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 размещена 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.
Вверху, 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.
Проставка
Очень важную роль в форсунках с регулировкой давления с помощью шайб выполняет проставка - находящаяся между корпусом форсунки и корпусом распылителя, которая:
- Ограничивает ход иглы распылителя,
- Соединяет канал высокого давления в корпусе форсунки с топливным каналом в распылителе,
- Закрывает камеру пружины,
- В форсунках с дырчатыми распылителями она служит для расположения штырьков, фиксирующих 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, либо, так называемые, распорные штырьки.
Рис. 1 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
Корпус форсунки
Наиболее распространённая конструкция форсунки - это конструкция, в которой корпус изготовлен из стального прутка, тянутого или точёного.
Большинство форсунок изготавливается (согласно ISО 2699-1983 и ISО 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-образная форсунка
Оригинальную конструкцию имеют форсунки с диаметром корпуса 9,5 мм, так называемые Ч-образные форсунки,
производимые только одной американской фирмой - Stanadyne. Они комплектуются чаще всего дырчатыми распылителями с диаметром 5,4 тт. 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.
Рис. 2 Форсунка Ч-образная
«Stanadyne» с коротким
дырчатым распылителем типа
„Tip" и удлинённым - типа „Slim Tip":
(а) разрез форсунки:
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
(b) хомут закрепляющий форсунку на двигателе:
1 - закрепляющий хомут;
2 - проставка; 3 - пластинка определяющая положение форсунки;
Двухпружинные форсунки
Для снижения уровня шума в двигателях с непосредственным впрыском, особенно на холостом ходу, применяются двух-пружинные 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 впры
снуть 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 устанав-ливаютя распылители типоразмера „Р", с иглой без верхнего штифта, а опорная плоскость находится в плоскости проставки форсунками.
Двухпружинные форсунки можно встретить на двигателях с форкамерами и с вихревыми камерами.
Рис. 3 Двухпружинная форсунка:
а) кострукция:
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: a - в стандартной форсунке, b - в двухпружинной форсунке
Форсунки с датчиком подъёма иглы распылителя
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.
Это индукционный датчик, питаемый током низкого напряжения, состоящий 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.
Рис. 4 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 Соmmоn 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 Соmmоn 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 Соmmоn Rail, инициация начала впрыска - электрическая, а движение иглы обеспечивается давлением топлива.
Рис. 5 Схема действия форсунки в системе Соmmоn Rail:
(а) 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
(с) фаза закрывания форсунки - прерывание электрического сигнала приводит к тому, что возрастает
давление в упраляющей камере над управляющим поршнем.
Новое поколение форсунок Соmmоn Rail
Новое поколение форсунок Соmmоn Rail отличается применением миниатюрных электромагнитных клапанов, расположенных в непосредственной близости от иглы распылителя, уменьшая тем самым инер-ционость 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 Соmmоn Rail используется пьезоэлектрический элемент.
Пьезоэлектрический эффект основывается на очень быстром, длящимся доли миллисекунд, изменении размеров кристалла кварца под действием приложенного электрического заряда. Разряд электростатического напряжения возвращает кристалл к исходным размерам .
В пьезоэлектрических форсунках Соmmоn Rail пьезоэлемент состоит из более чем ста слоев кристаллов и удлиняется на 0,04 мм, что достаточно для реализации много-фазного (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 (см. Раздел „Дырчатые распылители").
Рис. 6 Форсунка Соmmоn Rail второго поколения с пьезоэлектрическим элементом:
1 - отвод перепива топлива; 2 - подвод топлива под высоким давлением; 3 - пьезоэлектрический элемент; 4 - управляющий поршень; 5 - управляющий клапан; 6 - гайка распылителя
Термоэкраны и термошайбы
Чтобы предотвратить перегрев распылителей, применяются разнообразные термоэкраны и термошайбы, ограничи
вающие передачу тепла к нижней части корпуса распылителя, а благодаря этому его температура снижается на несколько десятков градусов. Так предотвращается закоксовывание распыляющих отверстий.
В случае форсунок с штифтовыми распылителями термошайба, изготовленная из низкоуглеродистой стали, вкладывается в гнездо головки блока двигателя и прижимается форсункой. Термошайба деформируется на несколько десятых долей миллиметра, обеспечивая герметичность головки блока.
Дырчатые распылители, несущие большую тепловую нагрузку (например в двигателях Steyr, Berliet, Renault) требуют применения термоэкранов изготовленных из нержавеющей стали и подходящих по размеру распылителя. В этом случае, для герметизации головки блока цилиндров, применяется ещё и медная шайба, прижимаемая гайкой распылителя к головке блока.
Рис. 7 Термошайбы и термоэкраны под форсунки:
(а) стальная термошайба (3) под штифтовой распылитель (1) прижимаемая гайкой форсунки (2) в отверстии головки блока (4)
(b) стальная термошайба (3) в экране (6) размещённая под гайкой распылителя уплотнённая в головке блока(4) медными уплотнительными шайбами (5)
(с) термоэкран распылителя (4) дырчатого распылителя (1) крепящийся с помощью гайки распылителя(2), уплотняемый в головке блока (5) медной уплотнительной шайбой (3)
Регулировочные шайбы
В фосунках с регулировкой давления регулировочными шайбами используютя две шайбы разной толщины.
Регулировочные шайбы отличаются по наружному диаметру, в зависимости от конструкции корпуса форсунки:
- в японских двигателях применяются, шайбы с наружным диаметром 7,2 мм,
- для регулировки давления открытия в форсунках Lukas (Delphi) - шайбы диаметром 9,4 мм,
- для форсунок Bosch - регулировочные шайбы диаметром
8.5, 9.9 и 11.5 мм.
Шайбы выпускаются с шагом по толщине 0.02 мм, 0.04 и 0.05 мм начиная от 0.80 мм до 2.40 мм.
Уплотнительные шайбы
Для герметичности камеры сгорания между форсункой и головкой блока устанавливается медная или стальная шайба.
