Куда впрыскивается топливо через форсунку дизельного двигателя

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;

Рекомендуем также прочитать статью об устройстве системы питания дизельного двигателя. Из этой статьи вы сможете узнать о составных элементах и принципах работы систем подачи топлива под высоким давлением дизельного ДВС.

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.

Рекомендуем также прочитать статью о том, как самому прочистить сажевый фильтр дизельного двигателя. Из этой статьи вы узнаете об основных способах очистки фильтрующего элемента как со снятием, так и прямо на автомобиле.

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.

Форсунки двигателя: основные виды и частые неисправности

Разбираемся, какие виды топливных форсунок существуют, в чем разница и какие поломки чаще всего встречаются.

Эксперт в этой статье: Александр Тихонов, продукт специалист по системам бензинового впрыска Bosch

Что такое форсунки

Топливные форсунки (или инжектор) — это элемент системы впрыска автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, работающего на бензиновом и дизельном топливе. Они отвечают за равномерную подачу горючей смеси и ее последующее эффективное сгорание. Принцип работы всех форсунок примерно одинаков, но в зависимости от типа мотора их конструкции рабочие характеристики различаются.

Конспекты 14 февраля Что такое гидрокомпенсаторы и почему они стучат

Изобретение форсунки как механизма распыления под давлением жидкости или порошка принадлежит российскому инженеру Владимиру Шухову [1]. В автомобильной промышленности их внедрение неразрывно связано с именем Рудольфа Дизеля и Роберта Боша, предложившего несколько типов впрыскивающих устройств.

Сегодня существует несколько видов форсунок, которые предназначены для разного впрыска и типов моторов. Но все они обеспечивают:

• дозировку топлива;
• распыление горючей смеси;
• экономичный расход топлива;
• снижение вредных выбросов.

Как работает форсунка

В самом простом варианте форсунка чем-то напоминает насос. Попадающее в нее топливо под высоким давлением подается в камеру сгорания в мелкодисперсном виде. Поэтапно процесс работы форсунки с электронным управлением выглядит следующим образом:

1. топливный насос подает бензин или дизель в канал форсунки;
2. электронный блок управления (ЭБУ) с помощью датчиков определяет правильное время для запуска и объем топлива для распыления;
3. когда ЭБУ активирует открытие запорного клапана, происходит впрыск.

Устройство форсунки

Все существующие сегодня форсунки различаются по конструкции и расположению. В уже устаревших моносистемах они размещаются возле дроссельной заслонки. При распределенном впрыске форсунки установлены на впускном коллекторе. Когда впрыск топлива осуществляется непосредственно в цилиндры, форсунки располагаются в головке блока по одной на каждый.

• герметичного корпуса;
• сетчатого фильтра;
• запорного клапана или иглы;
• распылителя с одним или более сопел.

Виды форсунок

Форсунки для дизельных и бензиновых моторов — разные. Это связано с механизмом сжигания топлива в каждом из агрегатов. Их главное отличие в давлении — у дизельных моторов этот показатель намного выше.

Механические

Одни из самых простых видов, которые все реже применяются в конструкции автомобилей, как правило, дизельных. Работа механической форсунки основана на давлении топливной системы. В дизельных моторах за него отвечает пара насосов низкого (ТННД) и высокого давления (ТНВД). В момент подачи топлива создаваемое давление поднимает иглу и сопло открывается. Так происходит впрыск, после чего под давлением пружины игла вновь запирает сопло.

Электромагнитные

Используются в инжекторных моторах бензиновых автомобилей и дизелях. Конструктивно такая форсунка также состоит из корпуса, запорного клапана и сопла. Но привод осуществляется за счет магнитного поля. Для этого форсунка имеет электромагнит (обмотка в верхней части элемента) и якорь, который соединен с иглой.

Движение начинается, когда на обмотку подается напряжение. Алгоритм частоты и продолжительности импульса определяется электроникой. Создаваемое магнитное поле притягивает якорь к магниту, оказывая тем самым давление на пружину. В этот момент происходит открытие сопла и впрыск. Как только напряжение прерывается, пружина срабатывает и клапан закрывается.

Электрогидравлические

Конструкция электрогидравлических форсунок сложнее, в основе их работы лежит разница давления жидкостей. Топливо в таких форсунках подается сразу в две камеры — верхнюю и нижнюю. В исходном положении давление в них одинаковое и пружина удерживает иглу. При открытии электромагнитного клапана, давление в верхней камере падает, а топливо уходит «в обратку». Соответственно в нижней камере давление наоборот возрастает, благодаря чему игла поднимается и происходит впрыск.

