ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области систем подачи топлива или горючей смеси для поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Технические характеристики системы топливоподачи, обеспечивающие высокое качество распиливания топлива в широком диапазоне чисел оборотов во многом определяют эффективность и экономичность работы поршневого двигателя. При этом качество распыливания топлива форсункой определяется мелкостью и однородностью его дисперсии, а также равномерным распределением топлива по всему объему камеры сгорания поршневого двигателя. Повысить качество распыливания топлива и соответственно улучшить полноту сгорания и снизить расход топлива можно за счет совершенствования конфигурации распыливающих каналов (отверстий) топливной форсунки поршневых двигателей, согласуя ее с термическими условиями процесса.
В общем случае топливная форсунка поршневого двигателя состоит из корпуса, иглы распылителя, пружины, седла, распыливающего канала и электронного блока управления двигателем.
Известна топливная форсунка фирмы Bosch для дизельного двигателя с системой Common Rail, показанная в книге: Системы управления дизельными двигателями. Перевод с немецкого. Первое русское издание. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 480 с. (см. раздел «Форсунка» на стр. 296-299). Форсунка состоит из корпуса, электромагнитного клапана, пружины, иглы распылителя, седла, распыливающего канала и управляется электронным блоком управления двигателем. В момент впрыска топлива электронный блок управления двигателем подает электрическое напряжение на электромагнитный клапан, в котором создается магнитное поле. За счет этого игла распылителя в противодействии давлению пружины поднимается над седлом и тем самым открывает распыливающий канал форсунки. Вследствие разницы давлений среды в форсунке и камере сгорания топливо впрыскивается в камеру сгорания. В момент штатного окончания впрыска топлива электронный блок управления двигателем отключает электрическое напряжение с электромагнитного клапана, и игла распылителя под действием усилия пружины опускается на седло форсунки и перекрывает поток топлива. Недостаток рассматриваемой топливной форсунки состоит в том, что она формирует одну постоянную форму распыливаемого топлива, подобранную для конкретного двигателя. При этом для других двигателей (с отличающейся конфигурацией камеры сгорания) необходимо либо изменять профили (геометрические размеры) распыливающего канала форсунки, либо создавать новую форсунку, обеспечивающую для этого двигателя новую оптимальную форму струи распыливаемого топлива с целью распределения топлива по всему объему камеры сгорания и улучшения полноты сгорания топлива. Другим недостатком является отсутствие оперативного управления формой струи распыла на разных эксплуатационных режимах работы двигателя. Как известно форма струи распыливаемого топлива должна быть различной - оптимальной для конкретных условий работы двигателя (кн. Свиридов Ю. В. Смесеобразование и сгорание в дизелях. Л., Машиностроение. 1972. 234 с. см. раздел «Проблемы смесеобразования и сгорания в дизелях» на стр. 5-10), чего рассматриваемая форсунка не обеспечивает. Это приводит к неполноте сгорания топлива и соответственно к увеличению удельного расхода топлива двигателя.
Прототипом предлагаемой топливной форсунки является автомобильная форсунка фирмы Bosch, описанная в кн. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей. - М.: Легион-Автодата, 2004. - 344 с. (см. раздел «Форсунки дизелей» на стр. 70-84). Форсунка состоит из корпуса, электромагнитного клапана, пружины, иглы распылителя, седла, распыливающего канала и управляется электронным блоком управления двигателем. В момент впрыска топлива электронный блок управления двигателем подает электрическое напряжение на электромагнитный клапан, в котором создается магнитное поле. За счет этого игла распылителя, противодействуя давлению пружины, поднимается над седлом и открывает распыливающий канал форсунки. Вследствие разницы давлений в форсунке и камере сгорания топливо впрыскивается в камеру сгорания. В момент окончания впрыска топлива электронный блок управления двигателем отключает электрическое напряжение с электромагнитного клапана, и игла распылителя под действием усилия пружины опускается на седло форсунки и перекрывает поток топлива. Рассматриваемая форсунка имеет те же недостатки, что и форсунка, описанная выше, во-первых, она формирует одну постоянную форму распыливаемого топлива на всех режимах работы двигателя. При этом для других двигателей (с отличающейся конфигурацией камеры сгорания) необходимо либо изменять конфигурацию (геометрические размеры) распыливающего канала, либо создавать новую форсунку с новой оптимальной формой струи распыливаемого топлива. Во-вторых, известно, что на разных эксплуатационных режимах работы двигателя форма струи распыливаемого топлива должна быть различной - оптимальной для конкретных условий, что рассматриваемая форсунка не обеспечивает. Это приводит к неполноте сгорания топлива и соответственно к увеличению удельного расхода топлива двигателя.
