ФОРСУНКА ДЛЯ НАСОСНОГО И ПНЕВМАТИЧЕСКОГО РАСПЫЛИВАНИЯ ТОПЛИВА
NOZZLE FOR PUMP AND PNEUMATIC SPRAYING OF FUEL

Изобретение относится к строительству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания. Сами двигатели внутреннего сгорания широко применяются в военной промышленности на кораблях Военно-морского флота, в сухопутных войсках, во всех отраслях промышленности нефтегазовой, речном и морском гражданском флоте, в сельском хозяйстве.
Наиболее близкими к изобретению являются: форсунка для насосного распыливания топлива, изображенная на фиг.137а стр.177 книги автора П.И.Титова «Судовые силовые установки» государственного издательства судостроительной литературы 1951 года, форсунка для пневматического распыливания, изображенная на этой же странице фиг.137в, эти форсунки описаны на страницах 177 и 178, форсунка, изображенная на рис.24 стр.34 книги «Трактор Т-150К» авторский коллектив В.А.Бугара, Л.А.Ванштейн и др. издательство «Колос», 1976 г. Эта закрытой конструкции форсунка описана на стр.33 и 34.
а
2
а
2
Форсунка, изображенная на фиг.137, является по конструкции форсункой открытого типа в настоящее время не применяется. О ней написано на стр.177: «В первом случае топливо под высоким давлением, иногда превышающим 1000 кг/см, подается к распылителю с очень маленькими отверстиями, порядка нескольких сотен микронов и поступает в камеру сгорания в мелкодисперсном состоянии». Эта форсунка не знала дальнейшего применения из-за необходимости создавать высокое давление для распыливания топлива. Двигатели развивали эффективную мощность 400 л.с. при 127 оборотах в минуту и были оборудованы описанными выше форсунками. Форсунки (фиг.137) работали безотказно, сгорание происходило чисто, выхлоп прозрачный, чистый. Давление создавалось 1000 кг/см профилем кулачковой шайбы топливного насоса. Но уже в те годы развитие двигателестроения шло в направлении увеличения числа оборотов для подобных двигателей 400-500 об/мин с одновременным увеличением степени сжатия от 12 до 15. По этим причинам открытую форсунку применять прекратили.
б
б
б
На стр.177 книги «Судовые силовые установки» автора профессора П.И.Титова «Государственного издательства судостроительной литературы» 1951 года, фиг.137 изображена форсунка пневматического распыливания топлива, приводимая в действие приводным механизмом от топливного диска (кулачка), расположенным на газораспределительном валу, она состоит из корпуса и крышки, представляющей собой одно целое с нажимным фланцем, клапана в виде конуса, притертым к гнезду. Топливо подается по топлиподводящему каналу, воздух подается по воздухоподводящему каналу. Клапан в виде конуса ходит в гильзе, внизу на которой надеты распыливающие пластины с мелкими отверстиями по окружности. Клапан в виде конуса выведен за пределы корпуса форсунки через сальниковый узел. В описании на стр.178 указано: «Форсунка (фиг.137) предназначена для двигателей с пневматическим распылением топлива». Пневматическая форсунка применялась на двигателях внутреннего сгорания компрессорного типа с зажиганием топлива от теплоты сжатия воздуха, она также не получила широкого распространения по следующим причинам. В книге «Двигателестроение за полстолетие» автора профессора Г.В.Тринклера «Государственное издательство водного транспорта» 1954 года на стр.32 написано: «В проспекте завода Нобеля, касающемся компрессорных дизелей, написано: «В двигателе Дизеля взрывов нет: сжатие воздуха идет постепенно, при воспламенении нефти и при горении давление не повышается, а остается постоянным. Работа двигателя происходит, таким образом, плавно, без ударов и толчков.» «Вопрос этот получил в литературе далеко не достаточное освещение. Правильно ли то, что сказано в проспекте относительно постоянства давления газов в цилиндре двигателя? Верно лишь до того момента, пока в полном порядке находится форсунка, а также пусковой клапан двигателя. Если по какой-либо причине клапан в виде конуса форсунки будет неплотен или, что еще неприятнее, этот клапан вследствие излишнего трения в сальнике повиснет и не запрет вполне герметично отверстие форсунки, то сжатый воздух, доставляемый компрессором, начнет вместе с порцией топлива «неорганизованным образом» вытекать в рабочий цилиндр, в котором происходит сжатие до 32-33 атм поступившего воздуха. Вследствие этого, с одной стороны, в цилиндре повышается давление сжатия от притока воздуха из форсунки, с другой стороны, топливо из форсунки входит в цилиндр раньше времени». «В результате в цилиндре может произойти взрыв, давление которого будет крайне высоким. По вычислению И.А.Понамарева при конечном давлении сжатия, равном 32 атм, давление мгновенной вспышки достигает 85,8 атм.» И.А.Понамарев. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Изд. «Морской транспорт», 1948 г. Все написанное выше из книг «Двигателестроение за полстолетие» и «Судовые двигатели внутреннего сгорания» отражает существенные конструктивные несовершенства форсунки пневматического распыливания топлива (фиг.137, стр.177). «С учетом этих недостатков форсунка пневматического распыливания топлива и компрессорные двигатели дальнейшего развития и применения не получили, причем воздух для распыливания топлива получали с помощью поршневого компрессора. Это усложняло конструкцию, увеличивало вес и габаритные размеры дизеля.»
