Multi Diesel

авторизованный дизель сервис

Устройство пьезоэлектрической форсунки

В основе устройства форсунки этого типа лежит принцип обратного пьезоэффекта. Суть его заключается в том, что под действием поступающего напряжения происходит изменение геометрических параметров, в частности длины, кристалла, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. На этом же принципе, кстати, основаны проверка, диагностика и ремонт пьезофорсунок.

Основными узлами пьезофорсунки являются:

1. пьезоэлемент, соединенный с поршнем-толкателем;

3. переключающий клапан;

Принцип действия

Работа пьезофорсунки основана на принципе гидравлического сопротивления. В исходом состоянии игла устройства плотно посажена в седло. Этому способствует высокое давление над верхней ее частью, создаваемое топливным насосом. При поступлении сигнала из ЭБУ пьезоэлемент увеличивается в длине, что передает усилие на поршень толкателя. Последний открывает переключающий клапан. Благодаря этому топливо, находящееся над иглой, поступает в сливную магистраль за счет высокого давления. В результате этого давление топлива над иглой становится меньше, чем в нижней ее части. По закону гидравлики игла приподнимается и осуществляется впрыск топлива.

Достоинства пьезофорсунок

1. Максимальное быстродействие и совершенное управление фазами впрыска. По сравнению с электромагнитным клапаном пьезоэлектрический срабатывает в 4 раза быстрее. Это способствует меньшему времени отклика и лучшему и более точному разделению фаз впрыска.

2. Переменное значение давления впрыска. Пьезофорсунки лучше отвечают требованиям необходимости применения разного давления впрыска при различных фазах работы двигателя (запальной, рабочей).

3. Минимальный уровень шума при работе двигателя, что обусловлено быстродействием пьезоклапана и минимальным диаметром плунжера форсунки.

4. Высокий КПД форсунки благодаря тому, что для функционирования клапана требуется подавать электрический сигнал минимальной мощности. Уменьшение объема топлива поспособствовало сужению диаметра плунжера пьезофорсунки.

Особенности применения, диагностика и ремонт пьезофорсунок

Пьезоэлектрические форсунки существенно улучшают качество работы двигателя, уменьшают расход топлива и практически сводят к нулю вредные выбросы из-за неполного сжигания топливной смеси. Однако такая совершенная система впрыска требует и максимально качественно топлива. Малейшие загрязнения быстро выведут ее из строя и приведут к поломке. Только последующая проверка пьезофорсунок на стенде компании-производителя может дать точное определение истинной причины их поломок. В любом случае ремонт пьезофорсунок почти вдвое выгоднее покупки и установки новых.

УСТРОЙСТВО ФОРСУНКИ

Форсунка (инжектор), является основным элементом системы впрыска.

Назначение форсунки

Дозированная подача топлива, распыление его в камере сгорания (впускном коллекторе) и образования топливно-воздушной смеси. Форсунки нашли свое применение в системах впрыска бензиновых и дизельных двигателей. На современных автомобилях устанавливаются форсунки с электронным управлением впрыска.

Виды форсунок

Форсунки различаются в зависимости от способа осуществления впрыска топлива. Давайте рассмотрим основные виды форсунок :

• Электромагнитные форсунки ;
• Электрогидравлические форсунки ;
• Пьезоэлектрические форсунки.

Устройство электромагнитной форсунки

1 — сетчатый фильтр; 2 — электрический разъем; 3 – пружина; 4 — обмотка возбуждения; 5 — якорь электромагнита; 6 — корпус форсунки; 7 — игла форсунки; 8 – уплотнение; 9 — сопло форсунки.

Электромагнитная форсунка нашла свое применение на бензиновых двигателях, в том числе оборудованных системой непосредственного впрыска. Электромагнитной форсунка имеет простую конструкцию, которая включает электромагнитный клапан с иглой и соплом.

Как работает электромагнитная форсунка

Работа электромагнитной форсунки осуществляется в соответствии с заложенным алгоритмом в электронный блок управления. Электронный блок в определенный момент подает напряжение на обмотку возбуждения клапана. Вследствие этого создается электромагнитное поле, которое преодолевая усилие пружины, втягивает якорь с иглой и освобождает сопло форсунки, после чего производится впрыск топлива. Когда напряжение исчезает, пружина возвращает иглу форсунки обратно на седло.

Устройство электрогидравлической форсунки

1 — сопло форсунки; 2 – пружина; 3 — камера управления; 4 — сливной дроссель; 5 — якорь электромагнита; 6 — сливной канал; 7 — электрический разъем; 8 — обмотка возбуждения; 9 — штуцер подвода топлива; 10 — впускной дроссель; 11 – поршень; 12 — игла форсунки.

Электрогидравлическая форсунка применяется на дизельных двигателях. Электрогидравлическая форсунка включает электромагнитный клапан, камеру управления, впускной и сливной дроссели.