Пьезоэлектрические

Конструкция такой форсунки повторяет электрогидравлическую, с тем различием, что за привод отвечает пьезоэлектрический элемент. По структуре это множество керамических пластин плотно спаянных между собой (их еще называют кристаллами). Под воздействием электрического напряжения они расширяются, воздействуя на запорный клапан в камере управления. В итоге давление над иглой падает и происходит впрыск.

Пьезоэлектрические форсунки отличаются исключительным быстродействием в сравнении с электромагнитными системами. В среднем открытие клапана в них происходит в четыре раза быстрее.

Насос-форсунка

Такие форсунки объединяют в себе сразу два устройства: распылитель и насос. Они предназначены для прямого впрыска и работают без ТНВД. Количество насос-форсунок всегда соответствует числу цилиндров — по одной на каждый. В них используется одноплунжерный насос, который приводит в действие распредвал. В зависимости от модели может использоваться электромагнитный или пьезоэлектрический клапан. Управляются насос-форсунки электронным блоком управления.

Принцип работы дизельных форсунок и частые неисправности

Начнем с того, что большинство форсунок для дизеля (за исключением насос-форсунок и систем Cоmmon Rail) устроены и работают по схожему принципу. Это значит, что их ремонт также предполагает похожие действия. Для лучшего понимания начнем с принципов работы.

Подача топлива на форсунки в дизелях реализована посредством его нагнетания под высоким давлением. Такое давление на каждую форсунку создает:

• топливный насос высокого давления ТНВД;
• насос-форсунки сами сжимают и впрыскивают топливо;
• в системах Cоmmon Rail давление топлива поддерживается постоянно в специальном «аккумуляторе» высокого давления;

Теперь давайте рассмотрим работу наиболее распространенной системы питания с обычным ТНВД. Если просто, такой насос имеет механический привод и вращается от двигателя. Вращение шкива ТНВД позволяет плунжерным парам в устройстве насоса сильно сжимать дизельное топливо и выдавать давление около 300 кг/см². Затем происходит распределение дизтоплива на форсунки, что соответствует тактам работы двигателя.

Топливо поступает от насоса по магистралям высокого давления к форсунке, установленной на каждом цилиндре, после чего проходит через отдельный канал и оказывается внутри дизельной форсунки (в полости распылителя). Внутри распылителя конструктивным элементом является специальная конусная игла. Такая игла форсунки снизу притирается к седлу с очень большой точностью. Сверху иглу прижимает пружина. Указанная пружина давит на иглу через отдельную шайбу.

Шайба может иметь разную толщину, что определяет степень давления пружины на иглу. По этой причине шайбу называют регулировочной, так как от давления пружины будет зависеть и давление топлива, от которого сработает игла форсунки.

Срабатывание иглы происходит в результате того, что внутри форсунки накапливается нагнетаемое ТНВД топливо. Если иначе, когда горючее доходит до конуса иглы, дальнейший проход солярки становится невозможным, так как канал перекрыт иглой, плотно прижимаемой к седлу усилием пружины.

Однако ТНВД продолжает работать и нагнетать топливо, происходит рост давления, которое в определенный момент становится сильнее давления пружины. В результате игла приподнимается, горючее проходит в пространство между седлом и конусом иглы, попадает под высоким давлением в отверстия распылителя и далее происходит впрыск распыленного топливного заряда.

Время впрыска зависит от того, когда давление топлива внутри форсунки понизится до такой степени, чтобы пружина снова прижала иглу к седлу. Получается, канал для выхода топлива перекрывается, давление снова начнет расти и процесс повторяется.

Синхронная работа всего механизма предполагает точный впрыск топлива в цилиндре, в котором поршень приближается к ВМТ. Следующий впрыск в этом цилиндре в заданный момент будет возможен только при условии того, что игла закроется своевременно, то есть сразу после того, как давление топлива упадет.

Неисправности, которые могут привести к проблемам закрытия иглы после впрыска, не позволяют растущему давлению топлива снова открыть иглу строго в момент приближения поршня в ВМТ. В результате момент впрыска нарушается, дизельный двигатель начинает троить, функционировать с перебоями и т.д.

Например, если впрыск произойдет раньше, процесс сгорания топлива в цилиндре нарушается, дизель громко и жестко работает. Более того, значительно усиливается износ не только ДВС, но и проблемной форсунки.

Дело в том, что через неплотно закрытое седло происходит прорыв газов, механизм разрушается, подвергается сильному загрязнению от скопления нагара. На начальном этапе нагар удаляют путем промывки форсунок дизельного двигателя, то есть без ремонта.

При этом важно понимать, что нагарообразование является не причиной, а только результатом неполадок внутри самой форсунки. Другими словами, необходимо решать проблему точного срабатывания иглы, усилия пружины и эффективного перекрытия седла.