В целом считается, что форсунка тщательно подгоняется к двигателю и выбранному способу сгорания смеси. При этом производитель прибегает в большей части к стандартным элементам конструкции и подгоняет только необходимые детали к двигателю.
Стандартной порцией впрыскиваемого топлива в легковом автомобиле является 1 мм3 (предварительное впрыскивание) и 50 мм3 (основное впрыскивание), в то время как в грузовом автомобиле эти значения достигают 3 мм3 (предварительное впрыскивание) и 350 мм3 (основное впрыскивание). Форсунка должна обеспечивать длительную работу с соблюдением объема впрыскиваемого топлива, от нее требуется выдерживать высокое давление подачи топлива. Кроме того, она должна успешно противостоять постоянно изменяющейся механической и термической нагрузке в камере сгорания.
Управление открытием и закрытием форсунки осуществляется чисто механически или с помощью электромагнитного клапана. В чисто механических форсунках управление работой форсунки производится топливным насосом высокого давления (ТНВД), который в нужный момент сообразно режиму работы двигателя подает топливо под давлением к форсунке, от чего открывается игла распылителя (рис. 7.60) и производится впрыскивание топлива в камеру сгорания.
Рис. 7.60. Форсунка производства фирмы «Bosch»
При открытии распылителя форсунки давление топлива противодействует усилию возвратной пружины иглы форсунки. Давление открытия форсунки PDo ( (величина давления топлива) выбирается в зависимости от жесткости возвратной пружины.
Для этого существует формула:
FF — сила предварительного натяжения пружины;
D, d - диаметры разных частей иглы распылителя (см. рис. 7.65).
Давление открытия бесштифтовых распылителей равно 150-350 бар. После окончания впрыскивания, когда давление топлива падает, возвратная пружина вновь сдвигает иглу и закрывает отверстия распылителя. Форсунка с механическим управлением позволяет прекращение предварительного впрыскивания в разумных пределах. Вследствие незначительного количества дизельного топлива, которое впрыскивается предварительно, горение последующего основного количества впрыскиваемого топлива происходит не так молниеносно. При этом давление повышается незначительно, а шумы при горении значительно меньше. Для обеспечения последовательного впрыскивания была создана механическая форсунка с двумя возвратными пружинами (рис. 7.61а). В начале впрыскивания игла распылителя форсунки поднимается, преодолевая силу действия верхней возвратной пружины, до соприкосновения с упорной гильзой (выбирается предварительный ход иглы распылителя). Благодаря этому решению количество предварительно впрыскиваемого топлива незначительное. Затем, с возрастанием давления подачи топлива, игла распылителя форсунки двигается дальше, преодолевая силу действия обеих пружин, пока упорная гильза не соприкоснется с промежуточной проставкой. Так происходит впрыскивание основной порции топлива. На рис. 7.61 b показаны диаграммы хода иглы распылителя для форсунок с одной и с двумя пружинами.
Рис. 7.61 а. Форсунка с двухпружинным корпусом производства фирмы «Bosch»
Рис. 7.61 b. Диаграммы хода иглы распылителя (фирма «Bosch»)
Форсунки с электронным управлением особенно часто используются в сочетании с аккумуляторными системами впрыска «Common-Rail». В данном случае моменты открытия и закрытия регулируются электронным блоком управления системой впрыска. Различают форсунки с электромагнитным клапаном и форсунки с пьезоэлектрическим позиционером. В форсунках с электромагнитным клапаном давление, создаваемое в камере накопителя и камере управляющего клапана, одинаково до тех пор, пока не откроется электромагнитный клапан. В результате игла распылителя форсунки остается закрытой (рис. 7.62). Электромагнитный управляющий клапан открывается, когда на его обмотку подается питание. Сила действия электромагнита преодолевает силу упругости пружины клапана, в результате чего якорь поднимается и освобождает шарик управляющего клапана. Давление топлива приподнимает шарик с его седла, открывая тем самым канал обратного слива топлива. При этом давление в камере управляющего клапана падает и игла распылителя форсунки сдвигается вверх, открывая тем самым отверстия распылителя и обеспечивая впрыскивание топлива. Для окончания впрыскивания электромагнит обесточивается, и якорь опускается, сдвигая шарик управляющего клапана обратно в седло. Канал обратного слива топлива перекрывается, в камере управляющего клапана вновь возрастает давление топлива и игла распылителя закрывает отверстия в распылителе. В зависимости от времени включения электромагнитного клапана можно осуществить одно-два предварительных впрыскивания, основное впрыскивание, а также позднее впрыскивание. При этом можно положительно повлиять на уровень шума работы двигателя, состав отработавших газов и величину расхода топлива.
