Распылитель впрыскивает топливо в камеру сгорания дизеля, существенно влияя как на образование топливовоз­душной смеси и на процесс ее сгорания, так и на мощность двигателя, состав отработавших газов и уровень шума. Чтобы распылители оптимально выполняли свои задачи, их конструкция должна быть адаптирова­на к конкретной модели дизеля.

Распылитель играет важную роль:

• В формировании процесса впрыскива­ния, т. е. тачном протекании давления и распределении подачи по углу поворо­та коленчатого вала (закон подачи);
• В оптимальном распиливании и распределении топлива в камере сгорания;
• В герметичном разъединении сис­темы питания и камеры сгорания при прекращении подачи.

 

Из-за своего положения в камере сго­рания распылитель постоянно подвергает­ся пульсирующим механическим и тепло­вым нагрузкам со стороны двигателя и си­стемы впрыска. Проходящее через распы­литель топливо одновременно охлаждает ею, однако в режиме проворачивания, ко­гда впрыскивание не производится, темпе­ратура распылителя сильно повышается, поэтому его термостойкость должна соот­ветствовать и этому рабочему режиму.

При использовании систем впрыска с рядными, распределительными и инди­видуальными ТНВД распылители с кор­пусами насос-форсунок устанавливаются на двигателе (рис. «Распылитель как устройство соединения системы впрыска и дизеля»). В системах насос­-форсунок, а также в аккумуляторной сис­теме Common Rail распылитель интегри­рован в насос-форсунку. Отдельный кор­пус форсунки в этом случае не требуется.

Для двигателей с разделенными каме­рами сгорания применяют штифтовые, а при непосредственном впрыске топлива — бес штифтовые распылители. Современные дизели с большей мощностью и понижен­ным расходом топлива оснащаются только бес штифтовыми распылителями.

Момент открытия распылителя под действием давления топлива, продолжи­ тельность и характер процесса впрыски­вания определяют, по существу, величину подачи топлива. Если давление снижает­ся, распылитель должен быстро и надеж­но закрыться. Давление закрытия должно превышать максимальное давление сго­рания смеси в камере сгорания минимум на 40 бар, чтобы предотвратить нежела­тельные подвпрыски топлива или про­никновение газообразных продуктов сго­рания в магистраль высокого давления.

Распылитель должен быть согласован с различными параметрами двигателя, такими как:

• Процесс сгорания;
• Форма камеры сгорания;
• Форма и направление факела топ­лива;
• «Пробивная способность» и дис­персность распыливания факела топлива;
• Продолжительность впрыскивания;
• Величина подачи топлива по граду­сам угла поворота коленчатого вала.

 

Стандартизация размеров и парамет­ров деталей систем впрыска при миниму­ме вариантов отдельных частей позволя­ет получить необходимую гибкость в их комплектации.

 

Размеры деталей системы впрыска дизельного топлива

 

Мир дизельного впрыскивания — это мир минимальных размеров и максимальных нагрузок.

Игла распылителя двигателя грузового ав­томобиля за время своей «впрыскиваю­щей жизни» совершает более 1 млрд хо­дов открытия и закрытия. Она способна «держать» давление до 2050 бар и при этом обязана противостоять:

• Ударным нагрузкам быстрых открытий и закрытий (у легкового автомобиля это происходит до 10 000 раз/мин при осу­ществлении предварительных и допол­нительных впрыскиваний):
• Высокому давлению потока топлива при впрыскивании;
• Давлению и температуре в камере сго­рания.

 

Ниже приводятся некоторые примеры то­го, что способны выдержать современные форсунки.

В носике распылителя создается давле­ние до 2050 бар. Для наглядности можно представить, что такое давление возник­нет если на ноготь пальца руки наедет легковой автомобиль высшего класса. Продолжительность впрыскивания соста­вляет 1-2 мс. За 1 мс звуковая волна про­ходит расстояние лишь около 33 см от сво­его источника.

 

 

Величина цикловой подачи топлива варь­ируется в следующих пределах:

• На легковом автомобиле — от 1 мм³ (предварительное впрыскивание) до 50 мм³ (подача при полной нагрузке);
• На грузовом автомобиле — от 3 мм³ (предварительное впрыскивание) до 350 мм³ (подача при полной нагрузке).

