РАСПЫЛИТЕЛЬ ТОПЛИВНОЙ ФОРСУНКИ

Полезная модель относится к системам подачи топлива двигателей внутреннего сгорания.
Конструкция распылителей топливных форсунок должна обеспечивать выполнение разносторонних требований: функциональных, ресурсных и др.
В общем случае, распылитель топливной форсунки (далее - распылитель) 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. Помимо ударной нагрузки, фактором, негативно влияющим на ресурс распылителя, является кавитационный износ иглы вблизи запорной кромки.
Известно конструктивное решение, позволяющее повысить ресурсные показатели распылителей, которое заключается в создании на поверхности седла распылителя локальных зон, покрытых пленкой топлива (заявка DE 102017202958 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 102009029542 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 топливной форсунки, нижняя часть иглы которого имеет три последовательно расположенных друг за другом конуса с заданными углами раскрытий (пат. RU 2698586, опубл. 28.08.2019. Бюл. №25). По известному решению, третий, считая от колодца, конус сопрягается с цилиндрической поверхностью иглы.
2
По опыту заявителя, к недостаткам известного решения относится следующее: при использовании распылителей с такими иглами форсунках существует ограничение по давлению начала впрыскивания: при величине указанного давления свыше 330 кг/см заявителем неоднократно фиксировался кавитационный износ поверхности иглы распылителя по третьему, считая от колодца, конусу, вплоть до запорной кромки. В результате износа распылитель выходил из строя (терял герметичность в закрытом состоянии) в течение 1000 часов. Невозможность увеличения давления начала впрыска означала невозможность форсирования двигателей с целью получения большей мощности.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение недостатков прототипа - улучшение гидравлических условий течения топлива вблизи запорной кромки иглы распылителя для обеспечения работы на повышенном давлении начала впрыскивания.
Поставленная задача решается за счет того, что в распылителе топливной форсунки, включающем иглу и корпус с выполненными в корпусе, по крайней мере, одним сопловым отверстием для истечения топлива, центральным отверстием для установки иглы, седлом в виде усеченного конуса и колодцем, а нижняя часть иглы образована сопряжением последовательно расположенных конусов с заданными углами раскрытия, выполнен четвертый конус, считая от нижней точки иглы, угол раскрытия которого составляет 45°, а номинальный диаметр сопряжения с третьим конусом - ∅2,2 мм.
Конус с углом раскрытия 45° является демпфирующим и предназначен, во-первых, для снижения скорости посадки иглы на седло и, во-вторых, для более плавного увеличения проходного сечения при движении топлива в направлении к седлу и далее - к сопловым отверстиям. Замена резкого изменения сечения - характерное для прототипа - уменьшает риски возникновения кавитации и соответствующего износа иглы.
Новизной в предложенном распылителе топливной форсунки является: - наличие четвертого конуса в нижней части иглы распылителя, - сочетание величины угла раскрытия четвертого конуса на игле распылителя и диаметра его сопряжения с третьим конусом.
Указанные признаки являются новыми, существенными, неочевидными и промышленно выполнимыми и направлены на решение поставленной полезной моделью технической задачи.
Предлагаемый распылитель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано существующее состояние техники на примере известного решения, принятого в качестве прототипа, а на фиг. 2 показано предлагаемое решение. На чертежах обозначены: корпус 1 распылителя, игла 2 распылителя, сопловое отверстие 11, седло 12 корпуса распылителя, колодец 13, первый конус 21 иглы 2 распылителя, второй конус 22 иглы 2 распылителя, третий конус 23 иглы 2 распылителя, запорная кромка 24 иглы 2 распылителя, четвертый конус 25 иглы 2 распылителя, круговая линия сопряжения третьего и четвертого конусов 23 и 25, соответственно. Отсчет номеров конусов 21, 22, 23, 25 иглы распылителя принят от колодца 13.
Предлагаемый в качестве настоящей полезной модели распылитель топливной форсунки работает следующим образом.
В процессе впрыска игла 2 распылителя перемещается в корпусе 1 распылителя, удаляясь от седла 12. Топливо движется в кольцевом зазоре между иглой 2 распылителя и корпусом 1 распылителя в направлении колодца 13 и через сопловое отверстие 11 впрыскивается в камеру сгорания двигателя (на фиг. 1 условно не показана). При завершении впрыска игла 2 распылителя движется в направлении седла 12 корпуса распылителя до посадки запорной кромкой 24 на поверхность седла 12 корпуса распылителя. Первый конус 21 иглы 2 распылителя частично вытесняет топливо из колодца 13. Состояние распылителя, в котором запорная кромка иглы распылителя касается седла корпуса распылителя, называется закрытым.
Благодаря наличию четвертого конуса 25 иглы 2 распылителя, верхняя часть которого выходит за пределы седла 12 при всех положениях иглы 2 распылителя, создаются благоприятные условия для течения топлива в направлении к колодцу 13: отсутствуют зоны резкого изменения сечения, как это имеет место в известном решении, принятом в качестве прототипа. Это позволяет уменьшить вероятность возникновения кавитации и соответствующей эрозии поверхностей деталей. Кроме того, четвертый конус 25 иглы 2 распылителя выполняет роль гидравлического демпфера, его наличие уменьшает скорость посадки иглы 2 распылителя и, тем самым, повышает ресурс распылителя. Величина угла раскрытия четвертого конуса 25 и величина диаметра сопряжения четвертого конуса 25 с третьим конусом 23 определены заявителем путем испытания различных вариантов конструкций.
Пример осуществления полезной модели.
Заявителем проведены испытания распылителей топливных форсунок, выполненных по известному решению, принятому в качестве прототипа предлагаемого решения и по предлагаемому решению.
2
2
В обоих случаях минимальная наработка распылителей составила 1000 часов, однако в случае использования распылителей, выполненных по известному решению, принятому в качестве прототипа, давление начала впрыскивания составляло 330 кг/см, а в случае использования распылителей, выполненных по предлагаемому решению, давление начала впрыскивания удалось повысить до 470-500 кг/см при соответствующем приросте мощности двигателя. В соответствии с назначением двигателя, для которого были спроектированы предлагаемые распылители, экологические характеристики не нормируются. Приоритетным показателем работы является мощность. За счет использования предлагаемого технического решения ее удалось поднять до уровня, заданного заказчиком.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности повышения давления начала впрыскивания без ухудшения ресурсных показателей распылителя
Предлагаемая конструкция распылителя топливной форсунки прошла испытания и внедрена в серийное производство.