Как работает распылитель форсунки

Распылители форсунки – это механические устройства, предназначенные для распыления топлива в инжекторных и дизельных системах. Подача бензина или солярки при этом осуществляется под высоким давлением. Что примечательно, на бензиновых двигателях распыление производит под давлением 3-5 атмосфер, в то время как на дизельных впрыск осуществляется при 1000-1200 атм.

Для чего она нужна?

Данная деталь выполняет сразу несколько функций в системе подачи топлива. Во-первых, она дозирует нужное количество впрыскиваемого бензина. Во-вторых, распылитель форсунки (КАМАЗ-5460 в том числе) выполняют функцию управления и приготовления струи топлива. И в-третьих, данное устройство отделяет систему впрыска от самой камеры сгорания двигателя.

Зачастую современные распылители дизельных форсунок состоят из одного-двух каналов (сопел), по которым топливо подается на выход и в дальнейшем распыляется в камеру сгорания. Качественная деталь должна обеспечивать ровное конусообразное распыление жидкости.

Разновидности

На данный момент существует лишь два типа механизмов:

• Штифтовые устройства.
• Многоструйные (бесштифтовые).

В первом случае штифтовые распылители форсунки применяются в механизмах вихре- и предкамерных дизельных двигателей. Многоструйными устройствами укомплектовываются чаще всего автомобили, имеющие непосредственный впрыск топлива, в том числе на машинах с системами «Коммон Райл». Оба механизма имеют свои особенности конструкции, однако их принцип работы и главная функция от этого не меняется.

Алгоритм работы

Когда распылители форсунки находятся в открытом положении, жидкость впрыскивается в камеру сгорания. От ее количества и качества подачи зависит очень много факторов, начиная от мощности двигателя и заканчивая расходом топлива. Если распыление происходит неправильно, автомобиль начинает дымить, терять динамику и при этом потреблять большее количество горючего. Происходит постоянная закоксовка форсунки, что может привести к полному выходу ее из строя. Герметичность устройства, находящегося в закрытом состоянии, обеспечивает плотная посадка наконечника иглы в седло корпуса распылителя. Когда распылители форсунки находятся в закрытом положении, данная игла удерживается специальной пружиной, которая действует от запорного конуса стороны устройства. Также стоит отметить, что в системах впрыска «Коммон Райл» вместо пружины применяется давление самой горючей жидкости.

Прежде чем топливо попадет в камеру сгорания, оно нагнетается в форсунку, после чего проходит по специальным каналам вовнутрь распылителя (о них мы говорили в начале статьи). Постепенно топливо нагнетается в данное устройство, вследствие чего в системе образуется давление. Как только его значение достигнет необходимой величины, пружина иглы распылителя открывается и начинается процесс впрыска топлива в цилиндр. При этом стержень открывшегося устройства ходит внутри направляющего канала в корпусе форсунки.

Форсунки и установленные в них распылители являются элементами топливной системы, непосредственно обеспечивающими впрыск топлива. Они оказывают непосредственное влияние на процесс сгорания и, следовательно, на мощность двигателя. на выброс вредных веществ с ОГ и шумность. Для обеспечения оптимальной работы форсунок и их распылителей требуется не только множество вариантов конструкций, но также исключительно точная адаптация к данному двигателю. Форсунки и их распылители должны отвечать следующим требованиям:

• обеспечение требуемой характеристики впрыска топлива (распределение давления впрыска и количеству впрыскиваемого топлива по углу п.к.в.);
• необходимые тонкость распыливания и распределение топлива по камере сгорания;
• уплотнение форсунки в камере сгорания.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания через распылители форсунок, которые в топливных системах с индивидуальными ТНВД устанавливаются отдельно в головке блока цилиндров. В топливных системах Common Rail и с насос-форсунками распылители интегрированы в корпус форсунки. Игла распылителя форсунки поднимается под действием давления топлива, и количество впрыскиваемого топлива в основном определяется сопловыми отверстиями и продолжительностью впрыска. Распылители должны соответствовать различным условиям, определяемым конструкцией двигателя, и которыми являются:

Рис.30 Пример использования форсунки в дизеле с непосредственным впрыском топлива. 1 — форсунка с пружиной, фильтром и соединениями, 2 — распылитель форсунки, 3 — головка блока цилиндров, 4 — камера сгорания.

