СОПЛО ТОПЛИВНОГО КЛАПАНА ДЛЯ ВПРЫСКА ТОПЛИВА В ЦИЛИНДРЫ БОЛЬШОГО ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ТУРБОНАДДУВОМ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ
NOZZLE OF THE FUEL VALVE FOR INJECTION OF FUEL IN THE CYLINDER OF THE BIG TWO-TACT INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH TURBOCHARGING WITH COMPRESSED IGNITION

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к соплу топливного клапана для впрыска топлива в цилиндры большого двухтактного двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом с воспламенением от сжатия с траверсами, в частности к соплу для впрыска газообразного топлива или топлива с низкой температурой воспламенения в цилиндры большого двухтактного двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом с самовоспламенением с траверсами.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Большой двухтактный двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом с самовоспламенением с траверсами, как правило, используется в качестве первичных двигателей в больших океанских судах, таких как контейнерные суда или силовые установки.
Цилиндры этих двигателей снабжены единственным выпускным клапаном, расположенным по центру в крышке цилиндра, т.е. в верхней части цилиндра, и с кольцом поршня, управляющим продувочными отверстиями в нижней части гильзы цилиндра. Продувочные отверстия наклонены для создания вихревого потока газов в камере сгорания.
Два или три топливных клапана размещены в крышке цилиндра вокруг центрально расположенного выпускного клапана, причем их сопла выступают внутрь камеры сгорания. Топливные клапаны расположены по периферии в крышке цилиндра с отверстиями сопел, которые направлены с закручиванием от стенки цилиндра по существу в направлении внутрь камеры сгорания. Иногда одно отверстие сопла направлено против завихрения в камере сгорания.
Сопло прикреплено к переднему или дистальному концу топливного клапана. Топливный клапан содержит удлиненный корпус с проксимальным или задним концом, выступающим из верхней поверхности крышки цилиндра, и проходящим этим удлиненным корпусом топливного клапана через крышку цилиндра, а также с соплом на переднем или дистальном конце удлиненного корпуса топливного клапана, выступающим внутрь камеры сгорания.
Известные сопла для больших двухтактных дизельных двигателей крейцкопфного типа обычно имеют удлиненный корпус сопла, содержащий цилиндрический участок с центральным основным отверстием, ведущим от основания сопла на дистальном конце корпуса сопла к нисходящим отверстиям сопла, которые расположены на или вблизи наконечника или дистального конца корпуса сопла. Наконечник или дистальный конец может быть круглым или плоским, но он закрыт, поскольку отверстия сопла не должны быть направлены вниз в направлении поршня. Таким образом, отверстия сопла направлены латерально относительно главной оси сопла и обычно приблизительно в направлении главной оси цилиндра двигателя. Как правило, каждое сопло имеет от трех до -семи отверстий сопла, все из которых соединены с основным отверстием.
Поскольку корпус сопла выступает внутрь камеры сгорания, он подвергается воздействию горячих газов камеры сгорания и, таким образом, части корпуса сопла будет достигать относительно высоких температур вплоть до около 400°С. Для конвенциональных двигателей, работающих на тяжелом дизельном топливе, поступающее топливо имеет температуру около 140°С. Таким образом, поступающее в основное отверстие топливо, выходящее из сопла через отверстия сопла, имеет значительно более низкую температуру, чем газ, окружающий наружную поверхность корпуса сопла. Таким образом, материал корпуса сопла подвергается воздействию существенного перепада температур, вызывающего напряжения в материале.
В последние годы существует тенденция эксплуатации большого двухтактного дизельного двигателя крейцкопфного типа с газообразным топливом. Эти виды топлива поступают в основное отверстие при температуре, которая значительно ниже, обычно от около 50 до около 80°С. Таким образом, эти газообразные виды топлива подвергают материал корпуса сопла существенно большему перепаду температур, учитывая, что температура газа в камере сгорания практически не изменяется.
В последние годы также существует тенденция эксплуатации больших двухтактных дизельных двигателей крейцкопфного типа работающих на топливе, которое обладает низкой температурой воспламенения. Эти виды топлива с низкой температурой воспламенения также поступают в основное отверстие сопла при температуре от около 50 до около 80°С, и, таким образом, эти виды топлива с низкой температурой воспламенения также подвергают материал сопла воздействию большего перепада температур по сравнению с тяжелым дизельным топливом.
Документ JPS 5569754 раскрывает сущность изобретения, относящегося к топливному клапану с соплом для поддержания идеальных условий впрыска топлива, когда выходная мощность двигателя увеличивается и когда она уменьшается, обеспечив большим игольчатым клапаном и малым игольчатым клапаном, который открывается при давлении ниже, чем давление, требуемое для открытия большого игольчатого клапана, а также обеспечив отверстия сопла, соответствующие этим игольчатым клапанам.
Известно, что в соплах образуются трещины между отверстиями сопла вследствие термической усталости материала, когда они подвергаются воздействию высоких температур рабочего газа в камере сгорания и сильного охлаждающего эффекта от впрыскиваемого топлива/газа.
Повышенный перепад температур, воздействию которого подвергается материал корпуса сопла для двигателей, работающих на газообразных видах топлива или на топливе с низкой температурой воспламенения, приводит к повышенному риску образования трещин в материале корпуса сопла, в частности в области мест расположения отверстий сопла.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В свете вышесказанного целью данного изобретения является создание сопла топливного клапана для впрыска газообразного топлива в большой двухтактный дизельный двигатель крейцкопфного типа, который устраняет или, по меньшей мере, снижает остроту указанных выше проблем.
Вышеуказанные, а также другие цели достигаются посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения. Дополнительные варианты реализации изобретения очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения, описания и графических материалов.
В соответствии с первым аспектом предложено сопло топливного клапана для впрыска газообразного топлива в большой двухтактный двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом с воспламенением от сжатия с траверсами, при этом сопло содержит:
корпус сопла, проходящий в главном направлении и оси от основания на проксимальном конце корпуса сопла к дистальному концу корпуса сопла, причем основание выполнено с возможностью крепления к топливному клапану, впускное отверстие, открывающийся в направлении основания, для приема топлива из топливного клапана, основное отверстие, проходящее в главном направлении от впускного отверстия внутрь корпуса сопла к среднему положению между проксимальным концом и дистальным концом, множество отверстий сопла, расположенных в корпусе сопла на или вблизи дистального конца, причем каждое отверстие сопла гидравлически сообщается с основным отверстием посредством отдельного канала подачи, проходящего от основного отверстия к одному из отверстий сопла.
За счет обеспечения отдельных каналов подачи, которые проходят от среднего положения в корпусе сопла до отверстий сопла, толщина материала между отверстиями сопла значительно увеличивается, и напряжения материала, вызываемые перепадом температур между относительно холодным топливом и горячими газами в камере сгорания, уменьшаются, и эта комбинация значительно снижает риск образования трещин в материале корпуса сопла. Благодаря отдельным каналам подачи для каждого отверстия сопла, имеется больше материала сопла между отверстиями сопла, что снижает уровень внутренних напряжений по периметру отверстия сопла. Таким образом, достигаются более низкий уровень внутренних напряжений в материале вокруг отверстий сопла, что снижает риск образования трещин.
В соответствии с первым возможным вариантом реализации первого аспекта, отверстия сопла имеют ось сопла, и при этом оси сопел расположены под тупым углом к главному направлению.
В соответствии со вторым возможным вариантом реализации первого аспекта, каналы подачи проходят от основного отверстия в направлении, которое является либо параллельным главному направлению, либо идет под тупым углом к главному направлению.
В соответствии с третьим возможным вариантом реализации первого аспекта, каждое отверстие сопла присоединено к каналу подачи относительно оси сопла отверстия сопла под тупым или прямым углом к рассматриваемому каналу подачи.
В соответствии с четвертым возможным вариантом реализации первого аспекта, дистальный конец содержит по существу плоскую торцевую поверхность, предпочтительно по существу с круговым контуром, причем торцевая поверхность предпочтительно расположена под острым углом относительно главного направления.
В соответствии с пятым возможным вариантом реализации первого аспекта, корпус сопла содержит по существу цилиндрический участок, проходящий между основанием и дистальным концом.
