Топливная форсунка: виды, конструкция, принцип работы

Подача топлива в камеру сгорания цилиндра – дело совсем не такое простое, как кажется на первый взгляд. В двигателях просчитывается не только оптимальное количество бензина (дизтоплива, газа), но и способ его распыления, момент сгорания, распределение факела пламени и множество других факторов. Постоянное усиление экологических требований ставит перед автоинженерами сложные задачи, которые они решают комплексно, в том числе и модифицируя способы впрыска топлива. В результате появляются новые устройства, уже имеющие мало общего со старыми карбюраторными системами.

Немного физики

Чтобы топливо не просто сгорало, а сгорало с максимальным эффектом, нужно соблюсти несколько условий. И одно из них – распылить жидкое топливо, чтобы мельчайшие капельки моментально воспламенились и как можно сильней толкнули поршень вниз. А для этого нужен маленький взрыв, который и получается, когда горит не жидкость, а пар бензина и мелкая взвесь. Добавим сюда потребность в 15-кратном объеме воздуха, который должен равномерно смешаться с распыляемым топливом, и получим интереснейшую инженерную задачу, над которой бьются лучшие умы.

Топливная форсунка – именно тот инструмент, который превращает жидкое топливо в мельчайшую влажную пыль, причем форма «факела» строго рассчитывается, как и количество топлива, которое впрыскивается в камеру сгорания. Чем больше топлива – тем мощней будет отдача от его сгорания, так что форсунка выполняет две задачи: подает нужное количество бензина (солярки или газа) в нужное время и в нужной форме. От правильной работы форсунок (и системы подачи топлива в целом) зависит качество работы двигателя, его долговечность, соответствие экологическим нормам и требованиям закона.

Современные системы послойного впрыска стали доступны только после эволюции топливных форсунок, после того, как они стали быстрей, точней и мощней. В старых системах реализовать такой способ подачи топлива было невозможно чисто технически. Сложности новой конструкции оправдываются ежедневной экономией и меньшим вредом для природы и окружающих людей.

Виды инжекторных систем

Системы впрыска с форсунками (инжекторные) пришли на смену карбюраторам, уже не успевавшим за новыми требованиями. Первым вариантом стала система моновпрыска, в которой однатопливная форсунка располагалась во впускном коллекторе на месте карбюратора, после впрыска топливо смешивалось с воздухом и поступало в один из цилиндров.

Система моновпрыска.
1. Подача топлива. 2. Подача воздуха.
3. Дроссельная заслонка.
4. Впускной коллектор. 5. Форсунка.
6. Головка блока цилиндров.

На смену моновпрыску пришел распределенный впрыск топлива, когда на каждый цилиндр устанавливается отдельная форсунка. На сегодняшний день это самый распространенный вариант (карбюраторные и моноинжекторные автомобили уже не производятся, хоть и используются). Топливо на форсунки поступает либо от топливного насоса высокого давления (ТНВД), либо от подкачивающего топливного насоса, если используются насос-форсунки. Сопло форсунки может быть выведено во впускной коллектор, в форкамеру (в дизельных двигателях) или прямо в цилиндр (системы с непосредственным впрыском).

Последней модификацией инжекторов стала система Common Rail, при которой топливо от ТНВД поступает в топливную рампу (аккумулятор давления), а форсунки срабатывают в нужное время, независимо от положения распредвала.

Система распределенного впрыска.
1. Подача топлива. 2. Подача воздуха.
3. Дроссельная заслонка.
4. Впускной коллектор. 5. Форсунки.
6. Головка блока цилиндров.

С помощью Common Rail была решена проблема пульсации топлива (ТНВД не подает его равномерно) и появилась возможность полноценной реализации ступенчатого (трехфазного) впрыска.

Виды топливных форсунок

По способу приведения в действие все форсунки делятся на механические и электромеханические.

Механические форсунки

Механическая форсунка.
1. Подача топлива. 2. Запорная игла.
3. Отверстие распылителя

Приводятся в действие давлением топлива: давление повышается и открывает клапан, который закрывается при снижении давления после выхода топлива из сопла. Одна из разновидностей – форсунки с двумя пружинами, которые дали возможность реализовать двухступенчатую подачу топлива без использования электроники.

Механические форсунки уходят в прошлое следом за карбюраторами. На данный момент самыми распространенными стали более современные модели, позволяющие регулировать подачу топлива в каждый из цилиндров в зависимости от условий работы двигателя. Для распределенного впрыска используются электрогидравлические, электромагнитные и пьезоэелктрические форсунки, каждая из которых имеет несколько модификаций, свои плюсы и минусы и особенности использования.

