ДРОССЕЛЬ НА ИГЛЕ РАСПЫЛИТЕЛЯ ТОПЛИВНОЙ ФОРСУНКИ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
THROTTLE ON SPRAYING NEEDLE OF FUEL INJECTOR FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Настоящее изобретение относится к распылителю топливной форсунки для двигателей внутреннего сгорания (ДВС), используемой преимущественно для впрыскивания топлива под высоким давлением непосредственно в камеру сгорания в ДВС. Наиболее предпочтительно при этом применение такой топливной форсунки в системах впрыскивания топлива, которыми оснащаются дизельные двигатели.
Уровень техники
Соблюдение норм на предельно допустимые показатели выброса вредных веществ имеет высокий приоритет при разработке ДВС. При этом добиться значительного сокращения выброса вредных веществ позволяет в первую очередь система впрыскивания топлива "common rail" (система впрыскивания топлива с общей топливной магистралью), которая, что является решающим фактором, позволяет вне зависимости от давления впрыскивания топлива, от частоты вращения вала двигателя и его нагрузки впрыскивать топливо в любой момент времени в точно дозированных количествах. Для подобного впрыскивания топлива при этом используются известные, применяемые в системах "common rail" топливные форсунки с регулируемой длиной хода иглы их распылителя, приводимой в действие сервоприводом. Соответствующими управляющими клапанами управляют пьезоэлектрические или электромагнитные приводы, которые обладают исключительно коротким временем срабатывания и благодаря этому обеспечивают быстрое открытие иглы распылителя топливной форсунки.
Однако необходимым условием для реализации различных фаз многоразового впрыскивания топлива, прежде фаз предварительного и завершающего впрыскивания топлива с его подачей в исключительно малом количестве, является также соответственно быстрое закрытие иглы распылителя топливной форсунки. Для решения этой задачи были разработаны различные конструкции, например, постоянная ступень низкого давления на игле, постоянно прикладывающая к ней закрывающее усилие и ускоряющая тем самым ее перемещение в направлении закрытия. Однако недостаток такой ступени низкого давления состоит в том, что ее наличие связано с утечкой значительных количеств топлива и поэтому требует применения топливного насоса повышенной производительности, вследствие чего снижается эффективность всей системы питания ДВС и в конечном итоге повышается расход топлива. Подобный недостаток может создать дополнительные проблемы прежде всего при внедрении систем, рассчитанных на работу под еще более высоким давлением топлива.
По указанной причине современные топливные форсунки, рассчитанные на впрыскивание топлива под максимально возможным давлением, выполняют герметичными, не допускающими просачивание топлива, отказываясь от использования вышеописанной ступени низкого давления. Вследствие этого, однако, для закрытия иглы к ней возможно приложение лишь малых по своей величине усилий, что ухудшает способность топливной форсунки впрыскивать топливо в минимальных количествах. Компенсировать подобный недостаток возможно лишь с трудом, например, за счет применения соответственно быстро срабатывающих управляющих клапанов, которые, однако, имеют высокую стоимость и сложную конструкцию.
Иглы распылителей топливных форсунок, известные, например, из DE 10024703 А1, имеют для своего направленного перемещения в кольцевой полости, образованной в распылителе, средний направляющий участок, а также имеют на своей боковой поверхности две, три или четыре лыски (грани), вдоль которых топливо при этом поступает к распылительному отверстию или распылительным отверстиям. Наличием таких лысок обусловлено образование дросселя, в связи с чем в этой зоне происходит падение давления, в результате чего давление в кольцевой полости по ходу потока топлива перед направляющим участком оказывается выше давления по ходу потока топлива после направляющего участка, благодаря чему создается постоянно действующее на иглу в направлении ее закрытия усилие, что позволяет отчасти компенсировать вышеуказанные недостатки. При этом, однако, появляется проблема, связанная с тем, что дросселирующее действие зависит от вязкости топлива, которая, в свою очередь, зависит от давления и температуры. По этой причине величина падения давления, а тем самым и величина действующего на иглу закрывающего усилия в широком диапазоне рабочих режимов топливной форсунки зависят от температуры и давления, что приводит к разбросу дозируемых количеств топлива от одного процесса впрыскивания к другому. Обусловленные этим неточности в дозировании топлива отрицательно сказываются на выбросе вредных веществ с отработавшими газами, образующимися при работе ДВС.
