Конструкция распылителей

Топливо впрыскивается в камеру сгорания через распылитель, являющийся прецизионным, неразделимым узлом форсунки. Определение — прецизионный — говорит о том, что детали распылителя — игла и корпус изготовлены с высочайшей точностью:

• Зазор между иглой и корпусом составляет, в зависимости от типа распылителя, от 0,002 мм до 0,004 мм
• Отклонения формы иглы и внутренних поверхностей корпуса распылителя менее 0,001 мм.

Рис.1. Точность изготовления распылителя — отклонения формы и положения измеряемые в микронах

Виды распылителей

В зависимости от системы впрыска, определяемого по типу камеры сгорания, применяется два вида распылителей:

d_a — диаметр штифта
d_m— диаметр распыляющего отверстия штифтового распылителя
h_d — ход дросселя
L_d = d_ot— d_a — зазор дросселя
а — угол распыла струи
а — угол конического гнезда& — диаметр иглы
d — диаметр гнезда
h — ход иглы
d_s — диаметр колодца
I, — длина колодца
d_i — диаметр распыляющих отверстий дырчатого распылителяI — длина распыляющего отверстия (i — угол впрыска g — угол наклона впрыска 1_е— высота выступа верхнего штифта иглы

Рис. 2. Типы распылителей: а — штифтовой распылитель b — дырчатый распылитель

• Штифтовые распылители (однодырчатые ), применяемые в дизельных двигателях с раздельной камерой,
• Дырчатые распылители, применяемые в системах непосредственного впрыска — с единой камерой, сформированной в днище поршня.

В этих двух группах распылителей существуют сотни типов и модификаций, отличающихся между собой по конструкции корпуса и иглы, по размерам и по характеристикам работы.

Проходная (гидравлическая ) характеристика распылителя

Основным параметром распылителя является его проходная (гидравлическая ) характеристика, описывающая изменение проходного сечения в распылителе в зависимости от величины подъёма иглы, и соответственно изменения количества топлива вытекающего из распылителя.

Рис. 3. Проходные характеристики (выдача топлива в зависимости от подъёма иглы) распылителей:

1 — штифтовый обычный распылитель
2 — штифтовый распылитель с дросселем
3 — дырчатый распылитель с малым сечением распыляющих отверстий
4 — дырчатый распылитель с большим сечением распыляющих отверстий

Вид этой характеристики влияет на экономичность (расход топлива), динамику и экологические параметры двигателя (шумность , содержание сажи и токсичных соединений в выхлопных газах).

Проходная характеристика распылителя зависит от конструкции и его размеров, а именно:

• в штифтовых распылителях: от высоты дросселя, зазора дросселя, высоты подъёма иглы и других конструктивных особенностей (диаметра штифта, относительного показателя),
• в дырчатых распылителях от: подъёма иглы, разницы углов конуса иглы и гнезда в корпусе распылителя, относительного показателя, диаметра и глубины колодца, количества, диаметра и длины распыляющих отверстий.

Проходная характеристика штифтового распылителя

Проходная характеристика штифтового распылителя с дроссельным эффектом отличается вытянутым, плоским отрезком дросселирования, определяющим уровень шума и углеводородов и отрезком с крутым подъёмом, влияющим на расход топлива и уровень дымности выхлопных газов.

Плоский участок характеристики зависит от высоты дросселя и величины кругового зазора между отверстием и штифтом на игле, называемой зазором дросселирования. Обычно, высота дросселя составляет, в зависимости от применения распылителя (для легковых пли грузовых автомобилей): от 0,3 до 0,7 мм, а зазор дросселирования — от 0,01 до 0,05 мм.

Для достижения более тихой работы двигателя, облегчения запуска и гарантирования равномерной работы двигателя на холостом ходу применяются распылители, у которых на штифте иглы сделана плоская или косая лыска (раньше для этого в распылителе сверлили дополнительное отверстие, которое во время работы быстро закоксовывалось).

Кроме того, штифт иглы имеет дополнительную фаску для более плавного перехода характеристики распылителя от плоского отрезка к крутому вертикальному. Благодаря этому снижается уровень шума и уменьшаются выбросы углеводородов при малых нагрузках двигателя.

Проходная характеристика дырчатого распылителя

Проходная характеристика дырчатого распылителя отличается, по сравнению с характеристикой штифтового распылителя, намного более резким увеличением проходного сечения при подъёме иглы, что зависит от величины зазора между уплотняющим конусом иглы и краем колодца, разницы углов конусов на игле и в корпусе, а также диаметра распыляющих отверстий. Для уменьшения закоксовывания и выбросов углеводородов, колодец должен быть как можно меньше

Рис. 4. Примеры дырчатых распылителей с различными относительными показателями получающимися при разных диаметрах гнезда:
а — большой относительный показатель 3.5/6 (больше 0,5)-распылитель шумно хрипит во всём диапазоне скоростей рычага пробника b — малый относительный показатель 2.5/6 (меньше 0,5) — распылитель хрипит тихо и мягко, а в некотором диапазоне скоростей рычага хрипение исчезает

Относительный показатель распылителя

Динамические свойства распылителя: скорость подъёма иглы (скорость открывания распылителя), скорость вытекания топлива через распыляющие отверстия и время впрыска, зависят от относительного показателя, являющегося отношением диаметра гнезда к диаметру иглы.

