Устройство форсунки дизельного двигателя

Форсунки дизельного двигателя с электромагнитным клапаном

Форсунка с электромагнитным клапаном включает несколько функциональных моду­лей: распылитель, гидравлическая сервоси­стема и электромагнитный клапан.

Из магистрали высокого давления (см. рис. а, «Принцип действия форсунки с электромагнитным клапаном» ) топливо по впускному каналу поступает к

распылителю и далее через дроссельное от­верстие подачи топлива в камеру управления клапаном. Камера управления клапаном может через дроссельное отверстие подачи топлива соединяться электромагнитным клапаном с линией возврата топлива.

Во время работы двигателя и насоса высо­кого давле

Во время работы двигателя и насоса высо­кого давления форсунка может находиться в одном из четырех положений. Рабочие поло­жения форсунки определяются балансом сил, воздействующих на компоненты форсунки. Пружина форсунки закрывает форсунку, когда двигатель не работает, и давление в топливной рампе отсутствует (положение покоя).

Форсунка закрыта (положение покоя)

В положении покоя форсунка закрыта (см. рис. а, «Принцип действия форсунки с электромагнитным клапаном» ). Пружина электромагнитного клапана при­жимает шарик клапана к седлу дроссельного отверстия подачи топлива. При этом величина давления в камере управления клапаном повы­шается до давления в топливной рампе. Такое же давление присутствует в камере распыли­теля. Силы, воздействующие на торцевые по­верхности управляющего плунжера (давление в топливной рампе и усилие пружины распыли­теля) удерживают иглу распылителя в закрытом положении, преодолевая открывающее усилие, воздействующее на нажимной буртик иглы.

Открытие форсунки (начало впрыска)

Форсунка находится в положении покоя. В об­мотку электромагнитного клапана подается «пусковой ток». Это вызывает очень быстрое открытие электромагнитного клапана (см. рис. b, «Принцип действия форсунки с электромагнитным клапаном» ). Требуемое высокое быстродействие достигается за счет подачи на обмотку клапана высокого напряжения.

Возникающая электромагнитная сила пре­вышает усилие пружины электромагнитного клапана. Якорь электромагнита поднимает шарик клапана из седла и открывает дроссель­ное отверстие отвода топлива. Через короткое время ток в обмотке снижается до величины тока удержания. Когда дроссельное отверстие отвода топлива открыто, топливо поступает из камеры управления клапаном в полость над ней, и по возвратному топливопроводу возвращается в топливный бак. Дроссельное отверстие по­дачи топлива препятствует полной компенсации давления, в результате чего давление в камере управления клапаном снижается. Давление в камере управления клапаном падает ниже дав­ления в камере распылителя, которое остается таким же, как давление в топливной рампе. Пони­жение давления в камере управления клапаном вызывает уменьшение усилия, воздействующего на управляющий плунжер, в результате чего игла распылителя поднимается, и форсунка откры­вается. Начинается впрыск топлива.

Форсунка полностью открыта

Скорость перемещения иглы распылителя определяется разностью потоков топлива, про­текающих через дроссельные отверстия отвода и подачи топлива. Управляющий плунжер до­стигает крайнего верхнего положения и упи­рается в подушку из топлива (гидравлический Упор). Эта подушка создается потоком топлива между дроссельными отверстиями подачи и отвода топлива. Распылитель форсунки полно­стью открыт. Топливо впрыскивается в камеру сгорания под давлением, близким к давлению в топливной рампе.

Баланс сил в форсунке на этой стадии аналогичен балансу сил на стадии открытия. При данном давлении в системе количество впрыскиваемого топлива пропорционально продолжительности открытого состояния электромагнитного клапана. При этом оно совершенно не зависит от скорости вращения Пленчатого вала или насоса.

Закрытие форсунки (конец впрыска)

Когда электромагнитный клапан обесточивается, пружина сдвигает якорь электромагнита вниз, и шарик клапана закрывает дроссельное отверстие отвода топлива (см. Система впрыска топлива Common Rail). Когда дроссельное отверстие отвода топлива закрывается, давление в камере управления через дроссельное отверстие подачи топлива снова возрастает до величины давления в топливной рампе. Это вызывает увели­чение усилия, воздействующего на управляющий плунжер. Усилие, создаваемое давлением в ка­мере управления, и усилие пружины превышают усилие, воздействующее на иглу распылителя, и игла распылителя закрывает форсунку. Скорость, с которой закрывается игла, определяется пото­ком топлива через дроссельное отверстие подачи топлива. Когда игла прижимается к седлу, пере­крывая таким образом отверстие распылителя, цикл впрыска заканчивается.

Этот косвенный метод используется для пере­мещения иглы распылителя при помощи ги­дравлической сервосистемы, поскольку усилия, требуемые для быстрого открытия, не могут быть созданы только электромагнитным клапа­ном. Топливо, требуемое для управления, про­ходит через дроссельные отверстия камеры управления и возвращается в топливный бак.

Варианты форсунок с электро­магнитным клапаном

Имеются два варианта форсунок с электро­магнитным клапаном:

  • Форсунки с нагруженным давлением ша­ровым клапаном (усилия, действующие на клапан, направлены противоположно при­лагаемому давлению в топливной рампе);
  • Форсунки со скомпенсированным по дав­лению клапаном (усилия, действующие на клапан, практически не зависят от давления в топливной рампе).

Производители форсунок предлагает форсунки со ском­пенсированным по давлению клапаном для дизельных двигателей легковых автомобилей, рассчитанные на давление в топливной рампе до 1600 бар. При помощи таких клапанов можно обеспечить выполнение требований, предъяв­ляемых к форсункам современных дизельных двигателей, поскольку максимальное сечение открытого клапана может быть получено также при давлениях свыше 1600 бар в целях обе­спечения гидравлической стабильности сер­воклапана, при помощи которого регулируется величина подъема иглы. Кроме того, при вы­соком давлении в топливной рампе величина подъема иглы значительно уменьшается, что позволяет достигнуть требуемого быстродей­ствия при давлениях впрыска свыше 1600 бар и снизить чувствительность клапана к внешним возмущающим воздействиям. За счет высокого быстродействия обеспечиваются минимальные допустимые интервалы между двумя после­довательными впрысками. Также может быть снижена потребляемая электромагнитным кла­паном электрическая мощность.

Управление форсункой с электромагнитным клапаном

Последовательность управления форсункой с электромагнитным клапаном может быть разделена на пять стадий (см. рис. «Последовательность срабатывания электромагнитного клапана высокого давления при одиночном впрыске топлива«; приве­денные ниже детали относятся к форсунке с нагруженным давлением шаровым клапаном; для скомпенсированных по давлению клапа­нов достаточны небольшие значения тока).

В течение фазы пускового тока на электро­магнитныйВначале, в целях обеспечения точности и по­вторяемости дозирования топлива в обмотку электромагнитного клапана подается пусковой ток, значение которого очень быстро возрастает приблизительно до 20 А. Это достигается за счет подачи увеличенного напряжения (до 50 В), ге­нерируемого в электронном блоке управления и накапливаемого в конденсаторе. При подаче такого напряжения на обмотку электромаг­нитного клапана ток возрастает в несколько раз быстрее, чем при использовании только напряжения аккумуляторной батареи.

В течение фазы пускового тока на электро­магнитный клапан подается напряжение акку­муляторной батареи, что способствует быстрому открытию клапана. Регулятор тока ограничивает величину пускового тока приблизительно до 20 А.

С целью снижения энергопотребления элек­тронного блока управления и форсунок, после открытия форсунки величина тока снижается приблизительно до 13 А (ток удержания). Вы­свобождающаяся при этом энергия использу­ется для зарядки бустерного конденсатора.

При отключении тока для закрытия элек­тромагнитного клапана, избыточная энергия также используется для зарядки бустерного конденсатора. Зарядка конденсатора осущест­вляется при помощи инвертора, встроенного в электронный блок управления. Энергия, из­расходованная во время фазы открытия, вос­полняется в начале стадии подачи пускового тока до достижения напряжения, требуемого для открытия электромагнитного клапана.

Назначение

Как следствие, эффективная работа двигателя на дизНаличие 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.

Электромеханическая система впрыска

Основным отличием электромеханической форсунки от предшественников является открытие и закрытие подачи топлива с помощью управляемого электромагнитного клапана. Контроль над клапаном лежит на электронном блоке управления. Без подачи соответствующего сигнала с контроллера впрыск не произойдет.