• тип камеры сгорания (предкамера, вихревая камера, открытая камера — непосредственный впрыск топлива);
• форма камеры сгорания;
• форма и направления факела распыливания топлива;
• проникающая способность” факела и тонкость распыливания топлива;
• продолжительность впрыска;
• количество впрыскиваемого топлива по углу п.к.в.

Необходимая гибкость и минимум вариантов индивидуальных деталей обеспечиваются стандартами размеров и отдельных узлов.

Форсунки и распылители форсунок: применение.

Форсунки со ступенчатым упором

Стандартные рядные ТНВД

ТНВД с дозирующей муфтой

ТНВД распределительного типа с аксиальным расположением плунжера (VE)

Роторные ТНВД распределительного типа (VR)

Топливные системы с индивидуальными ТНВД

Топливные системы с насос-форсунками

Топливная система Common Rail

Форсунки

Форсунки могут комбинироваться с различными распылителями, при этом форсунки подразделяются на стандартные (с одной пружиной) и форсунки с двумя пружинами.

Вариант конструкции форсунки со ступенчатым упором особенно подходит для установки в условиях стесненного пространства.

Форсунки могут использоваться как с датчиками подъема иглы, так и без них.

Распылитель является встроенным элементом в таких топливных системах, как системы с насос-форсунками и Common Rail, и не нуждаются в отдельном корпусе.

Форсунки могут быть прикреплены к головке блока цилиндров посредством фланцев, специальных прижимов, ввертных штуцеров или завернутых по резьбе в головку блока цилиндров. Подсоединение трубопровода высокого давления осуществляется к штуцеру, расположенному по центру корпуса форсунки или сбоку.

Рис.31 Стандартная форсунка. 1 — пластинчато-щелевой фильтр, 2 — впускной канал, 3 — нажимной штифт, 4 — проставка, 4 — наконечник иглы, 6 — гайка крепления распылителя, 7 — игла распылителя, 8 — седло распылителя 9 — сопловое отверстие, 10 — корпус распылителя, 11 — фиксирующий штифт, 12 — пружина, 13-регулировочная шайба, 14-канал отвода топлива, 15 — резьба соединения для отвода топлива, 16 — корпус форсунки, 17 — резьба центрального штуцера для соединения с трубопроводом высокого давления, 18-уплотнительный конус.

Стандартные форсунки

Применение, устройство и конструкция

Описанные здесь стандартные форсунки имеют следующие характеристики:

• корпусы цилиндрической формы диаметрами 17, 21 и 26 мм;
• пружины с нижним упором (с небольшой движущейся массой);
• с фиксацией для предотвращения отклонения от оси (для дизелей с непосредственным впрыском топлива);
• возможность множества комбинаций благодаря наличию стандартизованных деталей (пружины, нажимные штифты, гайки крепления распылителей).

Форсунка в сборе включает в себя собственно распылитель и корпус форсунки. Форсунка содержит следующие элементы (рис. 31):

• корпус форсунки (16);
• проставка (4);
• гайка (6) крепления распылителя;
• нажимной штифт (3);
• пружина (12);
• регулировочная шайба (13);
• фиксирующие штифты (11).

Распылитель центрируется в корпусе форсунки и закрепляется гайкой. При завертывании гайки крепления распылителя проставка прижимается к уплотнительным поверхностям корпуса распылителя и гайки его крепления. Проставка служит как упор при подъеме иглы распылителя, а также центрирует корпус распылителя своими фиксирующими штифтами.

Нажимной штифт центрирует пружину, посредством чего может направляться наконечником (5) иглы форсунки. Распылитель соединяется с линией высокого давления ТНВД через впускной канал в корпусе форсунки, в проставке и в корпусе самого распылителя. В случае необходимости в корпусе форсунки может быть установлен пластинчато-щелевой фильтр, служащий для удаления содержащихся в топливе частиц грязи.
форсунки может быть установлен пластинчато-щелевой фильтр, служащий для удаления содержащихся в топливе частиц грязи.

Рис.32 Форсунка со ступенчатым упором. 1 — ступенчатый упор, 2 — впускной канал, 3 — нажимной штифт, 4 — регулировочная шайба, 5 — гайка крепления распылителя, 6 — корпус распылителя, 7 — фиксирующие штифты, 8 — пружина, 9 — канал отвода топлива, 10 — штуцер линии высокого давления, 11 — корпус форсунки, 12 — резьба под штифт для снятия форсунки.

Принцип работы

Пружина в корпусе форсунки через нажимной штифт прикладывает давление на иглу распылителя. Предварительное сжатие пружины определяет давление начала подъема иглы. Предварительное сжатие может регулироваться установкой соответствующей регулировочной шайбы.

На своем пути к седлу распылителя (8) (рис. 31) топливо проходит через пластинчато-щелевой фильтр (1), канал (2) в корпусе форсунки, канал в проставке (4) и канал в корпусе распылителя (10). Во время впрыска топлива игла распылителя (7) поднимается под действием давления (примерно 110-140 бар для штифтовых форсунок и приблизительно 150-300 бар для сопловых форсунок), и топливо впрыскивается через сопловые отверстия (9) в камеру сгорания. Процесс впрыска топлива прекращается, как только падение давления впрыска оказывается достаточным, для того чтобы пружина (12) смогла посадить иглу распылителя обратно на седло. Начало впрыска, таким образом, управляется давлением топлива, а количество впрыскиваемого топлива есть функция продолжительности впрыска.

Форсунки со ступенчатым упором

Применение, устройство и конструкция

Такие форсунки применяются, главным образом, в дизелях коммерческих автомобилей с четырьмя клапанами на цилиндр, в которых из-за недостатка пространства форсунка в сборе должна быть установлена вертикально. Название “ступень” следует из формы корпуса форсунки.

Устройство, конструкция и принцип работы форсунки соответствуют стандартной форсунке, а основное отличие заключается в расположении соединений топливных трубопроводов высокого давления. В то время как в стандартных форсунках резьбовое соединение с трубопроводом высокого давления осуществляется на стороне, противоположной распылителю, в рассматриваемых форсунках соединение осуществляется через штуцер в корпусе. Это обычно позволяет иметь очень короткие трубопроводы высокого давления, что уменьшает мертвый объем и, в свою очередь, дает положительный эффект при осуществлении процесса впрыска топлива, Форсунки со ступенчатым упором используются как с линией отвода избыточного топлива, так и без нее.

Рис.33 Расположение факелов распыливания в камере сгорания. 1 — корпус форсунки, 2 — прокладка, 3 — сопловой распылитель. y — угол смещения оси распылителя форсунки, u — угол раскрытия конусов распыливания.

Сопловые распылители

Применение

Сопловые распылители используются в дизелях с непосредственным впрыском топлива (DI). Место установки форсунки обычно определяется конструкцией двигателя, а сопловые отверстия расположены под разными углами и должны быть правильно ориентированы по отношению к камере сгорания (рис. 33).

Сопловые распылители подразделяются на распылители с подигольным объемом и распылители с уменьшенным подигольным объемом.

Кроме того, распылители отличаются своими размерами: тип Р с диаметром иглы 4 мм (оба типа распылителей, указанных выше); тип S с диаметрами иглы 5 и 6 мм (распылители с подигольным объемом для больших двигателей).

В топливных системах с насос-форсунками и Common Rail сопловые распылители интегрированы в форсунки и, таким образом, также являются частью ее корпуса.

Устройство и конструкция

Сопловые отверстия расположены на огибающей поверхности конуса распылителя (5 на рис 35). Число и диаметр сопловых отверстии зависят от следующих факторов: от количества впрыскиваемого топлива, то есть от величины подачи; от формы камеры сгорания; от степени закрутки потока воздуха в камере сгорания.

Рис.34 Распылитель с подигольным объемом. 1 — нажимной штифт, 2 — упорная поверхность иглы, 3 — впускной канал, 4 — фаска (заплечик), 5 — игла распылителя форсунки, 6 — наконечник корпуса распылителя, 7 — корпус распылителя, 8 — опорная поверхность корпуса распылителя, 9 — камера давления, 10 — направляющая иглы форсунки, 11 — верхняя часть корпуса распылителя, 12 — отверстие для фиксатора, 13 — уплотнительная поверхность, 14 — контактная поверхность нажимного штифта. y — угол раскрытия сопловых отверстий, Ff- сила действия пружины, Fd — сила давления топлива на фаску (заплечик).

Входные кромки сопловых отверстий закругляются методом гидроэрозионной обработки (НЕ-процесс).