Как работает электрогидравлическая форсунка

Работа электрогидравлической форсунки основана на использовании давления топлива при впрыске. В обычном положении электромагнитный клапан закрыт и игла форсунки прижата к седлу силой давления топлива на поршень в камере управления. Давление топлива на иглу меньше давления на поршень, благодаря этому впрыск топлива не происходит.

Когда электронный блок управления дает команду на электромагнитный клапан, открывается сливной дроссель. Топливо вытекает из камеры управления через сливной дроссель в сливную магистраль. Впускной дроссель препятствует выравниванию давлений в камере управления и впускной магистрали, вследствие чего давление на поршень снижается, а давление топлива на иглу форсунки не изменяется. Игла форсунки поднимается и происходит впрыск топлива.

Устройство пьезоэлектрической форсунки

1 — игла форсунки; 2 – уплотнение; 3 — пружина иглы; 4 — блок дросселей; 5 — переключающий клапан; 6 — пружина клапана; 7 — поршень клапана; 8 — поршень толкателя; 9 – пьезоэлектрический элемент; 10 — сливной канал; 11 — сетчатый фильтр; 12 — электрический разъем; 13 — нагнетательный канал.

Пьезофорсунка (пьезоэлектрическая форсунка) является самым совершенным устройством, обеспечивающим впрыск топлива в современных автомобилях. Форсунка применяется на дизельных двигателях с системой впрыска Common Rail. Основные преимущества пьезоэлектрической форсунки в точности дозировки и быстроте срабатывания. Благодаря этому пьезофорсунка обеспечивает многократный впрыск на протяжении одного рабочего цикла.

Как работает пьезофорсунка (пьезоэлектрическая форсунка)

Работа пьезофорсунки основана на изменении длины пьезокристалла при подачи напряжения. Пьезоэлектрическая форсунка состоит из: корпуса, пьезоэлемента, толкателя, переключающего клапана и иглы.

Пьезофорсунка работает по гидравлическому принципу. В обычном положении игла прижата к седлу силой высокого давления топлива. Электронный блок подает электрический сигнал на пьезоэлемент и его длина увеличивается, воздействуя на поршень толкателя, открывает переключающий клапан и топливо поступает в сливную магистраль. Давление над иглой падает, и за счет давления в нижней части игла поднимается, что приводит к впрыску топлива. Количество впрыскиваемого топлива зависит от длительности воздействия на пьезоэлемент и давления топлива в топливной рампе.

Пьезофорсунки: что инженеру хорошо, то слесарю плохо

Пьезоэлектрические форсунки находят сейчас все большее применение в топливных системах Common Rail у современных дизелей. Конструкторы получают инструмент для точной настройки двигателей, а автовладельцы и механики — букет финансовых и технических нюансов. Так в чем тут достоинства и в чем недостатки? «Движок» будет разбираться с вопросом.

Путем прогресса

Состоявшееся в конце девяностых внедрение системы Common Rail стало новой вехой в развитии двигателя Дизеля. Рядный топливный насос высокого давления (ТНВД) сменил магистральный насос, а гидравлические форсунки уступили место форсункам с электромагнитными клапанами, управляемыми электроникой.

В отличие от прежней конструкции, где открывание иглы распылителя происходило только за счет давления, электрогидравлические форсунки работают несколько иначе. В состоянии покоя давление топлива на конусе иглы распылителя и в камере управляющего клапана, расположенного над иглой, оказывается одинаково, подпружиненная игла запирает сопла, и впрыска не происходит. Когда поступает сигнал от блока управления, электромагнитный клапан срабатывает, давление над иглой сбрасывается, она поднимается, открывая сопла, и осуществляется впрыск.

Подобным образом работают и пьезофорсунки, в которых вместо электромагнита с подвижным сердечником применяется другой исполнитель — пьезоэлемент. Он имеет форму квадратного столбика, состоящего из множества установленных друг на друга и спеченных между собой керамических пластинок. Под воздействием тока в них возникает пьезоэффект, за счет которого конструкция способна быстро изменить свою длину, воздействуя на управляющий клапан. По сравнению с электромагнитом пьезоэлемент обеспечивает более быстрое срабатывание, время которого составляет порядка 0,1 мс (против 0,5 мс у форсунки с электромагнитом), а также способен создать большее усилие по воздействию на клапан управления и имеет более высокую точность хода для быстрой отсечки подачи топлива.

Конструкция пьезоэлектрической форсунки: 1 — пьезоэлемент; 2 — гидрокомпенсатор; 3 — управляющий клапан; 4 — дроссельная шайба; 5 — игла распылителя

Применение пьезоэлемента в форсунке позволило конструкторам реализовать до десяти впрысков за один такт работы двигателя — предварительные, основной, послевпрыски. При этом сами порции, их объем и частоту здесь можно гибко регулировать, исходя из режимов работы двигателя. Таким образом, в моторе достигается плавность и полнота сгорания топлива, снижается шумность и токсичность. Для современных дизелей у легковых автомобилей пьезоэлектрические форсунки становятся неотъемлемым элементом в конструкции топливной системы. Но за высокие технологии приходится платить.

