Форсунка двигателя внутреннего сгорания: виды форсунок и принцип работы

Форсунка двигателя внутреннего сгорания: виды форсунок и принцип работы

Форсунка или инжектор – важный механизм топливной системы, предназначенный для своевременной и дозированной подачи и впрыска топливной смеси в камеру сгорания ДВС. Топливными форсунками оснащаются современные инжекторные системы в большинстве дизельных и бензиновых двигателей.

Фото: clauretano (flickr.com/photos/clauretano/)

Виды форсунок

По методу впрыска современные топливные форсунки делятся на три вида – электромагнитные, электрогидравлические и пьезоэлектрические.

Электромагнитные форсунки

Такой вид форсунок зачастую устанавливают в бензиновые двигатели. Подобные форсунки имеют простое и понятное устройство, состоящее, собственного говоря, из клапана электромагнитного типа, распылительной иглы и сопла.

Принцип работы электромагнитных форсунок также довольно прост. Подача напряжения на обмотку возбуждения клапана происходит строго в установленное время, в соответствии с заложенной программой.

Напряжение создает определенное магнитное поле, которое затягивает грузик с иглой из клапана, тем самым высвобождая сопло. Результатом всех действий является впрыск нужного количества топлива. По мере снижения напряжения, игла принимает исходное положение.

Электрогидравлические форсунки

Следующий вид форсунок применяется в дизелях, а также в двигателях с топливной системой Common Rail. Электрогидравлические форсунки в отличие от предыдущего вида имеют более сложное устройство, основными элементами которого являются дроссели (впускной и сливной), электромагнитный клапан и камера управления.

В основе работы такого типа форсунок лежит использование высокого давления топливной смеси как в момент впрыска, так и при его остановке. На начальном этапе электромагнитный клапан закрыт, а игла форсунки максимально прижата к своему седлу в камере управления. Прижимной силой является сила давления топлива, которая направлена на поршень, расположенный в камере управления.

Одновременно с этим с другой стороны топливо давит и на иглу, но поскольку площадь поршня заметно больше, чем площадь иглы, то в виду этой разницы сила давления на поршень больше, чем сила давления на иглу, которая плотно прижимается к седлу, перекрывая доступ топливу. В это время подача топлива не осуществляется.

Полученный сигнал от блока управления запускает клапан с одновременным открытием сливного дросселя. Происходит вытекание топлива из камеры управления в сливную магистраль. Дроссель впуска в это время препятствует тому, чтобы давление в камере сгорания и во впускной магистрали быстро выровнялось.

При этом, по мере снижения давления на поршень ослабевает его прижимное усилие, а поскольку давление на иглу не изменяется, то она поднимается, и в этот момент происходит впрыск топлива.

Пьезоэлектрические форсунки

Последний вид форсунок принято считать наиболее совершенным и перспективным среди всех описанных видов. Пьезофорсунки используются на дизельных ДВС с системой подачи топлива Common Rail. Конструктивно такие форсунки состоят из пьезоэлемента, толкателя, переключающего клапана, а также иглы.

Пьезофорсунки работают по принципу гидравлического механизма. Изначально игла размещается в седле при воздействии на нее высокого давления ТС. При поступлении электрического сигнала на пьезоэлемент, происходит его изменение в размере (его длина увеличивается), за счет чего пьезоэлемент буквально толкает поршень толкателя, который в свою очередь давит на поршень переключающего клапана.

Это приводит к открытию переключающего клапана, через него топливо устремляется в сливную магистраль, давление в верхней части иглы снижается и за счет не изменившегося давления снизу, игла поднимается. При подъеме иглы происходит впрыск топлива.

Основным преимуществом такого вида форсунок является их скорость срабатывания (до 4 раз быстрее, чем в клапанной системе), что позволяет обеспечить многократный впрыск за один рабочий цикл двигателя. При этом объем подаваемого топлива зависит от двух параметров – от продолжительности воздействия на пьезоэлемент, и от давления топлива в рампе.

Преимущества и недостатки форсунок

И в завершении хотелось бы сказать несколько слов о том, какие же преимущества и недостатки имеются у топливных форсунок, если сравнивать их с карбюраторами.

Преимущества топливных форсунок:

• Экономия при расходе топлива благодаря точной системе дозирования;
• Минимальный уровень токсичности двигателей, оснащенных топливными форсунками;
• Возможность увеличения мощности силового механизма до 10%;
• Простота и легкость при запуске в любую погоду;
• Возможность улучшения динамических показателей любого автомобиля;
• Отсутствие необходимости в частой замене и чистке

• Возможные сбои в работе или серьезные поломки в результате использования топлива низкого качества, которое губительно сказывается на чувствительном механизме форсунок.
• Высокая стоимость ремонта и замены форсунки в целом и отдельных ее элементов.

Методы чистки форсунок автомобиля

Причины засорения

Электромагнитные форсунки изготавливаются с допуском в 1 мкм и способны отработать до миллиарда циклов. Основной причиной нарушения их работы является загрязнение, хотя на пути механических частиц стоят топливные фильтры, отсеивающие частицы крупнее 10—20 мкм. Они устанавливаются в топливной магистрали автомобиля.

Форсунки имеют относительно небольшие размеры и призваны гарантировать чистоту топлива, отсекая особо мелкие включения, проникшие через фильтр тонкой очистки топлива. Поглощающая способность невелика, а засорившись, оставляют авто на голодном пайке. Поэтому нужно следить за состоянием фильтра тонкой очистки топлива и не заливать в бак сомнительный бензин.

Как происходит чистка форсунок

Применяют специальные очищающие добавки к топливу. Присадка при регулярном применении поддерживает форсунки в хорошем состоянии дольше обычного. Она растворяет отложения, но такая обработка профилактическая. Толстые наросты, почти закрывающие проходное сечение распылителя, таким средствам не по силам.

Есть у добавок другая особенность. Присадка, словно ершик, эффективно очищает бак и подающий топливопровод (до и после фильтра). После хлопья загрязнений могут попасть к форсункам, намертво закупорив входные фильтры.

Чтобы нейтрализовать этот эффект, применяют специальные устройства для очистки форсунок. Наиболее распространен метод очистки на работающем двигателе, как самый простой и достаточно эффективный. Специальная установка подает горючее на вход топливной рампы или к форсунке центрального впрыска. Штатную систему топливоподачи — бак, электробензонасос, фильтр тонкой очистки и трубопроводы — отключают. Двигатель работает на специальном сольвенте, который служит одновременно топливом и очистителем.

Очистка ультразвуком

Форсунки предварительно демонтируют и помещают в специальную ванну. Под воздействием ультразвуковых колебаний частички жидкости каждую секунду совершают возвратно-поступательное движение с частотой генератора. Из-за инерционности происходит не только перемещение микрообъемов жидкости с резкими изменениями ускорения, но и скачкообразное изменение давления в них.

Рабочая жидкость «бомбардирует» поверхность очищаемого изделия и срывает частички грязи. Такое интенсивное движение раствора усиливает размельчение частичек грязи в рабочей жидкости. Полная очистка от загрязнений при помощи ультразвука достигается даже в самых узких отверстиях. Форсунки погружают дозирующей частью в ванну, устанавливая в специальный держатель.

Как часто надо делать

Обычно автолюбителя чистят форсунки раз в 5 лет или при пробеге авто более 80 000 км. Иногда нужно делать раньше, если часто заправляете некачественным бензином на сомнительных АЗС. Как понять, что надо чистить? Это происходит, когда машина потеряла былую мощность.

• Есть ли толк от присадок для двигателя

Например, нажимаете на педаль газа, чтобы ускориться, а автомобиль «тупит» — не сразу разгоняется. Значит засорилась топливная система. А сначала надо сменить топливный фильтр (обязательно) и по желанию добавить спирта в бензобак (или специальные присадки для очистки инжектора). Если ничего не помогает, то ехать в сервис или делать самостоятельно.

Диагностируем и чистим форсунки

Характеристики двигателя и автомобиля в целом не могут быть реализованы без чистых форсунок. Что происходит с форсунками при работе двигателя, как поддерживать их в чистом состоянии и как их очистить, если они засорились — об этом и пойдет речь в настоящей статье, которая адресована тем кто ездит на современном автомобиле.

Сначала коротко о предмете разговора. Рассматриваться будут электромагнитные форсунки (инжекторы) бензиновых двигателей, которые применяются в распределенных (многоточечных) системах впрыска топлива современных автомобилей. Форсунки (инжекторы) одноточечных (центральных) систем впрыска топлива рассматриваться не будут, т. к. они в силу своих конструктивных особенностей «болеют» реже, хотя многие рассматриваемые вопросы в полной мере будут справедливы и для них.

В системе впрыска форсунки являются основным исполнительным устройством, которое выдает определенную дозу топлива (в зависимости от сигналов с контроллера управления двигателем) и распыляет его на мелкие частицы вблизи впускного клапана каждого цилиндра двигателя. Не вдаваясь в конструктивные особенности форсунок и принцип их работы, отметим три основных параметра, которые очень важны в реальных условиях эксплуатации: производительность форсунки (пропускная способность в открытом состоянии при рабочем давлении в см3мин), факел распыления, характеризующийся углом распыления в градусах и дисперсностью частиц топлива, герметичность сопряжения седло — клапан. Установлено, что когда топливо распыляется на частицы диаметром менее 15мкм, то его смешивание с воздухом происходит на молекулярном уровне, топливо — воздушная смесь получается однородной и наиболее полно сгорает в цилиндрах двигателя, обеспечивая ему максимальную мощность и крутящий момент.

Что же происходит с форсунками при работе двигателя, какие появляются симптомы при грязных (закоксованных) форсунках, как поддерживать их в чистом состоянии, как оценить их состояние не вынимая из двигателя и как очистить их при необходимости — вот те вопросы, которые и будут рассмотрены ниже.

На седлах форсунок и на сопряженных с ними поверхностях запорных клапанов со временем образуются смолистые отложения и запорный клапан не может плотно сесть на седло. В результате форсунка теряет герметичность и после остановки двигателя топливо «капает» во впускной коллектор, где испаряется, что приводит к трудному пуску горячего двигателя. Смолистые отложения уменьшают и проходное сечение сопла форсунки, оно как бы «зарастает» и уменьшается в размерах. В результате уменьшается производительность форсунки и изменяется факел распыления, форсунка уже не делает «туман», а в факеле появляются «струи» топлива, которые плохо смешиваются с воздухом или часто направлены в сторону от впускного клапана. В результате при резком нажатии на педаль дроссельной заслонки появляется «провал» в динамике разгона автомобиля, одновременно возрастает и расход топлива .Объясняется это тем, что лямбда — зонд (датчик кислорода) выдает сигнал в контроллер о «бедной» топливо — воздушной смеси и время открытого состояния форсунок до определенного предела увеличивается, т.е. система лямбда — регулирования как бы пытается скомпенсировать уменьшение производительности форсунок увеличением времени впрыска топлива.

Есть еще одна деталь в форсунке, которая загрязняется смолистыми отложениями, мелкими механическими включениями и «запирается» попавшей в нее водой — это входной фильтр. Он очень маленьких размеров и соответственно с маленькой фильтрующей поверхностью. Маленькие ячейки сетки не пропускают воду и механические загрязнения, которые под давлением бензонасоса прошли через магистральный топливный фильтр. Грязь и вода очень часто «закупоривают» фильтр под самую «крышу» и топливо вообще не проходит через форсунку. Процесс загрязнения входных сеток форсунок идет интенсивно при заправке автомобиля на АЗС, где нет фильтров для отделения воды и механических примесей, при нерегулярной смене магистрального топливного фильтра, чем большее давление развивает бензонасос и чем большую он имеет производительность. В последних двух случаях более интенсивно идет «вымывание» грязи из магистрального топливного фильтра и «заталкивание» ее во входные фильтры форсунок. Вот почему входная сетка форсунки центрального впрыска, имея сравнительно большую фильтрующую поверхность и работающая при сравнительно низком давлении (0,8 — 1,2 кгссм 2 ) при тех же неблагоприятных условиях засоряется несравнимо реже.

Какие же внешние проявления на автомобиле, с форсунками которого произошли вышеописанные процессы? Это трудный пуск двигателя, особенно с наступлением холодов, когда испаряемость топлива ухудшается, «провал» в динамике разгона, слабая динамика в движении, повышенный расход топлива, неустойчивая работа двигателя на холостом ходу, «гуляние» оборотов холостого хода. Здесь следует отметить, что такие проявления могут быть и по другим причинам. Например, «провал» может быть по причине недостаточного давления в системе впрыска или дефекта в датчике положения дроссельной заслонки, повышенный расход топлива из -за вышедшего из строя лямбда — зонда и многим другим причинам. Поэтому, прежде чем «списать» все эти проявления на форсунки и принять решение о необходимости их чистки и быть уверенным в том, что все будет устранено, нужно провести диагностику всех датчиков и систем, задействованных в управлении двигателем на предмет их исправности.

Из вышеизложенного невольно возникает вопрос — как продержать форсунки в чистом состоянии возможно больший срок до наступления проблем? Первое и самое банальное правило — заправляться нужно там, где есть гарантия, что в бак не попадет грязь и вода. В противном случае сразу придется менять топливный фильтр, чистить сетку бензонасоса и откачивать грязь из бензобака. Если это не сделать своевременно, то через день — другой придется вынимать и форсунки из двигателя для чистки. Если автомобиль с приличным пробегом не применять никаких присадок к топливу для чистки форсунок, которые заливаются в топливный бак. Положительного эффекта от применения не приходилось наблюдать, а отрицательный- очень часто. И причина не в качестве или эффективности таких средств, а в качестве топлива. Дело в том, что отложения, которые «сидят» на стенках бензобака, магистральных трубопроводах, в самом топливном фильтре растворяются под действием этих присадок и «хлопья» этих отложений намертво «закупоривают» входные фильтры форсунок. Форсунки быстрее закоксовываются если автомобиль эксплуатируется только в городском цикле езды да еще и с короткими «перебежками» и многократным остыванием двигателя. В таких случаях периодически нужно выезжать на загородную трасу и проехать несколько десятков километров на большой скорости. Форсунки не сохраняют своих характеристик, когда автомобиль длительное время (более полугода) не эксплуатируется. В таких случаях если и удается запустить двигатель, то ездить практически невозможно. Если автомобиль с питанием «газ-бензин» то пользоваться форсунками нужно не только для запуска двигателя, а нужно хотя бы один раз в неделю ездить на бензине.

Итак, с учетом всего вышеизложенного, можно перейти к вопросу оценки состояния форсунок и принятия решения о их чистке. Как уже было сказано выше, нужно проверить и исключить из дальнейшего рассмотрения все датчики системы задействованные в управлении двигателем, неисправность которых приводит к таким же симптомам как и грязные форсунки. Если в арсенале СТО имеется мотор-тестер, то косвенно состояние форсунок можно определить в процедуре где измеряются пробивные напряжения искровых промежутков свечей зажигания Известно, что величина пробивного напряжения зависит не только от величины компрессии в цилиндрах и зазоров в свечах, но и от состава топливо-воздушной смеси возле электродов свечи в момент пробоя. Если смесь «бедная» то пробивные напряжения будут большими (порядка 10. 12кв), и наоборот, при «богатой» смеси будут маленькими (порядка 2. 3кв). Если после этого выкрутить свечи и визуально осмотреть состояние керамических изоляторов на центральных электродах свечей, то прямым подтверждением состояния форсунок будет черный изолятор до самого основания где смесь «богатая», «седой» изолятор где смесь «бедная» и светло-коричневый где смесь нормальная. Конечно, полученная таким образом информация не дает ответа какая у форсунок производительность, но чтобы принять решение — чистить, вполне достаточная. Есть еще один способ оценить состояние форсунок с помощью мотор — тестера или осциллографа. Для этого необходимо измерить длительность импульса впрыска на форсунках в режиме холостого хода (при исправном лямбда — зонде на полностью прогретом двигателе).Эта длительность при засоренных форсунках будет в среднем на 20% больше номинального значения. Привести номинальные значения хотя бы на наиболее распространенные автомобили не позволяет размер статьи, поэтому рекомендую набрать статистику самостоятельно.

Теперь о самой процедуре чистки. Прежде всего следует сказать о том ,что существует два способа чистки. Первый — это когда форсунки чистятся на работающем двигателе по так называемой «штатной» схеме. Второй — это когда форсунки извлекаются из двигателя и чистятся отдельно от него. Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки. Достоинства первого способа — довольно несложная процедура, небольшие затраты времени и невысокая стоимость работы . Одновременно с форсунками чистятся от смолистых «наростов» и нагара впускные клапаны, камеры сгорания, днища поршней, освобождаются закоксованные кольца и выравнивается компрессия по цилиндрам. Все это вместе способствует более полному наполнению цилиндров свежей топливо — воздушной смесью, уменьшается склонность двигателя к калильному зажиганию, которое губительно для двигателя в режиме больших нагрузок и высоких оборотов коленвала. Недостаток способа — нет объективных данных о производительности форсунок, факеле распыления и о чистоте форсунок можно судить только по лучшей работе двигателя и динамике автомобиля. Достоинства второго способа — есть объективные данные о состоянии форсунок после извлечения их из двигателя и чистить их можно до тех пор, пока не будут получены требуемые параметры. Недостаток способа — часто довольно сложная операция по снятию форсунок т.к. приходится снимать часть навесного оборудования вплоть до впускного коллектора, большие затраты времени и соответственно выше стоимость работ, форсунки ставятся обратно чистыми, а все остальное (клапаны, поршни, кольца, камеры сгорания) остались со смолистыми отложениями и нагаром. В результате полностью не наступает ожидаемый эффект. Поэтому принимать решение каким способом чистить нужно сообразуясь с конкретными условиями возникновения проблемы. Например, если форсунки не чистились 100 тыс. км.пробега и более, или проблемы возникли после очередной заправки ( а замена фильтра ничего не изменила) или после заливки в бак присадок к топливу, то о первом способе нужно сразу забыть. Если форсунки регулярно чистились (примерно через 20 тыс.км.) и есть уверенность в том , что в бак не попадала грязь и вода, нет глубокого «провала» а только неустойчивый холостой ход — то можно рекомендовать первый способ.

Форсунки: как проверить и очистить не снимая с двигателя

Форсунка на инжекторном двигателе автомобиля играет определяющую роль в стабильности его работы. Она важна ничуть не меньше свечей зажигания или поршней, поскольку без грамотного впрыска топлива не произвести детонацию в строго заданный момент. Форсунка впрыскивает топливо в камеру сгорания двигателя в определенном объеме, что позволяет поддерживать максимально экономичный и производительный режим работы ДВС. Электронный блок управления автомобиля регулирует количество подаваемого форсункой топлива.

Признаки неисправности форсунки

Если возникают проблемы со стабильностью работы двигателя, то однозначно сказать, что в этом виновата форсунка или любой другой компонент нельзя. Необходимо проверить катушку зажигания, свечи зажигания, компрессию в цилиндрах и другие компоненты, которые отвечают за детонацию в камере сгорания, в том числе форсунки.

Вот лишь некоторые из проблем, которые указывают на неисправность форсунок:

• Двигатель автомобиля показывает неустойчивую работу на холостом ходу;
• Значительно возросло потребление топливо;
• Имеются проблемы с пуском двигателя;
• Автомобиль потерял в динамике, и при обгоне или резком ускорении чувствуется нехватка мощности и рывки двигателя.

Если подобные проблемы имеются в автомобиле, можно начать диагностику двигателя с проверки форсунки. Существует несколько методов, как проверить форсунки не снимая с двигателя, и ниже о них пойдет речь.

Как проверить форсунки не снимая с двигателя при помощи мультиметра

Диагностический прибор мультиметр является верным помощником любого автомобилиста. Он позволяет не только проверить предохранители или аккумулятор, но и диагностировать неисправность форсунок. Чтобы проверить форсунки мультиметром необходимо сделать следующее:

1. Снимите высоковольтные провода с форсунок и загляните в техническое руководство к автомобилю, чтобы определить, в вашем двигателе установлены форсунки высокого импеданса или низкого импеданса – это потребуется для точной диагностики;
2. Установите мультиметр в режим замера сопротивления и подведите диагностические провода к выводам форсунки, после чего произведите замер;

В той ситуации, когда показатели отличаются от рекомендованных, следует снять форсунку с автомобиля и проверить ее более детально, а при необходимости заменить.

Проверка форсунок не снимая с двигателя на слух

Если вы считаете себя достаточно опытным в плане диагностики неисправностей автомобиля, то можете попробовать определить проблемы с форсункой на звук. При работающем двигателе внимательно прислушайтесь к издаваемым из блока цилиндров звукам. Глухой звенящий звук свидетельствует о том, что имеются проблемы в работе форсунок двигателя. В таких случаях рекомендуется провести очистку форсунок.

Проверка механических свойств форсунки

Механические свойства форсунок проверить самостоятельно довольно сложно, учитывая необходимость в специфическом оборудовании для проведения подобных процедур. Во многих автомастерских имеются специальные стенды для проверки механических свойств форсунок. С их помощью можно определить:

• Какой поток топлива проходит через форсунку при работе двигателя;
• Как выглядит «факел» распыления топлива из форсунки при работе двигателя. Если топливо проходит через форсунку неравномерно, велика вероятность, что необходимо ее прочистить.

Проверка механических свойств форсунки является наиболее точным методом диагностики данного компонента двигателя внутреннего сгорания.

Как очистить форсунки не снимая с двигателя

Если диагностирована неисправность форсунок двигателя, не исключено, что они загрязнены. Чтобы исправить ситуацию не снимая форсунки с мотора, можно:

Использовать специализированные присадки для очистки двигателя, которые заливаются в топливный бак;

Специалисты рекомендуют выполнять очистку форсунок двигателя каждые 30-35 тысяч километров, даже если не наблюдаются проблемы в работе двигателя.