Дизельный впрыск и работа форсунок
Горючее из топливной емкости подающей помпой направляется на вход ТНВД, которым оно распределяется и нагнетается в магистрали, соединенные с форсунками.При этом осуществляется их открытие, чтобы произвести очередной впуск горючего в цилиндры. При падении давления инжекторы закрываются.
В системе топливоподачи дизельных моторов топливным форсункам отводится особые функции. С их помощью обеспечивается прямая подача и дозирование горючего в цилиндры дизелей с частотой до 33 раз в секунду. Инжекторы эффективно распыляют топливо над поршнем в виде факела. Различные системы питания двигателей оборудуются форсунками разной конструкции и способов управления ими.
Одним из новшеств стали форсунки, имеющие датчики, фиксирующие подъем иглы, и подающие импульсы к специальным электронным блокам управления (ЭБУ), которые на их основе вырабатывают команды для ТНВД.
Новшество из двух пружин в дизельных форсунках также стало значительным шагом вперед. Несмотря на некоторое усложнение, это наделило процесс топливоподачи большей гибкостью. Сгорание рабочей смеси стало более мягким, а работа дизеля – тихой.
Особенности электромеханических форсунок
Большой толчок прогрессу систем питания дизельных моторов дали электромеханические форсунки. Принцип работы дизельной форсунки, относящейся к данному типу, следующий. Здесь давление горючего и сила сжатой пружины заменены специальным электромагнитным клапаном, контролируемым ЭБУ мотора.
Блоком управления формируются показатели топливоподачи: когда начать впрыск и какую выбрать дозу. Осуществляется это клапаном форсунки по командам от ЭБУ, которые зависят от оборотов двигателя, режима его работы, температуры и других параметров.
В результате топливно-воздушный микс в цилиндрах получается более однородным, улучшается распыл и сгорание, что обеспечивает плавное нарастание давления на поршень, которые оказывают газы от сгорающего топлива.
Благодаря более точной работе электронного впрыска у дизелей увеличилась мощность, улучшилась топливная экономичность и экологичность. Они стали заметно долговечней, уменьшилась вибрация и шум.
Самостоятельная проверка форсунок
Начнем с того, что автомобильные форсунки делятся на несколько типов, из которых в разное время широкое применение нашли два вида: механические форсунки и электромагнитные (электромеханические) инжекторы.
Электромагнитные форсунки имеют в основе специальный клапан, который осуществляет открытие и закрытие форсунки для подачи топлива под воздействием управляющего импульса ЭБУ двигателем. Механические форсунки открываются в результате роста давления топлива в форсунке. Добавим, что на современных авто зачастую устанавливаются электромагнитные устройства.
Чтобы проверить форсунки своими руками без снятия с машины можно воспользоваться несколькими способами. Наиболее простым и доступным способом, который позволяет быстро проверить инжекторные форсунки не снимая их с машины, является анализ шумов, издаваемых двигателем в процессе работы.
Определить неисправную форсунку на слух по звуку работы ДВС можно в том случае, если из блока цилиндров доносится приглушенный высокочастотный звук. Это указывает на необходимость чистки инжектора или неисправность форсунок.
Насосы-форсунки
В этом способе топливоподачи ТНВД заменяется на насосы-форсунки. Работают они так. Солярка подкачивающей помпой подается на вход инжектора с собственной плунжерной парой, являющейся источником высокого давления, необходимого для впрыска горючего. Плунжерная пара приводится в действие непосредственно распределительным валом.
Отсутствие ТНВД придает такой системе компактность и экономичность. Наличие электрического клапана в насосах-форсунках обеспечивает впрыск горючего двумя импульсами. Вначале в двигатель подается небольшая доза горючего и только потом – основная.
Подача топлива системой на основе насосов-форсунок производится точно по времени и дозе. Такая система делает двигатель экономичным, его работа становится мягкой и бесшумной, а выхлоп – менее вредным.
Некоторые проблемы возникают из-за зависимости напора подачи горючего от оборотов коленчатого вала. Также их непросто ремонтировать и обслуживать из-за сложного устройства. Для насосов-форсунок требуется только качественные горюче-смазочные материалы.
