ТОПЛИВНЫЙ КЛАПАН ДЛЯ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ
FUEL VALVE FOR TWO-STROKE ENGINE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SELF-IGNITION

Настоящее описание относится к топливному клапану для двухтактных двигателей внутреннего сгорания с большим рабочим объемом с самовоспламенением, в частности к топливному клапану, предназначенному для впрыска дизельного топлива в камеру сгорания двухтактного прямоточного крейцкопфного двигателя внутреннего сгорания с большим рабочим объемом с турбонаддувом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как правило, двухтактные двигатели внутреннего сгорания с большим рабочим объемом применяют в качестве первичных двигателей на больших судах дальнего плавания, таких как контейнерные суда, или в силовых установках.
Указанные двигатели обычно имеют два или три топливных клапана, расположенных в крышке каждого цилиндра. Продольная ось обычного топливного клапана, изображенного на Фиг. 1, расположена приблизительно под углом 10-15° относительно направления перемещения поршня в цилиндре двигателя. На переднем конце топливного клапана выполнен распылитель, выступающий в камеру сгорания. Распылитель имеет осевой канал и отверстия, обеспечивающие направление топлива от стенок цилиндра в камеру сгорания. Как правило, в продувочном воздухе, поступающем в камеру сгорания в момент впрыска, возникает завихрение, и основная часть указанных отверстий распылителя обеспечивает направленный впрыск топлива вместе с вихревым потоком, хотя одно из указанных отверстий может быть предназначено для впрыска топлива в вихревой поток.
Топливный клапан выполнен с подпружиненной иглой, которая действует в качестве выполненного с возможностью перемещения элемента клапана. Когда давление топлива превышает установленное значение, например 350 бар (35 МПа), игла клапана поднимается над своим седлом, и топливо может протекать в камеру сгорания через распылитель, расположенный в передней части топливного клапана.
Максимальное давление в камере сгорания двухтактного с большим рабочим объемом прямоточного двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом и самовоспламенением очень высокое, например, 200 Бар (20 МПа), и поэтому при впрыскивании трудно обеспечить давление топлива, которое было бы значительно выше давления в камере сгорания.
Известные топливные клапаны для двухтактных двигателей внутреннего сгорания с большим рабочим объемом с турбонаддувом и самовоспламенением имеют конструкцию, обеспечивающую давление закрытия клапана, то есть давление, при котором игла клапана возвращается в свое седло, ниже давления открытия клапана, то есть давления, при котором игла клапана поднимается над указанным седлом. Это обусловлено тем, что эффективная поверхность давления, действующая в направлении открывания иглы клапана против поджатия пружины или другого упругого средства, увеличивается в момент, когда клапан начинает подниматься от своего седла. Таким образом, игла клапана не возвратится на свое седло до тех пор, пока давление в топливном клапане не упадет значительно ниже давления, при котором происходит открытие топливного клапана. Образовавшееся низкое давление в конце впрыскивания может привести к тому, что впрыск топлива через отверстия распылителя будет происходить при недостаточно высоком давлении, поэтому сгорание топлива, которое впрыскивается в течение последней фазы впрыска, будет недостаточно оптимальным.
В патентном документе СН 484364 описан топливный клапан в соответствии с ограничительной частью независимого п. 1 формулы изобретения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
С учетом предпосылок к созданию изобретения, целью настоящей заявки является создание топливного клапана, который обеспечивает полное или частичное устранение вышеуказанных недостатков.
