Форсунки современных дизелей

Форсунки служат для непосредственного впрыскивания топлива в цилиндр двигателя, распыливания его на капли с размером 5-30 мкм и распределения их внутри камеры сгорания. Форсунки устанавлива­ются в крышке цилиндра. В четырехтактных дизелях, как правило, устанавливается одна центрально расположенная форсунка. В мало­оборотных двухтактных дизелях с прямоточно-клапанным газообме­ном устанавливаются 2-3 форсунки на периферии цилиндровой крыш­ки, так как в центральной ее части установлен выпускной клапан.

Рассмотрим принцип действия форсунки малооборотного судово­го дизеля «Зульцер» серии RTA (см. рис. 1).

Основные элементы конструкции форсунки: 1 - цилиндровая крышка; 2 - корпус форсунки; 3 - направляющая иглы форсунки; 4 - игла; 5 - сопло; 6 - пружина; 7 - штуцер для присоединения трубопровода высокого давления; 8 - регулировочный винт; 9 - контргайка; 10 - шпилька крепления форсунки.

Положение иглы определяется действием двух сил (см. рис. 1б): силы затяга пружины F_п прижимающей иглу к седлу, и силы F_и обусловленную действием давления топлива Р_ф на кольцевое сечение иглы $π(d_и^2-d_к^2)/4$. При достижении давления топлива величины Р_оф (дав­ление открытия иглы форсунки) сила F_H превысит F_п и игла поднимется до упора, открывая доступ топлива к отверстиям распылителя. При этом сила давления топлива будет действовать уже на всю пло­щадь поперечного сечения иглы $πd_и^2/4$, удерживая ее в этом положе­нии до падения давления до Р_зф (давление закрытия иглы). Давление топлива, при котором игла садится на седло, меньше давления откры­тия на величину, определяемую соотношением:

Это явление получило название дифференциальный эффект иглы форсунки.

Высота подъема иглы форсунки ограничивается упором и в зави­симости от размеров форсунки и количества пропускаемого ею топли­ва находится в пределах 0,5-1,5 мм. С увеличением хода иглы растут динамические силы ее удара о седло и упор, что приводит к появлению наклепа и потере плотности посадки иглы. Посадочный конус иглы обычно принимается равным 60°. Посадочный конус седла в целях достижения узкой притирочной поверхности посадки, при которой достигается наиболее высокая плотность, принимается на 2° меньше. Игла и ее направляющее отверстие в распылителе являются прецизи­онными и изготовлены с высокой точностью. Путем селективного под­бора выбирают пару «игла-направляющая» такой, чтобы зазор между ними укладывался в заданный технологический допуск, величина ко­торого зависит от размеров, теплового режима работы, вязкости ис­пользуемого топлива и находится в пределах 5-12 микрон. Скомплек­тованная таким образом пара является «неразлучной», и при эксплуа­тации их замена должна производиться только парами, без перекомп­лектации.

По типу запорных органов и распыливающих отверстий приме­няются следующие виды распылителей:

клапанные многодырчатые (рис. 1б) - получили наибольшее распространение в основном в двигателях с непосредственным впрыс­ком, количество отверстий - от 1 до 9, диаметр 0,20-1,5 мм;

- клапанные однодырчатые (рис. 2а); применяются в предкамерных двигателях, для которых наилучшей формой распыливания является сосредоточенный факел с малым углом конуса и с большой пробивной способностью;

-   штифтовые распылители, имеющие одно сопловое отверстие; применяют в сравнительно маломощных дизелях с разделенными ка­мерами сгорания. Штифтовой распылитель с цилиндрическим штифтом (рис. 2б) имеет постоян­ное сечение истечения и образу­ет сосредоточенный факел с ма­лым углом конуса.

При температурах свыше 160-180°С на теле иглы образуются лаковые отложения, способ­ствующие ее заклиниванию, а со­пловые отверстия забиваются коксом.

 В то же время работа на тяжелом горячем 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 (МС-МЕ) предусмотрено постоянное прокачивание топлива через фор­сунки (см. рис. 3).

