Форсунки на судах принцип работы
Обновлено: 26.04.2024
В настоящее время основную часть устанавливаемых на судах главных энергетических установок составляют ДВС.
Паротурбинные установки имеют только суда с мощностью двигателей от 14700 до 22 100 кВт, и, конечно, атомоходы - суда с ядерной парогенераторной установкой.
Дизельная энергетическая установка состоит из 1-го или нескольких основных двигателей, а также из обслуживающих их механизмов.
В зависимости от способа осуществления рабочего цикла ДВС разделяют на 4-тактные и 2-тактные.
Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува.
По частоте вращения ДВС разделяются на:
- малооборотные дизели с частотой вращения 100-150 об/мин, которые непосредственно приводят в движение судовой движитель;
- среднеоборотные - 300-600 об/мин, которые приводят в движение судовой движитель через редуктор.
В 60-х гг одновременно с появлением винтов регулируемого шага начали в качестве главного двигателя применять нереверсивные ДВС вначале на малых судах, траулерах и буксирах, а затем и на больших торговых судах. За счет этого конструкция двигателей упростилась.
Машинное отделение (дизель со вспомогательными механизмами).
Судовая энергетическая установка с ДВС изображена на рисунке.
Кроме главного двигателя предусмотрены еще 2 вспомогательных, которые приводят во вращение генераторы.
Для обслуживания главного и вспомогательных двигателей используются вспомогательные механизмы и системы, а также система трубопроводов и клапанов.
Топливная система предназначена для подачи топлива из цистерн к двигателю.
При этом для уменьшения вязкости топливо подогревается и освобождается в сепараторах и фильтрах от жидких и твердых примесей.
Система смазки служит для прокачивания смазочного масла через двигатель с целью уменьшения трения между трущимися поверхностями, а также для отвода части полученного от двигателя тепла и очистки масла.
Система охлаждения предусмотрена для отвода от двигателя тепла, которое проникает в основном через стенки цилиндра и возникает во время сжигания топлива, а также для охлаждения циркулирующего смазочного масла.
Эта система состоит из насосов для пресной и морской воды и охладителей воды и масла.
Пусковая установка, включающая в себя компрессоры, резервуары сжатого воздуха, а также трубопроводы и клапаны, служит для пуска главного и вспомогательных двигателей.
Наряду с указанными выше вспомогательными системами главного и вспомогательных двигателей в машинном отделении находятся и другие судовые механизмы общего назначения.
Принцип действия 4-тактного ДВС показан на рисунке ниже.
В 4-тактном двигателе рабочий цикл осуществляется за 2 поворота коленчатого вала, т. е. за 4 хода поршня.
Механическая работа совершается только за время 1-го такта, 3 остальных служат для подготовки.
При 1-м такте поршень движется в направлении коленчатого вала.
Под воздействием возникающего при этом разрежения воздух через открытый всасывающий клапан устремляется в цилиндр.
В дизеле без наддува давление всасываемого воздуха равно атмосферному, в дизеле с наддувом к цилиндру подводится уже предварительно сжатый воздух. Во время 2-го такта при закрытых всасывающих клапанах предварительно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счет чего повышаются температура и давление.
Топливоподкачивающий насос, привод которого согласован с движением соответствующего поршня, повышает давление топлива.
При достижении давления 19,62-39,24 МПа топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр, в котором у дизелей без наддува давление сжатого воздуха составляет 2,94-3,43 МПа и температура 550-600°С, а у дизелей с наддувом соответственно 3,92-4,91 МПа и 600-700°С.
Принцип действия 4-тактного дизеля.
Топливо впрыскивается незадолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения.
Впрыснутое и тщательно распыленное топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняющуюся смесь. 3-й такт является рабочим.
Во время процесса сгорания топлива образуются горячие газы, которые вызывают увеличение давления над поршнем в дизелях без наддува от 4,41 до 5,4 МПа, а в дизелях с наддувом - от 5,89 до 7,85 МПа.
Под давлением силы, возникающей за счет давления газов, поршень движется вниз, газы расширяются и производят при этом механическую работу.
Во время 4-го такта открывается выпускной клапан и отработавшие газы выходят наружу.
4-тактные судовые ДВС изготовляются как многоцилиндровые двигатели. Они устроены так, что рабочие такты равномерно распределяются по отдельным цилиндрам.
Принцип действия 2-тактного дизеля.
В рабочий цикл 2-тактного дизеля входят 2 такта, или 1 оборот коленчатого вала.
1-й такт, называемый сжатием, начинается, когда поршень находится в нижнем положении.
Впускные окна в боковых стенках цилиндра открыты. Через эти окна проходит предварительно сжатый продувочный воздух, давление которого должно быть выше давления находящихся в цилиндре расширившихся газов. Одновременно продувочный воздух через открытый выпускной клапан вытесняет отработавшие газы из цилиндра и наполняет цилиндр новой дозой. Когда впускные окна закрываются поршнем, к цилиндру воздух не подводится. Так как одновременно закрывается и выпускной клапан, воздух в цилиндре сжимается. Этот процесс не показан на рисунке.