В соответствии с шестым возможным вариантом реализации первого аспекта, корпус сопла содержит переходную область с закругленной наружной поверхностью, соединяющую по существу цилиндрический участок с контуром торцевой поверхности.
В соответствии с седьмым возможным вариантом реализации первого аспекта, отверстия сопла расположены в переходной области и предпочтительно распределены по контуру торцевой поверхности.
В соответствии с восьмым возможным вариантом реализации первого аспекта, площадь поперечного сечения основного отверстия существенно больше, чем площадь поперечного сечения каналов подачи.
В соответствии с девятым возможным вариантом реализации первого аспекта, площадь поперечного сечения каналов подачи по существу равна площади поперечного сечения отверстий сопла.
В соответствии с десятым возможным вариантом реализации первого аспекта, впускное отверстие образовано отверстием с диаметром, который больше, чем диаметр основного отверстия.
В соответствии с одиннадцатым возможным вариантом реализации первого аспекта, каналы подачи по существу представляют собой прямые каналы или по существу прямые отверстия.
Эти и другие аспекты данного изобретения станут очевидны исходя из описания вариантов реализации изобретения, изложенных ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
В нижеследующем подробном описании данного раскрытия, изобретение будет объяснено более подробно со ссылкой на примерные варианты реализации, показанные с использованием графических материалов, на которых:
На Фиг. 1 изображена вертикальная проекция, передней и одной боковой стороны большого двухтактного двигателя с турбонаддувом с воспламенением от сжатия в соответствии с примерным вариантом реализации изобретения,
На Фиг. 2 изображена вертикальная проекция задней и другой боковой стороны двигателя, изображенного на Фиг. 1,
На Фиг. 3 изображено схематичное изображение двигателя, изображенного на Фиг. 1 с системами подачи воздуха и отвода выхлопных газов,
На Фиг. 4 изображена вертикальная проекция топливного клапана для использования в двигателе, изображенном на Фиг. 1-3,
На Фиг. 5 изображена вертикальная проекция сопла для использования с топливным клапаном, изображенным на Фиг. 4,
На Фиг. 6 изображен вид в боковом разрезе сопла, изображенного на Фиг. 5,
На Фиг. 7 изображен набор видов сверху, вида в поперечном разрезе и вида в продольном разрезе сопла, изображенного на Фиг. 5,
На Фиг. 8 изображен вид в разрезе, иллюстрирующий сопло, изображенное на Фиг. 5, установленное в крышке цилиндра двигателя, изображенной на Фиг. 1-3,
На Фиг. 9 изображено продольное сечение сопла, изображенного на Фиг. 4, иллюстрирующее углы между различными компонентами, и
На Фиг. 10 изображено продольное сечение сопла согласно другому варианту реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В нижеследующем подробном описании сопло для использования с топливным клапаном, а также большой двухтактный двигатель, в котором используемые сопло и топливный клапан, будут описаны в примерах реализации изобретения. На Фиг. 1-3 изображен большой низкоскоростной двухтактный дизельный двигатель с турбонаддувом с коленчатым валом 22 и траверсами 23. На Фиг. 3 представлено схематическое изображение большого низкоскоростного двухтактного дизельного двигателя с турбонаддувом с системами подачи воздуха и отвода выхлопных газов. В этом примере реализации изобретения двигатель имеет шесть цилиндров 1, выстроенных в один ряд. Большие двухтактные дизельные двигатели с турбонаддувом обычно имеют от пяти до шестнадцати цилиндров в один ряд, установленных на раме 24 крепления двигателя. Двигатель может быть использован, например, в качестве основного двигателя на океанском судне или в качестве стационарного двигателя для работы генератора на электростанции. Общая выходная мощность двигателя может составлять, например, от 5000 до 110000 кВт.
