Топливные дизельные форсунки: принцип работы и эволюция развития

5736

Топливные форсунки – это устройства, предназначение которых кроется в распылении жидкости или газа.

В автомобилестроении форсунки используют для распыления бензина, дизельного топлива, мазута или других видов топлива в инжекторных системах. Процесс распыления происходит за счёт высокого давления.

Кроме распыления, форсунки принимают участие в дозировке топлива, обеспечивают нужные характеристики впрыскивания и герметизируют камеру возгорания.

Сегодня форсунки – это неотъемлемая часть топливной системы не только в бензиновых, но и в дизельных двигателях. Дизельные топливные форсунки впрыскивают топливо при очень высоком давлении – около 1200 бар. Для сравнения, в форсунках бензиновых двигателях давление впрыска достигает всего нескольких бар, а в форсунках автомобильной мойки – 100-200 бар. Дизельная форсунка может работать с частотой от 400 вплоть до 3000 раз за минуту.

1. История возникновения.

Начиная с 60-х годов прошлого века, одной из ключевых проблем всемирного сообщества стала проблема охраны окружающей среды от выхлопных газов автомобилей. Помимо этой проблемы, в 70-х годах наступил топливный кризис, поэтому все вокруг пытались экономить топливо.

Тогда в целях достижения максимальных мощностей при сгорании топлива, карбюраторы в автомобилях специально слишком обогащали топливно-воздушную смесь. Конечно, это имело свой эффект – автомобили становились намного мощнее. Но также провоцировало избыточные расходы топлива и, как следствие, содержание в отработанных автомобильных газах вредных продуктов горения.

Именно эти обстоятельства и толкнули производителей автомобилей искать варианты уменьшения загрязнений воздуха автомобильными отходами и экономии топлива. Было понятно, что необходимо модернизировать конструкцию топливной системы, что привело к созданию форсунок. Первые двигатели с форсунками обладали моновпрыском (одна форсунка), а позднее появились системы с распределённым впрыском (несколько форсунок).

Подобные системы с форсунками использовали ещё в 30-х годах 20 века в авиации, но из-за сложной конструкции и отсутствия нужных технологий, их эволюция далеко не шагнула. Стремительное развитие началось только в 60-х годах.

В 1951 году Bosch установила инжекторную систему с форсунками на немецкий Goliath 700 Sport. Он стал первым в мире серийным автомобилем, где для впрыска топлива использовали форсунки.

Позже, в 1954 году такие же системы начала ставить на свои автомобили компания Mercedes-Benz. Первой моделью с инжекторной системой этого производителя стала Mercedes-Benz 300 SL.

В 1957 году инжекторная система от Rochester была установлена на некоторые модели Pontiac и Chevrolet, но она не оправдала ожиданий, так как оказалась крайне ненадёжной.

Первая инжекторная система на электронном управлении появилась в 1967 году. Электронасос такой системы производил подачу топлива с постоянным давление 0,2 МПа к форсункам в равные промежутки времени.

В 1973 году на свет вышла система, в которую устанавливали электромагнитные топливные форсунки.

С приходом электроники в автомобильную промышленность в последней четверти 20 века, началось массовое внедрение инжекторных систем в транспортные средства. В итоге, системы с карбюраторами были практически вытеснены системами с инжекторами. Большинство современных автотранспортных средств оснащаются именно инжекторными системами.

Использование в двигателях топливных форсунок имеет ряд преимуществ над карбюраторами. Они заметно экономят топливо, увеличивают мощность автомобиля, сводят к минимуму токсичность отработанных газов, упрощают процесс запуска двигателя, реже требуют обслуживания.

К недостаткам систем с топливными форсунками можно отнести завышенные требования к качеству топлива и высокую стоимость замены и ремонта.

2. 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.

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.

3. Основные виды

Зависимо от способа приведения в действие, дизельные топливные форсунки бывают:

Механические (форсунки приводятся в действие давлением; когда давление в транспортной магистрали возрастает, то они открываются, а при снижении этого давления – закрываются).

Электромеханические (открываются и закрываются по сигналу от электронного контроллера).

Электромеханические форсунки, в свою очередь делятся на:

Электрогидравлические – состоят из электромагнитного клапана, дросселей впуска и слива и блока управления. В исходной позиции клапан закрыт и обесточен, а давление на иглу меньше, чем на поршень. По сигналу контроллера клапан открывает дроссель слива, и топливо проходит в сливную магистраль. Впускной дроссель не даёт давлению быстро выровняться и давление на поршень становится ниже, а на иглу – остаётся прежним. Поэтому игла поднимается и происходит впрыск топлива.

Пьезоэлектрические – состоит из толкателя, переключающего клапана, иглы и пьезоэлемента. В основу работы положен гидравлический принцип. В исходной позиции из-за высокого давления игла находится на седле. В нужное время контроллер подаёт сигнал на пьезоэлемент.

Его дина увеличивается, и он производит усилие на толкатель. Открывается переключающий клапан и топливо переходит в сливную магистраль. Давление над иглой падает, и она поднимается за счёт давления под ней. Таким образом, происходит впрыскивание топлива. Электромагнитные – состоит из электромагнитного клапана с иглой и сопла. В требуемое время контроллер подаёт сигнал на обмотку клапана, и форсунка приводится в действие, производя впрыск топлива. Когда напряжение исчезает, то форсунка возвращается в исходное положение.

В дизельных двигателях используются электрогидравлические и пьезоэлектрические форсунки, а электромагнитные используются в бензиновых двигателях. Сегодня самыми совершенными форсунками для произведения впрыскивания топлива, считаются пьезоэлектрические форсунки.

4. 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.

Подписывайтесь на наши ленты в Facebook, Вконтакте и Instagram: все самые интересные автомобильные события в одном месте.

Была ли эта статья полезна?


Комментарии

Вам также может быть интересно