Конструкції форсунок

Форсунка (англ. force — нагнітати) — пристрій з одним або декількома отворами для розпилення рідини, яка надходить в нього під тиском. Форсунки використовують для подачі рідкого палива у зону горіння і вони забезпечують рівномірне і повніше згоряння палива в котлах, камерах згоряння теплових двигунів. Форсунки використовуються також для розпилення води (наприклад, для зволоження повітря і ґрунту), отрутохімікатів, фарби, добрив та ін. з метою забезпечення рівномірного розподілу часток рідини по поверхні чи об'ємі. Особливо широко форсунки використовуються в металургійній, фармацевтичній галузі, при виготовленні паперу, в харчовій промисловості та ін.

Форсунки - це найпростіший і водночас найскладніший пристрій в автомобілі. Принцип дії їх простий - електромагніт втягує сердечник, голка відкриває прохідний перетин - бензин надходить у впускний колектор. Але насправді принцип роботи і конструкція форсунки дещо складніша ніж здається на перший погляд.

Вступ

Кожна з фірм-виробників автомобілів працює над вдосконаленням цього пристрою, тому що він відіграє дуже важливе значення. Матеріал, з якого виготовляються форсунки, підбирається в залежності від вимог умов її майбутнього застосування. Для невеликого тиску і невисоких температур підходить латунь або пластмаса. Для великого тиску і високих температур використовується нержавіюча сталь. Ну і для дуже великого тиску і екстремальних умов використовуються спеціальні матеріали, такі як карбід вольфраму та інші.

Конструкція і класифікація по способі регулювання тиску

Різноманітність конструкторських рішень головок блоку і камер згоряння вимагає застосування різних конструкцій форсунок, які з точки зору регулювання тиску можна розділити на три групи:

• форсунки з регулюванням тиску відкриття за допомогою гвинта (т. зв. форсунки з плавним регулюванням тиску), що застосовуються в старих двигунах;
• форсунки з регулюванням тиску за допомогою шайб;
• форсунки з електронним регулюванням тиску (наприклад, форсунки системи Common Rail).

Форсунки з регулюванням тиску за допомогою шайб

Сучасні форсунки - це найчастіше форсунки з регулюванням тиску за допомогою шайб, де пружина розміщена в нижній частині форсунки, біля розпилювача. Таке рішення істотно зменшує розміри грибка форсунки, який одночасно виконує роль опори пружини, а також зменшує розміри пружини, що знижує масу рухомих частин. Вгорі, пружина стикається з шайбами, які служать для регулювання тиску. Вприскування відбувається тоді, коли тиск палива подолає силу пружини і підніме голку розпилювача.

Для штифтових розпилювачів встановлюється тиск 11-14 МПа (17,5 МПа для двигунів з турбонаддувом), а для дірчастих розпилювачів:- 15-30 МПа.

Проставка

Дуже важливу роль у форсунках з регулюванням тиску за допомогою шайб виконує проставка, що знаходиться між корпусом форсунки і корпусом розпилювача, яка:

• Обмежує хід голки розпилювача;
• Поєднує канал високого тиску в корпусі форсунки з паливним каналом в розпилювачі;
• Закриває камеру пружини.

Поверхні проставки виконані з високою точністю, повинні бути ідеально плоскими, гладкими і паралельними. Товщина проставки в форсунках з розпилювачами становить 5-9 мм, а її менший діаметр дорівнює діаметру фланця розпилювача – 14-17 мм. На рис. 1 показані складові частини форсунок з регулюванням тиску за допомогою шайб: 1 - корпус форсунки; 2 - регулююча шайба, 3 - пружина; 4 - грибок, 5 - проставка; 6 - дірчастий розпилювач; 7 - гайка розпилювача; 8 - ущільнювальна шайба.

Корпус форсунки

Найбільш розповсюджена конструкція форсунки - це конструкція, в якій корпус виготовлений із сталевого точеного прутка. Більшість форсунок виготовляється (згідно ISО 2699-1983 і ISО 3539-1975), у трьох розмірах, з діаметрами корпусів форсунок: 17, 21 і 25 мм.

Форсунки з штифтовими розпилювачами найчастіше мають діаметр корпусу 21 мм, а з дірчастими розпилювачами - 17 або 21 мм. У каналі високого тиску в корпусі форсунки є щілинний фільтр, що затримує забруднення в паливі.

