Общие сведения о форсунках

Форсунки — исполнительный механизм, предназначенный для распыления топлива во впускном тракте топливной системы или в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания. Существует следующие виды этих устройств — механические, электромагнитные, гидравлические, пьезоэлектрические. Форсунки для бензиновых и дизельных двигателей отличаются по принципу работы. Также в разных марках автомобилей форсунки работают с разным напряжением и давлением. Обо всем этом и многом другом мы расскажем вам в данном материале.

Типы форсунок

Охарактеризуем каждый из перечисленных типов в отдельности, и начнем с электромагнитных форсунок. Они устанавливаются в бензиновые двигатели. Форсунки состоят из следующих составных частей — электромагнитного клапана, распылительной иглы и сопла.

Электромагнитная инжекторная форсунка

Дизельная электрогидравлическая форсунка

Принцип их работы достаточно прост. При поступлении команды от ЭБУ автомобиля на электромагнитный клапан подается напряжение, благодаря чему в нем создается магнитное поле, которое втягивает иглу, тем самым освобождая канал в сопле. Соответственно, через него проходит топливо. Как только напряжение на клапане исчезает, игла под воздействием обратной пружины вновь перекрывает сопло и бензин более не подается в цилиндры.

Следующий тип — электрогидравлические форсунки. Они используются в дизельных двигателях, в том числе, созданных по системе Common Rail. Такие форсунки имеют более сложную конструкцию. В частности, в их состав входят впускной и сливной дроссели, электромагнитный клапан и камера управления. Работа форсунки выполняется следующим образом.

Пьезоэлектрическая форсунка

Движение основано на использовании давления топлива как во время впрыска, так и по его прекращению. В начальном положении электромагнитный клапан обесточен, и соответственно, закрыт. При этом игла форсунки прижата к своему седлу под естественным давлением топлива на поршень в камере управления. То есть, впрыск топлива не происходит. Поскольку диаметр иглы гораздо меньше диаметра поршня, то давление на нее больше.

Когда на электромагнитный клапан подается сигнал от ЭБУ тот открывает сливной дроссель. Соответственно, топливо начинает вытекать в сливную магистраль. Однако впускной дроссель препятствует быстрому выравниванию давлений между камерой управления и впускной магистралью. Соответственно, давление на поршень снижается медленно, а давление на иглу не меняется. Поэтому игла под разностью давлений поднимается и происходит топливный впрыск.

Третий тип — это пьезоэлектрические форсунки. Они считаются самыми совершенными, и используются на дизельных двигателях, снабженных системой подачи топлива Common Rail. В конструкцию такой форсунки входят пьезоэлемент, толкатель, переключающий клапан, игла.

В момент, когда топливо не поступает через форсунку, ее игла сидит плотно в своем седле, так как на нее давит высокое давление топлива. Когда от ЭБУ поступает сигнал на пьезоэлемент, который является исполнительным механизмом, то в этот момент он увеличивается в размере (в длину), и таким образом выталкивает поршень. Вследствие этого происходит открытие клапана, и через него топливо попадает в сливную магистраль. Давление в верхней части иглы снижается и игла поднимается. При этом происходит впрыск топлива.

Основное преимущество пьезоэлектрических форсунок заключается в высокой скорости их срабатывания (приблизительно в 4 раза быстрее гидравлических). Это дает возможность осуществлять многократный впрыск топлива за один рабочий цикл двигателя. В процессе подачи количество подаваемого топлива можно контролировать двумя путями — временем воздействия на пьезоэлемент, а также давлением топлива в рампе. Однако у пьезоэлектрических форсунок есть один существенный недостаток — их неремонтопригодность.

Работа электромагнитной форсунки инжекторного двигателя

Работа форсунки в системе Common Rail

Поскольку принцип работы дизельных форсунок несколько сложнее, чем бензиновых, то имеет смысл рассмотреть более детально алгоритм их работы на примере форсунки Common Rail ранних выпусков.

