Паливна форсунка: види, конструкція, принцип роботи

Подача палива в камеру згоряння циліндра – справа зовсім не така проста, як здається на перший погляд. У двигунах прораховується не тільки оптимальна кількість бензину (дизпалива, газу), але і спосіб його розпилення, момент згоряння, розподіл факела полум’я і безліч інших чинників. Постійне посилення екологічних вимог ставить перед автоінженерами складні завдання, які вони вирішують комплексно, в тому числі і модифікуючи способи упорскування палива. В результаті з’являються нові пристрої, які вже мають мало спільного зі старими карбюраторними системами.

Трохи фізики

Щоб паливо не просто спалювалось, а спалювалось з максимальним ефектом, потрібно дотримуватись кількох умов. І одна з них – розпорошити рідке паливо, щоб дрібні крапельки моментально зайнялися і якомога сильніше штовхнули поршень вниз. А для цього потрібен маленький вибух, який і виходить, коли горить не рідина, а пари бензину і дрібна суспензія. Додамо сюди потребу в 15-кратному об’ємі повітря, який повинен рівномірно змішатися з розпиленим паливом, і отримаємо цікаву інженерну задачу, над якою б’ються кращі уми.

Паливна форсунка – саме той інструмент, який перетворює рідке паливо в найменшу вологу пил, причому форма «факела» строго розраховується, як і кількість палива, яке впорскується в камеру згоряння. Чим більше палива – тим потужнішою буде віддача від його згоряння, тож форсунка виконує два завдання: подає потрібну кількість бензину (солярки або газу) в потрібний час і в потрібній формі. Від правильної роботи форсунок (і системи подачі палива в цілому) залежить якість роботи двигуна, його довговічність, відповідність екологічним нормам і вимогам закону.

Сучасні системи пошарового уприскування стали доступні тільки після еволюції паливних форсунок, після того, як вони стали швидшими, точнішими і потужнішими. У старих системах реалізувати такий спосіб подачі палива було неможливо чисто технічно. Складнощі нової конструкції виправдовуються щоденною економією і меншою шкодою для природи і оточуючих людей.

Види інжекторних систем

Системи упорскування з форсунками (інжекторні) прийшли на зміну карбюраторам, вже не встигають за новими вимогами. Першим варіантом стала система моновриску, в якій одна паливна форсунка розташовувалася у впускному колекторі на місці карбюратора, після впорскування паливо змішувалося з повітрям і надходило в один з циліндрів.

Система моновпорскування.
1. Подача палива. 2. Подача повітря.
3. Дроссельная заслінка.
4. Впускний колектор. 5. Форсунка.
6. Головка блоку циліндрів.

На зміну моновпорскуванню прийшло розподілене упорскування палива, коли на кожен циліндр встановлюється окрема форсунка. На сьогоднішній день це найпоширеніший варіант (карбюраторні і моноінжекторні автомобілі вже не виробляються, хоч і використовуються). Паливо на форсунки надходить або від паливного насоса високого тиску (ПНВТ), або від підпомповувального паливного насоса, якщо використовуються насос-форсунки. Сопло форсунки може бути виведене у впускний колектор, в форкамеру (в дизельних двигунах) або прямо в циліндр (системи з безпосереднім упорскуванням).

Останньою модифікацією інжекторів стала система Common Rail, при якій паливо від ПНВТ надходить в паливну рампу (акумулятор тиску), а форсунки спрацьовують в потрібний час, незалежно від положення розподільного вала.

Система розподіленого упорскування.
1. Подача палива. 2. Подача повітря.
3. Дросельна заслінка.
4. Впускний колектор. 5. Форсунки.
6. Головка блоку циліндрів.

За допомогою Common Rail була вирішена проблема пульсації палива (ПНВТ не подає його рівномірно) і з’явилася можливість повноцінної реалізації ступеневого (трифазного) упорскування.

Види паливних форсунок

За способом приведення в дію всі форсунки діляться на механічні і електромеханічні.

