Форсунки и
их корпуса служат в качестве соединительного элемента между насосом
подачи топлива и двигателем.
Их основными функциями являются: участие в дозировании топлива;
распыливание топлива; обеспечение характеристик впрыскивания;
герметизация камеры сгорания. Дизельное топливо впрыскивается при максимальных величинах давления
порядка 1200 бар, значения которых в будущем, вероятно, будут еще выше. В
этих условиях дизельное топливо перестает вести себя как сплошная
несжимаемая жидкость и становится сжимаемым. Во время короткого времени
подачи (в пределах 1 мс) топливо в системе высокого давления как бы
сжимается - поперечное сечение соплового отверстия форсунки определяет
количество топлива и распределение его в камере сгорания двигателя. В соответствии с длиной, диаметром отверстия и его направлением форсунка
оказывает основное влияние на образование факела топлива с
соответствующими изменениями показателей мощности, расхода топлива и
токсичности отработавших газов двигателя. В определенных пределах возможно обеспечить оптимальное управление,
определяемое ходом запорной иглы форсунки и регулированием ее
характеристики. Распылительное сопло должно обеспечивать герметичность системы
впрыскивания топлива при чрезмерном нагреве до температур порядка 1000°С
и при высоком давлении газов в камере сгорания двигателя. Для
предупреждения противотока горящих газов, когда сопла форсунки все еще
открыты, давление в камере
повышенного давления форсунки должно быть выше, чем давление в камере
сгорания. Это требование становится особенно важным в конце впрыскивания
(когда уменьшение давления впрыска сопровождается чрезмерным
возрастанием давления продуктов сгорания). Оно может быть обеспечено
только тщательным согласованием работы насоса впрыскивания топлива,
распылительного сопла и запорной иглы.
Конструкции
Конструкции
Дизели с разделенными камерами сгорания (предкамерами и вихревыми
камерами) требуют разработки форсунок, отличающихся от используемых в
неразделенных камерах сгорания. Для данных камер сгорания используются
закрытые форсунки (с запорной иглой), имеющие распылитель с одним
отверстием и обычно оснащенные иглами, открывающими одно отвер
стие. Двигатели с непосредственным впрыскиванием топлива с
неразделенными камерами сгорания обычно требуют применения форсунок со
многими распылительными отверстиями.
Дроссельно-игольчатые
форсунки
Один распылитель (тип DN..SD..) и один корпус форсунки (тип КСА с
резьбовым соединением) обычно используются в двигателях с предкамерой и
вихревой камерой. Стандартный корпус форсунки имеет резьбу М 24х2 и
отворачивается 27-миллиметровым гаечн
ым ключом. Форсунки DN 0 SD в основном имеют диаметр иглы 6 мм с нулевым углом
факела. Применяются и распылители с коническим углом факела (например,
12° для DN 12 SD..). Когда пространство для установки форсунок
ограничено, то используются корпуса меньших размеров (например, КСЕ).
Отличительной характеристикой штифтовых форсунок является
изменение отверстия распылителя (и, следовательно, скорости потока) в
виде функции хода иглы. Сопло в виде распылительного отверстия показывает немедленное
возрастание проходного сечения во время открытия иглы. Штифтовые
форсунки характеризуются очень плавным ростом сечения при средних
величинах хода иглы. В пределах этого диапазона хода штифт иглы остается
в распыливающем отверстии. Пропускное отверстие для потока состоит
только из небольшого углового зазора между отверстием распыления
большего размера и штифта иглы. При возрастании хода иглы она полностью
открывает отверстие распылителя с последующим существенным
возрастанием размера отверстия. Это изменение отверстия, чувствительного к длине хода, может
использоваться для организации в определенной степени управления законом
впрыскивания. В начале впрыскивания из форсунки в камеру сгорания вводится только
ограниченное количество топлива, а основная его часть подается в конце
цикла. Такая последовательность впрыскивания снижает жесткость процесса
сгорания. При малом сечении отверстия и излишне малом ходе иглы ускоряется
возвращение иглы из зоны дросселирования. Впрыскиваемое количество
топлива, приходящееся в единицу времени, резко возрастает, и,
соответственно, повышается ж
есткость процесса сгорания. Подобное влияние оказывается при использовании чрезмерно малых отверстий
в конце цикла впрыска топлива - объем, перемещаемый закрывающейся иглой
форсунки, ограничивается более узким отверстием. Результат - увеличение
продолжительности такта впуска топлива. Таким образом, конфигурация
отверстия должна точ
но соответствовать закону подачи топлива насосом с учетом специфических
условий процесса сгорания топлива.
