Распылительная шайба и клапан с такой шайбой - RU2180407C2

Чертежи

Показать все 17 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к распылительной шайбе согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения, а также к клапану, в котором используется такая шайба согласно ограничительной части п.24 формулы изобретения.

Из патента US 4828184 уже известны распылители, изготовленные в виде распылительных шайб с отверстиями, так называемых шайб S-типа. В данном случае имеется в виду, что в таких шайбах впускные и выпускные отверстия смещены относительно друг друга, вследствие чего в потоке жидкости, проходящем через шайбу, неизбежно возникает эффект S-образного удара. Предложенные шайбы с отверстиями составлены из двух плоских кремниевых пластинок, соединенных методом термокомпрессии, причем в верхней, первой кремниевой пластинке предусмотрено несколько впускных отверстий, а в нижней, второй кремниевой пластинке, жестко соединенной с первой, имеется только одно выпускное отверстие. На кремниевых пластинках сформированы зоны уменьшенной толщины, благодаря которым параллельно торцам пластинок между отверстиями первой пластинки и одним отверстием второй пластинки образуются зазоры, в которых на поток действуют напряжения сдвига. Используя известный метод маскирования, на кремниевых пластинах, на которых размещено множество распылительных шайб, травлением получают впускные и выпускные отверстия. Контуры отверстий шайбы, имеющие вид усеченных пирамид, формируются соответственно путем анизотропного травления.

Из патента US 5383597 также известна распылительная шайба, выполненная в виде шайбы S-типа и изготовленная предпочтительно из кремния. Независимо от применяемого материала и способа изготовления распылительная шайба состоит из двух жестко соединенных друг с другом пластинок, которые непосредственно прилегают одна к другой и через которые поток жидкости проходит последовательно. В верхней, первой пластинке предусмотрено несколько впускных отверстий, которые на ее расположенном ниже по ходу потока торце оканчиваются в выемках, образующих участки проточного канала. В нижней, второй пластинке предусмотрено несколько выпускных отверстий, которые отходят от участков проточного канала, образованных углублениями на ее расположенном выше по ходу потока торце. В сборе обе пластинки распылительной шайбы наложены друг на друга таким образом, что соответствующие участки каналов обеих пластинок вместе образуют каналы, соответственно полости, по которым между впускными и выпускными отверстиями проходит поток. В результате травления, которому подвергают кремниевые пластинки при их обработке, впускные и выпускные отверстия всегда имеют форму усеченных пирамид. Стенки каналов также имеют некоторый наклон, который определяется кристаллической решеткой кремния, подвергаемого травлению.

Еще одна распылительная шайба, которая наиболее пригодна для применения в клапанных форсунках для впрыскивания топлива и которая состоит из двух плотно прилегающих друг к другу и жестко соединенных между собой пластинок, известна из патента US 5449114. Распылительные шайбы, изготовленные из кремния или из нескольких разных металлов, имеют при этом такую конструкцию, что в верхней, первой пластинке имеется одно единственное впускное отверстие, которое оканчивается в служащей проточным каналом полости на расположенном ниже по ходу потока торце этой пластинки. В нижней, второй пластинке предусмотрено четыре выпускных отверстия, расположенных с некоторым смещением относительно верхнего впускного отверстия. Смещением нижних выпускных отверстий относительно впускного отверстия обусловлено то, что в потоке проходящей через шайбу жидкости, в частности топлива, возникает эффект S-образного удара.

Всем указанным выше кремниевым распылительным шайбам присущ тот недостаток, что они в известной степени не обладают достаточной прочностью на излом, обусловленной хрупкостью кремния. Именно при длительных нагрузках, например, на клапанные форсунки (вследствие вибрации двигателя) возникает опасность разрушения кремниевых пластинок. Монтаж кремниевых пластинок на металлических деталях, например, в клапанных форсунках связан с большими затратами, поскольку проблему крепления необходимо решать особым образом с целью избежать возникновения внутренних напряжений, а также проблематичной является герметизация клапана форсунки. Так, например, приваривание кремниевых распылительных шайб в клапанных форсунках исключается. Кроме того, недостатком является износ кромок отверстий, выполненных в кремниевых распылительных шайбах, в результате многократного прохождения жидкости.

Далее, из патента DE-PS 483615 уже известна форсунка, предназначенная для использования в оборудованных системой впрыскивания топлива двигателях внутреннего сгорания и также состоящая из двух распылительных пластинок, в которых имеются смещенные относительно друг друга впускные и выпускные отверстия, что способствует более эффективному дроблению на капли, т.е. диспергированию, протекающего через них топлива. Обе металлические распылительные пластинки изготавливают, соответственно обрабатывают по традиционной технологии (рельефной формовкой, прессованием, прокаткой, точением, сверлением, фрезерованием, шлифованием и т.д.).

Общим при этом для всех известных распылительных шайб является то, что после изготовления и обработки нескольких отдельных распылительных пластинок их необходимо соединить в цельную деталь, используя для этого различные методы. Кремниевые пластинки, например, соединяют методом термокомпрессии, а металлические пластинки соединяют сваркой или пайкой. В дополнение к процессам собственно соединения пластинок необходимо, кроме того, выполнять и другие технологические операции, как, например, центрирование отдельных пластинок относительно друг друга. Еще один недостаток состоит в том, что подобные трудоемкие и дорогостоящие технологические операции могут привести также к деформации пластинок.

Преимущество предлагаемой согласно изобретению распылительной шайбы с отличительными признаками п.1 формулы изобретения заключается в том, что она проста в изготовлении и имеет компактное исполнение и что с ее помощью достигается равномерное тонкодисперсное распыление текучей среды без применения дополнительной энергии, т.е. только под действием собственного давления среды, при этом обеспечивается особенно высокое качество распыления, а струя имеет форму, соответствующую предъявляемым требованиям. В результате при применении такой распылительной шайбы в клапане, в частности в клапанной форсунке двигателя внутреннего сгорания, согласно п.24 формулы изобретения помимо прочего удается снизить выброс отработавших газов двигателем и уменьшить также расход топлива.

Особенно предпочтительно выполнять распылительную шайбу таким образом, чтобы она не оказывала дросселирующего воздействия на поток. С этой целью поверхности, ориентированные поперечно пути движения потока через распылительную шайбу, должны иметь определенные площади, соответственно между ними должно соблюдаться определенное соотношение. С целью избежать на входе распылительной шайбы потери давления (потери импульса) и сохранить в потоке высокую энергию распыления площадь входного поперечного сечения во внутреннем канале распылительной шайбы предпочтительно должна быть больше площади выходного поперечного сечения. В то время как площадь входного поперечного сечения представляет собой произведение суммы длин периметров всех впускных отверстий на высоту канала, измеряемую перпендикулярно поперечному сечению всех впускных отверстий, площадь выходного поперечного сечения является произведением суммы длин периметров всех выпускных отверстий на эту же высоту канала. Благодаря выполненному с такими соотношениями проходу для движения текучей среды в распылительной шайбе достигается высокое давление, соответственно импульс потока, обеспечивая наиболее эффективное распыление. Кроме того, предпочтительно также, чтобы сумма площадей поперечного сечения всех впускных отверстий была больше описанной выше площади входного поперечного сечения внутреннего канала. Следовательно, в имеющей очень малые размеры и тем не менее не оказывающей дросселирующего действия на поток распылительной шайбе для достижения оптимального распыления площадь поперечного сечения впускного отверстия должна быть больше площади входного поперечного сечения канала, которая в свою очередь должна быть больше площади выходного поперечного сечения канала.