Ч-образна форсунка

Оригінальну конструкцію мають форсунки з діаметром корпусу 9,5 мм, так звані Ч-образні форсунки, вироблені тільки однієї американської фірмою - Stanadyne. Вони комплектуються найчастіше дірчастими розпилювачами. У форсунках "Stanadyne" регулюється хід голки, а за допомогою регулюючого гвинта - тиск розпилювача.

Такі форсунки застосовуються у двигунах Ford з безпосереднім вприскуванням і в двигунах фірми John Deer.

На рисунку зобрачена Ч-образна форсунка «Stanadyne» з коротким дірчастим розпилювачем: (А) розріз форсунки: 1 - тефлоновий ущільнювач, який оберігає від прориву продуктів згоряння та стисненого повітря, 2 - корпус форсунки, 3 - нейлоновий ущільнювач, який оберігає від води і забруднень; 4 - напрямна голка розпилювача; 5 - регулятор тиску; 6 - регулятор ходу голки; 7 - патрубок; 8 - елемент щілинного фільтра (B) хомут, що закріплює форсунку на двигуні: 1 - закріплювач хомута; 2 - проставка; 3 – платівка, для визначення положення форсунки.

Двопружинні форсунки

Для зниження рівня шуму в двигунах з безпосереднім вприскуванням, особливо на холостому ходу, застосовуються двопружинні форсунки, зі "слабкою" пружиною, жорсткість якої визначає, так званий, попередній уприск розпилювача, і "потужною" пружиною, яка визначає повне відкриття розпилювача. Під час впорскування, голка спочатку піднімається на невелику висоту, дає можливість вприснути невелика кількість палива, а коли тиск в розпилювачі збільшиться, голка піднімається на повний хід і відбувається вприскування основної кількості палива.

Тиск "1-го" відкриття розпилювача регулюється і перевіряється як і в форсунках з однією пружиною. Тиск "2-го" відкриття розпилювача - це сума попереднього напруження пружини потужної і слабкою. Слабка пружина підтримується опорною втулкою, яка визначає попередній хід голки розпилювача (так само, як втулка в форсунках з однією пружиною), що становить від 0,03 до 0,06 мм. Разом зі зростанням тиску палива у форсунці, опорна втулка починає підніматися, виконуючи подальший рух голки розпилювача вгору. Дуже важливо витримати відповідність тисків відкриття форсунки, наприклад: 130 і 180 бар, а також величину попереднього ходу. У двопружинних форсунках встановлюються розпилювачі з голкою без верхнього штифта, а опорна площина знаходиться у проставці форсунки.

Двопружинні форсунки можна зустріти на двигунах з вихровими камерами.

На рисунку зображена двопружинна форсунка: а) кострукцій: 1 - корпус форсунки, 2 і 9 - регулюючі шайби; 3 - потужна пружина; 4 - грибок потужної пружини; 5 - шайба напрямна; 6 - слабка пружина; 7 - штовхач форсунки; 8 - грибок слабкою пружини; 10 - проставка; 11 - опорна втулка; 12 - голка розпилювача, 13 - гайка розпилювача; 14 - розпилювач; h1 - попередній хід; h2 - основний хід b) порівняння графіка підйому голки: a - в стандартній форсунці, b - у двопружинній форсунці

Форсунки з датчиком підйому голки розпилювача

З метою точного визначення початку вприскування, що визначає оптимальну роботу двигуна, в системах вприскування з електронним управлінням застосовуються одно- та двопружинні форсунки з датчиком підйому голки.

Це індукційний датчик, що живиться струмом низької напруги, що складається з котушки, в якій розміщений штовхач, що є продовженням грибка форсунки. Рух голки, що передається через грибок форсунки, викликає зміна магнітного потоку і індуктує сигнал, амплітуда якого залежить від швидкості руху голки.

При перевірці датчика осцилографом, його необхідно живити від зовнішнього джерела, так як в іншому випадку амплітуда сигналу буде занадто малою. Справність електричних ланцюгів перевіряється омметром. Опір котушки повинен бути в межах 80-120 Ом.