Рис. 7.62. Форсунка с электромагнитным управлением
Еще более быстрое и точное управление моментами открытия клапана возможно при использовании пьезоэлектрических форсунок (рис. 7.63). В этом случае пьезоэлектрический исполнительный элемент заменяет электромагнит, позволяя за счет быстродействия выполнить до пяти впрыскиваний за один цикл подачи топлива. Действие пьезоэлектрической форсунки основывается на изменении величины кристаллов некоторых материалов (например, кварца и турмалина) при подаче на них электрического напряжения. Удлинение «пакета кристаллов», называемого также исполнительным элементом управления, используется для открытия сервоклапана (рис. 7.64). При этом закрывается перепускной канал, топливо вытекает из камеры управления, давление в камере управления на иглу распылителя форсунки уменьшается, игла приподнимается и открывает отверстия распылителя. Для закрытия форсунки от пьезоэлектрического исполнительного элемента отключается питание. В результате сервоклапан сдвигается вверх, открывая перепускной канал. Давление в камере управления вновь повышается, игла распылителя форсунки вновь сдвигается вниз и закрывает отверстия распылителя. Между исполнительным элементом управления и сервоклапаном находится гидравлическое устройство сопряжения, которое увеличивает усилие исполнительного элемента, следит за компенсацией возникающего теплового расширения и в случае необходимости закрывает распылитель форсунки. Наряду с возможностью большого количества отдельных впрыскиваний пьезоэлектрическая форсунка позволяет выполнить впрыскивание небольшого количества топлива и весит значительно меньше обычной форсунки с электромагнитным клапаном (270 г против 490 г).
Рис. 7.63. Пьезоэлектрическая форсунка
Рис. 7.64. Сервоклапан пьезоэлектрической форсунки
Бесштифтовые распылители
Говоря о распылителях, необходимо различать бесштифтовые и штифтовые распылители. Бесштифтовые, в свою очередь, разделяются на распылители с подыгольным объемом между запирающей иглой и отверстиями распылителя, и распылители с перекрытием отверстий.
Рис. 7.65. Бесштифтовый распылитель производства компании «Bosch»
Бесштифтовые распылители используются в двигателях с непосредственным впрыскиванием топлива в единую камеру сгорания. Такой распылитель имеет до 12 отверстий, которые расположены по периферии таким образом, чтобы обеспечивать распределение впрыскиваемого топлива, оптимальное для мощности, крутящего момента, расхода топлива и состава отработавших газов. Значимыми параметрами являются количество отверстий в распылителе, диаметр и длина канала каждого отверстия, а также угол расположения каналов отверстий относительно друг друга и угол расположения каждого канала относительно вертикали. Диаметр канала отверстия начинается с 0,2 мм. Диаметр иглы составляет 4-6 мм, а давление открытия достигает 150-350 бар.
В распылителе с подыгольным объемом между запирающей иглой и отверстиями распылителя последние расположены таким образом, что конус иглы отделяет эти отверстия от канала подачи топлива в форсунку. Недостатком этой конструкции является наличие остаточного количества топлива, которое после впрыскивания остается в подыгольном объеме. Испарение этого остаточного топлива приводит к повышению содержания СН в отработавших газах. Для устранения этого отрицательного эффекта конструкторы форсунок пришли к уменьшению подыгольного объема примерно на 30%. Такое исполнение распылителя называется бесштифтовым распылителем с подыгольным микрообъемом между запирающей иглой и отверстиями распылителя.
В распылителе с перекрытием отверстий игла распылителя форсунки в закрытом состоянии перекрывает отверстия распылителя, отделяя их от подыгольного объема. Топливо, оставшееся под иглой, не может попасть в камеру сгорания. Недостатком в данном случае являются слабые предельные нагрузки, которые может выдержать распылитель.
Наилучшим компромиссом для аккумуляторных систем «Common-Rail» на сегодняшнее время являются бесштифтовые форсунки с микрополостью между запирающей иглой и отверстиями.
Штифтовый распылитель
Штифтовые распылители используются главным образом в двигателях с разделенной камерой сгорания. В этой конструкции игла распылителя (штифт) перекрывает единственный канал распылителя. В то же время штифт, благодаря своей конфигурации, формирует струю впрыскиваемого топлива и предотвращает коксование канала распылителя, поэтому штифтовые форсунки часто называют самоочищающимися. Более того, благодаря форме штифта в начале впрыскивания можно уменьшить количество топлива, подаваемого в камеру сгорания, что обеспечит более плавное сгорание рабочей смеси.
Рис. 7.66. Штифтовый распылитель производства компании «Bosch»