Далее, особое преимущество состоит также в том, что распылительные шайбы, изготовленные методом гальванического осаждения металла, выполнены цельными, поскольку отдельные функциональные плоскости формируются одна на другой в ходе последовательного проведения технологических операций осаждения. По окончании процесса осаждения металла получают цельную распылительную шайбу, т.е. отпадает необходимость в проведении трудоемких и дорогостоящих технологических операций по соединению отдельных распылительных пластинок. Кроме того, в процессе изготовления не приходится сталкиваться с такими проблемами, которые в случае составных шайб связаны с центрированием, соответственно позиционированием отдельных пластинок относительно друг друга.

Предпочтительные варианты выполнения указанной в п.1 распылительной шайбы представлены в зависимых пунктах.

Преимущество технологии гальванического осаждения металла состоит в том, что она при оптимальных затратах обеспечивает одновременное изготовление очень больших партий распылительных шайб с очень высокой точностью. Кроме того, указанная технология предоставляет большую свободу выбора конструктивных форм распылительных шайб, поскольку отверстиям в шайбе можно придать произвольную конфигурацию. Такая гибкость формообразования особенно предпочтительна прежде всего в сравнении с кремниевыми шайбами, у которых контуры отверстий (усеченные пирамиды) задаются строго осями кристаллов. Далее, преимущество осаждения металла прежде всего по сравнению с технологией изготовления кремниевых шайб заключается в возможности использования самых разнообразных материалов. При изготовлении предлагаемой распылительной шайбы могут найти применение самые разнообразные металлы, имеющие различные магнитные свойства и твердость.

Наиболее предпочтительной является возможность изготовления предлагаемых распылительных шайб в виде шайб S-типа, что позволяет получать струи самых разнообразных форм. При этом в шайбах S-типа оптимальным является размещение впускных и выпускных отверстий с некоторым смещением относительно друг друга. Под смещением в данном случае следует понимать расстояние между кромками впускных отверстий и кромками сообщающихся с ними выпускных отверстий, при этом впускные и выпускные отверстия не перекрываются. Однако в некоторых случаях предпочтительным может оказаться также отсутствие указанного выше смещения, соответственно наличие очень незначительного перекрытия, величину которого в этом случае следует выбирать настолько малой, чтобы все еще сохранить действие на поток эффекта S-образного удара. Все такие распылительные шайбы S-типа обеспечивают распыление одной, двумя и несколькими струями, которые в поперечном сечении могут иметь самые разнообразные формы, например прямоугольную, треугольную, крестовую, эллиптическую. Струи с такими необычными формами обеспечивают высокую гибкость касательно точного и оптимального согласования с заданной геометрической конфигурацией отверстий, например с разнообразными поперечными сечениями впускных труб двигателей внутреннего сгорания. Достигаемые в результате этого преимущества состоят в возможности предварительного подбора формы струи в соответствии с имеющимся сечением, что обеспечивает подачу гомогенно диспергированной рабочей смеси с одновременным снижением выброса отработавших газов и исключает образование токсичных пленочных отложений отработавших газов на стенках впускных труб. В целом наиболее важным преимуществом предлагаемых согласно изобретению распылительных шайб следует считать возможность простого получения струй разнообразных форм. Так, например, особенно легко можно получить струи плоской или конической формы, состоящие из нескольких одиночных струй и асимметричной формы (направленные в одну сторону).

Для сохранения в потоке высокой энергии распыления впускные отверстия выполняют меандрообразной формы, в форме силуэта летучей мыши, крестовой формы, в форме зубчатого колеса, в форме двутавра, серповидной формы, Т-образной формы, в форме кругового сегмента или какой-либо иной формы с большими длинами периметров. Большие периметры впускных отверстий означают относительно большие площади входных поперечных сечений, что является особенно целесообразным. В предпочтительном варианте площадь поперечного сечения впускных отверстий больше или равна площади поперечного сечения выпускных отверстий.

Преимущество технологии многослойной гальванотехники состоит также в возможности изготовления в шайбе поднутрений с небольшими затратами и с очень высокой точностью.

Другие преимущества изобретения указаны в приведенном ниже описании примеров его выполнения.

Изобретение более подробно поясняется на примерах его выполнения со ссылкой на чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - часть клапанной форсунки с первым вариантом выполнения предлагаемой согласно изобретению распылительной шайбы,
на фиг. 2 - горизонтальная проекция второго варианта выполнения распылительной шайбы,
на фиг. 2а-2в - отдельные функциональные плоскости распылительной шайбы согласно фиг.2,
на фиг.3 - сечение распылительной шайбы плоскостью III-III по фиг.2,
на фиг. 4 - горизонтальная проекция третьего варианта выполнения распылительной шайбы,
на фиг. 4а - форма плоской струи, полученная с помощью распылительной шайбы по фиг.4,
на фиг. 4б - форма струи из двух одиночных струй, полученная с помощью распылительной шайбы по фиг. 4,
на фиг.5 - горизонтальная проекция четвертого варианта выполнения распылительной шайбы,
на фиг. 6 - горизонтальная проекция пятого варианта выполнения распылительной шайбы,
на фиг.7 - горизонтальная проекция шестого варианта выполнения распылительной шайбы,
на фиг.8 - горизонтальная проекция седьмого варианта выполнения распылительной шайбы,
на фиг.9 - сечение распылительной шайбы плоскостью IX-IX по фиг.8,
на фиг.10 - горизонтальная проекция восьмого варианта выполнения распылительной шайбы,
на фиг.11 - горизонтальная проекция девятого варианта выполнения распылительной шайбы,
на фиг.11а-11в - отдельные функциональные плоскости распылительной шайбы по фиг.11,
на фиг.11г - форма струи в виде усеченного конуса, полученная с помощью распылительной шайбы по фиг.11,
на фиг.12 - горизонтальная проекция десятого варианта выполнения распылительной шайбы,
на фиг. 13 - горизонтальная проекция одиннадцатого варианта выполнения распылительной шайбы,
на фиг.13а-13в - отдельные функциональные плоскости распылительной шайбы по фиг.13,
на фиг. 14 - горизонтальная проекция двенадцатого варианта выполнения распылительной шайбы,
на фиг.14а-14в - отдельные функциональные плоскости распылительной шайбы по фиг.14,
на фиг.14г - форма направленной в одну сторону асимметричной струи, полученная с помощью распылительной шайбы по фиг.14,
на фиг. 15 - горизонтальная проекция тринадцатого варианта выполнения распылительной шайбы,
на фиг.16 - упрощенный разрез распылительной шайбы,
на фиг.17 - продольный разрез распылительной шайбы, поясняющий смещение, соответственно наложение кромок впускных и выпускных отверстий, и
на фиг.18 - график изменения поперечного сечения потока в зависимости от траектории его течения внутри предлагаемой согласно изобретению распылительной шайбы, причем приведенные в качестве примера значения относятся к распылительной шайбе по фиг.4.

На фиг. 1 в качестве примера изображена часть клапана, выполненного по типу клапанной форсунки для систем впрыскивания топлива двигателей внутреннего сгорания со сжатием рабочей смеси и принудительным зажиганием. Клапанная форсунка имеет трубчатый несущий элемент 1, который служит опорой для седла клапана и в котором концентрично продольной оси 2 форсунки выполнено продольное отверстие 3. В продольном отверстии 3 расположена, например, трубчатая игла 5 клапана, нижний конец 6 которой по ходу потока жестко соединен с, например, сферическим запорным элементом 7 клапана, на периферии которого предусмотрено, например, пять лысок 8, обеспечивающих протекание топлива.

