Конспект лекции Форсунки современных дизелей

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. 12.9).

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.

Топливо от ТНВД подводится к штуцеру 7 и далее по каналам в корпусе форсунки 2 и направляющей иглы 3 поступает в кольцевую камеру под иглой форсунки 4. При закрытом положении игла своим конусом сидит на посадочном гнезде в направляющей 3 (см. рис. 12.9a) и препятствует проникновению топлива в нижерасположенную камеру сопла 5. Игла через толкатель нагружена пружиной 6, затяг которой может регулироваться винтом 8.

Положение иглы определяется действием двух сил (см. рис. 12.9б): силы затяга пружины F_п прижимающей иглу к седлу, и силы F_и обусловленную действием давления топлива Р_ф на кольцевое сечение иглы . При достижении давления топлива величины Р_оф (давление открытия иглы форсунки) сила F_H превысит F_w 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 , 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:

Рис.12.10. Виды распылителей:

а) клапанный однодырчатый;

б) штифтовый

кклапанные многодырчатые (рис. 12.9б) - 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. 12.10а); 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. Штифтовый распылитель с цилиндрическим штифтом (рис. 12.10б) имеет постоянное сечение истечения и образует сосредоточенный факел с малым углом конуса.

Рис. 12.11. Форсунка малооборотного двигателя «МАН-Бурмейстер и Вайн» серии LMC: а) форсунка; б) запорный клапанПри температурах свыше 160-180°С на теле иглы образуются лаковые отложения, способствующие ее заклиниванию, а сопловые отверстия забиваются коксом.

В целях снижения температур распылителей в малооборотных и среднеоборотных форсированных двигателях ввели охлаждение форсунок, используя для этого воду, масло или топливо. Наиболее эффективным явилось использование воды, что и было реализовано в распылителях двигателей Зульцер RD, RND и RND-M. Интенсификация охлаждения крышек цилиндров в зоне форсунок, обеспечение хорошей теплопередачи благодаря плотной посадке корпуса форсунки в крышке и уменьшение торцевой тепловоспринимающей поверхности распылителя (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 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. 12.11).

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. 12.12 Standart).

Уменьшение этой полости, достигнутое путем введения в канал сопла золотника, изготовленного за одно целое с иглой (см. рис. 12.12 Mini Sac), позволило существенно улучшить чистоту выхлопа. В двигателях серии ME использована новая конструкция распылителя (см. рис. 12.12 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