Топливные форсунки дизельные: устройство, давление, принцип работы, виды и типы

Виды, устройство и принцип работы топливных форсунок

Использование форсунок (инжекторов) позволило сделать работу автомобильного двигателя более экономичной и контролируемой в сравнении с карбюраторными системами. Их главная задача – обеспечение точной дозировки топлива, подаваемого в камеру сгорания, в определенный момент времени и образование оптимальной топливовоздушной смеси. Применяются форсунки и на бензиновых, и на дизельных моторах. Конструктивно они представляют собой сложные устройства высокой точности обработки.

1. Функции и виды форсунок
2. Как устроена электромагнитная форсунка двигателя
3. Принцип действия электрогидравлической форсунки
4. Особенности работы пьезоэлектрической форсунки
5. Рабочие параметры и неисправности инжекторов

Функции и виды форсунок

Топливная форсунка, или инжектор, представляет собой своеобразный клапан, работа которого контролируется блоком управления (ЭБУ) двигателя. Это позволяет подавать топливо, находящееся под высоким давлением, строго ограниченными порциями и в заданный момент времени. В зависимости от типа системы впрыска форсунка может устанавливаться в различных местах. Так, при моновпрыске она располагается перед дросселем во впускном трубопроводе. В системе с распределенным впрыском форсунки устанавливаются в ГБЦ перед клапанами. При этом для каждого цилиндра предусматривается свой отдельный инжектор. В двигателях с непосредственным впрыском форсунки находятся в верхней части цилиндра, подавая топливо сразу в камеру сгорания.

По способу управления (типу привода) инжекторы разделяют на следующие типы:

• механические;
• электромагнитные;
• электрогидравлические;
• пьезоэлектрические.

Устройство механической форсунки

Механические форсунки применяются на дизелях. Принцип их работы основан в воздействии усилия давления топлива на запорную пружину. Когда давление в системе выше сопротивления пружины, игла поднимается и происходит впрыск. После того как давление падает, игла возвращается в исходное положение. Стоит отметить, что давление таких форсунок дизельных двигателей очень низкое, а потому они редко применяются в современном автомобилестроении.

Электромагнитные и гидромеханические инжекторы могут иметь:

• клапан форсунки со сферическим профилем;
• штифтовой клапан;
• дисковый клапан.

Как устроена электромагнитная форсунка двигателя

Такой тип инжекторов используется преимущественно в бензиновых системах, включая двигатели с непосредственным впрыском. По функциональному назначению электромагнитные форсунки разделяются на пусковые (например, в системе “K-Jetronic”) и рабочие. Последние могут быть центральными (выполняют точечный впрыск) и индивидуальными (распределяют топливо по цилиндрам).

Устройство электромагнитной форсунки

Конструктивно электромагнитная форсунка самая простая. Ее основными элементами являются:

• герметичный корпус;
• разъем для подключения к электрической цепи;
• запирающая пружина;
• обмотка возбуждения клапана;
• якорь электромагнита;
• игла;
• уплотнители;
• сопло;
• фильтр-сеточка форсунки;
• распылитель.

В заданный момент времени ЭБУ двигателя подает напряжение на обмотку возбуждения, что обеспечивает формирование электромагнитного поля, воздействующего на якорь с иглой. В этот момент усилие сжатия пружины становится меньше магнитной силы, якорь втягивается, игла поднимается и освобождает сопло инжектора. Управляющий клапан форсунки двигателя открывается, и происходит впрыск топлива под высоким давлением. Когда блок управления прекращает подачу энергии на обмотку, пружина возвращает иглу в исходное положение.

Вопреки расхожему заблуждению, сама электромагнитная форсунка бензинового двигателя не создает давление. Давление в системе создается топливным насосом.

Электромагнитные инжекторы подбираются в зависимости от мощности двигателя. Прежде всего, необходимо знать, какое сопротивление у форсунок. В заводском исполнении они бывают низкоомные (2-6 Ом) и высокоомные 12-16 Ом. При низком сопротивлении может быть установлен дополнительный резистор в 6-8 Ом, который снизит потребление тока.

Принцип действия электрогидравлической форсунки

Электрогидравлический инжектор (насос-форсунка) – это форсунки топливные дизельные. Они подходят для типовых ТНВД и систем Common Rail. Состоят такие форсунки из следующих элементов:

• сопло;
• пружина;
• камера управления;
• дроссель слива;
• якорь электромагнита;
• магистраль слива топлива;
• разъем для подключения к электрической цепи;
• обмотка возбуждения;
• штуцер подачи топлива;
• дроссель на впуске;
• поршень;
• игла распылителя.

В момент начала цикла управляющий электромагнитный клапан форсунки полностью закрыт. Топливо в системе давит на поршень, находящийся в камере управления, а игла инжектора плотно прижата к седлу. ЭБУ двигателя подает напряжение на обмотку возбуждения электромагнитного клапана. Дроссель слива открывается, и топливо поступает в сливную магистраль.

Дроссель впуска, в свою очередь, не позволяет мгновенно выровнять давление на впуске и в камере управления. Таким образом, на некоторый промежуток времени усилие, воздействующее на поршень, уменьшается, а давление на иглу остается высоким. Эта разность давлений и обеспечивает подъем иглы и впрыск топлива.

Особенности работы пьезоэлектрической форсунки

Это исключительно дизельная форсунка, которая считается наиболее прогрессивной, поскольку обеспечивает более быстрое срабатывание, максимально точную дозировку и позволяет выполнять многократный впрыск на протяжении одного цикла. Она применяется в дизельных двигателях Common Rail. Пьезоэлектрические форсунки двигателя состоят из таких деталей:

• игла;
• уплотнители;
• блок дросселей;
• пружина запора иглы;
• переключающий клапан форсунки;
• пружина клапана;
• поршень клапана;
• пьезоэлемент;
• сливная магистраль;
• поршень толкателя;
• фильтр;
• разъем для подключения к цепи питания;
• нагнетательная магистраль.

Принцип работы такого инжектора основан на изменении длины пьезоэлемента при подаче на него напряжения. В начальном положении игла под воздействием давления топлива посажена на седло. Когда ЭБУ двигателя посылает сигнал на пьезоэлемент, последний, изменяя длину, воздействует на поршень толкателя. Переключающий клапан форсунки открывается, и топливо подается на слив. Аналогично электрогидравлическим системам, создается разность низкого давления над иглой и высокого под ней, и она поднимается, выполняя впрыск дизтоплива. Количество последнего при этом регулируется длительностью подачи напряжения на пьезоэлемент пьезофорсунки и давлением в топливной рампе двигателя.

Рабочие параметры и неисправности инжекторов

Одной из основных характеристик форсунки является факел распыла. Для обеспечения корректной работы двигателя топливо должно распыляться под высоким давлением и на большую площадь. При этом размеры капель горючего должны быть как можно меньше. Это позволяет ускорить процесс сгорания и уменьшить расход топлива. Если же подача бензина или дизеля будет осуществляться струей, возникнут провалы в работе мотора, увеличится количество сажи в выхлопе. Происходит это, когда распылитель инжектора загрязняется.

Также важным параметром является время впрыска форсунок, или лаг открытия и закрытия. Он зависит от множества параметров напряжения, уровня давления и типа топлива. Измеряется лаг лабораторным методом, в ходе которого определяется количество пролитого топлива за единицу времени.

Несмотря на сложное устройство, топливные инжекторы имеют длительный срок эксплуатации. В среднем он составляет от 100 до 150 тысяч километров пробега. Основным требованием для обеспечения продолжительности работы форсунок является качество топлива и своевременный технический осмотр автомобиля.

Принцип работы и устройство дизельных форсунок

Форсунка (в обиходе механиков и автолюбителей эта деталь часто называется инжектором) – это ключевой элемент современного дизельного двигателя. Ее основная цель – эффективно подавать топливо в камеру сгорания, предварительно дозировав и распылив необходимый объем. С учетом достаточно сложных условий эксплуатации дизельных моторов (высокая температура и давление) от качества изготовления составных элементов инжектора и совершенства конструкции во многом зависит эффективность работы всего силового агрегата. Чтобы контролировать исправность мотора, надо прежде всего понять устройство и принцип работы форсунки дизельного двигателя. Совместно со специалистами центра по обслуживанию моторов постараемся рассмотреть основные моменты, классификацию и различия в конструкции инжекторов.

Назначение

Наличие в конструкции силового агрегата топливных форсунок характерно не только для дизельных, но и для бензиновых двигателей. Это связано с принципом работы установки, в которой предусмотрена эффективная система прямого впрыска топлива в камеры сгорания. Воспламенение топливно-воздушной смеси осуществляется под воздействием высокого давления. На практике эффективность работы у дизельных форсунок гораздо выше, чем у аналогичных бензиновых инжекторов.

