Куда впрыскивается топливо через форсунку дизельного двигателя

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 системы впрыска

Системы впрыска дизельного топлива – далее по тексту также СВДТ – это системы питания ДВС. Функционируют на дизельном топливе – смеси газойлевых соляровых и керосиновых фракций, которые предварительно прошли специальную обработку. Но речь идёт именно о наличии соляровых фракций которые прошли щелостную очистку, а не о классической солярке с недостающим уровнем вязкости и выкипающей при температуре 240-400 °C

Также в дизельных двигателях в качестве альтернативной топливной смеси может использоваться «Bio-Diesel» – смесь моноалкильных эфиров жирных кислот. Как правило, Bio-Diesel делают из рапсового масла.

Принцип работы

Воспламенение – результат сжатия и нагрева дизельного топлива под высоким давлением в цилиндрах. То есть на деле мы имеем дело с самовоспламенением впрыскиваемого топлива при его контакте с горячим воздухом. Все процессы происходят внутри. Этот принцип диаметрально противоположен бензиновым системам, у которых топливо воспламеняется от искры зажигания – внешнего источника.

Чтобы понимать, как функционируют системы впрыска топлива дизельного двигателя, важно чётко разбираться, за что ответственен каждый её элемент.

СВДТ включает в себя:

1. Топливный бак. В нём непосредственно и хранится топливо.
2. Насосное оборудование для подкачки топлива из бака.
3. Фильтры грубой и тонкой очистки топлива. Главная функция – защита от загрязнений форсунок.
4. ТНВД (топливный насос высокого давления). Самый сложный узел дизельного ДВС. Прямая задача ТНВД – не просто создавать давление, а распределять топливо по цилиндрам, то есть регулировать его объем. Исключение – СВДТ Common Rail. У них сразу создаётся оптимальный уровень давления. А остальные задачи решаются посредством инжектора. Установку ТНВД считают одну из наиболее сложных, но важных задач мастера. Точность взаимного позиционирования кулачкового вала ТНВД по отношению к коленчатому валу двигателя напрямую влияет на мощность ДВС и его топливную эффективность (экономичность).
5. Форсунку. Корпус с клапаном.
6. Сливную магистраль. Топливо из камеры управления вытекает через дроссель в сливную магистраль.

• Давление действует на поршень.
• Поршень через шатун и кривошип коленчатого вала побуждают двигатель совершать полезную работу.
• СВДТ дозирует само топливо, ориентируясь на текущую нагрузку ДВС.
• Впрыск осуществляется на протяжении определенного промежутка времени с заданной интенсивностью.
• Топливо распределяется по всему объему камеры.
• Проводится фильтрация топливной смеси.
• Топливо поступает в насосы, форсунки.

Типы дизельных систем питания

Решающее влияние на конструкцию системы впрыска дизельного двигателя оказывает способ подачи и распыливания.

Существует 4 основных типа СВДТ:

• С рядным насосом. Системы с рядным ТНВД, работающие за счёт плунжерных пар, количество которых равно количеству цилиндров в системе. “Прародитель” СВДТ.
• С насосом распределительного типа. Каждая секция взаимодействует с одним цилиндром.
• Системы с насос-форсунками. ТНВД и форсунки консолидированы в единый узел. Плюс такого решения очевиден: нет препятствий для создания и поддержания высокого давления (включая давление более 2000 кг/см2).
• Сommon Rail. Системы с электромагнитным клапаном. Обеспечивают электронное управление цикловой подачей. СВДТ знакома потребителю в двух модификациях: селективного и накопительного типа. Разница — в используемых каталитических конвертерах.

На рисунке — решения с рядным и распределительным ТНВД.

Если сравнивать рядные насосы и распределительные ТНВД, то важно понимать насосы распределительного типа полезны, когда нужны очень компактные и лёгкие решения. Рядные топливные насосы – при поиске оптимального варианта для ДВС тяжёлой техники.

Но будущее — за Сommon Rail и насос-форсунками. При этом особенно на практике хорошо себя зарекомендовали решения с индивидуальными — PLD-секциями. Плунжерная пара и управляющий элемент у них отделены от впрыскивающего элемента – форсунки, и соединены трубкой высокого давления.