Электромагнитные форсунки

Применяются в бензиновых двигателях. За открытие иглы отвечает электромагнит: по сигналу от контроллера на его обмотку подается ток, якорь магнита поднимается и поднимает соединенную с ним иглу. После отключения тока возврат иглы в исходное положение и закрытие сопла форсунки производится за счет пружины. Момент начала и продолжительность впрыска определяются ЭБУ. Давление топлива в таких форсунках составляет в среднем 40 бар, что по сравнению с дизельными двигателями совсем немного.

Электрогидравлические форсунки

Устанавливаются на дизельные двигатели, в том числе на систему Common Rail. Принцип работы – уравнивание давления на запорную иглу. Топливо под давлением заполняет камеры над иглой и под ней, и в состоянии покоя это давление одинаково. Игла закрывает сопло благодаря усилию пружины. При подаче сигнала от ЭБУ открывается электромагнитный сливной клапан, и топливо из резервуара над иглой сливается в реверсную магистраль. Давление над иглой падает, а под иглой – нет, игла поднимается и открывает форсунку.

Пьезоэлектрические форсунки

Самая современная конструкция, которая используется и в бензиновых, и в дизельных двигателях. Основное ее достоинство – максимальное быстродействие, что позволяет подавать топливо в камеру сгорания в 2-4 приема. За движение иглы отвечает керамический пьезоэлемент, расширяющийся под действием электрического тока. Пьезофорсунки выдерживают самое большое давление – до 2000 бар, и используется в современных высокофорсированных и турбированных двигателях.

Насос-форсунки

Насос-форсунка.
А. Насосная секция. В. Клапанная секция. С. Секция впрыска.
1. Шариковый упор. 2. Возвратная пружина.
3. Обратный канал. 4. Регулировочная шайба распылителя.
5. Распылитель. 6. Входной канал.
7. Упор клапана управления. 8. Топливный клапан.
9. Соленоид управления клапаном.

Как понятно из названия, в данной конструкции сама форсунка соединена с насосом, что позволило уйти от громоздкого и дорогостоящего ТНВД. Насос-форсунки оснащаются плунжером 6-8 мм в диаметре, который приводится в движение от распредвала. За открытие клапана может отвечать и электромагнитная катушка, и пьезокристаллы, в зависимости от конструкции.

Работа форсунки и факел распыла

Основным показателем качества работы топливной форсунки является факел распыла топлива. Это форма, которую принимает порция жидкости, выходящая из сопла форсунки. В идеале это водяная пыль, образующая облако заданной формы: топливо хорошо смешивается с воздухом, не оседает на стенках камеры сгорания, не льется струей. В зависимости от того, куда выведена форсунка (во впускной коллектор или камеру сгорания), топливо может распыляться разными способами. Количество жидкости, дисперсность и форма факела определяются на этапе конструирования двигателя и отклонение от нормальных параметров сказывается на его работе, производительности и долговечности.

Одна их технических характеристик – производительность форсунки. Определяется как объем (в кубических сантиметрах), наполняемый за минуту под давлением 3 бара. Самые распространенные показатели – от 180 до 240.

Единицы измерения производительности в каталогах могут обозначаться по-разному:

• см³/мин (cc/min или просто сс в англоязычной транскрипции);
• lbs/hr (lb/hr, фунт/час, используют американские производители).

Перевод одного значения в другое делается по следующей формуле:

• 1 lbs/hr = 10,50 cc/min.
• 1 cc/min = 0,095 lbs/hr.

Топливные форсунки для ГБО

Полноценное использование газа стало возможным после появления системы распределенного впрыска. Это ГБО четвертого поколения, при котором можно добиться оптимального соотношения газа и воздуха, максимального сгорания топливной смеси, избавиться от недостатков предыдущих поколений ГБО – прогорания клапанов, досрочного возгорания смеси, перерасхода топлива. Особенность этой системы в том, что сжиженный газ подается сначала в редуктор, где происходит испарение, а затем – в форсунку.

Для автомобилей на газу используются форсунки штокового, игольчатого и мембранного типов. Самые простые и дешевые – штоковые форсунки, работающие по тому же принципу, что и бензиновые электромагнитные. На более современные двигатели они уже не устанавливаются: слишком низкая скорость работы и точность подачи топлива, нет возможности открывать форсунку на очень короткое время (для систем с трехфазным впрыском, например). Но эти форсунки отлично справляются с «грязным» газом, перебоями с давлением и прочими недочетами топливной системы.

Игольчатые форсунки – новое поколение устройств, более точные и надежные, нетребовательные к положению установки. Газ подается через соленоид, внутри которого расположен шток и запорная игла. Во время работы происходит «продувка» форсунки, что помогает поддерживать ее в чистоте и отсрочить время ТО.

Конструкторы «игрались» с запорными механизмами тарельчатого и мембранного типа, но эти форсунки не оправдали себя ни по сроку службы, ни по скорости, ни по надежности.