Как работает дизельная форсунка

На основании полученной информации ЭБУ управляет разными элементами двигателя, в том числе и топливными форсунками. В частности, на какой промежуток времени и когда именно их открывать (момент открытия).

Форсунка дизельного двигателя работает в трех фазах:

Насос-форсунка

• Предварительный впрыск. Он необходимо для того, чтобы топливно-воздушная смесь имела нужное качество и соотношение. На этом этапе в камеру сгорания подается небольшое количество топлива с тем, чтобы повысить в ней температуру и давление. Это делается для ускорения воспламенения топлива при основном впрыске.
• Основной впрыск. На основе высокого давления, полученного на предыдущем этапе, создается качественная однородная горючая смесь. Ее полное сгорание обеспечивает максимальную мощность двигателя и уменьшает выброс вредных газов.
• Дополнительный впрыск. На этом этапе происходит очистка сажевого фильтра. После основного впрыска давление в камере сгорания резко падает, а игла форсунки возвращается на место. Вследствие этого топливо перестает поступать в камеру сгорания.

Далее перейдем к рассмотрению алгоритма, в соответствии с которым работает форсунка дизельного двигателя:

1. Кулачок распределительного вала двигает плунжер форсунки, освобождая ее топливные каналы.
2. Топливо попадает в форсунку.
3. Клапан закрывается, топливо перестает подаваться, и начинает нагнетаться давление в форсунке.
4. При достижении граничного давления (у каждой модели оно разное, и составляет несколько МПа) поднимается игла форсунки, и происходит предварительный впрыск (в некоторых случаях может быть два предварительных впрыска).
5. Клапан снова открывается, и предварительный впрыск заканчивается.
6. Топливо попадает в магистраль, его давление снижается.
7. Клапан закрывается, вследствие чего давление топлива опять начинает возрастать.
8. По достижении рабочего давления (больше, чем при предварительном впрыске) пружина иглы форсунки разжимается и происходит основной впрыск топлива. Чем большее давление будет в форсунке — тем большее количество топлива попадет в камеру сгорания, и соответственно, разовьется большая мощность двигателя.
9. Клапан закрывается, фаза основного впрыска завершается, давление падает, игла форсунки возвращается в исходное положение.
10. Происходит дополнительный впрыск топлива (обычно их бывает два).

Любая топливная форсунка характеризуется следующими техническими параметрами:

• Производительность. Это самый важный параметр, который характеризует количество топлива, которое пропускает форсунка за единицу времени. Обычно измеряется в кубических сантиметрах топлива в минуту.
• Динамический диапазон работы. Этот показатель характеризует минимальное время впрыска топлива. То есть, время между открытием и закрытием топливной форсунки. Обычно измеряется в миллисекундах.
• Угол распыления. От него зависит качество топливной смеси, образуемой в камере сгорания. Указывается в градусах.
• Дальнобойность факела распыления. От этого показателя зависит то, в какой фракции будут находиться распыленные топливные частички, и как они будут подаваться в камеру сгорания. Соответственно, этот показатель также критичен для образования качественной топливной смеси. Измеряется как обычное расстояние в миллиметрах или их производных.

При выходе за допустимые пределы хотя бы одного из перечисленных параметров форсунка будет работать некорректно, и образовывать некачественную топливно-воздушную смесь. А это, в свою очередь, плохо скажется на работе двигателя вашего автомобиля.

Также существуют отдельный вид форсунок для инжекторных двигателей с непосредственным впрыском. Их основное отличие — высокая скорость срабатывания, а также повышенное напряжение, на котором они работают. Рассмотрим их более детально.

Форсунки для двигателя с непосредственным впрыском

Устройство форсунки FSI

Эти форсунки имеют также другое название — GDI (FSI). Оно было придумано в недрах компании Mitsubishi, когда ее инженеры стали производить двигатели с непосредственным впрыском топлива, работающих на сверхобедненных смесях. В основе их работы лежит точный выбор времени срабатывания поднятия и опускания рабочей иглы.

