Разновидность, конструкция и принцип работы топливных форсунок ДВС

Принцип, использовавшийся ранее в карбюраторных системах питания автомобильных двигателей, от простейших до самых сложных, был один – распыление топлива в поток воздуха за счёт использования закона Бернулли, когда при ускорении воздуха давление уменьшалось. Топливо подхватывалось потоком. Дозирование было неточным. Инженеры пришли к выводу, что для дальнейшего развития моторов надо было подавать горючее под стабильным давлением отдельного насоса и точно отмерять нужное количество. Для распыления стали использоваться топливные форсунки.

Назначение и задачи форсунок (инжекторов)

Первые форсунки были достаточно простыми, но при этом и неэффективными. Настоящий прорыв в достижении качественного скачка по экономичности и экологичности моторов произошёл с момента появления управляемых инжекторов. Форсунка стала представлять собой клапан, который по команде мог открываться и закрываться, точно отмеряя нужное количество жидкости.

Размещаться форсунки могут в разных зонах канала впуска:

• рядом с дроссельной заслонкой при организации системы по типу моновпрыска на все цилиндры;
• по одной во впускном коллекторе, вблизи клапана в системах распределённого впрыска типа MPI;
• непосредственно в головке блока для прямого впрыска в камеру сгорания у бензиновых двигателей и дизелей;
• в зоне форкамеры, где она присутствует.

Задача форсунки – быстро открыться, как можно более тонко распылить топливо и столь же оперативно закрыться, чтобы избежать излишнего обогащения смеси. Не допускается подтекание топлива в закрытом состоянии или изменение производительности, которая выступает в роли табличного параметра для систем управления.

Ранние форсунки были чисто механического типа и открывались при достижении определённого порогового давления, закрываясь самостоятельно по мере окончания порции и сброса напора. Такая работа не удовлетворяла растущим требованиям, поэтому все используемые в настоящее время инжекторы управляются электрическим сигналом от контроллера двигателя.

Устройство и принцип действия электромагнитной форсунки

Электромагнитная форсунка представляет собой клапан, управляемый соленоидом, и состоит из нескольких частей:

• распылителя, в котором выполнены одно или несколько калиброванных отверстий для перехода топлива в мелкодисперсное состояние;
• игольчатого клапана, перекрывающего путь жидкости к распылителю;
• сердечника соленоида, перемещающегося в магнитном поле катушки при подаче и снятии с неё электрического тока;
• обмотки электромагнита, создающего магнитное поле, имеющей определённое омическое сопротивление, чтобы отобрать от управляющего драйвера нужную мощность при фиксированном напряжении в импульсе;
• топливного канала, в котором часто используется дополнительная фильтрация с помощью сетки грубой очистки;
• корпуса с электрическим разъёмом;
• уплотнительных колец на входе и выходе корпуса.

Управление дозированием и моментом впрыска полностью возлагается на электронный блок. В рассчитанный им момент времени на обмотку соленоида поступает напряжение, сердечник перемещается и открывает игольчатый клапан. Путь топливу открывается, оно под давлением начинает проходить через распылитель и в виде взвеси мелких капель и частично пара поступает во впускной коллектор или непосредственно в рабочий объём цилиндра.

При снятии напряжения возвратная пружина возвращает якорь электромагнита в исходное состояние, и канал перекрывается иглой клапана. Количество поданного топлива при фиксированных величинах перепада давления и производительности прибора зависит только от времени открытия. Таким образом можно дозировать заряд с максимальной точностью, определяемой быстродействием соленоида и дискретизацией цифрового устройства управления.

Принципиальное отличие электрогидравлического инжектора

Когда топливная система работает с экстремально высокими значениями давления, как это организовано в системах прямого впрыска дизелей и бензиновых моторов типа Common Rail и GDI соответственно, обычная структура соленоидного клапана справляться не сможет.

Для усиления возможности быстрого открытия и закрытия клапана используется само высокое давление в подающей магистрали. Соленоид же работает по принципу реле, перекрывая своим перепускным клапаном отдельную магистраль слива топлива. Для обеспечения нужного перепада давлений используется дросселирование потоков. Таким образом, перемещение поршня, связанного с иглой основного клапана, происходит под большим давлением, что обеспечивает нужное быстродействие при ограниченной мощности электромагнита. А к форсунке подходят два топливопровода, высокого давления и низкого, для слива. В остальном алгоритм работы тот же, что и для любой электроуправляемой форсунки.

Применение пьезокристаллов в форсунках

Пьезоэлектрический эффект представляет собой изменение геометрических размеров некоторых кристаллов при подаче на них электрического напряжения. Принцип действия напоминает работу электрогидравлической форсунки, но для активации системы клапанов используется пьезокристалл цилиндрической формы. Он и преобразует электрический сигнал в механическое перемещение деталей.

Пьезофорсунки отличаются очень высоким быстродействием, поскольку изменение размеров твёрдого тела отличается малой инерционностью и значительными развиваемыми усилиями в момент противодействия мощных пружин и высокого давления в топливной магистрали. Это качество приборов сделало возможным использовать их для многократного впрыска топлива в пределах одного цикла. Можно подавать небольшие пилотные порции горючего для инициации горения, охлаждения смеси или создания завихрений, организовывать послойное воспламенение сверхбедных смесей, впрыскивать несколько дополнительных объёмов в мощностных режимах. Но и цена подобных устройств достаточно высока. Применение их оправдано в случае наиболее высокотехнологичных моторов с рекордными характеристиками по экономичности и снижению вредных выбросов.

Параметры и дефекты форсунок

Основной характеристикой топливной форсунки является её производительность. Замеряется она путём пропускания в статическом и динамическом режимах калиброванной жидкости при строго определённом документацией давлении. Динамический режим отличается работой прибора на максимально допустимой частоте и скважности импульсов, в нём учитываются переходные процессы при открытии и закрытии клапанов, то есть быстродействие и возникающие из-за инерции потери расхода.

Важной характеристикой, особенно в эксплуатации, будет качество распыла топлива. Со временем детали изнашиваются и покрываются различными отложениями и загрязнениями. Может измениться как дисперсность, так и форма факела распыла. Всё это очень сильно повлияет на эксплуатационные показатели двигателя, как пусковые, так и в режимах больших нагрузок. Проверяются данные параметры на специализированных стендах, где контроль ведётся как визуально, так и по количественным показателям в разных режимах. Одновременно контролируется герметичность клапана под максимальным давлением, не допускается ни малейших утечек. Если форсунка начинает пропускать топливо в закрытом состоянии, то двигатель перестанет запускаться из-за переобогащения смеси, а если даже и заработает, то не уложится в показатели по расходу и чистоте выхлопа. Перегревы катализатора и выпускных клапанов быстро выведут их из строя.

Для сохранения параметров форсунок, а значит и двигателя, во времени рекомендуется проведение регулярной очистки со снятием их с автомобиля. Используются специальные промывочные стенды с возможностью оценки базовых показателей. Чистка проводится циркуляцией специального сольвента в динамическом режиме, а также путём помещения инжектора в ультразвуковую ванну с моющим раствором.