Судовой двигатель внутреннего сгорания L21/31 (стр. 6 из 11)

Игла и её направляющее отверстие в распылителе являются прецизионными и изготовлены с высокой точностью. Путём селективного подбора выбирают пару «игла-направляющая» такой, чтобы зазор между ними укладывался в заданный технологический допуск, величина которого зависит от размеров, теплового режима работы, вязкости используемого топлива и находится в пределах 5-12 микрон.

Скомплектованная таким образом пара является «неразлучной» и при эксплуатации из замена должна производится только парами, перекомплектации.

По типу запорных органов и распыливающих отверстий применяются следующие виды распылителей:

- клапанные многодырчатые (рис. 6.4.2) – получили наибольшее распространение в основном в двигателях с непосредственным впрыском, количество отверстий – Рис. 6.4.2 от 1 до 9, диаметр 0,20-1,5 мм.

- клапанные однодырчатые (рис. 6.4.3,а) – применяются в предкамерных двигателях, для которых наилучшей формой распыливания является сосредоточенный факел с малым углом конуса и с большой пробивной способностью.

- штифтовые, имеющие одно сопловое отверстие – применяются в сравнительно маломощных дизелях с раздельными камерами сгорания. Штифтовой распылитель с цилиндрическим штифтом (рис. 6.4.3, б) имеет постоянное сечение истечения и образует сосредоточенный факел с малым углом конуса. У штифтового распылителя (рис. 6.4.3, в) штифт выполнен в виде двух усечённых конусов, сложенных меньшими основаниями. Штифты выполняются с различными углами при вершине нижнего конуса (от 0 до 50°), благодаря этому в процессе движения штифта угол конуса распыливаемого факела изменяется в широких пределах, захватываю всё большее пространство камеры сгорания.

Рис. 6.4.3. Виды распылителей:

а). клапанный однодырчатый; б). штифтовой цилиндрический; в). штифтовой конический.

6.4.2 Форсунки с многодырчатыми распылителями

Распыливание топлива

Факел топлива, вылетающего с большими скоростями из соплового отверстия, состоит из центральной части – струи, включающей грубо распылённые частицы топлива и оболочку, содержащую большое число отрываемых воздухом расходящихся нитей и мелких частиц. Компактная стержневая часть факела обладает значительной энергией и движется с большой скоростью, глубоко проникая в массу сжатого в камере воздуха.

Дробление струи происходит под воздействием внешних сил аэродинамического сопротивления воздуха. Чем выше скорость движения струи и чем выше давление в камере сжатия, тем быстрее происходит распад струи на мельчайшие капли. На распад так же влияет давление впрыскивания топлива, определяемое суммарным сопротивлением сопловых отверстий (их диаметром) и вязкость топлива. С уменьшением диаметра сопловых отверстий давления и скорость истечения растут и, соответственно, увеличивается мелкость распыливания, увеличивается угол конуса струи факела распыла и уменьшается его длина. Это сегодня широко используется в современных двигателях для повышения эффективности сгорания тяжёлых высоковязких топлив. С ростом вязкости топлива увеличиваются силы поверхностного натяжения, препятствующие распаду струи. При распылении образуется меньше мелких капель и увеличивается число и размер крупных частиц. Уменьшается угол конуса распада струи и увеличивается её длина, в связи с чем возникает опасность её касания открытых поверхностей стенок рабочей втулки и донышка поршня. Топливо, оседающее на этих поверхностях сгорает не полностью, что вызывает нагароотложения и перегрев, который может привести к сквозному прогоранию поршней (алюминиевые поршни) или появлению трещин (чугунные). Это требует уделять особое внимание подогреву тяжёлых топлив до температур, которые обеспечили бы его вязкость перед подачей к ТНВД не более 10-12 сСт.

С увеличением диаметров сопловых отверстий, а это в эксплуатации происходит в следствии их эрозионного изнашивания, падает давление распыливание и увеличивается число и размер крупных частиц. Поэтому все ведущие фирмы требуют периодически проверять диаметр отверстий и не допускают дальнейшей эксплуатации распылителей, в которых диаметр отверстий превышает номинал на 10 и более процентов.

Исследования, проведённый фирмой МАН на двигателях MC, показали, что объём внутренней полости соплового наконечника играет существенную роль в образовании в цилиндрах сажистых частиц и углеводородов (CH), а так же коксований сопловых отверстии.

Уменьшение этой полости на 15% достигнутое путём введения в канал сопла золотника, изготовленного за одно целое с иглой (см. рис. 6.4.4). Позволило существенно повысить чистоту выхлопа.

Рис. 6.4.4К уменьшению объёма камеры сопла сегодня прибегают и при производстве форсунок среднеоборотных двигателей.

В большинстве случаем отверстия в распылителях сверлятся. На выходе сверла образуются заусеницы, провоцирующие образование вихрей, приводящие к кавитационно-эрозийным разрушениям и быстрому износу отверстий.

