ФОРСУНКА ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ПРИБОРА С УЛУЧШЕННОЙ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА
NOZZLE FOR HEATING DEVICE WITH IMPROVED FUEL SUPPLY

Изобретение относится к форсунке для нагревательного прибора, в частности для применения в безрельсовых транспортных средствах с моторным приводом, с соплом форсунки для подвода и распыления топлива, которое имеет иглу форсунки для подвода топлива в форсунку и область подачи воздуха для горения в форсунку, и зоной пуска, в которой осуществляется воспламенение топлива для пуска форсунки.
Подобного рода форсунки, которые еще называются распыляющими форсунками или спрей-форсунками, находят применение, в частности, при дополнительном обогреве и стационарном отоплении для безрельсовых транспортных средств с моторным приводом.
Существуют многочисленные требования к таким форсункам, в частности, заключающиеся в надежном и в значительной мере свободном от выбросов пуске, а также в устойчивом режиме горения. Далее стремятся конструировать нагревательные приборы таким образом, чтобы их можно было применять в различных положениях при установке.
В отношении пусковых характеристик между собой должны быть согласованы различные рабочие параметры. Во-первых, требуется, чтобы во время пуска форсунки в зоне пуска была относительно жирная воздушно-топливная смесь, а с другой стороны требуется подготавливать достаточное количество первичного воздуха для горения, чтобы обеспечить транспортировку топлива от иглы форсунки в зону пуска.
Требование возможности установки нагревательного прибора в различных положениях связано с проблемами, касающимися пусковых характеристик. Чтобы именно при небольшой подаче первичного воздуха транспортировать топливо в зону пуска, до сих пор мирились с ориентированием на иглу форсунки с выходным отверстием, направленным вниз, а это имело следствием то, что всю форсунку нужно было устанавливать в вертикальном положении.
Чтобы обеспечить устойчивый режим горения форсунки, необходимо выполнить иной раз противоречащие друг другу требования. Во-первых, требуется хорошее перемешивание топлива и воздуха, во-вторых, в центральной области пламени, в частности, во время пусковой фазы нежелательно иметь слишком высокую воздушную составляющую и слишком сильное завихрение.
Задачей изобретения является, по меньшей мере, частичное решение описанных проблем уровня техники и, в частности, сделать возможным поведение при пуске, которое было бы надежным, не сопровождалось бы значительным выбросом, соответственно дымом, в различных положениях установки.
Эта задача решается признаками независимого пункта формулы изобретения.
Предпочтительные варианты выполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение усовершенствует форсунку рассмотренного вначале рода за счет того, что с помощью выбора внутреннего диаметра иглы форсунки таким образом задается скорость выхода топлива, что во время фазы пуска форсунки топливо достигает зоны пуска по существу в нераспыленном виде. С помощью уменьшения внутреннего диаметра иглы форсунки по сравнению с иглой форсунки в нагревательных приборах, соответствующих уровню техники, при одинаковом объеме транспортируемого топлива скорость выхода топлива повышается. Таким образом, при любом положении установки обеспечивается, что струя топлива из выходного отверстия иглы форсунки попадает в пусковую зону. В частности, при низком количестве первичного воздуха, причем подводящийся первичный воздух к тому же должен иметь лишь небольшое завихрение, по существу нераспыленная струя топлива может достигать пусковой зоны. В результате пуск форсунки происходит надежно и образование дыма во время пуска существенно снижается.
Предпочтительно внутренний диаметр иглы форсунки лежит между 0,5 и 0,7 мм. По сравнению со скоростью выхода у игл форсунок, соответствующих уровню техники, у которых внутренний диаметр лежит в области 0,8 мм, скорость выхода при внутреннем диаметре между 0,5 и 0,7 мм может почти удваиваться и даже больше, чем удваиваться.
