающему конусу 7, в результате чего прекращается приток топлива в глухое отверстие 10.

На фиг. 2 показана выполненная по первому варианту предлагаемая в изобретении топливная форсунка, которая отличается от показанной на фиг. 1 топливной форсунки наличием уступа 16 в глухом отверстии 10. На фиг. 3 правая сторона этой топливной форсунки дополнительно показана в увеличенном виде. Глухое отверстие 10 имеет цилиндрический участок 12, который примыкает непосредственно к запирающему конусу 7. Цилиндрический участок 12 ограничивается уступом 16, образование которого обусловлено уменьшением диаметра на глубину Т и который при этом выполнен в данном варианте коническим. Глубина Т составляет от 5 до 100 мкм (от 0,005 до 0,1 мм), и поэтому глухое отверстие 10 имеет по сравнению с топливной форсункой известного конструктивного исполнения, показанной на фиг.1, лишь незначительно больший объем. Такое лишь незначительное увеличение объема глухого отверстия предпочтительно постольку, поскольку при слишком большом объеме глухого отверстия возможен непреднамеренный выход топлива через распыливающие отверстия 14 даже в паузах между отдельными процессами впрыскивания топлива, которое в этом случае без давления и тем самым с недостаточным распыливанием выходит в камеру сгорания и может привести к повышенным выбросам углеводородов с выходящими из нее отработавшими газами. Распыливающие отверстия 14 всегда отходят от цилиндрического участка 12 глухого отверстия 10, т.е. на участке между уступом 16 и входной кромкой 11. Благодаря этому обеспечивается равномерное распределение топлива по всем распыливающим отверстиям 14, поскольку все они имеют одинаковую характеристику втекания в них топлива.

Эффект, создаваемый уступом 16, проиллюстрирован на фиг. 4, где еще раз показана та же топливная форсунка, что и на фиг. 3. При нахождении иглы 4 в своем открытом положении топливо протекает в зазоре между ее уплотняющей поверхностью 5 и запирающим конусом 7 в глухое отверстие 10. Поскольку игла 4 в поздний момент своего перемещения в направлении открытия находится на относительно большом удалении от запирающего конуса 7, топливо без значительных завихрений втекает в глухое отверстие 10, двигаясь при этом вдоль уплотняющей поверхности 5, и таким путем попадает без повышенных завихрений в зону дна 13 глухого отверстия. Отсюда топливо протекает сбоку вновь в обратном направлении и обтекает при этом уступ 16. Такое обтекание уступа 16 приводит к завихрению топлива перед его входом в распыливающее отверстие 14, что продолжается в этом распыливающим отверстии 14 и в конечном итоге приводит при выходе из него топлива к его лучшему распыливанию.

На фиг. 5 показана выполненная еще по одному варианту предлагаемая в изобретении топливная форсунка. Она отличается от показанной на фиг. 3, соответственно на фиг.4 топливной форсунки тем, что переход между цилиндрическим участком 12 глухого отверстия и уступом 16, соответственно переход от уступа 16 ко дну 13 глухого отверстия выполнен скругленным. Такое скругление позволяет минимизировать местные напряжения, которые возникали бы при угловатой форме указанного перехода, однако снижает создаваемый уступом эффект турбулизации потока топлива. У топливной же форсунки в показанном на фиг.6 варианте ее выполнения уступ 16 выполнен в виде кольцевой плоскости или кольцевой шайбы, т.е. он имеет прямоугольный переход между собой и цилиндрическим участком 12 глухого отверстия 10. Такое выполнение уступа, с одной стороны, способствует турбулизации потока топлива, а с другой стороны, приводит к возникновению местных напряжений на угловатом переходе между уступом и цилиндрическим участком глухого отверстия, которые могут снижать прочность корпуса топливной форсунки, прежде всего при очень высоких давлениях впрыскивания.

