Насос-форсунка: принцип работы и устройство

Содержание:
Насос-форсунки – система впрыска, предназначена для подачи топливной смеси в дизельных двигателях. Использование подобной системы дает возможность увеличить мощность мотора, уменьшить топливные расходы и токсичность, уровень шума.







В системе впрыска данного типа за подачу топлива и его распределение отвечает единое центральное устройство – насос-форсунка. При этом каждой цилиндр оснащен своей собственной форсункой.





Система приводится в действие от распредвала, оснащенного специальными кулачками, которые через коромысло воздействуют на насос-форсунку, обеспечивая ее работу.

Устройство системы насос-форсунки

В состав системы насос-форсунка входят такие элементы, как: плунжер, поршень запорный, управляющий и обратный клапаны, игла распылителя.



Плунжер предназначен для создания рабочего давления внутри форсунки. При этом движение плунжера поступательного характера обеспечивается кулачками распредвала, а возвратное движение – пружиной.

Основной функцией управляющего клапана является впрыск топлива, а точнее управление впрыском. В подобных системах может применяться два вида клапанов – электромагнитные и пьезоэлектрические.

Клапан на основе пьезоэлемента является более совершенным за счет высокого быстродействия. Главным элементом конструкции управляющего клапана является его игла.





Пружина распылителя необходима для обеспечения надежной посадки иглы распылителя в седле. Пружинное усилие дополняется усилием давления топлива, и осуществляется это все при помощи запорного поршня, установленного с одной стороны от пружины и обратного клапана, расположенного с противоположной стороны от пружины.

Игла распылителя обеспечивает непосредственный впрыск дизельного топлива в камеру сгорания двигателя.

Управляются насос-форсунки посредством блока управления двигателем, который на основании данных, получаемых с датчиков, управляет работой клапана насос-форсунки.

Как работает система насос-форсунки

Эффективное получение и распределение ТВС в системе насос-форсунки происходит в три этапа – предварительного, основного и дополнительного впрыска топлива.

Предварительный впрыск

Этап предварительного впрыска предназначен для обеспечения плавного сгорания ТВС на этапе основного впрыска. Этап основного впрыска в свою очередь обеспечивает бесперебойную подачу  топливной смеси на всех рабочих режимах ДВС.

Итак, на предварительном этапе подачи топлива насос-форсунка работает по следующей схеме. Кулачек распредвала передает механическое усилие на коромысло, которое опускает плунжер вниз.

Топливная смесь начинает подаваться по каналам, расположенным в корпусе форсунок. Далее происходит закрытие клапана с временным прекращением подачи топлива. При этом создается высокое давление ТС, достигающее 13 МПа.

При таком уровне давления игла, преодолевая усилие, которое оказывает на нее пружина, осуществляет предварительный впрыск горючей смеси.

Завершением этапа предварительной подачи топлива служит открытие входного клапана. Топливо попадает в магистраль, одновременно снижается его рабочее давление. На данном этапе может быть произведен один или два впрыска ТС в зависимости от режима работы дизеля.

Основной впрыск

Начало этапа основного впрыска сопровождается последующим опусканием плунжера. После закрытия клапана давление ТС продолжает нарастать и достигает 30 МПа. При таком давлении происходит поднятие иглы и основная подача топлива.

Высокое давление обеспечивает значительное сжатие топлива, вследствие чего в камеру сгорания поступает его большее количество. Самый большой объем горючей смеси подается при максимально возможном давлении в 220 МПа, чем достигается максимальная мощность двигателя.

Завершение этапа основного впрыска происходит аналогично предыдущему этапу после открытия входного клапана. Это сопровождается снижением давления топлива и опусканием распылительной иглы.



Дополнительный впрыск

Завершающим этапом является дополнительный впрыск, который используется для очистки сажевого фильтра от копоти, сажи и загрязнений. Дополнительная подача топлива осуществляется при опускании плунжера по схеме, аналогичной основному впрыску. На данном этапе, как правило, проводится два впрыска дизельного топлива.

Система питания с насос-форсунками: плюсы и минусы

Чем хороша насос-форсунка? Как и следует из названия, насос-форсунка представляет собой своеобразный гибрид между насосом высокого давления и форсункой,  в котором ТНВД выполняется для каждой форсунки «персонально». 

Несмотря на относительную сложность и дороговизну такой конструкции, по крайней мере, в сравнении с другой современной и широко распространенной системой питания - Common Rail, система с насос-форсунками имеет ряд неоспоримых достоинств. В первую очередь – это возможность впрыскивать топливо под очень высоким давлением, которое способно разрушить паразитические элементы классической системы питания и системы Common Rail – трубопроводы высокого давления.

Именно трубопроводы высокого давления чаще всего устанавливают предел давлению впрыска в таких системах – трубки нередко лопаются, не выдерживая колоссальных динамических нагрузок – пульсирующего под большим давлением топлива и вибрации, которая неизбежно сопровождает работу двигателя. Насос форсунка не нуждается в длинных трубопроводах, поэтому способна работать при несравненно высоком давлении. Давление в системе подачи топлива насос-форсунками такое мощное, что при утечке струя топлива может легко «разрезать» одежду и кожу на теле человека.

Более высокое давление впрыска позволяет эффективнее наполнять цилиндры топливом, поскольку при одинаковой продолжительности впрыска система с высоким давлением пропустит через отверстия распылителя форсунки большую порцию топлива. Кроме того, качество распыливания тоже напрямую зависит от того, под каким давлением впрыскивается топливо.

Итак, преимущества системы очевидны, осталось выяснить, почему же она лишь в последние годы привлекла пристальное внимание конструкторов и получила заслуженную популярность.

История изобретения насос-форсунки

Системы питания дизелей типа насос-форсунка начали серийно применяться на грузовых автомобилях с 1994 года, а на легковых с 1998 года. Однако первые испытания таких систем имели место значительно ранее – в первой половине прошлого века.

В 1938 году американской компанией Detroit Diesel, (Детройт) принадлежащей General Motors (Дженерал Моторс), был построен первый в мире серийный дизель с системой питания насос-форсунками. Работа над аналогичными системами велась в это время и в нашей стране, но она была прервана Великой Отечественной войной.

Тем не менее, первые дизельные двигатели – четырехцилиндровые двухтактники ЯАЗ-204 были оснащены насос-форсунками уже в 1947 году. Справедливости ради следует отметить, что они были изготовлены по лицензии все той же фирмы Detroit Diesel.

Двигатель ЯАЗ-204, а также сделанный на его базе шестицилиндровый аналог, с некоторыми доработками выпускались до 1992 года.

В 1994 году компания Volvo выпускает свой первый европейский грузовик FH12 с насос-форсунками, а через некоторое время такая система питания появляется на Scania и Iveco.

В сегменте легковых автомобилей первенство в освоении моторов с насос-форсунками принадлежит Volkswagen. На автомобилях этой компании дизельные моторы с насос-форсунками появились в 1998 году. В конце 90-х годов двигатели с насос-форсунками занимали примерно 20% рынка топливной аппаратуры европейских дизелей.

Интерес к системам питания насос-форсунка (как, впрочем, и системы Common Rail) заметно возрос после появления компьютерных систем управления работой двигателя.  Это позволяло эффективнее управлять подачей топлива в дизелях, используя сигналы различных датчиков, обрабатываемых электронным блоком управления. На смену механическим насос-форсункам пришли электронные. Рассмотрим принцип работы каждой из таких форсунок.

Принцип работы механической насос-форсунки

Как указывалось выше, механическая насос-форсунка состоит из портативного топливного насоса высокого давления и распылительной части в одном корпусе. ТНВД находится в верхней части насос-форсунки, распылитель в нижней. Привод насоса высокого давления осуществляется от специальных кулачков, выполненных на распределительном валу двигателя, поэтому насос-форсунки, как правило, размещаются под клапанной крышкой и снаружи их не видно.

Принцип работы механической насос-форсунки незамысловатый. Кулачок распределительного вала через рычаг-коромысло толкает плунжер насос-форсунки, благодаря чему давление в ней резко возрастает и по достижении определенного значения поднимает иглу распылителя.

После этого  топливо поступает в камеру сгорания по обычному сценарию, как и у классического дизеля. Рабочая смесь самовоспламеняется от сжатия, и расширяющиеся газы выполняют полезную работу, перемещая поршень.



Недостатки такой системы напрямую связаны с высоким развиваемым давлением, из-за чего сопрягаемые детали (кулачки распределительного вала, золотниковое запорное устройство и т. п.) интенсивно изнашиваются. Это отражается в неравномерности работы цилиндров из-за изменения фаз впрыска, и количества подаваемого топлива, появляются внутренние утечки топлива, и эффективность работы двигателя снижается. Кроме того, невозможно управлять впрыском, из-за чего механической насос-форсунке недоступен многократный впрыск, позволяющий эффективнее сжигать топливо в цилиндре двигателя.



Негативного влияния этих недостатков в значительной степени позволяет избежать применение управляемых электронных насос-форсунок, которые в последние годы постепенно вытесняют своих примитивных механических собратьев.

Электронные насос-форсунки

Управляемые электроникой насос-форсунки работают несколько иначе, чем механические. Давление создается также, как и в механической насос-форсунке - при помощи плунжера, но началом и продолжительностью впрыска «руководит» электронный блок управления двигателем. При этом количество впрыскиваемых в цилиндр порций топлива может доходить до десяти за один такт, распределенных на три основные фазы:

➤ предварительный впрыск;
➤ основной впрыск;
➤ дополнительный впрыск.

Предварительный впрыск производится для достижения плавности сгорания смеси при основном впрыске. Основной впрыск обеспечивает качественное смесеобразование на различных режимах работы двигателя. Дополнительный впрыск осуществляется для регенерации (очистки от накопленной сажи) сажевого фильтра.

Для управления впрыском топлива предназначен клапан управления, размещенный на корпусе насос-форсунки.

В зависимости от привода различают электромагнитный и пьезоэлектрический управляющие клапаны. Пьезоэлектрические клапаны пришли на смену электромагнитным клапанам благодаря высокому быстродействию. Основным конструктивным элементом клапана является игла клапана.

Форсунка с пьезоэлектрическим управлением

(пьезофорсунка) является наиболее совершенным устройством, обеспечивающим впрыск топлива. Ее основным преимуществом является быстродействие - пьезофорсунка срабатывает примерно в четыре раза быстрее форсунки, управляемой электромагнитным клапаном. Это позволяет подавать в цилиндр больше топлива за время впрыска, точнее дозировать порцию топлива, а также использовать преимущества многократного впрыска.

Управление пьезофорсунками осуществляется посредством пьезоэлемента (пьезокристалла), который способен деформироваться, т. е. изменять линейные размеры под воздействием электрических импульсов. Обычно в работе таких форсунок используется гидравлический принцип, когда в исходном положении запорная игла прижимается к седлу высоким давлением топлива. Полость, в которой размещена запорная игла такой форсунки, разделена на два объема - верхний и нижний, и в обычном состоянии давление топлива в них одинаковое. При этом усилие на иглу со стороны верхней полости превышает усилие со стороны нижней полости за счет разности поверхностей, на которых воздействует давление топлива. Чаще всего плотная посадка иглы распылителя на седло дополнительно обеспечивается пружиной, усилие которой в системах, работающих по гидравлическому принципу, поддерживается давлением топлива.

При подаче блоком управления электрического сигнала на пьезоэлемент его длина изменяется и пьезокристалл воздействует на переключающий клапан, сбрасывая давление в верхнем объеме в сливную магистраль. Поскольку давление топлива в верхнем объеме полости резко падает, избыток давления в нижнем объеме поднимает иглу и в этот момент осуществляется впрыск.

Достоинства и недостатки насос-форсунки

Как уже отмечалось выше, насос-форсунки,  в отличие от аккумуляторного впрыска системы питания Common Rail, позволяют впрыскивать топливо под давлением более 2000 бар благодаря отсутствию длинных топливопроводов высокого давления, которые нередко разрушаются при работе дизеля и являются слабым звеном классической системы питания и системы Common Rail. Повышение давления в насос-форсунках позволяет за очень короткий период впрыска подать в цилиндры больше топлива, при этом его распыление и смешивание с воздухом происходит эффективнее, и, следовательно, топливо сгорает полнее. Поэтому двигатели с насос-форсунками отличаются высокой удельной мощностью, экономичностью и экологичностью.

Помимо этого двигатели с такой системой впрыска работают тише своих собратьев с Common Rail или классической системой питания с механическим ТНВД с механическими форсунками. Кроме того, система впрыска с насос-форсунками компактнее.

Недостатки насос-форсунок не менее серьезные. Самый главный минус – это предельная требовательность насос-форсунок к качеству топлива. Вода, грязь и суррогатное топливо для них губительны.

Второй существенный недостаток - высокая стоимость насос-форсунки. Ремонт этого прецизионного узла трудноосуществим вне заводских условий. Поэтому владельцам автомобилей с такой системой питания приходится приобретать новые насос-форсунки взамен пришедших в негодность.

В качестве примера - минимальная стоимость насос-форсунки для VW Passat 2006 года - 18 тысяч рублей.

Еще одна неприятность - под колоссальным давлением насос-форсунки нередко разрушают посадочные гнезда в блоке дизельного двигателя.



Основная причина ухудшения мощностных показателей двигателей с насос-форсунками (например, система питания двигателей автомобилей FH12) - износ клапанов управления подачи топлива, следствием чего является увеличение хода клапана и резкое снижение гидравлической плотности всей системы управления. У специалистов этот дефект называется разрывом линии нагнетания.

Если сравнивать практичность насос-форсунок и системы Common Rail, то немаловажно, что система питания с насос-форсунками даже при выходе из строя одной форсунки, позволяет самостоятельно добраться до ближайшего сервиса. Common Rail при выходе из строя хотя бы одной форсунки останавливает двигатель, блокирует его запуск до устранения неисправности и стирания из памяти блока управления возникших ошибок.

Особенности эксплуатации насос-форсунок

Самые распространенные неисправности насос-форсунок связаны с износом клапанного узла и распылителей. Причина выхода из строя этих узлов связана, прежде всего, с плохим качеством топлива и неправильной эксплуатации автомобиля с этой системой.

Ни в коем случае нельзя добавлять в бак автомобиля с насос-форсунками бензин, керосин, тормозную жидкость и прочие добавки для повышения морозоустойчивости летнего дизельного топлива.



Для повышения срока службы насос-форсунок необходимо сократить интервал замены топливных фильтров. Причем устанавливать необходимо только оригинальные, разрешенные заводом-изготовителем фильтрующие элементы.

Устройство и принцип действия насос-форсунки - видео