 

1 мм³ соответствует объему половины бу­лавочной головки. 350 мм³ составляют 12 больших дождевых капель (30 мм³ на кап­лю). Это количество продавливается в те­чение 2 мс со скоростью 2000 км/ч через отверстие площадью поперечного сече­ния меньшей, чем 0,25 мм².

Зазор между направляющей частью кор­пуса и иглой распылителя составляет 0,002 мм (2 мкм). Человеческий волос в 30 раз толще (0,06 мм).

Обеспечение такой работоспособности требует высочайшего уровня конструктор­ских, технологических и производствен­ных работ, а также применения современ­нейших конструкционных материалов и измерительной техники.

 

Штифтовые распылители

 

Штифтовые распылители применяются для двигателей, которые работают по предкамерному или вихре-камерному процессу, т. е. имеют разделенные каме­ры сгорания. В этих двигателях топливо­воздушная смесь образуется преимуще­ственно за счет энергии воздушного вихря. Форма струи топлива также мо­жет влиять на этот процесс. Для двигате­лей с непосредственным впрыском топ­лива штифтовые распылители не подхо­дят, так как пики давления не вовремя открыли бы топливу доступ через рас­пылитель в камеру сгорания. Сегодня применяются следующие модификации штифтовых распылителей:

• Стандартные;
• Дросселирующие;
• С лыской.

 

Устройство и принцип действия

 

Устройство всех модификаций штифто­вых распылителей практически одинако­во. Различие составляет геометрия нако­нечника штифта 7 (рис. «Стандартный штифтовой распылитель»). В корпусе рас­пылителя сидит игла 3 распылителя. Она прижимается пружиной и низший кор­пуса форсунки с силой F_D и перекрывает, таким образом, выход топлива в камеру сгорания. Поднимающееся давление в ка­мере 5 давит на иглу распылителя через поясок 6 вверх (F_D). Штифт освобождает отверстие 8 распылителя, и топливо впрыскивается (распылитель открыт, давление открытия 110-170 бар). Когда давление падает, распылитель снова за­крывается. Открытие и закрытие распы­лителя регулируются давлением в каме­ре 5 распылителя.

 

Модификации

 

Стандартный штифтовой распылитель

 

Игла 3 распылителя (рис. «Стандартный штифтовой распылитель») имеет на сво­ем конце штифт 7, который с незначи­тельным зазором двигается в отверстии 8 корпуса распылителя. Подбирая размеры и форму штифта, можно изменять фор­му струн топлива в соответствии с по­требностями двигателя.

 

Дросселирующий штифтовой распылитель

 

Штифтовой распылитель с особой фи­гурной формой штифта — это дроссели­рующий штифтовой распылитель. Кон­тур штифта задает закон впрыскивания. Сначала при открытии игла распылителя освобождает лишь очень тесную кольце­вую щель, которая пропускает небольшое количество топлива (действие дросселя).

Когда с увеличением давления топли­ва игла поднимается выше, поперечное сечение кольцевой щели увеличивается. Только к концу хода иглы в камеру сгора­ния впрыскивается основная часть топ­лива. Формирование процесса впрыски­вания позволяет реализовать более мяг­кий процесс сгорания, так как давление в камере сгорания поднимается медленнее. Таким образом, в области частичных на­грузок снижается уровень шума сгора­ния. Это означает, что форма штифта вместе с кольцевой щелью и характери­стикой нажимной пружины в корпусе форсунки задают желаемый режим впрыскивания.

 

Распылитель с лыской

 

Штифтовой распылитель с лыской (рис. 3) получил свое название из-за плоской шли­фованной лыски на штифте, которая при открытии (при незначительном подъеме иглы) освобождает канал для течения топ­лива, дополняющий кольцевую щель. В этой области уменьшаются отложения из- за повышенного объемного расхода, по­этому штифтовые распылители с лыской коксуются меньше и равномернее. Коль­цевая щель между отверстием распылите­ля и штифтом очень маленькая (<10 мкм). Шлифованная лыска часто расположена параллельно оси иглы распылителя. С ро­стом угла наклона шлифовки расход топлива Q может сильнее увеличиваться на начальной части кривых (рис. 4). Таким образом, получается более мягкий переход расхода топлива до полного открытия форсунки. С помощью специальной фор­мы как радиусной, так и плоской части профиля можно приспособить характери­стику расхода под требования конкретно­го дизеля. Вследствие этого уменьшается уровень шума двигателя на режиме час­тичных нагрузок и улучшаются ходовые качества автомобиля.

