Топливные дизельные форсунки: принцип работы и эволюция развития

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.

Где в автомобиле находятся форсунки?

Тип впрыска топлива Расположение форсунок
Центральный впрыск Одна или две форсунки располагаются во впускном трубопроводе перед дроссельной заслонкой. Таким образом, форсунка заменяет устаревшую технологию – карбюратор.
Распределенный впрыск Для каждого цилиндра установлена своя форсунка, которая осуществляет впрыск топлива во впускной трубопровод цилиндра. Форсунка располагается у основания впускного трубопровода
Непосредственный впрыск Форсунки располагаются в верхней части стенок цилиндра и впрыскивают топливо непосредственно в камеру сгорания.

Устройство и принцип работы

Конструктивно, форсунка включает в себя следующие элементы:

Плунжер – создаёт давление топлива. Его движение происходит при вращении кулачков рапредвала, а обратное движение – при помощи пружины плунжера.

Клапан управления – регулирует впрыск топлива в двигатель. Клапаны бывают электромагнитные и пьезоэлектрические. Основной элемент клапана управления – это игла клапана.

Запорный поршень – реализует поддержку давления топлива на иглу распылителя при необходимости.

Обратный клапан – также поддерживает давление топлива на иглу распылителя.

Игла распылителя – непосредственно обеспечивает впрыск топливной смеси в камеру возгорания.

Пружина форсунки – с её помощью игла распылителя «садится» на седло. Силу пружины поддерживает давление топлива.

Форсунки управляются с помощью системы управления двигателем на основе сигналов от датчиков инжекторной системы.

Топливная форсунка способствует правильному приготовлению воздушно-топливной смеси, для чего в процессе впрыска существует три фазы:

Предварительный впрыск – необходим, чтобы смесь при основном впрыске сгорала плавно. Сгорание небольшого количества топлива повышает давление и температуру в камере, что помогает ускорить воспламенение топлива при основном впрыске.

Основной впрыск – эта фаза обеспечивает качественное приготовление смеси при разных режимах работы двигателя. Высокое давление, достигающееся на этой фазе, помогает получить однородную горючую смесь. А полное сгорание уменьшает выброс вредных веществ и увеличивает мощность двигателя.

Дополнительный впрыск – нужен для очистки сажевого фильтра. На этой фазе давление резко падает, а игла возвращается на начальную позицию. Это предотвращает поступление топлива в камеру с плохим распылом и под низким давлением.

Рассмотрим этапы процесса работы топливной форсунки.

Кулачок распредвала передвигает плунжер форсунки вниз.

Топливо течёт в каналы форсунки.

Рекомендуем:  Виды тормозной жидкости

Происходит закрытие клапана и отсечка топлива, начинает нагнетаться давление.

Когда давление достигает 13 МПа, то игла поднимается и при этом осуществляется предварительный впрыск горючей смеси. Может быть 1-2 предварительных впрыска, что зависит от режима работы.

Клапан открывается и предварительный впрыск заканчивается, а топливо переходит в питающую магистраль, и его давление снижается.

Клапан закрывается и давление снова начинает возрастать.

Когда давление достигнет 30 Мпа, игла распылителя поднимется, преодолевая силу пружины, и производит основной впрыск топлива. Чем больше давление, тем больше топлива сожмётся и больше поступит в камеру. Максимальное давление – 220 МПа. Оно обеспечивает самую высокую мощность двигателя.

Клапан открывается, и основной впрыск завершается, при этом снижается давление, и закрывается игла распыления.

При дальнейшем передвижении плунжера вниз, происходит дополнительный впрыск топлива. Обычно осуществляется два дополнительных впрыска.

Основные характеристики форсунок:

Динамический диапазон работы – характеризует минимальное время впрыска топлива.Время открытия / закрытия форсунки – характеризует время, которое необходимо для открытия / закрытия форсунки.

Угол распыла – характеризует, под каким углом осуществляется распыление топливной смеси.

Дальнобойность факела топлива – характеризует процесс распыления.Мелкость распыления и распределения топлива в факеле – характеризует качество приготовления горючей смеси и работы самой форсунки.

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).

Рекомендуем:  Какой срок службы у автомобильного аккумулятора

Читайте также:  Конструктивные особенности топливного бака автомобиля

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

Устройство электрогидравлической форсунки двигателя

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

Устройство пьезоэлектрической форсунки двигателя

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. 

Рекомендуем:  Рулевая тяга - устройство и неисправности

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.

Основные неисправности

Неисправность форсунок – это основная причина остановок и поломок двигателя автомобиля. При включённом двигателе такие неисправности очень просто заметить.

Признаки неисправности форсунок:

На неполных нагрузках появился дымный выхлоп (увеличилась токсичность).

Мощность двигателя снизилась.

Высокая температура и стуки отработанных газов.

При увеличенных нагрузках появились рывки и провалы в работе двигателя.

На небольших оборотах работа двигателя стала неустойчивой.

Неисправность форсунок может привести к потере её качеств: нарушиться герметичность, появятся подтёки, изменится угол распыления топлива, прекратится любая подача топлива в камеру возгорания, топливо будет неравномерно распределяться в камере.

Эксплуатационные неисправности разделяются на две категории:

Неисправности, вызваны использованием некачественного топлива, что нарушает распыление и становится причиной перегрева (износ элементов форсунки, заедания иглы, оплавление металла и др.).

Неисправности, вызваны неверной сборкой аппаратуры или её неправильным монтажом (перекосы деталей, закупорка топливных каналов, отсутствие плотности соединительных деталей, защемление иглы и др.)

Рассмотрим основные варианты неисправности форсунок.

Сама распространённая неисправность форсунок – это их загрязнение. Так как они находятся при воздействии высокой температуры, то при использовании некачественного топлива, на них образовываются твёрдые отложения, перекрывающие отверстия и нарушающие герметичность. Общее загрязнение топливной системы ведёт за собой засорение фильтра и каналов форсунок. Чтобы восстановить нормальную работу форсунок, их следует промыть.

Нарушение герметичности иглы – также довольно частая причина выхода форсунок из строя. Она обусловливается износом иглы. Решить эту проблему можно заменив иглу и распылитель.

Нарушение регулировки давления – происходит из-за износа пружины и её ослабления или износа иглы и штанги. Устранить такую проблему можно изменив натяжение пружины при помощи винта регулировки.

Заедание иглы – это следствие перегрева или работы с иглой, которая неплотно закрывается. Поэтому в пространство распылителя попадают газы из цилиндра. Для решения такой проблемы либо очищают детали, либо производят замену иглы.

Заменять форсунки рекомендуется после каждых 100-150 тыс. км пробега. Но, как правило, они ещё могут поработать 30-50 тыс. км после истечения официальной гарантии.

Чтобы форсунки не засорялись и работали исправно, их необходимо периодически обслуживать. Периодичность обслуживания дизельных форсунок для различных двигателей разная и находится в пределах от 500 до 5000 часов.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: