Меню раздела

Конструкция и расчет форсунок


Форсунки предназначены для введения топлива в камеру сгорания, при этом они должны обеспечивать оптимальные с точки зрения выбранных условий смесеобразования длину топливной струи, мелкость распыливания, равномерность распределения топлива по камере сгорания, а также высокие давления впрыскивания, включая начало и конец процесса. Кроме того, форсунки должны быть просты, иметь минимальные размеры и массу движущихся частей, низкую стоимость и высокую надежность. Требование к габаритам связано с ограниченностью свободного пространства в головке цилиндра, стремлением увеличить размеры газовых и водяных полостей. С увеличением массы движущихся деталей уменьшаются быстродействие и надежность форсунки. Трудность обеспечения всех требований обусловила появление большого числа форсунок, отличающихся по конструкции и принципу действия.
Рассматривать различные типы форсунок целесообразно вместе с анализом их гидравлических характеристик. Гидравлическая характеристика форсунки - зависимость Рф=Л6ф) определяет пропускную способность форсунки и зависит от потерь давления при дросселировании, конструкции, режимов и условий ее работы. Из всех типов форсунок штифтовая наиболее сложна для расчета, так как имеет наибольшее число зависящих от подъема иглы дросселирующих сечений. Определим выражения для построения гидравлической характеристики обобщенной (штифтовой) форсунки. Характеристики остальных форсунок могут быть получены из нее как частный случай.
Расчетная схема представлена на рис. 145. Допускаем, что скоростью топлива в полости можно пренебречь, что процесс подачи стационарен, а игла при подъеме на величину хи находится в статическом равновесии. Из условия последнего имеем, где А и с-соответственно сила предварительной затяжки и жесткость пружины; и рц-давления соответственно топлива в /-й полости и газа в цилиндре.
К уравнению (31) следует присоединить уравнения, выражающие зависимость расхода топлива от перепада давлений.
Коэффициенты V и ст, могут быть рассчитаны при любом хи. Если форсунка имеет запирающий орган с конической поверхностью с углом при вершине 2а, то минимальная площадь проходного сечения может быть вычислена как площадь боковой поверхности усеченного конуса.
Задавая значения хи, можно с использованием уравнений (36) и (37) построить гидравлическую характеристику форсунки. Рассмотрим особенности различных типов форсунок.
Открытая форсунка представляет собой конструктивно оформленный конечный элемент линии высокого давления, не имеющий каких-либо управляющих органов, а только одно или несколько распыливающих отверстий, ускоряющих струю топлива (рис. 146, а). Такие форсунки не имеют движущихся частей, наиболее просты и имеют наименьшие размеры. Гидравлическая характеристика открытой форсунки представляет собой одно уравнение системы.
Подача топлива через такую форсунку начинается при малейшем перепаде давления на распыливающих отверстиях. Она происходит и после окончания нагнетания в результате расширения топлива в трубопроводе вследствие нагрева и уменьшения давления в цилиндре.
Попытка улучшить распыливание топлива при малых @Ф (т.е. пк) приводит к резкому повышению рф и нагрузок на ТНВД при высоких нк. Улучшают распыливание с помощью встречных струй топлива, тангенциальных завихрителей и т.п. В настоящее время открытые форсунки в дизелях не применяют.
В клапанных форсунках на пути движения топлива установлен запирающий орган, причем он, регулируя размеры дросселирующего сечения, участвует в распределении топлива по объему камеры сгорания (рис. 147, а). Клапанная форсунка также имеет одно дросселирующее сечение.
Гидравлическая характеристика клапанной форсунки представлена на рис. 147,6. Как и у всех форсунок с запирающим органом, у нее нет недостатков, связанных с впрыскиванием при малых давлениях: впрыскивание возможно только при Рф > Рф о • Важнейшим преимуществом форсунок этого типа является слабая зависимость давления впрыскивания от скоростного режима насоса. Это объясняется зависимостью открытия клапана от давления нагнетания. Однако абсолютный уровень скоростей истечения и качества распыливания в сравнении с истечением через сопла невысок. Для улучшения смесеобразования также используют тангенциальную закрутку топливной струи.
Клапанные форсунки не засоряются, не имеют прецизионных деталей, просты, имеют низкую стоимость и технологичны. Но вследствие неблагоприятных условий работы клапана и ограниченности обеспечиваемых условий смесеобразования, включая и формы топливной струи, не нашли широкого применения.
