РАСПЫЛИТЕЛЬ ТОПЛИВНОЙ ФОРСУНКИ
SPRAYER OF FUEL INJECTOR

Изобретение относится к системам подачи топлива двигателей внутреннего сгорания.
Экологические показатели двигателей в значительной мере зависят от параметров процесса подачи топлива в камеры сгорания, в том числе - стабильности цикловой подачи и равномерности распределения топлива по сопловым отверстиям распылителей форсунок. Ресурсные показатели двигателей определяются, кроме прочего, ресурсом распылителей топливных форсунок.
Таким образом, конструкция распылителей топливных форсунок должна обеспечивать выполнение разносторонних требований: функциональных, ресурсных и др.
В общем случае, распылитель топливной форсунки включает корпус распылителя и иглу распылителя. В корпусе распылителя имеется центральное отверстие, в которое с малым зазором устанавливается игла распылителя. В нижней части корпуса распылителя расположены колодец и опорная поверхность для иглы распылителя, называемая седлом. В нижней части корпуса распылителя находятся также сопловые отверстия, через которые топливо впрыскивается в камеру сгорания.
Во время впрыска игла распылителя не касается седла, однако в момент окончания впрыска происходит так называемая посадка иглы - ударный контакт нижней части иглы распылителя и седла. Как правило, упругое соударение, приводящее к отскоку иглы распылителя от седла, является нежелательным, поэтому стремятся обеспечить значительное запирающее усилие, действующее на иглу распылителя в направлении ее посадки на седло. В современных дизельных двигателях энергия ударов иглы распылителя по седлу такова, что возможен быстрый выход распылителей из строя, что означает, по умолчанию, выход из строя топливных форсунок, двигателя и транспортного средства, в целом.
Известно конструктивное решение, позволяющее повысить ресурсные показатели распылителей топливных форсунок, которое заключается в создании на поверхности седла распылителя локальных зон, покрытых пленкой топлива (заявка DE 10 2017 202 958 А1, опубл. 23.08.2018). Пленка топлива, играющая роль смазки и демпфирующего слоя, должна, по мнению авторов известного решения, повысить стойкость соударяющихся деталей. Для создания пленки топлива в нижней части иглы распылителя предлагается выполнять микроуглубления в форме точечных углублений или канавок различной формы и направления. Недостатком известного решения является технологическая сложность выполнения углублений заданной формы, расположения и количества. При отклонении фактической формы, количества или расположения углублений от заданных требований возможно возникновение так называемого клеевого эффекта - кратковременного прилипания иглы распылителя к поверхности седла с нарушением характеристик топливоподачи. Кроме того, наличие углублений, хаотично расположенных на поверхности иглы распылителя, обтекаемой топливом, или выполненных там же в виде поперечных канавок, само по себе изменяет гидравлические условия течения топлива, то есть может нарушить заданные характеристики процесса топливоподачи.
Известна конструкция клапана для впрыска топлива, которая предполагает выполнение угла раскрытия конуса, образующего седло в корпусе распылителя, равным от 30° до 50°, предпочтительно - от 40° до 50° (заявка DE 10 2009 029 542 А1, опубл. 03.03.2011). Уменьшение угла раскрытия конуса, образующего седло, должно уменьшить нормальную составляющую силы, возникающей при контакте иглы распылителя с седлом и приводящей к износу поверхности седла и контактной кромки. В нижней части иглы распылителя сформирован усеченный конус, а запорная кромка, контактирующая с седлом, образована пересечением поверхности усеченного конуса и цилиндра. Угол раскрытия конуса иглы распылителя незначительно отличается от угла раскрытия седла в большую сторону. К недостаткам известного решения относятся повышенные потери энергии потока топлива, связанные с течением в узких зазорах, и повышенный износ деталей распылителя, обусловленный тем, что запорная кромка на игле распылителя образована поверхностями, имеющими значительную разность углов - цилиндрической поверхностью и конической, угол раскрытия которой составляет около 30°…50°. Наличие плоского торца на игле распылителя приводит к формированию зоны внезапного резкого расширения пространства, в котором течет топливо. Это может приводить к возникновению зон кавитации и дополнительному износу деталей распылителя, то есть к ухудшению ресурсных показателей. Кроме того, технологическую трудность представляет выполнение иглы распылителя с плоским торцом, не позволяющем использовать стандартную технологическую оснастку типа обратных центров. Наличие плоской вершины конической поверхности иглы распылителя увеличивает количество невытесняемого иглой распылителя топлива, находящегося в подыгольном объеме колодца распылителя. Этот объем считается вредным, так как негативно влияет на экологические характеристики двигателя, в частности, на выбросы углеводородов с отработавшими газами.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков - прототипом заявляемого изобретения - является распылитель для двигателя внутреннего сгорания с промежуточным конусом между колодцем и седлом (патент DE 103 07 873 А1, опубл. 02.09.2004). Распылитель включает корпус распылителя и иглу распылителя. Седло в корпусе распылителя имеет вид усеченного конуса, а запорная кромка на игле распылителя, контактирующая, может быть образована пересечением двух усеченных конусов. Нижняя часть иглы распылителя сформирована усеченным конусом так, что концевое сечение иглы выполнено плоским. Разность углов раскрытия усеченных конусов, образующих запорную кромку на игле распылителя, должно составлять, по мнению авторов известного решения, не более 1°, предпочтительно - от 15' до 30'. Малая разность углов поверхностей, образующих запорную кромку на игле распылителя, положительно влияет на износостойкость деталей при ударном контакте в момент закрытия распылителя. К недостаткам известного решения относится повышенная технологическая сложность выполнения столь малой разности углов сопряженных конических поверхностей. Для контроля такой величины необходимо применение специальных измерительных приборов, удорожающих производство. Также в известном решении не решена технологическая проблема выполнения иглы распылителя с плоским торцом, сохранены вредный подыгольный объем в колодце корпуса распылителя и зона резкого расширения сечения.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение недостатков прототипа - повышение технологичности конструкции иглы распылителя, улучшение гидравлических условий течения топлива вблизи концевого сечения иглы распылителя и уменьшение невытесняемого подыгольного объема топлива для улучшения экологических характеристик двигателей.