Клапанная форсунка имеет выполненный известным образом привод, например, электромагнитный. Для осевого перемещения иглы 5 и тем самым для открытия клапанной форсунки против действия не показанной возвратной пружины, соответственно для ее закрытия служит схематично изображенная электромагнитная цепь, состоящая из катушки 10 обмотки возбуждения, якоря 11 и сердечника 12. Якорь 11 соединен с иглой 5 на ее противоположном запорному элементу 7 конце, например, сварным швом, выполненным с помощью лазера, и установлен на одной оси с сердечником 12.

Направляющей запорного элемента 7 при его осевом перемещении служит направляющее отверстие 15 в образующем седло клапана элементе 16 (далее седельный элемент 16), который вставлен с нижнего по ходу потока и противоположного от сердечника 12 конца несущего элемента 1 в продольное отверстие 3, концентричное продольной оси 2 клапана, и герметично закреплен в нем сваркой. С нижним, противоположным от запорного элемента 7 торцем 17 седельного элемента 16 концентрично и жестко соединен выполненный, например, чашечной формы держатель 21 распылительной шайбы, который тем самым по меньшей мере своей наружной кольцевой поверхностью 22 непосредственно прилегает к седельному элементу 16. Держатель 21 при этом имеет форму, которая аналогична уже известным чашечным распылительным шайбам с распылительными отверстиями, причем в средней части держателя 21 предусмотрено проходное отверстие 20, которое не выполняет функций дозирования.

Выполненная согласно настоящему изобретению распылительная шайба 23 расположена перед проходным отверстием 20, полностью перекрывая его. Распылительная шайба 23 представляет собой лишь промежуточную деталь, вставляемую в держатель 21. Держатель 21 имеет донную часть 24 и крепежный буртик 26. Этот буртик 26 в осевом направлении обращен в противоположную от седельного элемента 16 сторону и конически отогнут наружу вплоть до своего конца. Донная часть 24 образована наружной кольцевой поверхностью 22 и центральным проходным отверстием 20.

Седельный элемент 16 герметично соединен с держателем 21, например, первым круговым сварным швом 25, полученным с помощью лазера. Такой тип сборки позволяет исключить опасность нежелательной деформации держателя 21 в его средней части с проходным отверстием 20 и распылительной шайбой 23, расположенной в этом месте выше по ходу потока. Держатель 21 распылительной шайбы в зоне крепежного буртика 26, кроме того, герметично соединен со стенкой продольного отверстия 3 в несущем элементе 1, например, вторым круговым сварным швом 30.

Распылительная шайба 23, зажимаемая в зоне проходного отверстия 20 внутри кругового сварного шва 25 между держателем 21 и седельным элементом 16, выполнена, например, ступенчатой. Шайба своей верхней частью 33, имеющей меньший по сравнению с основной частью 32 диаметр, при этом точно входит в цилиндрическое выпускное отверстие 31 в седельном элементе 16, расположенное по ходу потока за опорной поверхностью 29 седла. На этом участке для соединения части 33 распылительной шайбы с выпускным отверстием 31 можно использовать также прессовую посадку 2-го класса точности. Основная часть 32 распылительной шайбы 23, которая зажимается на участке, выступающем в радиальном направлении за пределы части 33, прилегает к нижнему торцу 17 седельного элемента 16, благодаря чему в этом месте донная часть 24 держателя 21 незначительно отстоит от торца 17. В то время как в верхней части 33 распылительной шайбы 23 имеются, например, две функциональные плоскости, а именно средняя и верхняя, основная часть 32 образована только одной нижней функциональной плоскостью. Отверстия в каждой из функциональных плоскостей должны иметь соответственно по всей осевой длине практически постоянную конфигурацию.

Глубина, на которую седельный узел, состоящий из седельного элемента 16, чашечного держателя 21 и распылительной шайбы 23, утоплен в продольное отверстие 3, определяет величину хода иглы 5 клапана, поскольку одно из конечных положений иглы 5 при невозбужденной катушке 10 задается упором запорного элемента 7 в опорную поверхность 29 седла в седельном элементе 16. Другое конечное положение иглы 5 при возбужденной катушке 10 определяется, например, упором якоря 11 в сердечник 12. Расстоянием между этими обоими конечными положениями иглы 5 определяется, таким образом, величина ее хода. Сферический запорный элемент 7 взаимодействует с сужающейся в направлении течения топлива в виде усеченного конуса опорной поверхностью 29 седельного элемента 16, выполненной в осевом направлении между направляющим отверстием 15 и нижним выпускным отверстием 31 седельного элемента 16.

Распылительная шайба 23, расположенная в выпускном отверстии 31 седельного элемента 16 и удерживаемая также держателем 21 непосредственно прижатой к торцу 17 седельного элемента 16, показана на фиг.1 лишь в упрощенном виде в качестве примера и более подробно поясняется ниже со ссылкой на последующие чертежи. Использование распылительной шайбы 23 с ее зажимом с помощью держателя 21 в качестве метода крепления представляет собой лишь один из вариантов размещения распылительной шайбы 23 за опорной поверхностью 29 седла. Преимущество такого зажима, представляющего собой косвенный способ крепления распылительной шайбы 23 к седельному элементу 16, состоит в том, что исключаются обусловленные нагревом деформации, которые при определенных условиях могут возникать при непосредственном креплении распылительной шайбы 23 одним из таких методов, как сварка или пайка. Использование держателя 21 не является, однако, исключительным условием крепления распылительной шайбы 23. Поскольку конкретный метод крепления не имеет существенного значения для настоящего изобретения, следует лишь упомянуть общепринятые, известные возможные методы соединения, такие как, например, сварка, пайка или склеивание.

Распылительные шайбы 23, показанные на фиг.2-15, можно разделить на несколько металлических функциональных плоскостей, полученных гальваническим осаждением (многослойная гальванотехника). Благодаря изготовлению распылительных шайб методами фотолитографии, гальванотехники они касательно придания им требуемого профиля обладают особыми отличиями, некоторые из которых в обобщенном виде кратко указаны ниже:
- функциональные плоскости имеют постоянную толщину по всей поверхности шайбы,
- в результате формообразования методом фотолитографии вырезы в функциональных плоскостях, каждый из которых образует проточные полости, проходят практически вертикально (технологически обусловленное отклонение вертикальных стенок от перпендикулярности может составлять около 3^o от оптимального значения),
- требуемые поднутрения и перекрытия вырезов образуются благодаря многослойной структуре металлических слоев, спрофилированных по отдельности,
- вырезы в поперечном сечении могут иметь любую произвольную форму с осепараллельными стенками,
- распылительная шайба имеет цельное, монолитное исполнение, поскольку отдельные операции осаждения металла осуществляются непосредственно одна за другой.

В связи с использованием терминов "покрытие" и "функциональная плоскость" следует дать краткое определение этих понятий. Функциональная плоскость распылительной шайбы 23 представляет собой слой, форма или контур которого по всей его осевой длине, включая взаимное расположение всех отверстий и геометрию каждого отдельного отверстия, остается практически постоянной. В отличие от этого под термином "покрытие" понимается слой металла, сформированный на распылительной шайбе 23 за один цикл осаждения. Покрытие может иметь, однако, несколько функциональных плоскостей, которые могут быть получены, например, методом так называемого бокового наращивания. В этом случае за один цикл нанесения гальванических покрытий образуется несколько функциональных плоскостей (например, средняя и верхняя плоскости распылительной шайбы 23, имеющей в целом три функциональные плоскости), которые представляют собой сплошное покрытие. Однако в каждой функциональной плоскости, как уже упоминалось выше, отверстия (впускные и выпускные отверстия, каналы) имеют различные контуры, отличающиеся от контуров отверстий смежной функциональной плоскости. Отдельные слои покрытия получают на распылительной шайбе 23 последовательным гальваническим осаждением, при этом каждый последующий слой покрытия благодаря гальванической адгезии прочно связывается с нижележащим слоем покрытия, а все слои покрытия вместе образуют затем цельную распылительную шайбу 23. Таким образом, отдельные функциональные плоскости, соответственно слои покрытия распылительной шайбы 23 нельзя сравнивать с изготавливаемыми по отдельности распылительными пластинками, из которых состоят распылительные шайбы, известные из уровня техники.

