Устройство форсунок дизельных двигателей: Тысячу раз в минуту

Инжекторные бензиновые двигатели, в которых топливо

впрыскивается во впускной тракт или цилиндры с помощью форсунок, составляют

серьезную конкуренцию дизельным по показателю экономичности и экологичности.

Это послужило толчком к совершенствованию систем питания дизелей,

в частности – форсунок.

Инжекторные бензиновые двигатели, в которых топливо впрыскивается во впускной тракт или цилиндры с помощью форсунок, составляют серьезную конкуренцию дизельным по показателю экономичности и экологичности. Это послужило толчком к совершенствованию систем питания дизелей, в частности – форсунок.

Форсунки – элементы

системы питания дизельных двигателей, которые обеспечивают поступление

топлива непосредственно в камеру сгорания каждого цилиндра. Форсунка распыляет

топливо в форме факела в надпоршневом объеме, а также участвует в процессе

дозирования его продачи. И все это происходит с частотой от 400 до 2500

раз в минуту.

По своей конструкции все дизельные форсунки в зависимости от способа

управления делятся на механические и электромеханические.

Проверенная механика

Работа классического дизеля основана на тех же принципах, что и сто лет

назад, в эпоху создателя этого типа моторов Рудольфа Дизеля. Топливный

насос высокого давления (ТНВД), принимая горючее из бака от подкачивающего

насоса (низкого давления), в требуемой последовательности поочередно нагнетает

нужные порции солярки в индивидуальную магистраль механической форсунки

каждого цилиндра. Такие форсунки открываются исключительно «по команде»

высокого давления в топливной магистрали и закрываются при его снижении.

Обычная механическая форсунка состоит из корпуса, распылителя с иглой

и одной пружины (однопружинная). Игла свободно перемещается в пределах

направляющего канала распылителя, обеспечивая в закрытом состоянии надежную

герметизацию сопла. В нижней части она упирается в коническое уплотнение

распылителя, к которому прижимается расположенной сверху пружиной.

Для преобразования энергии давления топлива, созданного ТНВД, в усилие

подъема иглы на ее поверхности предусмотрена ступенька. Топливо подается

в специальный объем корпуса непосредственно под ступенькой иглы. Когда

давление превышает усилие пружины иглы, она поднимается вверх. При этом

обеспечивается открытие каналов распылителя и происходит впрыск топлива.

После того, как вся поданная насосом порция горючего проходит через распылитель

в камеру сгорания, давление начинает падать, и игла под воздействием усилия

пружины опускается. Подача топлива при этом прекращается. Давление впрыска

топлива составляет 400 – 600 кг/см2.

Варьируя параметры форсунок (геометрию каналов распылителя и их количество,

жесткость пружины и др.) и тем настраивая их на оптимальный режим работы,

конструкторы научились управлять процессом сгорания топлива.

В некоторых двигателях (например, версиях TDI моделей Mercedes, VW, BMW,

Audi и пр.) одна из форсунок может быть оснащена датчиком подъема иглы.

Положение иглы важно «знать» блоку управления моторами с электронно управляемыми

топливными насосами.

В особую группу форсунок следует выделить двухпружинные. Они имеют более

сложную конструкцию, но зато точнее, чем классические однопружинные, управляют

процессом топливоподачи. Благодаря этому снижаются жесткость процесса

сгорания и шум. Положительный эффект обеспечивается двухступенчатым подъемом

иглы, во время которого поочередно преодолевается сопротивление каждой

из двух пружин. На холостом ходу и при малых нагрузках работает только

первая ступень, «подкармливая» двигатель небольшим количеством топлива.

На мощностных режимах поступают две порции топлива: сначала малая (до

20% общего объема), затем большая. Это смягчает, продлевает и делает более

полным процесс сгорания. Кроме того, уменьшились расход топлива и токсичность

отработавших газов. Давления открытия ступеней отличаются незначительно,

например, у дизелей с разделенной камерой сгорания* составляют 130 и 180

кг/см2. Давление впрыска основной порции – порядка 800 – 1000 кг/см2.