Так, в обычных инжекторных двигателях время открытия форсунки составляет порядка 2...6 мс. А форсунки в двигателях, работающих на сверхобедненных смесях — около 0,5 мс. Поэтому обычная подача стандартных 12 В на форсунку уже не может обеспечить необходимую скорость срабатывания. Для реализации этой задачи они работают по технологии Peak-n-Hold, что в переводе означает “пиковое напряжение и удержание”.

Суть этого метода заключается в следующем. На форсунку подается высокое напряжение (например, на форсунки упомянутой компании Mitsubishi подается напряжение со значением около 100 В). Благодаря этому катушка очень быстро достигает насыщения. При этом ее обмотка не перегорает по причине имеющейся противоЭДС. А для удержания сердечника в катушке необходимо магнитное поле с меньшим значением. Соответственно, нужен и меньший ток.

График тока и напряжения на форсунке GDI

То есть, рабочий ток в катушке сначала очень быстро нарастает, а потом быстро падает. В этот момент наступает фаза Hold (удержания). То есть, время впрыска горючего составляет от начала подачи импульса до второго индуктивного выброса. Такие методы используют автопроизводители Mitsubishi и General Motors.

Однако производители Mercedes и VW пользуются разработками компании BOSCH. В соответствии с их методом система не уменьшает напряжение, а использует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Задача по реализации этого алгоритма возложена на специальный блок — Driver Injector. Как правило, он расположен неподалеку от форсунок (например, компании Toyota и Mercedes располагают блок в горизонтальном положении в районе чашки амортизаторов, что является на сегодняшний день оптимальным решением).

ШИМ на форсунке FSI

Все двигатели FSI мощностью более 90 л.с. оснащаются усовершенствованной топливной системой. Ее отличием является:

• детали насоса высокого давления и рампы форсунок имеют специальное антикоррозионное покрытие, которое защищает их от воздействия топлива с содержанием этанола до 10%;
• изменено управление насосом высокого давления;
• устранен за ненадобностью трубопровод отвода (в бак) топлива, просочившегося вдоль плунжера;
• отвод топлива, сбрасываемого через установленный на рампе форсунок предохранительный клапан, производится через относительно короткий трубопровод в контур низкого давления, перед насосом высокого давления.

Что касается эксплуатации двигателей GDI, то стоит отметить, что он очень чувствителен к качеству топлива, своевременной замене топливного фильтра. Необходимо не забывать проводить чистку топливной системы и своевременно менять масло.

Преимущества и недостатки топливных форсунок

Несомненно, топливные форсунки обладают преимуществами перед традиционным карбюратором. В частности, к ним относят:

• экономия топлива, которая стала возможна благодаря точному дозированию;
• низкий уровень выброса выхлопных газов в атмосферу, высокая экологичность (лямбда находится в пределах 0,98…1,2);
• увеличение мощности мотора;
• простота запуска двигателя в любую погоду;
• отсутствие необходимости в проведении ручной настройки системы впрыска;
• широкие возможности управления двигателем в разных режимах (то есть, улучшение его динамических и мощностных характеристик);
• выхлопные газы от инжекторных двигателей по составу соответствуют современным требованиям, касающимся этого параметра и вредности для окружающей среды.

Однако у форсунок есть и свои недостатки. Среди них:

• высокая вероятность их засорения при использовании топлива низкого качества;
• высокая стоимость по сравнению со старыми карбюраторными системами;
• низкая ремонтопригодность форсунки и ее отдельных узлов;
• необходимость проведения диагностики и ремонта с помощью специального дорогостоящего оборудования;
• большая зависимость от постоянного наличия электропитания в сети автомобиля (в современных системах, контролируемых электронными приборами).

Однако несмотря на имеющиеся недостатки, на сегодняшний день форсунки используются в большинстве автомобильных бензиновых и дизельных двигателей как более технологичные и экологичные системы впрыска горючего. Что касается дизельных моторов, то там произошла замена старых механических форсунок на более новые с электронным управлением.