В приведенном ниже описании со ссылкой на фиг.1-16 лишь кратко поясняется способ изготовления распылительных шайб 23. Все технологические операции процесса гальванического осаждения металлов при изготовлении распылительной шайбы уже описаны подробно в заявке DE P19607288.3. С учетом высоких требований, предъявляемых к назначению размеров профильных элементов распылителей, соответственно форсунок, а также к точности их изготовления, в настоящее время все большее значение приобретают методы формирования микроструктур при их крупносерийном производстве. В целом при протекании потока текучей среды, например топлива, через распылитель, соответственно распылительную шайбу необходима такая траектория движения, которая способствует поддержанию турбулентности, уже возникшей в потоке. Характерной особенностью метода, заключающегося в последовательном осуществлении стадий фотолитографии (фотолитографии с использованием источника дальнего УФ-излучения) с последующим гальваническим нанесением микропокрытий, является обеспечение высокой точности структур даже на большой площади поверхности, что является идеальным для изготовления изделий очень большими партиями при массовом производстве. На одной пластине можно одновременно изготавливать множество распылительных шайб 23.

Исходным материалом, необходимым для осуществления способа изготовления распылительных шайб, является плоская и стабильная пластина-подложка, которая может быть выполнена, например, из металла (титана, меди), кремния, стекла или керамики. Сначала на подложку необязательно можно нанести по меньшей мере одно вспомогательное гальваническое покрытие. При этом речь идет, например, о первоначальном гальваническом покрытии (например, Сu), которое необходимо для обеспечения электропроводности при последующем нанесении гальванических микропокрытий. Первоначальное гальваническое покрытие может быть использовано в качестве расходного покрытия, обеспечивающего в последующем простое разделение общей структуры на отдельные распылительные шайбы путем травления. Вспомогательное покрытие (обычно CrCu или CrCuCr) наносят, например, по технологии ионного напыления или выделением металла химическим способом (без применения электрического тока). После такой предварительной обработки пластины-подложки на вспомогательное покрытие по всей поверхности наносят слой фоторезиста (фотолака).

Толщина фоторезиста должна соответствовать при этом толщине слоя металлического покрытия, наносимого в процессе последующего гальванического осаждения, т. е. толщине слоя нижнего покрытия, соответственно толщине функциональной плоскости распылительной шайбы 23. Рисунок изготавливаемой металлической структуры с помощью фотолитографической маски должен быть инверсно перенесен на фоторезист. Один из возможных вариантов такого переноса заключается в непосредственном экспонировании фоторезиста УФ-излучением через маску (фотолитография с использованием источника дальнего УФ-излучения).

На образовавшийся на фоторезисте негативный рисунок структуры будущей функциональной плоскости распылительной шайбы 23 гальванически (осаждением) наносят металл (например, Ni или NiCo). Металл, наносимый гальваническим методом, осаждается по всему контуру негативного рисунка структуры, точно воспроизводя собой заданные контуры. Для получения распылительной шайбы 23 заданной структуры технологические циклы, начиная с необязательного нанесения вспомогательного покрытия, следует повторять в соответствии с количеством требуемых слоев покрытия, причем, например, две функциональные плоскости формируются за один цикл гальванического осаждения (наращивание в боковом направлении). В покрытиях распылительной шайбы 23 могут использоваться также различные металлы, осаждение каждого из которых, однако, осуществляется только в ходе нового цикла нанесения гальванического покрытия. В завершение осуществляют разделение распылительных шайб 23. С этой целью травлением удаляют расходный слой, в результате чего распылительные шайбы 23 отделяются от пластины-подложки. Затем травлением удаляют первоначальные гальванические покрытия, а остатки фоторезиста удаляют из металлических структур растворением.

На фиг. 2 показана горизонтальная проекция предпочтительного примера выполнения распылительной шайбы 23. Шайба 23 выполнена в виде плоской, круглой детали с несколькими, например тремя, функциональными плоскостями, последовательно расположенными в осевом направлении. Структура распылительной шайбы 23 с тремя функциональными плоскостями наиболее наглядно показана на фиг.3, на которой представлено сечение плоскостью III-III по фиг.2, при этом наружный диаметр сформированной первой нижней функциональной плоскости 35, соответствующей покрытию, осажденному первым, или основной части 32 распылительной шайбы 23 больше диаметра обеих, сформованных в последующем функциональных плоскостей 36 и 37, которые вместе образуют верхнюю часть 33 шайбы и получены, например, за один цикл нанесения гальванического покрытия. Верхняя функциональная плоскость 37 имеет впускное отверстие 40, периметр которого имеет максимальную длину, а его контур напоминает силуэт стилизованной летучей мыши (или аналогичен сдвоенной букве Н). Впускное отверстие 40 имеет такое поперечное сечение, которое можно описать как прямоугольник с частично закругленными углами, с двумя парами прямоугольных шеек 45, каждая из которых расположена напротив другой, и тем самым с тремя впускными участками 46, обращенными в противоположную сторону за шейки 45. Три впускных участка 46, если продолжить аналогию с контуром летучей мыши, представляют собой ее тело/остов и два крыла (соответственно поперечные палочки сдвоенной буквы Н, которые расположены перпендикулярно продольным палочкам). На нижней функциональной плоскости 35 предусмотрены четыре прямоугольных выпускных отверстия 42, каждое из которых расположено, например, на одинаковом расстоянии от продольной оси 2 и тем самым от центральной оси распылительной шайбы 23, а также симметрично, например, вокруг этой оси.

Прямоугольные/квадратные выпускные отверстия 42 в проекции всех функциональных плоскостей 35, 36 и 37 на одну плоскость (фиг.2) частично или большей частью перекрываются шейками 45 верхней функциональной плоскости 37, поскольку шейки 45 представляют собой, таким образом, также три стороны одного прямоугольника. Выпускные отверстия 42 размещены с некоторым смещением относительно впускного отверстия 40, т.е. в проекции на общую плоскость впускное отверстие 40 ни в одной точке не перекрывает выпускные отверстия 42. Однако величина смещения при этом может быть различной в разных направлениях. Как показано на фиг.2, величина смещения выпускных отверстий 42, например, вбок относительно впускных участков 46 впускного отверстия 40 меньше величины смещения выпускных отверстий 42 в сторону суженных участков впускного отверстия 40.

