Паливна форсунка: види, конструкція, принцип роботи

Подача палива в камеру згоряння циліндра – справа зовсім не така проста, як здається на перший погляд. У двигунах прораховується не тільки оптимальна кількість бензину (дизпалива, газу), але і спосіб його розпилення, момент згоряння, розподіл факела полум'я і безліч інших чинників. Постійне посилення екологічних вимог ставить перед автоінженерами складні завдання, які вони вирішують комплексно, в тому числі і модифікуючи способи упорскування палива. В результаті з'являються нові пристрої, які вже мають мало спільного зі старими карбюраторними системами.

Трохи фізики

Щоб паливо не просто спалювалось, а спалювалось з максимальним ефектом, потрібно дотримуватись кількох умов. І одна з них – розпорошити рідке паливо, щоб дрібні крапельки моментально зайнялися і якомога сильніше штовхнули поршень вниз. А для цього потрібен маленький вибух, який і виходить, коли горить не рідина, а пари бензину і дрібна суспензія. Додамо сюди потребу в 15-кратному об'ємі повітря, який повинен рівномірно змішатися з розпиленим паливом, і отримаємо цікаву інженерну задачу, над якою б'ються кращі уми.

Паливна форсунка – саме той інструмент, який перетворює рідке паливо в найменшу вологу пил, причому форма «факела» строго розраховується, як і кількість палива, яке впорскується в камеру згоряння. Чим більше палива – тим потужнішою буде віддача від його згоряння, тож форсунка виконує два завдання: подає потрібну кількість бензину (солярки або газу) в потрібний час і в потрібній формі. Від правильної роботи форсунок (і системи подачі палива в цілому) залежить якість роботи двигуна, його довговічність, відповідність екологічним нормам і вимогам закону.

Сучасні системи пошарового уприскування стали доступні тільки після еволюції паливних форсунок, після того, як вони стали швидшими, точнішими і потужнішими. У старих системах реалізувати такий спосіб подачі палива було неможливо чисто технічно. Складнощі нової конструкції виправдовуються щоденною економією і меншою шкодою для природи і оточуючих людей.

Види інжекторних систем

Системи упорскування з форсунками (інжекторні) прийшли на зміну карбюраторам, вже не встигають за новими вимогами. Першим варіантом стала система моновриску, в якій одна паливна форсунка розташовувалася у впускному колекторі на місці карбюратора, після впорскування паливо змішувалося з повітрям і надходило в один з циліндрів.

Система моновпорскування.
1. Подача палива. 2. Подача повітря.
3. Дроссельная заслінка.
4. Впускний колектор. 5. Форсунка.
6. Головка блоку циліндрів.

На зміну моновпорскуванню прийшло розподілене упорскування палива, коли на кожен циліндр встановлюється окрема форсунка. На сьогоднішній день це найпоширеніший варіант (карбюраторні і моноінжекторні автомобілі вже не виробляються, хоч і використовуються). Паливо на форсунки надходить або від паливного насоса високого тиску (ПНВТ), або від підпомповувального паливного насоса, якщо використовуються насос-форсунки. Сопло форсунки може бути виведене у впускний колектор, в форкамеру (в дизельних двигунах) або прямо в циліндр (системи з безпосереднім упорскуванням).

Останньою модифікацією інжекторів стала система Common Rail, при якій паливо від ПНВТ надходить в паливну рампу (акумулятор тиску), а форсунки спрацьовують в потрібний час, незалежно від положення розподільного вала.

Система розподіленого упорскування.
1. Подача палива. 2. Подача повітря.
3. Дросельна заслінка.
4. Впускний колектор. 5. Форсунки.
6. Головка блоку циліндрів.

За допомогою Common Rail була вирішена проблема пульсації палива (ПНВТ не подає його рівномірно) і з'явилася можливість повноцінної реалізації ступеневого (трифазного) упорскування.

Види паливних форсунок

За способом приведення в дію всі форсунки діляться на механічні і електромеханічні.

Механічні форсунки

Механічна форсунка.
1. Подача палива. 2. Запірна голка.
3. Отвір розпилювача

Приводяться в дію тиском палива: тиск підвищується і відкриває клапан, який закривається при зниженні тиску після виходу палива з сопла. Один з різновидів – форсунки з двома пружинами, які дали можливість реалізувати двоступеневе подання палива без використання електроніки.

Механічні форсунки відходять у минуле услід за карбюраторами. На даний момент найпоширенішими стали більш сучасні моделі, що дозволяють регулювати подання палива в кожен з циліндрів залежно від умов роботи двигуна. Для розподіленого упорскування використовуються електрогідравлічні, електромагнітні та п'езоелектричні форсунки, кожна з яких має кілька модифікацій, свої плюси і мінуси і особливості використання.