Поэтому, во избежание отмеченных явлений, ряд фирм обладающих технологическими возможностями, применят скругление кромок отверстий, чем существенно продлевают их ресурс (см. рис 6.4.5).

В мало- и среднеоборотных двигателях в целях удешевления изготовления и замены сопловых наконечников при их износе сопла изготавливают отдельно от основного корпуса распылителя.

6.4.3Тепловое состояние и охлаждение форсунок

В общем случае, количество подводимого к распылителю форсунки тепла определяется температурой газов t газ в камере сгорания и величиной площади их соприкосновения с распылителем F_р:

q₁ + q₂ – q₃ = F_pа_газ (t_газ – t_расп),

q₁ иq₂ - количества тепла, передаваемые распылителю через его торцевую 1 и цилиндрическую 2 поверхности (рис. 9-7),

q₃ - количество тепла, отводимое с впрыскиваемым топливом,

F_p - площадь распылителя, соприкасающаяся с газами.

С увеличением F_p количество передаваемого в распылитель тепла растет.

а_газ – коэффициент теплоотдачи от газов,

t_газ – средняя заменяющая температура газов и t_р температура стенок соплового наконечника.

Естественен вывод что, для уменьшения тепловых потоков целесообразно идти на сокращение лобовой и цилиндрической поверхности распылителя, а также – его бокового зазора в крышке (но не менее 0,5 мм в двигателях средней размерности и 1 мм в более крупных.)

В противном случаев при появлении в зазоре нагара не исключены заклинивание и деформации распылителя. Заметим, что зазоры в паре «игла-направляющая» не превышают 5-10 микрон и поэтому даже небольшие деформации в связи с перегревом и последующим расширением распылителя приводят к заклиниванию иглы в направляющей. Кроме того, при температурах свыше 160-180⁰С на теле иглы образуются лаковые отложения, также способствующие заклиниванию, а сопловые отверстия забиваются коксом.

Рис. 6.4.6. Тепловые потоки в В целях снижения температур распылителей в

распылителе. малооборотных и среднеоборотных форсированных двигателях ввели охлаждение форсунок используя для этого воду, масло или топливо. Наиболее эффективным, явилось использование воды, что и было реализовано в распылителях двигателей Зульцер RD, RND-a и RND-М-б.

6.4.4 Особенности конструкции форсунки двигателей MAN&BWL-MC

Конструкцию распылителя форсунки судовых дизелей Бурмейстер и Вайн (рис. 6.4.5., а) с незначительными изменениями применяли до тех пор, пока не была создана принципиально новая форсунка с другим распылителем (рис. 6.4.5., б).

В конструкции, показанной на рис. 6.4.5., а, сопло 10 запрессовано в корпус 11 (соплодержатель), который притирается к нижнему торцу направляющей 8 иглы 7. Верхний торец направляющей притерт к корпусу 1 форсунки. Массивной гайкой 9 соплодержатель 11,направляющая 8 и нижняя часть корпуса 1 скреплены в единый герметичный узел. Штифты 5 обеспечивают совпадение участков каналов охлаждения 12 топливопровода 6. Сопло 10 закреплено в корпусе 11 горячей посадкой, чем обеспечивается надежная фиксация сопла, отверстия которого должны иметь строго заданное направление (число форсунок две или три при центральном положении выпускного клапана). Три или четыре распыливающих отверстия сопла имеют диаметр 0,95 –1,05 мм. Для увеличения срока службы элементов игла - упор верхняя часть иглы 7 сделана в виде утолщённой головки, а упор 4 – в виде втулки увеличенного диаметра. Упор запрессован в тело корпуса 1. Подъём иглы h_и = 1 мм. Развитая головка иглы позволила увеличить диаметр штока 3, передающего игле усилие затяга форсуночной пружины 2 (Р_зп), что повысило надёжность узла пружина – шток.

Форсунки Бурмейстер и Вайн охлаждаются, как правило, дизельным топливом автономной системы.

Рис. 6.4.5. Распылители форсунок двигателей Бурмейстер и

Вайн VT2BF МАН-Бурмейстер и Вайн KGF, L-MC

В последние годы все высокомощные судовые малооборотные дизели Бурмейстер и Вайн, а также перспективные дизели МАН - Бурмейстер и Вайн оборудуют новыми форсунками унифицированной конструкцией (см. рис. 6.4.5., 6).

Принципиальным отличием в данном случае является то, что форсунка неохлаждаемая. Нормальная работа форсунки при высоких температурах подогрева тяжелого топлива (105-120 °С) обеспечивается благодаря его центральному подводу по каналу 14. При этом получаются симметричное температурное поле и равные градиенты температур по поперечному сечению распылителя, а следовательно, равные рабочие зазоры в сопряженных парах (во всех прочих конструкциях форсунок, где горячее топливо и охладитель подаются по разным сторонам ее корпуса, создается несимметричное температурное поле).