Чинить нельзя менять

С точки зрения сервиса главной особенностью пьезофорсунок оказывается высокая сложность ремонта, для которого необходимо специальное оборудование. В некоторых случаях ремонт и вовсе невозможен. При этом сами пьезофорсунки очень требовательны к качеству топлива, его составу и степени очистки, при снижении которых они быстро выходят из строя.

Для моторов легковых автомобилей пьезофорсунки производят такие компании, как Bosch, Delphi, Denso и Siemens. Но отдавать этот рынок сторонним сервисам по ремонту они не спешат, предлагая замену целиком. Компонент этот достаточно дорогой: в зависимости от марки и модели пьезофорсунка может стоить от 16 000 до 40 000 рублей. Поэтому ремонт, средняя стоимость которого составляет половину и меньше от цены новой форсунки, оказывается востребован. Но по силам он не каждому сервису.

Управляющий клапан чаще всего выходит из строя. При этом деталь изготавливается с высокой точностью и размерностью на микронном уровне.

Трудности начинаются уже с момента диагностики, которую невозможно провести в условиях гаражной мастерской. Например, тест на переливание, когда к штуцерам слива в обратную магистраль подсоединяются трубки со стаканами, в системе с пьезофорсунками просто так сделать нельзя, поскольку «в обратке» здесь должен быть подпор давлением.

Как рассказывают сервисмены, наиболее уязвимым оказывается управляющий клапан, который выходит из строя чаще всего. При этом он является одним из самых важных узлов — его неисправность может привести к выходу из строя всей форсунки. Клапан либо заменяется целиком, либо восстанавливается методом шлифовки и притирки рабочей кромки самого клапана и рабочей кромки седла клапана. Но сделать это непросто. Клапан имеет очень высокую, прецизионную точность изготовления с параметрами измерений на микронном уровне.
Например, поясок в верхней части плунжера клапана имеет ширину порядка ста микрон (одна десятая миллиметра), при этом должен быть определенный угол фаски. И чем точнее будут воспроизведены заводские параметры, тем легче будет настроить форсунку и тем большим будет дальнейший срок ее службы.

Дмитрий Ефременко, директор компании spbparts.ru — «Европром»:

— Подшипники качения в узлах отечественных обрабатывающих станков имеют большие допуски по люфтам и зазорам, чем клапаны пьезофорсунок. Соответственно, добиться требуемой точности на таких станках невозможно. Поэтому оборудование для восстановления нам потребовалось конструировать самим, отдельные узлы и элементы которого пришлось покупать в Швейцарии.

Восстановить можно и распылители, у которых обрабатываются и притираются игла и седло, продуваются сопла. Если распылитель необратимо поврежден (например, при перегреве форсунки), то берется деталь от другой форсунки, где распылитель можно восстановить. Точно так же поступают и с клапанами, разновидностей которых, в отличие от видов распылителей, в десятки раз меньше, что существенно облегчает подбор. Например, у пьезофорсунок Bosch более чем в десяти разных форсунках может использоваться один и тот же клапан.

В последнее время появились на рынке и новые запчасти (клапаны, гидрокомпенсаторы, распылители) китайского производства. Но качество их сильно «плавает», сложно разобраться, где пригодный к ремонту неоригинал, а где выброшенные деньги.

Предлагают китайцы в виде запчасти и пьезоэлемент, который тоже является одним из слабых мест пьезофорсунки. Но, как рассказывают сервисмены, его замена не оправдывает себя по трудозатратам. Часть пьезоэлемента прочно припаяна к колодке с разъемами, которая, в свою очередь, опрессована на корпусе, что образует неразборную конструкцию. Поэтому проще заменить эту часть корпуса целиком.

Каков итог?

Пьезофорсунка — высокотехнологичный компонент, изначально предназначенный для замены целиком и плохо поддающийся ремонту. Но жизнь диктует свои правила — появились сервисы, в которых научились восстанавливать эти детали так, чтобы клиент был доволен. Осталось сказать свое слово производителям неоригинала и начать выпуск аналогов. А также самим производителям оригинальных пьезофорсунок, предложив фирменные технологии восстановления и запчасти для ремонта.

Алексей Зубиков, руководитель развития сети Бош Дизель Центр / Сервис в России, Закавказье и Средней Азии:

— Для ремонта пьезофорсунок в мастерских Бош Дизель Сервис у компании пока нет технологий, не готовы комплекты специального инструмента и запасных частей. На данный момент мы можем только проводить диагностику форсунок этого типа. Планируется, что услуги по ремонту пьезофорсунок мы начнем оказывать с 2017–2018 года.