Загальні відомості про форсунках

102

Форсунки — виконавчий механізм, призначений для розпилення палива у впускному тракті паливної системи або в циліндрах двигуна внутрішнього згорання. Існує наступні види цих пристроїв — механічні, електромагнітні, гідравлічні, п’єзоелектричні. Форсунки для бензинових і дизельних двигунів відрізняються за принципом роботи. Також в різних марках автомобілів форсунки працюють з різною напругою і тиском. Про все це та багато іншого ми розповімо вам у цьому матеріалі.

Про що ми поговоримо:

  • Види форсунок
  • Безпосередній впорскування
  • Переваги і недоліки
  • Розташування форсунок
  • Чистка форсунок
  • Напруга на форсунках
  • Управління форсунками

Типи форсунок

Охарактеризуємо кожний з перерахованих типів окремо, і почнемо з електромагнітних форсунок. Вони встановлюються бензинові двигуни. Форсунки складаються з наступних складових частин — електромагнітного клапана, розпилювальної голки і сопла.

Загальні відомості про форсунках

Електромагнітна форсунка інжекторна

Дизельна форсунка електрогідравлічна

Принцип їх роботи досить простий. При надходженні команди від ЕБУ автомобіля на електромагнітний клапан подається напруга, завдяки чому в ньому створюється магнітне поле, яке втягує голку, тим самим звільняючи канал в соплі. Відповідно, через нього проходить паливо. Як тільки напруга на клапані зникає, голка під дією зворотної пружини знову перекриває сопло і бензин більше не подається в циліндри.

На форсунки різних автовиробників подається різне напруга. Це треба враховувати при заміні форсунок, а також їх чищенні.

Наступний тип — електрогідравлічні форсунки. Вони використовуються в дизельних двигунах, в тому числі, створених за системою Common Rail. Такі форсунки мають більш складну конструкцію. Зокрема, до їх складу входять впускний і зливної дроселі, електромагнітний клапан і камера управління. Робота форсунки виконується наступним чином.

Загальні відомості про форсунках

П’єзоелектрична форсунка

Рух ґрунтується на використанні тиску палива як під час вприскування, так і його припинення. В початковому положенні електромагнітний клапан знеструмлена, і відповідно, закритий. При цьому голка форсунки притиснута до свого сідла під природним тиском палива на поршень в камері управління. Тобто, впорскування палива не відбувається. Оскільки діаметр голки набагато менше діаметра поршня, то тиск на неї більше.

Коли на електромагнітний клапан подається сигнал від ЕБУ той відкриває зливний дросель. Відповідно, паливо починає витікати в зливну магістраль. Однак впускний дросель перешкоджає швидкому вирівнюванню тиску між камерою управління і впускний магістраллю. Відповідно, тиск на поршень знижується повільно, а тиск на голку не змінюється. Тому голка під різницею тисків піднімається і відбувається паливний впорскування.

Третій тип — це п’єзоелектричні форсунки. Вони вважаються найбільш досконалими, і використовуються на дизельних двигунах, забезпечених системою подачі палива Common Rail. У конструкцію такої форсунки входять п’єзоелемент, штовхач, перемикаючий клапан, голка.

Електричне опір п’єзоелектричних форсунок становить кілька десятків кОм.

У момент, коли паливо не надходить через форсунку, її голка щільно сидить у своєму сідлі, так як на неї тисне високий тиск палива. Коли від ЕБУ надходить сигнал на п’єзоелемент, який є виконавчим механізмом, то в цей момент він збільшується в розмірі (в довжину), і таким чином виштовхує поршень. Внаслідок цього відбувається відкриття клапана, і через нього паливо потрапляє в зливну магістраль. Тиск в верхній частині голки знижується й голка піднімається. При цьому відбувається впорскування палива.

Основна перевага п’єзоелектричних форсунок полягає у високій швидкості їх спрацювання (приблизно в 4 рази швидше гідравлічних). Це дає можливість здійснювати багаторазовий впорскування палива за один робочий цикл двигуна. У процесі подачі кількість подаваного палива можна контролювати двома шляхами — часом впливу на п’єзоелемент, а також тиском палива в рампі. Однак у п’єзоелектричних форсунок є один істотний недолік — їх неремонтоздатність.