Впрыскивание топлива и воспламенение происходит точно так же, как и в 4-тактном ДВС.
Во время 2-го такта - рабочего (или расширения) - расширяющиеся газы совершают механическую работу.
В конце этого такта впускные окна открываются поршнем и процесс продувки цилиндра начинается снова.
Отработавшие газы могут выйти из цилиндра через внешний клапан, либо через управляемые поршнем выпускные окна.
Под наддувом дизельного двигателя понимают подачу к цилиндрам большего количества воздуха, чем требуется для заполнения всего цилиндра при такте всасывания.
Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за 1 рабочий цикл.
Это означает повышение мощности двигателя без увеличения его размеров (диаметра, хода и числа цилиндров), а также частоты вращения.
Наддув можно осуществлять за счет предварительного сжатия воздуха перед цилиндром.
Во всех выпускаемых 4-тактных судовых ДВС предварительное сжатие воздуха происходит с помощью центробежного компрессора, который приводится в действие газовой турбиной, работающей на отработавших газах дизеля.
Принцип действия газотурбинного нагнетателя.
1 - турбина, работающая на отработавших газах; 2 - отработавшие газы; 3 - свежий воздух; 4 - компрессор; 5 - коленчатый вал; 6 - цилиндр; 7 - поршень.
Принцип действия компрессора показан на рисунке выше. Поступивший из компрессора воздух проходит через фильтры. После открытия впускного клапана сжатый воздух подается через воздушный коллектор к соответствующим цилиндрам.
В двухтактных дизелях предварительное сжатие воздуха происходит в центробежных компрессорах, в пространстве под поршнем, а также в поршневых компрессорах, приводимых в действие двигателем. Давление наддувочного воздуха достигает 0,14-0,25 МПа. На рисунке ниже показан в разрезе главный малооборотный дизель с наддувом.
Принцип действия малооборотного двухтактного дизеля: а - предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра; b - одновременно происходит сжатие и всасывание; с - рабочий такт и предварительное сжатие; d - предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра двигателя без выходного клапана.
2-тактные дизели изготовляют в виде многоцилиндровых рядных двигателей с 10-12 цилиндрами.
Диаметр цилиндров больших 2-тактных дизелей достигает 1000 мм, ход - 1500-2000 мм.
Мощность цилиндра при общей мощности двигателя более 29 440 кВт составляет от 2900 до 3700 кВт.
В связи с этим ДВС можно использовать в качестве главных двигателей и на крупных судах.
2-тактные дизели имеют очень большие размеры и массу.
Их удельная масса достигает 40-55 кг/кВт. При мощности, например 14 720 кВт, масса составляет 600-800 т.
4-тактный дизель (рядный двигатель).
1 - наддувочный агрегат; 2 - охладитель наддувочного воздуха; 3 - трубопровод отработавших газов; 4 - трубопровод наддувочного воздуха; 5 - трубопровод охлаждающей воды; 6 - масляный трубопровод; 7 - топливный трубопровод; в - распределительный вал; 9 - приводное колесо; 10 - промежуточные шестерни; 11 - приводное колесо коленчатого вала; 12 - коленчатый вал; 13 - шатун; 14 - поршень; 15 - цилиндровая гильза; 16 - камера охлаждающей воды; 17 - крышка цилиндра; 18 - выпускной клапан; 19 - впускной клапан; 20 - топливный клапан; 21 - штанга; 22 - топливный насос; 23 - маслораэбрызгивающее кольцо; 24 - масляная ванна картера; 25 - станина двигателя; 26 - блок цилиндров.
Четырехтактные дизели применяют на судах либо в составе дизель-генераторных установок, либо в качестве главного двигателя в многовальных энергетических установках (по одному дизелю на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя. Применение среднеоборотных дизелей в качестве главного двигателя дает следующие преимущества:
- увеличение надежности (при выходе из строя одного двигателя остальные продолжают работать);
- уменьшение габаритов и собственной массы деталей (например, клапанов, поршней, кривошипных механизмов, подшипников и т. д.);
- уменьшение удельной массы, которая в зависимости от мощности составляет от 14 до 35 кг/кВт (для мощностей около 2200 кВт).
Среднеоборотные дизели используются также в дизель-электрических энергетических установках в качестве главного двигателя.
4-тактный дизель V-образной конструкции.
1 - поршень; 2 - цилиндровая гильза; 3 - коленчатый вал.
1. Тема ВКР: Технологический процесс проведения опрессовки форсунок судового двигателя
*
Тема ВКР: Технологический процесс проведения
опрессовки форсунок судового двигателя
Курсант гр.602.31 Малых Д.А.
Руководитель Шишкина С.Ф.
