Насос-форсунка — принцип работы, устройство и особенности конструкции дизельного двигателя

Система подачи топлива, реализованная через насос-форсунки, представляет собой высокотехнологичное решение, применяемое в дизельных двигателях. В отличие от конфигурации Common Rail, где создание давления и непосредственный впрыск выполняются разными элементами, в данном случае обе задачи решаются одним компактным узлом — насос-форсункой.

Каждая такая форсунка устанавливается на отдельный цилиндр и функционирует автономно, выступая одновременно и насосом, и распылителем.

Насос-форсунка: принцип работы и особенности конструкции

Содержание:

Принцип построения системы

В системе каждый цилиндр оснащается собственной насос-форсункой, работающей независимо. Механизм запускается от распределительного вала, на котором расположены специальные кулачки.

Через систему рычагов (в частности, коромысел) вращательное движение преобразуется в поступательное и передается к плунжеру форсунки. Это создает давление, нужное для последующего впрыска.

Основные элементы конструкции:

плунжер — формирует необходимое давление в момент впрыска;
клапан управления — отвечает за точность времени подачи топлива;
запорный поршень — препятствует неконтролируемому поступлению топлива;
обратный клапан — предотвращает обратное движение дизеля;
распылительная игла — осуществляет введение топлива в камеру сгорания.

Все эти компоненты действуют в тесной синхронизации, чтобы обеспечить точную дозировку топлива и его своевременное поступление в систему.

Как работают элементы насос-форсунки

Насос-форсунка объединяет функции насоса высокого давления и форсунки, обеспечивая эффективное сгорание и экономию топлива.

Каждый ее элемент выполняет строго определенную задачу:

Плунжер. При нажатии кулачка плунжер движется вниз, а затем возвращается за счет пружины. Его главная функция — создание высокого давления, необходимого для впрыска.
Клапан управления. Отвечает за подачу топлива. Различают два типа — электромагнитный (срабатывает от электрического импульса) и пьезоэлектрический (реагирует на изменение структуры пьезоэлемента под действием напряжения).
Запорный и обратный клапаны. Обеспечивают стабилизацию давления и предотвращают обратный ток топлива.
Игла распылителя. Когда давление достигает заданного значения, игла приподнимается, и дизель поступает в цилиндр в виде мелкораспыленного потока, что способствует более полному сгоранию смеси.

Согласованное функционирование элементов насос-форсунки обеспечивает точную подачу топлива, стабильность работы двигателя и экономию ресурсов.

Этапы впрыска топлива: как все устроено

Функционирование насос-форсунки базируется на строго упорядоченном процессе, который включает три основные стадии впрыска топлива.

Каждая из них выполняет свою задачу:

Предварительная подача топлива — начальная фаза впрыска, цель которой — подготовить камеру сгорания к последующему воспламенению. Небольшое количество дизеля впрыскивается заранее, что делает воспламенение более плавным, снижает шум и вибрации.
Основной впрыск — в цилиндр поступает основной объем топлива, обеспечивающий тяговую мощность и стабильность работы двигателя в текущем режиме. В этой фазе реализуется максимальная эффективность преобразования тепловой энергии в механическую.
Дополнительный впрыск— активируется по необходимости, чаще всего в системах с сажевыми фильтрами. Его задача — обеспечить повышение температуры выхлопных газов для сжигания накопившейся сажи и запуска процесса регенерации фильтра.

Параметры каждой фазы — время, объем и давление впрыска — изменяются в зависимости от текущей нагрузки, частоты вращения и температуры двигателя.

Принцип работы насос-форсунки

Процесс работы насос-форсунки можно представить как серию точно скоординированных механических и гидравлических операций:

Вращение кулачка распределительного вала через коромысло передает усилие на плунжер, опуская его вниз и инициируя впрыск топлива.
В момент начала движения плунжера горючее поступает в камеру насос-форсунки из линии подачи низкого давления.
Как только управляющий клапан закрывается, внутренняя камера герметизируется, и давление резко возрастает.
При достижении значения около 13 МПа давление становится достаточным, чтобы приподнять иглу распылителя, преодолев сопротивление пружины. Таким образом происходит первичный впрыск — в цилиндр подается небольшая доза дизеля.

В зависимости от режима работы двигателя может быть реализован одинарный или двойной предварительный впрыск, что позволяет тонко настраивать процесс горения под разные условия.

Главная стадия — основной впрыск: путь к максимальной мощности

После фазы подготовки следует ключевой этап, на котором двигатель получает основную дозу энергии:

Плунжер продолжает движение вниз, сжимая оставшееся топливо, тем самым еще больше увеличивая давление в системе.
Клапан остается закрытым, что исключает возможность обратного выхода топлива и обеспечивает дальнейший рост давления.
Как только значение давления достигает около 30 МПа, игла распылителя открывается повторно, и в камеру сгорания впрыскивается основное количество топлива. На этом этапе происходит интенсивное формирование рабочей смеси, которая воспламеняется и дает двигательную силу.
Если система рассчитана на работу под высокими нагрузками, давление может доходить до 220 МПа, что позволяет впрыснуть максимальное количество топлива за минимальное время и получить повышенную производительность двигателя.
Когда электронный блок управления подает повторный сигнал на открытие клапана, давление резко падает, игла опускается, и впрыск прекращается.

Эта фаза является главным источником мощности и оказывает решающее влияние на эффективность, динамику и топливную экономичность двигателя.

Дополнительный впрыск: помощь экологии

Заключительная фаза — дополнительный впрыск, чаще всего используется в целях регенерации сажевого фильтра.

В этом процессе:

плунжер продолжает опускаться;
клапан снова закрывается на короткое время;
игла открывается при достижении нужного давления;
впрыскивается небольшая порция топлива, которая догорает в выпускной системе.

Это позволяет увеличить температуру в выхлопе и запустить процесс сжигания накопившейся сажи, что особенно важно для соответствия нормам Euro-5/6.

Электронное управление насос-форсунками

За контроль над всеми циклами впрыска отвечает ЭБУ — электронный блок управления.

Он получает данные от множества датчиков и регулирует:

момент срабатывания клапана;
длительность каждого этапа подачи топлива;
объем впрыскиваемого дизеля;
количество впрысков в одном цикле.

Параметры, которые ЭБУ отслеживает:

температура двигателя;
положение акселератора;
давление в турбонаддуве;
состав отработанных газов;
обороты коленчатого вала.

Эта система адаптирует работу двигателя к текущим условиям, обеспечивая стабильность и экономичность его функционирования.

Сильные и слабые стороны технологии

Достоинства насос-форсунок:

возможность создавать высокое давление впрыска;
отсутствие общей магистрали повышает надежность системы;
автономность каждой форсунки дает гибкость и точность регулировки;
компактность конструкции облегчает размещение насос-форсунок в головке блока цилиндров и упрощает компоновку двигателя;
ощутимая экономия топлива при сниженных выбросах.

Недостатки: сложная конструкция, требующая точной настройки и диагностики, высокая стоимость ремонта, особенно при выходе из строя клапана или плунжера, и повышенная чувствительность к качеству топлива.

На пике популярности в начале 2000-х система насос-форсунок широко использовалась в дизельных двигателях марок Volkswagen, Audi, Skoda и других. Но с течением времени она начала уступать место Common Rail, которая обеспечивает еще большую точность впрыска, тише работает и отличается повышенным ресурсом.

Тем не менее насос-форсунки не ушли в прошлое — они активно применяются в грузовом транспорте, сельхозтехнике и спецмашинах, где критичны надежность и устойчивость к нагрузкам.