| Форсунка непосредственно влияет на процесс сгорания в дизельном двигателе, и соответственно на лёгкость запуска, на мощность, динамику, расход топлива, а также на уровень вредных выбросов и шум.
Обычно, на практике, форсунка ассоциируется с хорошим распылением топлива в камере сгорания двигателя и плотным закрытием после окончания впрыска.
Именно эти параметры чаще всего контролируются дизельными сервисами.
Правильная оценка функций форсунки, это также и проверка:
- внутренней плотности форсунки, влияющей на величину дозы топлива, впрыснутой в камеру сгорания
- плотности монтажа форсунки в головке блока цилиндров, обеспечивающей герметичность камеры сгорания.
Величину дозы топлива впрыснутой в камеру сгорания определяют количество и диаметр распыляющих отверстий распылителя, а также давление и время впрыска.
Максимальное давление топлива в распылителе во время впрыска, в зависимости от топливной системы и типа распылителя, составляет 120 - 200 МПа, а время впрыска около 1 - 2 миллисекунды.
От протекания впрыска топлива (насыщения вытекающего топлива в зависимости от оборота коленвала) зависит шумность работы двигателя, выбросы сажи, содержание окислов азота и углеводородов в выхлопных газах.
Типы форсунок
Форсунка со штифтовым распылителем в вихревой камере дизельного двигателя.
Форсунка со штифтовым распылителем в форкамере дизельного двигателя.
Форсунка с дырчатым распылителем в камере сгорания дизельного двигателя с непосредственным впрыском.
Форсунки со штифтовыми распылителями применяемые в легковых автомобилях:
(А) закрепляемая с помощью прижимного хомута;
(В) закручиваемая с термошайбой прижимаемой в отверстии головки блока;
(С) закручиваемая с термошайбой в экране размещённом под гайкой распылителя.
Форсунки различаются по конструкции корпуса, по типоразмеру применяемого распылителя и по способу управления открытием распылителя.
В зависимости от системы впрыска различают форсунки со штифтовыми распылителями, применяемыми в форкамерных двигателях, и с дырчатыми распылителями, применяемыми в двигателях с непосредственным впрыском топлива.
В зависимости от способа управления открытием распылителя: стандартные форсунки - с одной пружиной, форсунки двухпружинные, форсунки с датчиком положения иглы распылителя и форсунки, управляемые электромагнитным клапаном или пьезо¬электрическим элементом.
Кроме того, конструкция корпуса форсунки зависит от способа установки ее в головке блока: с помощью фланца, прижимного хомута, прижимной гайки или непосредственно, вворачивая корпус в отверстие головки блока.
Способы крепления форсунок в головке блока:
(А) с помощью прижимного хомута (1) либо фланца, форсунка (2) крепится к головке блока (3);
(В) непосредственное крепление - закручиванием по резьбе (2) корпуса (1) в головке блока (3) - корпус типа КС;
(С) с помощью прижимной гайки (1) с пальцем (2) направляющим корпус - корпус типа KD;
Конструкция форсунок
Разнообразность конструкторских решений головок блока и камер сгорания требует применения различных конструкций форсунок, которые с точки зрения регулировки давления открытия можно разделить на три группы:
1 - форсунки с регулировкой давления открытия с помощью винта (т.н. форсунки с плавной регулировкой давления), применяемые в старых двигателях;
2 - форсунки с регулировкой давления открытия регулировочными шайбами;
3 - форсунки с электронной регулировкой давления открытия, например форсунки системы Common Rail.
Форсунки с регулировкой давления с помощью шайб
Современные форсунки это чаще всего форсунки с регулировкой давления с помощью шайб - пружина размешена в нижней части форсунки, возле распылителя. Такое решение существенно уменьшает размеры грибка форсунки, который одновременно выполняет роль опоры пружины, а также уменьшает размеры пружины, что уменьшает массу подвижных частей. Вверxy пружина соприкасается с шайбами, которые служат для регулировки давления открытия.
Впрыск происходит тогда, когда давление топлива преодолеет силу пружины и поднимет иглу распылителя.
Для штифтовых распылителей устанавливается 11 - 14 МПа (17,5 МПа для двигателей с турбонаддувом), а для дырчатых распылителей: 15 - 30 МПа.