2. Цель работы
Раскрыть вопросы, связанные с особенностями
устройства, неисправностями, видами форсунок
и их распылителями. Рассмотреть правила ТБ,
охраны окружающей среды и ТБ при устранении
неисправности форсунки.
3. Введение
Форсунки служат для распыливания топлива на мельчайшие
частицы при подаче его в цилиндры двигателей.
Основные неисправности форсунки:
• закоксовывание распыливающих отверстий распылителей;
• уменьшение давления распыла топлива;
• зависание иглы распылителя в открытом положение;
• зависание иглы распылителя в закрытом положении;
• засорение фильтра на всасывание в форсунку;
• подтекание распылителя;
• не правильная установка форсунки в крышку цилиндра;
Форсунки дизелей в основном устанавливают в крышках двигателей,
которые находятся в неблагоприятных температурных условиях, так как
стенки расположенных в них камер сгорания воспринимают большие потоки
тепла, а осуществить интенсивное охлаждение крышек из-за сложной их
конфигураций не всегда удается. Кроме того, распылитель форсунки
выходит непосредственно в камеру сгорания и омывается горячими газами,
в результате чего температура в некоторых его местах может быть
значительной. Детали закрытых форсунок воспринимают большие усилия от
пружины, под действием которых игла форсунки садится на гнездо с
значительным ударом, а также от топлива, сжимаемого до очень высокого
давления. Игла форсунки, ее направляющая, конусный наконечник и гнездо
в процессе работы сильно изнашиваются. Особенно в тяжелых условиях
находится седло иглы, обычно всегда нагретое и воспринимающее большие
ударные нагрузки при посадке.
Выпускная квалификационная работа содержит:
введение,
4-е
главы,
заключение,
информации и приложение с фото
источники
В первой главе работы рассмотрены
принцип действия:
1.1 Механической форсунки
1.2 Гидравлической форсунки
9. Принцип действия механической форсунки
*
Принцип действия механической форсунки
1 — распылитель;
2 — гайка накидная;
3 — игла;
4 — толкатель;
5 — корпус форсунки;
6 — пружина;
7 — контргайка;
8 —- винт регулировочный;
9 — верхняя крышка;
10 — канал подвода топлива.
К сопловым отверстиям распылителя от ТНВД к форсункам топливо подводится через
канал подвода топлива, отверстие в корпусе форсунки, кольцевую канавку и три канала в
корпусе распылителя. Когда в камере распылителя создается нужное давление, игла
отходит от седла корпуса, преодолевая при этом сопротивление пружины. Топливо
распыляется в камеру сгорания.
10. Принцип действия гидравлической форсунки
1 — бак;
2 — перепускной клапан;
3 — предохранительный клапан;
4 — трубопровод;
5 — полость;
6 — корпус форсунки;
7 — игла;
8 — аккумулирующая емкость;
9 — обратный клапан,
10 — насос.
В гидрозапорной форсунке из корпуса 6 форсунки удалены пружина и штанга, а
образовавшаяся полость 5 заполнена гидросмесью под давлением 18—20 МПа. При
подъеме иглы 7 смесь сжимается, выполняя функцию пружины. Пополнение утечек
гидросмеси и поддержание постоянного давления в полости 5 осуществляется
одноплунжерным насосом 10, который нагнетает смесь в аккумулирующую емкость 8
через обратный клапан 9. Давление в этой емкости регулируют перепускным клапаном 2,
отводящим смесь в бак 1.
Во второй главе работы рассмотрены
распылители форсунок
2.1 Одно-дырчатые
2.2 Многодырчатые
2.3 Штифтовые
12. Одно-дырчатые распылители
13. Многодырчатые распылители
14. Штифтовые распылители
Обозначение:
1 — карман.
а — с цилиндрическим штифтом;
б — с обратным конусом на штифте;
в — с двойным конусом на штифте.
В третьей главе рассмотрены неисправности и их
устранение:
3.1 Закоксовывание распыливающих отверстий
распылителей;
3.2 Уменьшение давления распыла топлива;
3.3 Зависание иглы распылителя в открытом или
закрытом положении;
3.4 Засорение фильтра на всасывание в форсунку;
3.5 Подтекание распылителя;
3.6 Неправильная установка форсунки в крышку
цилиндра;
3.7 Неправильная сборка форсунки
16. Глава третья
Неисправности в работе форсунок всегда приводят к
ухудшению смесеобразования, в результате чего скорость
сгорания топлива уменьшается, догорание происходит на
большей части рабочего хода, часть топлива сгорает не
полностью – всё это приводит к снижению мощности и
экономичности двигателя.
Проверять работу форсунки можно при помощи топливного насоса,
установленного на двигателе; или на специальном стенде
Передвигая рычаг 1, действуют на плунжер насоса 2. Последний забирает топливо из
бака 3 и, прокачивая его через тройник 4 и трубопровод 5, подает в форсунку 6. Перед
проверкой открывают кран 7 и, передвигая рычаг, удаляют воздух из системы.