Расположение форсунок

В зависимости от типа форсунок и метода впрыска расположение форсунок может быть различным. В частности:

• Если в автомобиле используется центральный впрыск топлива, то для этого используется одна или две форсунки, расположенные внутри впускного трубопровода, в непосредственной близости от дроссельной заслонки. Такая система применялась на старых автомобилях в пору, когда производители начали отказываться от карбюраторных двигателей в пользу инжекторных.
• При распределенном впрыске топлива для каждого цилиндра устанавливается собственная форсунка. В данном случае ее можно увидеть у основания впускного трубопровода.
• Если же в двигателе используется непосредственный впрыск топлива, то форсунки располагают в верхней области стенок цилиндра. В этом случае они выполняют непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания.

Независимо от того, где установлена форсунка, в процессе своей работы она загрязняется. Поэтому необходимо проводить периодическую проверку их состояния и производительности. В соответствующих статьях на сайте вы можете узнать подробно: как проверить состояние дизельных форсунок коммон рейл, осуществить проверку насос-форсунок или проверить инжекторные форсунки.

Чистка форсунок

Для того чтобы почистить форсунки используют два метода — ультразвуковую и химическую чистку. Каждый из перечисленных методов можно использовать при разных условиях. Так, в процессе загрязнения топливной системы и, в частности форсунки, на стенках образуются твердые и мягкие отложения. Сначала появляются мягкие, которые легко смываются под воздействием химических средств. Когда же мягкие отложения уплотняются, то они превращаются в твердые и избавиться от них можно лишь при помощи ультразвуковой чистки.

Если же форсунка использовалась более 100 тысяч километров пробега, то химическая очистка для нее не только нецелесообразна, но и вредна. В ее процессе могут отколоться крупные частицы твердых отложений, и при выходе их наружу попросту забить иглу. Особенно это актуально для форсунок с непосредственным впрыском топлива.

Сравнение чистой (слева) и загрязненной форсунки (справа)

При использовании ультразвуковой чистке важно знать, на каком нормальном рабочем напряжении работает форсунка. Дело в том, что стандартное напряжение 12 В не обеспечивает высокой скорости открытия и закрытия форсунки. Поэтому в настоящее время многие автопроизводители используют пониженное напряжение. Например, форсунки от компании Toyota работают при напряжении 5 В, а форсунки компании Citroen — при напряжении 3 В. Соответственно, на них нельзя подавать распространенное напряжение 12 В, поскольку они попросту перегорят. О напряжении на форсунках мы поговорим немного ниже.

Самая лучшая очистка будет состоять в последовательном использовании метода ультразвуковой и химической очистки. Так, на первом этапе твердые отложения превращаются в мягкие, а на втором — они удаляются с помощью химических препаратов.

Также существуют специальные присадки для добавления в топливный бак. Их функция заключается в промывке форсунок, когда через них проходит топливо с чистящим средством.

Срок между периодическим использованием таких присадок отличается, и зависит от конкретной марки автомобиля и используемого топлива. Однако нужно понимать, что этот метод менее действенный, чем описанные выше. Его имеет смысл применять при замене топливных фильтров или периодически через несколько тысяч километров пробега. Дополнительную информацию о том, как почистить форсунку своими руками вы можете посмотреть тут.

Напряжение на форсунках

Остановимся подробнее на вопросе, какое напряжение подается на форсунки двигателя. В первую очередь необходимо понимать, что они управляются с помощью электрических импульсов. Причем “+” от аккумулятора подается сразу на форсунку через предохранитель, а вот “-” контролирует ЭБУ. То есть, в разный момент времени напряжение на форсунке постоянно. Однако если произвести замер с помощью осциллографа (мультиметр в данном случае может ничего не показать, поскольку импульсы очень кратковременны), то этот прибор покажет усредненное значение. Оно будет зависеть от того, с какой частотой поступают импульсы на форсунку.