Форсунка, изображенная на стр.33, 34 книги «Трактор 150K» рис.24, много лет и сейчас применяется на всех без исключения двигателях внутреннего сгорания с зажиганием рабочей смеси от теплоты сжатия воздуха. Особенностью конструкции форсунки закрытого типа книги «Трактор Т-150K» является то, что «игла и корпус распылителя составляют прецизионную пару», этот конструктивный прием является слабым местом форсунки. Существует много причин, по которым игла распылителя клинит в его корпусе, качество распыливания снижается, двигатель снижает мощность, топливо полностью не сгорает. Одна из причин в том, что игла и корпус распылителя не охлаждаются и топливо не всегда отвечает требованиям качества.
б
В качестве прототипа необходимо принять форсунку пневматического распыливания топлива, изображенную на рис.137 стр.177 книги «Судовые силовые установки» автора П.И.Титова.
Задача изобретения: в двигателях внутреннего сгорания, работающих на тяжелых сортах топлива (дизельное топливо, сырая нефть, мазут), приблизиться к циклу со сгоранием V=const, посредством надлежащей подготовки топлива и главным образом его тонкого распыливания, что позволило бы не производить и не применять для двигателей внутреннего сгорания бензин. Из книги «Судовые силовые установки» П.И.Титова, стр.177: «Обеспечивая быстрое, взрывного характера сгорание и позволяя таким образом приблизиться к наивыгоднейшему в термодинамическом отношении циклу Бо де Роша, смесь паров бензина с воздухом не допускает степени сжатия более 8». Из книги профессора П.И.Титова «Судовые силовые установки», стр.168 «При стремлении приблизиться к наивыгоднейшему в термодинамическом отношении циклу Бо де Роша». «Вследствие существенного различия в характере распыливания и подачи топлива скорость сгорания, вместе с нею скорость нарастания давления и температуры газа в бензиновых и нефтяных машинах резко различаются. Применяющееся в бензиновых машинах испарение топлива представляет идеальный способ его распыливания, а смесь паров топлива с воздухом обеспечивает наилучшие условия для быстрого окисления. Если учесть, что в момент воспламенения в цилиндре заключается весь заряд топлива, то становится понятным, что в бензиновых машинах сгорание имеет характер взрыва». Более чем за 60-летний период применения бензина в него ввели тысячи тонн присадок против детонации, которые в высшей степени токсичны, в горении не участвуют, выброшены в атмосферу и осели на поверхности Земли. Еще из книги «Судовые силовые установки» стр.168 автора П.И.Титова: «В дальнейшем рассматриваются три цикла, из которых один рассчитан на взрывное сгорание в бензиновых машинах, но мог бы найти приложение и в нефтяных машинах в случае обеспечения мгновенного сжигания нефти». Предположительно предлагаемая конструкция пневматической форсунки позволяет впрыснуть в рабочий цилиндр двигателя внутреннего сгорания смесь паров топлива с воздухом. Эта смесь может воспламениться как от электрической искры, так и от теплоты сжатия воздуха в диапазоне степеней сжатия от 6 до 16, причем в момент, когда в цилиндре двигателя внутреннего сгорания заключается весь заряд жидкого топлива. Наличие всего заряда жидкого топлива внутри цилиндра двигателя внутреннего сгорания в момент воспламенения обеспечит взрывное сгорание. Если так произойдет, можно будет сжигать все сорта жидкого топлива, легкого, тяжелого с добавлением угольной пыли и сжиженного газа. Приблизится при этом к наивыгоднейшему в термодинамическом отношении циклу Боде Роша. В этом заключается задача изобретения.