На средней функциональной плоскости 36 выполнен канал 41, который обеспечивает протекание текучей среды в направлении от впускного отверстия 40 к выпускным отверстиям 42 и который по существу представляет собой полость. Канал 41, контур которого имеет форму прямоугольника с закругленными углами, выполнен такого размера, что в проекции на общую плоскость он полностью перекрывает впускное отверстие 40 и прежде всего в зоне шеек 45 явно выходит за его пределы, т.е. расстояние от центральной оси распылительной шайбы 23 до его края больше, чем до шеек 45. Четыре выпускных отверстия 42 с противоположной от шеек 45 стороны снова выходят, например, частично за наружный контур канала 41, что наиболее наглядно видно на фиг.3. Эти выпускные отверстия 42, выходящие за пределы канала 41, позволяют осуществлять распыление жидкости с большим углом распыла. Подобные поднутрения можно легко получить по технологии многослойной гальванотехники. Представленные на фиг.3 идеально вертикальные стенки всех отверстий 40, 41 и 42 могут иметь технологически обусловленное отклонение от перпендикулярности, составляющее не более 3-4^o, вследствие чего все отверстия 40, 41 и 42 при определенных условиях могут несколько сужаться в направлении течения с отклонением их стенок от вертикали на угол, предельные значения которого указаны выше.

На фиг. 2а, 2б и 2в функциональные плоскости 37, 36 и 35 еще раз изображены по отдельности, что позволяет наглядно показать точную конфигурацию отверстий каждой функциональной плоскости 37, 36 и 35. Каждый отдельный чертеж представляет собой, таким образом, упрощенный горизонтальный разрез вдоль каждой из функциональных плоскостей 37, 36 и 35. Для более наглядного изображения контуров отверстий каждой функциональной плоскости 37, 36 и 35 другие функциональные плоскости не заштрихованы, а их границы не обозначены. Однако следует еще раз подчеркнуть, что три функциональные плоскости 37, 36 и 35 вместе образуют цельную распылительную шайбу 23.

При диаметре распылительной шайбы 23 примерно 2-2,5 мм ее толщина составляет, например, 0, 3 мм, причем толщина каждой функциональной плоскости 35, 36 и 37 равна 0,1 мм. Именно средние функциональные плоскости 36, у которых каналы 41 выполнены в виде полостей, прежде всего можно изготавливать переменной толщины в различных вариантах выполнения, что позволяет таким образом очень просто изменять параметры потока, регулируя соотношение между величиной смещения v впускных отверстий 40 относительно выпускных отверстий 42 и высотой h полости 41 (см. фиг.16). Следовательно, площади поверхностей, расположенных вертикально в канале 41, выбираются в зависимости от высоты h этого канала 41 в соответствии с требуемой формой кривой (фиг.18). Указанные цифровые значения размеров распылительной шайбы 23, а также все другие величины, указанные в описании, служат только для лучшего понимания изобретения и не ограничивают его объем. Относительные отклонения размеров отдельных структур распылительной шайбы 23 на всех чертежах также даны без соблюдения масштаба.

При наличии уже упомянутого выше смещения v выпускных отверстий 42 относительно по меньшей мере одного впускного отверстия 40 поток текучей среды, например топлива, обеспечивает S-образный характер, вследствие чего такие распылительные шайбы 23 представляют собой шайбы S-типа. Благодаря проходящему в радиальном направлении каналу 41 в потоке текучей среды возникает радиальная составляющая скорости, которую поток не теряет полностью в коротком осевом выпускном проходе. Более того, он выходит из распылительной шайбы 23, отрываясь на обращенных к впускному отверстию 40 стенках выпускных отверстий 42 под некоторым углом к продольной оси 2. Сочетание нескольких, например, асимметрично направленных друг относительно друга одиночных струй, что можно обеспечить путем соответствующего расположения и ориентирования впускных отверстий 40, выпускных отверстий 42 и каналов 41, позволяет получить в результате суммарную струю индивидуальной сложной формы с различным распределением по расходу.

В результате так называемого гидравлического S-образного удара внутри распылительной шайбы 23, обусловленного несколькими резкими отклонениями направления потока, последний приобретает ярко выраженный турбулентный характер, способствующий распылению. В результате этого градиент скорости наиболее ярко проявляется по поперечному сечению потока. Градиент отражает перепад скоростей в поперечном сечении потока, при этом в середине потока скорость существенно выше, чем вблизи стенок. Повышенные напряжения сдвига в жидкости, обусловленные различиями в скоростях, способствуют распаду жидкости на мелкие капли вблизи выпускных отверстий 42. Поскольку на выходе имеет место частичный отрыв потока, из-за отсутствия ориентирующих поверхностей не происходит его успокоения. Наиболее высокую скорость жидкость имеет на стороне отрыва потока, тогда как ее скорость со стороны выпускного отверстия 42 падает благодаря контактированию с натекающим потоком. Таким образом, на выходе турбулентный характер потока, способствующий распылению жидкости, и напряжения сдвига сохраняются.

В результате гидравлического S-образного удара, соответственно отрыва потока на выходе в жидкости возникает мелкомасштабная (повторяющаяся с высокой частотой) турбулентность с поперечными колебаниями, которая непосредственно после выхода струи, соответственно струй из распылительной шайбы 23 приводит к ее, соответственно их распаду на мелкие капли. Чем больше напряжения сдвига, вызванные турбулентностью, тем больше разброс векторов потока.

В других примерах выполнения, представленных на последующих чертежах, те же, что и в примере по фиг.2 и 3, соответственно выполняющие ту же функцию элементы обозначены одинаковыми позициями. Показанная на фиг. 4 распылительная шайба 23 отличается от шайбы 23 по фиг.2 только лишь тем, что канал 41 в данном случае выполнен такого размера, что в проекции на плоскость он перекрывает целиком все выпускные отверстия 42. Таким образом, поток жидкости благодаря вынесенной за пределы выпускных отверстий 42 стенке канала может поступать к этим отверстиям 42 по всему периметру каждого из них, в том числе со стороны наиболее удаленных от впускного отверстия 40 кромок выпускных отверстий 42.

На фиг.4а и 4б показаны две возможные формы струи, получаемые с помощью распылительной шайбы по фиг.4. Выпускные отверстия 42, перекрывающиеся шейками 45 на большой площади, позволяют сформировать плоскую струю (фиг.4а), тогда как в результате увеличения смещения выпускных отверстий 42 относительно впускного отверстия 40 и тем самым их выноса практически за пределы шеек 45 струя имеет такую форму, которая образована двумя одиночными струями (фиг. 4б), вследствие чего такая распылительная шайба 23 наиболее пригодна для применения в так называемых двухструйных форсунках. Форму струи можно также изменять, например, за счет асимметричного размещения выпускных отверстий 42 относительно шеек 45. Позицией 44 обозначены распыляемые струи, имеющие упомянутую выше форму. Струи с показанными на фиг.4а и 4б формами, соответственно их модификации могут быть получены с помощью всех распылительных шайб 23, представленных на фиг.2-9.

На фиг. 5, 6 и 7 приведены различные примеры выполнения распылительных шайб 23, которые представляют собой модификации шайбы 23 по фиг.4. Во всех этих примерах канал 41 (полость) в каждом случае перекрывает все выпускные отверстия 42, вследствие чего жидкость может поступать в выпускные отверстия 42 по всему их периметру. Распылительная шайба 23 на фиг. 5 имеет одно впускное отверстие 40 только с двумя наружными впускными участками 46, между которыми предусмотрен узкий соединительный участок 48, образованный стенками выступающих с двух сторон шеек 45. Средний широкий впускной участок 46 отсутствует, вследствие чего впускное отверстие 40 имеет форму "кости" (или вращающегося якоря, или двутавра). Каждая пара выпускных отверстий 42 расположена со смещением относительно впускного отверстия 40 и по меньшей мере частично перекрыта одной из двух шеек 45, при этом отверстия 40 и 42, как очевидно, формируются в двух различных функциональных плоскостях 37 и 35.