Во время работы двигателя в дросселирующем зазоре происходит коксование
(отложение нагара). Уровень формирования отложения определяется
качеством топлива и условиями работы двигателя. В большинстве случаев
для прохода топлива остается только 30-процентное сечение по отношению к
исходному. Значительно меньшие и более ровные отложения обнаруживаются
на плоских игольчатых
форсунках, в которых кольцевое отверстие между корпусом форсунки и
штифтом почти равно нулю. Уменьшение площади пропускного сечения потока
способствует повышению эффекта самоочищения.
Температуры свыше 220°С ускоряют образование нагара на форсунках. Для
предотвращения этого явления применяются тепловые экраны, передающие
тепло от камеры сгорания к головке блока цилиндров. Для выполнения отверстий распыления, которые бы соответствовали точным
геометрическим допускам,используются наиболее совершенные технологии.
Многоструйные распылители
Для форсунок этого типа имеются разнообразные комплекты распылителей
(DHK). В противоположность штифтовым, многоструйные распылители обычно
устанавливаются в заранее заданном положении для обеспечения правильного
соотношения между угловым расположением сопловых отверстий и камерой
сгорания двигателя. По этой причине для установки комплекта, включающего
форсунку и корпус, в головке блока цилиндров обыч
но используются выступы или банджо-болты, а дополнительное винтовое
удерживающее устройство обеспечивает необходимую ориентацию.
Многодырчатые форсунки используют диаметры игл 6 и 5 мм (размерность S) и
4 мм (размерность Р). Пружины форсунок должны соответствовать различным
диаметрам игл и предельным величинам давлений во время открытия
(>180 бар).
В конце впрыскивания существует опасность засасывания в
форсунку продуктов сгорания, поэтому необходимо предотвращать
нестабильность гидравлических процессов. Диаметр запорной иглы и ее
пружина должны тщательно подбираться с целью обеспечения надежной
герметизации топливной форсунки. Существуют три различных вариантазакрытого объема в концевом конусе форсунок многодырчатого
типа: конический закрытый объем, цилиндрический закрытый объем и
запираемые отверстия. В зависимости от типа распыливающего отверстия, в
конце впрыскивания топлива в форсунке остается некоторый заданный объем
топлива, который затем испаряется и в камеру сгорания попадают пары
топлива. Этот объем уменьшается в следующем порядке в зависимости от
выбираемых вариантов форсунок: штифтовая форсунка, форсунка с
запираемыми отверстиями и плоско-игольчатая форсунка. Выпуск
углеводородов в составе отработавших газов двигателя уменьшается в том
же порядке в зависимости от уровня испарения топлива. Длина распылительного отверстия ограничивается механической прочностью
конуса форсунки. В настоящее время минимальная длина соплового отверстия
впрыска топлива составляет 0,6...0,8 мм для цилиндрических и конических
закрытых объемов. Для форсунок с запираемыми объемами допустима длина
соплового отверстия 1 мм, но только в том случае, когда для производства
распылительных отверстий используются специальные методы обработки. Тенденцией является уменьшение длины отверстия, так как это позволяет в
основном обеспечивать лучший контроль над снижением дымности
отработавших газов. Для обеспечения допусков по пропускной способности в
пределах ±3,5% для форсунок многодырчатого типа может быть использован
процесс сверления. Дополнительные прецизионные процедуры (например,
гидро
эрозионная обработка) могут применяться в пределах допусков ±2% для
конкретных случаев применения. Однако термостойкость материалов
ограничивает максимальные температуры для однодырчатых форсунок
приблизительно до 270°С. Во время работы в особо трудных условиях
следует иметь в распоряжении термозащитные втулки, а также охлаждаемые топливные
форсунки для двигателей с большим рабочим объемом.
Формы распылителей: 1 - штифтовой распылитель; 2 - штифтовой распылитель с плоскоусеченной иглой: 2а - вид сбоку; 2b -
вид спереди; 3 - многоструйный распылитель с коническим закрытым
объемом; ; 4 - многоструйный распылитель с цилиндрическим закрытым
объемом; 5 - распылитель с перекрываемыми отверстиями