Составные части форсунок с регулировкой давления с помощью шайб:
1 - корпус форсунки; 2 - регулировочная шайба; 3 - пружина; 4 - грибок; 5 - проставка; 6 - дырчатый распылитель; 7 - гайка распылителя; 8 - уплотнительная шайба
Очень важную роль в форсунках с регулировкой давления с помощью шайб выполняет проставка, находящаяся между корпусом форсунки и корпусом распылителя. Основные ее функции:
- ограничивает ход иглы распылителя,
- соединяет канал высокого давления в корпусе форсунки с топливным каналом в распылителе,
- закрывает камеру пружины,
- в форсунках с дырчатыми распылителями служит для расположения штырьков, определяющих положение распылителя в форсунке.
Поверхности проставки выполнены с высокой точностью и должны быть идеально плоскими, гладкими и параллельными.
Толщина проставки в форсунках с распылителями типоразмера „S" составляет 5-9 мм, а её меньший диаметр равен диаметру фланца распылителя - 17 мм (распылитель „S") или 14,3 мм (распылитель „Р").
Проставка имеет два штырька, изготовленных из стального прутка диаметром 1,8 - 3 мм, или так называемые распорные штырьки.
Наиболее распространённая конструкция форсунки - это конструкция, в которой корпус изготовлен из стального прутка, тянутого или точёного.Большинство форсунок изготавливается (согласно ISO 2699-1983 i ISO 3539-1975), в трёх типоразмерах, с диаметрами корпусов форсунок: 17,21 и 25 мм.
Форсунки со штифтовыми распылителями типоразмера „S" чаще всего имеют диаметр корпуса 21 мм, а с дырчатыми распылителями типоразмера „Р" - диаметр 17 или 21 мм.
В канале высокого давления в корпусе форсунки есть щелевой фильтр, задерживающий загрязнения в топливе.
Ч-образные форсунки
Оригинальную конструкцию имеют форсунки с диаметром корпуса 9,5 мм, так называемые Ч-образные форсунки, производимые только одной американской фирмой - STANADYNE. Они комплектуются чаше всего дырчатыми распылителями с диаметром 5,4 mm. В форсунках STANADYNE регулируется ход иглы и, с помощью регулировочного винта, давление открытия распылителя.
Такие форсунки применяются в двигателях Ford с непосредственным впрыском и в двигателях фирмы John Deer.
Форсунка Ч-образная STANADYNE с коротким дырчатым распылителем типа "Tip" и удлиненным - типа "Slim Tip":
1 - тефлоновый уплотнитель предохраняющий от прорыва продуктов сгорания и сжатого воздуха; 2 - корпус форсунки; 3 - нейлоновый уплотнитель предохраняющий от воды и загрязнений; 4 - направляющая иглы распылителя; 5 - регулировка давления открывания; 6 - регулировка хода иглы; 7 - патрубок; 8 - элемент щелевого фильтра;
1 (B) - закрепляющий хомут; 2 (B) - проставка; 3 (B) - пластинка определяющая положение форсунки.
Двухпружинные форсунки
Для снижения уровня шума в двигателях с непосредственным впрыском, особенно на холостом ходу, применяются двухпружинные форсунки со "слабой" пружиной, жёсткость которой определяет, так называемый, предварительный впрыск распылителя, и пружиной "мощной", которая определяет полное открытие распылителя. Во время впрыска, игла сначала приподнимается на небольшую высоту, даёт возможность впрыснуть небольшое количество топлива, а когда давление в распылителе увеличится, игла поднимается на полный ход и происходит впрыск основного количества топлива.
Давление "1" открытия распылителя регулируется и проверяется как и в форсунках с одной пружиной. Давление "2" открытия распылителя это сумма предварительного напряжения пружины мощной и пружины слабой. Слабая пружина поддерживается опорной втулкой, которая определяет предварительный ход иглы распылителя (так же, как втулка в форсунках с одной пружиной), составляющий от 0,03 до 0,06 мм. Вместе с ростом давления топлива в форсунке, опорная втулка начинает подниматься, разрешая дальнейшее движение иглы распылителя вверх.
Очень важно выдержать соответствие давлений открытия форсунки, например: 130 и 180 бар, а также величину предварительного хода.
В двухпружинных форсунках устанавливаютя распылители типоразмера "Р", с иглой без верхнего штифта, а опорная плоскость находится в плоскости проставки форсунки.
Двухпружинная форсунка:
1- корпус форсунки, 2 и 9- регулировочные шайбы, 3 - мощная пружина, 4 - грибок мощной пружины,
5 - шайба, направляющая толкатель форсунки, 6 - слабая пружина, 7 - толкатель форсунки, 8 - грибок слабой пружины, 10 - проставка, 11 - опорная втулка, 12 - игла распылителя, 13- гайка распылителя, 14 - распылитель;
h1 - предварительный ход;
h2- основной ход;
(B) сравнение графика подъёма иглы:
а - в стандартной форсунке, с одной пружиной, b - в двухпружинной форсунке
Двухпружинные форсунки можно встретить на двигателях с форкамерами и с вихревыми камерами.