Загальні відомості про форсунках

Робота електромагнітної форсунки інжекторного двигуна

Загальні відомості про форсунках

Робота форсунки в системі Common Rail

Оскільки принцип роботи дизельних форсунок дещо складніше, ніж бензинових, то має сенс розглянути більш детально алгоритм їх роботи на прикладі форсунки Common Rail ранніх випусків.

Як працює дизельна форсунка

На підставі отриманої інформації ЕБУ управляє різними елементами двигуна, в тому числі і паливними форсунками. Зокрема, на який проміжок часу і коли саме їх відкривати (момент відкриття).

Форсунка дизельного двигуна працює в трьох фазах:

Загальні відомості про форсунках

Насос-форсунка

  • Попередній впорскування. Він необхідний для того, щоб паливно-повітряна суміш мала потрібну якість і співвідношення. На цьому етапі в камеру згоряння подається невелику кількість палива з тим, щоб підвищити в ній температуру і тиск. Це робиться для прискорення займання палива при основному впорскуванні.
  • Основний впорскування. На основі високого тиску, отриманого на попередньому етапі, створюється якісна однорідна горюча суміш. Її повне згоряння забезпечує максимальну потужність двигуна та зменшує викид шкідливих газів.
  • Додатковий впорскування. На цьому етапі відбувається очищення фільтр сажі. Після основного уприскування тиск у камері згоряння різко падає, а голка форсунки повертається на місце. Внаслідок цього паливо перестає надходити в камеру згоряння.

Далі перейдемо до розгляду алгоритму, згідно з яким працює форсунка дизельного двигуна:

  • Кулачок розподільного вала рухає плунжер форсунки, звільняючи її паливні канали.
  • Паливо потрапляє у форсунку.
  • Клапан закривається, паливо перестає подаватися, і починає нагнітатися тиск у форсунці.
  • При досягненні граничного тиску (у кожної моделі він різний, і становить кілька МПа) піднімається голка форсунки, і відбувається попередній впорскування (у деяких випадках може бути два попередніх уприскування).
  • Клапан знову відкривається, і попередній впорскування закінчується.
  • Паливо потрапляє в магістраль, його тиск знижується.
  • Клапан закривається, внаслідок чого тиск палива знову починає зростати.
  • По досягненні робочого тиску (більше, ніж при попередньому впорскуванні) пружина голки форсунки розтискається і відбувається основний впорскування палива. Чим більший тиск буде в форсунці — тим більша кількість палива потрапить в камеру згоряння, і відповідно, виникне велика потужність двигуна.
  • Клапан закривається, фаза основного уприскування завершується, тиск падає, голка форсунки повертається у вихідне положення.
  • Відбувається додатковий впорскування палива (зазвичай їх буває два).
  • Будь-яка паливна форсунка характеризується наступними технічними параметрами:

    • Продуктивність. Це самий важливий параметр, який характеризує кількість палива, яке пропускає форсунка за одиницю часу. Зазвичай вимірюється в кубічних сантиметрах палива в хвилину.
    • Динамічний діапазон роботи. Цей показник характеризує мінімальний час вприскування палива. Тобто, час між відкриттям і закриттям паливної форсунки. Зазвичай вимірюється в мілісекундах.
    • Кут розпилення. Від нього залежить якість паливної суміші, утвореною в камері згоряння. Вказується в градусах.
    • Далекобійність факела розпилення. Від цього показника залежить те, якою фракції будуть розпорошені паливні частинки, і як вони будуть подаватися в камеру згоряння. Відповідно, цей показник також критичний для утворення якісної паливної суміші. Вимірюється як звичайне відстань в міліметрах або їх похідних.

    Кожна компанія-виробник форсунок має власні позначення для шифрування технічних даних своїх виробів. Тому при покупці поцікавтеся відповідною інформацією у продавця або в інтернеті.

    При виході за припустимі межі хоча б одного з перерахованих параметрів форсунка буде працювати некоректно, і утворювати неякісну паливно-повітряну суміш. А це, в свою чергу, погано позначиться на роботі двигуна вашого автомобіля.

    Також існують окремий вид форсунок для інжекторних двигунів з безпосереднім уприскуванням. Їх основна відмінність — висока швидкість спрацьовування, а також підвищена напруга, на якому вони працюють. Розглянемо їх більш детально.