Поставленная задача решается за счет того, что в распылителе топливной форсунки, включающем иглу распылителя и корпус распылителя, имеющий, по крайней мере, одно сопловое отверстие для истечения топлива, центральное отверстие для установки иглы распылителя, седло, выполненное в виде усеченного конуса, и колодец, нижняя часть иглы распылителя образована сочетанием трех последовательно расположенных друг за другом конусов. Первый из них, считая от колодца, является полным конусом с углом 90°, пересечение между собой двух последующих формирует запорную кромку, а второй конус имеет угол раскрытия, больший, чем угол раскрытия третьего - верхнего - конуса на 1°30' - 2°30'. Предпочтительное значение угла раскрытия второго, считая от колодца, конуса на игле распылителя составляет 60°10', а предпочтительная разность углов раскрытия второго и третьего, считая от колодца, конусов на игле распылителя составляет 1°50'.
Нижний конус предназначен для установки в стандартную оснастку типа «обратный конус» при обработке иглы распылителя на шлифовальных станках. Кроме того, наличие нижнего конуса позволяет уменьшить подыгольный невытесняемый объем топлива и уменьшить - по сравнению со случаем с иглой с плоским нижним торцом - степень расширения кольцевого зазора, в котором течет топливо.
Новизной в предложенном распылителе топливной форсунки является:
- наличие третьего конуса в нижней части иглы распылителя,
- величина разности углов раскрытия конусов на игле распылителя, образующих в пересечении запорную кромку.
Указанные признаки являются новыми, существенными, неочевидными и промышленно выполнимыми и направлены на решение поставленной изобретением технической задачи.
Распылитель топливной форсунки поясняется чертежом (фиг. 1), где обозначены: корпус распылителя 1, игла распылителя 2, сопловое отверстие 11, седло корпуса распылителя 12, колодец 13, нижний конус иглы распылителя 21, средний конус иглы распылителя 22, верхний конус иглы распылителя 23, запорная кромка иглы распылителя 24.
Распылитель топливной форсунки работает следующим образом.
В процессе впрыска игла распылителя 2 перемещается в корпусе распылителя 1, удаляясь от седла 11. Топливо движется в кольцевом зазоре между иглой распылителя 2 и корпусом распылителя 1 в направлении колодца 13 и через сопловое отверстие 11 впрыскивается в камеру сгорания двигателя (на фиг. 1 условно не показана). При завершении впрыска игла распылителя 2 движется в направлении седла корпуса распылителя 12 до посадки запорной кромкой 24 на поверхность седла корпуса распылителя 12. Нижний конус иглы распылителя 21 частично вытесняет топливо из колодца 13. Состояние распылителя, в котором запорная кромка иглы распылителя касается седла корпуса распылителя, называется закрытым.
Благодаря частичному вхождению нижнего конуса иглы распылителя 21 в колодец 11, количество топлива, остающееся в колодце при закрытом состоянии распылителя минимально. Последствия его неконтролируемого попадания в камеру сгорания и неполного окисления там так же сведены к минимуму. Наличие нижнего конуса иглы распылителя 21 уменьшает степень расширения сечения, через которое течет топливо. Это позволяет стабилизировать процесс течения и, за счет этого, стабилизировать показатели процесса впрыска.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является:
- обеспечение возможности обработки иглы распылителя с использованием стандартной технологической оснастки типа «обратный центр» и применяемых в серийном производстве универсальных измерительных приборов;
- уменьшение невытесняемого объема топлива в колодце при закрытом состоянии распылителя и, за счет этого улучшение экологических характеристик двигателя;
- улучшение условий течения топлива за счет уменьшение степени расширения сечения при обтекании концевого сечения иглы распылителя и, за счет этого, стабилизация процесса топливоподачи.
Предлагаемая конструкция распылителя топливной форсунки прошла испытания и внедрена в серийное производство.