Особо предпочтительным является то, что внутренний диаметр иглы форсунки составляет около 0,6 мм. При таком внутреннем диаметре в режиме полной нагрузки, т.е. при массовом потоке топлива в 0,5 кг/ч скорости выхода возможны свыше 0,6 м/c, в то время как при внутреннем диаметре 0,8 мм скорость выхода лежит в области 0,35 м/с. Соответственно повышается скорость выхода при режиме частичной нагрузки, т.е. при массовом потоке топлива 0,2 кг/ч с около 0,14 до около 0,25 м/c. При соответствующем выборе конструктивных качеств или рабочих параметров цель получения по существу нераспыленной струи в зоне пуска при пуске нагревательного прибора может быть достигнута и при существующих иглах форсунок с внутренним диаметром около 0,8 мм.
Целесообразно предусмотреть, чтобы зона пуска была выполнена в виде пусковой камеры, в которую выступает воспламеняющий элемент. Стенка камеры сгорания может, таким образом, окружать воспламеняющий элемент. Во время пускового режима «баллистическая» струя топлива в этом случае может смачивать воспламеняющий элемент и стенку камеры сгорания топливом, так что стенка камеры сгорания и смежные конструктивные элементы после их нагрева служат в качестве стенового испарителя.
Согласно особо предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения предусмотрено, что дополнительно к первичному воздуху, подводящемуся соплом форсунки, в камеру сгорания через теплозащитный щиток, расположенный между соплом форсунки и камерой сгорания, через отверстия, предусмотренные в теплозащитном щитке, может быть подведен вторичный воздух, и эти отверстия снабжены элементами, направляющими воздух. Теплозащитный щиток в основном нужен для того, чтобы ограждать сопло и подвод топлива от имеющейся в камере сгорания тепловой энергии. Далее, через теплозащитный щиток в камеру сгорания подводится вторичный воздух. За счет того, что отверстия для подачи вторичного воздуха снабжены элементами, направляющими воздух, подача этого вторичного воздуха может осуществляться целенаправленно так, что можно оказывать влияние на режим горения как при режиме пуска, так и при режиме длительной работы.
Целесообразно предусмотреть, чтобы элементы, направляющие воздух, были образованы язычками, выступающими в направлении камеры сгорания и выполненными заодно с теплозащитным щитком. Такой теплозащитный щиток может быть изготовлен простым способом, например путем формирования v-образным штампом язычков, которые после штамповки или одновременно с процессом штамповки отгибаются из плоскости теплозащитного щитка.
Изобретение усовершенствовано также в плане того, что язычки образованы под различными углами к поверхности теплозащитного щитка и/или к радиусу теплозащитного щитка. Если язычки направлены почти перпендикулярно к радиусу теплозащитного щитка, то в этом случае создается более сильное завихрение, в то время как при язычках с меньшим углом к радиусу создается существенно меньшее завихрение. Язычки, которые образуют небольшой угол с поверхностью теплозащитного щитка, создают воздушные потоки, которые имеют большую радиальную составляющую и малую осевую составляющую, в то время как при язычках с большими углами к поверхности теплозащитного щитка доминирует осевая составляющая. Таким образом, возникает возможность направлять вторичный воздух в центральную область образования пламени с небольшим завихрением. Таким путем, с одной стороны, подается необходимый для горения воздух; при этом не имеет места чрезмерное завихрение, которое отрицательным образом сказывалось бы на устойчивости пламени. В частности, может быть осуществлено распределение вторичного воздуха в зависимости от ориентирования отдельных элементов, направляющих воздух.
Согласно другому варианту выполнения предусмотрено, что язычки образованы в виде групп по существу с одинаковыми углами к поверхности теплозащитного щитка и/или к радиусу теплозащитного щитка. Благодаря коллективной ориентировке язычков создается определенное состояние потока в камере сгорания.
Изобретение усовершенствовано далее таким образом, что форсунка имеет зону выгорания и подводящийся к зоне выгорания вторичный воздух имеет более сильное завихрение, чем вторичный воздух, подводящийся к зоне пуска. В зоне выгорания желательно иметь более высокое завихрение. В частности, лежащая радиально внутри, имеющая завихрение область возвратного потока улучшает выгорание и обеспечивает хорошее использование объема камеры сгорания.