Логично предположить, что высокий КПД двигателя, работающего на дизельном топливе, возможна только при использовании качественных комплектующих, способных обеспечивать своевременную подготовку и подачу топливной смеси внутрь камеры сгорания. Вот основные задачи, которые выполняет инжектор:

• Непосредственный впрыск дизтоплива в камеру сгорания.
• Дозировка необходимого объема горючего, которое позволяет обеспечить заданную мощность силового агрегата.
• Распыление топлива, что гарантирует более эффективное и полное сжигание смеси.
• Герметичность системы.

Устройство дизельных форсунок

Сегодня производители дизельных авто активно пользуются внушительным количеством инжекторов, различающихся по конструкции и принципу работы. Несмотря на ряд различий, каждое из устройств состоит из одинаковых деталей и элементов. К таковым следует отнести:

• Корпус, где размещены основные детали и элементы агрегата.
• Распылитель в форме иглы. Этот элемент отвечает за распределение топлива в надпоршневом пространстве двигателя.
• Плунжер. Металлический стержень, который за счет движения внутри корпуса создает необходимый уровень давления.
• Пружина запирания, отвечающая за фиксацию иглы в рабочем положении.
• Штуцер подвода горючего в дизельную форсунку.
• Управляющий клапан, позволяющий эффективно решить сразу две задачи – дозировать топливную смесь и устанавливать регулярность впрыскивания в камеру сжигания.
• Фильтр очистки топлива. Ключевой элемент общей системы очистки в дизельном силовом агрегате.
• Штуцер обратного отвода. Отвечает за то, чтобы убрать из форсунки остатки топлива, не попавшие в камеру сжигания.

При производстве форсунок изготовители обязательно предусматривает наличие электронного блока управления. В него входят автоматические датчики и приборы контроля, которые непрерывно следят за процессами, протекающими в устройстве, обеспечивают эффективную работу инжектора и силового агрегата в целом.

Механические форсунки: устройство и принцип работы

Система питания топливом дизельного двигателя с форсунками с механическим управлением – одна из разновидностей, встречающаяся в современных авто. В топливный насос высокого давление поступает горючее из бака, за счет работы подкачивающего насоса создается необходимое давление, которое и прокачивает смесь по топливопроводам.

Насос высокого давления отвечает за распределение и нагнетание топливной смеси в магистрали, которые ведут к механической форсунке. Она открывается для впрыска порции горючего в цилиндры под давлением. После снижения давления механизм закрывается. У простого механического инжектора упрощенная конструкция: корпус, распылитель, игла и одна пружина. Запорная игла свободно двигается по направляющему каналу. Сопло плотно перекрыто в тот момент, когда ТНВД не создает рабочее давление. В нижней части игла опирается на коническое уплотнение распылителя, а прижим осуществляется за счет пружины, закрепленной сверху устройства.

Распылитель – один из ключевых элементов в устройстве механического инжектора. Он может иметь различное количество отверстий и различаться способом регулировки объема топлива в камеры сгорания. У простых дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания обычно распылитель имеет одно отверстие и иглу. Более совершенные силовые агрегаты с системой непосредственного впрыска топлива оснащаются форсунками с несколькими распылительными отверстиями – от 2 до 6 в зависимости от модели авто.

Способ и интенсивность подачи топливной смеси напрямую связаны с конструкцией распылителя, т.к. существует два варианта работы:

• Перекрытие каналов.
• Перекрываемый объем.

Первый тип предполагает, что подача горючего прекращается за счет перекрытия каждого отверстия иглой форсунки. Во втором случае игла перекрывает не отверстие, а образовавшуюся в нижней части распылителя камеру. Под воздействием давления, нагнетаемого топливным насосом, игла поднимается, а топливо проникает в корпус под образовавшейся ступенькой. В тот момент, когда давление поступаемого топлива становится выше исходного усилия прижимной пружины, игла начинает двигаться вверх, открывая канал распылителя. Топливо под давлением проходит этот участок и распыляется в камеру сгорания в форме факела.

После этого часть горючего, поданного ТНВД, попадает в камеру сгорания. Давление на ступеньке иглы снижается, усилия пружины возвращают ее в исходное рабочее положение и перекрывают канал. Это позволяет исключить поступление дизтоплива в распылитель.

Электромеханические форсунки

В дальнейшем производство систем топливоподачи для дизельных моторов только совершенствовалось, что привело к появлению на рынке форсунок, у которых топливная смесь подается в камеру сгорания за счет комбинированного электромеханического воздействия. Различие заключается в том, что в таком инжекторе игла форсунки перемещается не под воздействием давления от ТНВД, а за счет управляемого электромагнитного клапана. Этот элемент контролируется электронным блоком управления двигателя, поэтому без соответствующего сигнала топливная смесь не может попасть в распылитель.

ЭБУ является ключевым элементом системы распределения, который отвечает за момент и длительность топливного впрыска в камеру сгорания. Именно блок управления дозирует количество топлива за счет подачи определенного количества импульсов на клапан. Рабочие параметры импульсов зависят от частоты вращения коленчатого вала, режима работы и температуры силового агрегата и других исходных параметров.

К примеру, в системе топливоподачи Common Rail форсунка электромеханического типа способна осуществлять подачу топливной смеси за счет нескольких раздельных импульсов. За один цикл солярка впрыскивается в камеру сгорания до 7 раз. Такой режим работы дизельной форсунки позволяли существенно увеличить давления впрыска и улучшить КПД системы. За счет того, что топливо подается дозированно, давление газов на поршень меняется плавно. Смесь распределяется по цилиндрам мотора более равномерно, лучше распыляется и эффективнее сгорает.

За счет такого подхода производителям удалось полностью перераспределить задачу по управлению впрыском с традиционного ТНВД на усовершенствованный ЭБУ. Система впрыска с электронным управлением работает более слаженно и точнее, за счет чего дизельный силовой агрегат становится более экономичным, экологичным (топливо сгорает лучше) и одновременно мощным. Уменьшилась степень вибраций и шумов в процессе работы, общий эксплуатационный ресурс мотора стал намного больше.

Принцип работы насоса-форсунки

Дизельная насос-форсунка – это особенный вид системы питания силового агрегата, в которой отсутствует ТНВД. Принцип работы заключается в том, что насос низкого давления на первом этапе подает топливо напрямую к инжектору, в котором предусмотрена плунжерная пара для создания необходимого рабочего давления. В дальнейшем этот элемент приводится к действие за счет прямого воздействия кулачков распределительного вала. Такая система впрыска топлива обеспечивает более эффективное распыление за счет создания повышенного давления.

Как отмечают конструкторы и механики, отсутствие топливного насоса высокого давления не ухудшили характеристики дизельного мотора. Наоборот, силовой агрегат стал более компактным, а часть его мощности перестала расходоваться на постоянное вращение ТНВД. Инжекторы системы насос-форсунки позволяют подавать топливо всего за два импульса благодаря усовершенствованному электрическому клапану.

Общий принцип работы такого механизма схож с механическим инжектором с двумя пружинами. Сначала осуществляется подвпрыск, а потом в цилиндр поступает основная порция топлива. Система максимально точно выбирает момент начала впрыска и эффективнее дозирует горючее. За счет этого обеспечивается экономичный расход топлива, тихий и плавный ход силового агрегата. Содержание токсичных газов в выхлопе заметно ниже, ведь топливная смесь практически полностью сгорает.

Единственным минусом такой системы видится прямая зависимость давления впрыска от частоты вращения коленчатого вала. Специалисты отмечают высокие требования к качеству моторного масла, сложность исполнения конструкции, невозможность самостоятельного ремонта и трудности с техобслуживанием. Соответственно, возрастает цена мотора и затраты на его обслуживание.

Почему стоит ремонтировать форсунки у профессионалов?

Как видите, система впрыска топлива в дизельном двигателе – сложный механизм, каждая деталь которого имеет важное значение. Именно поэтому рекомендуем не экспериментировать, а доверить ремонт форсунок опытным специалистам. В нашем сервисном центре имеется диагностическое и ремонтное оборудование, позволяющее устранить неполадки с дизельным мотором любого авто, вне зависимости от года выпуска и комплектации. Работы проводятся в течение 1 дня, с использованием оригинальных комплектующих производителей.

Топливная форсунка. Назначение, устройство, принцип работы

Видео: Устройство и принцип действия насос форсунки. Принцип работы форсунки инжекторного двигателя. Изучаем Common Rail. Дизельные форсунки. Разбираем топливную форсунку. Промывка топливной форсунки своими руками. Что убивает форсунки дизельного двигателя. Регулировка дизельных форсунок на стенде в домашних условиях. Работа распылителя и стенда КИ-562

Форсунка — это элемент системы впрыска, предназначенный для дозированной подачи топлива, его распыления в камере сгорания (впускном коллекторе) и образования топливно-воздушной смеси.

Форсунки используются в системах впрыска как бензиновых, так и дизельных двигателей. На современных двигателях устанавливаются форсунки с электронным управлением впрыска.

В зависимости от способа осуществления впрыска различают:

• электромагнитные форсунки
• электрогидравлические форсунки
• пьезоэлектрические

Общий вид форсунки системы «Коммон рейл» фирмы «Бош» показан на рисунке.