Согласно первому аспекту, указанная цель достигается с помощью топливного клапана, предназначенного для впрыска топлива в камеру сгорания двухтактного двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением, причем подача топлива в камеру сгорания начинается при превышении давлением топлива установленного значения и прекращается в конце процесса впрыска топлива при понижении давления топлива ниже указанного установленного значения, причем указанный топливный клапан содержит:
удлиненный корпус, имеющий задний конец и передний конец,
полый распылитель, имеющий первый осевой канал, отверстия и закрытую переднюю часть, при этом распылитель расположен на переднем конце корпуса клапана,
иглу клапана, выполненную с возможностью перемещения в осевом направлении и расположенную с возможностью скольжения во втором осевом канале корпуса клапана, при этом игла клапана выполнена с возможностью управления потоком топлива в распылитель,
причем игла клапана взаимодействует с седлом клапана, выполненным в корпусе клапана, и упруго поджата по направлению к указанному седлу упругим поджатием, и камера высокого давления, расположенная в корпусе клапана выше по потоку от седла клапана, окружает часть иглы клапана и соединена с отверстием для впуска топлива, выполненным в корпусе клапана,
при этом игла клапана при нахождении в поднятом от седла положении обеспечивает возможность протекания топлива из камеры высокого давления к распылителю, а при нахождении в седле клапана препятствует указанному протеканию топлива из камеры высокого давления к распылителю,
причем игла клапана при нахождении в седле клапана имеет первую эффективную поверхность давления, которая под воздействием давления топлива оказывает первое усилие на иглу клапана, которое направлено против упругого поджатия и которое обеспечивает подъем иглы клапана от седла, когда давление в камере высокого давления превышает заданное пороговое значение,
игла клапана при нахождении в поднятом от седла положении имеет дополнительную, вторую эффективную поверхность давления, которая под воздействием давления топлива оказывает дополнительное, второе усилие на иглу клапана, направленное против указанного упругого поджатия, когда игла клапана поднята от седла клапана, и
игла клапана имеет третью эффективную поверхность давления, которая под воздействием давления топлива оказывает третье усилие на указанную иглу клапана, содействующее указанному упругому поджатию, когда игла клапана поднята от седла,
отличающийся тем, что третьим осевым каналом в игле клапана и плунжером, расположенным в указанном канале, образована вторая камера высокого давления, причем указанный первый плунжер неподвижен и расположен с обеспечением уплотнения внутри третьего осевого канала, или тем, что
четвертым осевым каналом в корпусе клапана и вторым плунжером, расположенным в указанном канале, образована вторая камера высокого давления, причем указанный второй плунжер является частью иглы клапана и расположен с обеспечением уплотнения внутри четвертого осевого канала.
Посредством обеспечения третьей эффективной поверхности давления, которая содействует средству упругого поджатия в толкании иглы клапана по направлению к седлу клапана, обеспечивается возможность полной или частичной компенсации того факта, что эффективная поверхность давления, которая под воздействием находящегося под давлением топлива создает усилие, толкающее элемент клапана от его седла, значительно увеличивается с момента подъема иглы клапана над седлом клапана. Таким образом, негативный эффект от увеличения эффективной поверхности давления, в результате которого давление в момент закрытия клапана ниже давления в момент его открытия, может быть частично или полностью устранен. Следовательно, может быть создан топливный клапан, у которого давление закрытия клапана равно или лишь незначительно меньше давления открытия клапана. При такой конструкции клапана давление впрыска топлива может поддерживаться высоким на протяжении всего периода впрыска, обеспечивая соответствующее впрыскивание топлива в камеру сгорания на протяжении всего указанного периода впрыска.
Согласно первому аспекту, в первом варианте осуществления изобретения третья эффективная поверхность давления имеет размеры, обеспечивающие компенсацию третьим усилием, по существу, дополнительного, второго усилия.
Согласно первому аспекту, во втором варианте осуществления изобретения третья эффективная поверхность давления обращена ко второй камере высокого давления, образованной между иглой и корпусом клапана.
Согласно первому аспекту, в третьем варианте осуществления изобретения вторая камера высокого давления соединена с первой камерой высокого давления или с первым осевым каналом, предпочтительно, только когда игла клапана поднята.
Согласно первому аспекту, в четвертом варианте осуществления изобретения вторая камера высокого давления соединена с первой камерой высокого давления или первым осевым каналом посредством канала высокого давления, выполненного в игле клапана.
Согласно первому аспекту, в пятом варианте осуществления изобретения первый конец канала высокого давления выходит во вторую камеру высокого давления, а второй конец указанного канала выходит в первый осевой канал или к части поверхности иглы клапана, которая находится в контакте с седлом клапана, когда игла расположена в указанном седле.
Согласно первому аспекту, в шестом варианте осуществления изобретения второе отверстие закрыто, когда игла клапана расположена в седле клапана.
Согласно первому аспекту, в седьмом варианте осуществления изобретения часть иглы клапана, находящаяся в контакте с седлом клапана, когда игла расположена в указанном седле, обеспечивает уплотнительный контакт вокруг второго конца.
Согласно первому аспекту, в восьмом варианте осуществления изобретения распылитель имеет отверстия, распределенные по его сторонам, при этом, предпочтительно, все или по меньшей мере большинство указанных отверстий расположены друг от друга на угловом расстоянии.
Согласно первому аспекту, в девятом варианте осуществления изобретения топливный клапан также содержит полый перекрывающий стержень, который перемещается синхронно с иглой клапана и с возможностью осевого перемещения входит в осевой канал распылителя для открытия и закрытия отверстий распылителя, при этом указанный стержень, предпочтительно, имеет отверстия, соответствующие отверстиям распылителя, обеспечивая соединение отверстий распылителя с внутренней полостью указанного стержня в одном его положении и разъединение отверстий распылителя и внутренней полости указанного стержня в другом его положении.