Електромагнітні форсунки

Застосовуються в бензинових двигунах. За відкриття голки відповідає електромагніт: за сигналом від контролера на його обмотку подається струм, якір магніту піднімається і піднімає з'єднану з ним голку. Після відключення струму повернення голки в початкове положення і закриття сопла форсунки проводиться за рахунок пружини. Момент початку і тривалість вприскування визначаються ЕБУ. Тиск палива в таких форсунках становить в середньому 40 бар, що в порівнянні з дизельними двигунами зовсім небагато.

Електрогідравлічні форсунки

Встановлюються на дизельні двигуни, в тому числі на систему Common Rail. Принцип роботи – вирівнювання тиску на запірну голку. Паливо під тиском заповнює камери над голкою і під нею, і в стані спокою цей тиск однаково. Голка закриває сопло завдяки зусиллю пружини. При подачі сигналу від ЕБУ відкривається електромагнітний зливний клапан, і паливо з резервуара над голкою зливається в реверсну магістраль. Тиск над голкою падає, а під голкою – ні, голка піднімається і відкриває форсунку.

П'єзоелектричні форсунки

Найсучасніша конструкція, яка використовується і в бензинових, і в дизельних двигунах. Основна її перевага – максимальна швидкодія, що дозволяє подавати паливо в камеру згоряння в 2-4 прийоми. За рух голки відповідає керамічний п'єзоелемент, що розширюється під дією електричного струму. П'езофорсунки витримують найбільший тиск – до 2000 бар, і використовується в сучасних високофорсованих і турбодвигунах.

Насос-форсунки

Насос-форсунка.
А. Насосна секція. В. Клапанна секція. С. Секція упорскування.
1. Кульковий упор. 2. Поворотна пружина.
3. Зворотний канал. 4. Регулювальна шайба розпилювача.
5. Розпилювач. 6. Вхідний канал.
7. Упор клапана управління. 8. Паливний клапан.
9. Соленоїд управління клапаном.

Як зрозуміло з назви, в даній конструкції сама форсунка з'єднана з насосом, що дозволило уникнути громіздкого і дорогого ПНВТ. Насос-форсунки оснащуються плунжером 6-8 мм в діаметрі, який приводиться в рух від розподільного вала. За відкриття клапана може відповідати і електромагнітна котушка, і п'езокристали, залежно від конструкції.

Робота форсунки і факел розпилу

Основним показником якості роботи паливної форсунки є факел розпилу палива. Це форма, яку приймає порція рідини, що виходить з сопла форсунки. В ідеалі це водяний пил, що утворює хмару заданої форми: паливо добре змішується з повітрям, не осідає на стінках камери згоряння, не ллється струменем. Залежно від того, куди виведена форсунка (у впускний колектор або камеру згоряння), паливо може розпорошуватися різними способами. Кількість рідини, дисперсність і форма факела визначаються на етапі конструювання двигуна і відхилення від нормальних параметрів позначається на його роботі, продуктивності і довговічності.

Одна їх технічних характеристик – продуктивність форсунки. Визначається як об'єм (в кубічних сантиметрах), що наповнюється за хвилину під тиском 3 бари. Найпоширеніші показники – від 180 до 240.

Одиниці виміру продуктивності в каталогах можуть позначатися по-різному:

• см³/хв (cc/min або просто сс в англомовній транскрипції);
• lbs/hr (lb/hr, фунт/год, використовують американські виробники).

Переведення одного значення в інше робиться за такою формулою:

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

Паливні форсунки для ГБО

Повноцінне використання газу стало можливим після появи системи розподіленого упорскування. Це ГБО четвертого покоління, при якому можна домогтися оптимального співвідношення газу і повітря, максимального згоряння паливної суміші, позбутися недоліків попередніх поколінь ГБО – прогорання клапанів, дострокового загоряння суміші, перевитрати палива. Особливість цієї системи в тому, що зріджений газ подається спочатку в редуктор, де відбувається випаровування, а потім – в форсунку.

Для автомобілів на газу використовуються форсунки штокового, голчастого і мембранного типів. Найпростіші і дешеві – штокові форсунки, що працюють за тим же принципом, що і бензинові електромагнітні. На більш сучасні двигуни вони вже не встановлюються: занадто низька швидкість роботи і точність подачі палива, немає можливості відкривати форсунку на дуже короткий час (для систем з трифазним упорскуванням, наприклад). Але ці форсунки відмінно справляються з «брудним» газом, перебоями з тиском та іншими недоліками паливної системи.

Голчасті форсунки – нове покоління пристроїв, більш точні і надійні, невибагливі до положення установлення. Газ подається через соленоїд, усередині якого розташований шток і запірна голка. Під час роботи відбувається «продування» форсунки, що допомагає підтримувати її в чистоті і відстрочити час ТО.

Конструктори «гралися» з запірними механізмами тарільчастого і мембранного типу, але ці форсунки не виправдали себе ні за терміном служби, ні за швидкістю, ні за надійністю.