В зоне входа в сопловые отверстия, где имеет место большая скорость потока, абразивные частицы в гидроэрозионной среде вызывают удаление материала. НЕ-процесс скругления кромок может быть применен к обоим типам распылителей (с подигольным и подигольным уменьшенным объемами).

Целью скругления входных кромок сопловых отверстий является предотвращение их износа абразивными частицами, содержащимися в топливе и/или уменьшение допуска на отклонение расхода.

Распылители должны быть тщательно подобраны к данному двигателю по условиям его эксплуатации, при этом конструкция распылителей имеет решающее значение для выполнения следующих требований:

• точное дозирования впрыскиваемого топлива (продолжительность впрыска и количество впрыскиваемого топлива по углу п.к.в.);
• подготовка топлива (число струй, их фор-а, тонкость распыливания);
• распределение топлива по камере сгорания;
• уплотнение форсунки в камере сгорания (в головке блока цилиндров).

По окончании процесса сгорания топливо, оставшееся ниже наконечника иглы, то есть в подигольном объеме, испаряется и дает значительный вклад в эмиссию углеводородов (СН). Следовательно, для снижения эмиссии углеводородов с ОГ необходимо свести остаточный объем к минимуму. Лучшим решением для этого является использование распылителей с уменьшенным подигольным объемом.

Рис.35 Наконечники распылителей и формы подигольных объемов. а — цилиндрический подигольный объем и круглый наконечник,
b — цилиндрический подигольный объем и конический наконечник, с — конический подигольный объем и конический наконечник.
1 — заплечик, 2 — входной участок седла распылителя, 3 — конус иглы распылителя, 4 — наконечник иглы, 5 — сопловое отверстие,
6 — наконечник распылителя круглой формы, 7 — подигольный объем цилиндрической формы (остаточный объем), 8 — вход в сопловое
отверстие, 9 — закругление корпуса распылителя, 10 — коническая часть корпуса распылителя, 11 — седло в корпусе распылителя,
12 — демпфирующий конус, 13 — наконечник распылителя конической формы, 14 — подигольный объем конической формы.

Варианты

Распылитель с подигольным объемом

Сопловые отверстия в распылителях с подигольным объемом расположены вокруг распылителя (рис. 34 и 35).

В случае круглого наконечника распылителя сопловые отверстия сверлятся механически или методом электроискровой обработки.

Сопловые отверстия в конических наконечниках распылителей с подигольным объемом обычно получают методом электроискровой обработки

Подигольный объем распылителей может иметь цилиндрическую или коническую форму при множестве различных размеров.

Распылитель с подигольным объемом цилиндрической формы и круглым наконечником корпуса распылителя (рис. 35а). Наконечник включает в себя цилиндрическую и полусферическую части и допускает высокий уровень свободы конструирования в отношении числа сопловых отверстий, длины сопловых отверстий и угла их раскрытия. Наконечник корпуса распылителя является полусферическим и вместе с формой подигольного объема обеспечивает одинаковую длину сопловых отверстий.

Рис.36 Форма наконечника распылителя с уменьшенным подигольным объемом. 1 — форма наконечника, 2 — сопловое отверстие,
3 — подигольный объем.

Распылитель с подигольным объемом цилиндрической формы и коническим наконечником корпуса распылителя (рис. 35Ь). Такая форма распылителя используется исключительно с сопловыми отверстиями длиной 0,6 мм. Коническая форма наконечника корпуса распылителя позволяет увеличить толщину стенки между закруглением (9) и седлом (11) распылителя, увеличивая таким образом прочность его наконечника.

Распылитель с подигольным объемом конической формы и коническим наконечником корпуса распылителя (рис. 35с). Такой распылитель имеет остаточный объем меньшего размера, чем у распылителя с подигольным объемом цилиндрической формы. Величина объема в этом случае находится между подигольным уменьшенным объемом и подигольным объемом цилиндрической формы. Для того чтобы достигнуть равномерной толщины стенки наконечника распылителя, рассматриваемому подигольному объему должен соответствовать конический наконечник распылителя.

Рис.37 Пример распылителя с уменьшенным подигольным объемом. 1 — двойная направляющая иглы форсунки, 2 — комплексная геометрия иглы.