 

Рис. Распылитель с лыской на штифте  а — вид сбоку; b — вид спереди (повернуть на 90о) 1. Седло иглы; 2. Торец корпуса распылителя; 3. Дросселирующая часть штифта; 4. Лыска; 5. Отверстие распылителя; 6. Спрофилированная часть штифта; 7. Общая поверхность контакта; 8. Цилиндрическая часть поверхности контакта; 9. Седло корпусе распылителя.

Рис. Расход топлива как функция хода иглы 1. Дросселирующий штифтовой распылитель; 2. Штифтовой распылитель с лыской (дросселирующий штифтовой распылитель с лыской) AQ — разность расходов топлива с подобранной лыской

 

Теплозащита

 

Температура более 220°С вызывает силь­ное закоксовывание форсунки. Бороться с этим помогают теплозащитные втулки или защитные шайбы (рис. «Теплозащитная втулка» ), которые отводят поступающее из камеры сгора­ния тепло к головке блока цилиндров.

 

Бесштифтовые распылители

 

Бесштифтовые распылители использу­ются на дизелях с непосредственным впрыском топлива. Место установки рас­пылителя определяется в большинстве случаев конструкцией двигателя. Распо­ложенные под различными углами отвер­стия распылителя должны быть направ­лены в камеру сгорания под оптимальны­ми углами (рис. «Расположение бесштифтового распылителя в камере сгорания»). Бесштифтовые распы­лители разделяются на:

• С под игольным объемом;
• С перекрытием отверстий.

 

Кроме того, бес штифтовые распыли­тели делятся по величине на:

• Тип Р с диаметром иглы 4 мм (бес штифтовые распылители с под и­гольным объемом и перекрытием отверстий);
• Тип S с диаметром иглы 5 и 6 мм (бес штифтовые распылители с под игольным объемом для больших двигателей).

 

В насос-форсунке, равно как и в агрега­тах системы Common Rail, бес штифтовой распылитель интегрирован в форсунку, одновременно являясь частью ее корпуса. Давление открытия бес штифтовых рас­пылителей лежит в пределах 150-350 бар.

 

Устройство

 

Впрыскивающие отверстия 6 (рис. «Конструкция бесштифтового распылителя с под игольным объемом») вы­ходят на поверхность вершины 7 распы­лителя. Количество и диаметр отверстий зависят от:

• Необходимой величины подачи;
• Формы камеры сгорания;
• Параметров воздушного вихря в камере сгорания.

 

Диаметр отверстий внутри распыли­теля несколько больше, чем снаружи. Это различие влияет на характер дымности и определяется коэффициентом поглоще­ния k. Входные кромки отвер­стий могут быть скруглены. В местах с высокими скоростями течения топлива (входы отверстий) кромки скругляются гидро-эрозионной обработкой в среде, со­держащей абразивные частицы. Такая об­работка может применяться для обоих видов бес штифтовых распылителей, при этом ее целью являются:

• Оптимизация коэффициента рас­хода топлива;
• Уменьшение износа кромок, кото­рый вызывают абразивные части­цы в топливе;
• Сужение допусков производитель­ности.

 

Параметры распылители должны быть тщательно согласованы с характеристика­ми двигателя. При этом учитываются:

• Дозирование впрыскивания (про­должительность впрыскивания и закон подачи);
• Подготовка топлива (количество и форма факелов, а также распили­вание факела топлива);
• Распределение топлива в камере сгорания;
• Герметизация соединения форсун­ки и камеры сгорания.

 

Камера 10 высокого давления изгота­вливается методом электрохимической обработки металла. В обрабатываемый корпус распылителя вводится электрод, который находится в растворе электро­лита. При этом частицы материала выры­ваются из электрически положительно заряженного корпуса распылителя (анод­ное растворение).