На рисунку зображена конструкція форсунка з датчиком підйому голки: 1 - датчик положення голки 2 - індукційна котушка 3 - штовхач 4 - кабель 5 - роз'єм (B) графік електричного сигналу з датчика положення голки: 1 - дійсного 2 - обробленого

Форсунки Common Rail

У системах вприскування Соmmоn Rail застосовуються форсунки керовані не тиском палива, а електричним імпульсом з напругою 80 В. Висока напруга дозволяє збільшити швидкість спрацювання електромагнітного клапана (час відкриття близько 0,3 мілісекунди), що підвищує точність параметрів впорскування. Конструкція форсунки Соmmоn Rail показана на малюнку. Електричний сигнал не піднімає голку, а відкриває кульковий клапан, що викликає зміну тиску усередині форсунки. Далі сила тисне на керуючий поршень форсунки, яка діє на пружину розпилювача, що викликає відкриття розпилювача і вприскування палива. Коли відсутній електричний сигнал, голка розпилювача утримується в закритому положенні за допомогою пружини. У форсунках Соmmоn Rail, рух голки забезпечується тиском палива.

Рисунок 5 - це схема дії форсунки в системі Соmmоn Rail: (А) форсунка в закритому стані (тиск палива в керуючій камері над керуючим поршнем вищий ніж тиск у камері розпилювача): 1 - котушка електромагніта; 2 - сердечник електромагніта; 3 - кульковий клапан, 4 - керуюча камера; 5 - голка розпилювача; 6 - розпилюючі отвори; (B) форсунка у відкритому стані (відкриття керуючого клапана після спрацювання електромагніту приводить до того, що тиск палива в камері тиску розпилювача перевищує тиск в керуючій камері); (С) фаза закриття форсунки (розрив електричного сигналу призводить до того, що зростає тиск у камері над керуючим поршнем).

Нове покоління форсунок Соmmоn Rail

Нове покоління форсунок Соmmоn Rail відрізняється застосуванням мініатюрних електромагнітних клапанів, розташованих у безпосередній близькості від голки розпилювача, зменшуючи її габарити. Для розділення процесу вприскування на кілька фаз, враховуючи його інерційність, замість електроклапану у форсунці Соmmоn Rail використовується п'єзоелектричний елемент. П'єзоелектричний ефект грунтується на дуже швидкій, зміні розмірів кристала кварцу під дією прикладеного електричного заряду. У п'єзоелектричних форсунках Соmmоn Rail п'єзоелемент складається з більш ніж ста шарів кристалів і подовжується на 0,04 мм, що достатньо для реалізації багатофазного впорскування палива. Щоб розкид дози був невеликим (бл. 0,5 мм3/вприск) і щоб витікання палива з усіх розпилюючих отворів було однаковим, голка розпилювача виконується з додатковою направленістю - нижче камери тисків.

На рисунку 6 зображена форсунка Соmmоn Rail другого покоління з п'єзоелектричним елементом: 1 - відвід перепива палива; 2 - підведення палива під високим тиском; 3 - п'єзоелектричний елемент; 4 - керуючий поршень, 5 - керуючий клапан; 6 - гайка розпилювача

Термоекрани і термошайби

Щоб запобігти перегріву розпилювачів, застосовуються різноманітні термоекрани і термошайби, які здійснюють передачу тепла до нижньої частини корпусу розпилювача, і завдяки цьому його температура знижується на кілька десятків градусів. Так запобігається закоксування розпилюючих отворів. У форсунках з штифтовими розпилювачами термошайба, виготовлена з низьковуглецевої сталі, вкладається в гніздо головки блоку двигуна і притискається форсункою. Термошайба деформується на декілька десятих міліметрів, забезпечуючи герметичність головки блоку. Дірчасті розпилювачі несуть великі теплові навантаження (наприклад, у двигунах Steyr, Berliet, Renault) і вимагають застосування термоекранів виготовлених з нержавіючої сталі та відповідних за розміром розпилювачів. У цьому випадку, для герметизації головки блоку циліндрів, застосовується ще й мідна шайба, яка притискається гайкою розпилювача до головки блоку.

Рис. 7 Термошайби і термоекрани під форсунки: (А) сталева термошайба (3) під штифтовий розпилювач (1) притискається гайкою форсунки (2) в отворі головки блоку (4) (B) сталева термошайба (3) в екрані (6) розміщена під гайкою розпилювача ущільнена в головці блоку (4) мідними ущільнюючими шайбами (5) (С) термоекран розпилювача (4) дірчастого розпилювача (1) кріпиться за допомогою гайки розпилювача (2), що ущільнюється в головці блоку (5) мідною шайбою (3)

Регулювальні шайби

У фосунках з регулюванням тиску регулювальними шайбами використовуються дві шайби різної товщини. Регулювальні шайби відрізняються по зовнішньому діаметру, в залежності від конструкції корпусу форсунки:

• В японських двигунах застосовуються, шайби з зовнішнім діаметром 7,2 мм,
• Для регулювання тиску в форсунках Lukas (Delphi) - шайби діаметром 9,4 мм,
• Для форсунок Bosch - регулювальні шайби діаметрами 8.5, 9.9 і 11.5 мм.

