Форсунки дизелей. Назначение принцип действия (6.3. Форсунки)

Форсунки, устанавливаемые в цилиндровой крышке, служат для впрыска и распыливания топлива. Топливо подается к форсунке насосом и распыливается, проходя через мелкие отверстия сопла распылителя. Форма и длина струи, тонкость распыливания зависят от давления впрыска, диаметра сопловых отверстий и их расположения, вязкости и плотности топлива. Для того чтобы вся порция топлива впрыскивалась в цилиндр при достаточно высоком давлении, канал, по которому топливо поступает к сопловым отверстиям, запирается иглой, нагруженной пружиной. Форсунки с запорной иглой называются форсунками закрытого типа. По способу запирания иглы их подразделяют на форсунки с механическим запором и гидрозапорные.

Распылители могут выполняться цельными (рис. 6.13) или составными. У цельного корпус 1 составляет одно целое с направляющей иглы 2 и сопловым наконечником 3. У составного распылителя сопловой наконечник съемный.

По типу запорных органов распылителей форсунки можно разделить на два вида:

клапанные (рис. 6.14. с, б, в), у которых запорная игла (клапан) и сопловые отверстия (одно или несколько) — постоянного сечения. Угол запорной поверхности конусной иглы а = 60° (см. рис. 6.14. а, б), у форсунки с плоским гнездом а =180° (см. рис. 6.14, в)

с штифтовым распылителем с коническим штифтом (рис. 6.14, г), имеющим переменную площадь истечения и переменный конус струи (а = 4 - 30°).

Одноструйные штифтовые распылители применяют в дизелях с предкамерным или вихрекамерным смесеобразованием, клапанные многоструйные (число сопловых отверстий 3-12) распылители с конусной или плоской запорной поверхностью — в дизелях с нераздельными камерами. Диаметр сопловых отверстий от 0,15 мм у маломощных дизелей до 1,1 мм у мощных малооборотных. Подъем иглы  = 0,4 - 1,4 мм. У форсунок дизелей с относительно небольшим диаметром цилиндра (D<400, мм), неохлаждаемые распылители. Циркуляционное охлаждение распылителей водой, топливом, или маслом применяют при использовании тяжелых топлив и в дизелях с большими размерами цилиндров.

Прецизионную пару игла-направляющая выполняют с минимальными зазорами (4-6 мкм). Пара составляет единый комплект, и замена отдельных ее элементов недопустима.

В закрытом состоянии, игла должна обеспечивать, полную, герметичность, исключающую возможность подтекания топлива между запорными поверхностями, иглы и гнезда, достаточную – плотность между иглой и направляющей, чтобы избежать значительных утечек топлива. Эти условия должны сохраняться во время эксплуатации в течение длительного времени (срок работы до переборки 1500—4000 ч).

Игла и направляющая работают на смятие, истирание и ударную нагрузку, при высоком давлении (до 150 МПа), большой скорости протекания топлива (до 200 м/с) и температуре (100—150 °С). Поэтому материал распылителя должен иметь высокую твердость, износостойкость, способность сохранять, геометрическую форму. Для изготовления распылителей применяют легированные стали. После изготовления детали подвергают цементации и дополнительной обработке холодом и старением. В целях уменьшения эрозионного разъедания сопловых отверстий отдельно выполненные сопловые наконечники изготавливают из стеллита

Неохлаждаемая форсунка устроена следующим образом (рис. 6.15). К корпусу 15 с помощью накидной гайки 14 крепят соплодержатель 11. Внутри его находится составной распылитель, состоящий из иглы 9, ее направляющей 12 и соплового наконечника (сопла) 10. Упор 13 служит для ограничения хода иглы устройство состоит из пружины 6 и штока 8. Нижняя тарелка 7 пружины опирается на верхний заплечик штока, верхняя упирается в упор 5 регулирующего устройства, которое состоит из стакана 3, ввернутого в корпус форсунки и зафиксированного стопором 4. Подвижный верхний упор 5, ввернутый в стакан 3, регулирует натяжение пружины и стопорится гайкой Регулировочное устройство сверху закрыто колпаком 1. Трубка высокого давления 19 штуцером 18 прикрепляют к корпусу форсунки. Фильтр высокого давления 17 (состоит из центрального патрона, и втулки, между которыми есть узкие щели) задерживает частицы окалины и продукты эрозионного износа, попадающие в топливо в системе высокого давления.

Через корпус форсунки и распылитель проходит топливо подводящий канал в полость а. Устройство для удаления воздуха из форсунки состоит из канала в верхней части корпуса, закрытого шариковым клапаном 16, прижатым к корпусу болтом 20. В форсунке двигателя Зульцер RD (рис. 6.16, а, /, II, б) цельный распылитель 7 вместе с колпачком 9 прижат к корпусу 3 накидной гайкой 8. Между колпачком и распылителем имеется полость, через которую циркулирует охлаждающая вода. Шток 4 нажимного устройства помещен во втулке 6, ограничивающей ход иглы.

