Устройство и конструкция форсунок (Статья)

Устройство и конструкция форсунок

a — форсунка закрыта; b — форсунка открыта (впрыск).

1 — возврат топлива,

2 — электрические выводы,

3 –электромагнитный клапан,

4 — вход топлива из аккумулятора,

5 — шариковый клапан,

6 — жиклер камеры гидроуправления,

7 — «питающий» жиклер,

8 — камера гидроуправления,

9 — управляющий плунжер,

10 — канал к распылителю,

11 — игла форсунки.

Топливо в форсунку подается через входной штуцер высокого давления (4) и далее в канал (10) и камеру гидроуправления (8) через жиклер (7). Камера гидроуправления соединяется с линией возврата топлива (1) через жиклер камеры гидроуправления 6, который открывается электромагнитным клапаном. При закрытом жиклере (6) силы гидравлического давления, приложенные к управляющему плунжеру (9), превосходят силы давления, приложенные к заплечику иглы (11) форсунки.

В результате игла садится на седло и закрывает проход топлива под высоким давлением в камеру сгорания. При подаче пускового сигнала на электромагнитный клапан жиклер (6) открывается, давление в камере гидроуправления падает, и в результате сила гидравлического давления на управляющий плунжер также уменьшается. Поскольку сила гидравлического давления на управляющий плунжер оказывается меньше силы, действующей на заплечик иглы форсунки, последняя открывается, и топливо через сопловые отверстия впрыскивается в камеру сгорания. Такое косвенное управление иглой форсунки, использующее систему мультипликатора, позволяет обеспечить очень быстрый подъем иглы, что невозможно сделать путем прямого воздействия электромагнитного клапана.

Так называемая «управляющая доза» топлива, необходимая для подъема иглы форсунки, является дополнительной по отношению к действительному количеству впрыскиваемого топлива, поэтому это топливо направляется обратно, в линию возврата топлива через жиклер камеры гидроуправления. Кроме «управляющей дозы» в линию возврата топлива и далее в топливный бак также выходят утечки через направляющие иглы форсунки. К коллектору линии возврата топлива также подсоединяются предохранительный клапан (ограничитель давления) аккумулятора и редукционный клапан ТНВД.

Работа форсунки

Работа форсунки может быть разделена на четыре рабочих стадии при работающем двигателе и создании высокого давления ТНВД:

• форсунка закрыта с приложенным высоким давлением;•форсунка открывается (начало впрыска);• форсунка полностью открыта;• форсунка закрывается (конец впрыска).

Эти рабочие стадии являются результатом действия сил, приложенных к деталям форсунки. При остановленном двигателе и отсутствии давления в аккумуляторе форсунка закрыта под действием пружины.

Форсунка закрыта: при закрытой форсунке питание на электромагнитный клапан не подается (рис. a). При закрытом жиклере камеры гидроуправления пружина якоря прижимает шарик к седлу, высокое давление, подаваемое в камеру и к распылителю форсунки из аккумулятора, увеличивается. Таким образом, высокое давление, действующее на торец управляющего плунжера, вместе с усилием пружины держат форсунку закрытой, преодолевая силы давления в камере распылителя.

Форсунка открывается: перед началом процесса впрыска, еще при закрытой форсунке, на электромагнитный клапан подается большой ток, что обеспечивает быстрый подъем шарикового клапана (рис. b). Шариковый клапан открывает жиклер камеры гидроуправления и, поскольку теперь электромагнитная сила превосходит силу пружины якоря, клапан остается открытым, и практически одновременно сила тока, подаваемого на обмотку электромагнитного клапана, уменьшается до тока, требуемого для удерживания якоря. Это возможно потому, что воздушный зазор для электромагнитного потока теперь уменьшается.

При открытом жиклере топливо может вытекать из камеры гидроуправления в верхнюю полость и далее по линии возврата топлива в бак. Давление в камере гидроуправления уменьшается, нарушается баланс давлений, и давление в камере распылителя, равное давлению в аккумуляторе, оказывается выше давления в камере гидроуправления. В результате сила давления, действующая на торец управляющего плунжера уменьшается, игла форсунки поднимается, и начинается процесс впрыска топлива. Скорость подъема иглы форсунки определяется разностью расходов через жиклер и сопловые отверстия. Управляющий плунжер достигает верхнего упора, где остается, поддерживаемый «буферным» слоем топлива, образующимся в результате указанной выше разницы расходов через жиклер и сопловые отверстия. Игла форсунки теперь полностью открыта, и топливо впрыскивается в камеру сгорания под давлением, практически равным давлению в аккумуляторе. Распределение сил в форсунке подобно распределению в фазе открытия.