Преимущества изобретения
Предлагаемое в изобретении выполнение распылителя топливной форсунки позволяет образовать строго определенный дроссель, который обеспечивает падение давление топлива независимо от характеризующего его течение числа Рейнольдса, и поэтому дросселирующее действие не зависит от температуры топлива. В результате этого на иглу действует остающееся всегда постоянным закрывающее усилие, благодаря которому обеспечивается быстрое закрытие иглы, а топливная форсунка приобретает тем самым высокую способность впрыскивать топливо в минимальных количествах. Для этого между иглой и стенкой кольцевой полости образован щелевой дроссель с острой кромкой, который при его выполнении с приемлемыми размерами обеспечивает падение давления топлива независимо от характеризующего его течение числа Рейнольдса. Число Рейнольдса помимо прочего зависит от плотности и динамической вязкости топлива, которые, в свою очередь, в значительной мере определяются его температурой. Благодаря независимости от числа Рейнольдса демпфирующее действие щелевого дросселя не зависит от температуры и тем самым остается постоянным, вследствие чего на иглу действует неизменное закрывающее усилие.
В первом предпочтительном варианте осуществления изобретения щелевой дроссель образован выполненным на игле буртиком, который на своем радиально наружном крае имеет заостренную кромку с образованием между буртиком и стенкой кольцевой полости щелевого дросселя с острой кромкой. При этом такой буртик в том случае, когда на игле предусмотрен направляющий участок, может быть выполнен по ходу потока топлива перед таким направляющим участком или же после него.
Для прохождения топлива может оказаться предпочтительным выполнение на буртике одной или нескольких лысок, которые также имеют острую кромку, благодаря чему сохраняется независимость от числа Рейнольдса. Расход топлива, а тем самым и дросселирующее действие щелевого дросселя и величину действующего на иглу закрывающего усилия можно регулировать, варьируя размеры лысок. Для оптимизации дросселирующего действия при неизменной стабильности буртика его предпочтительно выполнять с треугольным в поперечном сечении иглы профилем, получаемым при выполнении буртика с тремя лысками. Буртик при этом может быть выполнен за одно целое с иглой или представлять собой отдельный элемент, приклеиваемый к игле, привариваемый к ней или напрессовываемый на нее в горячем состоянии после ее окончательного изготовления.
Чертежи
Ниже предлагаемый в изобретении распылитель топливной форсунки более подробно рассмотрен со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - вид в продольном разрезе топливной форсунки с предлагаемым в изобретении распылителем,
на фиг.2 - увеличенный вид показанного на фиг.1 распылителя топливной форсунки со схематичным изображением только его обращенной к камере сгорания части с наиболее важными компонентами и
на фиг.3а-3в - различные варианты выполнения буртика на игле и тем самым щелевого дросселя.
Описание варианта осуществления изобретения
На фиг.1 в продольном разрезе показана топливная форсунка. Основной принцип работы таких топливных форсунок уже достаточно давно и хорошо известен из уровня техники, и поэтому подробное описание их известных деталей и элементов в настоящем описании не приводится, а ниже лишь кратко рассматриваются их функции. Топливная форсунка имеет распылитель 1 и корпус 100, в котором размещен управляющий клапан 30 для управления впрыскиванием топлива. Корпус 100 топливной форсункой соединен с распылителем 1, который имеет корпус 2 и в котором предусмотрены распылительные отверстия 8, через которые впрыскивается топливо. В корпусе 2 распылителя расположена его игла 3, которая соединена с плунжером 32, который своим торцом ограничивает управляющую полость 36, образованную отверстием втулки 38. Усилием пружины 40 плунжер 32, а тем самым и игла 3 распылителя поджимаются к ее седлу 7, перекрывая в результате распылительные отверстия 8.
Управляющая полость 36 может через сливной дроссель 42, открываемый и перекрываемый управляющим клапаном 30, соединяться с дренажной полостью для отвода топлива, в которой отсутствует давление. Для открытия сливного дросселя 42 и тем самым для возможности перетекания через него топлива из управляющей полости 36 в дренажную полость подают электрический ток на электромагнит 33, который притягивает якорь 31 управляющего клапана, открывающий сливной дроссель. Для завершения процесса впрыскивания топлива прекращают подачу электрического тока на электромагнит 33, в результате чего якорь 31 под действием пружины скользит назад в свое исходное положение и перекрывает сливной дроссель 42. Перетекшее в дренажную полость из управляющей полости 36 топливо заменяется в ней новым топливом, поступающим через входной дроссель 44. Топливо под высоким давлением при этом находится в общей топливной магистрали 34 высокого давления, так называемой "rail", и по топливопроводу 35 высокого давления поступает из нее в топливную форсунку.