В корпусе форсунки и распылителе имеются каналы для подвода и отвода охлаждающей воды — с, подвода топлива — а, удаления воздуха d, отвода топлива — b, просочившегося через распылитель. Канал d запирается шариковым клапаном 11, который прижимается болтом 10. Штифт 5 обеспечивает совпадение отверстий в корпусе и распылителе. Натяжение пружины, регулируют изменением толщины шайбы 1 под подвижным упором 2.

В новой конструкции, форсунки двигателя. Зульцер RLB (рис. 6 16 ,в) в целях исключения перекоса и деформации распылитель затягивают не накидной гайкой, а болтами 12. Колпак, насаживаемый на распылитель и образующий полость охлаждения, ввиду наблюдавшихся в эксплуатации подтеканий охлаждающей воды в месте посадки, из сопла убран. Полость охлаждения образована непосредственно в корпусе. Сопловой наконечник 13 сделан съемным. Входные, кромки; сопловых отверстий скруглены, что способствует меньшему дросселированию давления топлива, сохранению в течение, длительного времени постоянства давления впрыска и длины струи. Более компактная струя позволила увеличить число сопловых отверстий и уменьшить их диаметр. Топливо по каналам в корпусе и распылителе форсунки поступает в полость под иглой и давит на верхний конус иглы. Преодолевая сопротивление пружины, игла поднимается, открывая сопловой канал, — происходит впрыск топлива в цилиндр. После отсечки в насосе давление топлива падает и пружина запирает иглу.

Давление открытия иглы указано в формуляре двигателя. Для двигателей с неразделенными камерами сгорания его пределы 15-30 МПа, Регулируют давление на стенде изменением силы затяжки пружины. После открытия игла давление впрыскивания возрастает в 2—3 раза вследствие сопротивления при проходе топлива через малые сопловые отверстия.

Максимальное давление впрыскивания зависит от скорости плунжера. На режиме полного хода в зависимости от способа смесеобразования, быстроходности и конструкции топливной системы при разделенных камерах сгорания и одноструйных или штифтовых форсунках оно равно 8—20 МПа, при неразделенных камерах и многоструйных форсунках 50— 160 МПа.

Воздух из форсунки удаляют перед пуском двигателя, прокачивая вручную ТНВД (при открытом воздушном клапане) до появления сплошной струи топлива из отверстия в корпусе форсунки (см. рис.6.16, б). Иглу проверяют периодически, так как во время работы двигателя она может зависнуть (из-за плохой фильтрации топлива, коррозии иглы, перегрева распылителя), что приведет к подтеканию форсунки, ухудшению распыливания и сгорания топлива.

Переход на новую конструкцию стальных крышек цилиндров, имеющих интенсивное охлаждение в зоне форсунок, обеспечение хорошей теплопередачи благодаря плотной посадке корпуса распылителя в крышке и уменьшение торцовой тепловоспринимающей поверхности форсунки (выступающей в камеру сгорания) дали возможность фирмам МАН— Бурмейстер и Вайн и Зульцер отказаться от специального охлаждения форсунок. В то же время работа на тяжелом топливе, особенно на режимах маневрирования, требует для предотвращения зависания иглы при кратковременных остановках двигателя сохранения постоянства температур в зоне распылителя. С этой целью в новых конструкциях предусмотрено постоянное прокачивание топлива через форсунки (рис. 6.17). Топливо из ТНВД по центральному каналу b поступает под иглу 4 нагруженную пружиной 1. В период между впрысками топливо находится под давлением менее 0,1 МПа, создаваемым топливоподкачивающим насосом, поэтому преодолеть силу затяга пружины 2 не может, и клапан-золотник 3 остается в нижнем положении, запирая проход топлива в полость с. Но остается открытым отверстие d в шпинделе, через которое горячее топливо поступает во внутреннюю плоскость корпуса и отводится из форсунки через отверстие а. Таким образом,  при неработающем дизеле температура всех элементов форсунки благодаря постоянной циркуляции топлива через нее поддерживается на уровне, близком к температуре самого топлива. В начале впрыска давление топлива повышается и при р> 0 ,1 МПа золотник 3, преодолевая усилие затяга пружины 2, поднимается, и перепускное отверстие d перекрывается, но одновременно открывается полость с. Прокачивание топлива через форсунку прекращается  и после подъема иглы 4 начинается впрыск в цилиндр. Экспериментально установлено: что для того чтобы обеспечить эффективное сгорание тяжелого топлива с минимальной задержкой самовоспламенения, наибольший диаметр капель, на которые распадается струя при распиливании топлива, в современных высокофорсированных дизелях должен быть до 20 мкм. Это возможно в том случае, если давление впрыскивания не опускается ниже 80 МПа. В свою очередь известно, что при снижении частоты вращения и нагрузки максимальное давление впрыскивания падает:  (где с - постоянная). Поэтому для обеспечения качественного распыливания тяжелого топлива не только при частоте вращения, близкой к , но и на малых ходах, необходимо начальное давление впрыскивания увеличивать. По этому пути сегодня идут большинство фирм, максимальные давления впрыскивания достигли 150—200 МПа. Такие нагрузки вызывают особенно высокие требования к прочности, жесткости конструкций ТНВД и форсунок.