Топливо подводится по центральному каналу 14. Распылитель состоит из сопла 10, направляющей 5, иглы 7 и запорного клапана 17 внутри иглы. Направление односторонних сопловых отверстий обес­печивается фиксацией сопла штифтом 5. Игла 7, имеющая вверху фор­му стакана, воспринимает усилие затяга пружины 2 через ползун 13, в вырезы которого входит головка проставки 15 с центральным каналом 14. Внутри стакана иглы размещены пружина 16 запорного клапана 17 и узел сопряжения топливного канала в проставке 15 и в клапане 17. Нижний заплечик проставки 15 ограничивает подъем клапана (h_к = 3,5 мм), а верхний - подъем иглы (h_и = 1,75 мм).

Форсунка обеспечивает циркуляцию нагретого топлива при нера­ботающем двигателе (во время подготовки к пуску и при вынужден­ных остановках в море), а также в период между смежными впрыска­ми, когда ролик толкателя плунжера обкатывает цилиндрическую часть шайбы.

При стоянке двигателя, когда ТНВД находится в положении нуле­вой подачи (полости наполнения и нагнетания соединены), топливоподкачивающий насос при давлении 0,6 МПа подает топливо в нагнетатель­ный топливопровод и канал 14 форсунки. Так как пружина 16 запорного клапана 17 имеет затяг 1 МПа, то клапан не поднимается, и топливо проходит через небольшое отверстие 18 в стакан иглы и далее вверх на слив. Таким образом, при стоянке любой продолжительности через фор­сунки циркулирует топливо с постоянной температурой и вязкостью.

При работе двигателя в период активного хода плунжера давле­ние нагнетания практически мгновенно поднимает запорный клапан 17, и перепускное отверстие 18 перекрывается. Топливо проходит к дифференциальной площадке иглы 7 и поднимает иглу.

В конце активного хода плунжера вся система нагнетания быстро разгружается через рабочую полость насоса, так как нагнетательного клапана в нем нет. Когда давление топлива падает ниже давления Р_зф, пружина 2 сажает иглу 7, а при давлении ниже 1 МПа пружина 16 опускает на место запорный клапан 17. Ролик толкателя плунжера на длительное время выходит на верх шайбы, и система нагнетания вновь прокачивается топливом до следующего активного хода плунжера.

Исследования, проведенные фирмой МАН на двигателях МС, по­казали, что объем внутренней полости соплового наконечника игра­ет существенную роль в образовании в цилиндрах сажистых частиц и углеводородов (СН), а также коксовании сопловых отверстий (см. рис. 4 Standart).

Уменьшение этой полости, достигнутое путем введения в канал сопла золотника, изготовленного за одно целое с иглой (см. рис. 4 Mini Sac), позволило существенно улучшить чистоту выхлопа. В дви­гателях серии ME использована новая конструкция распылителя (см. рис. 4 Slide), в которой объем топлива во внутренней полости со­плового наконечника сведен практически к нулю путем установки уд­линенного золотника. Такое конструктивное решение обеспечило сни­жение дымности ОГ и выброса оксидов азота.

К уменьшению объема камеры сопла сегодня прибегают и при производстве форсунок среднеоборотных двигателей.

В большинстве случаев отверстия в распылителях сверлятся. На выходе сверла образуются заусенцы, провоцирующие образование вих­рей, приводящих к кавитационно-эрозионным разрушению и быстро­му износу отверстий. Поэтому, во избежание отмеченных явлений, ряд фирм, обладающих технологическими возможностями, применяют скругление кромок отверстий, чем существенно продлевают их ресурс.

В двигателях небольшой размерности сопловой наконечник изго­тавливают за одно целое с направляющей иглы форсунки. В мало- и среднеоборотных двигателях в целях удешевления изготовления и за­мены сопловых наконечников при их износе сопла изготавливают от­дельно от основного корпуса распылителя.

Использованная литература:

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 1./ И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2010.- 260 с. Стр. 174-179

Возницкий И. В. Судовые дизели и их эксплуатация / И.В.Возницкий, Е.Г.Михеев – М.:Транспорт, 1990. - 360 с Стр.128-129