Структура электромеханической форсунки

Блок управления определяет момент впрыска и дозирует необходимое количество топлива, регулируя время открытого состояния, подавая серию импульсов. В ЭБУ длительность подачи солярки определяется с учетом множества факторов, измеряемых при помощи датчиков. Так, например, в зависимости от оборотов коленчатого вала количество импульсов может варьироваться от 1 до 7. Учитывая нагруженность двигателя, его температурный режим, выбранный стиль вождения и множество дополнительных параметров, удается максимально оптимизировать топливоподачу. Это позволяет увеличить ресурс силовой установки, экономичность и экологичность автомобиля. Учет всех факторов позволяет равномерно распределить топливо в камере сгорания, что обеспечивает полноценное сгорание дизтоплива в требуемый момент. Применение электронного контроллера позволило значительно снизить вибрацию и шум от работающего мотора.

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.

Пьезоэлектрическая форсунка дизельного двигателя

Конструкция пьезоэлектрической форсунки включает ряд основных модулей, показанных на схематическом изображении (см. рис. «Конструкция пьезоэлектрической форсунки» ):

  • Модуль исполнительного устройства; гидравлический толкатель;
  • Модуль управления сервоклапаном;
  • Модуль распылителя.

Аналогично форсунке с электромагнитным клапаном, дПрямая реакция иглы на срабатывание ис­полнительного устройства достигается путем соединения сервоклапана с иглой распылителя. Величина задержки между электрическим вклю­чением и гидравлической реакцией иглы распы­лителя составляет около 150 микросекунд. В то же время, благодаря большому усилию, созда­ваемому пьезоэлектрическим исполнительным устройством, время переключения сервокла­пана составляет всего 50 микросекунд. Это по­зволяет выполнить противоречивые требования в отношении высоких скоростей перемещения иглы и чрезвычайно малых воспроизводимых количеств впрыскиваемого топлива.

Аналогично форсунке с электромагнитным клапаном, для активации впрыска управляю­щий объем топлива выпускается через кла­пан. Однако, пьезоэлектрическая форсунка не содержит точек утечки топлива из контура высокого давления в контур низкого давления. Результатом является повышение гидравличе­ской эффективности всей системы.

Количество впрысков топлива в течение одного цикла впрыска может достигать пяти и более, и таким образом, может быть адап­тировано к условиям работы двигателя, когда максимальное возможное количество впры­сков уменьшается в верхней части диапазона частоты вращения коленчатого вала.

Принцип действия сервоклапана форсунки

Сервоклапан осуществляет непрямое управ­ление иглой распылителя пьезоэлектри­ческой форсунки. Желаемое количество впрыскиваемого топлива задается с учетом преобладающего давления в топливной рампе, которое регулируется посредством изменения продолжительности активации клапана. В де­активированном состоянии исполнительное устройство находится в исходном положении, и сервоклапан закрыт (см. рис. а, «Принцип действия сервоклапана» ), т.е. секция высокого давления отделена от секции низкого давления. Распылитель остается закрытым под действием давления в топливной рампе, равному давлению в камере управления.

При срабатывании исполнительного устрой­ства серво

При срабатывании исполнительного устрой­ства сервоклапан открывается и перекрывает перепускной канал (см. рис. b, «Принцип действия сервоклапана» ). Возникнове­ние потока топлива между дроссельными отвер­стиями подачи и отвода топлива вызывает по­нижение давления в камере управления, и сопло открывается. Объем топлива в камере управления через сервоклапан перетекает в контур низкого давления, а оттуда возвращается в топливный бак.

Чтобы начать процесс закрытия форсунки, на­пряжение, поданное на исполнительное устрой­ство, отключается, и сервоклапан закрывается, одновременно открывая перепускной канал. Камера управления снова заполняется топливом (впускные и выпускные дроссельные отверстия меняются местами), и игла снова закрывает рас­пылитель. Процесс впрыска заканчивается, как только игла распылителя достигает седла.

Принцип действия гидравлического толкателя форсунки

Еще одним важным компонентом пьезоэлектри­ческой форсунки является гидравлический толка­тель (см. рис. «Принцип действия гидравлического толкателя» ). Он обеспечивает компенсацию изменений длины металлических и керамических компонентов (например, вызванных различными коэффициентами температурного расширения металла и керамики или сжимающими усилиями, воздействующими на корпус держателя). В то же время он осуществляет преобразование величины рабочего хода и усилия исполнительного устрой­ства до уровней, требуемых на стороне клапана. Соотношение преобразования определяется диа­метрами плунжеров толкателя и клапана.