Двигатель представляет собой дизельный (с воспламенением от сжатия) двигатель двухтактного прямоточного типа с отверстиями для продувочного воздуха 19 в виде кольца с управляемыми поршнем патрубками в нижней части цилиндров 1 и выпускным клапаном 4 в верхней части цилиндров 1. Таким образом, поток в камере сгорания всегда осуществляется снизу вверх, и, таким образом, двигатель так же называется прямоточного типа. Продувочный воздух проходит от приемника продувочного воздуха 2 в отверстия для продувочного воздуха 19 отдельных цилиндров 1. Возвратно-поступательный поршень 21 в цилиндре 1 сжимает продувочный воздух, топливо впрыскивается через два или три топливных клапана 30, которые расположены в крышке цилиндра 26. Происходит воспламенение и образование выхлопных газов. Когда выпускной клапан 4 открыт, выхлопные газы проходят через выпускной канал 20, связанный с цилиндром 1, в приемник выхлопных газов 3, и далее через первый выпускной канал 18 к турбине 6 турбонагнетателя 5, из которого выхлопные газы отводятся через второй выпускной канал 7. Посредством вала 8, турбина 6 приводит в действие компрессор 9, подающий воздух через впускное отверстие для воздуха 10.
Компрессор 9 подает продувочный воздух под давлением в канал продувочного воздуха 11, ведущий в приемник продувочного воздуха 2. Продувочный воздух проходит по каналу 11 через промежуточный охладитель 12 для охлаждения продувочного воздуха. Охлажденный продувочный воздух проходит через вспомогательный вентилятор 16, приводимый в действие электродвигателем 17, который нагнетает поток продувочного воздуха в условиях низкой или частичной нагрузки в приемник продувочного воздуха 2. При более высоких нагрузках компрессор 9 турбонагнетателя подает продувочный воздух, который достаточно сжат для прохода через обратный клапан 15 в обход вспомогательного вентилятора 16,.
Цилиндры выполнены в гильзе 52 цилиндра. Гильзы 52 цилиндров установлены на раме 25 цилиндра, которая поддерживается рамой 24 двигателя.
На Фиг. 4 изображен один из двух или трех топливных клапанов 30, которые установлены в сквозном отверстии в крышке цилиндра 26, при этом задний конец 32 топливного клапана 30 выступает из верхней стороны крышки цилиндра и при этом дистальный конец (наконечник) сопла 40 слегка выступает в камеру сгорания или выполнен заподлицо с камерой сгорания. Топливный клапан 26 содержит удлиненный корпус 31 топливного клапана с держателем 33 сопла на его дистальном (переднем) конце. Держатель сопла соединяет сопло 42 с удлиненным корпусом 31 топливного клапана. Топливо, такое как газообразное топливо или жидкое топливо, подается регулируемым образом и в расчетное время посредством топливного клапана 26 в камеру сгорания 14 через сопло 40.
На Фиг. 5-9 иллюстрирован типовой вариант реализации сопла 40. Сопло 40 имеет корпус сопла, который проходит от основания 42 на проксимальном конце до дистального конца 44, который образует наконечник сопла 40. Цилиндрический участок 43 корпуса сопла проходит от основания до дистального конца 44.
Корпус сопла изготовлен из подходящего материала, например подходящего сплава, хорошо известного в данной области техники.
Дистальный конец (наконечник) 44 содержит по существу плоскую торцевую поверхность 47 с круговым или эллиптическим контуром. Торцевая поверхность 47 соединяется с цилиндрическим участком посредством изогнутой или закругленной поверхности на промежуточном участке 46.
Торцевая поверхность 47 расположена со скосом под углом β к главной оси X. Торцевая поверхность 47 предпочтительно центрирована относительно главной оси X. Угол скоса β, если выбран так, чтобы обеспечить торцевую поверхность 47 по существу параллельной поверхности крышки 26 цилиндра, обращенной к камере сгорания 14, находится в области крышки цилиндра, где расположено сопло, как можно видеть на Фиг. 8.
Раскрытие отверстия в крышке, в которой топливный клапан 26 и сопло 40 расположены на внутренней поверхности крышки 26 цилиндра, предпочтительно закруглено для образования углубленного участка 51. В одном варианте реализации изобретения, углубленный участок 51 соединяется с вырезом на внутренней поверхности крышки 26 цилиндра для обеспечения пространства для струй из отверстий 45 сопла.
Дистальный конец 44, в частности торцевая поверхность 47, предпочтительно выполнена по существу заподлицо с внутренней поверхностью 27 крышки 26 цилиндра в зоне, где отверстие крышки открывается в направлении внутренней поверхности 27.