Рис. Разрез электрогидравлической форсунки фирмы Бош:
1 – отводящий дроссель; 2 – игла; 3 – распылитель; 4 – пружина запирания иглы; 5 – поршень управляющего клапана; 6 – втулка поршня; 7 – подводящий дроссель; 8 – шариковый управляющий клапан; 9 – шток; 10 – якорь; 11 – электромагнит; 12 – пружина клапана

Форсунка состоит из:

• электромагнита 11
• якоря электромагнита 10
• маленького шарикового управляющего клапана 8
• запорной иглы 2
• распылителя 3
• поршня управляющего клапана 5
• подпружиненного штока 9

Шарик клапана прижимается к седлу с усилием пружины и электромагнита. Сила пружины рассчитана на давление до 100 кг/см2, что значительно ниже давления в линии высокого давления (250…1800 кг/см2), поэтому только при приложении усилия электромагнита шариковый клапан не отойдет от седла, отделяя аккумулятор от линии слива. Игла распылителя форсунки в нерабочем состоянии прижимается к седлу пружиной распылителя – это предотвращает попадание воздуха в форсунку при пуске двигателя.

В отличие от бензиновых электромеханических фор­сунок, в форсунках «Коммон Рейл» электромагнит при давлении 1350 … 1800 кгс/см2 не в состоянии поднять за­порную иглу, поэтому используется принцип гидроусиления.

Рис. Принцип действия электрогидравлической форсунки:
а – форсунка в закрытом состоянии; b – форсунка в открытом состоянии; c – фаза закрытия форсунки

При создании давления в аккумуляторе, оно действует как на конусную поверхность иглы, так и на поршень управляющего клапана 5. Поскольку площадь рабочей поверхности поршня на 50% больше площади конусной поверхности иглы, игла распылителя продолжает прижиматься к седлу.

При подаче напряжения от блока управления на электромагнит 11, шток 9 якоря штока поднимается и открывается шариковый управляющий клапан 8. Давление в камере управления 7 падает в результате открытия дроссельного отверстия и топливо пропускается из зоны над поршнем управляющего клапана в зону слива. Давление на поршень управляющего клапана падает, так как подводящее дроссельное отверстие управляющего клапана имеет меньшее сечение чем отводящее. Запорная игла 2 при этом под действием высокого давления в кармане распылителя 3 открывается. Количество подаваемого топлива зависит от времени подачи напряжения в электромагнит 11, а значит от времени открытия шарикового управляющего клапана 8. При прекращении подачи напряжения на электромагнит 11, якорь под действием пружины опускается вниз, при этом шариковый управляющий клапан закрывается, давление в камере управления восстанавливается через специальный жиклер. Под действием давления топлива на поршень управляющего клапана 5, имеющего диаметр больше диаметра иглы, последняя закрывается.

На входе топлива в форсунку установлен аварийный ограничитель подачи топлива. Он предотвращает опорожнение аккумулятора через форсунку с зависшей иглой или клапаном управления, а также повреждение соответствующего цилиндра дизеля. В нем используется принцип возникновения разницы давлений по обе стороны от клапана 1 при прохождении топлива через его жиклеры 2. Сечение жиклеров, за­тяжка пружины 3 и диаметр клапана подобраны по максимальной продолжительности и расходу, т.е. подаче топлива.

Рис. Аварийный ограничитель подачи топлива через форсунку

В системах «коммон рейл» первых поколений общее количество горючей смеси, впрыскиваемой в цилиндр, разделялось на предварительное и основное. Однако более гармоничной является такая схема сгорания, когда во время одного рабочего такта горючая смесь будет разделена на возможно большее количество частей. До сих пор добиться этого было невозможно по причине инерционности традиционных форсунок с электромагнитным управлением.

Одним из путей совершенствования системы «коммон рейл» является увеличение быстродействия открытия форсунки. Минимальное время открытия форсунки для электромагнита с подвижным сердечником составляет 0,5 мс, что не позволяет оперативно изменять подачу топлива. Для более быстрого срабатывания форсунки в настоящее время применяется пьезокерамическая форсунка, которая работает вчетверо быстрее.

Известно, что при подаче электрического напряжения на пьезокерамическую пластинку она на несколько микрон изменяет свою толщину.

Пьезоэлемент, являющийся исполнительным элементом форсунки, представляет собой параллелепипед длиной 30…40 мм, состоящий из спеченных между собой 300 керамических пластинок (кристаллов), расширяющийся на 80 мкм всего за 0,1 мс, чего достаточно чтобы воздействовать на иглу форсунки с усилием 6300 Н. При этом для управления пьезоэлементом используют напряжение бортовой сети автомобиля.

Для усиления пьезоэффекта в керамику добавляют палладиум и цирконий. Пьезоэлемент потребляет энергию только при подаче напряжения и регенерирует ее при выключении напряжения, таким образом, являясь регенератором энергии.

Использование пьезоэлемента, кроме быстроты срабатывания, обеспечивает большую силу открытия клапана сброса давления над иглой форсунки и высокую точность хода для быстрого сброса давления подачи топлива.

Электрогидравлическая форсунка с пьезоэлементом показана на. Основными составляющими форсунки являются модуль исполнительного элемента, состоящего из пьезоэлектрического элемента и его составляющих, модуль плунжера, состоящего из поршней, амортизатора давления и пружины, клапан переключения, игла. Для окончательной очистки топлива применяется специальный стержневой фильтр.

Рис. Разрез пьезоэлектрогидравличе­ской форсунки:
1 ­– патрубок рециркуляции; 2 – электрический разъем; 3 – стержневой фильтр; 4 – корпус форсунки; 5 – пьезоэлектричесий элемент; 6 – сопряженный поршень; 7 – поршень клапана; 8 – клапан переключения; 9 – игла форсунки; 10 – амортизатор давления

Увеличение длины модуля исполнительного элемента преобразуется модулем соединителя в гидравлическое давление и перемещение, воздействующие на клапан переключения. Модуль плунжера действует как гидравлический цилиндр. На него постоянно воздействует давление подачи топлива 10 кгс/ см2 через редукционный клапан в обратной магистрали.

Топливо выполняет роль амортизатора давления между плунжером соединителя выпускного дросселя 8 и плунжером клапана 5 в модуле плунжера. Из пустого закрытого инжектора (присутствует воздух) воздух удаляется при стартерном пуске двигателя (с частотой вращения вала стартера). Помимо этого, инжектор наполняется топливом, подаваемым погруженным в топливном баке насосом, проходящим через управляемый обратный клапан против направления потока топлива.

Клапан переключения состоит из пластины клапана, плунжера клапана 5, пружины клапана и пластины дросселя 3. Топливо под давлением протекает через впускной дроссель 4 в пластине дросселя к игле форсунки и в камеру над иглой форсунки. Благодаря этому происходит выравнивание давления над и под иглой форсунки. Игла форсунки удерживается в закрытом положении силой пружины форсунки. При нажиме плунжера клапана 5 открывается канал выпускного дросселя и топливо под давлением вытекает через выпускной дроссель 8 большего размера, расположенный над иглой форсунки. Топливо под давлением поднимает иглу форсунки, в результате чего происходит впрыск. Благодаря быстрым командам на переключение пьезо-электрического элемента за один рабочий такт друг за другом производятся несколько впрысков.

Рис. Принцип работы пьезофорсунки:
1 – игла форсунки; 2 – пружина форсунки; 3 – пластина дросселя; 4 — впускной дроссель; 5 – плунжер клапана; 6 – линия высокого давления; 7 – соединительный элемент; 8 – выпускной дроссель; а – форсунка закрыта; б — форсунка открыта

Из-за особенностей процесса сгорания, присущих дизельным двигателям с турбонаддувом, для уменьшения шума и снижения выброса оксидов азота в цилиндры двигателя перед впрыском основной дозы топлива подается небольшая капля топлива (1…2 мм3) «пилотный впрыск», которая плавно перетекает в распыление остальной части топлива. Предварительный впрыск позволяет топливу воспламеняться быстрее. Давление и температура при этом возрастают медленнее чем при обычном впрыске, что уменьшает «жесткость» работы двигателя и его шум с одновременным снижением выбросов окислов азота. Характер процесса двойного впрыска показан на рисунке:

Рис. График процесса двойного впрыска и характер распыления топлива

При холодном двигателе и в режиме, приближенном к холостому ходу, происходит два предварительных впрыска. При увеличении нагрузки предварительные впрыски один за одним прекращаются, пока при полной нагрузке двигатель не перейдет в режим основного впрыска. Оба дополнительных впрыска необходимы для регенерации сажевого фильтра.

Благодаря тому, что пьезофорсунки имеют намного меньшее время срабатывания, чем традиционные электромагнитные, стало возможным разделение горючей смеси на несколько отдельных микродоз: после многократных предварительных впрыскиваний очень небольших количеств горючей смеси следуют либо основное впрыскивание, либо при необходимости многие так называемые «послевпрыскивания».