Механічна форсунка.
1. Подача палива. 2. Запірна голка.
3. Отвір розпилювача

Приводяться в дію тиском палива: тиск підвищується і відкриває клапан, який закривається при зниженні тиску після виходу палива з сопла. Один з різновидів – форсунки з двома пружинами, які дали можливість реалізувати двоступеневе подання палива без використання електроніки.

Механічні форсунки відходять у минуле услід за карбюраторами. На даний момент найпоширенішими стали більш сучасні моделі, що дозволяють регулювати подання палива в кожен з циліндрів залежно від умов роботи двигуна. Для розподіленого упорскування використовуються електрогідравлічні, електромагнітні та п’езоелектричні форсунки, кожна з яких має кілька модифікацій, свої плюси і мінуси і особливості використання.

Застосовуються в бензинових двигунах. За відкриття голки відповідає електромагніт: за сигналом від контролера на його обмотку подається струм, якір магніту піднімається і піднімає з’єднану з ним голку. Після відключення струму повернення голки в початкове положення і закриття сопла форсунки проводиться за рахунок пружини. Момент початку і тривалість вприскування визначаються ЕБУ. Тиск палива в таких форсунках становить в середньому 40 бар, що в порівнянні з дизельними двигунами зовсім небагато.

Встановлюються на дизельні двигуни, в тому числі на систему Common Rail. Принцип роботи – вирівнювання тиску на запірну голку. Паливо під тиском заповнює камери над голкою і під нею, і в стані спокою цей тиск однаково. Голка закриває сопло завдяки зусиллю пружини. При подачі сигналу від ЕБУ відкривається електромагнітний зливний клапан, і паливо з резервуара над голкою зливається в реверсну магістраль. Тиск над голкою падає, а під голкою – ні, голка піднімається і відкриває форсунку.

Найсучасніша конструкція, яка використовується і в бензинових, і в дизельних двигунах. Основна її перевага – максимальна швидкодія, що дозволяє подавати паливо в камеру згоряння в 2-4 прийоми. За рух голки відповідає керамічний п’єзоелемент, що розширюється під дією електричного струму. П’езофорсунки витримують найбільший тиск – до 2000 бар, і використовується в сучасних високофорсованих і турбодвигунах.

Насос-форсунка.
А. Насосна секція. В. Клапанна секція. С. Секція упорскування.
1. Кульковий упор. 2. Поворотна пружина.
3. Зворотний канал. 4. Регулювальна шайба розпилювача.
5. Розпилювач. 6. Вхідний канал.
7. Упор клапана управління. 8. Паливний клапан.
9. Соленоїд управління клапаном.

Як зрозуміло з назви, в даній конструкції сама форсунка з’єднана з насосом, що дозволило уникнути громіздкого і дорогого ПНВТ. Насос-форсунки оснащуються плунжером 6-8 мм в діаметрі, який приводиться в рух від розподільного вала. За відкриття клапана може відповідати і електромагнітна котушка, і п’езокристали, залежно від конструкції.

Робота форсунки і факел розпилу

Основним показником якості роботи паливної форсунки є факел розпилу палива. Це форма, яку приймає порція рідини, що виходить з сопла форсунки. В ідеалі це водяний пил, що утворює хмару заданої форми: паливо добре змішується з повітрям, не осідає на стінках камери згоряння, не ллється струменем. Залежно від того, куди виведена форсунка (у впускний колектор або камеру згоряння), паливо може розпорошуватися різними способами. Кількість рідини, дисперсність і форма факела визначаються на етапі конструювання двигуна і відхилення від нормальних параметрів позначається на його роботі, продуктивності і довговічності.

Одна їх технічних характеристик – продуктивність форсунки. Визначається як об’єм (в кубічних сантиметрах), що наповнюється за хвилину під тиском 3 бари. Найпоширеніші показники – від 180 до 240.

Одиниці виміру продуктивності в каталогах можуть позначатися по-різному:

• см³/хв (cc/min або просто сс в англомовній транскрипції);
• lbs/hr (lb/hr, фунт/год, використовують американські виробники).