Если оба впускных участка 46 впускного отверстия 40 распылительной шайбы 23 по фиг.5 удлинить по дуге окружности, то можно получить шайбу 23, показанную на фиг.6. Впускные участки 46, отходящие от соединительного участка 48 по дуге окружности, имеют такую длину, что они с каждой стороны оканчиваются лишь на небольшом расстоянии друг от друга, образуя тем самым практически замкнутое круглое кольцо. Угол α с вершиной в центре распылительной шайбы, образованный в каждом случае между двумя концами противолежащих впускных участков 46 верхней функциональной плоскости 37, составляет, например, 40^o, вследствие чего угловая длина впускных участков 46 превышает примерно 280^o. Следовательно, впускное отверстие 40 имеет предпочтительно очень большой периметр. В канале 41, выполненном в средней функциональной плоскости 36 практически круглым, точно в зоне между двумя концами противолежащих впускных участков 46 предусмотрены выступы 49, которые, прерывая идеальную форму круга, выступают радиально внутрь к продольной оси 2. Контур выпускных отверстий 42 отличается от прямоугольного или квадратного, а их поперечное сечение может иметь форму трапеции, многоугольника, прямоугольника с закругленными углами, многоугольника с закругленными углами, неправильного многоугольника, а также эллипса или круга. В зависимости от требуемой величины смещения размер и взаимное расположение впускных отверстий 40 и выпускных отверстий 42 могут быть соответствующим образом согласованы. Впускные участки 46, существенно удлиненные по контуру впускного отверстия 40, обеспечивают натекание потока на выпускные отверстия 42 с различных сторон. Показанная на фиг.7 распылительная шайба 23 представляет собой сочетание шайб 23 по фиг. 4 и 6, вследствие чего средний впускной участок 46 вместе с обоими наружными впускными участками 46 образует четыре шейки 45, которые в проекции на общую плоскость перекрывают выпускные отверстия 42.

На фиг.8 и 9 показана распылительная шайба 23, которая представляет собой модификацию шайбы по фиг.2 или 4 с несколько видоизмененным контуром впускного отверстия 40 типа "летучей мыши", при этом на фиг.9 показано сечение распылительной шайбы 23 плоскостью IX-IX по фиг.8. Выпускные отверстия 42 и канал 41 выполнены по существу прямоугольными, причем канал 41 так же, как и в примере по фиг.4, полностью перекрывает выпускные отверстия 42. Однако между распылительной шайбой 23 по фиг.8 и шайбой 23 по фиг.4 имеется одно существенное отличие. В последнем случае впускное отверстие 40 состоит из трех частей, поскольку его средняя часть полностью отделена от остальных частей на участке между двумя парами соответственно противолежащих шеек 45. Начиная с нижней функциональной плоскости 35, металл на обеих последующих функциональных плоскостях 36 и 37 гальванически осаждают таким образом, что образуются перемычки, вследствие чего два имеющих форму перемычек участка 50 материала делят впускное отверстие 40 на верхней функциональной плоскости 37 на три части, а нижележащие имеющие форму перемычек участки 51 материала на средней функциональной плоскости 36 представляют собой "островки" материала внутри канала 41, которые самое большее заканчиваются вблизи выпускных отверстий 42. Каждый впускной участок 46 впускных отверстий 40 в проекции на общую плоскость доходит точно до стенки канала 41.

С помощью распылительных шайб 23 по фиг.2-9 можно формировать главным образом показанные на фиг.4а и 4б плоские струи и струи, состоящие из двух (симметричных) одиночных струй. При этом с помощью распылительных шайб 23, контур впускных отверстий 40 которых аналогичен силуэту летучей мыши, достигается больший угол распыла по сравнению (при сопоставимых выпускных отверстиях 42) с распылительными шайбами 23, впускные отверстия 40 которых имеют форму двутавра. Величина смещения между впускными отверстиями 40 и выпускными отверстиями 42 равным образом оказывает существенное влияние на величину угла распыла струи.

В показанной на фиг.10 распылительной шайбе 23 впускное отверстие 40 имеет в основном форму круга. По его периметру предусмотрено несколько, например шесть, выступающих внутрь шеек 45, между которыми обязательно находятся имеющие форму зубьев углубления 53, обращенные в радиальном направлении наружу. Углубления 53 распределены по периметру впускного отверстия 40, например, равномерно, т.е. при наличии шести углублений 53 их угловой шаг составляет 60^o. Иными словами, в поперечном сечении впускное отверстие 40 имеет форму, аналогичную зубчатому колесу. Выпускные отверстия 42, например шесть, имеют прямоугольную или трапециевидную форму и расположены под, соответственно перекрыты шейками 45 впускного отверстия 40 с некоторым смещением относительно него. Выпускные отверстия 42 при этом в радиальном направлении, например, не выходят за пределы наружного периметра впускного отверстия 40. В этом примере выполнения впускное отверстие 40 имеет особенно большой периметр, что, как описано ниже при рассмотрении характера прохождения потока вдоль различных поверхностей поперечного сечения, является особенно предпочтительным. Размер выполненного круглым канала 41 выбирается таким, чтобы в проекции на общую плоскость он полностью перекрывал как впускное отверстие 40, так и выпускные отверстия 42. Таким образом, поток поступает к выпускным отверстиям 42 по всему их периметру. Такая распылительная шайба 23 позволяет получать струю конической формы.

На фиг. 11 и 12 показаны распылительные шайбы 23, отличительной чертой которых являются по существу крестообразные впускные отверстия 40.

Переходы между отдельными сторонами 55 креста, которым образовано впускное отверстие 40, выполнены, например, закругленными. Четыре стороны 55, расположенные с угловым шагом 90^o, проходят, начиная от продольной оси 2, радиально наружу, причем между каждыми двумя соседними сторонами 55 аналогично шейкам 45 шайбы 23 по фиг. 4 благодаря крестовой форме образуются зоны, под каждой из которых на нижней функциональной плоскости 35 имеется по одному выпускному отверстию 42, несколько смещенному относительно впускного отверстия 40. На стороне 56, обращенной к продольной оси 2, выпускные отверстия 42 закруглены, а именно, таким образом, что, например, радиус их закругления соответствует радиусу закругления переходов между сторонами 55. В отличие от обращенной к продольной оси 2 закругленной стороны 56 выпускные отверстия 42 на противоположной стороне 57, обращенной в радиальном направлении наружу, имеют практически угловой контур, причем эти наружные, ограничивающие выпускные отверстия 42 стороны 57 выполнены, например, слегка выпуклыми, вследствие чего выпускные отверстия 42 в целом имеют конфигурацию, по форме аналогичную слуховому окну или своду портала туннеля. Очевидно, однако, что выпускные отверстия 42 могут иметь также абсолютно иную конфигурацию.

У показанной на фиг.11 распылительной шайбы 23 канал 41 на средней функциональной плоскости 36 выполнен практически круглым, однако при этом непосредственно вблизи выпускных отверстий 42 в канале 41 предусмотрены доходящие до их наружных сторон 57 и имеющие форму ласточкиного хвоста небольшие сужения 58, служащие гидродинамическими направляющими лопатками. Наличие таких сужений 58 способствуют оптимальному протеканию потока жидкости, в частности топлива, по каналу 41, обеспечивая приток жидкости точно к выпускным отверстиям 42. В остальном канал 41 имеет такой диаметр, что он полностью перекрывает стороны 55 впускного отверстия 40, вследствие чего стенки впускного отверстия 40, которые образуют концы сторон 55, непосредственно переходят в стенки канала 41. На фиг. 11а, 11б и 11в функциональные плоскости 37, 36 и 35 показаны по отдельности, благодаря чему отчетливо видна конфигурация отверстий каждой отдельной функциональной плоскости 37, 36 и 35. Как наиболее наглядно показано на фиг.11б, канал 41 на средней функциональной плоскости 36 имеет форму стилизованной головки цветка, соответственно четырехлисточкового листа клевера.