Мастера СТО, принимая на диагностику автомобили с PDL-секций, могут гарантировать клиентам быстрое обнаружение неисправностей и ремонт СВДТ. Это обусловлено тем, что при диагностике и дальнейшем ремонте не нужно “вклиниваться” в головку блока цилиндров. Доступ к узлу – незатруднённый, поэтому сервис – максимально быстрый.

С рядным насосом

Конструкция с рядным насосным оборудованием появилась самой первой. Работает она по такому принципу:

• Цилиндр движется в гильзе, создаёт давление и сжимает топливо.
• При достижении нужного давления открывается клапан.
• Дизтопливо поступает к форсункам (количество форсунок в таких конструкциях всегда соответствует количеству плунжерных пар).
• Первые конструкции с рядным насосом были полностью механические, затем появились устройства с электромеханикой. Это облегчило регулировку цикловой подачи топлива.

• большой вес насосного оборудования,
• проблемы при создании больших показателей давления (особенно, если речь — о полностью механических конструкциях),
• низкое быстродействие,
• сомнительная точность дозирования топливной смеси.

Требования к качеству дизельного топлива значительно выше, нежели к бензину. Это можно связать с конструктивными особенностями СВДТ.

Качество процесса сгорания топливной смеси в цилиндре зависит от самого начала подачи дизельной смеси. Управление началом процесса осуществляется посредством регулятора начала подачи.

Непосредственно за регулировку объема топлива, подаваемого в цилиндр за один цикл, как понятно из текста выше, отвечает плунжерная пара. Расстояние между втулкой и плунжером очень маленькое (речь идёт о десятых микрона). Такие же цифры характеризуют и точность изготовления распылителей форсунок. Вот почему и требования к качеству дизтоплива очень высокие. Если в нём много примесей, топливная аппаратура быстро выходит из строя.

С насосным оборудованием распределительного типа

Существенно улучшить ситуацию, найти оптимизированное решение, которое позволяет достигать большего давления, позволяют системы впрыска дизельного топлива распределительного типа. Да, существует зависимость давления от оборотов ДВС. Но, главное, в этом случае все под полным контролем.

Устройства с рядным насосом бывают механическими и с электрорегулировкой.

Плунжерная пара у первых ТНВД была всего одна, у более поздних моделей — с ротором — плунжерных пар несколько. Такие решения — более производительные. При этом плунжерная пара (или несколько пар) связаны сразу с несколькими форсунками: двумя, четырьмя, шести.

Плунжер совершает сразу два типа движений — вращательное и поступательное. Таким образом, в зоне его ответственности — как подача, так и распределение топливной смеси.

В противовес устройствам с рядным насосом габариты — существенно меньше, топливная экономичность — больше, но надежными такие системы назвать нельзя. Если случается неисправность насоса, то вся СВДТ может выйти из строя.

Ещё один значительный недостаток — чувствительность к завоздушиванию. В свое время это стало серьёзным поводом для “переключения” производителей на СВДТ другого типа (с насос-форсунками и и Сommon Rail).

Насос-форсунки

В СВДТ с насос-форсунками форсунки и плунжеры составляют единую конструкцию. Запуск узла осуществляется от распредвала (за счёт механической рейки + регуляторов или чаще электромагнитных клапанов — последние обеспечивают лучшую производительность и точность дозирования топливной смеси).

Давление можно увеличивать максимально быстро и при этом — на существенные значения. Это возможно благодаря тому, что магистрали высокого давления у СВДТ с насос-форсунками — очень короткие, а усилие от кулачков через коромысло направлено непосредственно к насос-форсунке.

• Предварительный. Обеспечивает смеси дальнейшую плавность сгорания.
• Основной. Осуществляется при целенаправленном движении плунжера вниз, направлен на качественное смесеобразование во всех режимах работы ДВС. чем больше давление, тем больше дизеля впрыскивается в камеру ДВС.
• Дополнительный — очищающий. Плунжер продолжает двигаться вниз. Из фильтра интенсивно уходит сажа.
• Кстати, у ряда автомобилистов часто возникает вопрос. “Сажа? Но откуда?” Ведь многие годы дизельные ДВС называли более чистыми, нежели бензиновые. Однако во внимание не бралось одно существенное «но». При сильном разгоне образуется достаточно много сажи.