Переведення одного значення в інше робиться за такою формулою:

Паливні форсунки для ГБО

Повноцінне використання газу стало можливим після появи системи розподіленого упорскування. Це ГБО четвертого покоління, при якому можна домогтися оптимального співвідношення газу і повітря, максимального згоряння паливної суміші, позбутися недоліків попередніх поколінь ГБО – прогорання клапанів, дострокового загоряння суміші, перевитрати палива. Особливість цієї системи в тому, що зріджений газ подається спочатку в редуктор, де відбувається випаровування, а потім – в форсунку.

Для автомобілів на газу використовуються форсунки штокового, голчастого і мембранного типів. Найпростіші і дешеві – штокові форсунки, що працюють за тим же принципом, що і бензинові електромагнітні. На більш сучасні двигуни вони вже не встановлюються: занадто низька швидкість роботи і точність подачі палива, немає можливості відкривати форсунку на дуже короткий час (для систем з трифазним упорскуванням, наприклад). Але ці форсунки відмінно справляються з «брудним» газом, перебоями з тиском та іншими недоліками паливної системи.

Голчасті форсунки – нове покоління пристроїв, більш точні і надійні, невибагливі до положення установлення. Газ подається через соленоїд, усередині якого розташований шток і запірна голка. Під час роботи відбувається «продування» форсунки, що допомагає підтримувати її в чистоті і відстрочити час ТО.

Конструктори «гралися» з запірними механізмами тарільчастого і мембранного типу, але ці форсунки не виправдали себе ні за терміном служби, ні за швидкістю, ні за надійністю.

Системи ГБО п’ятого покоління працюють без редуктора, а газ в форсунки подається в рідкому вигляді. Це система рідкого фазованого розподіленого упорскування, при якій можна зменшити витрату палива і поліпшити характеристики паливно-повітряної суміші в камері згоряння. Витрата газу в системах п’ятого покоління всього лише на 10-20% вище, ніж витрата бензину.

В більшості випадків для автомобілів на природному або зрідженому газі краще використовувати спеціальні газові форсунки, а не звичайні бензинові, адже і тип палива, і вимоги до нього будуть абсолютно іншими.

Фільтр форсунки

В конструкції кожної форсунки передбачений індивідуальний фільтр. Незважаючи на паливні та повітряні фільтри, встановлені в автомобілі, фільтр форсунки стає останнім бар’єром для забруднень і додатково подовжує життя тонкому і вразливому пристрою.

Як правило, в форсунках використовуються звичайні пористі фільтри, які при техобслуговуванні можна промити або замінити. Виняток становлять форсунки, що працюють на газу, в яких є можливість очистити паливо за принципом центрифуги – пропустивши його по спіралі і відсіявши сторонні включення.

При техобслуговуванні форсунки зазвичай промивають і фільтри, адже наш бензин і солярка не відрізняються високою чистотою, а системи упорскування на нових автомобілях дуже чутливі до якості палива.

Несправності паливних форсунок

Сучасні форсунки, особливо на дизельні двигуни, збираються з точністю до 1 мкм. Такі тонкі зазори чутливі до найменших відкладень, а значить, і до якості палива. Головний ворог форсунок – бруд. Рятують тільки якісні паливні фільтри, розраховані на високий ступінь очищення.

Друга причина виходу форсунок з ладу – корозія металевих деталей. Тут винна вода, що потрапила в паливо. У нових дизельних двигунах фільтри з сепараторами повністю виправдовують свою вартість: видаляючи воду з палива, вони продовжують термін служби і самих форсунок, і циліндро-поршневої групи.

Зіпсувати форсунку може майстер на етапі установки: досить порушити момент затяжки, трохи зім’яти ущільнювач або допустити іншу помилку, і форсунка через деякий час подасть сигнал про проблему. Але навіть при правильному встановлення ущільнювачі з часом виходять з ладу і прикипають до ГБЦ.

Небезпечний момент для систем безпосереднього упорскування – заміна свічок розжарювання. Тонкі довгі стрижні свічок ламаються при демонтажі, після чого доводиться виймати залишок з свічкового колодязя за допомогою інструментів. У цей момент легко пошкодити форсунку, що знаходиться поруч (досвідчені майстри знають, як впоратися з ситуацією).