Нажимное устройство состоит из пружины 6 и штока 8, Ниж­няя тарелка 7 пружины опирается на верхний заплечик штока, верхняя упирается в упор 5 регулирующего устройства, которое состоит из стакана 3, ввернутого в корпус форсунки и зафиксированного стопором 4. Подвижный верхний упор 5, ввернутый в стакан 3, регулирует натяжение пружины и стопорится гайкой 2. Регулировочное устройство сверху закрыто колпаком 1. Трубку высокого давления 19 штуцером 18 прикрепляют к корпусу форсунки. Фильтр высокого давления 17 (состоит из центрального патрона, и втулки, между которыми есть узкие щели) задерживает частицы окалины л продукты эрозионного износа, попадающие в топливо в системе высокого давления.

Через корпус форсунки и распылитель проходит топливо подводящий канал в полость а. Устройство для удаления воздуха из форсунки состоит из канала в верхней части корпуса, закрытого шариковым клапаном 16, прижатым к корпусу болтом 20.

В форсунке двигателя Зульцер RD (рис. 6.16, а, /, II, б) цельный распылитель 7 вместе с колпачком 9 прижат к корпусу 3 накидной гайкой 8. Между колпачком и распылителем имеется полость, через которую циркулирует охлаждающая вода. Шток 4 нажимного устройства помещен во втулке 6, ограничивающей ход иглы.

 

В новой конструкции, форсунки двигателя Зульцер RLB (рис. 6 16 ,в) в целях исключения перекоса и деформации распылитель затягивают не накидной гайкой, а болтами 72. Колпак, насаживаемый на распылитель и образующий полость охлаждения, ввиду наблюдавшихся в эксплуатации подтеканий охлаждающей воды в месте посадки, из сопла убран. Полость охлаждения образована непосредствен но в.корпусе. Сопловой наконёчник 13 сделан съемным. Входные, кромки; сопловых отверстий скруглены, что способствует меньшему дросселированию давления топлива, сохранению в течение, длительного времени постоянства давления впрыска и длины струи. Более компактная струя позволила увеличить число сопловых отверстий и уменьшить их диаметр.

В корпусе форсунки и распылителе имеются каналы; для подвода и. отвода охлаждающей воды — с, подвода топлива — а, удаления воздуха - d, отвода топлива — b, просочившегося через распылитель. Канал d запирается шариковым клапаном 11, который прижимается болтом 10. Штифт 5 обеспечивает совпадение отверстий в корпусе и распылителе. Натяжение пружины, регулируют изменением толщины шайбы 1 под подвижным упором 2.

Топливо по каналам в корпусе и распылителе форсунки посту­пает в полость под иглой и давит на верхний конус иглы. Преодоле­вая сопротивление пружины, игла поднимается, открывая сопловой канал,  происходит впрыск топлива в цилиндр. После отсечки в насосе давление топлива падает и пружина запирает иглу.

Давление открытия иглы указано в формуляре двигателя. Для двигателей с неразделенными камерами сгорания его пределы 15­-30 МПа. Регулируют давление на стенде изменением силы затяжки пружины. После открытия иглы давление впрыскивания возраста­ет в 2-3 раза вследствие сопротивления при проходе топлива че­рез малые сопловые отверстия.

Максимальное давление впрыскивания зависит от скорости плунжера. На режиме полного хода в зависимости от способа сме­сеобразования, быстроходности и конструкции топливной системы при разделенных камерах сгорания и одноструйных или штифто­вых форсунках оно равно 8-20 МПа, при неразделенных камерах и многоструйных форсунках 50-160 МПа.

Воздух из форсунки удаляют перед пуском двигателя, прока­чивая вручную ТНВД (при открытом воздушном клапане) до по­явления сплошной струн топлива из отверстия в корпусе форсунки (см. рис. 6.16, б). Иглу проверяют периодически, так как во время работы двигателя она может зависнуть (из-за плохой фильтрации топлива, коррозии иглы, перегрева распылителя), что приведет к подтеканию форсунки, ухудшению распиливания и сгорания топлива.

 

Использованная литература

Возницкий И.В. А.С.Пунда СДВС  Том 1 2007 г.и. Стр. Стр. 185-186