Показанная на фиг.12 распылительная шайба 23 отличается от шайбы 23 по фиг. 11 главным образом тем, что канал 41 имеет меньший диаметр, вследствие чего выпускные отверстия 42 частично выступают за пределы этого канала 41. Расположенные радиально снаружи стороны 57 выпускных отверстий 42 выходят, таким образом, за пределы стенки канала 41 аналогично распылительной шайбе 23, показанной на фиг.2 и 3. Однако в зоне концов четырех сторон 55 впускного отверстия 40 стенка, ограничивающая канал 41, расположена по ходу потока точно за стенкой впускного отверстия 40, поскольку канал 41 всегда (во всех вариантах выполнения) должен полностью находиться под впускным отверстием 40 (в проекции он должен перекрывать впускное отверстие 40). Как наглядно поясняется на примере по фиг.11г, распылительные шайбы 23 с крестовыми впускными отверстиями 40 (фиг.11 и 12) наиболее пригодны для осуществления впрыскивания конической струей, обозначенной позицией 44.

На фиг.13 показана распылительная шайба 23 с несколькими, например тремя, впускными отверстиями 40. В отличие от всех предыдущих примеров выполнения в данном случае предусмотрено также несколько каналов 41; каждому впускному отверстию 40 соответствует ровно по одному каналу 41 и ровно по одному выпускному отверстию 42. Распылительные шайбы 23 такой конфигурации представляют особый интерес постольку, поскольку они позволяют получить струю необычной формы. Распылительная шайба 23 имеет три функциональных узла, каждый из которых состоит из впускного отверстия 40, канала 41 и выпускного отверстия 42. В зависимости от требуемой формы струи функциональные узлы размещены асимметрично, соответственно эксцентрично относительно продольной оси 2, которая во всех случаях совпадает также с центральной осью распылительной шайбы 23. При таком кажущемся беспорядочном распределении этих узлов можно очень легко получить струи, каждая из которых имеет индивидуальную направленность. В распылительной шайбе 23 по фиг.13 каждый канал 41, имеющий в поперечном сечении форму кругового сектора, соединяет серповидное, соответственно имеющее форму кругового сегмента впускное отверстие 40 с круглым выпускным отверстием 42. Каждый из каналов 41 всегда полностью находится под сообщающимся с ним впускным отверстием 40, соответственно перекрывает расположенное под ним выпускное отверстие 42. При этом выпускные отверстия 42 размещены таким образом, что с точки зрения формообразования струи последняя имеет асимметричный конус, поскольку одиночные струи, расходясь в разные стороны, т.е. охватывая по мере расширения большую зону, выходят в главном направлении под некоторым углом к продольной оси 2. На фиг. 13а, 13б и 13в еще раз по отдельности показаны все три функциональные плоскости 37, 36 и 35, наглядно поясняющие конфигурацию отверстий каждой из них.

Два других примера выполнения распылительных шайб 23 с несколькими, в данном случае с двумя, впускными отверстиями 40 показаны на фиг.14 и 15. Оба впускных отверстия 40 имеют при этом абсолютно различную конфигурацию, поскольку эти распылительные шайбы 23 также предназначены для формирования косой струи, соответственно асимметричных струй. В то время как одно из впускных отверстий 40 имеет три стороны 55 и, следовательно, Т-образную форму, второе впускное отверстие 40 выполнено в форме кругового сегмента переменной ширины. Три выполненных, например, также в форме свода портала туннеля выпускных отверстия 42, одно из которых сообщается с имеющим форму кругового сегмента впускным отверстием 40 и примыкающим к нему имеющим форму кругового сектора каналом 41, а два других сообщаются с Т-образным впускным отверстием 40 и расположенным по ходу потока за ним имеющим форму полукруга каналом 41, и в этом случае аналогично крестовым впускным отверстиям 40 (фиг. 11 и 12) размещены в зонах между сторонами 55, соответственно внутри пространства, ограниченного круговым сегментом одного из впускных отверстий 40. На фиг.14а, 14б и 14в по отдельности представлены все три функциональные плоскости 37, 36 и 35, что позволяет наглядно пояснить сложную, но легко получаемую гальваническим осаждением металла конфигурацию отверстий на функциональных плоскостях 37, 36 и 35, прежде всего впускных отверстий 40, имеющих большой периметр.

На фиг. 15 показаны некоторые модификации примера выполнения распылительной шайбы по фиг.14. С одной стороны, можно изменить конфигурацию всех отверстий, например ширину и длину сторон 55, соответственно кругового сегмента впускных отверстий 40 или же можно также изменить конфигурацию канала 41, предусмотрев сужения 58, которые уже использованы в распылительной шайбе 23 по фиг. 11а и 11б и которые служат для оптимизации притока жидкости к выпускным отверстиям 42. Наличие таких сужений 58, выполняющих функцию гидродинамических направляющих лопаток, позволяет легко достичь в потоке двойного завихрения в горизонтальной плоскости. С другой стороны, в распылительной шайбе 23 по фиг.15 по сравнению с показанной на фиг.14 шайбой 23 отдельные зоны отверстий также смещены относительно друг друга геометрически. Если у шайбы 23 на фиг.14 продольная ось 2, соответственно центральная ось шайбы 23 проходит по стенке Т-образного впускного отверстия 40, то у шайбы 23 на фиг. 15 Т-образное впускное отверстие 40 размещено в верхней функциональной плоскости 37 таким образом, что продольная ось 2 проходит не по стенке, а где-то посредине через впускное отверстие 40.

Асимметричность форм распыляемых струй 44 достигается прежде всего с помощью распылительных шайб 23 по фиг.13, 14 и 15. Наглядным примером асимметричной формы струи, образованной тремя одиночными струями, является изображение на фиг.14г. Такие распылительные шайбы 23 применяются прежде всего в так называемых клапанных форсунках с наклонной струей. Тем самым даже при неблагоприятных условиях монтажа достигается очень точно направленное впрыскивание (например, на впускной клапан двигателя внутреннего сгорания без смачивания топливом стенок впускной трубы).

Для пояснения наиболее важных параметров предлагаемых согласно настоящему изобретению распылительных шайб 23 на фиг.16 представлен упрощенный разрез шайбы 23. Величинами, играющими решающую роль в формообразовании впрыскиваемой струи 44, являются высота h канала 41 (полости) и смещение v в канале 41 одной, соответственно нескольких кромок 60 впускного отверстия, обращенных к выпускному отверстию 42, относительно одной, соответственно нескольких кромок 62 выпускного отверстия, обращенных к впускному отверстию 40, а также отношение этих величин v/h. Как показано почти во всех примерах, смещение v между впускным отверстием 40 и выпускным отверстием 42 является в большинстве случаев не постоянной величиной, вследствие чего поток жидкости, протекающей по каналу 41, должен проходить различные по протяженности отрезки на пути от впускного отверстия 40 к выпускному отверстию 42. Отношение v/h обычно лежит в интервале от 0 до 5, в частности от 0 до 2,5, причем это соотношение при прохождении потока по длине одной и той же распылительной шайбы 23, соответственно на пути точно от одного впускного отверстия 40 точно до одного выпускного отверстия 42 является абсолютно разным.