Модуль исполнительного устройства и гидрав­лически

Модуль исполнительного устройства и гидрав­лический толкатель погружены в поток дизель­ного топлива, который проходит через контур низкого давления и находится под давлением около 10 бар. Когда исполнительное устройство деактивировано, давление в гидравлическом тол­кателе находится в равновесии с внешним давле­нием, и гидравлический толкатель не прилагает каких-либо усилий к штоку клапана. Изменения длины, вызванные изменениями температуры или сжимающими усилиями, воздействующими на корпус держателя, компенсируются за счет небольших потоков утечки топлива через зазоры в направляющих двух плунжеров. Это обеспечи­вает постоянное соединение исполнительного устройства и переключающего клапана.

Для осуществления впрыска топлива на ис­полнительное устройство подается напряжение величиной 110-160 В. Это вызывает повышение давления в гидравлическом толкателе и воз­никновение усилия, воздействующего на шток клапана. Если это усилие превышает закрываю­щее усилие давления в топливной рампе, пере­ключающий клапан открывается. За счет более высокого давления в толкателе по сравнению с внешним давлением, через зазоры в направляю­щих плунжеров из толкателя в контур низкого давления форсунки (10 бар) протекает неболь­шой поток утечки. Даже когда гидравлический толкатель повторно приводится в действие в течение цикла сгорания топлива общей продол­жительностью до двух миллисекунд, это не ока­зывает влияния на функцию впрыска топлива.

По окончании процесса впрыска происходит восполнение количества топлива, утекшего из гидравлического толкателя. При этом топливо поступает через зазоры в направляющих плунже­ров в обратном направлении. При этом пружина плунжера клапана создает внутри гидравличе­ского толкателя разрежение относительно дав­ления в окружающем пространстве. Величины зазоров и уровень низкого давления выбраны таким образом, чтобы гидравлический толкатель успел полностью заполниться топливом перед началом следующего цикла сгорания топлива.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Работа механической форсунки

Принцип работы механической форсунки дизеля лежит в ее открытии для впрыска топлива под воздействием высокого давления солярки. За подачу горючего отвечает ТНВД. По топливопроводу дизтопливо качает насос низкого давления.

Последовательность впрыска топлива в цилиндры определяет ТНВД. Он отвечает за нагнетание и распределение солярки по магистралям. При достижении давления определенного значения, форсунка открывается, а при снижении усилия переходит в закрытое состояние.

В конструкцию форсунки входят распылитель, игла, корпус и прижимная пружина. Для открытия и закрытия топливоподачи запорная иголка перемещается внутри направляющего канала. Когда воздействие топлива сильнее противодействующей пружинки, игла поднимается вверх, освобождая канал распылителя. При отсутствии требуемого давления от ТНВД сопло плотно перекрыто. Распылитель может иметь несколько отверстий. Для дизельных моторов с раздельной камерой сгорания обычно используется одно отверстие. В остальных случаях число дырок в распылителе может колебаться от двух до шести.


Механическая форсунка

При многодырчатой конструкции перекрытие топливоподачи возможно:

  • закрытием подачи топлива в каждом отверстии;
  • запиранием камеры, расположенной в нижней части распылителя, что приводит к прекращению впрыска топлива.

Для возможности воздействия насосом высокого давления на иголку на ней имеется специальная ступенька. Горючее попадает в форсунку и имеет возможность приподнимать ее. Таким образом удается сдвинуть запорный механизм.

Инжектор с двумя пружинами

На эффективность топливоподачи и последующего сгор

На эффективность топливоподачи и последующего сгорания топлива в цилиндрах дизеля можно влиять, изменяя различные характеристики форсунки, такие как структура и количество каналов распылителя, усилие пружины и т.п. Одним из конструкторских решений стало внедрение в устройство форсунок специального датчика подъема иглы. Данный подъем учитывается специальными электронными блоками управления, которые взаимодействуют с ТНВД.