Системи ГБО п'ятого покоління працюють без редуктора, а газ в форсунки подається в рідкому вигляді. Це система рідкого фазованого розподіленого упорскування, при якій можна зменшити витрату палива і поліпшити характеристики паливно-повітряної суміші в камері згоряння. Витрата газу в системах п'ятого покоління всього лише на 10-20% вище, ніж витрата бензину.

В більшості випадків для автомобілів на природному або зрідженому газі краще використовувати спеціальні газові форсунки, а не звичайні бензинові, адже і тип палива, і вимоги до нього будуть абсолютно іншими.

Фільтр форсунки

В конструкції кожної форсунки передбачений індивідуальний фільтр. Незважаючи на паливні та повітряні фільтри, встановлені в автомобілі, фільтр форсунки стає останнім бар'єром для забруднень і додатково подовжує життя тонкому і вразливому пристрою.

Як правило, в форсунках використовуються звичайні пористі фільтри, які при техобслуговуванні можна промити або замінити. Виняток становлять форсунки, що працюють на газу, в яких є можливість очистити паливо за принципом центрифуги – пропустивши його по спіралі і відсіявши сторонні включення.

При техобслуговуванні форсунки зазвичай промивають і фільтри, адже наш бензин і солярка не відрізняються високою чистотою, а системи упорскування на нових автомобілях дуже чутливі до якості палива.

Несправності паливних форсунок

Сучасні форсунки, особливо на дизельні двигуни, збираються з точністю до 1 мкм. Такі тонкі зазори чутливі до найменших відкладень, а значить, і до якості палива. Головний ворог форсунок – бруд. Рятують тільки якісні паливні фільтри, розраховані на високий ступінь очищення.

Друга причина виходу форсунок з ладу – корозія металевих деталей. Тут винна вода, що потрапила в паливо. У нових дизельних двигунах фільтри з сепараторами повністю виправдовують свою вартість: видаляючи воду з палива, вони продовжують термін служби і самих форсунок, і циліндро-поршневої групи.

Зіпсувати форсунку може майстер на етапі установки: досить порушити момент затяжки, трохи зім'яти ущільнювач або допустити іншу помилку, і форсунка через деякий час подасть сигнал про проблему. Але навіть при правильному встановлення ущільнювачі з часом виходять з ладу і прикипають до ГБЦ.

Небезпечний момент для систем безпосереднього упорскування – заміна свічок розжарювання. Тонкі довгі стрижні свічок ламаються при демонтажі, після чого доводиться виймати залишок з свічкового колодязя за допомогою інструментів. У цей момент легко пошкодити форсунку, що знаходиться поруч (досвідчені майстри знають, як впоратися з ситуацією).

Помилки тюнінгу двигуна, перехід на інше паливо (наприклад, на біодизель), проникнення оливи в камеру згоряння або, навпаки, розрідження оливи паливом, використання неякісних присадок призводить до перегріву форсунки, оплавлення сопла, деформації запірної голки і розпилювальних отворів.

Ознаки проблем з форсунками проявляються порушеннями в режимі роботи двигуна: мотор починає "троїти", збільшується витрата палива, утруднюється холодний старт, на холостому ходу з'являється вібрація і сторонні шуми, вихлоп стає чорного кольору. У цих та інших випадках краще звертатися на СТО одразу, не чекаючи більш серйозних поломок. У більшості випадків ремонт обмежується чисткою форсунок або заміною зовсім дохлих, а ось затягування діагностики може привести до капремонту двигуна.

Зверніть увагу!

В зимовий сезон у дизельних двигунів з'являється додаткова проблема: парафіни в паливі. Незважаючи на заяви виробників, повністю видалити парафін з солярки складно і дорого, і на морозі паливо починає білішати і загусати.

Парафін в дизпаливі викликає проблеми з фільтром (густа маса геть забиває паперову гофру), насосом і, зрозуміло, з форсунками, які у всьому ланцюжку найбільш чутливі до сторонніх домішок. Проникаючи в інжектор, холодний парафін забиває тонкі канали форсунок і не дає нормально стартувати двигуну.

Для боротьби є два методи: заправляти свій автомобіль якісним зимовим паливом або використовувати передпусковий підігрівач паливного фільтра. Системи підігріву допомагають розтопити застиглу масу і повернути паливу нормальну плинність навіть у тому випадку, якщо залита неякісна всесезонна солярка.

У літній сезон використовується дизпаливо з порівняно високим вмістом парафінів, але воно не застигає і ніяк не заважає двигуну працювати.

Потрібно відзначити, що форсунка, незважаючи на всю делікатність конструкції, служить досить довго: 100-150 тис. км в середньому, а оригінальні, встановлені з заводу, можуть радувати автовласника до 200 тис. км. Це досить «живучий» механізм, якщо регулярно проводити техобслуговування і своєчасно ремонтувати.

Про те, як вибирати паливні форсунки, читайте наш "Гід покупця".