В качестве альтернативы, дистальный конец 47 сопла 40 лишь незначительно выступает от внутренней поверхности 27 крышки 26 цилиндра внутрь камеры 14 сгорания, как изображено на Фиг. 8.
Сопло 40 снабжено множеством отверстий 45 сопла. При этом сопло 40 снабжено любым желаемым количеством отверстий 45 сопла, предпочтительно между двумя и семью отверстиями 45 сопла, еще более предпочтительно между тремя и шестью отверстиями 45 сопла и наиболее предпочтительно пятью или шестью отверстиями 45 сопла. Сопло 40 в соответствии с данным примером реализации изобретения снабжено шестью отверстиями 45 сопла.
Отверстия 45 сопла предпочтительно открываются в направлении изогнутой или закругленной поверхности в промежуточной части 46, т.е. около или на дистальном конце 44. Однако, отверстия 45 сопла также могут частично открываться в направлении указанной торцевой поверхности 47 или частично открываться в направлении указанного цилиндрического участка 43.
Каждое отверстие 45 сопла имеет ось сопла I, II, III, IV, V, VI. Ось сопла I, II, III, IV, V, VI каждого из отверстий 45 расположена под тупым углом α к главному направлению X. Тупой угол α может быть разным для каждого из отверстий 45 сопла. Радиальные компоненты каждой из осей сопла I, II, III, IV, V, VI относительно главной оси X распределены по круговому сечению с дугой менее 180°, предпочтительно менее 120°, и еще более предпочтительно менее 110°. Радиальные компоненты каждой оси сопла (I, II, III, IV, V, VI) по отношению к главной оси X по существу равномерно распределены по круговому сечению, чтобы максимально увеличить количество материала корпуса сопла между отдельными отверстиями 45 сопла.
Основание 42 имеет впускное отверстие 48 для приема топлива из топливного клапана 26. Основное отверстие 50 проходит от указанного впускного отверстия 48 внутрь корпуса сопла и внутрь цилиндрического участка 43 в направлении вдоль главной оси и направления X к среднему положению в корпусе сопла. В среднем положении основное отверстие 50 соединяется с множеством отдельных каналов подачи 49, каждый из которых соединен с отверстием 45 сопла.
Переходная область между основным каналом 50 и отдельными каналами подачи 49 может служить в качестве седла для иглы клапана (не показана) топливного клапана 26.
Каналы подачи 49 по существу равномерно распределены в цилиндрической секции 43, чтобы обеспечить по существу равное количество материала корпуса сопла между отдельными каналами подачи 49.
Площадь поперечного сечения основного отверстия 50 существенно больше, чем суммарная площадь поперечного сечения каналов подачи 49. Суммарная площадь поперечного сечения каналов подачи 49 по существу равна суммарной площади поперечного сечения отверстий 45 сопла. Каналы подачи представляют собой по существу прямые каналы или по существу прямые отверстия.
Впускное отверстие 48 в одном варианте реализации изобретения образовано отверстием с диаметром, который больше, чем диаметр основного отверстия 50. Альтернативно, впускное отверстие 48 может иметь тот же диаметр, что и основное отверстие.
Сопло 40 обеспечивает более широкое распределение отверстий 45 сопла, и, тем самым, большее количество материала сопла между отверстиями 45 сопла, и потому лучшее сопротивление образованию трещин. Кроме того, сопло 40 обеспечивает одинаковые впускные условия каждому из отверстий сопла для создания по существу однородных струй топлива.
На Фиг. 10 проиллюстрирован другой вариант реализации сопла 40, который по существу идентичен варианту реализации, описанному выше, за исключением того, что основное отверстие 50 проходит полностью к отверстиям 45 сопла и непосредственно снабжает топливом отверстия 45 сопла, без каких-либо каналов подачи между основным отверстием 50 и отверстиями 45 сопла.
Изобретение было описано в данном документе в связи с различными вариантами реализации данного изобретения. Однако другие вариации раскрытых вариантов реализации изобретения могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники при практическом применении заявленного изобретения, из изучения графических материалов, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а неопределенный артикль "а" или "an" не исключает множественности. Простой факт, что определенные средства приведены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих средств не может быть использована.
Ссылочные обозначения, использованные в формуле изобретения, не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.