Особенностью работы указанных инжекторов является двухступенчатый подъем иглы. Получается, нагнетаемое ТНВД топливо сначала превышает по силе давления силу сопротивления одной пружины, а затем другой. В режиме холостого хода и при небольших нагрузках на мотор впрыск осуществляется только посредством первой ступени, подавая в двигатель незначительное количество солярки. Когда мотор выходит на режим нагрузки, давление нагнетаемого ТНВД топлива растет, горючее подается уже двумя дозированными порциями. Первый впрыск небольшого объема (1/5 от общего количества), а далее основной (около 80% солярки). Разница давлений впрыска для открытия первой и второй ступени не особенно большая, что обеспечивает плавность топливоподачи.

Такой подход позволил повысить равномерность, эффективность и полноценность сгорания смеси. Дизельный двигатель стал расходовать меньше горючего, снизилось количество токсичных примесей в выхлопных газах. Дизельные форсунки с двумя пружинами активно использовались на агрегатах с непосредственным впрыском топлива до момента появления систем питания под названием Commоn Rail.

Краткая классификация и виды

Форсунки предназначены для дозирования и последующего распыления дизельного топлива, а также для изоляции камеры, в которой топливо будет сгорать. Дизельные форсунки работают в тандеме с распределительным валом автомобиля – через толкатель усилие передается на кулачок и сама форсунка начинает свою работу. В головке блока находятся специальные камеры, через которые топливо оперативно подается и сливается. Электронный блок управления контролирует дозу топлива. Так это работает в современных дизельных моторах. Наиболее продвинутые дизельные форсунки называются насос-форсунками, которые не нуждаются в ТНВД. Их достоинства:

  • Низкий уровень вредных выбросов в атмосферу;
  • Мягкая работа ДВС;
  • Высокая надежность;
  • Уменьшение габаритов топливной системы;
  • Высокое давление топливоподачи.

Как бы форсунки не приводились в действие, они могут быть 2-х различных видов. А именно:

  • Механические. Такие устройства приводятся в действие избыточным давлением. Если давление будет высоким, то форсунка откроется, а если низким, то закроется;
  • Электромеханические. Подразделена на электрогидравлические, пьезоэлектрические. Работают в тандеме с электронным контроллером. Обеспечивают плавную и мягкую работу двигателя, минимально возможный расход топлива.

Сегодня в дизельных автомобилях используются только электромеханические форсунки, тем временем как в бензиновых используют электромагнитные. Специалисты отмечают, что пьезоэлектрические форсунки являются наиболее совершенными с технической точки зрения, и в будущем этот вид форсунок будет модифицироваться.

Исторический экскурс

На этапе появления двигателей внутреннего сгорания Рудольф Дизель рассчитывал в качестве топлива применять угольную пыль, вдуваемую через форсунку сжатым воздухом. При сгорании угля с единицы массы получалось мало тепла, что заставило ученного перейти на более высококалорийное топливо. Бензин не получилось применить из-за его взрывоопасности. Предпочтение было отдано керосину.

В 1894 году Рудольфу Дизелю удалось сделать удачный запуск двигателя, топливо в который подавалось при помощи форсунки. Для осуществления впрыска использовался пневматический компрессор. Создаваемое им давление превышало силу, возникающую внутри цилиндра. Из-за этого такой вид двигателя получил название компрессорного дизеля.

Гидравлический впрыск топлива появился чуть позже. Он применяется по сей день, постоянно совершенствуясь. Изобретателем такого способа подачи топлива является французский инженер Сабатэ. Он же предложил делать многократный впрыск. Подавая солярку в несколько этапов, удается получить больше полезной энергии с единицы топлива.

В 1899 году Аршаулов сконструировал дизель с топливным насосом высокого давления, работающий в паре с бескомпрессорной форсункой. Такое техническое решение оказалось успешным, поэтому дизели с ТНВД используются по сей день.

Наиболее современные дизельные системы питания имеют компьютерное управление форсункой и подстраиваются под режим работы двигателя. В зависимости от типа камеры сгорания возможны вариации топливоподачи. Для обеспечения стабильной работы дизеля различного типа смесеобразования появились многодырчатые и штифтовые форсунки.

Итог

В последние годы активно применяется чистка форсунок ультразвуком. Такой вариант проведения ремонта позволяет добиться положительного результата – быстро, с гарантией и на длительный срок. Главное – обратиться к профессионалам, оснащенным современным оборудованием.