    Форсунки для двигуна з безпосереднім вприскуванням

    Загальні відомості про форсунках

    Пристрій форсунки FSI

    Ці форсунки мають також інша назва — GDI (FSI). Воно було придумано в надрах компанії Mitsubishi, коли її інженери стали виробляти двигуни з безпосереднім уприскуванням палива, що працюють на сверхобедненных сумішах. В основі їх роботи лежить точний вибір часу спрацьовування підняття і опускання робочої голки.

    Так, у звичайних інжекторних двигунах час відкриття форсунки становить близько 2…6 мс. А форсунки в двигунах, що працюють на сверхобедненных сумішах — близько 0,5 мс. Тому звичайна подача стандартних 12 В на форсунку вже не може забезпечити необхідну швидкість спрацьовування. Для реалізації цього завдання вони працюють по технології Peak-n-Hold, що в перекладі означає «пікова напруга і утримання».

    Суть цього методу полягає в наступному. На форсунку подається висока напруга (наприклад, на форсунки згаданої компанії Mitsubishi подається напруга зі значенням близько 100). Завдяки цьому котушка дуже швидко досягає насичення. При цьому її обмотка не перегорає з причини наявної противоЭДС. А для утримання сердечника в котушці необхідно магнітне поле з меншим значенням. Відповідно, потрібен і менший струм.

    Загальні відомості про форсунках

    Графік струму і напруги на форсунці GDI

    Тобто, робочий струм в котушці спочатку дуже швидко наростає, а потім швидко падає. У цей момент настає фаза Hold (утримання). Тобто, час вприскування пального становить від початку подачі імпульсу до другого індуктивного викиду. Такі методи використовують автовиробники Mitsubishi і General Motors.

    Однак виробники Mercedes і VW користуються розробками компанії BOSCH. У відповідності з їх методом система не зменшує напругу, а використовує широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ). Завдання по реалізації цього алгоритму покладено на спеціальний блок — Driver Injector. Як правило, він розташований неподалік від форсунок (наприклад, компанії Toyota і Mercedes розташовують блок у горизонтальному положенні в районі чашки амортизаторів, що є на сьогоднішній день оптимальним рішенням).

    Загальні відомості про форсунках

    ШІМ на форсунці FSI

    Всі двигуни FSI потужністю більше 90 л. с. оснащуються вдосконаленої паливною системою. Її відмінністю є:

    • деталі насоса високого тиску і рампи форсунок мають спеціальне антикорозійне покриття, яке захищає їх від впливу палива з вмістом етанолу до 10%;
    • змінено управління насосом високого тиску;
    • усунутий за непотрібністю трубопровід відводу (бак) палива, просочившегося вздовж плунжера;
    • відведення палива, скидається через встановлений на рампі форсунок запобіжний клапан, проводиться через відносно короткий трубопровід в контур низького тиску, перед насосом високого тиску.

    Що стосується експлуатації двигунів GDI, то варто зазначити, що він дуже чутливий до якості палива, своєчасної заміни паливного фільтра. Необхідно не забувати проводити чистку паливної системи і вчасно міняти масло.

    Переваги і недоліки паливних форсунок

    Безсумнівно, паливні форсунки мають переваги перед традиційним карбюратором. Зокрема, до них відносять:

    • економія палива, яка стала можлива завдяки точному дозуванню;
    • низький рівень викидів вихлопних газів в атмосферу, висока екологічність (лямбда знаходиться в межах 0,98…1,2);
    • збільшення потужності двигуна;
    • простота запуску двигуна в будь-яку погоду;
    • відсутність необхідності в проведенні ручного налаштування системи упорскування;
    • широкі можливості управління двигуном в різних режимах (тобто, поліпшення його динамічних і потужностних характеристик);
    • вихлопні гази від інжекторних двигунів за складом відповідають сучасним вимогам, що стосуються цього параметра і шкідливість для навколишнього середовища.

    Однак у форсунок є і свої недоліки. Серед них:

    • висока ймовірність їх засмічення при використанні палива низької якості;
    • висока вартість в порівнянні зі старими карбюраторними системами;
    • низька ремонтопридатність форсунки та її окремих вузлів;
    • необхідність проведення діагностики і ремонту з допомогою спеціального дорогого обладнання;
    • велика залежність від постійної наявності електроживлення в мережі автомобіля (в сучасних системах, контрольованих електронними приладами).

    Однак незважаючи на наявні недоліки, на сьогоднішній день форсунки використовуються в більшості автомобільних бензинових і дизельних двигунів як більш технологічні і екологічні системи вприскування пального. Що стосується дизельних моторів, то там відбулася заміна старих механічних форсунок на більш нові з електронним управлінням.

