В наше время стремительное развитие технологий способствует открытию более практичных и экологически чистых изобретений. Производители дизельных топливных систем постоянно совершенствуют свои агрегаты. Если раньше управление форсунок происходило, скажем так, механическим образом, то потом появились электрические элементы в управлении топливной системы. Это позволяло более точно контролировать и управлять системой впрыска. Но сами форсунки все равно оставались чисто механическим изделием, и скорость их срабатывания зависела от параметров динамичности работы этих механических узлов.
В электромагнитных форсунках первых поколений подаваемое в цилиндр топливо разделялось на предварительную и основную дозы. Но более эффективной оказалась та система впрыска, где за один рабочий этап форсунки, топливо разделяется на максимально возможное количество микропорций.
Для этого необходимо было увеличить скорость срабатывания управляющих и исполнительных механизмов форсунки. С этой целью и была сконструирована пьезокерамическая форсунка, которая работает в четыре раза быстрее традиционной электромагнитной.
Характерные дефекты в работе дизелей с пьезофорсунками
Учитывая специфику конструкции такого типа форсунок, у них ко всем «болячкам» традиционных электромагнитных, добавляются свои специфические.
В основном, проявляются они таким образом: машина плохо заводится (вообще не заводится); в нагрузке глохнет; троит; глохнет на холостом ходу; при нагрузке теряется тяга; появление сизого дыма на холостом и черного в нагрузке.
Причины таких дефектов в работе автомобиля могут быть разнообразными, но довольно часто первопричину мы наблюдаем в форсунках. Поэтому при обнаружении таких симптомов на своем дизеле первым делом пройдите компьютерную диагностику. Это недорого и в вашем случае поможет сэкономить хорошую сумму денег.
Если диагностика определит потерю (превышение) давления в системе, замыкание цепи на форсунках или существенный дисбаланс в работе цилиндров, то сначала обратите внимание на форсунки. Зачастую именно в них и кроется причина этих проблем.
Поломки пьезофорсунок и влияние на работу двигателя
Пьезофорсунка не держит давление – повреждена прецизионная часть переключающего клапана. В результате машина плохо заводится. Также может глохнуть в режиме нагрузки.
Замыкание форсунки на массу – поврежден изоляционный слой пьезоэлемента. В таком случае машина не заводится вообще, или заводится и через короткий промежуток времени глохнет прямо на холостом ходу. Иногда при такой поломке машина глохнет в только в нагрузке. Чаще всего встречаем такой дефект на Trafic 2.0, реже на машинах группы Volkswagen и Audi.
Выход из строя распылителя. Тут в принципе два варианта: либо распылитель льет, либо клинит в закрытом положении. В первом случае слабо льющий распылитель дает светлый дым на холостом ходу, который при нагрузке полностью пропадает. Проявляется он на нерабочих распылителях после удаления сажевого фильтра. Болеть таким светлым дымом любят автомобили группы Mercedes, реже Audi, Crafter.
Если распылитель сильно льет (открытый клин), то при этом дыма будет больше. Также появляется черный дым в нагрузке, который сопровождается стуком. Но такой дефект пока что наблюдали очень редко.
При закрытом клине распылителя автомобиль троит на холостом ходу (клин больше ощущается при небольшом давлении в системе).
Разгерметизация сливной магистрали – механические повреждения элементов сливной магистрали, выход из строя обратного клапана этой магистрали. Машина при такой поломке заводится, работает, но при небольшой нагрузке глохнет. Довольно часто встречаем такие повреждения на Trafic 2.0.
Недостаточная емкость пьезоэлемента ( или слабое сопротивление) – вышел из строя пьезокерамический элемент. Если это произошло на одной форсунке, то машина троит. Если пьезоэлемент теряет емкость на нескольких форсунках, то в таком случае автомобиль может потерять тягу.
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.
Строение пьезофорсунки
Разрез пьезоэлектрической форсунки: 1 – сливная магистраль; 2 – электрический разъем; 3 – пьезоэлемент; 4 – канал высокого давления; 5 – гидравлический цилиндр; 6 – сопряженные поршни; 7 – переключающий клапан (мультипликатор); 8 – дроссельная пластина; 9 – игла распылителя; 10 – надигольная камера; 11 – выпускной дроссель.
Пьезоэлектрическую форсунку можно условно разделить на три части:
управляющая, гидравлическая и исполнительная часть. Вверху у нас находится пьезоэлемент, ее основное «секретное оружие». Посредине – гидравлический цилиндр (еще одно новшество) и переключающий клапан. А внизу у нас расположен распылитель и дроссельная пластина (проставка).
Теперь рассмотрим эти узлы поподробнее
Пьезоэлемент
Это скомпонованный пьезокристалл (длиной 30-40 мм), который состоит из спаянных между собой керамических пластинок. При подаче на него электрического импульса он способен за 0,1 мс расширяться на 80 мкм. Этого вполне достаточно, чтобы воздействовать на иглу распылителя форсунки с усилием в 6300 Н. Для усиления эффективности в его структуру добавляют палладиум и цирконий. Интересно то, что потребляет он электроэнергию только при подаче напряжения. А при выключении электрического напряжения он регенерирует эту энергию.
