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.
Электромеханическая дизельная форсунка
Дальнейшее развитие систем топливоподачи дизельного ДВС привело к появлению форсунок, в которых солярка подается в цилиндры посредством электромеханических форсунок. В таких инжекторах игла форсунки открывает и закрывает доступ к распылителю не под воздействием давления топлива и противодействия силе пружины, а при помощи специального управляемого электромагнитного клапана. Клапан контролируется ЭБУ двигателя, без соответствующего сигнала которого горючее не попадет в распылитель.
Блок управления отвечает за момент начала топливного впрыска и длительность подачи топлива. Получается, ЭБУ дозирует солярку для дизеля путем подачи на клапан форсунки определенного количества импульсов. Параметры импульсов напрямую зависят от того, с какой частотой вращается коленчатый вал двигателя, в каком режиме работает дизельный мотор, какая температура ДВС и т.д.
Благодаря дозированной высокоточной подаче давление газов на поршень в результате сгорания смеси растет плавно, сама топливно-воздушная смесь равномернее распределяется по цилиндрам дизеля, лучше распыляется и полноценно сгорает.
Дальнейшее видео наглядно иллюстрирует принцип работы электромеханической форсунки на примере бензинового двигателя. Главное отличие заключается в том, что давление топлива в дизельной форсунке значительно выше.
Указанный подход позволил окончательно переложить задачу по управлению впрыском с форсунок и ТНВД на электронный блок. Электронный впрыск работает намного точнее, дизель с подобными решениями стал еще более мощным, экономичным и экологичным. Разработчикам удалось значительно снизить вибрации и шумы в процессе работы дизельного агрегата, повысить общий ресурс ДВС.
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.
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.
Работа форсунки с двумя пружинами
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.
Принцип работы механической форсунки
Принцип работы системы питания дизеля с механическим управлением форсунки состоит в следующем. К топливному насосу высокого давления (ТНВД) подается горючее из топливного бака. За подачу отвечает подкачивающий насос, который создает низкое давление, необходимое для прокачки солярки по топливопроводам.
Далее ТНВД в нужной последовательности осуществляет распределение и нагнетание горючего под высоким давлением в магистрали, ведущие к механической форсунке. Каждая форсунка данного типа открывается для очередного впрыска порции солярки в цилиндры под воздействием высокого давления топлива. Снижение давления приводит к закрытию дизельной топливной форсунки.
Простой механический инжектор имеет корпус, распылитель, иглу и одну пружину. В устройстве запорная игла свободно движется по направляющему каналу распылителя. Сопло форсунки плотно перекрывается в тот момент, когда нет нужного давления от ТНВД. Внизу игла опирается на уплотнение распылителя, имеющее коническую форму. Прижим иглы реализован посредством закрепленной сверху пружины.
Распылитель является одной из важнейших составных деталей среди других элементов в устройстве инжекторной форсунки. Распылители могут иметь разное количество распылительных отверстий, отличаться способом регулировки подачи топлива.
Простые дизельные моторы, которые имеют разделенную камеру сгорания, зачастую получают распылитель с одним отверстием и иглой. Дизельные моторы, которые устроены на основе непосредственного впрыска топлива, оборудованы форсунками с несколькими распылительными отверстиями. Число отверстий в таком распылителе колеблется от двух до шести.
Подача топлива регулируется зависимо от конструкции распылителя, так как существуют два основных типа подобных решений:
- распылитель с возможностью перекрытия каналов;
- распылитель с перекрываемым объемом;
В первом случае игла форсунки перекрывает подачу горючего путем перекрытия каждого отверстия. Второй тип форсунок означает, что игла перекрывает своеобразную камеру в нижней части распылителя.
Давление топлива, нагнетаемого ТНВД, заставляет иглу подниматься благодаря наличию на поверхности такой иглы специальной ступеньки. Солярка проникает в корпус под указанной ступенькой. В момент, когда давление горючего сильнее усилия, которое создает прижимная пружина, игла движется вверх. Таким образом открывается канал распылителя. Дизтопливо под давлением проходит через распылитель и происходит его распыл в форме факела. Так реализован впрыск топлива.
Далее определенное количество горючего, которое подается насосом высокого давления, пройдет через распылитель и попадет в камеру сгорания. После этого давление на ступеньке иглы начинает снижаться, в результате чего игла от усилия пружины возвращается в исходное положение и плотно перекрывает канал. Тогда подача солярки в распылитель полностью прекращается.