А вот весомый плюс всех решений с насос-форсунками, так это то, что производитель может позволить более высокую мощность ДВС, нежели в случае с рядным и распределительным насосом, дизтоплива водителю требуется меньше, уровень шума существенно уменьшается.

Система впрыска дизельного двигателя Сommon Rail

1. На первом этапе осуществляется предварительный впрыск небольшой порции топливной смеси.
2. На втором этапе проводится основной впрыск под высоким давлением. С Common Rail нет проблем достигнуть давления 220 -300 МПа.

Благодаря организации электронного управления цикловой подачей в случае использования с электромагнитным клапаном можно существенно повлиять на показатель скорости, с которой топливоподающей система реагирует на изменение нагрузки и давления наддува.

Сначала в процессе задействован клапан цикловой подачи, а далее в работу вступает тактовый клапан управления моментом подачи.

Common Rail обеспечивает возможность осуществить впрыск предварительной небольшой порции топлива, а только потом переходить к работе к основной порции дизтоплива, легко достичь ровной характеристики горения топливной смеси. Ведь в таких случаях давление получается удерживать практически стабильным.

Как и в случае с насос-форсунками работа ступенчата. Выделяется предварительный (на холостом ходу), основной (при увеличении нагрузки) и дополнительный впрыск (при нагрузке, достигающей плато).

Дизельные системы впрыска Common Rail создают идеальные условия для того, чтобы СВДТ соответствовали строгим экологическим нормам, ДВС были маломощными, производство компонентов было более дешевым, а диагностика — оперативной. Активным выпуском Common Rail заняты такие мировые гиганты, как BOSCH, DENSO, SIEMENS. СВДТ Common Rail активно устанавливается на Volvo, Volkswagen, Fiat, Toyota, Alfa Romeo, Mazda, Ford, Nissan,Honda, Hyundai, Kia и др.

Комплексно изучить дизельные двигатели автомобилей, включая плунжерное насосное оборудование,систему непосредственного впрыска Common Rail поможет интерактивная электронная программа “Дизельные двигатели автомобилей”

Как устроена система подачи топлива дизельного ДВС

В дизельном двигателе предусмотрен целый комплекс узлов и деталей, задача которого состоит в подаче топлива на форсунки под высоким давлением.

Система питания дизельного ДВС выполняет следующие функции:

• фильтрует топливо перед подачей его на форсунки
• гарантирует точное дозирование и впрыск в нужный момент топлива в камеру сгорания, в зависимости от режима и нагрузки на двигатель
• обеспечивает распыление и равномерное распределение горючего по стенкам камеры сгорания в цилиндре.

Работу системы питания дизельного двигателя вкратце можно описать так: хорошо очищенное ДТ подается к цилиндрам, топливный насос высокого давления (ТНВД) сжимает горючее и передает его на форсунку под высоким давлением. Форсунка распыляет и впрыскивает топливо в камеру сгорания, где оно смешивается с горячим (нагретым от высокого сжатия внутри цилиндра до 700-900 градусов по Цельсию) воздухом и самовоспламеняется.

Это и есть основное отличие работы дизельного ДВС от бензинового: воспламенение рабочей смеси происходит самостоятельно, не требуя поджигания отдельным устройством.

Общая схема системы питания дизельного ДВС

Базовые элементы системы питания дизельного ДВС:

• топливный бак
• фильтры грубой очистки топлива
• фильтры тонкой очистки топлива
• топливоподкачивающий насос
• ТНВД
• форсунки
• трубопровод низкого давления
• магистраль высокого давления

Помимо базовых элементов, в зависимости от специфики двигателя, в система может дополняться электронасосами, механизмом выпуска отработанных газов, сажевыми фильтрами и т.п.

Специалисты выделяют в системе питания дизельную аппаратуру:

• для подвода топлива (топливоподводящая аппаратура)
• для подвода воздуха (воздухопроводящая)

Топливоподводящая аппаратура имеет разные варианты устройства. Самый распространенный вариант — ТНВД и форсунки разделены как самостоятельные устройства, топливо подводится к двигателю по магистралям высокого и низкого давления.