Рис. Характер протекания процесса многоступенчатого впрыска

Время между предварительным впрыскиванием и основным впрыскиванием составляет 100 мс. Объем топлива, попадающего в цилиндр в момент каждого предварительного впрыскивания, составляет 1,5 мм3. Это делается для равномерного распределения давления в камере сгорания и, соответственно, уменьшения шума, создаваемого в процессе сгорания. После впрыскивания, в свою очередь, служат для снижения токсичности отработавших газов. Если в конце цикла сгорания произвести еще одно впрыскивание в цилиндр, то оставшиеся частицы сгорают лучше. Кроме того, в случае, когда во впускной системе установлен фильтр для улавливания несгоревших частиц, такая технология за счет высокой температуры способствует его очистке. Это особенно актуально для двигателей с большим рабочим объемом.

Более того, сейчас стало возможным использовать до семи тактов впрыска вместо трех за один рабочий процесс. Благодаря этому появляются новые возможности для увеличения номинальной мощности двигателя и еще более точного контроля за составом отработавших газов.

Новое поколение форсунок позволяет регулировать не только количество впрыска по времени и его фазы, но и управлять подъемом иглы, что позволяет более четко управлять процессом впрыска.

В настоящее время производители дизельной топливной аппаратуры, например фирма Бош, разработала системы Common Rail с давлением впрыска до 2500 кгс/см2. В этих системах форсунка отличается от традиционной тем, что максимальное давление создается не гидроаккумуляторе, а в самой форсунке. Она снабжена миниатюрным гидроусилителем давления и двумя электромагнитными клапанами, позволяющими варьировать момент впрыска и количество топлива в пределах одного рабочего цикла. Таким образом, здесь совмещены принципы работы Common Rail и форсунки.

Другим направлением форсунок фирмы Bosch является устройство в форсунках небольшого напорного резервуара, сокращающего обратный ход к циклу низкого давления. Это позволяет увеличить давление впрыска и КПД системы.

Форсунки с повышенным давлением впрыска соответствуют нормам Евро-6.

Форсунка дизельная

Дизельная форсунка, которую нередко называют инжектором, является ключевой деталью дизельного двигателя. Ее основной задачей выступает подача топлива в камеру сгорания, а также его точная дозировка и распыление. Учитывая сложные условия эксплуатации, которые сопровождают эксплуатацию дизельного двигателя и выражаются в высокой температуре и серьезном давлении, от качества изготовления и эффективности выполнения форсункой своих функций зависит КПД всего агрегата.

Назначение

Наличие в конструкции топливной форсунки выступает отличительной чертой не только дизельных, но и бензиновых инжекторных двигателей. Необходимость в этой детали возникает из принципа работы обоих типов силовых установок, который предусматривает использование системы прямого впрыска горючего в камеры сжигания. При этом воспламенение топлива происходит под воздействием высокого давления, достигаемого за счет ТНВД. Уровень этого показателя в дизельных агрегатах намного выше, чем в инжекторных бензиновых установках.

Как следствие, эффективная работа двигателя на дизельном топливе возможна только при наличии специальной детали, способной обеспечить своевременную подачу нужного количества горючего, его распыление внутри камеры и герметичность си

темы. Основные функции дизельной форсунки уже были перечислены выше. Они состоят в следующем:

· впрыск топлива внутрь камеры сгорания;

· дозировка горючего, представляющая собой определение такого его количества, которое необходимо для достижения нужной мощности;

· распыление топлива внутри камеры сгорания, что обеспечивает более полное и эффективное сжигание;

· сохранение герметичности системы подачи топлива.

История изобретения и совершенствования

Первые модели дизельного двигателя, разработанные и изготовленные в конце позапрошлого века при непосредственном участии Рудольфа Дизеля, предусматривали наличие так называемой компрессорной форсунки и применение в качестве топлива керосина. Появление ТНВД позволило использовать намного более компактные и удобные бескомпрессорные форсунки.

Особенно удачной оказалась модель инжектора, созданная в 20-х годах прошлого века Робертом Бошем. Этот вариант дизельной форсунки с незначительными доработками и усовершенствованиями применяется до настоящего времени. Конечно же, эксплуатационные и технические параметры современных деталей, несмотря на общую схожесть конструкции, существенно превосходят разработки Боша, что объясняется значительным улучшением качества и точности изготовления, а также использованием в процессе производства новейших сталей и сплавов.

Ключевым усовершенствованием форсунки стало активное применение разнообразной электроники. Использование датчиков контроля и управления работой дизельного двигателя в целом и его отдельных узлов позволяет заметно повысить КПД и эффективность эксплуатации транспортного средства.

Устройство

В настоящее время продолжает активно использовать большое количество различных по конструкции и принципу действия типов дизельных форсунок. Несмотря на определенные особенности каждого из них, можно выделить несколько общих элементов или деталей, в том или ином виде присутствующих практически всегда. К ним относятся:

· корпус, в котором размещаются остальные детали и элементы дизельной форсунки;

· распылитель в виде иглы. Предназначение детали очевидно и заключается в распределении топлива в пространстве над поршнем;

· стержень или плунжер, который движется внутри корпуса форсунки, за счет чего нагнетается необходимый уровень давления;

· пружина запирания иглы. Используется для фиксации иглы в нужном положении;

· штуцер подвода топлива. Предназначен для подачи горючего в форсунку;

· управляющий клапан. Применяется для эффективного решения двух главных задач – дозировки топлива и определения регулярности его впрыскивания в камеру сжигания;

· фильтр очистки топлива. Один из элементов общей системы очистки используемого в дизельном двигателе горючего;

· штуцер обратного отвода излишков топлива. Назначение этого элемента форсунки также предельно очевидно – он применяется для того, чтобы отвести из форсунки топливо, не попавшее в камеру сжигания.

Устройство современных дизельных форсунок предусматривает обязательное наличие электронного блока управления. Входящие в него приборы и датчики в автоматическом режиме регулируют процессы, протекающие в рассматриваемом механизме, обеспечивая эффективную работу как инжектора, так и двигателя в целом.

Рабочие стадии

Эксплуатация дизельной форсунки предусматривает циклическое и последовательное повторение 4 рабочих стадий. В указанное число входят:

1. Закрытое положение форсунки. Начальный этап процесса. Предусматривает создание высокого давления одновременно со стороны плунжера и пружины, благодаря чему форсунка остается закрытой.

2. Начало впрыска. Автоматика подает сигнал, вследствие которого плунжер форсунки начинает двигаться вверх. В результате давление на иглу уменьшается, она также начинает подниматься, обеспечивая начало поступления топлива в камеру сгорания.

3. Полностью открытое положение форсунки. На этом этапе плунжер управления поднимается максимально, достигая верхнего упора. Это означает аналогичное перемещение иглы и режим полного открытия форсунки.

4. Конец впрыска. Завершающая стадия рабочего процесса. Она состоит в опускании управляющего плунжера и иглы форсунки, следствием чего становится перекрытие доступа горючего в камеру сжигания.

Приведенная выше схема с некоторыми корректировками достаточно точно описывает эксплуатацию дизельных форсунок любого типа. Важно понимать, что количество подобных рабочих циклов в период времени зависит от типа и мощности агрегата, вида самой форсунки и большого количества других факторов.

Разновидности и принцип работы

В сегодняшних условиях применяются самые разные виды дизельных форсунок. Их большое разнообразие объясняется как крайне широкой сферой применения, так и различиями в задачах, для решения которых они предназначаются.

Механическая форсунка

Традиционный вариант устройства, постепенно уступающий по популярности современным инженерным решениям. Именно его принцип действия был приведен выше при описании рабочего цикла дизельной форсунки. Он базируется на срабатывании клапана при достижении определенного уровня давления.

Механическая форсунка применяется в автомобилестроении в течение нескольких десятков лет. Однако, введение новых экологических стандартов и всеобщее стремление к повышению уровня экономичности дизельных двигателей привело к неуклонному вытеснению этого классического устройства более эффективным разработкам последних лет.

Главное направление совершенствования форсунки в частности и дизельного двигателя в целом – это передача контроля и управления большинством рабочих процессов электронным приборам и датчикам. Кроме того, отдельного упоминания заслуживает форсунка с двумя пружинами, разделяющая подъем иглы на две стадии. В результате обеспечивается гибкость в подаче горючего, более полное сгорание топлива и уменьшение шума при работе агрегата.

Электромеханическая форсунка

Главное отличие от механического варианта состоит в использовании для перемещения иглы форсунки вместо пружины электромагнитного клапана. Он управляется автоматикой, благодаря чему достигается точное определение количества необходимого топлива и оптимальная периодичность его впрыска.

Электромеханическая форсунка напоминает часто используемую в инжекторных бензиновых двигателях электромагнитную версию устройства. Она не используется в дизель-моторах, так как не способна выдерживать высокое давление.