На фиг. 2 дополнительно к распыливающим отверстиям 14, некоторые из которых могут быть также распределены по окружности корпуса 1 топливной форсунки, предусмотрено еще одно распыливающее отверстие 15, которое отходит непосредственно от запирающего конуса 7 корпуса топливной форсунки. Подобные распыливающие отверстия 15 являются характерной особенностью соответствующих топливных форсунок с распыливающими отверстиями в запирающем конусе и имеют по сравнению с распыливающими отверстиями 14, отходящими от глухого отверстия 10, иную характеристику формирования струи. Благодаря этому обеспечивается возможность эффективного распределения топлива по всему объему прежде всего тех камер сгорания, которые имеют большие размеры.

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В заявке описана топливная форсунка для применения в ДВС, имеющая корпус (1), в котором образована полость (2) высокого давления, заполняемая топливом под высоким давлением, и в котором расположена перемещающаяся в продольном направлении игла (4), которая имеет уплотняющую поверхность (5), которой она взаимодействует с выполненным на корпусе (1) запирающим конусом (7) и таким путем открывает и закрывает соединение полости (2) высокого давления с глухим отверстием (10). Это глухое отверстие (10), примыкая непосредственно к запирающему конусу (7), образует цилиндрический участок (12), в результате чего на переходе между запирающим конусом (7) и глухим отверстием (10) образуется входная кромка (11). В корпусе (1) топливной форсунки выполнено по меньшей мере одно распыливающее отверстие (14), которое отходит от глухого отверстия (10). Цилиндрический участок глухого отверстия (10) выполнен с уменьшением диаметра, в результате чего в этом глухом отверстии (10) образуется уступ (16), между которым и входной кромкой (11) от глухого отверстия (10) отходит по меньшей мере одно распыливающее отверстие (14). Изобретение позволяет достигнуть более тонкого, мелкодисперсного распыливания топлива форсункой в камере сгорания, что способствует улучшению процесса сгорания топлива и достижению лучших показателей двигателя. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Топливная форсунка для применения в двигателе внутреннего сгорания, имеющая корпус (1), в котором образована полость (2) высокого давления, заполняемая топливом под высоким давлением, и в котором расположена перемещающаяся в продольном направлении игла (4), которая имеет уплотняющую поверхность (5), которой она взаимодействует с выполненным на корпусе (1) запирающим конусом (7) и таким путем открывает и закрывает соединение полости (2) высокого давления с глухим отверстием (10), которое, примыкая непосредственно к запирающему конусу (7), образует цилиндрический участок (12), в результате чего на переходе между запирающим конусом (7) и глухим отверстием (10) образуется входная кромка (11), а также имеющая по меньшей мере одно выполненное в ее корпусе (1) распыливающее отверстие (14), которое отходит от глухого отверстия (10), отличающаяся тем, что цилиндрический участок глухого отверстия (10) на своем обращенном от входной кромки (11) конце выполнен с уменьшением диаметра с образованием в результате в этом месте уступа (16), между которым и входной кромкой (11) от глухого отверстия (10) отходит по меньшей мере одно распыливающее отверстие (14).

2. Топливная форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что с обращенной от запирающего конуса (7) стороны к уступу (16) примыкает дно (13) глухого отверстия, выполненное в основном полусферической формы.

3. Топливная форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что уступ (16) выполнен в виде кольцевой плоскости.

4. Топливная форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что уступ (16) выполнен коническим.

5. Топливная форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что переход от цилиндрического участка (12) глухого отверстия к уступу (16) или от уступа (16) к примыкающему к нему дну (13) глухого отверстия выполнен скругленным.

6. Топливная форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что уступ (16) имеет по всей окружности глухого отверстия (10) одинаковую глубину (Т).

7. Топливная форсунка по п. 6, отличающаяся тем, что глубина (Т) уступа (16) составляет от 5 до 100 мкм.

8. Топливная форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что в ее корпусе (1) выполнено несколько распыливающих отверстий (14), которые отходят от глухого отверстия (10) на участке между уступом (16) и входной кромкой (11) и которые преимущественно равномерно распределены по окружности корпуса (1).

9. Топливная форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно распыливающее отверстие (14) отходит от запирающего конуса (7).