Магистраль низкого давления хранит, фильтрует и подает горючее к ТНВД. Задача же магистрали высокого давления — поднять давление, необходимое для точной подачи и дозированного впрыска горючего в цилиндр.

Что касается насосов в системе питания, их два.

Топливоподкачивающий подает топливо из бака, очищает его с помощью фильтров грубой и тонкой очистки (прогоняя через них), а затем под давлением подает горючее к ТНВД.

Задача ТНВД — распределить топливо по секциям (каждая соответствует конкретному цилиндру) и подать его на форсунки под высоким давлением соответственно циклу работы двигателя (очередности работы цилиндров).

Расположенные в головке блока цилиндров форсунки отвечают за точный дозированный впрыск и распыление горючего по стенкам камеры сгорания. Лишнее горючее вместе с воздухом отводится обратно в бак по дренажным трубопроводам.

Дизельные форсунки бывают закрытого и открытого типа. Рядовые четырехтактные дизельные ДВС оснащены форсунками закрытого типа, то есть их сопла (отверстие) закрываются запорной иглой, обеспечивая герметичность. То есть сообщение внутренней полости форсунок и камеры сгорания происходит только в момент открытия форсунки (впрыска топлива в камеру).

Важно: встречается нераздельная система питания дизеля, где ТНВД и форсунка объединены в единый узел — насос-форсунку. Но из-за специфики работы таких устройств (жесткая шумная работа двигателя), это решение не получило широкого распространения.

Чем отличается система питания турбированного дизельного мотора

Предназначение турбонаддува — повысить мощность двигателя без его конструктивных изменений вроде увеличения объема камеры сгорания и пр. Топливопроводящая система в дизельном двигателе с турбиной почти не отличается от атмосферного дизеля. А вот алгоритм и принцип подачи воздуха в цилиндр другой.

Турбокомпрессор задействует энергию отработавших газов. Воздух поступает в турбину, сжимается там, охлаждается и нагнетается под высоким давлением в камеру сгорания. Турбины делятся на категории в зависимости от величины давления, которое они создают:

• турбокомпрессоры с низким наддувом — давление не выше 0,15 МПа
• среднего наддува — давление 0,2 МПа
• высокого наддува — давление свыше 0,2 МПа

Система турбонаддува улучшает наполнение цилиндров воздухом и тем самым повышает эффективность сгорания топлива. Так удается увеличить мощность турбированного дизельного ДВС на 30% и более, по сравнению с атмосферным.

К негативным последствиям наличия турбокомпрессора на дизельном ДВС относят увеличение температуры в камере сгорания. Это происходит из-за более интенсивного сгорания топливной смеси. Как следствие, возрастает механическая нагрузка на детали кривошипно-шатунного механизма и механизма газораспределения, что снижает ресурс турбированного двигателя в целом, по сравнению с атмосферным.

О том, какие существуют системы подачи топлива в дизельных двигателях, мы писали здесь.

Если вы в поиске качественных запчастей для своего дизельного двигателя, проверьте наш каталог

Устройство автомобилей

Форсунка служит для подачи топлива в цилиндр двигателя, распыления и распределения топлива по камерам сгорания.

Условия работы форсунок очень тяжелые – они подвержены воздействию колоссальных давлений и тепловых нагрузок. Впрыск начинается при температуре в камере сгорания 700…900 ˚С и давлении 3…6 МПа, а заканчивается при температуре до 2000 ˚С и давлении 10…11 МПа.

К форсункам предъявляются следующие очень жесткие требования:

• оптимальная дисперсность, т. е. высокая степень дробления капель топлива, так как чем меньше капли, тем больше их суммарная поверхность, быстрее происходит нагрев и сгорание топлива, но при этом уменьшается длина факела;
• обеспечение такой скорости струи топлива, чтобы оно достигало краев камеры сгорания, поэтому капли не должны быть слишком мелкими – средний размер капель (с учетом требования по первому пункту) – 30…50 мкм;
• распределение впрыскиваемого топлива по всему объему камеры сгорания;
• резкое начало впрыска и его прекращение.