Топливоподача посредством ТНВД
Традиционная схема подачи горючего с механическим ТНВД отличается надежностью и хорошо зарекомендовала себя в составе атмосферных моторов на дизельном топливе в прошлом. Данная схема топливоподачи представлена такими составляющими:
- топливной емкостью;
- фильтрами грубой и тонкой очистки;
- топливоподкачивающей помпой;
- ТНВД;
- инжекторными форсунками;
- трубопроводами небольшого напора;
- каналами большого давления;
- фильтром очистки воздуха.
ТНВД относится к главным узлам системы питания соляровых моторов. Он довольно непросто устроен, поскольку, кроме подачи сильно сжатого горючего, обеспечивает и его дозирование. В прошлом веке механическими ТНВД оборудовались преимущественно дизельные двигатели, но их пытались устанавливать и на бензиновые моторы, как элемент, обеспечивающий непосредственный впрыск.
С помощью таких насосов можно задать нужный момент начала впрыска и подачу необходимого объема сжатого горючего в к/с цилиндров.
Принцип работы топливной форсунки дизельного двигателя
Поступление и распределение дизельного горючего в форсунке осуществляется в 3 этапа:
Предварительный впрыск. Кулачок распределительного вала передает механическое усилие на коромысло и увлекает плунжер вниз. Происходит перемещение топливно-воздушной смеси по каналам форсунки, после чего её поступление временно приостанавливается. В замкнутом пространстве устройства образуется область высокого давления до 13 МПа. Под его воздействием игла преодолевает сопротивление пружины и выполняет предварительную подачу горючего. После открытия входного клапана и поступления топливной смеси в магистраль происходит снижение давления.
Основной впрыск. Начинается после опускания плунжера форсунки. Входной клапан закрывается, что приводит к стремительному увеличению давления до 30 МПа. После достижения рабочего давления игла поднимается и впрыскивает топливно-воздушную смесь в камеру сгорания. Максимальный объем впрыскиваемого горючего соответствует предельной мощности двигателя. При этом расход топлива существенно возрастает по сравнению с обычным ритмом работы силовой установки.
Дополнительный впрыск. Требуется для очистки сажевого фильтра, отвода копоти и других загрязнений.
Как видим, устройство топливной форсунки дизельного двигателя достаточно сложное, поэтому для её ремонта требуется специальное профессиональное оборудование. Неквалифицированное обслуживание в большинстве случаев оборачивается полной потерей работоспособности устройства.
Впрочем, современные топливные форсунки – это достаточно надежные устройства, которые практически не нуждаются во вмешательстве извне. Единственным условием для бесперебойной работы является качество дизельного топлива, в противном случае происходит загрязнение и снижается эффективность работы.
Топливоподача Common Rail
Ее сегодня относят к самой эффективной для подачи горючего в моторы, работающие на солярке. Ее появление датируется 1997 годом, которая через несколько лет стала очень распространенной. Common Rail или аккумуляторная топливная система теперь стоит почти на всех дизельных двигателях. Устройство дизельной форсунки здесь несколько иное. По сравнению с другими, данная система обеспечивает значительную экономию горючего, повышенную экологическую безопасность, бесшумность, но основное – создает большее давление топливоподачи перед форсунками.
Принципиально отличает схему Common Rail от других то, что порядок получения большего напора и подача горючего разделенахронологически. Дизтопливо из емкости к системе подается подкачивающей помпой. Оно в фильтрах осветляется, оставляя примеси и прочие загрязнения на фильтр-элементах.
По низконапорным магистралям горючее попадает в механический ТНВД, закачивающий горючее в рампу, где топливо накапливается до впрыскивания к/с. В этой схеме напор горючего не связан с текущим режимом работы мотора.
На основе данных, выдаваемых датчиками на ЭБУ мотора, определяется доза, которую должен закачать насос внутрь топливной рампы. Это происходит путем открытия дозировочного клапана, после чего горючее попадает в рампу. В аккумуляторе оно имеет заданное давление, которое поддерживается регулятором.