Форсунка закрывается (конец впрыска): как только прекращается подача питания на электромагнитный клапан, пружина якоря перемещает его вниз, и шариковый клапан закрывается. Якорь состоит из двух частей, поэтому, хотя тарелка якоря перемещается вниз заплечиком, она может оказывать противодействие возвратной пружиной, что уменьшает напряжения на якорь и шарик. Закрытие жиклера приводит к повышению давления в камере гидроуправления при поступлении в нее топлива через «питающий» жиклер (7). Это давление, равное давлению в аккумуляторе, действует на торец управляющего плунжера, и сила давления вместе с силой пружины преодолевают силу давления, действующую на заплечик иглы форсунки, которая закрывается. Скорость посадки иглы форсунки на седло, то есть скорость закрытия форсунки, определяется расходом через «питающий» жиклер. Впрыск топлива прекращается, как только игла форсунки садится на седло.

Принцип работы (CR)

Создание давления и непосредственный процесс впрыска в аккумуляторной топливной системе Common Rail (CR) полностью разделены. Высокое давление в топливной системе создается независимо от частоты вращения коленчатого вала двигателя и количества впрыскиваемого топлива. Топливо, готовое для впрыска, находится под высоким давлением в топливном аккумуляторе. Количество впрыскиваемого топлива (цикловая подача) определяется действиями водителя, а угол опережения и давление впрыска определяются электронным блоком управления (ЭБУ) на основе программируемых матриц характеристик, хранящихся в памяти микропроцессора. ЭБУ выдает управляющий пусковой сигнал на соответствующие электромагнитные клапаны, в результате чего осуществляется впрыск форсункой в каждый цилиндр.

Аккумуляторная топливная система CR включает в себя следующие элементы электронного управления:

Используя входные сигналы указанных выше датчиков, ЭБУ регистрирует положение педали акселератора и определяет на данный момент времени рабочую характеристику двигателя и автомобиля как единого целого. На основе полученной информации ЭБУ может через разомкнутые и замкнутые контуры осуществлять управляющие действия с автомобилем и, особенно, с двигателем. Частота вращения двигателя измеряется датчиком частоты вращения коленчатого вала, а порядок чередования вспышек — датчиком частоты вращения (положения) распределительного вала. Электрический сигнал, образующийся на потенциометре педали акселератора, информирует ЭБУ о том, как сильно водитель нажал на педаль, другими словами о его требованиях к величине крутящего момента. Датчик давления наддува обеспечивает ЭБУ данными о количестве воздуха, чтобы адаптировать процесс сгорания соответствию нормам эмиссии вредных веществ. При низких температурах окружающей среды и при холодном двигателе ЭБУ использует информацию датчиков температуры охлаждающей жидкости и температуры воздуха, чтобы адаптировать полученные данные для установки угла опережения впрыска, использования дополнительного впрыска (после основного) и других параметров в зависимости от эксплуатационных условий.

Ремонтопригодность и диагностика системы

Вследствие недостаточно высокого качества топлива или усталости системы (когда система эксплуатируется слишком долго) из строя в первую очередь начинают выходить инжекторы, датчики контроля высокого давления и устройства, которые создают это высокое давление. ТНВД же здесь довольно стабилен — ошибка многих неопытных дизелистов заключается в том, что они, не разобравшись в сути неисправности, пытаются сразу заменить ТНВД. Этого делать не стоит — вернее, всегда прежде всего надо точно понять, по какой причине возникла проблема и какие действия нужно предпринять для ее устранения. И только потом решаться на крайние меры.

К слову сказать, ТНВД Common Rail очень не любит грязи. Если грязь попадает в ТНВД — пиши пропало, он мгновенно выходит из строя и гонит стружку во всю систему. Замена всей системы (промывка в данном случае недопустима, только полная замена всех трубок, магистралей, бака, насоса, форсунок) — весьма дорогостоящая операция, поэтому советуем обратить особое внимание автовладельцев на использование только безупречно качественного дизтоплива.