Системы ГБО пятого поколения работают без редуктора, а газ в форсунки подается в жидком виде. Это система жидкого фазированного распределенного впрыска, при которой можно уменьшить расход топлива и улучшить характеристики топливно-воздушной смеси в камере сгорания. Расход газа в системах пятого поколения всего лишь на 10-20% выше, чем расход бензина.

В большинстве случаев для автомобилей на природном или сжиженном газе лучше использовать специальные газовые форсунки, а не обычные бензиновые, ведь и тип топлива, и требования к нему будут совершенно другими.

Фильтр форсунки

В конструкции каждой форсунки предусмотрен индивидуальный фильтр. Несмотря на топливные и воздушные фильтры, установленные в автомобиле, фильтр форсунки становится последним барьером для загрязнений и дополнительно продлевает жизнь тонкому и чувствительному устройству.

Как правило, в форсунках используются обычные пористые фильтры, которые при техобслуживании можно промыть или заменить. Исключение составляют форсунки, работающие на газу, в которых есть возможность очистить проходящее топливо по принципу центрифуги – пропустив его по спирали и отсеяв посторонние включения.

При техобслуживании форсунок обычно промывают и фильтры, ведь наш бензин и солярка не отличаются высокой чистотой, а системы впрыска на новых автомобилях очень чувствительны к качеству топлива.

Неисправности топливных форсунок

Современные форсунки, особенно на дизельные двигатели, собираются с точностью до 1 мкм. Такие тонкие зазоры чувствительны к малейшим отложениям, а значит, и к качеству топлива. Главный враг форсунок – грязь. Спасают только качественные топливные фильтры, рассчитанные на высокую степень очистки.

Вторая причина выхода форсунок из строя – коррозия металлических деталей. Здесь виновата вода, попавшая в топливо. В новых дизельных двигателях фильтры с сепараторами полностью оправдывают свою стоимость: удаляя воду из топлива, они продлевают срок службы и самих форсунок, и цилиндро-поршневой группы.

Испортить форсунку может мастер на этапе установки: достаточно не соблюсти момент затяжки, чуть замять уплотнитель или допустить другую ошибку, и форсунка через некоторое время подаст сигнал о проблеме. Но даже при правильной установке уплотнители со временем выходят из строя и прикипают к ГБЦ.

Опасный момент для систем непосредственного впрыска – замена свечей накаливания. Тонкие длинные стержни свечей ломаются при демонтаже, после чего приходится вынимать остаток из свечного колодца с помощью инструментов. В этот момент легко повредить находящуюся рядом форсунку (опытные мастера знают, как справиться с ситуацией).

Ошибки тюнинга двигателя, переход на другое топливо (например, на биодизель), проникновение масла в камеру сгорания или, наоборот, разжижение масла топливом, использование некачественных присадок приводит к перегреву форсунки, оплавлению сопла, деформации запорной иглы и распылительных отверстий.

Признаки проблем с форсунками проявляются нарушениями в режиме работы двигателя: мотор начинает троить, увеличивается расход топлива, затрудняется холодный старт, на холостом ходу появляется вибрация и посторонние шумы, выхлоп становится черного цвета. В этих и других случаях лучше обращаться на СТО сразу, не дожидаясь более серьезных поломок. В большинстве случаев ремонт ограничивается чисткой форсунок или заменой совсем дохлых, а вот затягивание диагностики может привести к капремонту двигателя.

Обратите внимание!

В зимний сезон у дизельных двигателей появляется дополнительная проблема: парафины в топливе. Несмотря на заявления производителей, полностью удалить парафин из солярки сложно и дорого, и на морозе топливо начинает белеть и загустевать.

Парафин в дизтопливе вызывает проблемы с фильтром (густая масса напрочь забивает бумажную гофру), насосом и, разумеется, с форсунками, которые во всей цепочке наиболее чувствительны к посторонним примесям. Проникая в инжектор, холодный парафин забивает тонкие каналы форсунок и не дает нормально стартовать двигатель.

Для борьбы есть два метода: заправлять свой автомобиль заведомо качественным зимним топливом или использовать предпусковой подогреватель топливного фильтра. Системы подогрева помогают растопить застывшую массу и вернуть топливу нормальную текучесть даже в том случае, если залита некачественная летняя солярка.

В летний сезон используется дизтопливо со сравнительно высоким содержанием парафинов, но они не застывают и никак не мешают двигателю работать.

Нужно отметить, что форсунка, несмотря на всю тонкость конструкции, служит достаточно долго: 100-150 тыс. км в среднем, а оригинальные, установленные с завода, могут радовать автовладельца до 200 тыс. км. Это достаточно «живучий» механизм, если регулярно проводить техобслуживание и своевременно ремонтировать.

О том, как выбирать топливные форсунки, читайте наш "Гид покупателя".