Согласно первому аспекту, в десятом варианте осуществления изобретения корпус клапана выполнен с головкой, расположенной на его заднем конце и предназначенной для установки топливного клапана в крышке цилиндра двухтактного двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением.
Другие цели, отличительные особенности, преимущества и свойства топливного клапана согласно предложенному изобретению станут понятны из подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем подробном описании предложенного изобретения топливный клапан объяснен более подробно со ссылкой на приведенные в качестве примера варианты выполнения, изображенные на чертежах, на которых:
на Фиг. 1 представлен продольный разрез топливного клапана известного уровня техники,
на Фиг. 2 представлен продольный разрез в увеличенном масштабе передней части топливного клапана, изображенного на Фиг. 1, при этом указанная передняя часть выполнена согласно приведенному в качестве примера варианту выполнения, а игла клапана изображена расположенной в седле клапана,
на Фиг. 3 представлен вид сбоку в увеличенном масштабе распылителя топливного клапана, изображенного на Фиг. 2, при этом игла клапана поднята от седла клапана,
на Фиг. 4 представлен продольный разрез в увеличенном масштабе передней части топливного клапана, изображенного на Фиг. 1, при этом указанная передняя часть выполнена согласно приведенному в качестве примера варианту выполнения, изображенному на Фиг. 1, а игла клапана изображена поднятой от седла клапана,
на Фиг. 5 представлен продольный разрез в увеличенном масштабе передней части топливного клапана, изображенного на Фиг. 1, при этом указанная часть выполнена согласно другому, приведенному в качестве примера варианту выполнения, а игла клапана изображена расположенной в седле клапана, и
на Фиг. 6 представлен продольный разрез в увеличенном масштабе передней части топливного клапана, изображенного на Фиг. 1, при этом указанная часть выполнена согласно еще одному, приведенному в качестве примера варианту выполнения, а игла клапана изображена расположенной в седле клапана.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 изображен известный топливный клапан 1, предназначенный для впрыска топлива, например, такого как дизельное или тяжелое топливо, или аналогичного топлива в камеру сгорания двухтактного двигателя внутреннего сгорания с большим рабочим объемом с самовоспламенением. Топливный клапан 1, представленный на Фиг. 1, имеет удлиненный корпус 10, на заднем конце которого расположена головка 14, посредством которой указанный клапан известным способом при помощи болтов может быть прикреплен к крышке цилиндра двухтактного дизельного двигателя с большим рабочим объемом и соединен с топливным насосом (не показано). Головка 14 имеет отверстие 16 для впуска топлива, которое сообщается с каналом 17. Канал 17 проходит через невозвратный клапан 12 к игле 20 клапана, выполненной с возможностью осевого перемещения в корпусе 10 клапана. Игла 20 поджимается к седлу 22 посредством запирающей пружины 18, например, такой как спиральная проволочная пружина. На переднем конце корпуса 10 закреплен полый распылитель 54 с, предпочтительно, закрытым концом, выступающим через корпус 10 в камеру сгорания цилиндра двигателя (не показано), когда топливный клапан 1 установлен на крышке цилиндра. Полый распылитель 54 имеет первый осевой канал 57, отверстия 55 и закрытую переднюю часть.
На Фиг. 2-4 более детально изображена передняя часть 30 корпуса 10 топливного клапана (часть, обведенная круговой штрихпунктирной линией на Фиг. 1) с иглой 20 и распылителем 54, согласно приведенному в качестве примера варианту выполнения. Запирающая пружина 18 толкает иглу 20 к ее седлу 22. На Фиг. 2 игла 20 изображена опирающейся на седло 22. В данном положении поток топлива, протекающий от впускного отверстия 16 к распылителю 54, заблокирован. На Фиг. 4 игла 20 поднята от седла 22. В таком положении игла 20 не препятствует протеканию топлива из впускного отверстия 16 к распылителю.
Игла 20 содержит передний перекрывающий стержень 40, более тонкий, чем задняя секция указанной иглы, и выступающий в первый осевой канал 57 распылителя 54.
Распылитель 54 имеет первый осевой канал 57 и отверстия 55, через которые топливо впрыскивается в камеру сгорания. Таким образом, в процессе впрыска топлива его струя выходит из каждого отверстия 55.