После подачи в рампу необходимого объема топлива, ЭБУ выдает импульс для открытия инжекторов согласно работе мотора. Пока длится один цикл процесса, такая система осуществляет впрыск в три этапа:
- предварительный (с его помощью повышается температура в к/с, что способствует быстрому процессу самовоспламенения). Их количество связано с режимом работы мотора: для без нагрузочного режима их может быть два, промежуточного – один, при максимуме мощности – ни одного;
- основной (непосредственное обеспечение функционирования мотора);
- дополнительный (им подогреваются газы, что способствует более полному выгоранию углерода и уменьшает вредные вещества в выхлопе).
Common Rail может дробить фазу подачи на 7-9 порций, а величина напора может достигать 300 МПа. Такие возможности позволяют увеличить цикловой объем впрыскиваемого в к/с цилиндров топлива, что незамедлительно ведет к повышению мощности автомобилей с дизельными двигателями.
Для этой системы питания требуются дизельные форсунки типа электрогидравлических и пьезоэлектрических. Управление первых происходит с помощью электромагнитных клапанов, а вторых – пьезокристаллов, что существенно повышает их быстродействие в работе.
Системе Common Rail требуется только высококачественное топливо, поскольку в них применяются сложно устроенные форсунки, собранные из высокоточных узлов и деталей. Причем требуется их полная герметичность. Если по каким-либо причинам положение клапана окажется открытым, давление в рампе упадет, и топливоподача прекратится.
Система HEUI – впрыск XXI века по-американски
А. Виноградов, по материалам Caterpillar, иллюстрации Caterpillar
Когда говорят «развитое государство», то обычно подразумевают, что эта страна имеет могучую промышленность, и не задумываются о том, что вместе с экономической мощью государство получило немалый комплекс экологических проблем. Потому-то в этих самых «развитых странах» главным двигателем прогресса становится не столько конкуренция, сколько экологическое законодательство. А оно с каждым годом становится все суровее и суровее, ибо как ни крути, а дышать-то надо…
Добиться соответствия постепенно ужесточающимся экологическим нормам вроде бы несложно. Достаточно ограничить максимальную подачу топлива опрелеленным пределом, более низким, чем предел дымности. При этом потеряется часть мощности и незначительно ухудшится экономичность, но до поры до времени такие потери можно компенсировать за счет турбонаддува. Именно таким путем сегодня идут российские моторостроители, добившиеся соответствия своей продукции нормам Euro-1.
Но США и Западная Европа – не Россия, и там нужно выдерживать конкуренцию с очень сильными соперниками, да и Euro-1 для них уже пройденный этап. Значит, моторы будущего должны быть не только экологически чище предшественников, но при этом еще и мощнее, и экономичнее. А этого можно добиться, если повышать точность работы системы топливоподачи при одновременном улучшении смесеобразования за счет лучшего распыла топлива и применения сложных алгоритмов впрыска. И тогда не страшны не только нормы Euro-3, но даже и Euro-4.
Перечисленные условия означают, что давление впрыска должно превышать 1000 кгс/см2, управление им требуется электронное, а от механического привода плунжеров следует отказаться. Система Common Rail – это одно из возможных решений, ориентированное на сравнительно небольшие и быстроходные дизели легковых автомобилей и небольших грузовиков. Другое решение предлагает фирма Caterpillar, традиционно выпускающая более тяжелые двигатели.
Созданная Caterpillar система впрыска топлива получила название HEUI (произносится как «хъюи»), или если полностью, то Hydraulically actuated Electronikally controlled Unit Ingection, что можно перевести как «Устройство впрыска с гидроприводом и электронным управлением». Она родилась, поскольку возникла угроза потери конкурентоспособности для самого маленького и самого популярного двигателя компании – шестилитрового 3116B.
В противоположность европейцам, искавшим принципиально новые пути, американские инженеры постарались максимально использовать возможности уже существующих систем. Они не стали полностью отказываться от насос-форсунок, но оснастили их гидроприводом. Теперь вместо кулачка работает масло из системы смазки двигателя, подаваемое по специальной магистрали под давлением более 230 кгс/см2 (3 300 фунтов на кв. дюйм). Оно действует на масляный плунжер, перемещающий плунжер топливный, который благодаря меньшему диаметру создает высокое давление впрыска – более 1400 кгс/см2 (20 000 фунтов на кв. дюйм).