Распылитель с уменьшенным подигольным объемом (VCO)

Для минимизирования остаточного объема и, следовательно, для снижения эмиссии углеводородов с ОГ, вход в сопловое отверстие располагается в зоне конусного седла. Таким образом, при закрытой форсунке сопловое отверстие почти полностью перекрывается иглой распылителя. Это означает, что нет прямого соединения между подигольным объемом и камерой сгорания (рис. 36). В таком распылителе остаточный объем значительно меньше, чем в распылителе с обычным подигольным объемом. Поскольку распылители с уменьшенным подигольным объемом имеют значительно меньший запас прочности, они изготовляются только с сопловыми отверстиями длиной 1 мм. По условиям прочности наконечник корпуса распылителя выполнен коническим, а сопловые отверстия всегда выполняются методом электроискровой обработки.

Специальная геометрия сопловых отверстий используется вместе с двойной направляющей иглы форсунки (1 на рис. 37), то есть имеет место комплексная геометрия иглы (2 на рис. 37) для обеспечения наилучшего распыливания топливного факела и, соответственно, хорошего смесеобразования.

Максимально допустимая температура для сопловых распылителей находится в области 300°С по условиям термоустойчивости материала. Для особо сложных случаев фирма Bosch имеет теплозащитные втулки (вставки) и охлаждаемые гильзы для больших мощных двигателей.

Форсунка — это элемент системы впрыска, предназначенный для дозированной подачи топлива, его распыления в камере сгорания (впускном коллекторе) и образования топливно-воздушной смеси.

Форсунки используются в системах впрыска как бензиновых, так и дизельных двигателей. На современных двигателях устанавливаются форсунки с электронным управлением впрыска.

В зависимости от способа осуществления впрыска различают:

• электромагнитные форсунки
• электрогидравлические форсунки
• пьезоэлектрические

Общий вид форсунки системы «коммон рейл» фирмы «Бош» показан на рисунке.

Рис. Разрез электрогидравлической форсунки фирмы Бош:
1 – отводящий дроссель; 2 – игла; 3 – распылитель; 4 – пружина запирания иглы; 5 – поршень управляющего клапана; 6 – втулка поршня; 7 – подводящий дроссель; 8 – шариковый управляющий клапан; 9 – шток; 10 – якорь; 11 – электромагнит; 12 – пружина клапана

Форсунка состоит из:

• электромагнита 11
• якоря электромагнита 10
• маленького шарикового управляющего клапана 8
• запорной иглы 2
• распылителя 3
• поршня управляющего клапана 5
• подпружиненного штока 9

Шарик клапана прижимается к седлу с усилием пружины и электромагнита. Сила пружины рассчитана на давление до 100 кг/см2, что значительно ниже давления в линии высокого давления (250…1800 кг/см2), поэтому только при приложении усилия электромагнита шариковый клапан не отойдет от седла, отделяя аккумулятор от линии слива. Игла распылителя форсунки в нерабочем состоянии прижимается к седлу пружиной распылителя – это предотвращает попадание воздуха в форсунку при пуске двигателя.

В отличие от бензиновых электромеханических фор­сунок, в форсунках «Коммон Рейл» электромагнит при давлении 1350 … 1800 кгс/см2 не в состоянии поднять за­порную иглу, поэтому используется принцип гидроусиления.

Рис. Принцип действия электрогидравлической форсунки:
а – форсунка в закрытом состоянии; b – форсунка в открытом состоянии; c – фаза закрытия форсунки

При создании давления в аккумуляторе, оно действует как на конусную поверхность иглы, так и на поршень управляющего клапана 5. Поскольку площадь рабочей поверхности поршня на 50% больше площади конусной поверхности иглы, игла распылителя продолжает прижиматься к седлу.

При подаче напряжения от блока управления на электромагнит 11, шток 9 якоря штока поднимается и открывается шариковый управляющий клапан 8. Давление в камере управления 7 падает в результате открытия дроссельного отверстия и топливо пропускается из зоны над поршнем управляющего клапана в зону слива. Давление на поршень управляющего клапана падает, так как подводящее дроссельное отверстие управляющего клапана имеет меньшее сечение чем отводящее. Запорная игла 2 при этом под действием высокого давления в кармане распылителя 3 открывается. Количество подаваемого топлива зависит от времени подачи напряжения в электромагнит 11, а значит от времени открытия шарикового управляющего клапана 8. При прекращении подачи напряжения на электромагнит 11, якорь под действием пружины опускается вниз, при этом шариковый управляющий клапан закрывается, давление в камере управления восстанавливается через специальный жиклер. Под действием давления топлива на поршень управляющего клапана 5, имеющего диаметр больше диаметра иглы, последняя закрывается.