19. Закоксовывание распыливающих отверстий распылителей
Наиболее часто изнашивается распылитель. К характерным, часто
возникающим дефектам его относят закоксование и разработку
сопловых отверстий, нарушение плотности в запорном конусе иглы.
При закоксовании сопловых отверстий уменьшается подача топлива в
цилиндр,
возрастает
давление
в
нагнетательном
трубопроводе,
наблюдается усиленная утечка топлива через зазоры между иглой и
корпусом распылителя, между плунжером и втулкой топливного насоса,
дизель не развивает необходимую мощность.
Для прочистки отверстий форсунку разбирают, промывают в керосине,
нагар с наружных поверхностей снимают при помощи деревянного скребка,
отверстия прочищают стальной проволокой (диаметр которой должен быть
меньше диаметра сопловых, отверстий на 0,05—0,1 мм) и только затем
собирают форсунку.
20. Уменьшение давления распыла топлива
У механических форсунок пружина со времени теряет свою
жёсткость и давление распыла будет уменьшаться, следовательно
капли топлива будут больше по размеру, а они не успевают
сгорать это перерасход топлива, не выдача положенной
мощности, усиленный нагар на поверхности соприкасающихся
поверхностей.
Для этого измеряют высоту пружины в свободном состоянии
и сравнивают ее со значением, указанным на чертеже или в
инструкции. Уменьшение высоты пружины свидетельствует о
наличии остаточной деформации. Вследствие этого снижается
жесткость пружины, что приводит к изменению характеристик
впрыска топлива и ухудшению его распыла. Пружину с
остаточной деформацией заменяют новой.
21. Зависание иглы распылителя в открытом или закрытом положении
Кроме износов иглы, попадание твердых частиц с топливом приводит часто к
заеданию (зависанию) иглы. Это является наиболее серьезным дефектом. Заедание иглы
обычно полностью выводит из строя распылитель вследствие того, что при удалении иглы
на ее рабочей поверхности и поверхности распылителя появляются глубокие зазоры.
Другими причинами зависания или заклинивания игл являются: излишний (или
неравномерный) затяг форсунки в крышке цилиндра; чрезмерный обжим гайки
распылителя или установка резиновых уплотнений большего, чем нужно, диаметра;
нарушение режима охлаждения вследствие закоксовывания каналов при охлаждении
топливом или забивание каналов накипью и продуктами коррозии при охлаждении водой.
Для проверки герметичности форсунки необходимо затянуть пружину до давления 22
МПа, соответствующего моменту начала подъема иглы сопловой пары, после чего, не
производя впрыскивания, создать давление 20-20,5 МПа. Далее нужно приостановить
нагнетание топлива, включить секундомер, когда манометр покажет давление 19 МПа, и
выключить его при давлении 17 МПа.
22. Засорение фильтра на всасывание в форсунку
Фильтрация топлива необходима, но зачастую недостаточна. Вода и
механические примеси скапливаются в фильтре, приводя к возможности
внезапного засорения фильтров. Даже в топливе, прошедшем фильтрацию,
содержатся частицы и вода, причем тем больше, чем хуже качество исходного
топлива. Кроме того, в топливе содержатся асфальто-смолистые вещества,
тяжелые углеводороды, склонные к преждевременному окислению и отложениям.
Поэтому нужно своевременно очищать топливный фильтр
23. Подтекание распылителя
24. Неправильная установка форсунки в крышку цилиндра
При монтаже форсунки на двигателе, необходимо обеспечивать правильное ее
закрепление, не допуская перекосов при подтягивании гаек. Следствием перекоса
форсунки
относительно
гнезда,
в
крышке
цилиндра
может
появиться
одностороннее соприкосновение распылителя с поверхностью отверстия в крышке
цилиндра, так как зазор в этом месте обычно небольшой.
При значительном перекосе, возможно защемление иглы распылителя в ее
корпусе, при этом нарушится подвижность иглы, форсунка начинает подтекать,
либо вообще прекращается впрыск топлива.
Чрезмерное затягивание, даже без перекоса фланца, крепящего форсунку к
крышке цилиндра, также может вызвать неполадки в работе форсунки: деформируется
уплотнительная прокладка, которая, в свою очередь чрезмерно обжимает корпус
распылителя, вызывая его деформацию
25. Не правильная сборка форсунки
Этот дефект может быть вызван несоблюдением последовательности, допуска на
отверстие в крышке цилиндра. При недостаточном зазоре между отверстием в крышке и
распылителем, последний, разогреваясь во время работы двигателя, соприкасается с
крышкой, обжимается, что приводит к зависанию иглы, подтеканию форсунки и т.п. Часто
такой дефект встречается у мощных дизелей с большими размерами распылителей.
Чтобы не смешать детали разных форсунок, рекомендуется разбирать и собирать их
поочередно.