Форсунки бывают открытые и закрытые.
Открытые форсунки обеспечивают постоянную подачу топлива. В современных дизелях такие форсунки не применяются.
В дизельных двигателях применяют закрытые форсунки, которые открываются только в момент подачи топлива в камеру сгорания.

Закрытые форсунки могут быть двух типов – одно- и многодырчатые. Первые устанавливают на двигателях с вихревыми камерами сгорания, вторые с неразделенными камерами сгорания.

Различают, также, механические форсунки и форсунки, управляемые электроникой.
Современные системы питания дизельных двигателей используют впрыск, управляемый компьютером (электронным блоком управления). На основании информации, поступающей от многочисленных датчиков, такие системы учитывают многие процессы и текущие параметры работы двигателя. Форсунки в таких системах управляются специальными электромагнитными или пьезоэлектрическими устройствами, что открывает широкие возможности повышения эффективности работы двигателя, а также его экологичности.

К отдельной категории устройств для впрыска топлива в цилиндры относятся насос-форсунки, представляющие собой своеобразный гибрид между ТНВД и форсункой в одном узле.

История изобретения форсунки

Как известно, Рудольф Дизель изначально планировал работу своего знаменитого детища на угольной пыли. Его система питания содержала специальный насос, вдувавший угольную пыль в цилиндр двигателя сжатым воздухом. Однако, уголь оказался низкокалорийным топливом, не способным дать высокой температуры сгорания, и Дизелю пришлось обратить свой гениальный взор к жидким топливам. Ведь разница температур в цикле работы двигателя – прямой путь к повышению КПД, как установил француз Николя Сади Карно.

Сначала Дизель попробовал впрыскивать в цилиндр своего двигателя бензин, но при первом же испытании двигателя произошел взрыв, едва не стоивший жизни самого Дизеля и его помощников, и изобретателю пришлось применить менее взрывоопасное топливо – керосин.
В июне 1894 года Дизель построил двигатель, использующий в качестве топлива керосин, который впрыскивался в цилиндры специальной форсункой. Для впрыскивания керосина применялся пневматический компрессор, развивавший давление, превышающее давление в цилиндре двигателя. За такими двигателями закрепилось название «компрессорные дизели».

Идея гидравлического впрыска топлива в дизельных двигателях принадлежит, как утверждает история, французскому инженеру Сабатэ, который, к тому же, предложил многократный впрыск, т. е. впрыск, осуществляемый в несколько этапов (эта идея используется в современных системах питания — Common Rail и насос-форсунка).

В 1899 году русский инженер Аршаулов впервые построил и внедрил топливный насос высокого давления оригинальной конструкции — с приводом от сжимаемого в цилиндре воздуха, работавший с бескомпрессорной форсункой. Эти форсунки устанавливались на дизелях, выпускавшихся Механическим заводом «Людвиг Нобель» в Петербурге в начале прошлого века («русские дизели»).

В 20-е годы XX века немецкий инженер Роберт Бош усовершенствовал встроенный топливный насос высокого давления, а также создал удачную модификацию бескомпрессорной форсунки. Эти устройства с различными усовершенствованиями используются в системах питания дизельных двигателей и в наши дни.

Дизельные двигатели, использующие в системе питания повышение давления топлива перед впрыском, называют «бескомпрессорными дизелями».
В настоящее время классические компрессорные дизели не имеют практического применения. В современных двигателях впрыск осуществляется бескомпрессорными способами.

Однако, наука и техника не стоят на месте, и, благодаря широкой компьютеризации всех систем автомобиля, в настоящее время механические форсунки постепенно вытесняются более совершенными устройствами, управляемыми электроникой.

Принцип действия многодырчатой форсунки

В многодырчатой форсунке основной частью является распылитель. Он состоит из корпуса 1 (рис. 1, а) и иглы 2. Распылитель притянут к корпусу 7 форсунки накидной гайкой 3. Сверху на иглу давит пружина 12 (рис. 1, б). Топливо в полость Б форсунки подается по каналу В.
Когда нет подачи топлива насосом (рис. 1. I), давление в полости Б составляет 2…4 МПа. Топливо давит на нагрузочный поясок Г иглы, но эта сила меньше силы пружины, которая прижимает иглу к распылителю. Игла запорным конусом Д перекрывает выходные отверстия – сопло А.