 

Модификации распылителей

 

Топливо в под игольном объеме (ниже седла иглы распылителя) испаряется по­сле завершения процесса сгорания заря­да в камере сгорания и приводит тем са­мым к существенному повышению уровня эмиссии углеводородов (СН). Поэтому важно, чтобы эти объемы (ос­таточные или вредные) были как можно меньше. Кроме того, геометрия седла иг­лы и форма вершины распылителя име­ют решающее влияние на характеристи­ки открытия и закрытия распылителя, что сказывается на уровнях эмиссии са­жи и NO_x.

С учетом этих факторов, в зависимо­сти от параметров двигателя и системы впрыска, изготавливают различные мо­дификации распылителей.

Как уже говорилось выше, существу­ют бесштифтовые распылители с под игольным объемом и перекрытием отвер­стий.

 

Бесштифтовой распылитель с под игольным объемом

 

Такие распылители изготавливаются в разных вариантах и разного размера. От­верстии о штифтового распылители (рис. «Конструкция бесштифтового распылителя с под игольным объемом») расположены по окружности под игольного объема.

Цилиндрические отверстия распыли­теля в зависимости от технологии обра­батываются механическим или электро­эрозионным способом. Конические от­верстия изготавливаются в основном электроэрозионной обработкой.

Бесштифтовой распылитель с ци­линдрическим глухим отверстием под игольного объема и сферической вер­шиной (рис. «Конструкция носка бесштифтового распылителя с цилиндрическим под игольным объемом и полусферической вершиной» ), который состоит из ци­линдрической и полусферической час­тей, дает большую свободу выбора та­ких параметров, как число и длина от­верстий, а также угол конуса расположе­ния осей отверстий. Вершина распыли­теля имеет форму полусферы, что вме­сте с формой глухого отверстия под игольного объема распылителя обеспе­чивает одинаковую длину отверстий распылителя.

Бесштифтовой распылитель с цилинд­рическим глухим отверстием под игольного объема и конической вершиной (рис. «Вершины распылителей» а) име­ет длину соплового отверстия от 0,6 мм. Применение конической формы вершины повышает ее прочность из—за увеличения толщины стенки между радиусом 3 галтели и седла 4 корпуса распылителя.

Бесштифтовой распылитель с кони­ческим глухим отверстием под игольного объема и конической вершиной (рис. «Вершины распылителей» b) имеет меньший остаточный объем, чем распылитель с цилиндрическим отвер­стием. Этот остаточный объем по вели­чине находится между объемами бесштифтового распылителя с отверстиями на посадочной поверхности и бес штифтового распылителя с цилиндрическим глухим отверстием под игольного объе­ма. Для того чтобы получить равномер­ную толщину стенки вершины, послед­няя выполнена с эквидистантной кони­ческому глухому отверстию под игольно­го объема наружной поверхностью.

 

 

Более совершенной модификацией является бес штифтовой распылитель с под игольным микрообъемом (рис. «Вершины распылителей» с). Ос­таточный объем сокращен приблизи­тельно на 30% по отношению к обычно­му бес штифтовому распылителю. Распы­литель с под игольным микрообъемом особенно хорошо сочетается с системой Common Rail, которая характеризуется относительно медленным подъемом иг­лы и вместе с тем сравнительно длитель­ным дросселированием при открытии. Такой распылитель для системы Common Rail представляет собой самый хороший компромисс между незначительным ос­таточным объемом и равномерным рас­пределением топливных факелов.

 

Бесштифтовой распылитель с перекрытием отверстий

 

Для того чтобы минимизировать оста­точные объемы и вместе с ними уровень эмиссии СН, входы отверстий распыли­теля располагаются на седле корпуса. При закрытом распылителе его игла перекры­вает отверстия так, что непосредственная связь между под игольным объемом и ка­мерой сгорания прекращается (рис. «Вершины распылителей» d). Бес штифтовые распылители с отверстия­ми на седле имеют низкий предел нагруз­ки и поэтому изготавливаются с длиной отверстия распылителя от 1 мм. Форма вершины распылителя коническая. От­верстия распылителя обрабатываются в основном электроэрозионным способом.