Помилки тюнінгу двигуна, перехід на інше паливо (наприклад, на біодизель), проникнення оливи в камеру згоряння або, навпаки, розрідження оливи паливом, використання неякісних присадок призводить до перегріву форсунки, оплавлення сопла, деформації запірної голки і розпилювальних отворів.

Ознаки проблем з форсунками проявляються порушеннями в режимі роботи двигуна: мотор починає “троїти”, збільшується витрата палива, утруднюється холодний старт, на холостому ходу з’являється вібрація і сторонні шуми, вихлоп стає чорного кольору. У цих та інших випадках краще звертатися на СТО одразу, не чекаючи більш серйозних поломок. У більшості випадків ремонт обмежується чисткою форсунок або заміною зовсім дохлих, а ось затягування діагностики може привести до капремонту двигуна.

Зверніть увагу!

В зимовий сезон у дизельних двигунів з’являється додаткова проблема: парафіни в паливі. Незважаючи на заяви виробників, повністю видалити парафін з солярки складно і дорого, і на морозі паливо починає білішати і загусати.

Парафін в дизпаливі викликає проблеми з фільтром (густа маса геть забиває паперову гофру), насосом і, зрозуміло, з форсунками, які у всьому ланцюжку найбільш чутливі до сторонніх домішок. Проникаючи в інжектор, холодний парафін забиває тонкі канали форсунок і не дає нормально стартувати двигуну.

Для боротьби є два методи: заправляти свій автомобіль якісним зимовим паливом або використовувати передпусковий підігрівач паливного фільтра. Системи підігріву допомагають розтопити застиглу масу і повернути паливу нормальну плинність навіть у тому випадку, якщо залита неякісна всесезонна солярка.

У літній сезон використовується дизпаливо з порівняно високим вмістом парафінів, але воно не застигає і ніяк не заважає двигуну працювати.

Потрібно відзначити, що форсунка, незважаючи на всю делікатність конструкції, служить досить довго: 100-150 тис. км в середньому, а оригінальні, встановлені з заводу, можуть радувати автовласника до 200 тис. км. Це досить «живучий» механізм, якщо регулярно проводити техобслуговування і своєчасно ремонтувати.

Про те, як вибирати паливні форсунки, читайте наш “Гід покупця”.

Почему дизельные топливные форсунки выходят из строя и как их ремонтируют

06 сентября 2019 Категория: Полезная информация.

Дизельный двигатель — это отличные тяговые качества и экономия на топливе, с одной стороны, и дорогостоящая топливная аппаратура, которая требует к себе особого отношения, с другой. Особенно внимательно владельцам стоит относиться к признакам неисправностей топливных форсунок.

Принцип работы топливных дизельных форсунок

Рассказ о том, что и почему может выйти из строя в форсунках, невозможен без краткого описания устройства и принципа работы этих элементов.

На современных дизельных двигателях с системой впрыска Common Rail применяют форсунки двух типов – электромагнитные и пьезоэлектрические. Последние можно сравнить с «Феррари», это будет корректно и в плане скорости работы, и в плане стоимости замены элементов: пьезоэлектрические форсунки вообще не подлежат восстановлению и ремонту.

В корпусе такой форсунки установлен соленоид, клапан-мультипликатор и плунжер, который действует на иглу в корпусе распылителя. Плюс каналы для подвода и отвода топлива.

По каналам высокого давления топливо от топливной рампы подводится к игле в районе её контакта с распылителем и в полость над плунжером. Под давлением плунжер поджимает иглу к посадочному месту, и когда в нужный момент соленоид поднимается и открывает клапан-мультипликатор, происходит соединение полости над плунжером и полости сливного канала. Перепад давления (низкое над плунжером, высокое вокруг иглы) поднимает иглу: топливо впрыскивается в цилиндр.

Затем соленоид принимает прежнее положение, клапан закрывается и давление над плунжером восстанавливается. Распылитель при этом тут же закрывается иглой.

Так происходит каждый цикл впрыскивания ДТ в камеры сгорания.

Принцип действий такой же, как у электромагнитной форсунки, но исполняется алгоритм иначе.