Форсунка для насосного и пневматического распыливания топлива может быть применена при строительстве и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Задача изобретения решается за счет того, что форсунка для насосного и пневматического распыливания топлива, содержащая открытый сверху и снизу цилиндрический корпус, выполненный с круговым выступом, нажимной фланец, составляющий с корпусом одно целое, крышку корпуса, клапан конусный с канавкой в верхней части, седло клапана с выступом, штангу с отверстием на всю длину штанги, фиксаторы-ограничители вертикальных смещений, пустотелый со свободным пространством внутри поршень форсунки, цилиндр форсунки, распыливающие с отверстиями диски, образующие дырчатый лабиринт, гайку крепления дисков, штуцеры для сжатого воздуха и для входа топлива, электроприводные клапаны сжатого воздуха и регулирования и подачи топлива, овальный выступ на головке поршня, осевой компрессор, ресивер сжатого воздуха, топливный бак, причем привод форсунки осуществляется электроприводными клапанами путем воздействия на поршень для открытия и закрытия клапана и на топливо для его распыления сжатым воздухом или повышенным давлением самого топлива без сжатого воздуха, клапан соединен с помощью резьбы со штангой и вставляется сверху вниз в корпус до упора выступа на седле и в корпусе, фиксаторы-ограничители, ограничивающие величину вертикальных смещений при открытии и закрытии клапана, входят в канавку клапана и ввернуты в отверстия с резьбой в седле клапана, размер выступающих в канавку фиксаторов меньше ширины канавки на клапане, ограничитель хода поршня вставлен в корпус форсунки, нижняя опорная часть ограничителя хода поршня установлена с возможностью свободного хода внутри корпуса форсунки и выполнена большего диаметра, чем другая часть ограничителя хода поршня, на нее установлена пружина, нижним концом опирающаяся на нижнюю опорную часть ограничителя хода поршня, а верхним концом прикасаемая к нижней плоскости поршня форсунки, цилиндр форсунки вставлен в корпус, опирается на ограничитель хода поршня и прижимается крышкой корпуса, прижимающая сила крышки действует через цилиндр на ограничитель хода поршня и на седло клапана, в пространство поршня вставлены распыливающие с отверстиями диски, один из которых имеет всю площадь в отверстиях, второй диск имеет отверстия только в центре, а первый сверху имеет отверстия по краям, в верхней части поршня нарезана резьба, в эту резьбу ввернута гайка, прижимающая диски, в крышке цилиндра выполнено два отверстия с резьбой, в одно из которых ввернут штуцер для сжатого воздуха, а в другое ввернут штуцер для входа топлива, отверстия с резьбой и отверстия в штуцерах представляют собой топливоподводящий и воздухоподводящий каналы, электроприводной клапан для регулирования и подачи топлива установлен на трубопроводе для подачи топлива, непосредственно около штуцера для подачи топлива, электроприводной клапан для подачи и регулирования сжатого воздуха установлен на воздухопроводе.
Изобретение поясняется чертежом, где 1 изображена форсунка для насосного и пневматического распыливания топлива, она содержит: корпус форсунки 1, нажимной фланец 2, круговой выступ на корпусе форсунки 3, гнездо клапана в виде конуса 4, клапан в виде конуса 5, штангу 6, на всю длину штанги проходное отверстие 7, круговой выступ 8 на гнезде клапана в виде конуса, канавку 9 на клапане в виде конуса, радиально размещенные направленные к центру отверстия 10, фиксаторы 11, отверстия с резьбой 12, ограничитель хода поршня форсунки 13, нижнюю опорную плоскость 14 ограничителя хода поршня форсунки, верхнюю опорную плоскость 15 ограничителя хода поршня форсунки, пружину 16, поршень форсунки 17, цилиндр форсунки 18, крышку корпуса форсунки 19, распыливающие с мелкими отверстиями диски 20-21-22, гайку, прижимающую распыливающие диски 23, штуцер для подачи топлива 24, штуцер для входа сжатого воздуха 25, топливоподводящий канал 26, воздухоподводящий канал 27, электроприводной клапан для регулирования и подачи топлива 28, электроприводной клапан для регулирования и подачи сжатого воздуха 29, поршень двигателя внутреннего сгорания 30, цилиндр двигателя внутреннего сгорания 31, овальный выступ головки поршня двигателя внутреннего сгорания 32, осевой компрессор 33, ресивер сжатого воздуха 34, топливный бак 35, Т-Т - топливопровод, от В до В1 В2 В3-воздухопровод.