Насос-форсунка

Еще одна вариация традиционного дизельного двигателя. Устройство агрегата не предполагает наличие обычного ТНВД. Вместо него для нагнетания необходимого уровня давления используются специальные насос-форсунки. Фактически, вместо одного топливного насоса высокого давления устанавливаются несколько более простых, каждый из которых обслуживает только одну форсунку.

Такое устройство двигателя позволяет подавать топливо в камеру сгорания под очень высоким давлением. Как следствие – обеспечивается уверенное самовоспламенение и более полное сжигание горючего. Отсутствие ТНВД позволяет сделать двигатель более компактным, что также выступает немаловажным достоинством.

Однако, использование системы насос-форсунка имеет и определенные недостатки. Главные из них – высокая требовательность к качеству применяемого дизельного топлива, а также более значительные расходы на изготовление двигателя в целом. Именно поэтому стремительно растет популярность еще одной разновидности дизельных форсунок и системы, предусматривающей их применение.

Пьезоэлектрическая форсунка

Устройство пьезофорсунки напоминает электромеханические или электромагнитные аналоги. Главное отличие заключается в использовании вместо электромагнитного клапана специального пьезоэлемента, часто называемого пьезоэлектрическим кристаллом. Его наличие обеспечивает крайне высокое быстродействие устройства. Благодаря этому клапан срабатывает в 4 раза чаще, чем в обычных электромагнитных форсунках.

Нет ничего удивительного, что пьезоэлектрические форсунки стали важным элементом системы впрыска Common Rail, которая используется сегодня практически повсеместно. Ее использование позволяет увеличить эффективность работы дизельного двигателя и повысить КПД при одновременном уменьшении расхода топлива и количества вредных выбросов.

Причины и способы устранения неисправностей

Главной проблемой при эксплуатации форсунок выступает низкое качество дизельного топлива. Оно может быть вызвано с продажей некачественного горючего на автозаправочных станциях, использованием различных красителей и присадок для дизтоплива, слишком большим количеством тяжелых фракций углеводородов или элементарным загрязнением топлива мелкими частицами различных веществ.

В любом из перечисленных случаев возникают крайне неприятные последствия в виде повышенного уровня износа и быстрой эрозии поверхности деталей и узлов дизельной форсунки. Следствием этого становятся очевидные проблемы в работе двигателя в целом, которые обычно выражаются в следующем:

· ослабление или перепады мощности в процессе эксплуатации автомобиля;

· трудности при запуске двигателя;

· порывистое движение при увеличении оборотов;

· заметный рост расхода дизельного топлива;

· увеличение количества выбросов или их качества (черный или сизый дым из выхлопной трубы) и т.д.

Современное диагностическое оборудование позволяет заблаговременно выявить возможные проблемы с форсунками двигателя. Поэтому для длительной и бесперебойной работы агрегата целесообразно регулярно проходить техническое обслуживание, причем в солидной специализированной организации.

Для устранения выявленных проблем применяются различные современные и весьма эффективные методы, требующие наличия соответствующего оборудования и навыков и обслуживающих его специалистов:

· промывка при помощи специальных присадок, добавляемых в дизельное топливо;

· промывка специальными техническими жидкостями на стенде;

· ручная промывка форсунок дизельного двигателя.

Своевременно проведенная диагностика и ремонт форсунок обеспечат длительную и беспроблемную эксплуатацию. В свою очередь, это гарантирует владельцу транспортного средства эффективную и экономную работу всего дизельного двигателя, установленного на автомобиле.

Дизельные форсунки: особенности конструкции

Дизельная форсунка представляет собой один из главных элементов системы питания дизельного двигателя. Форсунка (инжектор) обеспечивает прямую подачу солярки в камеру сгорания дизеля, а также дозирование подаваемого топлива с высокой частотой (более 2 тыс. импульсов в минуту). Инжектор осуществляет эффективный распыл горючего в пространстве над поршнем. Топливо в результате такого распыла получает форму факела. Форсунки отличных друг от друга систем топливоподачи имеют конструктивные особенности, различаются по способу управления. Инжекторы делят на две группы:

• механические;
• электромеханические;

Принцип работы механической форсунки

Принцип работы системы питания дизеля с механическим управлением форсунки состоит в следующем. К топливному насосу высокого давления (ТНВД) подается горючее из топливного бака. За подачу отвечает подкачивающий насос, который создает низкое давление, необходимое для прокачки солярки по топливопроводам.

Далее ТНВД в нужной последовательности осуществляет распределение и нагнетание горючего под высоким давлением в магистрали, ведущие к механической форсунке. Каждая форсунка данного типа открывается для очередного впрыска порции солярки в цилиндры под воздействием высокого давления топлива. Снижение давления приводит к закрытию дизельной топливной форсунки.

Простой механический инжектор имеет корпус, распылитель, иглу и одну пружину. В устройстве запорная игла свободно движется по направляющему каналу распылителя. Сопло форсунки плотно перекрывается в тот момент, когда нет нужного давления от ТНВД. Внизу игла опирается на уплотнение распылителя, имеющее коническую форму. Прижим иглы реализован посредством закрепленной сверху пружины.

Простые дизельные моторы, которые имеют разделенную камеру сгорания, зачастую получают распылитель с одним отверстием и иглой. Дизельные моторы, которые устроены на основе непосредственного впрыска топлива, оборудованы форсунками с несколькими распылительными отверстиями. Число отверстий в таком распылителе колеблется от двух до шести.

Подача топлива регулируется зависимо от конструкции распылителя, так как существуют два основных типа подобных решений:

• распылитель с возможностью перекрытия каналов;
• распылитель с перекрываемым объемом;

В первом случае игла форсунки перекрывает подачу горючего путем перекрытия каждого отверстия. Второй тип форсунок означает, что игла перекрывает своеобразную камеру в нижней части распылителя.

Давление топлива, нагнетаемого ТНВД, заставляет иглу подниматься благодаря наличию на поверхности такой иглы специальной ступеньки. Солярка проникает в корпус под указанной ступенькой. В момент, когда давление горючего сильнее усилия, которое создает прижимная пружина, игла движется вверх. Таким образом открывается канал распылителя. Дизтопливо под давлением проходит через распылитель и происходит его распыл в форме факела. Так реализован впрыск топлива.

Далее определенное количество горючего, которое подается насосом высокого давления, пройдет через распылитель и попадет в камеру сгорания. После этого давление на ступеньке иглы начинает снижаться, в результате чего игла от усилия пружины возвращается в исходное положение и плотно перекрывает канал. Тогда подача солярки в распылитель полностью прекращается.

Инжектор с двумя пружинами

На эффективность топливоподачи и последующего сгорания топлива в цилиндрах дизеля можно влиять, изменяя различные характеристики форсунки, такие как структура и количество каналов распылителя, усилие пружины и т.п. Одним из конструкторских решений стало внедрение в устройство форсунок специального датчика подъема иглы. Данный подъем учитывается специальными электронными блоками управления, которые взаимодействуют с ТНВД.

Особенностью работы указанных инжекторов является двухступенчатый подъем иглы. Получается, нагнетаемое ТНВД топливо сначала превышает по силе давления силу сопротивления одной пружины, а затем другой. В режиме холостого хода и при небольших нагрузках на мотор впрыск осуществляется только посредством первой ступени, подавая в двигатель незначительное количество солярки. Когда мотор выходит на режим нагрузки, давление нагнетаемого ТНВД топлива растет, горючее подается уже двумя дозированными порциями. Первый впрыск небольшого объема (1/5 от общего количества), а далее основной (около 80% солярки). Разница давлений впрыска для открытия первой и второй ступени не особенно большая, что обеспечивает плавность топливоподачи.

Такой подход позволил повысить равномерность, эффективность и полноценность сгорания смеси. Дизельный двигатель стал расходовать меньше горючего, снизилось количество токсичных примесей в выхлопных газах. Дизельные форсунки с двумя пружинами активно использовались на агрегатах с непосредственным впрыском топлива до момента появления систем питания под названием Commоn Rail.

Электромеханическая дизельная форсунка

Дальнейшее развитие систем топливоподачи дизельного ДВС привело к появлению форсунок, в которых солярка подается в цилиндры посредством электромеханических форсунок. В таких инжекторах игла форсунки открывает и закрывает доступ к распылителю не под воздействием давления топлива и противодействия силе пружины, а при помощи специального управляемого электромагнитного клапана. Клапан контролируется ЭБУ двигателя, без соответствующего сигнала которого горючее не попадет в распылитель.

Блок управления отвечает за момент начала топливного впрыска и длительность подачи топлива. Получается, ЭБУ дозирует солярку для дизеля путем подачи на клапан форсунки определенного количества импульсов. Параметры импульсов напрямую зависят от того, с какой частотой вращается коленчатый вал двигателя, в каком режиме работает дизельный мотор, какая температура ДВС и т.д.

Благодаря дозированной высокоточной подаче давление газов на поршень в результате сгорания смеси растет плавно, сама топливно-воздушная смесь равномернее распределяется по цилиндрам дизеля, лучше распыляется и полноценно сгорает.