Задачи полезной модели состоят в том, чтобы улучшить полноту сгорания топлива в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания на всех режимах его работы и снизить удельный расход топлива.
Указанные задачи решаются топливной форсункой содержащей корпус, в котором размещены игла распылителя, седло с распыливающим отверстием и электронный блок управления двигателем, при этом на корпусе форсунки на выходе из распыливающего отверстия установлено управляющее кольцо с приводом, при этом высота кольца составляет не более 20 внутренних диаметров распыливающего отверстия.
Технический результат, достигаемый применением предлагаемой топливной форсунки, заключается изменении формы струи распыливаемого топлива в зависимости от конфигурации камеры сгорания и/или эксплуатационного режима работы двигателя, т.е. в улучшении распределения топлива по объему камеры сгорания, что приведет к более полному сгоранию топлива и соответственно снижению удельного расхода топлива двигателя. Это достигается тем, что на корпусе форсунки на выходе из распыливающего отверстия установлено управляющее кольцо с приводом, при этом высота кольца составляет не более 20 внутренних диаметров (калибров) распыливающего отверстия. Эти меры позволяют изменять геометрию в зоне устья струи (длину распыливающего отверстия) автоматически в процессе эксплуатации или вручную при доводке двигателя.
Установка управляющего кольца с приводом позволяет изменять геометрию рабочего пространства в устье струи (конфигурацию распыливающего отверстия) автоматически в процессе эксплуатации или вручную при доводке двигателя. Это приводит к изменению формы струи распыливаемого топлива, что улучшает распределение топлива по объему камеры сгорания, что способствует более полному сгоранию топлива и соответственно снижению удельного расхода топлива двигателя (кн. Разлейцев Н. Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. - Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1980. 169 с, см. раздел «1.3 Характеристики распыливания топлива» на стр. 23-27). Предлагаемая форсунка предназначена для реализации способа распыла топлива путем перегрева, то есть до распыления топлива форсункой осуществляется его подогрев в условиях постоянного объема до температуры выше критической для самой тяжелой фракции, содержащейся в топливе, но ниже температуры термического разложения самой легкой фракции. Другими словами, при подаче топлива необходим предварительный его разогрев до температуры выше точки кипения на 70-80°C (без этого нет эффекта распыла).
На фиг. 1 изображена схема предлагаемой топливной форсунки поршневого двигателя, содержащая электронный блок управления двигателем 1, иглу распылителя 2, седло 3, распиливающее отверстие 4, управляющее кольцо 5, привод 6, корпус форсунки 7. На фиг. 2 изображен увеличенный вид схемы топливной форсунки в области распыливающего отверстия и управляющего кольца, содержащего иглу распылителя 2, седло 3, распыливающее отверстие 4, управляющее кольцо 5, привод 6. На фиг. 2 показано крайнее положение управляющего кольца (положение А) - кольцо прижато к седлу (короткое распыливающее отверстие). На фиг. 3 изображен увеличенный вид схемы топливной форсунки в области распыливающего отверстия и управляющего кольца, содержащего иглу распылителя 2, седло 3, распыливающее отверстие 4, управляющее кольцо 5, привод 6. На фиг. 3 показано крайнее управляющего кольца (положение Б) - кольцо максимально удалено от седла форсунки (длинное распыливающее отверстие). На фиг. 4 представлено полученное экспериментально изображение формы распыла воды с помощью форсунки с кольцом, находящимся в положении А (см. фиг. 2), при распыливании в атмосферу из состояния насыщения при начальной температуре 250°C и давлении 4 МПа. На фиг. 5 представлено полученное экспериментально изображение формы распыла с кольцом, находящимся в положении Б (см. фиг. 3), при распыливании в атмосферу из состояния насыщения при начальной температуре 250°C и давлении 4 МПа. Из рисунков видно, что в зависимости от положения управляющего кольца существенно изменяется форма струи распыла, что указывает на возможность управления формой струи за счет изменения геометрии рабочего пространства в устье струи (за счет изменения длины распыливающего отверстия).
Предлагаемая топливная форсунка поршневого двигателя содержит электронный блок управления двигателем 1, иглу распылителя 2, седло 3, распыливающее отверстие 4, управляющее кольцо 5, привод 6, корпус форсунки 7. Управляющее кольцо является неотъемлемой частью топливной форсунки и устанавливается на седле форсунки. При этом высота кольца составляет не более 20 диаметров распыливающего отверстия.