При сборке форсунки после присоединения корпуса распылителя с помощью
соединительной гайки к корпусу форсунки (до установки пружины) необходимо
обязательно убедиться в том, что игла форсунки может свободно, без заедания
перемещаться в своей направляющей под действием собственной массы (проверяют на
слух, встряхиванием форсунки).
При сборке форсунки должен быть проверен подъем иглы, значение которого
устанавливают в соответствии с заводской инструкцией по эксплуатации двигателя.
В четвёртой главе будет рассмотрена :
4.1 Техника безопасности при устранении
неисправности форсунки
4.2 Охрана окружающей среды
27. Глава четвёртая
28. Техника безопасности при устранении неисправности форсунки
Опрессовка форсунок главных и вспомогательных двигателей
должна производиться в специально выделенных для этой цели
помещениях, оборудованных испытательным стендом с вытяжной
вентиляцией.
29. Охрана окружающей среды
Международно-правовая охрана морской среды направлена прежде всего на
предотвращение ее загрязнения нефтью, нефтепродуктами, радиоактивными отходами.
Международная конвенция по предотвращению загрязнения моря нефтью 1954 г.
запрещает слив нефти и смеси с судов и танкеров, обязывает государства-члены
оборудовать порты установками по приему остатков нефти с судов.
Конвенция по предотвращению загрязнения моря с судов 1973 г. предписывает
запрет на сброс любых веществ, включая нефть и ядовитые вещества, сточные воды и
мусор со всех типов судов, за исключением военных кораблей и тех, что используются на
государственной некоммерческой службе. Прибрежные государства имеют право
инспектировать иностранные суда и осуществлять судебное преследование нарушителей.
Для борьбы с загрязнением значительных морских районов принимаются особые
меры вмешательства. В 1969 г. принята Международная конвенция относительно
вмешательства в открытом море в случаях аварий, приводящих к загрязнению нефтью, а в
1973 г. — Протокол о вмешательстве относительно иных веществ, чем нефть. Стороны
могут принимать в открытом море такие меры, которые могут оказаться необходимыми
для предотвращения, уменьшения или устранения серьезной угрозы их побережью
30. Вывод
В своей работе я рассмотрел основные
неисправности форсунок, виды форсунок и их
распылители. Так же рассмотрены правила
техники безопасности и охраны окружающей
среды и технику безопасности при устранении
неисправности форсунки.
Форсунка служит для подачи топлива в цилиндр двигателя, распыления и распределения топлива по камерам сгорания.
Условия работы форсунок очень тяжелые – они подвержены воздействию колоссальных давлений и тепловых нагрузок. Впрыск начинается при температуре в камере сгорания 700…900 ˚С и давлении 3…6 МПа, а заканчивается при температуре до 2000 ˚С и давлении 10…11 МПа.
К форсункам предъявляются следующие очень жесткие требования:
- оптимальная дисперсность, т. е. высокая степень дробления капель топлива, так как чем меньше капли, тем больше их суммарная поверхность, быстрее происходит нагрев и сгорание топлива, но при этом уменьшается длина факела;
- обеспечение такой скорости струи топлива, чтобы оно достигало краев камеры сгорания, поэтому капли не должны быть слишком мелкими – средний размер капель (с учетом требования по первому пункту) – 30…50 мкм;
- распределение впрыскиваемого топлива по всему объему камеры сгорания;
- резкое начало впрыска и его прекращение.
Форсунки бывают открытые и закрытые.
Открытые форсунки обеспечивают постоянную подачу топлива. В современных дизелях такие форсунки не применяются.
В дизельных двигателях применяют закрытые форсунки, которые открываются только в момент подачи топлива в камеру сгорания.
Закрытые форсунки могут быть двух типов – одно- и многодырчатые. Первые устанавливают на двигателях с вихревыми камерами сгорания, вторые с неразделенными камерами сгорания.
Различают, также, механические форсунки и форсунки, управляемые электроникой.
Современные системы питания дизельных двигателей используют впрыск, управляемый компьютером (электронным блоком управления). На основании информации, поступающей от многочисленных датчиков, такие системы учитывают многие процессы и текущие параметры работы двигателя. Форсунки в таких системах управляются специальными электромагнитными или пьезоэлектрическими устройствами, что открывает широкие возможности повышения эффективности работы двигателя, а также его экологичности.
К отдельной категории устройств для впрыска топлива в цилиндры относятся насос-форсунки, представляющие собой своеобразный гибрид между ТНВД и форсункой в одном узле.
История изобретения форсунки
Как известно, Рудольф Дизель изначально планировал работу своего знаменитого детища на угольной пыли. Его система питания содержала специальный насос, вдувавший угольную пыль в цилиндр двигателя сжатым воздухом. Однако, уголь оказался низкокалорийным топливом, не способным дать высокой температуры сгорания, и Дизелю пришлось обратить свой гениальный взор к жидким топливам. Ведь разница температур в цикле работы двигателя – прямой путь к повышению КПД, как установил француз Николя Сади Карно.