При подаче топлива насосом сила давления топлива на поясок Г становится больше силы пружины, игла поднимается, и через сопло А с большой скоростью топливо впрыскивается в камеру сгорания. После окончания подачи топлива давление падает, пружина возвращает иглу на место, запирая выходные отверстия распылителя, и впрыск прекращается.

Подъем иглы ограничен упором ее верхних заплечиков в корпус 5 форсунки и составляет 0,2…0,25 мм.

Качество дробления топлива зависит от скорости его движения через сопла, которая, в свою очередь, зависит от давления впрыска. При нормальном режиме скорость струи топлива составляет 200…400 м/с. Для этого необходимо создать перепад давлений в форсунке и камере сгорания 5…10 МПа. Поскольку давление в цилиндре в момент впрыска достигает 3…5 МПа, давление топлива в форсунке должно быть более 10…20 МПа.
Чтобы обеспечить работу форсунки при таком давлении, корпус распылителя и игла выполнены очень точно и притерты друг к другу. Они являются третьей прецизионной парой в магистрали высокого давления. Игла и корпус распылителя не подлежат разукомплектованию и подлежат замене только в комплекте.

Устройство многодырчатой форсунки

На двигателях с неразделенными камерами сгорания устанавливают, как правило, многодырчатые форсунки. Так, на двигателях КамАЗ-740 устанавливается форсунки серии 33, на двигателях ЗИЛ-645 и ЯМЗ-240 – форсунки Б-2СБ, на двигателях ЯМЗ-238 – форсунки модели 80 (см. рисунок 2 внизу страницы).

К корпусу 7 форсунки накидной гайкой 3 притянут распылитель с иглой 2. Распылитель имеет четыре сопловых отверстия диаметром 0,3 мм. На иглу через штангу 13 давит пружина 12. Топливо от насоса подается в полость форсунки через штуцер 9, в котором установлен фильтр 10. Верхнее отверстие в корпусе служит для отвода в бак топлива, просочившегося через зазоры между иглой и распылителем. Штифты 4 и 6 определяют точное положение распылителя относительно корпуса и топливных каналов. Прокладками 11 регулируют натяжение пружины, которое определяет давление начала впрыска.

Форсунки устанавливают в специальные гнезда головки цилиндра и закрепляют скобами.
Между корпусом форсунки и головкой блока размещается уплотнительная медная шайба (кольцо), которая надевается на корпус распылителя и вместе с форсункой аккуратно вставляется в гнездо головки. Такая шайба служит не только уплотнителем между форсункой и головкой, но и обеспечивает хороший теплоотвод от распылителя к головке цилиндров.
Уплотнительное кольцо 8 предохраняет полость клапанной крышки от попадания в нее пыли и влаги.

Устройство однодырчатой штифтовой форсунки

Однодырчатые форсунки иногда называют штифтовыми, поскольку конец ее иглы выполняется в виде штифта. Такие форсунки устанавливают, как правило, в дизелях с разделенными камерами сгорания.
Конструкция распылителя таких форсунок обеспечивает объемно-пленочное смесеобразование, поскольку распыливание топлива более направленное, чем в многодырочных форсунках, и значительная часть топлива достигает стенок камер сгорания, образуя быстро испаряющуюся пленку.

Дизели с вихревыми (раздельными) камерами сгорания менее чувствительны к составу топлива и устойчивее работают в широком диапазоне частот вращения. Применяемые с ними форсунки рассчитаны на меньшее давление, следовательно, не требуют столь высокой точности изготовления, как форсунки для неразделенными камерами сгорания, а потому дешевле.

На рис. 1,в показан распылитель штифтовой однодырчатой форсунки. Такая форсунка устанавливается в вихревых камерах сгорания и имеет одно сопло.
Конец иглы 2 выполнен в виде штифта 13 конусной формы, выступающего за пределы корпуса распылителя. Штифт служит для формирования факела топлива в виде конуса.
Принцип работы однодырчатых форсунок не отличается от принципа работы многодырчатых форсунок.

Устройство некоторых типов форсунок, применяемых на автотракторных дизельных двигателях отечественного производства приведено на рисунке 2.