3
2
2
Форсунка для насосного и пневматического распыливания топлива работает следующим образом. На чертеже показана форсунка в исходном положении, готовая произвести впрыск топлива в количестве, например, 50 мм в цилиндр двигателя внутреннего сгорания, для одного такта под названием «рабочий ход». Готовность произвести впрыск топлива характеризуется следующим положением его составных частей: поршень форсунки 17 прижат пружиной 16 снизу вверх к крышке корпуса форсунки 19. В таком положении должен образоваться зазор размером, например, 250 микрон между нижней плоскостью поршня форсунки 17 и верхней плоскостью 15 опорной части ограничителя хода поршня форсунки 13, в это же время крышка корпуса форсунки 19 прижимает цилиндр форсунки 18, а через него прижимает ограничитель хода поршня 13 его нижней плоскостью 14 гнездо клапана в виде конуса 4 его круговым выступом 8 к круговому выступу 3 корпуса форсунки 1. Поднятый до отказа вверх силой пружины 16 поршень форсунки 17 увлекает за собой штангу 6 и жестко связанный с ней клапан в виде конуса 5, плотно прижатый клапан в виде конуса 5 к гнезду клапана в виде конуса 4 надежно отключает внутреннее пространство всех составных частей форсунки от внутреннего объема цилиндра 31 двигателя внутреннего сгорания. За пределами форсунки в ресивере сжатого воздуха 34 должен содержаться сжатый воздух давлением 20-32 кг/см. Ресивер сжатого воздуха 34 заполняется сжатым воздухом с помощью осевого компрессора 33, приводимого в действие от вала отбора мощности двигателя внутреннего сгорания. В топливном баке 35 должно быть топливо под давлением 20 кг/см сжатого воздуха. При движении поршня двигателя внутреннего сгорания 30 вверх на такте сжатия под определенным углом опережения открывается электроприводной клапан для регулирования и подачи топлива 28. Определенное количество топлива вливается через штуцер для входа топлива 24 и топливоподводящий канал 26 на поверхность верхнего распыливающего с мелкими отверстиями диска 22. Предположительно в этот момент открывается электроприводной клапан для регулирования и подачи сжатого воздуха 29. Сжатый воздух проходит через воздухоподводящий канал 27, догоняет влитую на поверхность распыливающего с мелкими отверстиями диска 22 дозу топлива, вместе с ней преодолевает распыливающие с мелкими отверстиями диски 22, 21, 20 дырчатого лабиринта, где меняется направление движения, перемешивается топливо с воздухом. Предварительно перемешанная топливно-воздушная смесь продолжает движение через проходное отверстие 7 в штанге 6 и радиально размещенные направленные к центру отверстия 10, топливно-воздушная смесь входит в канавку 9 на клапане в виде конуса 5. Когда произошло впрыскивание сжатого воздуха, то под действием его давления поршень форсунки 17 сместился вниз до упора в верхнюю опорную плоскость 15 ограничителя хода поршня форсунки 13. Поршень форсунки 17 сжал пружину 16 и прошел расстояние 250 микрон, ограничитель хода поршня форсунки не дает поршню форсунки 17 продолжать движение вниз. Вместе с поршнем форсунки 17 вниз опускалась штанга 6 и жестко связанный с ней клапан в виде конуса 5, в результате между клапаном в виде конуса 5 и гнездом клапана в виде конуса 4 образовался зазор X величиной 250 микрон. Топливно-воздушная смесь проходит через образовавшийся зазор X. Клапан в виде конуса 5 и гнездо клапана в виде конуса 4 не охлаждаются, близко расположены к камере сгорания, имеют достаточно высокую температуру. Капельки топлива от соприкосновения с горячей поверхностью клапана в виде конуса 5 и гнезда клапана в виде конуса 4 превращаются в пузырьки, которые лопаются, образуется пар (сфероидальное состояние или «лейденфорстово» явление), еще лучше перемешиваются с воздухом, в газообразном или близком к нему состоянии попадают на овальный выступ 32 головки поршня 30 двигателя внутреннего сгорания, имеющий температуру выше, чем его края, которые соприкасаются со стенками цилиндра 31 двигателя внутреннего сгорания. Предположительно топливно-воздушная смесь, пройдя вышеописанный путь, примет состояние, близкое к газообразному. Зажигание этой смеси можно произвести от электрической искры при степени сжатия от 6 до 9 и от теплоты сжатия воздуха при степени сжатия от 12 до 16. В предлагаемом описании заявки в разделе «задача изобретения» написано: «не производить и не применять в двигателях внутреннего сгорания бензин». Но конструкция предлагаемой форсунки для насосного и пневматического распыливания топлива позволяет применять ее и для двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине и сжиженном газе. Легкие сорта топлива - бензин, сжиженный газ, введенные в рабочие цилиндры двигателей внутреннего сгорания с помощью эжектора и карбюратора, от момента введения до воспламенения находятся внутри цилиндра два такта всасывания и сжатия (один оборот коленчатого вала). Это несовершенство снижает рабочий ресурс двигателей внутреннего сгорания, предлагаемая форсунка для насосного и пневматического распыливания топлива позволяет вводить в цилиндры двигателей внутреннего сгорания все сорта жидкого топлива, в том числе с примесью угольной пыли и фракций озокерита под любым выгодным углом опережения, с зажиганием топливно-воздушной смеси, когда весь заряд этой смеси будет находиться внутри цилиндра.
Пневматическая форсунка Рудольфа Дизеля применялась короткое время, которого было недостаточно для ее усовершенствования. За более чем столетие развития двигателей внутреннего сгорания лучшего качества распыливания и перемешивания топлива с воздухом, полученного с помощью пневматической форсунки Рудольфа Дизеля, достигнуто не было.