Дальнейшее видео наглядно иллюстрирует принцип работы электромеханической форсунки на примере бензинового двигателя. Главное отличие заключается в том, что давление топлива в дизельной форсунке значительно выше.

Указанный подход позволил окончательно переложить задачу по управлению впрыском с форсунок и ТНВД на электронный блок. Электронный впрыск работает намного точнее, дизель с подобными решениями стал еще более мощным, экономичным и экологичным. Разработчикам удалось значительно снизить вибрации и шумы в процессе работы дизельного агрегата, повысить общий ресурс ДВС.

Насос-форсунка

Одной из разновидностей систем питания дизеля являются конструкции, в которых полностью отсутствует ТНВД. За создание высокого давления впрыска отвечают так называемые дизельные насос-форсунки. Принцип работы системы состоит в том, что насос низкого давления сначала подает солярку напрямую к инжектору, в котором уже имеется собственная плунжерная пара для создания высокого давления впрыска. Плунжерная пара форсунки работает от прямого воздействия на нее кулачков распредвала. Данная система позволяет добиться лучшего качества распыла дизтоплива благодаря способности создать очень высокое давление впрыска.

Исключение из системы подачи топлива ТНВД позволяет сделать размещение дизельного ДВС под капотом более компактным, избавиться от привода топливного насоса и отбора мощности на его постоянное вращение. Также стало возможным удалить из системы питания решения, которые распределяют топливо от ТНВД по цилиндрам. Инжекторы в системе с насос-форсунками имеют электрический клапан, что позволяет подавать топливо за два импульса.

Принцип похож на работу механической форсунки с двумя пружинами. Решение позволяет реализовать сначала подвпрыск, а уже затем произвести подачу в цилиндр основной порции горючего. Насос-форсунки реализуют подачу топлива в максимально точно заданный момент начала впрыска, лучше дозируют солярку. Дизельный мотор с такой системой экономичен, работает мягко и тихо, содержание вредных веществ в отработавших газах сведено к минимуму.

Главным минусом решения можно считать то, что давление впрыска насос-форсунки напрямую зависит от частоты вращения коленвала двигателя. В списке недостатков также отмечены: сложность исполнения, высокая требовательность к моторному маслу, чистоте и качеству топлива. В процессе эксплуатации выделяют трудности в процессе ремонта и обслуживания, а также общую дороговизну сравнительно с системами, которые оборудованы привычным ТНВД.

Форсунка дизеля: назначение, преимущества и возможности ремонта

Форсунки, обеспечивая прямую подачу дозированного количества топлива в камеру сгорания, стали неотъемлемым элементом системы питания дизельного двигателя. Впрыск позволяет оптимально распылить солярку, что улучшает ее воспламенение. Это в свою очередь хорошо сказывается на экономичности автомобиля, динамических характеристиках и влиянии на окружающую среду.

Назначение форсунок

К основным функциям, возложенным на форсунку относят:

• подача топлива в цилиндр;
• герметизация камеры сгорания;
• распыление на мелкодисперсные частички;
• максимально равномерное распределение солярки по камере сгорания;
• резкое начало впрыска топлива и такое же быстрое завершение процесса;
• точное дозирование необходимого количества горючего.

Работа дизельных форсунок сопряжена с агрессивной средой. Постоянно меняющееся давление, которое может достигать 11 МПа. Температурное воздействие также изнашивает систему впрыска. Подача топлива происходит при температуре около 700°С. При сгорании солярки форсунка поддается влиянию 2000°С.

Для стабильной работы двигателя, форсунка должна обеспечивать оптимальную дисперсность. Чем выше степень дробления капель солярки, тем больше их общая площадь поверхности. Это позволяет топливу сгореть в более короткий промежуток времени, что положительно сказывается на экологичности, динамике и экономичности. При этом капли не должны быть слишком мелкими, так как в таком случае они не достигнут краев камеры сгорания. На данный момент топливные форсунки впрыскивают солярку со скоростью, достаточной чтобы обеспечить полное заполнение всего объема при размере частиц от 30 до 50 мкм.

Исторический экскурс

На этапе появления двигателей внутреннего сгорания Рудольф Дизель рассчитывал в качестве топлива применять угольную пыль, вдуваемую через форсунку сжатым воздухом. При сгорании угля с единицы массы получалось мало тепла, что заставило ученного перейти на более высококалорийное топливо. Бензин не получилось применить из-за его взрывоопасности. Предпочтение было отдано керосину.

В 1894 году Рудольфу Дизелю удалось сделать удачный запуск двигателя, топливо в который подавалось при помощи форсунки. Для осуществления впрыска использовался пневматический компрессор. Создаваемое им давление превышало силу, возникающую внутри цилиндра. Из-за этого такой вид двигателя получил название компрессорного дизеля.

Гидравлический впрыск топлива появился чуть позже. Он применяется по сей день, постоянно совершенствуясь. Изобретателем такого способа подачи топлива является французский инженер Сабатэ. Он же предложил делать многократный впрыск. Подавая солярку в несколько этапов, удается получить больше полезной энергии с единицы топлива.

В 1899 году Аршаулов сконструировал дизель с топливным насосом высокого давления, работающий в паре с бескомпрессорной форсункой. Такое техническое решение оказалось успешным, поэтому дизели с ТНВД используются по сей день.

Наиболее современные дизельные системы питания имеют компьютерное управление форсункой и подстраиваются под режим работы двигателя. В зависимости от типа камеры сгорания возможны вариации топливоподачи. Для обеспечения стабильной работы дизеля различного типа смесеобразования появились многодырчатые и штифтовые форсунки.

Работа механической форсунки

Принцип работы механической форсунки дизеля лежит в ее открытии для впрыска топлива под воздействием высокого давления солярки. За подачу горючего отвечает ТНВД. По топливопроводу дизтопливо качает насос низкого давления.

Последовательность впрыска топлива в цилиндры определяет ТНВД. Он отвечает за нагнетание и распределение солярки по магистралям. При достижении давления определенного значения, форсунка открывается, а при снижении усилия переходит в закрытое состояние.

В конструкцию форсунки входят распылитель, игла, корпус и прижимная пружина. Для открытия и закрытия топливоподачи запорная иголка перемещается внутри направляющего канала. Когда воздействие топлива сильнее противодействующей пружинки, игла поднимается вверх, освобождая канал распылителя. При отсутствии требуемого давления от ТНВД сопло плотно перекрыто. Распылитель может иметь несколько отверстий. Для дизельных моторов с раздельной камерой сгорания обычно используется одно отверстие. В остальных случаях число дырок в распылителе может колебаться от двух до шести.

При многодырчатой конструкции перекрытие топливоподачи возможно:

• закрытием подачи топлива в каждом отверстии;
• запиранием камеры, расположенной в нижней части распылителя, что приводит к прекращению впрыска топлива.

Для возможности воздействия насосом высокого давления на иголку на ней имеется специальная ступенька. Горючее попадает в форсунку и имеет возможность приподнимать ее. Таким образом удается сдвинуть запорный механизм.

Форсунки с двумя пружинами

В процессе усовершенствования форсунка дизельного двигателя получила две пружины. Усложнение конструкции позволило сделать более гибкую топливоподачу в камеру сгорания. Нагнетаемое ТНВД топливо сначала превышает противодействие одной пружины, а потом второй. Это позволяет подавать горючее ступенчато.

При работе на холостом ходу или незначительной нагрузке топливный насос задействует в работу только одну пружину. Работа на первой ступени происходит с сжиганием небольшого количества топлива, что повышает экологичность и экономичность машины. Дополнительным бонусом двух пружин является снижение шума работающего двигателя.

Под нагрузкой растет давление, создаваемое ТНВД. Солярка подается двумя порциями, 20% в первый момент и 80% во время основного впрыска. Жесткость пружин подобрана таким образом, чтобы обеспечить максимальную плавность топливоподачи.

Электромеханическая система впрыска

Основным отличием электромеханической форсунки от предшественников является открытие и закрытие подачи топлива с помощью управляемого электромагнитного клапана. Контроль над клапаном лежит на электронном блоке управления. Без подачи соответствующего сигнала с контроллера впрыск не произойдет.

Блок управления определяет момент впрыска и дозирует необходимое количество топлива, регулируя время открытого состояния, подавая серию импульсов. В ЭБУ длительность подачи солярки определяется с учетом множества факторов, измеряемых при помощи датчиков. Так, например, в зависимости от оборотов коленчатого вала количество импульсов может варьироваться от 1 до 7. Учитывая нагруженность двигателя, его температурный режим, выбранный стиль вождения и множество дополнительных параметров, удается максимально оптимизировать топливоподачу. Это позволяет увеличить ресурс силовой установки, экономичность и экологичность автомобиля. Учет всех факторов позволяет равномерно распределить топливо в камере сгорания, что обеспечивает полноценное сгорание дизтоплива в требуемый момент. Применение электронного контроллера позволило значительно снизить вибрацию и шум от работающего мотора.