На фиг.2 в продольном разрезе и в увеличенном масштабе показан распылитель представленной на фиг.1 топливной форсунки с изображением только той его части, которая в смонтированном положении топливной форсунки обращена к камере сгорания. Распылитель 1 топливной форсунки имеет образованную вокруг его иглы кольцевую полость 5, заполняемую топливом под высоким давлением и ограниченную со стороны камеры сгорания седлом 7, которое выполнено в основном конической формы и от которого отходят несколько распылительных отверстий 8. В кольцевой полости 5 подвижно в своем продольном направлении расположена игла 3, которая выполнена в виде плунжера с продольной осью 9. Игла 3 для своего направленного перемещения в кольцевой полости 5 имеет направляющий участок 10, благодаря которому игла всегда ориентируется относительно своего конического седла 7 точно по его центру. Топливо, поступающее к распылительным отверстиям 8, протекает через остающийся между иглой 3 и стенкой кольцевой полости 5 кольцевой зазор и в зоне направляющего участка 10 проходит вдоль нескольких лысок 12, обеспечивающих наличие достаточно большого для протекания топлива проходного сечения. На обращенном к седлу конце иглы 3 выполнена уплотнительная поверхность 11, которой игла 3 взаимодействует со своим седлом 7. В своем опущенном на седло 7 положении игла 3 перекрывает доступ потоку топлива из кольцевой полости 5 к распылительным отверстиям 8 и открывает его лишь при своем приподнятии со своего седла 7.
По ходу потока топлива перед направляющим участком 10 на игле 3 выполнен буртик 17, который кольцом охватывает иглу 3 по всей ее боковой поверхности. Со своей радиально наружной стороны буртик 17 выполнен заостренным с образованием в результате кромки 20, которая имеет длину L. Тем самым между стенкой кольцевой полости 5 и кромкой 20 образуется щелевой дроссель 15 с острой кромкой.
Принцип работы топливной форсунки состоит в следующем. До начала цикла впрыскивания топлива игла 3 находится в своем закрытом положении, т.е. в опущенном на свое седло 7 положении. Игла 3 при этом удерживается прижатой к своему седлу 7 закрывающим усилием, которое создается гидравлически давлением в управляющей полости 36. В кольцевой полости 5 топливо находится под высоким давлением, которое, однако, из-за наличия закрывающего усилия не создает никакого приложенного к игле 3 результирующего усилия в продольном направлении. При наступлении момента, в который должно начаться впрыскивание топлива, закрывающее усилие уменьшается, в результате чего игла 3 приподнимается со своего седла 7 и открывает путь прохождения потока топлива из кольцевой полости 5 к распылительным отверстиям 8. Для закрытия иглы 3 закрывающее усилие вновь возрастает, в результате чего игла 3 испытывает воздействие направленного к ее седлу 7 результирующего усилия и скользит обратно в свое закрытое положение.
Для ускорения такого перемещения иглы в направлении ее закрытия буртик 17 действует следующим образом. Наличием щелевого дросселя 15 обусловлен перепад давления в месте его расположения, в связи с чем в той части кольцевой полости 5, которая расположена по ходу потока топлива перед буртиком 17, давление выше, чем в расположенной по ходу потока топлива после него части кольцевой полости. В результате этого на первую рабочую (нагруженную давлением) поверхность 22 буртика 17, обращенную навстречу потоку топлива, действует гидравлическое усилие, которое по величине больше гидравлического усилия, приложенного ко второй рабочей поверхности 23 буртика 17, обращенной в противоположную сторону. Благодаря такому результирующему гидравлическому усилию, действующему на буртик 17 и направленному в сторону седла 7 иглы 3, она перемещается в свое закрытое положение быстрее по сравнению со скоростью, с которой она перемещалась бы в результате простого повышения приложенного к ее обращенному от седла концу закрывающего усилия.
Величина подобного закрывающего усилия в решающей степени зависит от величины падения давления на щелевом дросселе 15. Величина такого падения давления, в свою очередь, зависит от размеров поперечного сечения щелевого дросселя 15 и от вязкости топлива, которая является функцией температуры и давления в кольцевой полости 5. Благодаря заостренному выполнению кромки 20 падение давления на щелевом дросселе, а тем самым и степень демпфирования на нем не зависят от числа Рейнольдса и тем самым также от вязкости и температуры топлива. В результате достигаются всегда остающееся постоянным закрывающее усилие, действующее на иглу 3, и воспроизводимая характеристика ее закрытия, не зависящие от рабочей точки и от температуры топлива.
Описанный выше эффект проявляется аналогичным образом и на направляющем участке 10, соответственно на лысках 12, однако в этих местах величина падения давления явно зависит от числа Рейнольдса. Поэтому в рассматриваемом варианте лыски 12 необходимо выполнять настолько большими, чтобы на направляющем участке 10 отсутствовало или имело место лишь очень незначительное падение давление, сопровождающееся созданием соответствующего дополнительного закрывающего усилия.
