Насос-форсунка применяется на грузовых и легковых дизельных двигателях как альтернатива системам с отдельным топливным насосом высокого давления (ТНВД), предоставляющая целый ряд преимуществ. Она позволяет избавиться от общего для всех цилиндров ТНВД, распределяя его функции по индивидуальным плунжерным парам, размещённым непосредственно в составе форсунок. В последнее время постепенно уступает своё место более перспективным системам магистрального впрыска типа Common Rail.
Конструкция и составные части
Состоит прибор из деталей, скомпонованных в виде функционально законченного узла, взаимодействующего с прочим оборудованием системы впрыска. Устройство содержит:
- игольчатый клапан распылителя с пружиной в нижней части корпуса;
- электромагнитный или пьезоэлектрический управляющий клапан;
- плунжер с возвратной пружиной;
- корпус, в котором выполнены магистрали высокого и низкого давления с радиальными отверстиями, через них поступает и сливается топливо;
- упругие кольца, уплотняющие корпус в гнезде головки блока.
К насос-форсунке подводится топливо от насоса с относительно небольшим давлением и отводятся излишки, всё это производится через каналы, выполненные в материале головки. Разные секции отделены друг от друга уплотнительными кольцами. Сверху на плунжер действует кулачок распределительного вала с устройством регулировки теплового зазора. Сбоку расположен электрический разъём питания управляющего клапана.
Порядок работы устройства
Начинается рабочий цикл с заполнения топливом подплунжерного пространства. Возвратная пружина отводит поршень вверх, полость под ним заполняется топливом от внешнего насоса через канал головки и боковую перфорацию корпуса форсунки. Питание на клапан не поступает, давление выравнивается.
Рабочий ход начинается, когда кулачок через коромысло начинает давить на плунжер, сжимая пружину, и перемещать его вниз. Но до тех пор, пока клапан открыт, ничего не происходит, зоны низкого и высокого давления сообщаются, топливо просто вытесняется в сторону слива. Там при помощи общего редукционного клапана постоянно поддерживается небольшое давление, выравнивающее работу аппаратуры и снижающее пульсации.
Впрыск начнётся, когда на обмотку или кристалл управляющего клапана поступит питающее напряжение от электронного блока управления. Этот момент подбирается таким образом, чтобы и синхронизировать начало впрыска, и дозировать количество топлива за цикловую подачу. Чем позже произойдёт закрытие, тем меньше топлива в конечном счёте уйдёт в цилиндр. Иногда даже импульс вообще не подаётся, например, на некоторых двигателях так на режимах малых нагрузок достигается экономия топлива. Блок управления может отслеживать точный момент начала закрытия клапана по изменению тока его потребления.
Первая фаза впрыска состоит в подаче небольшой пилотной порции топлива. Для этого используется разгрузочный поршень в системе привода иглы основного клапана. Когда он срабатывает, давление передаётся в разгрузочную полость и игла снова закрывается, успев подать небольшое фиксированное количество топлива.
Плунжер продолжает двигаться вниз, клапан закрыт и давление нарастает. Открытие иглы происходит по достижении в полости очень большого давления, порядка 2000 атмосфер. Топливо впрыскивается и распыляется с высокой эффективностью. Второй этап дозирования состоит в установке контроллером времени открытия управляющего клапана. После чего давление выравнивается, игла закрывается и подача прекращается.
Иногда используется дополнительный впрыск, например, для регенерации сажевого фильтра. Происходит он аналогично основному, хотя и при меньшем давлении, что не принципиально.
Плюсы и минусы подобной организации топливной аппаратуры
Достоинства:
- принципиальная возможность достижения очень высокого давления впрыска, соперничающего только с сиcтемами Common Rail, у ТНВД всегда имеются соединительные трубопроводы, которые могут расширяться и не допускать подобных величин;
- распределение функций ТНВД по цилиндрам, что даёт отказоустойчивость двигателя, из-за проблем со стороны высокого давления все цилиндры одновременно работать не перестанут;
- снижается расход топлива за счёт точного дозирования и повышения общего КПД двигателя;
- проще организовать более высокую степень сжатия, что особенно важно в наддувных моторах;
- возможность неоднократного впрыска за один такт позволяет добиться более устойчивой работы и снизить шумность;
- система поднимается на следующий уровень по экологическим нормам.
Существуют и недостатки:
- возрастает нагрузка на привод газораспределительного механизма, что особенно чувствительно для легковых дизелей с ременным приводом, приходится принимать дополнительные меры;
- стоимость насос форсунок гораздо выше, а их количество определяется числом цилиндров;
- увеличиваются требования к составу и чистоте применяемого топлива, такой всеядности, которой отличались старые ТНВД, уже достигнуть не получится;
- сложности с ремонтом форсунок, далеко не все из них предусматривают применение ремкомплектов, а замена в сборе производится обычно комплектом и обходится очень дорого;
- обслуживание требует специальных стендов.
В некоторых применениях насос-форсунки способны конкурировать с более современной системой Common Rail. В частности, в них проще увеличивать давление впрыска, поскольку отсутствует громоздкая магистраль и сопутствующая арматура. Да и работают такие моторы несколько тише и мягче. Но главным направлением остаётся экология, а тут все преимущества на стороне магистрального впрыска. Поэтому моторов с насос-форсунками становится всё меньше. Сначала отказались от чисто механических устройств, потом пытались увеличить быстродействие установкой дополнительных управляющих клапанов, но сейчас вопрос можно считать решённым, будущее за магистральным впрыском с чисто электронным управлением.