На практике, диаметр гнезда не бывает меньше 2,2 мм, что ограничивало бы подачу топлива к распыляющим отверстиям и ускоряло бы кавитационный износ гнезда распылителя. Диаметр иглы распылителя составляет, в зависимости от размера распылителя:

6 или 5 мм для распылителей типоразмера «S », и соответственно 4,5 или 4 мм — для распылителей типоразмера «Р ».

Наиболее часто встречающиеся соотношения: для распылителей типоразмера «S »: 3/6 и 2,5/6 ; для распылителей типоразмера «Р »: 2/4 и 2,6/4,5

Распылители без колодца

С точки зрения экологичности двигателя, износостойкости называемой, сферической части корпуса распылителя и его звуковых свойств, важным параметром конструкции являются размеры пространства находящегося ниже гнезда распылителя.

Рис. 6. Дырчатые распылители с колодцем и типа «VCO »- без колодца:
а — с цилиндрическим колодцем и полукруглым носиком корпуса распылителя:
1 — край гнезда корпуса распылителя
2 — поверхность гасящего конуса иглы
3 — уплотняющий край иглы
4 — верхушка иглы
5 — распыляющее отверстие
6 — вход распыляющего отверстия
7 — колодец
8 — радиус перехода внешней круглой поверхности в коническую поверхность корпуса распылителя
9 — наружная коническая поверхность корпуса распылителя
10 — уплотняющее гнездо корпуса распылителя
11 — гасящий конус иглы распылителя
b — с цилиндрическим колодцем в коническом носике корпуса распылителя
с — с коническим колодцем в коническом носике корпуса распылителя
d — без колодца

типа VCO, в котором распыляющие отверстия закрываются иглой распылителя

Выпускаются два вида дырчатых распылителей: с колодцем и без колодца- иглой закрывающей входы распыляющих отверстий, находящихся в конической части корпуса распылителя.

Распылители с колодцем могут иметь колодец разной формы (для обеспечения соответствующей износостойкости):

• цилиндрический с полукруглым или коническим окончанием корпуса распылителя,
• конический с коническим окончанием корпуса.

Чем меньше объём колодца, тем меньше в нём остаётся топлива и испаряется после окончания впрыска, и соответственно меньше выбросы углеводородов и склонность распылителя к закоксовыванию распыляющих отверстий.

Новейшие типы распылителей VCO, имеют колодец с минимальным объёмом. Такие распылители имеют, по сравнению с распылителями с колодцем, меньшую износостойкость, поэтому это обычно распылители типоразмера Р с длиной распыляющего отверстия 1 мм и с конической формой окончания корпуса. Игла в этих распылителях имеет дополнительный конус, улучшающий их гидравлические свойства.

Конструкция игл распылителей

В зависимости от типа двигателя, игла распылителя может иметь: окончание в форме цилиндра и конуса, двойной конус. Распылители, применяемые в системах с высоким давлением, например в системе Common Rail, имеют иглу с двойной направляющей, что предотвращает потерю устойчивости иглы, и гарантирует закрывание всех распыляющих отверстий, что важно для создания равномерных струй топлива.

Подъём иглы

Важным параметром, с точки зрения гидравлических свойств распылителя и времени впрыска, является величина подъёма иглы (шаг ). Шаг иглы должен быть как можно меньшим, но достаточным, чтобы проходное сечение через гнездо было на 30% больше суммарного сечения отверстий распылителя. Слишком большой шаг иглы приводит к запаздыванию закрывания распылителя, и нежелательному вытеканию топлива, к прорыву выхлопных газов внутрь распылителя и образованию нагара внутри распылителя. Шаг иглы в штифтовых распылителях, с учётом шага дросселирования, составляет от 0,4 до 1,1 мм, а в дырчатых распылителях намного меньше — от 0,2 до 0,35 мм.

Материалы для распылителей и их тепловая обработка

Распылители во время работы на двигателе подвергаются механическим и тепловым нагрузкам. Это резкие удары иглы об уплотняющий конус в корпусе распылителя с частотой до 10 000 раз в минуту.

Перегрев распылителя (температура возле распыляющих отверстий выше 200 С) приводит к изменению цвета, закоксованию отверстий, заклиниванию иглы.

Поэтому, корпуса распылителей изготавливаются из стальных сплавов, с обработкой азотированием или углеродом, содержащих хром, никель, молибден. Корпуса штифтовых распылителей также изготавливаются из стальных (подшипниковых ) сплавов с закалкой.

Износостойкость и безотказность в эксплуатации распылителя зависит от толщины твёрдого слоя на конусе распылителя. Если твёрдый слой тонкий или вообще отсутствует то износостойкость распылителя будет низкая. Обработка углеродом даёт слой с большей толщиной но с меньшей твёрдостью по сравнению с азотированием, дающим тонкий но более твёрдый слой. Твёрдость после тепло-химической обработки корпуса распылителя на поверхности уплотнительного конуса должна быть не менее 60 HRC.