    Розташування форсунок

    В залежності від типу форсунок і методу уприскування розташування форсунок може бути різним. Зокрема:

    • Якщо в автомобілі використовується центральний впорскування палива, то для цього використовується одна або дві форсунки, розташовані всередині впускного трубопроводу, в безпосередній близькості від дросельної заслінки. Така система застосовувалася на старих автомобілях в пору, коли виробники почали відмовлятися від карбюраторних двигунів на користь інжекторних.
    • При розподіленому упорскуванні палива для кожного циліндра встановлюється власна форсунка. В даному випадку її можна побачити у підстави впускного трубопроводу.
    • Якщо ж у двигуні використовується безпосередній впорскування палива, форсунки розташовують у верхній частині стінок циліндра. У цьому випадку вони виконують безпосереднє впорскування палива в камеру згоряння.

    Незалежно від того, де встановлена форсунка, в процесі своєї роботи вона забруднюється. Тому необхідно проводити періодичну перевірку їх стану і продуктивності. У відповідних статтях на сайті ви можете дізнатися докладно: як перевірити стан дизельних форсунок комон рейл, здійснити перевірку насос-форсунок або перевірити інжекторні форсунки.

    Чистка форсунок

    Для того щоб почистити форсунки використовують два методу — ультразвукову та хімічну чистку. Кожен з перерахованих методів можна використовувати при різних умовах. Так, в процесі забруднення паливної системи і, зокрема форсунки, на стінках утворюються тверді і м’які відкладення. Спочатку з’являються м’які, які легко змиваються під впливом хімічних засобів. Коли ж м’які відкладення ущільнюються, то вони перетворюються в тверді і позбутися від них можна лише за допомогою ультразвукової чистки.

    В ідеалі хімічну чистку форсунок необхідно проводити приблизно через кожні 20 тисяч кілометрів пробігу. А ультразвукову не більше 1-2 разів за весь період експлуатації, так як вона руйнує ізоляцію обмотки.

    Якщо ж форсунка використовувалася більше 100 тисяч кілометрів пробігу, то хімічна очистка для неї не тільки недоцільна, але і шкідлива. В її процесі можуть відколотися великі частинки твердих відкладень, і при виході їх назовні просто забити голку. Особливо це актуально для форсунок з безпосереднім уприскуванням палива.

    Загальні відомості про форсунках

    При використанні ультразвукової чищення важливо знати, на якому нормальному робочому напрузі працює форсунка. Справа в тому, що стандартна напруга 12 В не забезпечує високої швидкості відкриття і закриття форсунки. Тому в даний час багато автовиробників використовують знижена напруга. Наприклад, форсунки від компанії Toyota працюють при напрузі 5 В, а форсунки компанії Citroen — при напрузі 3 Ст. Відповідно, на них не можна подавати поширене напруга 12 В, оскільки вони просто перегорять. Про напрузі на форсунках ми поговоримо трохи нижче.

    Найкраща очищення буде полягати в послідовному використанні методу ультразвукової та хімічного очищення. Так, на першому етапі тверді відкладення перетворюються на м’які, а на другому — вони видаляються з допомогою хімічних препаратів.

    Також існують спеціальні присадки для додавання в паливний бак. Їх функція полягає в промиванні форсунок, коли через них проходить паливо з миючим засобом.

    Термін між періодичним використанням таких присадок відрізняється і залежить від конкретної марки автомобіля і використовуваного палива. Однак потрібно розуміти, що цей метод менш дієвий, ніж описані вище. Його має сенс застосовувати при заміні паливних фільтрів або періодично через кілька тисяч кілометрів пробігу. Додаткову інформацію про те, як почистити форсунку своїми руками ви можете подивитися в іншому матеріалі.

    Напруга на форсунках

    Зупинимося докладніше на питанні, яке напруга подається на форсунки двигуна. У першу чергу необхідно розуміти, що вони управляються за допомогою електричних імпульсів. Причому «+» від акумулятора подається відразу на форсунку через запобіжник, а ось «-» контролює ЕБУ. Тобто, в різний момент часу напруга на форсунці постійно. Однак якщо провести вимір з допомогою осцилографа (мультиметр в даному випадку може нічого не показати, оскільки імпульси дуже короткочасні), то цей прилад покаже усереднене значення. Воно буде залежати від того, з якою частотою надходять імпульси на форсунку.

