Сучасні тенденції розвитку форсунок

Процес сумішоутворення при впорскуванні палива у циліндр триває декілька мілісекунд і по часу співпадає з процесом згоряння. Спочатку паливо подається у циліндри, потім випаровується, перемішується з повітрям та газами, створюючи таким чином робочу суміш. Сумішоутворення може бути об’ємне або плівкове і в залежності від конструкції камери згоряння може бути переважаючим той чи інший спосіб. При плівковому сумішоутворенні тонка паливна плівка нагрівається від поверхні камери згоряння і випаровується у повітряний заряд. У двигунах з роздільними камерами згоряння у зв’язку з тим що перемішування палива з повітрям здійснюється за рахунок енергії потоку повітря, яке рухається з над поршневого простору у додаткову камеру, застосовують форсунки з компактним струменем з порівняно малим кутом розпилювання.

У двигунах з неподільними камерами згоряння сумішоутворення в основному здійснюється за рахунок струменю палива багато отвірних форсунок. У деяких системах живлення форсунки за один цикл двигуна можуть здійснюватись два впорскування палива, що покращує економічність роботи двигуна та зменшує викиди шкідливих речовин з відпрацьованими газами. У форсунках встановлюють також електромагнітний або п’єзоелектричний привід клапана з важелями.

Форсунки для впорскування бензину різноманітні і можуть бути клапанні, закриті або штифтові. Основними параметрами, які характеризують форсунку, є величина тиску відкриття (початку впорскування). Важливим параметром форсунки є також тиск закриття форсунки (тиск зливання палива).

Паливо впорскується в камеру згоряння через соплові отвори форсунки у дизелях під тиском 12,5 МПа у одно отвірних та 16,5….21 МПа у багато отвірних форсунках, а в двигунах з впорскуванням бензину у впускний трубопровід 0,37….0,46 МПа і до 15 МПа з впорскуванням бензину безпосередньо в циліндр.

Значний тиск палива та велика швидкість проходження через вузькі щілини забезпечує якісне розпилювання.

Якщо подача палива насосом припиняється і його тиск знижується, голка під дією пружини щільно закриває сопловий отвір розпилювача.

При застосуванні електронних систем керування, запірна голка піднімається електромагнітом.

Рис.14. Форсунка закритого типу з гідравлічно керованою голкою двигуна автомобіля КамАЗ:

1-корпус розпилювача; 2-голка розпилювача; 3-гайка розпилювача;

4-проставка; 5-штанга; 6-регулювальна шайба; 7-сітчатий фільтр; 8-штуцер.

А-відведення палива; Б-підведення палива під тиском.

Форсунки залишилися колишніми, механічними, але до кожної додався п'єзоелектричний клапан, відкриванням і закриванням якого управляє електронний блок, який також управляє паливним насосом високого тиску , забезпечуючи різну подачу палива і тиск в магістралі. Так, тиск на холостому ходу мінімальний, що дозволяє понизити шум роботи форсунок і паливного насоса високого тиску, а при розгоні з низьких обертів -максимальний, що забезпечує найкращу прийомистість.

Останнім часом у системах живлення почали використовувати п’єзофорсунки та п’єзонасос-форсунки. П’єзо - від грецького “тисну”. П’єзоелектричний клапан у чотири рази збільшує швидкодію форсунки, зменшує шум в порівнянні електромагнітним клапаном, дає можливість змінювати величину запальних доз палива та застосовувати електронне керування.

Принцип дії п’єзоприводу форсунки базується на п’єзоелектричному ефекту, тобто в зміні довжини п’єзоелемента при прикладанні до нього напруги. У п’єзофорсунках компанії VW Mechatronic і Siemens VDO Automotive AG керована напруга змінюється від 100 до 200 в.

При прикладанні напруги до деяких матеріалів, що містять кристали турмаліну, кварцу, сегнетової солі, довжина їх кристалів збільшується.

Під тиском у цих кристалах виникає різниця потенціалів, що дає можливість використати цей ефект у п’єзодатчиках.

Товщина одного п’єзоелемента п’єзоприводу клапана приблизно дорівнює 0,08 мм, а її приріст під дією напруги складає 0,15 %.

Для отримання пересування на 0,04 мм необхідний стовпчик з більш ніж 260 п’єзоелементів. У набраному блоку п’єзоелементи розмежовані металевими обкладками для підведення напруги. Стовпчик п’єзоелементів разом з натискною пластиною (наконечником) є основа п’єзоприводу.

Рис. 15. Будова п’єзофорсунки двигуна V8 TDI Audi з п’єзоелектричним клапаном

Тенденції розвитку насос-форсунок.

Насос-форсунки дозволяють реалізувати упорскування з урахуванням особливостей роботи кожного циліндра. Такий двигун приходить на зміну дуже економічному 1,9 TDI (81 кВт), який не укладався в норми Євро III. Новий двигун ще потужніший і економічніший: 85 кВт, його крутний момент більший на 50 Н/м. Середня витрата палива у "Фольксвагена-Пассат 1,9 TDI" з таким двигуном 5,3 л/100 км. БМВ і "Ауди" вже випускають такі автомобілі з шестициліндровими турбодизелями. Без точно керованого комп'ютером електромагнітного клапана майже усі праці пропали б дарма, оскільки важливо не лише ввести потрібна кількість палива в потрібний момент - так само точно має бути визначений кінець фази уприскування. Для м'якої і чистої роботи новий двигун використовує попереднє ("пілотне") уприскування невеликої (1-2 мм3) дози пального. Ще одна особливість: насос-форсунка закачує паливо залежно від швидкості обертання кулачкового валу, але при цьому має завжди одне і те ж. Так, трьохциліндровий дизель робочим об'ємом 1,4 л розвиває крутний момент, 195 Н/м при 2200 об/хв і, відповідає жорстким нормам токсичності D3, маючи високу економічність.

Рис. 16. Насос-форсунка двигуна V10TDI з електромагнітним клапаном

Рис. 17. П’єзо насос-форсунки

При відсутності керуючої напруги, п’єзоелектричний клапан відкритий, так як голка піднята з сідла дією зворотної пружини.

Під час подачі керуючої напруги важільний п’єзо привід пересуває голку клапана на 0,1 мм.