Далее предусмотрено, что теплозащитный щиток имеет отверстие для пропуска воспламеняющего элемента.
В особо предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения далее предусмотрено, что камера сгорания по существу симметрична относительно оси, в камере сгорания расположен отражательный диск, и отражательный диск имеет заданную выпуклость в осевом направлении. Благодаря выпуклости отражательного диска он сохраняет свою форму независимо от температуры. У плоских отражательных дисков, соответствующих уровню техники, подчас имеют место случаи, когда в зависимости от температуры могут происходить внезапные изменения формы, которые могут отрицательно сказываться на режиме горения форсунки.
Предпочтительно, что выпуклость предусмотрена в направлении зоны выгорания. За счет этого создается достаточное пространство в области пусковой камеры. Далее было обнаружено, что выпуклость в направлении зоны выгорания не влияет отрицательно на поведение воздушного потока в этой зоне. В частности, сохраняется выраженная имеющая завихрение область возвратного потока в лежащей радиально внутри области зоны выгорания.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения предусмотрено, что наружная окружность отражательного диска определяет плоскость, и отношение между максимальным осевым расстоянием отражательного диска от этой плоскости и диаметром отражательного диска лежит между 0,07 и 0,21.
Наиболее удаленная точка выпуклости отражательного диска лежит относительно радиальной координаты предпочтительно по существу в центре конструкции. От плоскости, которая определяется наружной окружностью отражательного диска, эта точка имеет осевое расстояние, которое определено указанным отношением к диаметру.
В этой связи особенно предпочтительным является то, что отношение между максимальным осевым расстоянием отражательного диска от плоскости и диаметром отражательного диска составляет около 0,14. Например, диаметр отражательного диска составляет около 40 мм, в то время как выпуклость составляет величину около 5,7 мм.
В основе изобретения лежат знания о том, что с помощью предложенного типа подачи топлива с иглой форсунки с уменьшенным выходным поперечным сечением, в частности, в комбинации с теплозащитным щитком предложенного типа и отражательным диском предложенного типа может быть существенно улучшен рабочий режим форсунки. Это касается, в частности, пусковых характеристик, устойчивости режима горения и возможностей в отношении положения установки форсунки в автомобиле.
Ниже изобретение поясняется с помощью ссылки на прилагаемые чертежи на примере предпочтительных вариантов выполнения, где
фиг.1 - разрез форсунки согласно изобретению;
фиг.2 - вид в перспективе фланца форсунки с установленным на нем теплозащитным щитком;
фиг.3 - вид в перспективе теплозащитного щитка.
В нижеследующем описании предпочтительных вариантов выполнения изобретения одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаковые или сравнимые составные части.
На фиг.1 показан разрез форсунки согласно изобретению. Форсунка 10 согласно изобретению имеет сопло 12, которое жестко соединено с теплозащитным щитком 24. Теплозащитный щиток 24 вместе с трубой 40 камеры сгорания, соединенной с теплозащитным щитком 24, определяет камеру 22 сгорания. Труба 40 камеры сгорания окружена наружной трубой 42, которая образует фланец форсунки. К этой наружной трубе 42 прикреплена жаровая труба 38. Соединения между теплозащитным щитком 24 и трубой 40 камеры сгорания соответственно между трубой 40 камеры сгорания, наружной трубой 42 и жаровой трубой 38 представляют собой, в общем, сварные соединения. На топливном сопле 12 расположен подвод 50 топлива, который имеет металлическую трубу 52 для подачи топлива, а также иглу 14 форсунки для вспрыскивания топлива в камеру 22 сгорания. Далее, в области 16 топливного сопла предусмотрены каналы для подвода в топливное сопло 12 первичного воздуха для горения, который проходит мимо топливной иглы 14, чтобы потом направиться по радиально расширяющемуся воздухопроводу топливного сопла 12 в направлении камеры сгорания и, наконец, в саму камеру 22 сгорания. С помощью радиального расширения воздухопровода благодаря эффекту Вентури достигается улучшенное распыление. Внутри камеры 22 сгорания, далее, расположен отражательный диск 36, который предпочтительно имеет выпуклость. Эта выпуклость в направлении зоны 32 выгорания препятствует внезапным изменениям формы отражательного диска 36, обусловленным жаром. Благодаря выпуклости отражательного диска 36 в направлении зоны 32 выгорания, кроме того, появляется достаточное пространство для размещения пусковой камеры 18. Стенка, определяющая пусковую камеру 18, приварена к отражательному диску 36.