Распылители дизельных форсунок

Распылитель является одной из важнейших составных деталей среди других элементов в устройстве дизельной форсунки. Распылители могут иметь разное количество распылительных отверстий, отличаться способом регулировки подачи топлива.

Простые дизельные моторы, которые имеют разделенную камеру сгорания, зачастую получают распылитель с одним отверстием и иглой Штифтовый распылитель . Дизельные моторы, которые устроены на основе непосредственного впрыска топлива, оборудованы форсунками с несколькими распылительными отверстиями Без штифтовый распылитель . Число отверстий в таком распылителе колеблется от двух до шести.

Из-за занимаемого положения в камере сгорания распылитель форсунки дизеля постоянно подвергается тепловым и пульсирующим механическим. Игла распылителя за время всей своей жизни совершает более миллиарда ходов (открытие и закрытие). При этом ей необходимо держать давление равное примерно 200 БАРам и более, открывая и перекрывая ток жидкости. Во время эксплуатации распылитель изнашивается: его рабочие поверхности меняют геометрическую форму. При анализе состояния поверхностей, которые отработали свой ресурс, выяснилось что

основными видами износа, в результате которых распылитель теряет свою способность работать явились:

1. Износ корпуса и уплотнительных конусов иголки;
2. Износ направляющих цилиндрических поверхностей корпуса и иголки;
3. Образование «заусениц» на торце иглы.

В подавляющем большинстве случаев на срок службы распылителя влияет первый из перечисленных видов. Износы уплотнительных конусов распылителей приводят к изменению точек контакта поверхностей и увеличивают гидравлическое сопротивление самих распылителей. Уплотнительные конусы иголок начинают прикасаться к корпусам распылителей не верхними кромками, а всей поверхностью. Это приводит к тому, что в моменты впрыскивания, попадающему к сопловым отверстиям распылителя дизтопливу, требуется преодолеть сужающееся кольцевидное пространство. Топливная жидкость теряет свою энергию, тратя её на преодоление трения о стенки коридора, и попадает в камеру сгорания не в виде тумана, а разнокалиберными струйками. Процесс смесеобразования постепенно нарушается и топливная жидкость начинает сгорать не полностью, а двигатель начинает дымить и теряет мощность.

Места характерных износов распылителя

Второй вид износа ведёт к существенному уменьшению гидравлической плотности распылителя. И при появлении чрезмерного зазора между работающими поверхностями значительная часть топлива, направляемая насосом высокого давления в цилиндр для сгорания, уходит через обратный трубопровод в бак топливной жидкости автомобиля, что ведёт к нарушению расчетных параметров, применяемых в отношении двигателя. В первую очередь двигатель станет неустойчиво работать на оборотах вхолостую.

Третий вид износа может стать причиной заклинивания иглы в корпусе распылителя и привести к его аварийной остановке. При анализе вышеизложенных причин образования износов напрашиваются выводы:

• Причину появления «заусениц» на торце иглы распылителя следует связывать с пластической деформацией металла, которая появляется вследствие циклических нагрузок (удары иглы о деталь, которая ограничивает высоту её же подъема). Это является следствием низкого качества материала иглы.
• Износ направляющих цилиндрических поверхностей иглы и корпуса распылителя носит в себе абразивный характер. Эти поверхности изнашиваются вследствие попадания в зазор между ними мелких частичек. Наиболее сильно поверхности изнашиваются в их нижней части, т.к. по мере нисходящего движения по зазору абразивные частицы постепенно разрушаются и перестают царапать поверхности. Вышеописанный вид износа не присутствует на распылителях автомобилей, имеющих хорошую систему очистки топливной жидкости.
• Механизм износа, касающийся уплотнительных конусов более сложен. Причиной их износа можно считать кавитацию. В местах нахождения уплотнительных поверхностей распылителя дизтопливо проходит через достаточно сильно суживающееся пространство, где скорость (v) его течения резко возрастает, а давление (р), по закону Бернулли, падает. Топливная жидкость в этих местах закипает, то есть образуется очень большое количество микропузырьков. Эти микропузырьки в момент прекращения потока жидкости захлопываются, потому что давление (р) в рассматриваемом объеме (V) резко возрастает. Теоретические основы этого явления широко известны и описаны в литературе. В процессе захлопывания пузырьки создают в своих микрообъемах огромное давление (р) и те из пузырьков, которые оказываются непосредственно на границе объема постепенно разрушают мельчайшие частицы металла. Усилителем (катализатором) этого явления становится наличие в дизтопливе микрочастичек воды. Вода катализирует вредное влияние кавитации в связи с тем,что её температура закипания значительно ниже, чем у фракций дизтоплива, и образование мелких пузырей происходит гораздо более интенсивно. Абсолютно устранить влияние кавитации (см.выше) на разрушение уплотнительных поверхностей распылителя почти невозможно. Вредные последствия данного явления можно лишь свести к минимуму применением для производства распылителей высококачественных и высокопрочных материалов, а также использованием хорошо очищенного дизтоплива.