Устройство работает следующим образом. В момент впрыска топлива электронный блок управления двигателем 1 подает сигнал на подачу топлива форсункой, после чего игла распылителя 2, поднимается над седлом 3 и открывает проход топлива к распыливающему отверстию 4 форсунки -происходит впрыск топлива через распыливающее отверстие 4 и управляющее кольцо 5. В момент окончания впрыска топлива электронный блок управления двигателем 1 подает сигнал на прекращение подачи топлива форсункой, после чего игла распылителя 2 опускается на седло 3 и перекрывает поток топлива. В процессе эксплуатации двигателя с помощью управляющего кольца 5 с приводом 6 может осуществляться автоматическое изменение геометрии рабочего пространства (длины распыливаюещго отверстия 4) в зависимости от режима работы двигателя. Это приводит к изменению формы струи распыливаемого топлива, что улучшает распределение топлива по объему камеры сгорания, что способствует более полному сгорания топлива и соответственно снижению удельного расхода топлива двигателя (кн. Разлейцев Н. Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. - Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1980. 169 с, см. раздел «1.3 Характеристики распыливания топлива» на стр. 23-27). Положение управляющего кольца 5 в процессе эксплуатации двигателя определяется электронным блоком управления двигателем 1 в зависимости от его режима работы (например, от частоты вращения коленчатого вала). Изменение геометрии рабочего пространства (длины распыливающего отверстия 4) с помощью управляющего кольца 5 может осуществляться вручную при доводке двигателя перед началом эксплуатации с целью получения оптимальной формы струи распыливающего топлива для данного двигателя. Привод 6 управляющего кольца 5 может быть реализован в виде электрического привода (шаговый двигатель), пневматического привода (электропневмоцилиндр), механического привода (реечная передача) с системой управления от электронного блока управления двигателем 1. Привод 6 управляющего кольца 5 устанавливается на корпус форсунки 1. При этом высота управляющего кольца должна составлять не более 20 внутренних диаметров распыливающего отверстия 4, для того чтобы не создавать значительного гидравлического сопротивления при впрыске топлива.
Возможность осуществления предлагаемой полезной модели и достижения полезных эффектов в виде улучшения полноты сгорания топлива и уменьшении удельного расхода топлива двигателем основывается на следующем.
Улучшение полноты сгорания топлива осуществляется за счет оптимальной подгонки формы струи распыливаемого топлива к конфигурации камеры сгорания и режиму работы двигателя.
Уменьшение удельного расхода топлива двигателя достигается за счет того, что при использовании предлагаемой топливной форсунки происходит более полное и равномерное распределение распыливаемого топлива по всему объему камеры сгорания, а соответственно происходит более полное сгорание топлива, что приведет к уменьшению удельного расхода топлива двигателя.
Изменение формы струи распыливаемого топлива и более полное и равномерное распределение топлива по объему камеры сгорания в предлагаемой топливной форсунке поршневого двигателя проверено экспериментально на установке, обеспечивающей стационарное истечение воды в течение нескольких десятков секунд из сосуда высокого давления. Длина управляющего кольца равнялась 0,7 мм, диаметр цилиндрического канала составлял 0,5 мм. Управляющее кольцо, с целью создания разных геометрических условий на выходе из распыливающего отверстия крепились к седлу либо с помощью прижимного фланца (длинное распыливающее отверстие), либо приваривались к свободному концу седла (короткое распыливающее отверстие). В данном случае начальное давление в сосуде (давление впрыска) составляло 4 МПа. Результаты экспериментов представлены на фиг. 4 и фиг. 5 в виде изображений, демонстрирующих формы распыла струи воды с коротким распыливающим отверстием (см. фиг. 2) и длинным распыливающим отверстием (см. фиг. 3), при ее распыливании в атмосферу из состояния насыщения при начальной температуре 250°С и давлении 4 МПа. Из рисунков видно, что в зависимости от конфигурации (длины) распыливающего отверстия (положения управляющего кольца) существенно изменяется форма струи распыливаемой воды, что указывает на возможность управления формой струи и более полном и равномерном распределении топлива по объему камеры сгорания, что приведет к более полному сгоранию топливу и соответственно уменьшению удельного расхода топлива двигателя.
Таким образом, приведенные экспериментальные данные свидетельствуют об изменении формы струи распыливаемой жидкости (более полном и равномерно распределении ее по объему рабочего пространства (камеры сгорания) двигателя, за счет изменения конфигурации (длины) распыливающего отверстия (установки управляющего кольца с приводом).
Изложенное доказывает возможность достижения полезного технического результата при использовании предлагаемой топливной форсунки в поршневом двигателе.