Форсунки с многодырчатыми распылителями

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.

6.4.3 Тепловое 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_p а_газ (t_газ – t_расп),

q₁ и q₂ - 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.