Сегодня доля двухпружинных конструкций составляет около четверти от общего

количества. Такие форсунки применяли в дизелях с непосредственным впрыском**,

пока их не потеснила система питания Commоn Rail.

Эпоха электроники

В современных дизелях топливо подается с помощью электромеханических

форсунок, у которых за открытие и закрытие иглы отвечает управляемый электроклапан.

Пока ему не будет дана команда от ЭБУ, топливо не поступит к распылителю.

Бортовой компьютер определяет момент начала впрыска и его продолжительность,

тщательно дозируя горючее длиной импульсов в зависимости от частоты вращения

коленвала, нагрузки, положения педалей, температуры двигателя и других

факторов. Такая особенность позволяет электронике управлять подачей топлива

с высокой точностью, в благоприятном режиме с точки зрения экономичности

и экологичности.

Электромеханические форсунки в дизелях с системой питания типа Common

Rail могут работать в многоимпульсном режиме: в ходе одного цикла топливо

впрыскивается несколько раз – от двух до семи. Этим удалось добиться более

плавного нарастания давления газов на поршень и более качественного сгорания

топлива, что в итоге снизило шум и количество вредных компонентов в выхлопе.

Давление впрыска в данных системах питания удалось повысить до 1600 кг/см2.

При этом еще больше улучшилась точность дозирования и равномерность распределения

топлива по цилиндрам.

Един в двух лицах

Во второй половине 90-х годов некоторые дизели стали оснащать еще одной

разновидностью системы питания – без ТНВД. Его функции переложили на насос-форсунки.

Подкачивающий насос подает к ним топливо под небольшим давлением. Каждая

форсунка снабжена своей плунжерной парой, которую приводят в действие

кулачки распределительного вала. Преимуществ у таких систем питания несколько.

Во-первых – большее давление топливоподачи (от 1200 до 2050 кг/см2), что

обеспечивает более качественое распыление. Во-вторых, отсутствие громоздкого

ТНВД с отдельным приводом и инерционных систем распределения горючего.

Все это способствовало повышению точности начала впрыска и дозировки.

Насос-форсунки оборудованы электроклапаном и могут работать в двухимпульсном

режиме. Как и в предыдущих случаях, это позволяет произвести предварительный

впрыск перед основным, подавая в цилиндр сначала небольшую порцию топлива,

смягчает работу мотора и снижает токсичность выхлопа. Негативная особенность

насос-форсунок – зависимость давления впрыска от оборотов двигателя и

высокая стоимость данной технологии даже по сравнению с Common Rail.

* Разделенная камера сгорания - камера, состоящая из двух полостей - надпоршневой и вспомогательной в головке блока или в самом блоке. Применяется для увеличения энергии воздушных потоков ** Непосредственный впрыск в дизелях - подача топлива в камеру сгорания, состоящую из одного надпоршневого объема

Распылители

Одна из наиболее ответственных деталей форсунки – распылитель. Они отличаются количеством распылительных отверстий и способом регулирования топливоподачи. Предкамерные и вихрекамерные дизели (т.е. с разделенной камерой сгорания), как правило, оснащают распылителями с одним отверстием и иглой. На конце их иглы может быть штифт. Такие форсунки называют штифтовыми (1). Благодаря тому, что штифт иглы большую часть цикла находится в отверстии, появляется возможность подавать основную часть топлива в короткое время в конце цикла, после полного подъема иглы. Таким образом обеспечивается благоприятный режим сгорания и более мягкая работа дизеля. На дизели с непосредственным впрыском (с неразделенными камерами сгорания) устанавливают форсунки с несколькими распылительными отверстиями (от двух до шести). Есть два типа многоструйных распылителей: с перекрываемыми отверстиями (2) и закрытым объемом (3). В первых для прекращения подачи топлива игла перекрывает непосредственно каждый канал распылителя, т. е. контактирует с каждым отверстием. В форсунках с закрытым объемом игла не перекрывает само отверстие – она «глушит» небольшой объем в самом низу распылителя. Из-за остатка топлива в этом объеме, которое впоследствии испаряется, возникают проблемы со снижением токсичности отработавших газов.

Игорь Широкун

Фото Bosch