Шайби випускаються з кроком по товщині 0.02 мм, 0.04 і 0.05 мм починаючи від 0.80 мм до 2.40 мм.

Класифікація форсунок розпилення

Струменеві форсунки

В типову систему подачі форсунки високого тиску входять повітряний нагнітач, паливний насос, фільтр і клапан регулювання тиску. При запуску системи насос викачує паливо з бака і через фільтр підводить його до клапана регулювання тиску, який відкривається, коли тиск досягає заданого рівня (~0,7 МПа), і паливо поступає в розпилювач форсунки.

За принципом пневматичного розпилювання фарби працюють фарбувальні агрегати, за допомогою яких можна розпилювати водні та неводні фарбувальні суміші і навіть шпаклівки. У цих агрегатах фарба, вилітаючи з сопла фарборозпилювача, що є складовою частиною фарбувального агрегату, розпилюється струменем стисненого повітря.

Фарбувальна суміш під тиском надходить у фарборозпилювач і через внутрішній канал потрапляє в сопло. На виході з: сопла суміш підхоплюється струменем стисненого повітря, що проходить у просторі між стінкою сопла і внутрішньою поверхнею розпилювальної головки, і, вилітаючи, подрібнюється на найдрібніші частинки.

Принцип роботи і конструкція вихрових форсунок

Розпилювач форсунки високого тиску має від двох до шести тангенціальних паливних каналів залежно від продуктивності агрегату. Через канали паливо поступає в порожнину розпилювача, закручується і викидається через сопло. Паливо розпилюється, утворюючи туман з дрібних крапельок, і поступає в зону горіння, куди подається і повітря.

На рисунку цифрами позначено: 1. впускний колектор інжекторного 2. впускний клапан ДВС 3. сопло вихровий гільзи 4. вихрова форсунка (паливо-повітряна) 5. накидна втулка вихровий форсунки 6. штуцер для підведення повітря і води 7. роз'єм електрики стандартної паливної форсунки 8. стандартна інжекторний паливна форсунка

Пневматичні форсунки низького тиску по своїй конструкції аналогічні вищеописаним, а їх принцип роботи у певній мірі аналогічний роботі краскопульту. Тиск, при якому рідке паливо поступає в розпилювач, зазвичай не набагато вище за атмосферний.

Вихрова форсунка (форсунка відцентрового типу) зроблена так, що фарбувальна суміш надходить у внутрішню порожнину форсунки 2 через вхідний канал 1, розміщений по дотичній до її внутрішньої циліндричної поверхні. Схему дії форсунки подано на рисунку. Всередині форсунки фарба набирає обертального руху і завихрюється. Вилітаючи з вихідного, отвору 3 форсунки, фарба під дією відцентрової сили розпилюється на найдрібніші частинки і утворює конусоподібний факел. У деяких форсунках завихрювання фарби створюється за допомогою спеціального гвинтоподібного сердечника, який е в корпусі форсунки. Спочатку суміш надходить у циліндричну робочу камеру форсунки 1. Проходячи по каналу, що утворився між внутрішньою поверхнею камери і гвинтоподібним сердечником 2, суміш набирає обертального руху і на виході з форсунки розпилюється. Для розпилювання фарби у форсунках відцентрового типу повітря не використовується, тому за допомогою цих форсунок можна розпилювати лише водні ґрунтувальні і фарбувальні суміші як менш в'язкі (вапняні, силікатні тощо).

Для розпилювання фарби у вихрових форсунках повітря не використовується, тому за допомогою цих форсунок можна розпилювати лише водні ґрунтувальні і фарбувальні суміші які менш в'язкі (вапняні, силікатні тощо).

Форсунки для розпилення води

Дальність поливу статичних дощувачів залежить від тиску води та конструкції форсунки (ніби шланг перекрити польцем). Форсунки бувають з регулюванням сектору поливу і нерегульовані для вузьких ділянок. Характерним для форсунок статичних дощувачів є те, що в їхній конструкції не викорисровуються рухомі мехнізми, які дозволяють розпилювати воду на значні відстані, тому їх робота потребує високопродуктивних насосів високого тиску. Чим потужніший насос, тим більше дощувачів може працювати одночасно. Якщо на всі дощувачі насосу не вистачає, то на решту вода подається за допомогою окремих ліній подачі води. Принцип його роботи полягає у тому, що при відкритому крані на полив під силою тиску робоча частина дощувача підніметься над газоном і через отвір - форсуну розпочнеться зрошення газону, а при закритті крану - пружина допоможе рухомій частині дощувача сховатись. Такий принцип є основним в роботі аналогічних систем.