Вы спросите: почему не помогает промывка? Дело в том, что промывка не дает возможности полностью избавиться от стружки, которая может снова попасть в систему.

В общем-то, по большому счету, все основные перебои системы связаны именно с плохим топливом. Для различных машин характерны свои последствия. Как показывает опыт, на французских автомобилях чаще всего выходят из строя форсунки — они, как говорится, «подвисают». И самое интересное, что в основном то и пугает людей, — то, что машина сразу глохнет. Это, кстати, еще одна специфическая особенность Common Rail: при кратковременном «подвисании» иглы распылителя нарушается баланс давления в рейке. Падение напряжения замечает датчик контроля давления в рейке, и эта команда, так называемая ошибка первого порядка, заставляет блок управления выключать двигатель. Машина может заглохнуть даже набирая обороты. При этом, что еще более интересно, через какое то время после того, как машина «отстоится», она может спокойно завестись и опять поехать. Хотя в дальнейшем в определенных режимах она с большой вероятностью снова будет глохнуть.

Людей, не знакомых с системой, это, естественно, пугает, они меняют ТНВД, однако ничего не добиваются.

для того, чтобы грамотно разобраться с такой проблемой, необходимо использовать специальное устройство, имитирующее датчик, с помощью которого удастся определить, какая форсунка вышла из строя. Ее можно будет заменить или — после проверки — отремонтировать.

Также случается, что и насосы текут. Устраняется протечка без каких либо проблем — заменой прокладки. А вот случаи усталости насоса, его износа единичны, но если в систему, повторимся, попадают механические частицы — они выводят его из строя сразу.

Диагностика дизелей с системой Common Rail

Для того чтобы точно определить в чем именно заключается неисправность надо принимать во внимание и оценивать состояние трех взаимосвязанных частей:

• состояние механических узлов двигателя (турбина, цилиндропоршневая часть дизеля, правильность установки фаз ГРМ),•электронная система управления двигателем (исправность датчиков, проводки),• гидравлическая часть (система топливоподачи, ТНВД, форсунки).

Если проверять подряд все названные компоненты это займет очень много времени. Для того, чтобы ускорить поиск возможных отклонений блок управления снабжен функцией мониторинга исправности датчиков и исполнительных механизмов. При обнаружении блоком отклонений в показании, каких либо датчиков в оперативной памяти прописывается ошибка (каким образом блок выявляет отклонения в показаниях от правдоподобных мы описывали в другой статье). В зависимости от значимости ошибки впрыскивание топлива продолжается или двигатель останавливается. С помощью сканера в меню параметры можно посмотреть реальные показания и реакцию датчиков на различные возмущения. Важной особенностью CR является то что каждая форсунка управляется индивидуально т.е. на каждой форсунке прописываются свои коэффициенты топливо-коррекции по которым можно судить об состоянии каждого цилиндра и соответствующей форсунки.

В качестве примера приведем данные сканирования некоторых параметров в системе CR на холостом ходе:

Коррекция предназначена для компенсации отклонений по цилиндрам в механике двигателя и гидравлике системы впрыска топлива, возникающих при серийном производстве. Неравномерность определяется с помощью датчика оборотов. Если какой-то цилиндр отличается более чем на 30% от заданного значения, это считается не нормальным и блок управление пытается выправить положение изменением топливоподачи. Если мы обнаружили значительную топливо-коррекцию в каком то цилиндре, это может быть связано или с низкой компрессией в цилиндре (прогар клапана, например) или неисправностью форсунки.

При неисправностях, которые не выводят систему из строя, блок управления ограничивает топливоподачу. К таким дефектам относятся неисправности датчиков температуры, слишком низкое давление наддува, неполадки с замером расхода воздуха, или выход из строя датчика положения педали газа.

Из соображений безопасности система останавливает двигатель при следующих условиях:

• выходит из строя форсунка или сильно падает давление в аккумуляторе,
• превышение давление топлива в рампе выше МАХ (порядка 1500бар),
• выход из строя электромагнитного клапана регулирования давления.

Двигатель невозможно завести при неработающих датчиках оборотов и положения распредвала. Для проверки гидравлической части методы электронной самодиагностики обычно непригодны.