Специальная форма отверстий распы­лителя, двойная направляющая иглы или сложная геометрия носка иглы дополни­тельно улучшают в распылителях с сопло­выми отверстиями на седле распределение факелов топлива и образование смеси.

 

Теплозащита

 

У бесштифтовых распылителей верхняя граница температур лежит на уровне 300°С (такова термостойкость материа­ла). Для особенно тяжелых условий при­меняются защитные гильзы, а на круп­ных дизелях используются даже охлажда­емые форсунки.

 

Влияние на уровень эмиссии вред­ных веществ

 

Геометрия распылителя оказывает влия­ние на уровень эмиссии вредных веществ следующим образом:

• Форма 1 отверстий распылителя (рис. «Важнейшие элементы геометрии распылителя») влияет на содержание твер­дых частиц и уровень эмиссии NO_x;
• Форма 2 седла влияет на уровень шума работы дизеля, поскольку от нее зависит количество топлива, подаваемого в начале впрыскива­ния.

 

При оптимизации формы отверстии распылителя и седла основной целью яв­ляется создание надежной конструкции, технология изготовления которой обес­печивает наименьшие допуски размеров.

 

Рис. Важнейшие элементы геометрии распылителя.  1. Форма отверстия распылителя; 2. Форма седла; 3. Форма глухого под игольного объема.

Рис. Высокоскоростная съемка процесса впрыскивания топлива в цилиндр дизеля легкового автомобиля

 

Форма 3 глухого отверстия под игольного объема влияет, как уже упомина­лось, на уровень эмиссии СН. Из вариан­тов распылителей конструктор может выбирать оптимальное сочетание пара­метров для конкретного автомобиля.

Очень важно, чтобы распылители точно соответствовали параметрам дви­гателя и системы впрыска. На станциях технического обслуживания, чтобы не ухудшать мощность дизеля и уровень эмиссии отработавших газов, должны использоваться только оригинальные запасные части.

 

Формы факелов топлива

 

Факел топлива, попадающего из распы­лителя в камеру сгорания, на дизелях лег­ковых автомобилей имеет длинную и тонкую форму, поскольку в этих двигате­лях происходит сильное вихреобразование. На дизелях грузовых автомобилей, наоборот, вихрь в камере сгорания сла­бый, поэтому факел короткий и объем­ный. Факелы топлива при любых услови­ях не должны пересекаться, иначе смесе­образование будет происходить там, где сгорание уже произошло, и воздуха будет недостаточно. В результате, возможно об­разование излишнего количества сажи.

Бесштифтовые распылители для лег­ковых автомобилей имеют до шести, а для грузовых — до десяти сопловых от­верстий. Целью совершенствования кон­струкции распылителей является увели­чение числа отверстий с одновременным уменьшением их диаметра (<0,12 мм), чтобы обеспечить как можно более тон­кое распиливание топлива.

 

Дальнейшее развитие конструкции распылителей

 

Ввиду совершенствования конструкций двигателей и систем впрыска с более слож­ными функциональными характеристи­ками (например, многократный впрыск) необходима постоянная модернизация распылителей. Имеется много отправных точек для дальнейшего развития дизелей вообще, и конструкции распылителей в частности. Самыми важными задачами являются:

• Минимизация уровня эмиссии ток­сичных веществ, чтобы уменьшить затраты на дорогие системы очист­ки отработавших газов, критичные в отношении их утилизации (например, сажевый фильтр) или избежать их вовсе;
• Минимизация расхода топлива;
• Снижение уровня шума работы двигателя.

 

Для совершенствования распылителя по основным направлениям (рис. «Основные направления совершенствования конструкции распылителей») ис­пользуются различные методы разработ­ки. Конструкционные материалы, из которых делаются распылители, посто­янно совершенствуются для достижения более высокой долговечности и работоспособности. Необходимость обеспече­ния многофазного впрыскивания также влияет на конфигурацию распылителя.

Возможность применения альтерна­тивного топлива влияет на вид распыли­теля из-за изменения вязкости и совер­шенно иного поведения потока топлива.