В конструкции пьезоэлектрической форсунки есть гидрокомпенсатор, который служит посредником между пьезоэлементом и клапаном-мультипликатором. При подаче тока на пьезоэлемент тот изменяет свою геометрию всего за 0,1 мс, что позволяет делать один цикл впрыска горючего на несколько стадий, сохраняя сверхточную дозировку количества топлива.

В обычном варианте цикл впрыска делится на три этапа: предварительный впрыск (до 2 мл топлива, которое немного греет и готовит воздух в цилиндре к последующему впрыску и выравнивает давление внутри камеры сгорания), основной впрыск, завершающий (для нормального дожигания остатков топливовоздушной смеси и запуска процесса регенерации сажевого фильтра на дизельных ДВС).

В случае с пьезофорсунками, каждый из трёх этапов нормативного впрыска можно делить ещё, впрыскивая в предельно краткое время топливо несколько раз. Это позволяет добиться плавной работы дизеля — настолько, что по культуре работы он не уступит бензиновому двигателю.

Что и почему ломается в форсунках

Главные враги простых электромагнитных форсунок — сомнительное топливо и вода. Плюс роль естественного износа со временем, конечно же.

Распространённые проблемы таких форсунок — износ посадочного гнезда под шарик клапана мультипликатора. Неплотное закрытие жиклёра приводит к тому, что топливо утекает обратно через сливную магистраль. Если недостаточно давления под плунжером, топливо будет утекать через распылитель.

• В первом случае машина будет глохнуть «на горячую», под нагрузкой.
• Во втором — в цилиндры будет поступать слишком мало либо слишком много топлива, а топливовоздушная смесь получится обеднённой или чрезмерно обогащённой. В результате двигатель будет «троить», или появится белый дым из выхлопной трубы при работе ДВС на холостых оборотах.

Ещё одна типичная неисправность электромагнитных форсунок — когда прижимная пружина иглы теряет жёсткость.

Коррозия может вызвать ситуацию с подклиниванием клапана мультипликатора.

Выход из строя соленоида, который открывает клапан на выпуск, тоже отразится на работе двигателя не в лучшую сторону.

В результате имеем ситуацию, когда неисправность мелкого элемента топливной форсунки расстраивает нормальную работу дизельного двигателя в целом:

• ДВС начинает глохнуть под нагрузкой
• из выхлопной трубы валит белый дым
• двигатель нестабильно работает на холостых оборотах
• мотор «троит»
• плавают обороты

Типичные неисправности пьезоэлектрических форсунок приблизительно такие же, как у более простых конструктивно электромагнитных собратьев. Но в силу сложного управляющего элемента к обозначенным поломкам может добавиться замыкание на «массу» пьезоэлемента. Если это произошло, мотор вообще откажется заводиться.

Другое отличие поломки пьезоэлектрических форсунок — если причина в неисправности пары игла-распылитель, и сливается много топлива, дым из выхлопной трубы будет не белым, а чёрным и обильным.

Если выходит из строя сам пьезоэлемент — дизельный мотор будет «троить» и терять в мощности, то есть перестанет выходить на нормальные обороты.

Как диагностируют и ремонтируют форсунки

В том случае, если в нестабильной работе ДВС владелец подозревает выход из строя топливной аппаратуры, в частности, неисправности форсунок, придётся отправиться на компьютерную диагностику. Когда она покажет ошибки в работе форсунок, их все, комплектом, снимут с мотора и отправят на диагностику на специальном стенде. Стендовая диагностика покажет, не стравливают ли форсунки топливо обратно в сливную магистраль, а если это происходит — под каким давлением.

Следующим этапом будет тестирование работы форсунок на оборудование, которое имитирует работу на двигателе, при участии ТНВД и топливных патрубков. Электронные датчики поочерёдно замерят все параметры работы каждой форсунки, и это даст направление для диагностики причин проблемы. После проверок форсунки отправляют в ультразвуковую ванну и чистят от нагара и других отложений.

После диагностики наступает этап осмотра каждой форсунки на стенде. Мастер аккуратно разбирает все мельчайшие элементы форсунки (можно сделать только на электромагнитных форсунках) и рассматривает их под микроскопом. Преимущества такого скрупулёзного подхода в том, что большинство производителей выпускают все необходимые «запчасти» для ремонта и восстановления форсунки. Установив проблему, например, с неработающим распылителем форсунки, можно заменить его на новый, тем самым вернуть элементу работоспособность бюджетным методом.