    Загальні відомості про форсунках

    Графіки імпульсів напруги на форсунках

    Наведені на рисунку графіки допоможуть нам відповісти на питання — яка напруга подається на форсунку. Чим триваліша імпульси напруги, що подається на форсунку, тим усереднене робоча напруга буде вище (тривалість імпульсів у більшості машин знаходиться в межах 1…15 мс). А тривалі імпульси подаються на високих робочих обертах двигуна. Відповідно, чим вище оберти — тим вище буде усереднене робоча напруга на форсунках. Тобто, на форсунки подаються робочі 12 В (насправді трохи менше з-за незначного падіння напруги на керуючому транзисторі), проте в імпульсі.

    Деякі автовласники намагаються відкрити форсунку простий подачею струму від АКБ з метою почистити її. Необхідно розуміти, що напруга безпосередньо від акумулятора подавати на форсунку не можна, оскільки існує ризик того, що вона вийде з ладу (згорить її обмотка). Імпульс на пристрій подається через транзисторний ключ. Діє він короткочасно, оскільки обмотка у форсунці швидко нагрівається і може просто згоріти. В процесі роботи двигуна час відкриття контролює ЕБУ, а її природне охолодження, хай і незначне, здійснює надходить паливо.

    Як зазначалося вище, автовиробники використовують форсунки з різним робочим напругою. Тому ідеальним рішенням буде подивитися цю інформацію в мануалі автомобіля або на сайті виробника. Якщо ж ви не можете знайти ці відомості, то до підбору напруги для відкриття форсунки потрібно підійти обережно.

    На практиці щоб відкрити форсунку, досвідчені автомобілісти радять використовувати спеціальний стенд. Проте можна обійтися і більш простими пристосуваннями. Наприклад, купити китайський блок живлення з вихідною напругою, регульованим у межах 3…12 В (зазвичай з кроком 1,5 В). Схема підключення обов’язково повинна мати кнопку без стійкого положення (наприклад, від квартирного дзвінка). Для відкриття форсунки варто подавати спочатку найменша напруга, збільшуючи його у випадку, якщо форсунка не відкрилася.

    Якщо у вас низькоомні форсунки, то відкривати їх можна буквально долю секунди. Форсунки з великим опором можна тримати відкритими довше — 2…3 секунди.

    Також можна скористатися акумуляторною батареєю від шуруповерта. Розібравши її, ви побачите так звані «банки» — маленькі акумулятори. Кожна з них видає напругу 1,2 Ст. З’єднуючи їх послідовно, можна добитися потрібного напруги для відкриття форсунки.

    Управління форсунками

    Як згадувалося вище, управління форсунками відбувається за допомогою електронного блоку управління (ЕБУ) автомобіля. На основі інформації, що надходить від численних датчиків, його процесор приймає рішення про те, які імпульси подавати на форсунку. Від цього залежать обороти двигуна і режиму його роботи.

    Так, вхідними даними для контролера є:

    Загальні відомості про форсунках

    • положення і частота обертання колінчастого вала;
    • масове кількість витрачається двигуном повітря;
    • температура охолоджуючої рідини;
    • положення дросельної заслінки;
    • вміст кисню у відпрацьованих газах (при наявності системи із зворотним зв’язком);
    • наявність детонації в двигуні;
    • напруга в електричному ланцюзі автомобіля;
    • швидкості машини;
    • положення розподільного валу;
    • робота кондиціонера;
    • температура вхідного повітря;
    • їзда по нерівній дорозі (при наявності датчика нерівної дороги).

    Програма, вшита в контролер ЕБУ, дозволяє вибрати оптимальний режим роботи двигуна з тим, щоб заощадити паливо, вибрати номінальний режим роботи двигуна і забезпечити комфортну експлуатацію автомобіля.

    Висновок

    Незважаючи на простоту пристрою, паливні форсунки при неналежному догляді за ними, можуть принести автовласникові чимало клопоту. Так, у разі, якщо вони забилися, машина втрачає свої динамічні характеристики, з’явиться перевитрата пального, у вихлопних газах буде велика кількість гарі. Тому рекомендуємо вам стежити за станом паливних форсунок двигуна вашого автомобіля, і періодично очищати їх. Пам’ятайте, що несправності з цими, по суті, дріб’язковими і дешевими деталями можуть обернутися проблемами з більш дорогими вузлами вашого автомобіля.