На примере продольного разреза распылительной шайбы 23 на фиг.17 показано, что смещение v не является обязательным условием для возникновения S-образного гидравлического удара внутри потока, проходящего через предлагаемую согласно изобретению распылительную шайбу 23. Более того, в особых случаях может даже оказаться целесообразным предусмотреть "отрицательное смещение", соответственно перекрытие w кромками 60 впускного отверстия 40 кромок 62 выпускного отверстия 42. Однако с целью обеспечить в таком варианте выполнения тем не менее S-образное течение, величину перекрытия w следует выбирать очень малой. Поэтому отношение w/h составляет лишь от 0 до 1. Нулевые значения отношений v/h и w/h достигаются в том случае, если величина смещения v соответственно перекрытия w равна 0, т.е. если кромки 60 впускного отверстия и кромки 62 выпускного отверстия расположены точно на одной вертикали друг над другом (осепараллельно).

Как уже неоднократно упоминалось при описании впускных отверстий 40 касательно размера их периметра, поверхности, через которые перпендикулярно им в шайбе 23 проходит поток, играют решающую роль для оптимального применения распылительных шайб 23 в качестве шайб S-типа. Исходя из ограниченного размера распылительной шайбы 23 (например, при диаметре основной части 32 2,5 мм и диаметре верхней части 33 2,1 мм), обусловленного постоянной тенденцией к уменьшению размеров форсунок, соответственно распылителей, а тем самым и уменьшению монтажного пространства, в распылительной шайбе 23, выполненной в виде шайбы S-типа, не должно происходить гидравлическое дросселирование потока. С целью свести к минимальному дросселирующее влияние впускного отверстия 40 поперечное сечение всех впускных отверстий 40 в общем и целом должно быть больше поперечного сечения всех выпускных отверстий 42 распылительной шайбы 23. Имеющие важное значение поверхности, которые следует учитывать при проектировании шайб, соответственно взаимное соотношение их площадей более подробно поясняются с помощью графика на фиг.18.

Недостаток обладающих дросселирующим действием распылительных шайб 23, у которых в отличие от предлагаемых согласно изобретению шайб 23 не принимаются во внимание соотношения площадей, заключается в том, что на входе распылительной шайбы 23 имеет место потеря давления (потеря импульса), вследствие чего происходит нежелательное ограничение расхода. Это приводит к снижению напора, соответственно импульса потока (т.е. к потерям энергии потока), необходимого для оптимального распыления жидкости. Кроме того, при очень малом относительном входном сечении увеличиваются предельные значения и колебания расхода впрыскиваемой жидкости. На характер потока решающим образом влияют две величины, которыми являются площадь А_40с входного поперечного сечения и площадь А_42с выходного поперечного сечения в канале 41. Впускное отверстие 40, соответственно все в сумме впускные отверстия 40 имеют площадь A₄₀ поперечного сечения на верхней функциональной плоскости 37. То же самое относится и к выпускному отверстию 42, соответственно ко всем в сумме выпускным отверстиям 42 с площадью A₄₂ поперечного сечения на нижней функциональной плоскости 35.

Площади А₄₀, соответственно A₄₂ представляют собой площади фактических незамкнутых поверхностей на входе, соответственно на выходе всей распылительной шайбы 23. Две другие поверхности с площадями А_40c и A_42с расположены перпендикулярно этим обеим поверхностям с площадями A₄₀ и А₄₂. Площадь А_40с входного поперечного сечения представляет собой произведение суммы длин периметров всех впускных отверстий 40 на высоту h канала 41, а площадь А_42с выходного поперечного сечения является произведением суммы длин периметров всех выпускных отверстий 42 на высоту h канала 41. График на фиг.18 с приведенными в качестве примера значениями для распылительной шайбы 23 по фиг.4 позволяет наглядно пояснить, что для недросселирующей шайбы 23 должно быть справедливо следующее соотношение: A₄₀>A_40c>A_42с. С целью увеличить площадь А_40c входного поперечного сечения относительно площади А_42с выходного поперечного сечения при заданном ограниченном монтажном пространстве предпочтительно увеличивать длину периметров впускных отверстий 40. Для сохранения в потоке высокой энергии распыления впускные отверстия 40 можно выполнять не только прямоугольной, квадратной, круглой или эллиптической формы, как у известных распылительных шайб, но также согласно фиг.2-15 меандрообразной формы, в форме силуэта летучей мыши, крестовой формы, в форме зубчатого колеса, в форме двутавра, серповидной формы, Т-образной формы, в форме кругового сегмента или какой-либо иной формы. К размеру площади A₄₂ поперечного сечения не предъявляются какие-либо особые требования. Она может быть больше или меньше площади A_42c выходного поперечного сечения, но может быть и равна ей. В любом случае площадь А₄₂ будет меньше или равна площади A₄₀.

Подводя итог вышесказанному, можно сделать следующие выводы.

1. На формирование струи главным образом влияют:
- величина v смещения,
- окружающие выпускные отверстия 42 участки каналов 41 во всех направлениях (обратные полости, боковые полости) и
- размер и форма выпускных отверстий 42.

2. На величину СДЗ (средний диаметр капли по Заутеру, размер капелек струи 44) главным образом влияют:
- высота h и ширина канала 41,
- площадь А₄₀ поперечного сечения впускных отверстий 40 и
- площадь А₄₂ поперечного сечения выпускных отверстий 42.

3. На статический расход при распылении влияют главным образом:
- высота h канала 41 и
- площадь А₄₂ поперечного сечения выпускных отверстий 42.

Областью применения всех описанных выше распылительных шайб 23 являются не только клапанные форсунки, более того, они могут найти также применение, например, в лакокрасочных распылителях, в ингаляторах, в струйных печатающих устройствах или в процессах сублимационной сушки, а также для разбрызгивания, соответственно для дозированной подачи жидкостей, таких как, например, напитки, или для распыления медикаментов. Распылительные шайбы 23, изготовленные по технологии многослойной гальванотехники и выполненные в виде шайб S-типа, в общем и целом пригодны для получения тонкодисперсных струй, например, с большими углами наклона.

Реферат

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к клапанным форсункам в системах впрыскивания топлива. Изобретение позволяет упростить конструкцию, повысить надежность и качество распыливания, снизить выброс отработавших газов и уменьшить расход топлива. Распылительная шайба, в частности, для клапанных форсунок выполнена по меньшей мере из одного металлического материала и содержит по меньшей мере одно впускное и по меньшей мере одно выпускное отверстия. Шайба выполнена цельной с несколькими образующими ее функциональными плоскостями, площадь А_40с входного поперечного сечения, представляющая собой произведение длин периметров всех впускных отверстий на высоту h канала, измеряемую перпендикулярно поперечному сечению всех впускных отверстий в этом канале, больше площади А_42c выходного поперечного сечения в канале, которая является произведением длин периметров всех выпускных отверстий на высоту h канала, измеряемую перпендикулярно поперечному сечению в канале. Клапан, в частности клапанная форсунка для систем впрыскивания топлива двигателей внутреннего сгорания, содержит распылительную шайбу с по меньшей мере одним впускным и по меньшей мере одним выпускным отверстиями. Распылительная шайба выполнена цельной с несколькими образующими ее функциональными плоскостями. Площадь А_40с входного поперечного сечения, представляющая собой произведение длин периметров всех впускных отверстий на высоту h канала, измеряемую перпендикулярно поперечному сечению всех впускных отверстий в этом канале, больше площади А_42с выходного поперечного сечения в канале, которая является произведением длин периметров всех выпускных отверстий на высоту h канала, измеряемую перпендикулярно поперечному сечению всех выпускных отверстий. 2 с. и 25 з.п. ф-лы, 18 ил.

Формула