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:
da — диаметр штифта
dm— диаметр распыляющего отверстия штифтового распылителя
hd — ход дросселя
Ld = dot— da — зазор дросселя
а — угол распыла струи
а — угол конического гнезда& — диаметр иглы
d — диаметр гнезда
h — ход иглы
ds — диаметр колодца
I, — длина колодца
di — диаметр распыляющих отверстий дырчатого распылителяI — длина распыляющего отверстия (i — угол впрыска g — угол наклона впрыска 1е— 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.