Насос-форсунка

Одним из видов топливных дизельных систем является конструкция с отсутствующим насосом высокого давления. Связанно это с низкой надежностью ТНВД и частыми выходами топливных магистралей из строя. Давление, при таком техническом решении, создает насос форсунка. Ее плунжерная пара работает от кулачков распредвала. В такой системе удалось добиться очень высокого давления. Это позволяет получить более качественное распределение топлива в камере сгорания.

Недостатком такой системы является зависимость давления топлива от оборотов двигателя. Усложнение конструкции повысило ее чувствительность к качеству масла и солярки. Ремонт топливной системы с насос-форсунками выйдет дороже на фоне классического варианта с ТНВД.

Симптомы неисправности

Если форсунка неравномерно распределяет топливо в камере сгорания наблюдаются такие симптомы:

• ухудшение динамических характеристик;
• стук из подкапотного пространства, который можно спутать со стуком шатуна;
• троение двигателя из-за неправильной работы какого-либо из цилиндров.

О чрезмерном износе форсунке говорят:

• сизый дым во время движения;
• слишком черный выхлоп;
• повышенная вибрация и шум мотора.

При визуальном осмотре можно увидеть подтеки солярки возле неисправных форсунок. Также может наблюдаться запах топлива, усиливающийся после остановки. Неполадки требуют срочного вмешательства, так как возможно возгорание горючего и пожар в подкапотном пространстве.

Диагностика поломки

Выявив симптомы неисправности форсунок необходимо провести их диагностику. Наиболее тщательная проверка проводится при помощи диагностического стенда. С его помощью можно уловить даже наименьшее отклонение в работе системы впрыска.

При отсутствии диагностического стенда можно определить неисправную форсунку следующим методом. Требуется запустить двигатель и довести обороты коленвала до такого значения, при котором отчетливо будет слышна нестабильность работы мотора. После этого требуется поочередно отсоединять форсунки от топливной магистрали. Двигатель будет менять звук работы. При отключении неисправного элемента топливной системы работа мотора не поменяется. Главным недостатком такого способа является невозможность точно определить причину, вызвавшую нарушения в системе впрыска.

Предыдущий способ был предназначен для обнаружения неисправности без снятия форсунок с двигателя, поэтому на точность определения неисправности влияет исправность всех остальных систем автомобиля. Так, например, некачественная свеча зажигания может привести к неправильному определению неисправной форсунки. Для устранения неточностей возможно сравнение работы форсунки с контрольным образцом.

В топливную систему автомобиля устанавливается тройник. К нему подключается проверяемая и контрольная форсунка. К нетестируемым элементам желательно перекрыть подачу топлива. После этого необходимо начать вращать коленвал. Если форсунка неисправна, то ее факел будет отличатся от эталона, как показано на рисунке.

Промывка элементов системы впрыска

На данный момент для очистки форсунки дизельного двигателя применимы следующие способы:

• ультразвуковая чистка на специализированном стенде с возможностью контроля процесса промывки;
• добавление специальных присадок в бензобак, в результате чего чистится вся топливная система, а не только распылители;
• очистка форсунок дизельного двигателя вручную, путем замачивания в спецсредстве;
• использование промывочного стенда.

Чистка при помощи ультразвука считается наиболее эффективной. Недостатком является только стоимость оборудования, способного производить такую очистку. На распылители воздействуют колебания, способствующие отслоению отложений в форсунке за короткий промежуток времени. Использование стенда с циркулирующей промывочной жидкостью не менее качественно позволяет убрать загрязнения.

При засорении сопла его очистку можно осуществить, тщательно промыв его керосином и удалив нагар деревянным скребком. Отверстие следует прочистить мягкой стальной проволокой небольшого диаметра. Делать все следует аккуратно, чтобы не повредить форсунку.

С момента первого использования форсунки на двигателе внутреннего сгорания системы впрыска топлива претерпели существенные изменения. Появились новые распылители, повысилось давление и топливоподача стала управляться контроллером. Главной целью всех усовершенствований является повышение надежности и улучшение эксплуатационных свойств системы впрыска.

ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — ПРИНЦИП РАБОТЫ.

На первый взгляд дизельный двигатель почти не отличается от обычного бензинового — те же цилиндры, поршни, шатуны. Главные и принципиальные отличия заключаются в способе образования и воспламенения топливо-воздушной смеси. В карбюраторных и обычных инжекторных двигателях приготовление смеси происходит не в цилиндре, а во впускном тракте. В бензиновых двигателях с непосредственным впрыском смесь образуется так же как и в дизелях- непосредственно в цилиндре. В бензиновом моторе топливо-воздушная смесь в цилиндре воспламеняется в нужный момент от искрового разряда. В дизеле же топливо воспламеняется не от искры, а вследствие высокой температуры воздуха в цилиндре.
Рабочий процесс в дизеле происходит следущим образом: вначале в цилиндр попадает чистый воздух, который за счет большой степени сжатия (16-24:1) разогревается до 700-900°С. Дизтопливо впрыскивается под высоким давлением в камеру сгорания при подходе поршня к верхней мертвой точке. А так как воздух уже сильно разогрет, после смешивания с ним происходит воспламенение топлива. Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления в цилиндре — отсюда повышенная шумность и жесткость работы дизеля. Такая организация рабочего процесса позволяет использовать более дешевое топливо и работать на очень бедных смесях, что определяет более высокую экономичность. Дизель имеет больший КПД (у дизеля – 35–45%, у бензинового – 25–35%) и крутящий момент. К недостаткам дизельных двигателей обычно относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую литровую мощность и трудности холодного пуска. Но описанные недостатки относятся в основном к старым конструкциям, а в современных эти проблемы уже не являются столь очевидными.
КОНСТРУКЦИЯ.

Как уже отмечалось, конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако аналогичные детали у дизеля существенно усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки — ведь степень сжатия у него намного выше (16-24 единиц против 9-11 у бензинового). Характерная деталь в конструкции дизелей — это поршень. Форма днища поршней у дизелей определяется типом камеры сгорания, поэтому по форме легко определить, какому двигателю принадлежит данный поршень. Во многих случаях днище поршня содержит в себе камеру сгорания. Днища поршней находятся выше верхней плоскости блока цилиндров, когда поршень находится в верхней точке своего хода. Так как воспламенение рабочей смеси осуществляется от сжатия, в дизелях отсутствует система зажигания, хотя свечи могут применяться и на дизеле. Но это не свечи зажигания, а свечи накаливания, которые предназначены для подогрева воздуха в камере сгорания при холодном пуске двигателя.
Поршни и свечи дизеля
Технические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от типа камеры сгорания и системы впрыскивания топлива.

ТИПЫ КАМЕР СГОРАНИЯ.

Форма камеры сгорания значительно влияет на качество процесса смесеобразования, а значит и на мощность и шумность работы двигателя. Камеры сгорания дизельных двигателей разделяются на два основных типа: неразделенные и разделенные.
Несколько лет назад на рынке легкового машиностроения доминировали дизели с разделенными камерами сгорания. Впрыск топлива в этом случае осуществляется не в надпоршневое пространство, а в специальную камеру сгорания, выполненную в головке блока цилиндров. При этом различают два процесса смесеобразования: предкамерный (его еще называют форкамерным) и вихрекамерный.
Камеры сгорания дизелей
При форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью. Сечение каналов подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью.
Во время вихрекамерного процесса сгорание также начинается в специальной отдельной камере, только выполненной в виде полого шара. В период такта сжатия воздух по соединительному каналу поступает в предкамеру и интенсивно закручивается (образует вихрь) в ней. Впрыснутое в определенный момент топливо хорошо перемешивается с воздухом.
Таким образом, при разделенной камере сгорания происходит как бы двухступенчатое сгорание топлива. Это снижает нагрузку на поршневую группу, а также делает звук работы двигателя более мягким. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: увеличение расхода топлива вследствие потерь из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.
Дизельные двигатели с неразделенной камерой называют также дизелями с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, камера сгорания выполнена в днище поршня. До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на низкооборотистых дизелях большого объема (проще говоря, на грузовиках). Хотя такие двигатели экономичнее моторов с разделенными камерами сгорания, их применение на небольших дизелях сдерживалось трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией, особенно в режиме разгона.
Сейчас благодаря повсеместному внедрению электронного управления процессом дозирования топлива удалось оптимизировать процесс сгорания топливной смеси в дизеле с неразделенной камерой сгорания и существенно снизить шумность. Новые дизельные двигатели разрабатываются только с непосредственным впрыском.

Важнейшим звеном дизельного двигателя является система топливоподачи, обеспечивающая поступление необходимого количества топлива в нужный момент времени и с заданным давлением в камеру сгорания.

Система питания дизеля.