Насос-форсунка с гидроприводом и электромагнитным управлением – главный элемент HEUI
Электромагнитный клапан, управляющий впрыском, перекочевал из топливного канала в масляный. При этом он находится под традиционным для гидросистем давлением, что положительно сказалось на его работе. Теперь могут быть реализованы практически любые заданные алгоритмы впрыска.
Давление в масляной магистрали намного превышает рабочее для системы смазки и создается специальным насосом. Он выполнен в виде навесного агрегата и подает к насос-форсункам также и топливо под давлением, близким к давлению масла. Вместе с насос-форсунками этот узел составляет механическую основу системы.
Контроль за давлением в масляной магистрали осуществляется с помощью электромагнитного клапана электронным блоком. Блок управляет также работой насос-форсунок и задает закон впрыска, который в системе HEUI двухэтапный. Сначала производится «пилотный впрыск» небольшой дозы горючего. Благодаря этому сгорание основной порции топлива проходит лучше.
Электромагнитные клапаны насос-форсунок и масляной магистрали высокого давления – это те устройства, с помощью которых электронный блок и управляет всей работой двигателя. Чтобы делать это должным образом, он учитывает целый ряд параметров: частоту вращения коленчатого вала, температуру наддувного воздуха и охлаждающей жидкости, положение педали «газа».
Однако возможности блока управления намного шире. Он получает информацию от спидометра и тахометра, спид-сенсора автомобиля, датчиков в трансмиссии и тормозной системе. Все получаемые данные хранятся в памяти. Поэтому с помощью компьютера можно легко настраивать систему топливоподачи. Вдобавок с помощью блока управления руководители фирмы могут контролировать работу машины и ее оператора. Таким образом, хорошо защищенный от вмешательства «ябедник» уже встроен в двигатель и нет нужды оплачивать специальное устройство.
Благодаря HEUI давление впрыска не зависит от числа оборотов двигателя. HEUI наделяет мотор хорошей экономичностью при отличных экологических показателях, обеспечивает легкий запуск на морозе и в жару, отсутствие белого дыма в выхлопе и хорошую работу в горных условиях.
Caterpillar выпускает систему с 1992 года. В качестве стандартного оборудования ее ставят на самый совершенный и наиболее технически насыщенный двигатель компании – 3126В. Но может ею комплектоваться и хорошо известный россиянам 3116В. Благодаря HEUI шестилитровый мотор приобрел буквально «второе дыхание» и снимать его с производства фирма пока не собирается. Впрочем эту систему можно встретить не только на машинах с маркой «CAT». Она устанавливается на дизелях автомобилей Isuzu, а также Ford (с двигателями Navistar International).
В сравнении с Common Rail система HEUI выглядит более сложной. Действительно, она имеет не одну, а целых две «общих магистрали» – масляную и топливную, связанные между собой насос-форсунками с гидроприводом. Для сравнительно небольших дизелей легковых автомобилей такая система выглядит громоздкой. Однако не будем забывать, что на более тяжелых моторах подвижные части форсунок крупнее, а потому добиться хорошего быстродействия электромагнитной форсунки для Common Rail очень сложно. И сегодня еще нет уверенности, что европейская система сможет конкурировать с американской в этой сфере.
Сейчас каждая из систем впрыска XXI века занимает собственную нишу. Впрочем HEUI уже устанавливается на легковые автомобили Isuzu. Так что в следующем тысячелетии конкуренция между этими двумя подходами неизбежно обострится.
Ремонт дизельных форсунок
Итак, надежное функционирование дизельных двигателей во многом зависит от того, в каком состоянии находятся топливные форсунки. Поэтому данные устройства нуждаются в постоянном внимании (диагностике) и своевременном техническом уходе. При поломке или окончательном износе их необходимо незамедлительно ремонтировать или заменять.
В автосервисе Дизель-Моторс выполняется любой ремонт дизельной форсунки, каким бы он ни был сложным, и устанавливающейся на дизельные моторы автомашин независимо от марки. При этом форсунка присваивается новый код. Нашими специалистами будет предложено наиболее качественное и недорогое обслуживание и ремонт силовой установки вашего автомобиля.