На фиг.2 показан вид в перспективе фланца форсунки с установленным в нем теплозащитным щитком, и на фиг.3 показан вид в перспективе теплозащитного щитка. Далее также осуществляется ссылка на составные части форсунки согласно фиг.1. Теплозащитный щиток 24 имеет центральное отверстие 48, через которое воздушно-топливная смесь, направляемая соплом 12, поступает в камеру сгорания. Далее предусмотрено расположенное сбоку отверстие 34 для пропуска воспламеняющего элемента 20. На теплозащитном щитке 24, далее, предусмотрены крепежные штифты 44, 46, к которым крепится сопло 12. Далее, теплозащитный щиток 24 имеет множество отверстий 26, через которые в камеру 22 сгорания может поступать вторичный воздух. На стороне теплозащитного щитка 24, обращенной к камере 22 сгорания, предусмотрены имеющие треугольную форму элементы 28, 30, направляющие воздух. Благодаря различным углам к радиусу теплозащитного щитка 24 они обеспечивают распределение вторичного воздуха. Первая группа элементов, направляющих воздух, частично обозначенных позицией 28, направлена под большим углом к радиусу теплозащитного щитка 24, т.е. они имеют по существу или почти тангенциальную направленность. Благодаря такой направленности вторичный воздух, проходящий через соответствующие отверстия 26, направление выходных потоков через которые обозначено стрелкой, с более высоким завихрением мимо отражательного диска 36 переходит в зону выгорания 32. Этот воздух с высоким завихрением направляется в лежащую радиально снаружи область зоны 32 выгорания в задней области камеры 22 сгорания, т.е. в область камеры 22 сгорания, обращенную от теплозащитного щитка 24, и потом под значительным завихрением назад в центральную область в направлении отражательного диска 36. В результате этого происходит успешное перемешивание газообразных компонентов в зоне 32 выгорания. Другая группа элементов, направляющих воздух, имеет в своем направлении выхода незначительный угол к радиусу теплозащитного щитка 24. Эти элементы, направляющие воздух, частично обозначены позицией 30. Кроме того, эти элементы 30, направляющие воздух, имеют меньший угол к поверхности теплозащитного щитка 24, чем элементы 28, направляющие воздух. В результате прохода через элементы 30, направляющие воздух, направление выходного потока через которые показано другой стрелкой, вторичный воздух подается в центральную область пламени с незначительным завихрением, что, в частности, благоприятствует стабильным параметрам горения.
Таким образом, предлагается спрей-форсунка согласно изобретению, которая улучшена в отношении возможного расположения при установке, пусковых характеристик и поведения при продолжительной работе. Кроме того, снимается проблема в части обусловленных температурой изменений формы отражательного диска.
Представленные в приведенном выше описании, на чертежах, а также раскрытые в формуле изобретения признаки, как по отдельности, так и в любой комбинации существенны для осуществления изобретения.
Перечень позиций
10 - Форсунка
12 - Сопло форсунки
14 - Игла форсунки
16 - Область подачи воздуха для горения
18 - Зона пуска
20 - Воспламеняющий элемент
22 - Камера сгорания
24 - Теплозащитный щиток
26 - Отверстие
28 - Элемент, направляющий воздух
30 - Элемент, направляющий воздух
32 - Зона выгорания
34 - Отверстие
36 - Отражательный диск
38 - Жаровая труба
40 - Труба камеры сгорания
42 - Наружная труба
44 - Крепежный штифт
46 - Крепежный штифт
48 - Отверстие
50 - Подача топлива
52 - Металлическая труба