Идея гидравлического впрыска топлива в дизельных двигателях принадлежит, как утверждает история, французскому инженеру Сабатэ, который, к тому же, предложил многократный впрыск, т. е. впрыск, осуществляемый в несколько этапов (эта идея используется в современных системах питания - Common Rail и насос-форсунка).
В 20-е годы XX века немецкий инженер Роберт Бош усовершенствовал встроенный топливный насос высокого давления, а также создал удачную модификацию бескомпрессорной форсунки. Эти устройства с различными усовершенствованиями используются в системах питания дизельных двигателей и в наши дни.
Однако, наука и техника не стоят на месте, и, благодаря широкой компьютеризации всех систем автомобиля, в настоящее время механические форсунки постепенно вытесняются более совершенными устройствами, управляемыми электроникой.
Принцип действия многодырчатой форсунки
В многодырчатой форсунке основной частью является распылитель. Он состоит из корпуса 1 (рис. 1, а) и иглы 2. Распылитель притянут к корпусу 7 форсунки накидной гайкой 3. Сверху на иглу давит пружина 12 (рис. 1, б). Топливо в полость Б форсунки подается по каналу В.
Когда нет подачи топлива насосом (рис. 1. I), давление в полости Б составляет 2…4 МПа. Топливо давит на нагрузочный поясок Г иглы, но эта сила меньше силы пружины, которая прижимает иглу к распылителю. Игла запорным конусом Д перекрывает выходные отверстия – сопло А.
При подаче топлива насосом сила давления топлива на поясок Г становится больше силы пружины, игла поднимается, и через сопло А с большой скоростью топливо впрыскивается в камеру сгорания. После окончания подачи топлива давление падает, пружина возвращает иглу на место, запирая выходные отверстия распылителя, и впрыск прекращается.
Подъем иглы ограничен упором ее верхних заплечиков в корпус 5 форсунки и составляет 0,2…0,25 мм.
Качество дробления топлива зависит от скорости его движения через сопла, которая, в свою очередь, зависит от давления впрыска. При нормальном режиме скорость струи топлива составляет 200…400 м/с. Для этого необходимо создать перепад давлений в форсунке и камере сгорания 5…10 МПа. Поскольку давление в цилиндре в момент впрыска достигает 3…5 МПа, давление топлива в форсунке должно быть более 10…20 МПа.
Чтобы обеспечить работу форсунки при таком давлении, корпус распылителя и игла выполнены очень точно и притерты друг к другу. Они являются третьей прецизионной парой в магистрали высокого давления. Игла и корпус распылителя не подлежат разукомплектованию и подлежат замене только в комплекте.
Устройство многодырчатой форсунки
На двигателях с неразделенными камерами сгорания устанавливают, как правило, многодырчатые форсунки. Так, на двигателях КамАЗ-740 устанавливается форсунки серии 33, на двигателях ЗИЛ-645 и ЯМЗ-240 – форсунки Б-2СБ, на двигателях ЯМЗ-238 – форсунки модели 80 (см. рисунок 2 внизу страницы).
К корпусу 7 форсунки накидной гайкой 3 притянут распылитель с иглой 2. Распылитель имеет четыре сопловых отверстия диаметром 0,3 мм. На иглу через штангу 13 давит пружина 12. Топливо от насоса подается в полость форсунки через штуцер 9, в котором установлен фильтр 10. Верхнее отверстие в корпусе служит для отвода в бак топлива, просочившегося через зазоры между иглой и распылителем. Штифты 4 и 6 определяют точное положение распылителя относительно корпуса и топливных каналов. Прокладками 11 регулируют натяжение пружины, которое определяет давление начала впрыска.
Форсунки устанавливают в специальные гнезда головки цилиндра и закрепляют скобами.
Между корпусом форсунки и головкой блока размещается уплотнительная медная шайба (кольцо), которая надевается на корпус распылителя и вместе с форсункой аккуратно вставляется в гнездо головки. Такая шайба служит не только уплотнителем между форсункой и головкой, но и обеспечивает хороший теплоотвод от распылителя к головке цилиндров.
Уплотнительное кольцо 8 предохраняет полость клапанной крышки от попадания в нее пыли и влаги.
Устройство однодырчатой штифтовой форсунки
Однодырчатые форсунки иногда называют штифтовыми, поскольку конец ее иглы выполняется в виде штифта. Такие форсунки устанавливают, как правило, в дизелях с разделенными камерами сгорания.
Конструкция распылителя таких форсунок обеспечивает объемно-пленочное смесеобразование, поскольку распыливание топлива более направленное, чем в многодырочных форсунках, и значительная часть топлива достигает стенок камер сгорания, образуя быстро испаряющуюся пленку.