В одном варианте выполнения (не показано) отверстия 55 распределены по распылителю 54 с обеспечением расположения на расстоянии друг от друга вдоль продольной протяженности распылителя. В изображенном варианте выполнения отверстия 55 распределены только в радиальном направлении распылителя. В одном варианте выполнения каналы 55 распределены в радиальном направлении и направлены радиально в разных, но близких направлениях с обеспечением охвата сектора камеры сгорания струями топлива, выходящими из упомянутых каналов 55.
В приведенном в качестве примера варианте выполнения перекрывающий стержень 40 выполнен как единое целое с иглой 20. Стержень 40 выполнен полым, и его внутренняя полость соединена с пространством, расположенным ниже по потоку относительно седла 22. Таким образом, когда игла 20 поднята от своего седла, проточный тракт 17 проходит по всей длине, начиная от отверстия 16 для впуска топлива и до внутренней полости стержня 40.
Выполненная с возможностью перемещения в осевом направлении игла 20 расположена с возможностью скольжения во втором осевом канале 33 корпуса 10 клапана, то есть в направляющей 53 штока клапана в крайней передней части 30 указанного корпуса. Игла 20 выполнена с возможностью управления протеканием топлива в распылитель 54. Игла 20 взаимодействует с седлом 22 в корпусе клапана и упруго поджата по направлению к указанному седлу посредством упругого поджатия, образованного, например, запирающей пружиной 18. Седло 22 клапана, предпочтительно, включает коническую поверхность для упорного соединения с взаимодействующей поверхностью иглы 20. Часть 42 поверхности иглы клапана имеет форму, обеспечивающую уплотняющее взаимодействие с конической поверхностью седла 22.
Первая камера 24 высокого давления расположена непосредственно выше по потоку от седла 22 клапана, окружает часть иглы 20 и посредством канала 17 соединена с отверстием 16 для впуска топлива. Игла 20 обеспечивает возможность протекания топлива из камеры 24 высокого давления к распылителю 54, когда игла 20 клапана поднята от седла 22, и препятствует данному протеканию, когда игла 20 клапана расположена в указанном седле.
Игла 20 клапана, когда расположена в седле 22, имеет первую эффективную поверхность 26 давления, которая под воздействием давления топлива оказывает первое усилие на иглу 20, противоположное упругому поджатию, то есть действующее в направлении подъема. Первая эффективная поверхность 26 давления подвержена воздействию давления в первой камере 24, и когда давление топлива в указанной камере превышает установленное пороговое значение, игла 20 поднимается от седла 22, противодействуя упругому поджатию.
Когда игла 20 клапана поднята от седла 22, начинает действовать дополнительная вторая эффективная поверхность 27 давления указанной иглы. Вторая поверхность 27 расположена на игле 20 клапана в месте взаимодействия иглы 20 с седлом 22 и на небольшом расстоянии перед ним. Вторая эффективная поверхность 27 давления подвергается воздействию давления топлива, находящегося в первом канале 57 ниже по потоку от седла 22, а также давления топлива, находящегося в переходе между первой камерой 24 высокого давления и первым осевым каналом 57. Вторая поверхность 27 оказывает дополнительное, второе усилие на иглу 20, противоположное упругому поджатию, при наличии в первом канале 57 находящегося под давлением топлива, то есть когда игла 20 поднята от седла 22.
Игла 20 имеет третью эффективную поверхность 29 давления, которая под воздействием давления топлива оказывает третье усилие на иглу 20 клапана, содействующее упругому поджатию, когда игла 20 поднята от седла 22. Третье усилие действует в том же направлении, что и упругое поджатие, то есть в направлении, противоположном первому и второму усилиям.
Предпочтительно, третья эффективная поверхность 29 давления имеет размеры (площадь эффективной поверхности), обеспечивающие, по существу, компенсацию третьим усилием дополнительного второго усилия. Размер третьей эффективной поверхности 29 давления может быть выбран таким образом, что давление закрытия топливного клапана немного меньше давления открытия указанного клапана.
Третья эффективная поверхность 29 давления обращена ко второй камере 32 высокого давления, заданной между иглой 20 и корпусом 10 клапана, то есть в передней части 30 указанного корпуса. Вторая камера 32 соединена с первой камерой 24 высокого давления, только когда игла 20 клапана поднята. При этом вторая камера 32 соединена с первой камерой 24 посредством канала 34 высокого давления, образованного в игле 20 клапана.
Первый конец 45 канала 34 выходит во вторую камеру 32 высокого давления, а второй конец 46 указанного канала выходит к той части 42 поверхности иглы 20, которая контактирует с седлом 22 клапана, когда данная игла 20 расположена в седле. В данном варианте выполнения канал 34 имеет два вторых отверстия 46, расположенных на диаметрально противоположных сторонах иглы 20 клапана. Однако понятно, что может быть вполне достаточно одного второго отверстия 46.