Форсунки с датчиком подъема иглы
С целью точного определения начала впрыска, определяющего оптимальную работу двигателя, в системах впрыска с электронным управлением применяются одно и двухпружинные форсунки с датчиком подъёма иглы. Этот индукционный датчик, питаемый током низкого напряжения, состоит из катушки, в которой размещён толкатель, являющийся продолжением грибка форсунки. Движение иглы, передаваемое через грибок форсунки, вызывает изменение магнитного потока и индуктирует сигнал, амплитуда которого зависит от скорости движения иглы.
При проверке датчика осциллографом, его необходимо запитывать от внешнего источника, так как в противном случае амплитуда сигнала будет слишком мала. Исправность электрических цепей проверяется омметром. Сопротивление катушки должно быть в пределах 80 - 120 Ом.
Форсунка с датчиком подъёма иглы:
1 - датчик положения иглы, 2 - индукционная катушка, 3 - толкатель, 4 - кабель, 5 - разъём;
(B) график электрического сигнала с датчика положения иглы:
1 - действительного
2 - обработанного
Форсунки Common Rail
В системах впрыска Common Rail применяются форсунки управляемые не давлением топлива, а электрическим импульсом с напряжением 80 В. Высокое напряжение позволяет увеличить скорость срабатывания электромагнитного клапана (время открытия около 0,3 миллисекунды), что повышает точность параметров впрыска.
Конструкция форсунки Common Rail показана на рисунке. Электрический сигнал непосредственно не поднимает иглу, а открывает шариковый клапан, что вызывает изменение давлений внутри форсунки - тогда сила действующая на управляющий поршень форсунки меньше чем давление топлива в камере давлений распылителя, действующего на пружину распылителя, что вызывает открытие распылителя и впрыск топлива.
Когда отсутствует электрический сигнал, игла распылителя удерживается в закрытом положении с помощью пружины. Давление топлива в камере давлений распылителя, стремящееся открыть распылитель, уравновешивается давлением действующим на управляющий поршень в форсунке. То есть, в форсунках Common Rail, инициация начала впрыска - электрическая, а движение иглы обеспечивается давлением топлива.
Схема действия форсунки в системе Common Rail:
(a) форсунка в закрытом состоянии - давление топлива в управляющей камере над управляющим поршнем выше чем давление в камере распылителя:
1 - катушка электромагнита, 2 - сердечник электромагнита, 3 - шариковый клапан, 4 - управляющая камера, 5 - игла распылителя, 6 - распыляющие отверстия;
(B) форсунка в открытом состоянии - открывание управляющего клапана после срабатывания электромагнита приводит к тому, что давление топлива в камере давления распылителя превышает давление в управляющей камере;
© фаза закрывания форсунки - прерывание электрического сигнала приводит к тому, что возрастает давление в упраляющей камере над управляющим поршнем.
Новое поколение форсунок Common Rail
Новое поколение форсунок Common Rail отличается применением миниатюрных электромагнитных клапанов, расположенных в непосредственной близости от иглы распылителя, уменьшая тем самым инерционость подвижных частей форсунки и её габариты.
Для разделения процесса впрыска на несколько фаз, что при применении электромагнитного клапана затруднено, учитывая его инерционность, вместо электроклапана в форсунке Common Rail используется пьезоэлектрический элемент.
Пьезоэлектрический эффект основывается на очень быстром, длящемся доли миллисекунд, изменении размеров кристалла кварца под действием приложенного электрического заряда. Разряд электростатического напряжения возвращает кристалл к исходным размерам.
В пьезоэлектрических форсунках Common Rail пьезоэлемент состоит из более чем ста слоев кристаллов и удлиняется на 0,04 мм, что достаточно для реализации многофазного (ступенчатого) впрыска топлива: начальной, предварительной дозы, и главной.
Чтобы разброс дозы был небольшим (ок. 0,5 мм3/впрыск) для начальной дозы 1,5 мм3/впрыск, и чтобы вытекание топлива из всех распыляющих отверстий было одинаковым, игла распылителя выполняется с дополнительной направляющей - ниже камеры давлений.
Форсунка Common Rail второго поколения с пьезоэлектрическим элементом: 1 - отвод перелива топлива; 2 - подвод топлива под высоким давлением; 3 - пьезоэлектрический элемент; 4 - управляющий поршень; 5 - управляющий клапан; 6 - гайка распылителя
|