Дизели с вихревыми (раздельными) камерами сгорания менее чувствительны к составу топлива и устойчивее работают в широком диапазоне частот вращения. Применяемые с ними форсунки рассчитаны на меньшее давление, следовательно, не требуют столь высокой точности изготовления, как форсунки для неразделенными камерами сгорания, а потому дешевле.
На рис. 1,в показан распылитель штифтовой однодырчатой форсунки. Такая форсунка устанавливается в вихревых камерах сгорания и имеет одно сопло.
Конец иглы 2 выполнен в виде штифта 13 конусной формы, выступающего за пределы корпуса распылителя. Штифт служит для формирования факела топлива в виде конуса.
Принцип работы однодырчатых форсунок не отличается от принципа работы многодырчатых форсунок.
Устройство некоторых типов форсунок, применяемых на автотракторных дизельных двигателях отечественного производства приведено на рисунке 2.
Дизельная форсунка представляет собой один из главных элементов системы питания дизельного двигателя. Форсунка (инжектор) обеспечивает прямую подачу солярки в камеру сгорания дизеля, а также дозирование подаваемого топлива с высокой частотой (более 2 тыс. импульсов в минуту). Инжектор осуществляет эффективный распыл горючего в пространстве над поршнем. Топливо в результате такого распыла получает форму факела. Форсунки отличных друг от друга систем топливоподачи имеют конструктивные особенности, различаются по способу управления. Инжекторы делят на две группы:
Рекомендуем также прочитать статью об устройстве системы питания дизельного двигателя. Из этой статьи вы сможете узнать о составных элементах и принципах работы систем подачи топлива под высоким давлением дизельного ДВС.
Принцип работы механической форсунки
Принцип работы системы питания дизеля с механическим управлением форсунки состоит в следующем. К топливному насосу высокого давления (ТНВД) подается горючее из топливного бака. За подачу отвечает подкачивающий насос, который создает низкое давление, необходимое для прокачки солярки по топливопроводам.
Далее ТНВД в нужной последовательности осуществляет распределение и нагнетание горючего под высоким давлением в магистрали, ведущие к механической форсунке. Каждая форсунка данного типа открывается для очередного впрыска порции солярки в цилиндры под воздействием высокого давления топлива. Снижение давления приводит к закрытию дизельной топливной форсунки.
Простой механический инжектор имеет корпус, распылитель, иглу и одну пружину. В устройстве запорная игла свободно движется по направляющему каналу распылителя. Сопло форсунки плотно перекрывается в тот момент, когда нет нужного давления от ТНВД. Внизу игла опирается на уплотнение распылителя, имеющее коническую форму. Прижим иглы реализован посредством закрепленной сверху пружины.
Распылитель является одной из важнейших составных деталей среди других элементов в устройстве инжекторной 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. Дизельные моторы, которые устроены на основе непосредственного впрыска топлива, оборудованы форсунками с несколькими распылительными отверстиями. Число отверстий в таком распылителе колеблется от двух до шести.
Подача топлива регулируется зависимо от конструкции распылителя, так как существуют два основных типа подобных решений:
- распылитель с возможностью перекрытия каналов;
- распылитель с перекрываемым объемом;
В первом случае игла форсунки перекрывает подачу горючего путем перекрытия каждого отверстия. Второй тип форсунок означает, что игла перекрывает своеобразную камеру в нижней части распылителя.
Давление топлива, нагнетаемого ТНВД, заставляет иглу подниматься благодаря наличию на поверхности такой иглы специальной ступеньки. Солярка проникает в корпус под указанной ступенькой. В момент, когда давление горючего сильнее усилия, которое создает прижимная пружина, игла движется вверх. Таким образом открывается канал распылителя. Дизтопливо под давлением проходит через распылитель и происходит его распыл в форме факела. Так реализован впрыск топлива.
Далее определенное количество горючего, которое подается насосом высокого давления, пройдет через распылитель и попадет в камеру сгорания. После этого давление на ступеньке иглы начинает снижаться, в результате чего игла от усилия пружины возвращается в исходное положение и плотно перекрывает канал. Тогда подача солярки в распылитель полностью прекращается.
Инжектор с двумя пружинами
На эффективность топливоподачи и последующего сгорания топлива в цилиндрах дизеля можно влиять, изменяя различные характеристики форсунки, такие как структура и количество каналов распылителя, усилие пружины и т.п. Одним из конструкторских решений стало внедрение в устройство форсунок специального датчика подъема иглы. Данный подъем учитывается специальными электронными блоками управления, которые взаимодействуют с ТНВД.
Еще одним витком развития стали дизельные форсунки с двумя пружинами. Устройство таких форсунок сложнее, но результатом становится большая гибкость в процессе подачи топлива. Сгорание рабочей смеси становится более мягким, дизель тише работает.