Паливні форсунки

До паливних форсунок відносяться пристрої, що використовуються для підготовки рідкого палива до горіння, яка полягає в доведенні палива до такого стану, в якому воно легко перемішується з повітрям (окислювачем). Для підготовки до горіння паливо подрібнюється шляхом розпилювання або випаровується за допомогою нагрівання.

Відповідно до цього виділяють два типи паливних форсунок: розпилювальні і випарні. Останні називаються також пальниками. Підготовлене паливо підводиться в зону горіння, причому конструкція форсунки повинна забезпечувати одночасну подачу палива і повітря у потрібній кількості і пропорціях та їх однорідне перемішування.

Автоматичні паливні форсунки і пальники, які використовуються, наприклад, в системах опалювання і побутових нагрівних агрегатах, регулюються відповідно до команд системи керування. Найбільше застосування паливні форсунки знаходять в теплоенергетиці та промислових технологічних процесах (наприклад, сушіння зерна).

Типи і застосування форсунок у сучасній промисловості

Форсунки давно увійшли до складу виробничих інструментів у всіх галузях промисловості. На будь-якому виробництві можуть знадобитися форсунки для вирішення найбільш різноманітних завдань - від охолодження та мийки до точного та автоматизованого нанесення рідкого продукту на потрібну поверхню. Особливо широко форсунки використовуються в металургійній галузі - в зонах вторинного охолодження машин безперервного лиття заготовок, в камерах гідродинамічного видалення окалини, для охолодження валків в прокатних станах, у системах газоочистки.

Також дуже багато застосувань у форсунок при виготовленні паперу, в харчовій промисловості. Дуже важливо використовувати сучасні системи автоматичної мийки харчових ємностей на підприємствах з виробництва напоїв - це дозволяє істотно заощаджувати час, який витрачається на санітарну обробку, зберігаючи при цьому високу якість. Сучасні системи розпилення дуже допомагають кондитерам при нанесенні в'язких середовищ, таких як шоколад і карамель, на свою продукцію. Форсунки також вирішують дуже важливу задачу зволоження повітря при вирощуванні певних культур, зберіганні і обробці. А також при кондиціонуванні повітря в системах вентиляції. Використовуються форсунки також в автомобільній промисловості для фарбування і сушіння деталей і вузлів машин, у целюлозно-паперовій галузі для зволоження паперового полотна, очищення фільтрувальних сіток, для змазування та зволоження сита в пресовій частині, у фармацевтичній галузі для нанесення покриття на таблетки, і в багатьох інших галузях.

Зупинимося докладніше на тому, які бувають форсунки. А бувають вони трьох типів - гідравлічні, які працюють виключно за рахунок тиску розпилюємого середовища. Повітряно-краплинні (водо-повітряні) - які використовують суміш стисненого повітря і рідини. І повітряні, які призначені для розпилювання стисненого повітря у необхідній геометричній формі.

Для того щоб знати, яка форсунка необхідна в конкретній задачі, потрібно в першу чергу визначити наступні параметри: тип факела розпилу - повний конус, порожнистий конус, плоска струмінь, овал, тонкий струмінь (голчаста форсунка); необхідний кут розпилу (для того щоб покрити, наприклад, необхідну площу); необхідну витрату рідини чи повітря; розмір краплі (важливо в системах зволоження і кондиціонування); потрібний матеріал; параметри приєднання форсунки (тип різьблення, монтажні затискачі, приварний адаптер). Для довгого та продуктивного терміну служби форсунки бажано застосовувати спеціально підібрані форсунки для кожного завдання.

Джерела

• http://atf-bntu.narod.ru/book/diesel/glava2.html
• http://injector.ua/ru_articles_forsunki.html
• http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%80%D1%81%D1%83%D0%BD%D0%BA%D0%B0
• Дослідження гідравлічних характеристик відцентрових форсунок градирень і шляхи

їх покращання • Дубровський В.В., Підвисоцький О.М.

• http://analitic.ub.ua/1221-zastosuvannya-forsunok-u-suchasniy-promislovosti.html
• http://gazonsamomu.com.ua/statdoschuvachy.php