гидр
На фиг.3а в виде в плане показаны буртик 17 и щелевой дроссель 15. Важное значение для выполнения щелевым дросселем 15 своей функции имеет то, что он образован острой кромкой 20. Решающее значение при этом имеет размер гидравлического диаметра D, который определяется площадью поперечного сечения потока жидкости и смоченным периметром, который складывается из внутреннего и наружного смоченных периметров. В общем случае гидравлический диаметр вычисляется по следующей формуле:
.
a
i
a
i
гидр
Для пояснения сказанного выше можно обратиться к фиг.3а, где показан щелевой дроссель 15 в виде кольцевого зазора с наружным диаметром D и внутренним диаметром D, при этом наружный диаметр D соответствует внутреннему диаметру кольцевой полости 5, а внутренний диаметр D - диаметру буртика 17. В этом случае гидравлический диаметр D с достаточно хорошим приближением можно вычислить по следующей формуле:
.
Обозначив через L длину кромки 20, для независимости от числа Рейнольдса при наличии щелевого дросселя 15 должно выполняться следующее условие:
гидр
L/D<5,
и поэтому щелевой дроссель согласно настоящему изобретению выполнен с острой кромкой.
Если через Do обозначить диаметр иглы 3 непосредственно перед буртиком 17, то оптимальная работа обеспечивается в том случае, когда, кроме того, соблюдается следующее условие:
В показанном на фиг.2 и фиг.3 варианте указанное неравенство равносильно следующему неравенству:
.
На фиг.3б показан выполненный по другому варианту буртик 17, у которого предусмотрены боковые лыски 25, которые придают буртику 17 в основном треугольный в поперечном сечении иглы профиль. На чертеже лыски 25 для большей наглядности показаны преувеличенными, а их длина K, как очевидно, определяется длиной L буртика 17. Вместо трех лысок 25, показанных па фиг.3б, можно также предусмотреть большее количество лысок 25, например, четыре, пять или шесть лысок 25.
гидр
гидр
В показанном на фиг.3б варианте гидравлический диаметр D необходимо вычислять иначе, нежели в показанном на фиг.3а варианте. Обозначив через S длину дуги лыски 25, через K - длину кромки лыски 25, а через А - площадь поверхности, образуемой между одной из лысок 25 и стенкой кольцевой полости 5, гидравлический диаметр D можно вычислить по следующей формуле:
.
На фиг.3в показан выполненный еще по одному варианту буртик 17, при этом в данном варианте щелевой дроссель 15 образован несколькими канавками 27 в буртике 17, а его максимальная длина L в этом случае зависит от размеров таких канавок 27. Ширина зазора, остающегося при этом между иглой 3 и стенкой кольцевой полости 5 в промежутках между канавками 27, такова, что практически образуется уплотнение, и поэтому топливо протекает исключительно по канавкам 27. Контур канавок 27 выполнен при этом с острыми кромками или углами, и поэтому сохраняется независимость от числа Рейнольдса.
Гидравлический диаметр в показанном на фиг.3в варианте вычисляется следующим образом. Обозначив ширину канавки 27 через L, а ее глубину - через h, гидравлический диаметр можно вычислить по следующей формуле:
.
Щелевой дроссель 15 может при этом располагаться в пределах либо за пределами направляющего участка 10.
Не зависящее от числа Рейнольдса дросселирование на щелевом дросселе возможно, таким образом, лишь при его выполнении в соответствии с приведенными выше пояснениями с острой кромкой. При этом с одной стороны образующих щелевой дроссель 15 деталей может иметься острая кромка, а с другой стороны - гладкая стенка, например стенка кольцевой полости 5 аналогично рассмотренному выше варианту. Щелевой дроссель 15 может быть также образован острыми с обеих сторон кромками, для чего, например, в рассмотренном выше варианте, показанном на фиг.3а, напротив буртика 17 с острой кромкой можно выполнить также заостренное ребро на внутренней стенке кольцевой полости 5. При не слишком большом ходе открытия иглы 3 требуемый эффект сохраняется на протяжении всего процесса ее перемещения в направлении открытия. Вместе с тем буртик и ребро можно также расположить друг относительно друга таким образом, чтобы максимальное демпфирующее действие достигалось только в открытом состоянии иглы 3, т.е. при расположении буртика и ребра точно друг против друга, а в момент начала перемещения иглы в направлении открытия на щелевом дросселе происходило лишь незначительное демпфирование, что способствует возрастанию давления у распылительных отверстий 8.