Особенностью работы указанных инжекторов является двухступенчатый подъем иглы. Получается, нагнетаемое ТНВД топливо сначала превышает по силе давления силу сопротивления одной пружины, а затем другой. В режиме холостого хода и при небольших нагрузках на мотор впрыск осуществляется только посредством первой ступени, подавая в двигатель незначительное количество солярки. Когда мотор выходит на режим нагрузки, давление нагнетаемого ТНВД топлива растет, горючее подается уже двумя дозированными порциями. Первый впрыск небольшого объема (1/5 от общего количества), а далее основной (около 80% солярки). Разница давлений впрыска для открытия первой и второй ступени не особенно большая, что обеспечивает плавность топливоподачи.
Такой подход позволил повысить равномерность, эффективность и полноценность сгорания смеси. Дизельный двигатель стал расходовать меньше горючего, снизилось количество токсичных примесей в выхлопных газах. Дизельные форсунки с двумя пружинами активно использовались на агрегатах с непосредственным впрыском топлива до момента появления систем питания под названием Commоn Rail.
Электромеханическая дизельная форсунка
Дальнейшее развитие систем топливоподачи дизельного ДВС привело к появлению форсунок, в которых солярка подается в цилиндры посредством электромеханических форсунок. В таких инжекторах игла форсунки открывает и закрывает доступ к распылителю не под воздействием давления топлива и противодействия силе пружины, а при помощи специального управляемого электромагнитного клапана. Клапан контролируется ЭБУ двигателя, без соответствующего сигнала которого горючее не попадет в распылитель.
Блок управления отвечает за момент начала топливного впрыска и длительность подачи топлива. Получается, ЭБУ дозирует солярку для дизеля путем подачи на клапан форсунки определенного количества импульсов. Параметры импульсов напрямую зависят от того, с какой частотой вращается коленчатый вал двигателя, в каком режиме работает дизельный мотор, какая температура ДВС и т.д.
В системе питания Common Rail электромеханическая форсунка может за один цикл реализовать подачу топлива посредством нескольких раздельных импульсов (впрысков). Топливный впрыск за цикл осуществляется до 7 раз. Давление впрыска также значительно повысилось сравнительно с предыдущими системами.
Благодаря дозированной высокоточной подаче давление газов на поршень в результате сгорания смеси растет плавно, сама топливно-воздушная смесь равномернее распределяется по цилиндрам дизеля, лучше распыляется и полноценно сгорает.
Дальнейшее видео наглядно иллюстрирует принцип работы электромеханической форсунки на примере бензинового двигателя. Главное отличие заключается в том, что давление топлива в дизельной форсунке значительно выше.
Указанный подход позволил окончательно переложить задачу по управлению впрыском с форсунок и ТНВД на электронный блок. Электронный впрыск работает намного точнее, дизель с подобными решениями стал еще более мощным, экономичным и экологичным. Разработчикам удалось значительно снизить вибрации и шумы в процессе работы дизельного агрегата, повысить общий ресурс ДВС.
Насос-форсунка
Одной из разновидностей систем питания дизеля являются конструкции, в которых полностью отсутствует ТНВД. За создание высокого давления впрыска отвечают так называемые дизельные насос-форсунки. Принцип работы системы состоит в том, что насос низкого давления сначала подает солярку напрямую к инжектору, в котором уже имеется собственная плунжерная пара для создания высокого давления впрыска. Плунжерная пара форсунки работает от прямого воздействия на нее кулачков распредвала. Данная система позволяет добиться лучшего качества распыла дизтоплива благодаря способности создать очень высокое давление впрыска.
Рекомендуем также прочитать статью о том, как самому прочистить сажевый фильтр дизельного двигателя. Из этой статьи вы узнаете об основных способах очистки фильтрующего элемента как со снятием, так и прямо на автомобиле.
Исключение из системы подачи топлива ТНВД позволяет сделать размещение дизельного ДВС под капотом более компактным, избавиться от привода топливного насоса и отбора мощности на его постоянное вращение. Также стало возможным удалить из системы питания решения, которые распределяют топливо от ТНВД по цилиндрам. Инжекторы в системе с насос-форсунками имеют электрический клапан, что позволяет подавать топливо за два импульса.
Принцип похож на работу механической форсунки с двумя пружинами. Решение позволяет реализовать сначала подвпрыск, а уже затем произвести подачу в цилиндр основной порции горючего. Насос-форсунки реализуют подачу топлива в максимально точно заданный момент начала впрыска, лучше дозируют солярку. Дизельный мотор с такой системой экономичен, работает мягко и тихо, содержание вредных веществ в отработавших газах сведено к минимуму.
Главным минусом решения можно считать то, что давление впрыска насос-форсунки напрямую зависит от частоты вращения коленвала двигателя. В списке недостатков также отмечены: сложность исполнения, высокая требовательность к моторному маслу, чистоте и качеству топлива. В процессе эксплуатации выделяют трудности в процессе ремонта и обслуживания, а также общую дороговизну сравнительно с системами, которые оборудованы привычным ТНВД.
Читайте также: