Форсунки в двигателе: принцип работы и устройство

Топливные форсунки являются обязательными элементами любого современного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Применяются как на бензиновых, так и на дизельных силовых агрегатах. Отвечают за своевременный и точно дозированный впрыск топлива в камеры сгорания. В случае некорректной работы или отказа хотя бы одной форсунки ДВС не выдаёт заложенные в него характеристики, с трудом запускается, расходует больше топлива, быстрее изнашивается. Для сохранения заводских параметров двигателя предусмотрен регламент диагностики и замены этих деталей топливной системы.

Что такое форсунка и для чего нужна в ДВС?

Форсунка — это устройство, предназначенное для распыления определённого количества топлива в камере сгорания двигателя. Исправно работающая форсунка подает бензин или солярку под давлением, что в совокупности с геометрией сопла обеспечивает быстрый, своевременный впрыск. Топливо при этом разбивается на мельчайшие частички, образуя так называемый факел. Это способствует лучшему перемешиванию с воздухом, облегчает воспламенение топливовоздушной смеси и делает её горение более эффективным.

От корректности работы и исправности форсунок зависят такие параметры ДВС:

• мощность;
• крутящий момент;
• легкость запуска;
• стабильность работы на холостом ходу;
• приемистость;
• расход топлива.

Двигатель с неисправными, изношенными или засоренными форсунками с трудом запускается, "не держит холостые", "троит", плохо реагирует на нажатие педали акселератора. Неизбежно увеличивается расход топлива. Из-за форсунок часто горит аварийная индикация на приборной панели, а также может нарушаться слаженность работы других систем двигателя.

Количество форсунок в двигателе

В конце прошлого века в бензиновых автомобильных ДВС была всего одна форсунка. Топливная система этого типа называлась моновпрыск. Форсунка подавала топливо в общий коллектор, откуда под воздействием разрежения оно затягивалось в камеры сгорания. Такая система принципиально мало отличается от карбюратора. Однако двигатели с моновпрыском — это был неслабый скачок в развитии ДВС.

Позже появился так называемый непосредственный впрыск, который полностью вытеснил карбюраторы и моновпрыск. По крайней мере, в автомобильной технике. Конструктивно непосредственный впрыск заключался в наличии одной независимой форсунки на каждый рабочий цилиндр. То есть в четырёхцилиндровом моторе их 4, в V-образной "шестёрке" 6, и так далее. Каждая форсунка срабатывает в конце такта сжатия перед рабочим ходом поршня.

Непосредственный впрыск ощутимо изменил мир ДВС. За счёт того, что топливо подается в камеры сгорания индивидуально, существенно улучшились характеристики двигателей — мощность, крутящий момент, расход топлива. А с появлением форсунок, которые впрыскивают топливо в две-три подачи за один такт цилиндра, характеристики шагнули ещё на порядок вверх.

Устройство и принцип работы форсунок

Независимо от типа форсунки имеют схожую конструкцию. Это герметичный корпус, внутри которого имеется подпружиненная игла, закрывающая сопло. Последнее находится непосредственно в камере сгорания или в так называемой предкамере. Топливо к форсунке поступает по топливопроводу. Обычно это металлическая трубка, рассчитанная на высокое давление. Когда форсунка неактивна, топливо находится в ней под давлением, возвращаясь в топливную систему через обратный канал. В момент активации форсунки игла поднимается, открывая сопло. Топливо устремляется в камеру сгорания, распыляясь там равномерным мелкодисперсным факелом.

В двигателях внутреннего сгорания применяются следующие виды форсунок:

• механические;
• гидравлические;
• пьезоэлектрические;
• электромагнитные.

Наиболее распространенные механические и электромагнитные, поэтому рассмотрим их устройство и принцип работы более детально.

Механические форсунки

Сегодня применяются в простых дизельных моторах, где не предусмотрено электронное управление топливной системой. Основные детали такой форсунки — это игла с соплом и пружина. Последняя подбирается и регулируется на строго определённое усилие. Топливо по каналам форсунки поступает таким образом, чтобы при достижении определённого порога давления игла преодолевала усилие пружины и поднималась, открывая сопло.

Управлять механической форсункой невозможно. Её можно лишь правильно изготовить и отрегулировать, когда она в разобранном состоянии. Регулировка заключается в изменении усилия пружины, которая давит на иглу. Делается это при помощи регулировочных шайб. При их добавлении пружина сильнее сжимается и оказывает большее давление на иглу. В результате для открытия сопла требуется большее давление топлива. Подобная регулировка осуществляется на простом стенде, вне двигателя.

Электромагнитные форсунки

Такие форсунки повсеместно применяются как в бензиновых, так и в дизельных автомобильных двигателях. В герметичном корпусе находится подпружиненная игла, закрывающая сопло, как и в механических аналогах. Однако за поднятие иглы отвечает электромагнит (соленоид), который срабатывает по команде электронного блока управления двигателем.

Как правило, электромагнитные форсунки не регулируются, а в некоторых случаях вообще не предусмотрена их разборка. Это делает конструкцию более надежной, однако разобрать и тщательно промыть все детали устройства невозможно. В отличие от примитивных механических форсунок, которые чистятся обычно в полностью разобранном виде.

Работает электромагнитная форсунка очень просто. Топливо нагнетается в каналы корпуса и находится там под давлением. В нужный момент по сигналу электронного блока управления двигателем срабатывает электромагнит, поднимая иглу. Сопло открывается и, поскольку топливо находится под давлением, оно вырывается в камеру сгорания или предкамеру, образуя мелкодисперсный факел. Смешиваясь с воздухом, который был затянут в цилиндр на первом такте и сжат на втором, бензин или солярка превращаются в легковоспламеняемую топливооздушную смесь.

Именно электронное управление дало возможность реализовать форсунки, которые впрыскивают топливо по несколько мелких доз на протяжении одного и того же такта. Такой подход позволил значительно улучшить воспламенение топливовоздушной смеси, снизить ударные нагрузки на двигатель и существенным образом уменьшить токсичность выхлопных газов.

Типовые признаки неисправности форсунок

Точно установить неисправность или отказ какой-либо форсунки позволяет только детальная диагностика на специальном стенде. Однако существует целый ряд косвенных признаков, указывающих на некорректную или нестабильную работу форсунок. Заметив эти симптомы, необходимо обратиться в техсервис для определения источника проблемы и ремонта топливной системы.

К основным признакам неисправности форсунок можно отнести:

1. Затрудненный запуск холодного двигателя. Форсунка может при этом подавать топливо, однако не распылять его как следует. Из-за этого ухудшается качество топливовоздушной смеси, которая "неохотно" воспламеняется.
2. Нестабильные холостые. Неисправность проявляется при отказе одной из форсунок или когда она срабатывает условно через раз. В результате рабочие цилиндры "тянут на себе" пропускающего, из-за чего холостые обороты плавают.
3. Плохая приемистость. При нажатии на педаль газа двигатель вяло развивает обороты, есть "провалы", "хлопки". Чаще всего это происходит из-за того, что форсунка некачественно распыляет топливо, в результате чего оно не воспламеняется или делает это с трудом и через раз.
4. Сизый дым из выхлопной трубы. Указывает на то, что часть поданного топлива не сгорает или сгорает неполностью. Происходит из-за засорения форсунок и неправильного распыления.
5. Повышенный расход топлива. Оптимальный расход достигается только при условии правильной работы форсунок. Если одна из них плохо распыляет, "льет", "пропускает" — двигатель в итоге потребляет больше топлива, не выдавая заложенного в него потенциала.

Еще одним признаком неисправности форсунок является внезапное повышение уровня масла на ряду со снижением его вязкости. Это происходит в случаях, когда игла не перекрывает полностью сопло. В результате топливо стекает через цилиндр в поддон двигателя, смешиваясь с моторным маслом.

Распространённые неисправности форсунок

Точно определить неисправность форсунок возможно только на специальном стенде. В редких случаях некоторые поломки поддаются диагностике без извлечения деталей из двигателя.

Типовые неисправности:

• загрязнение каналов, иглы и сопла;
• износ прецизионно подогнанных друг к другу иглы и сопла;
• ослабление упорной пружины;
• короткое замыкание или обрыв в обмотке соленоида;
• разрушение корпуса форсунки из-за теплового воздействия.

Только в случае засорения форсунки поддаются ремонту. При всех остальных неисправностях деталь полностью подлежит замене. В примитивных механических форсунках допускается замена пружины или пары игла-сопло. Однако, как показывает практика, такой локальный ремонт не дает идеального результата. Всё потому, что даже самая простая форсунка — это очень точное устройство, работающее нормально только в собранном на заводе состоянии.

Диагностика форсунок

Диагностика выполняется на специальных стендах. Для её выполнения форсунки полностью отключаются от топливной системы и "мозга", а также извлекаются из двигателя. Диагностика позволяет определить:

1. Общую работоспособность форсунки.
2. Герметичность корпуса и пары игла-сопло.
3. Качество распыления топлива.
4. Давление, при котором происходит впрыск.

Если форсунка некачественно распыляет топливо, и причина не в износе прецизионных деталей, то она подвергается очистке.

Методы чистки форсунок

Существует несколько способов очистки топливных форсунок:

1. Присадки в топливо. Содержащие агрессивные к налёту вещества жидкости заливаются дозированно в топливный бак при заправке. Вместе с бензином или соляркой они попадают на поверхности форсунок, очищая их от грязи. Помогает только при регулярном использовании при несильных загрязнениях. Подобные присадки, как правило, временно ухудшают приёмистость и стабильность работы двигателя.
2. Промывка. Выполняется на стенде или после разборки форсунок на детали. Для промывки используются специальные агрессивные жидкости или применяемое в двигателе топливо (бензин, солярка). Механическая чистка металлическими или иными жёсткими предметами не допускается.
3. Ультразвук. Форсунки погружаются в собранном или разобранном виде в ультразвуковую ванну, где налипшая на деталях грязь "сбивается" ультразвуковыми волнами. Крайне эффективный и самый щадящий для прецизионных деталей метод.

Частота и способ промывки зависит от степени загрязнения форсунок, на что в большей степени влияет качество используемого топлива.

Замена форсунок

Однозначной замене подлежат форсунки, которые не показывают на стенде заводских характеристик. Предварительно выполняется чистка описанными выше способами. Без всякой чистки меняются форсунки с разрушенным корпусом, изношенной парой игла-сопло, с коротким замыканием или обрывом обмотки соленоида. В случае замены менять рекомендуется весь комплект.