На входе топлива в форсунку установлен аварийный ограничитель подачи топлива. Он предотвращает опорожнение аккумулятора через форсунку с зависшей иглой или клапаном управления, а также повреждение соответствующего цилиндра дизеля. В нем используется принцип возникновения разницы давлений по обе стороны от клапана 1 при прохождении топлива через его жиклеры 2. Сечение жиклеров, за­тяжка пружины 3 и диаметр клапана подобраны по максимальной продолжительности и расходу, т.е. подаче топлива.

Рис. Аварийный ограничитель подачи топлива через форсунку

В системах «коммон рейл» первых поколений общее количество горючей смеси, впрыскиваемой в цилиндр, разделялось на предварительное и основное. Однако более гармоничной является такая схема сгорания, когда во время одного рабочего такта горючая смесь будет разделена на возможно большее количество частей. До сих пор добиться этого было невозможно по причине инерционности традиционных форсунок с электромагнитным управлением.

Одним из путей совершенствования системы «коммон рейл» является увеличение быстродействия открытия форсунки. Минимальное время открытия форсунки для электромагнита с подвижным сердечником составляет 0,5 мс, что не позволяет оперативно изменять подачу топлива. Для более быстрого срабатывания форсунки в настоящее время применяется пьезокерамическая форсунка, которая работает вчетверо быстрее.

Известно, что при подаче электрического напряжения на пьезокерамическую пластинку она на несколько микрон изменяет свою толщину.

Пьезоэлемент, являющийся исполнительным элементом форсунки, представляет собой параллелепипед длиной 30…40 мм, состоящий из спеченных между собой 300 керамических пластинок (кристаллов), расширяющийся на 80 мкм всего за 0,1 мс, чего достаточно чтобы воздействовать на иглу форсунки с усилием 6300 Н. При этом для управления пьезоэлементом используют напряжение бортовой сети автомобиля.

Для усиления пьезоэффекта в керамику добавляют палладиум и цирконий. Пьезоэлемент потребляет энергию только при подаче напряжения и регенерирует ее при выключении напряжения, таким образом, являясь регенератором энергии.

Использование пьезоэлемента, кроме быстроты срабатывания, обеспечивает большую силу открытия клапана сброса давления над иглой форсунки и высокую точность хода для быстрого сброса давления подачи топлива.

Электрогидравлическая форсунка с пьезоэлементом показана на. Основными составляющими форсунки являются модуль исполнительного элемента, состоящего из пьезоэлектрического элемента и его составляющих, модуль плунжера, состоящего из поршней, амортизатора давления и пружины, клапан переключения, игла. Для окончательной очистки топлива применяется специальный стержневой фильтр.

Рис. Разрез пьезоэлектрогидравличе­ской форсунки:
1 ­– патрубок рециркуляции; 2 – электрический разъем; 3 – стержневой фильтр; 4 – корпус форсунки; 5 – пьезоэлектричесий элемент; 6 – сопряженный поршень; 7 – поршень клапана; 8 – клапан переключения; 9 – игла форсунки; 10 – амортизатор давления

Увеличение длины модуля исполнительного элемента преобразуется модулем соединителя в гидравлическое давление и перемещение, воздействующие на клапан переключения. Модуль плунжера действует как гидравлический цилиндр. На него постоянно воздействует давление подачи топлива 10 кгс/ см2 через редукционный клапан в обратной магистрали.

Топливо выполняет роль амортизатора давления между плунжером соединителя выпускного дросселя 8 и плунжером клапана 5 в модуле плунжера. Из пустого закрытого инжектора (присутствует воздух) воздух удаляется при стартерном пуске двигателя (с частотой вращения вала стартера). Помимо этого, инжектор наполняется топливом, подаваемым погруженным в топливном баке насосом, проходящим через управляемый обратный клапан против направления потока топлива.

