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.

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.