Полученные соотношения позволяют построить гидравлическую характеристику форсунки (рис. 148). При наличии двух дросселирующих сечений характеристика в значительной степени определяется наименьшим из них. Поэтому при малом открытии клапана характеристика (2ф) имеет асимптоту 1 (характеристику клапанной форсунки), а при большом открытии-асимптоту 2 (характеристику открытой форсунки).
Таким образом, гидравлическая характеристика клапанносопловой форсунки изменяется более круто и, следовательно, менее благоприятно, чем характеристика клапанной, но лучше характеристики открытой форсунки. К преимуществам клапан-но-сопловых форсунок относят хорошее распыливание топлива, малую массу движущихся деталей, некоторое превышение давления конца впрыскивания над давлением начала и их рост с увеличением давления в цилиндре, простоту и отсутствие прецизионных деталей, высокую надежность и отсутствие линии для отвода просочившегося топлива. Широкому распространению их препятствуют два важнейших недостатка: большой объем полости между клапаном и седлами, а также потери при дросселировании в клапане. Это, с одной стороны, требует дополнительного повышения давления топлива в системе, с другой стороны, допускает затяжку пружины клапана на давление открытия обычно не более 8-11 МПа. Последнее приближает их к открытым форсункам. Для повышения надежности разобщения полостей клапаны дублируют.
Нормальные закрытые форсунки (форсунки с запирающей иглой) нашли в настоящее время наиболее широкое применение в дизелях. На рис. 149 представлена нормальная закрытая форсунка с механическим (пружинным) запиранием иглы. Игла 3 не только является запирающим элементом по конусу а, но и в сопряжении с распылителем по прецизионной поверхности в герметизирует карман б линии высокого давления. Просочившееся по цилиндрической поверхности иглы топливо обеспечивает ее смазывание, отвод теплоты и создает ванну для пружины. Это предохраняет последнюю от коррозии и на 20-25% уменьшает динамические напряжения в витках, поэтому в современных конструкциях сливной штуцер 13 располагают в верхней части форсунки. Регулировку давления начала впрыскивания осуществляют с помощью винта 11. Подъем иглы составляет обычно 0,25-1,3 мм и ограничивается упором.
К достоинствам форсунки с запирающей иглой относят следующие: надежность работы, устранение подачи при малых давлениях в нагнетательной линии и подтекания. Благодаря этому повышается уровень среднего и максимального давлений впрыскивания. Запирающая игла большую часть времени не дросселирует топливо. Надежное запирание обеспечивает создание высокого остаточного давления, что позволяет управлять законом впрыскивания. Системы с гидрозапиранием позволяют регулировать давление начала впрыскивания в зависимости от режима работы двигателя. К основным недостаткам нормальных форсунок относят большую массу движущихся деталей, наличие сливной линии. Прецизионное соединение значительно повышает стоимость конструкции, оно подвержено изнашиванию и обусловливает возможность зависания иглы.
Значительная масса подвижных деталей приводит к уменьшению быстродействия форсунки, затягиванию окончания впрыскивания, ускоренному изнашиванию запирающего конуса. Современные быстроходные дизели начинают оснащать форсунками с укороченной штангой, которые в значительной мере позволяют избавиться от указанных недостатков (рис. 150). При этом сама форсунка становится несколько компактнее, но возникает необходимость введения дополнительной проставки с прецизионными торцовыми поверхностями. Силу предварительной затяжки пружины регулируют комплектом шайб.
Подачу топлива в форсунки осуществляют, как правило, через щелевые или сетчатые фильтры, исключающие засорение распыливающих отверстий изнутри и повреждение запирающего конуса. Распылитель образует с торцом корпуса форсунки бес прокладочное прецизионное герметичное соединение, и от взаимного поворота эти детали фиксируют штифтом. В ряде случаев предусматривают отвод протекающего через соединение топлива.
К форсункам с запирающей иглой относят также мембранную. Герметизирующая прецизионная пара заменена в ней на податливую мембрану. На рис. 151 представлена форсунка с набором упругих мембран 1 и металлических прокладок 3. Герметичность соединений обеспечена в результате высокого качества обработки поверхностей. Для форсунки не требуется сливная линия. Она мало чувствительна к нагреву, имеет малые массы подвижных элементов. Однако форсунки с одной мембраной не обеспечивают давление открытия иглы 2 выше 5-7 МПа, а форсунки с комплектом мембран имеют высокую стоимость, малотехнологичны, имеют большой объем полости высокого давления.