Графики импульсов напряжения на форсунках

Приведенные на рисунке графики помогут нам ответить на вопрос — какое напряжение подается на форсунку. Чем длительнее импульсы напряжения, подаваемого на форсунку, тем усредненное рабочее напряжение будет выше (длительность импульсов у большинства машин находится в пределах 1...15 мс). А длительные импульсы подаются на высоких рабочих оборотах двигателя. Соответственно, чем выше эти самые обороты — тем выше будет усредненное рабочее напряжение на форсунках. То есть, на форсунки подаются рабочие 12 В (на самом деле немного меньше из-за незначительного падения напряжения на управляющем транзисторе), однако в импульсе.

Некоторые автовладельцы пытаются открыть форсунку простой подачей тока от АКБ с целью почистить ее. Необходимо понимать, что напряжение напрямую от аккумулятора подавать на форсунку нельзя, поскольку существует риск того, что она выйдет из строя (сгорит ее обмотка). Импульс на устройство подается через транзисторный ключ. Действует он кратковременно, так как обмотка в форсунке быстро нагревается и может попросту сгореть. В процессе работы двигателя время открытия контролирует ЭБУ, а ее естественное охлаждение, пусть и незначительное, осуществляет поступающее топливо.

Как указывалось выше, автопроизводители используют форсунки с разным рабочим напряжением. Поэтому идеальным решением будет посмотреть эту информацию в мануале автомобиля или на сайте изготовителя. Если же вы не можете найти эти сведения, то к подбору напряжения для открытия форсунки нужно подойти осторожно.

На практике чтобы открыть форсунку, опытные автомобилисты советуют использовать специальный стенд. Однако можно обойтись и более простыми приспособлениями. Например, купить китайский блок питания с выходным напряжением, регулируемым в пределах 3...12 В (обычно с шагом в 1,5 В). Схема подключения обязательно должна иметь кнопку без устойчивого положения (например, от квартирного звонка). Для открытия форсунки стоит подавать сначала самое маленькое напряжение, увеличивая его в случае, если форсунка не открылась.

Также можно воспользоваться аккумуляторной батареей от шуруповерта. Разобрав ее, вы увидите так называемые “банки” — маленькие аккумуляторы. Каждая из них выдает напряжение 1,2 В. Соединяя их последовательно, можно добиться нужного напряжения для открытия форсунки.

Управление форсунками

Как упоминалось выше, управление форсунками происходит с помощью электронного блока управления (ЭБУ) автомобиля. На основе информации, поступающей от многочисленных датчиков, его процессор принимает решения о том, какие импульсы подавать на форсунку. От этого зависят обороты двигателя и режим его работы.

Так, входными данными для контроллера являются:

• положение и частота вращения коленчатого вала;
• массовое количество расходуемого двигателем воздуха;
• температура охлаждающей жидкости;
• положение дроссельной заслонки;
• содержание кислорода в отработанных газах (при наличии системы с обратной связью);
• наличие детонации в двигателе;
• напряжение в электрической цепи автомобиля;
• скорости машины;
• положения распределительного вала;
• работа кондиционера;
• температура входящего воздуха;
• езда по неровной дороге (при наличии датчика неровной дороги).

Программа, вшитая в контроллер ЭБУ, позволяет выбрать оптимальный режим работы двигателя с тем, чтобы сэкономить топливо, выбрать номинальный режим работы двигателя и обеспечить комфортную эксплуатацию автомобиля.

Заключение

Несмотря на простоту своего устройства, топливные форсунки при ненадлежащем уходе за ними, могут принести автовладельцу немало хлопот. Так, в случае, если они забились, машина утратит свои динамические характеристики, появится перерасход горючего, в выхлопных газах будет большое количество гари. Поэтому рекомендуем вам следить за состоянием топливных форсунок двигателя вашего автомобиля, и периодически очищать их. Помните, что неисправности с этими, по сути, пустяковыми и дешевыми деталями могут обернуться проблемами с более дорогостоящими узлами вашего автомобиля.