Клапан переключения состоит из пластины клапана, плунжера клапана 5, пружины клапана и пластины дросселя 3. Топливо под давлением протекает через впускной дроссель 4 в пластине дросселя к игле форсунки и в камеру над иглой форсунки. Благодаря этому происходит выравнивание давления над и под иглой форсунки. Игла форсунки удерживается в закрытом положении силой пружины форсунки. При нажиме плунжера клапана 5 открывается канал выпускного дросселя и топливо под давлением вытекает через выпускной дроссель 8 большего размера, расположенный над иглой форсунки. Топливо под давлением поднимает иглу форсунки, в результате чего происходит впрыск. Благодаря быстрым командам на переключение пьезо-электрического элемента за один рабочий такт друг за другом производятся несколько впрысков.

Рис. Принцип работы пьезофорсунки:
1 – игла форсунки; 2 – пружина форсунки; 3 – пластина дросселя; 4 — впускной дроссель; 5 – плунжер клапана; 6 – линия высокого давления; 7 – соединительный элемент; 8 – выпускной дроссель; а – форсунка закрыта; б — форсунка открыта

Из-за особенностей процесса сгорания, присущих дизельным двигателям с турбонаддувом, для уменьшения шума и снижения выброса оксидов азота в цилиндры двигателя перед впрыском основной дозы топлива подается небольшая капля топлива (1…2 мм3) «пилотный впрыск», которая плавно перетекает в распыление остальной части топлива. Предварительный впрыск позволяет топливу воспламеняться быстрее. Давление и температура при этом возрастают медленнее чем при обычном впрыске, что уменьшает «жесткость» работы двигателя и его шум с одновременным снижением выбросов окислов азота. Характер процесса двойного впрыска показан на рисунке:

Рис. График процесса двойного впрыска и характер распыления топлива

При холодном двигателе и в режиме, приближенном к холостому ходу, происходит два предварительных впрыска. При увеличении нагрузки предварительные впрыски один за одним прекращаются, пока при полной нагрузке двигатель не перейдет в режим основного впрыска. Оба дополнительных впрыска необходимы для регенерации сажевого фильтра.

Благодаря тому, что пьезофорсунки имеют намного меньшее время срабатывания, чем традиционные электромагнитные, стало возможным разделение горючей смеси на несколько отдельных микродоз: после многократных предварительных впрыскиваний очень небольших количеств горючей смеси следуют либо основное впрыскивание, либо при необходимости многие так называемые «послевпрыскивания».

Рис. Характер протекания процесса многоступенчатого впрыска

Время между предварительным впрыскиванием и основным впрыскиванием составляет 100 мс. Объем топлива, попадающего в цилиндр в момент каждого предварительного впрыскивания, составляет 1,5 мм3. Это делается для равномерного распределения давления в камере сгорания и, соответственно, уменьшения шума, создаваемого в процессе сгорания. После впрыскивания, в свою очередь, служат для снижения токсичности отработавших газов. Если в конце цикла сгорания произвести еще одно впрыскивание в цилиндр, то оставшиеся частицы сгорают лучше. Кроме того, в случае, когда во впускной системе установлен фильтр для улавливания несгоревших частиц, такая технология за счет высокой температуры способствует его очистке. Это особенно актуально для двигателей с большим рабочим объемом.

Более того, сейчас стало возможным использовать до семи тактов впрыска вместо трех за один рабочий процесс. Благодаря этому появляются новые возможности для увеличения номинальной мощности двигателя и еще более точного контроля за составом отработавших газов.

Новое поколение форсунок позволяет регулировать не только количество впрыска по времени и его фазы, но и управлять подъемом иглы, что позволяет более четко управлять процессом впрыска.

В настоящее время производители дизельной топливной аппаратуры, например фирма Бош, разработала системы Common Rail с давлением впрыска до 2500 кгс/см2. В этих системах форсунка отличается от традиционной тем, что максимальное давление создается не гидроаккумуляторе, а в самой форсунке. Она снабжена миниатюрным гидроусилителем давления и двумя электромагнитными клапанами, позволяющими варьировать момент впрыска и количество топлива в пределах одного рабочего цикла. Таким образом, здесь совмещены принципы работы Common Rail и форсунки.

Другим направлением форсунок фирмы Bosch является устройство в форсунках небольшого напорного резервуара, сокращающего обратный ход к циклу низкого давления. Это позволяет увеличить давление впрыска и КПД системы.

Форсунки с повышенным давлением впрыска соответствуют нормам Евро-6.