Таким образом, второе отверстие (отверстия) 46 закрыто (закрыты), когда игла 20 клапана расположена в седле 22. Это гарантируется находящимися в уплотняющем контакте вокруг второго конца 46 частью 42 иглы 20 и поверхностью седла 22 клапана, которая контактирует с указанной частью 42, когда игла расположена в седле.
Вторая камера 32 высокого давления расположена в четвертом осевом канале 23 корпуса 10 клапана, то есть в крайней передней части 30 указанного корпуса. Второй плунжер 59, который является частью иглы 20 клапана, входит в четвертый осевой канал 23 и ограничивает вторую камеру 32 высокого давления. Второй плунжер 59 расположен с обеспечением уплотнения внутри четвертого осевого канала 23.
Таким образом, в процессе эксплуатации игла 20 клапана поднимается от ее седла, когда давление топлива, подаваемого в топливный клапан 1, превышает установленное пороговое значение. В этот момент давление в первой камере 24, действующее на первую эффективную поверхность 26 давления, создает усилие в направлении подъема, при этом величина данного усилия достаточна большая для преодоления упругого поджатия запирающей пружины 18, и игла 20 поднимается вверх от седла 22.
Таким образом, топливо может протекать через седло 22 в первый осевой канал 57, в полый перекрывающий стержень 40 и далее через отверстия 55 в камеру сгорания.
Когда находящееся под давлением топливо поступает в первый осевой канал 57, оно также воздействует на вторую эффективную поверхность 27, и к первому усилию прибавляется второе усилие, образованное давлением, действующим на указанную поверхность.
Когда игла 20 клапана поднята, вторые отверстия 46 больше не закрыты и, следовательно, во второй камере 32 высокого давления устанавливается высокое давление. Соответственно, третья эффективная поверхность 29 давления подвергается воздействию находящегося под давлением топлива и создает третье усилие, которое содействует упругому поджатию, толкающему иглу 20 по направлению к седлу 22.
Когда подача топлива в топливный клапан 1 прекращена в конце процесса впрыскивания топлива, пониженное давление топлива уже не может удерживать иглу 20 клапана над ее седлом 22, и запирающая пружина 18 толкает указанную иглу вперед в осевом направлении к указанному седлу. Вследствие наличия третьей эффективной поверхности 29 давления игла 20 будет возвращаться в свое седло при том давлении закрытия клапана, которое может быть определено путем выбора размера указанной эффективной поверхности 29. Согласно варианту выполнения, размер третьей эффективной поверхности 29 выбирают таким образом, чтобы давление закрытия клапана было немного меньше давления открытия.
Поскольку стержень 40 перемещается синхронно с иглой 20, стержень 40 также перемещается в осевом направлении к передней части клапана 1.
На Фиг. 5 изображен другой вариант выполнения изобретения, который, по существу, подобен вышеописанному варианту выполнения, за исключением того, что вторая камера 32 высокого давления ограничена третьим осевым каналом 25 иглы 20 клапана и плунжером 58, который расположен в указанном канале. Первый плунжер 58 неподвижен и расположен с обеспечением уплотнения внутри третьего осевого канала.
Более того, второй конец (концы) 46 расположен (может быть расположен) с обеспечением открытия по направлению к первому каналу 57, и в данном варианте выполнения второй конец 46 не является закрытым, когда игла 20 расположена в седле 22.
Вышеописанные варианты выполнения можно комбинировать, а именно, как изображено на Фиг. 6, согласно которому камера 32 высокого давления определена третьим осевым каналом 25 иглы 20 клапана и плунжером 58, который расположен в указанном канале 25, в сочетании с каналом 34 высокого давления, вторые концы 46 которого закрыты, когда игла 20 расположена в седле 22.
В альтернативном варианте, второй конец (концы) 46 расположен (может быть расположен) с обеспечением открытия по направлению к первому каналу 57 в варианте выполнения, изображенном на Фиг. 2 - Фиг. 4.
Следует понимать, что, хотя принципы настоящей заявки были подробно описаны исключительно с иллюстративными целями, различные изменения могут быть внесены специалистами в данной области техники без выхода за пределы объема настоящей заявки.
Применяемый в формуле изобретения термин «содержащий» не исключает наличие других элементов или шагов. Упоминание в формуле изобретения терминов в единственном числе не исключает возможность их присутствия во множественном числе. Одно обрабатывающее устройство или иной узел может исполнять функции нескольких средств, указанных в формуле изобретения.