Топливный насос высокого давления (ТНВД), принимая горючее из бака от подкачивающего насоса (низкого давления), в требуемой последовательности поочередно нагнетает нужные порции солярки в индивидуальную магистраль гидромеханической форсунки каждого цилиндра. Такие форсунки открываются исключительно под воздействием высокого давления в топливной магистрали и закрываются при его снижении.
Существует два типа ТНВД: рядные многоплунжерные и распределительного типа. Рядный ТНВД состоит из отдельных секций по числу цилиндров дизеля, каждая из которых имеет гильзу и входящий в нее плунжер, который приводится в движение кулачковым валом, получающим вращение от двигателя. Секции таких механизмов расположены, как правило, в ряд, отсюда и название — рядные ТНВД. Рядные насосы в настоящее время практически не применяются ввиду того, что они не могут обеспечить выполнение современных требований по экологии и шумности. Кроме того, давление впрыска таких насосов зависит от оборотов коленвала.
Распределительные ТНВД создают значительно более высокое давление впрыска топлива, нежели насосы рядные, и обеспечивают выполнение действующих нормативов, регламентирующих токсичность выхлопа. Этот механизм поддерживает нужное давление в системе в зависимости от режима работы двигателя. В распределительных ТНВД система нагнетания имеет один плунжер-распределитель, совершающий поступательное движение для нагнетания топлива и вращательное для распределения топлива по форсункам.

Эти насосы компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и отличной работой на высоких оборотах. В то же время они предъявляют очень высокие требования к чистоте и качеству дизтоплива: ведь все их детали смазываются топливом, а зазоры в прецизионных элементах очень малы.
Ужесточение в начале 90-х законодательных экологических требований, предъявляемых к дизелям, заставило моторостроителей интенсивно совершенствовать топливоподачу. Сразу же стало ясно, что с устаревшей механической системой питания эту задачу не решить. Традиционные механические системы впрыска топлива имеют существенный недостаток: давление впрыска зависит от частоты вращения двигателя и нагрузочного режима. Это значит, что при низкой нагрузке давление впрыска падает, в результате топливо при впрыске плохо распыляется, попадая в камеру сгорания слишком крупными каплями, которые оседают на ее внутренних поверхностях. Из-за этого уменьшается КПД сгорания топлива и повышается уровень токсичности отработанных газов.
Кардинально изменить ситуацию могла только оптимизация процесса горения топливо — воздушной смеси. Для чего надо заставить весь её объём воспламениться в максимально короткое время. А здесь необходима высокая точность дозы и точность момента впрыскивания. Сделать это можно, только подняв давление впрыска топлива и применив электронное управление процессом топливоподачи. Дело в том, что чем выше давление впрыска, тем лучше качество его распыления, а соответственно – и смешивания с воздухом. В конечном итоге это способствует более полному сгоранию топливо-воздушной смеси, а значит и уменьшению вредных веществ в выхлопе. Хорошо, спросите вы, а почему бы не сделать такое же повышенное давление в обычном ТНВД и всей этой системе? Увы, не получится. Потому что есть такое понятие, как “волновое гидравлическое давление”. При любом изменении расхода топлива в трубопроводах от ТНВД к форсункам возникают волны давления, “бегающие” по топливопроводу. И чем сильнее давление, тем сильнее эти волны. И если далее повышать давление, то в какой-то момент может произойти обыкновенное разрушение трубопроводов. Ну, а о точности дозирования механической системы впрыска даже и говорить не приходится.
Насос-форсунка
В результате были разработаны два новых типа систем питания – в первом форсунку и плунжерный насос объединили в один узел (насос-форсунка), а в другом ТНВД начал работать на общую топливную магистраль (Common Rail), из которой топливо поступает на электромагнитные (или пьезоэлектрические) форсунки и впрыскивается по команде электронного блока управления. Но с принятием Евро 3 и 4 и этого оказалось мало, и в выхлопные системы дизелей внедрили сажевые фильтры и катализаторы.
Насос-форсунка устанавливается в головку блока двигателя для каждого цилиндра. Она приводится в действие от кулачка распределительного вала с помощью толкателя. Магистрали подачи и слива топлива выполнены в виде каналов в головке блока. За счет этого насос-форсунка может развить давление до 2200 бар. Дозированием топлива, сжатого до такой степени и управлением угла опережения впрыска занимается электронный блок управления, выдавая сигналы на запорные электромагнитные или пьезоэлектрические клапаны насос-форсунок. Насос-форсунки могут работать в многоимпульсном режиме (2-4 впрыска за цикл). Это позволяет произвести предварительный впрыск перед основным, подавая в цилиндр сначала небольшую порцию топлива, что смягчает работу мотора и снижает токсичность выхлопа. Недостаток насос-форсунок – зависимость давления впрыска от оборотов двигателя и высокая стоимость данной технологии.

Система Common Rail.

Система питания Common Rail используется в дизелях серийных моделей с 1997 года. Common Rail – это метод впрыска топлива в камеру сгорания под высоким давлением, не зависящим от частоты вращения двигателя или нагрузки. Главное отличие системы Common Rail от классической дизельной системы заключается в том, что ТНВД предназначен только для создания высокого давления в топливной магистрали. Он не выполняет функций дозировки цикловой подачи топлива и регулировки момента впрыска. Система Common Rail состоит из резервуара – аккумулятора высокого давления (иногда его называют рампой), топливного насоса, электронного блока управления (ЭБУ) и комплекта форсунок, соединенных с рампой. В рампе блок управления поддерживает, меняя производительность насоса, постоянное давление на уровне 1600-2000 бар при различных режимах работы двигателя и при любой последовательности впрыска по цилиндрам. Открытием-закрытием форсунок управляет ЭБУ, который рассчитывает оптимальный момент и длительность впрыска, на основании данных целого ряда датчиков – положения педали акселератора, давления в топливной рампе, температурного режима двигателя, его нагрузки и т. п. Форсунки могуть быть электромагнитными, либо более современными- пьезоэлектрическими. Главные преимущества пьезоэлектрических форсунок — высокая скорость срабатывания и точность дозирования. Форсунки в дизелях c Common rail могут работать в многоимпульсном режиме: в ходе одного цикла топливо впрыскивается несколько раз – от двух до семи. Сначала поступает крохотная, всего около милиграмма, доза, которая при сгорании повышает температуру в камере, а следом идет главный «заряд». Для дизеля — двигателя с воспламенением топлива от сжатия — это очень важно, так как при этом давление в камере сгорания нарастает более плавно, без «рывка». Вследствие этого мотор работает мягче и менее шумно, снижается количество вредных компонентов в выхлопе. Многократная подача топлива за один такт попутно обеспечивает снижение температуры в камере сгорания, что приводит к уменьшению образования окиси азота- одной из наиболее токсичных составляющих выхлопных газов дизеля. Характеристики двигателя с Common Rail во многом зависят от давления впрыска. В системах третьего поколения оно составляет 2000 бар. В ближайшее время в серию будет запущено четвертое поколение Common Rail с давлением впрыска 2500 бар.

Эффективным средством повышения мощности и гибкости работы дизеля является турбонаддув. Он позволяет подать в цилиндры дополнительное количество воздуха и соответственно увеличить подачу топлива на рабочем цикле, в результате чего увеличивается мощность двигателя. Давление выхлопных газов дизеля в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового мотора, что позволяет турбокомпрессору обеспечить эффективный наддув с самых низких оборотов, избежав свойственного бензиновым турбомоторам провала — “турбоямы”. Отсутствие дроссельной заслонки в дизеле позволяет обеспечить эффективное наполнение цилиндров на всех оборотах без применения сложной схемы управления турбокомпрессором. На многих автомобилях устанавливается промежуточный охладитель наддуваемого воздуха — интеркулер, позволяющий поднять массовое наполнение цилиндров и на 15-20 % увеличить мощность. Наддув позволяет добиться одинаковой мощности с атмосферным мотором при меньшем рабочем объеме, а значит, снизить массу двигателя. Турбонаддув, помимо всего прочего, служит для автомобиля средством повышения “высотности” двигателя — в высокогорных районах, где атмосферному дизелю не хватает воздуха, наддув оптимизирует сгорание и позволяет уменьшить жесткость работы и потерю мощности. В то же время турбодизель имеет и некоторые недостатки, связанные в основном с надежностью работы турбокомпрессора. Так, ресурс турбокомпрессора существенно меньше ресурса двигателя. Турбокомпрессор предъявляет жесткие требования к качеству моторного масла. Неисправный агрегат может полностью вывести из строя сам двигатель. Кроме того, собственный ресурс турбодизеля несколько ниже такого же атмосферного дизеля из-за большой степени форсирования. Такие двигатели имеют повышенную температуру газов в камере сгорания, и чтобы добиться надежной работы поршня, его приходится охлаждать маслом, подаваемым снизу через специальные форсунки.
Прогресс дизельных двигателей сегодня преследует две основные цели: увеличение мощности и уменьшение токсичности. Поэтому все современные легковые дизели имеют турбонаддув (самый эффективный способ увеличения мощности) и Соmmоn Rail.