Работа форсунки инжектора; принцип действия форсунок в двигателе

Форсунка инжектора служит для распыления поступающего топлива, которое подаётся под высоким давлением. По способу впрыска их можно разделить на три категории:

1. Электромагнитного принципа действия.
2. Электрогидравлическая.
3. Пьезоэлектрический вариант.

Давайте в сжатой форме ознакомимся с каждым вариантом.

• Электромагнитная форсунка.

Простейший вариант, который устанавливается на двигатели, в том числе моторы с непосредственным впрыском. Вид топлива: бензин.

• Электрогидравлическая форсунка.

Она используется на дизельных двигателях. В том числе, агрегирует с системой Common Rail.

• Пьезоэлектрическая форсунка.

Вариант более современный по сравнению с вышеперечисленными форсунками. Применяется на дизельных двигателях. Достаточно сказать, что скорость работы в четыре раза быстрее, чем у электромагнитной форсунки.

Три вида инжектора – какой впрыск выбрать

Молодое поколение водителей уже и не знает, что раньше инжекторных моторов не было – почти все бензиновые силовые агрегаты были карбюраторные. Но экология и развитие технологий вытеснили их, сегодня системы подачи топлива сплошь компьютерные. Но их развитие не остановилось. Современный автомобиль с бензиновым мотором может быть оборудован тремя типами впрыска – распределенным, непосредственным или комбинированным. Чем они отличаются и какой из них лучше рассмотрим в этой статье.

На фото — распределенный впрыск топлива

Распределенный впрыск (MPI)

Формально это не первый вид впрыска, и не он пришел на смену карбюратору. Был еще так называемый моновпрыск – топливо во впускной коллектор подавала одна форсунка. Несмотря на то, что управление у нее было электронным, по сигналам с датчиков, заметного преимущества моновпрыск перед карбюратором не дал: основная проблема с оседанием топлива на стенках коллектора сохранилась. Моновпрыск популярности не получил, а автомобильные инженеры сразу перешли к впрыску распределенному.

Схема моновпрыска, стрелочка указывает на форсунку

Основная его особенность – наличие индивидуальной форсунки на каждый цилиндр. Впрыск топлива происходит во впускной коллектор, в нем происходит смесь с воздухом. Форсунки расположены около впускных клапанов, топливу не нужно блуждать по недрам коллектора, смесь получается стабильной. Уже этот факт позволил снизить расход, повысить мощность и улучшить экологичность. Кроме того, система распределенного впрыска получилась недорогой – форсунки простые, бензонасос дешевый, все отточено и хорошо работает. Неудивительно, что распределенный впрыск до сих пор остается самым популярным, особенно на недорогих автомобилях, для которых себестоимость производства и цена владения имеют важное значение.

Схема распределенного впрыска топлива

Минус у распределенного впрыска сегодня один – он достиг потолка по эффективности. Инженеры уже выжали максимум, дальше ни расход топлива снижать, ни мощность увеличить невозможно, поэтому конструкторам приходится искать новые варианты, чтобы укладываться во все более строгие экологические рамки и удовлетворять запросы покупателей, которые постоянно хотят более экономичные и более мощные автомобили.

Непосредственный впрыск (GDI)

Довольно очевидно, что главное направление улучшения характеристик – образование топливо-воздушной смеси прямо в цилиндре. Да, по сравнению с карбюратором и моновпрыском, потери топлива на проход по коллектору у распределенного впрыска заметно меньше, но они все равно есть. Что-то остается на коллекторе, что-то на впускных клапанах. Всего этого можно избежать если подавать бензин прямо в цилиндр. Так и происходит на моторах с непосредственным впрыском.

Слева распределенный впрыск MPI, справа непосредственный GDI

То, что это работает, хорошо видно по характеристикам. GDI-моторы мощнее и экономичнее собратьев с распределенным впрыском. Прибавка составляет порядка 5-10%, что не так уж и мало. Такой результат достигается не только за счет меньшей потери топлива, но и за счет гибкости, которую инженеры получают в настройке впрыска. Например, они могут «играть» с так называемым стехиометрическим числом – соотношением бензина и воздуха в смеси. Обедненные смеси, в которых мало бензина, но много воздуха, на распределенном впрыске невозможны – они просто напросто не смогут воспламениться по законам физики. У непосредственного впрыска эта проблема решена очень элегантно, бензин распыляется около свечи зажигания, рядом с ней смесь богатая, но по всему остальному цилиндру – бедная. Получается, что и с воспламенением проблем нет, и топлива используется меньше.

Еще одна перспективная тема для непосредственного впрыска – управлением моментом подачи топлива. В зависимости от нагрузки на мотор, топливо можно подавать на разных циклах движения поршня (например, на сжатии или на впуске) и получать нужный результат по соотношению мощность/экономичность. Эта сфера еще не до конца исследована и оставляет инженерам большой простор для улучшения показателей моторов.

Вид на двигатель GDI сверху

Казалось бы, непосредственный впрыск намного лучше распределенного и должен был бы его уже вытеснить. Но оказалось все не так просто. У GDI-моторов нашлись и серьезные минусы.

Во-первых, сильно усложнилась конструкция. Форсунки более дорогие и сложные, обычного насоса в баке уже не хватает, требуется использовать дополнительный ТНВД, который повышает себестоимость системы. Кроме того, очень сильно возрастают требования к качеству топлива. Форсунки и ТНВД сильнее страдают от некачественного бензина, а ремонт оказывается очень дорогим. Неудивительно, что на дешевых машинах непосредственный впрыск встречается нечасто – он реально дороже в обслуживании чем распределенный.

ТНВД двигателя 4G93

Во-вторых, обнаружились и технические проблемы. То, что бензин не проходит через впускные клапана обратилось не только в плюсы, но и в минусы для самих клапанов. Они больше не смазываются и не охлаждаются бензином. Из-за этого на машинах с непосредственным впрыском на впускных клапанах часто образуется нагар, а это приводит к неправильной работе всего мотора. Яркий пример – двигатель ЕP6 (Prince), о котором мы уже рассказывали.

Нагар на клапанах

Не удивительно, что в России первые GDI-моторы получили так сказать «плохую прессу», с российским «серным» бензином ТНВД и форсунки служили недолго, а их замена всегда была дорогой. Сейчас качество топлива чуть выросло, да и агрегаты постепенно избавляются от детских болезней, но до сих пор нужно признать, что распределенный впрыск в целом чуть более надежный чем непосредственный.

Нельзя сказать, что перечисленные недостатки ставят крест на непосредственном впрыске, но то, что они сдерживают его развитие, это точно.

Комбинированный впрыск

Популярная тема последних 5-6 лет – использование на одном моторе обоих типа инжектора. То есть у машины есть два комплекта форсунок – один установлен перед клапанами во впускном коллекторе, а второй – прямо в цилиндрах. В зависимости от настройки ЭБУ, в разных режимах может работать как одна форсунка, так другая, или вообще обе сразу – тут тоже непаханное поле для экспериментов и улучшений. Обычно в простых режимах движения используются форсунки в коллекторе, а когда нужно поднажать и от мотора требуется максимум, то подключаются форсунки в цилиндрах. Может быть и чуть иначе, настройки у каждого мотора свои.

Комбинированный впрыск топлива

Объединение впрысков помогает решить технические проблемы. Если часть бензина идет из коллектора, то впускные клапана нормально охлаждаются и смазываются. Жизнь форсунок тоже по идее должна увеличиться, ведь они теперь используются по очереди. При этом все эксперименты с бедной смесью и временем впрыска на комбинированной системе тоже возможны.

Однако проблему сложности и долговечности комбинированный впрыск не решает. У него все равно есть ТНВД, дополнительные форсунки и очень замороченная настройка. Своими силами ремонтировать такие машины очень сложно. Есть и другие заморочки в обслуживании таких машин, например, при установке ГБО, уже есть «газовые» решения, которые могут работать и с комбинированным впрыском, но они дорогие и сложные в настройке и установке.

Двигатель 2.5 Smartstream с комбинированным впрыском топлива Kia K5

На сегодняшний момент с разными типами инжекторов сложилась понятная ситуация – есть отработанная и проверенная технология (мы имеем в виду распределенный впрыск), которая за годы использования избавилась от проблем, дешева и надежна, но которая исчерпала резервы к улучшению и уже не всегда устраивает по эффективности. И есть более перспективные технологии, сложные, пока менее надежные и заметно более дорогие, но дающие лучший результат и в целом более прогрессивные. Наверное, когда-то распределенный впрыск тоже будет отправлен на свалку истории, но у нынешних покупателей машин есть выбор – либо предпочесть надежность и дешевизну, либо мощность и экономию топлива. И не факт, какой из этих выборов лучше.

Почему загрязняются форсунки?

Говорят, что Клод Луи Бертолле, отмывая руки от открытой им бертолетовой соли, как-то сказал: «Грязь – это вещество не на своем месте». Применительно к форсункам, загрязнения каналов распылителя могут появляться внутри форсунки естественным путем – это осадки тяжелых фракций топлива, остатки недогоревшей ТВС или продукты износа топливной системы. Но есть загрязнения, которые при исправной топливной системе ни при каких обстоятельствах в распылителях оказаться не должны. Вода, ржавчина, мелкий песок – они вполне могут проходить через сетку бензонасоса, но должны задержаться в фильтре тонкой очистки. Он имеет не слишком большую грязеемкость, а при сильном загрязнении его шторки могут порваться и пропустить все, что не нужно.

Распылитель современных форсунок имеет тончайшие каналы, поэтому отложения толщиной несколько микрон значительно уменьшают сечение канала форсунки, нарушают равномерность факела распыла. Если говорить об эксплуатационных моментах, усугубляет состояние инжекторов использование топлива низкого качества, короткие поездки в городском цикле и сложные условия эксплуатации.

Загрязнение впрыска приводит к переобогащению топливной смеси (читай – повышенному расходу горючего), ухудшению воспламенения, пропускам зажигания, оказывает комплексное негативное влияние на основные системы автомобиля.

Существует три способа промывки форсунок:

1. Промывка в ультразвуковой ванне,
2. Безразборная промывка с подключением промывочной станции к топливной рампе,
3. Промывка с помощью присадок.

LAVR делает автохимию для всех этих способов, поэтому может честно и подробно рассказать о каждом методе, его преимуществах и недостатках.

Отличие скоростных форсунок от обычных

Выбирая газовую форсунку ГБО, следует, обратить внимание на скорость функционирования этих устройств. Т.к. инжекторы различаются скоростью закрытия и открытия штока. Также, отличаются сопротивлением катушки электрического клапана, типами штоков, внешним видом и разъемом. Именно, от двигателя и его объема будет зависеть, какая именно форсунка необходима для машины: скоростная или обычная.

Стоит отметить, что характеристики мощности ГБО, а также экономия пропана или метана будет зависеть от скорости срабатывания форсунок ГБО и от того, насколько точным будет впрыск газа в систему двигателя. К примеру, на машину, которая имеет мощный двигатель, следует устанавливать скоростные инжекторы (например, АЕВ или Hana). А если объем двигателя составляет 1,5 л, то устанавливают форсунки обычные (например, RAIL).

У скоростных форсунок сопротивление катушки составляет 1,9 Ом, а скорость срабатывания инжектора – 2мс, давление максимальное – 4,5 bar.

При этом, у обычных инжекторов сопротивление катушки составляет – 3 Ом, производительность – 15-35 л.с./цил., давление максимальное – 3,0 bar, давление рабочее – от 0,5 bar до 2,0 bar.

Основные параметры газовых форсунок

Форсунки, предлагаемые на рынке производителями, очень разнообразны по своему техническому исполнению и конструктивным характеристикам.

Основными и принципиально важными моментами при выборе этого элемента системы ГБО служат следующие моменты:

• материал, из которого изготовлен корпус;
• тип применяемого топлива;
• напряжение, при котором работает катушка;
• давление, вырабатываемое при работе и максимальное давление;
• временной интервал, за который открываются элементы;
• период закрытия;
• диапазон температур, при которых работает движок;
• диаметр выпускного штуцера снаружи;
• размеры седла клапана;
• вариации в размерах жиклеров газовых форсунок.

Важно учитывать каждую приведенную техническую точность, потому что каждое значение дает существенное изменение в работе комплекта ГБО и сильно влияет на корректную работу агрегата.

Способы очистки форсунок

Очистка форсунок — ответственное дело, которым должны заниматься подготовленные специалисты. В средствах массовой информации, на автомобильных форумах часто можно встретить мнение, что не стоит тратиться на дорогостоящую процедуру промывки форсунок. Достаточно залить в бензобак очиститель топливной системы.

Делать этого не стоит. В бензобаке, каким бы чистым не был заливаемый бензин, всегда скапливаются отложения, конденсируется влага. Очиститель топливной системы не работает выборочно. Он начнет с бензобака. Все отложения прямым путем, поскольку фильтр с ними не справится, направятся в форсунки. В итоге, в лучшем случае, все равно придется промывать форсунки, а в худшем их заменить.

Существуют способы очистки на двух типов:

• демонтаж форсунок и промывка на специальном стенде очищающими жидкостями, либо в ультразвуковой ванне;
• промывка непосредственно на двигателе посредством подключения резервуара с промывочной жидкостью вместо штатного бензобака.

Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки. Промывка без демонтажа менее трудоемка, в дополнение удаляется нагар на клапанах. Но работа двигателя на промывочной жидкости приводит ухудшению консистенции масла и выводит из строя свечи зажигания. Разумно проводить такую процедуру вместе с техническим обслуживанием, когда в любом случае свечи и масло будут заменены.

Демонтаж форсунок требует более высокой квалификации исполнителя, занимает больше времени. Но преимущества данного метода перевешивают недостатки:

• производительность форсунок измеряется непосредственно на стенде;
• визуально выявляется негерметичная игла распылителя, когда закрытая форсунка подтекает;
• видно качество распыления, стабильность конуса;
• легко оценить состояние уплотнительных колец: подсасывание воздуха через них неприятный и трудно диагностируемый дефект.

Если преследовать профилактические цели, можно делать промывку без демонтажа системы. В случаях, когда двигатель работает неровно, расходует много бензина, других неприятностях, форсунки лучше снять и промыть на стенде.

Конструкция и принцип функционирования электрогидравлической форсунки

Фотография устройства электрогидравлической форсунки

Электрогидравлическое оборудование такого плана применяют на дизельных двигателях, включая и те, которые оборудованы системой впрыска под названием «Common Rail». Конструкция устройства данного типа объединяет в себе электромагнитный клапан, сливную и впускную дроссели, камеру управления.

Принцип работы данного оборудования основан на применении давления топлива, и при впрыске, и после его прекращения. Электромагнитный клапан в исходном положении обесточен и полностью закрыт, игла устройства прижата к седлу с помощью силы давления на поршень топлива в камере управления. В таком положении впрыск топлива не осуществляется. Следует отметить, что в такой ситуации давление топлива на иглу в связи с разностью площадей контакта менее давления, осуществляемого на поршень.После команды электроблока управления происходит срабатывание электромагнитного клапана и осуществляется открытие сливной дроссели. При этом, топливо, находящееся в камере управления, вытекает в сливную магистраль через дроссель. Впускной дроссель служит препятствием тому, чтобы произошло быстрое выравнивание давлений не только во впускной магистрали, но также и в камере управления. Постепенно давление на поршень уменьшается, но не изменяется давление топлива, осуществляемое на иглу — в результате этого происходит поднятие иглы и, соответственно, впрыск горючего.

Новые разработки

Конструкторы же на достигнутом не останавливаются. Своеобразную доработку прямого впрыска сделали в концерне VAG в силовом агрегате TFSI. У него систему питания объединили с турбокомпрессором.

Интересное решение предложила компания Orbital. Они разработали особую форсунку, которая помимо топлива впрыскивает в цилиндры еще и сжатый воздух, подающийся от дополнительного компрессора. Такая топливовоздушная смесь обладает отличной воспламеняемостью и хорошо сгорает. Но это пока только разработка и найдет ли она применение на авто, пока неизвестно.

В целом же, непосредственный впрыск сейчас является самой лучшей системой питания в плане экономичности и экологичности, хоть и имеются у нее свои недостатки.