• Правда, для форсунок тех производителей, комплектующие которых не найти в продаже, остаётся только две стратегии — заменять дорогостоящий элемент на новый в сборе либо искать бюджетный аналог нужной детали, но другого производителя.

После того, как все нуждающиеся в замене элементы форсунок будут заменены, мастер собирает элемент воедино. Самый ответственный этап — регулировка собираемой форсунки, и это трудная задача: каждая собранная часть измеряется индикатором, если размер не соответствует нужному диапазону — деталь снова разбирается и регулируется шайбой или стопорным кольцом. И так с каждым элементом вплоть до полной сборки форсунки.

Немаловажно также затянуть верхнюю и нижнюю часть форсунки с предельно регламентируемым моментом затяжки с помощью динамометрического ключа.

После сбора отремонтированная форсунка снова отправляется на диагностический стенд, где проверяется во всех режимах работы.

Почему не стоит ремонтировать форсунки самостоятельно

Профессиональный ремонт и восстановление форсунок — недешёвая процедура. И тем она дороже, чем больше времени владелец не обращал внимания на начинающиеся перебои в работе двигателя.

Чтобы сэкономить, многие рассматривают вариант отремонтировать форсунки у знакомых гаражных мастеров или даже пробуют выкрутить и осмотреть элементы самостоятельно.

Но такой ремонт возможен только для простых механических форсунок, никак не для форсунок системы Common Rail — электромагнитных и уж тем более пьезоэлектрических, которые вообще не поддаются восстановлению, только замене в сборе. Для проверки и ремонта электромеханических форсунок нужно специальное оборудование, а затем их заново прописывают в память ЭБУ двигателя.

Единственное, что может сделать владелец, чтобы не навредить двигателю самостоятельным вмешательством — выбрать по каталогу и рекомендациям мастера необходимые для ремонта детали: ремкомплекты, уплотнительные кольца, регулировочные шайбы, пружины, распылители и прочие элементы топливной дизельной аппаратуры.

Как продлить жизнь дизельных топливных форсунок

Важно не только выбирать лучшее топливо из доступных и не допускать попадания в топливную систему влаги (например, с конденсатом со стенок пустого топливного бака зимой), но и вовремя реагировать на возникающие неисправности, обращаясь в сервис: чем больше владелец ждёт, тем серьёзнее и дороже будет ремонт, особенно если дело в форсунках.

Перечислим основные неисправности, когда придётся посетить сервис:

• загоревшийся индикатор «Check Engine»
• трудности с запуском и нестабильная работа «на холодную»
• чёрные клубы дыма из выхлопной трубы
• необычный звук мотора
• двигатель глохнет «на горячую»
• нестабильная работа ДВС, «троение»
• плавающие обороты

Во всех этих случаях можно подозревать некорректную работу форсунок, которые портятся от воды, плохого топлива и фактора времени.

Но проблемы с подачей топлива в цилиндры может вызвать и выход из строя элементов топливного насоса высокого давления (ТНВД) или износ подкачивающего насоса и его шестерён. И в том, и в другом случае в форсунку будет попадать мелкий абразив, металлическая стружка и пыль. Поэтому при обращении с жалобами на перебои в работе топливной системе проверять рекомендуется её всю целиком.

Итого

Дизельная топливная аппаратура Common Rail не прощает к себе халатного отношения владельца. Сомнительное топливо и игнорирование проблем выйдет боком и сильно ударит по бюджету, если речь идёт о неисправностях форсунок или ТНВД.

Не стоит экономить, надеясь на гаражных умельцев. Отдавайте дизельные топливные форсунки на диагностику и ремонт только профессионалам и будьте готовы к ремонту и замене отработавших свой ресурс элементов при пробеге порядка 200 тыс. км — очень редко форсунки служат дольше.

О том, как самостоятельно диагностировать неисправности дизельного двигателя, узнаете здесь.

Топливные дизельные форсунки найдёте в нашем каталоге