Принцип действия пьезоэлектрической форсунки
Действие управляющего клапана форсунки основано на широко известном пьезоэлектрическом эффекте, который применяется, к примеру, в конструкции газовых зажигалок. Кнопка, на которую человек с усилием нажимает пальцем, деформирует рабочий элемент из специального материала — диэлектрика. Деформация способствует возникновению заряда, который используется для воспламенения газа.
Помимо топливных форсунок пьезоэффект применяется в конструкции датчика детонации и датчика абсолютного давления во впуске (MAP)
В пьезоэлектрических форсунках используется так называемый обратный пьезоэлектрический эффект. На диэлектрик подается напряжение, что способствует деформации материала. С диэлектриком сопряжен шток клапана, который поднимается, когда на форсунку подается ток.
Гидравлический цилиндр и переключающий клапан (мультипликатор)
Корпус гидравлического цилиндра находится внутри амортизирующей пружины. В корпусе цилиндра расположены два сопряженных (зависимых друг от друга) поршня. Пространство между ними заполнено топливом, которое благодаря клапану в сливной магистрали, находится под давлением до 10 bar. Топливо здесь выполняет функцию амортизатора давления. Гидравлический цилиндр является посредником между пьезоэлементом и переключающим клапаном.
Переключающий клапан (мультипликатор) – это клапан, который является переключателем между областями низкого давления (в полости форсунки вокруг гидравлического цилиндра) и высокого давления, которая находится над дроссельной пластиной и связана с надигольной камерой.
Особенности эксплуатации пьезоэлектрических форсунок
Использование в двигателях такого прецизионного механизма, как пьезоэлектрическая форсунка, позволяет достичь вершин быстродействия. По той же самой причине в топливе, которое используется в автомобиле, не должно быть даже мельчайших примесей. При попадании грязи форсунки выходят из строя практически мгновенно. Стоимость пьезоэлектрических форсунок колеблется в пределах от 10 до 15 тысяч рублей, а ремонт обойдется приблизительно в половину указанной суммы.
Распылитель и дроссельная пластина
Распылитель несколько отличается от классического варианта. Но принцип его работы аналогичен распылителю электромагнитной форсунки – топливо под высоким давлением нагнетается одновременно с верхней и нижней стороны иглы. Это позволяет удерживать форсунку в закрытом положении.
Над распылителем расположена дроссельная пластина. Она оснащена отверстиями, через которые происходит сообщение топлива между каналом высокого давления, распылителем и камерой переключающего клапана.
Принцип работы пьезофорсунки
В состоянии покоя игла распылителя, под действием высокого давления одновременно с двух сторон, находится в закрытом положении. При подаче электрического импульса на пьезоэлемент происходит его расширение. Пьезокристалл, расширяясь, толкает элементы гидравлического цилиндра.
Гидравлический цилиндр, в свою очередь, воздействует на переключающий клапан и открывает канал выпускного дросселя, через который топливо под давлением вытекает из надигольной камеры. При этом давление над иглой падает, а топливо в подигольной камере, которое находится под высоким давлением, поднимает иголку распылителя, и производится впрыск.
Вот собственно и все. Но главный фокус в том, что происходит вся эта череда процессов с очень большой скоростью. В этом и есть основное преимущество пьезофорсунок.
Преимущества пьезофорсунок
- скорость и частота срабатывания
- количество впрысков за один рабочий цикл форсунки
- точность дозировки топлива
- снижение шумной работы двигателя
- работа форсунки на больших давлениях
- экологичность
Как упоминалось выше, быстродействие пьезофорсунки позволяет разделять подачу топлива на большое количество микродоз: вначале происходит несколько подготовительных впрысков, потом идет основной и уже после него так называемые послевпрыски.
Впрыск топлива происходит таким образом, что в цилиндр попадает небольшое количество топлива – пилотный впрыск (около 1,5 мл). Оно обогащает и прогревает топливно-воздушную смесь, плавно подготавливая систему к основной подаче топлива. При этом достигается равномерное распределение давления в камере сгорания. Чем больше таких предвпрысков, тем мягче протекает горение, и соответственно, тише работает двигатель.
После этого подается большая доза топлива, которая выполняет основную роль в создании топливно-воздушной смеси. В конце цикла сгорания при помощи послевпрысков дожигаются остатки топлива. Это понижает токсичность отработанных газов. Также топливо, подаваемое таким образом в конце цикла работы форсунки, способствует очистке и регенерации сажевого фильтра.
Зачем нужны топливные форсунки
На фото: Электромагнитные форсунки дизельного мотора
Электрогидравлические форсунки
Данный тип форсунок объединил две предыдущие технологии, и полностью приспособлен к использованию на “дизелях”. Большое давление в топливной системе, уравнивается тем, что давление на иглу происходит сверху и снизу. Тем самым, в верхней камере и в нижней образуется одинаковое давление. Но в нижнюю камеру, топливо попадает через узкий канал, увеличивая время на уравновешивание давления в двух камерах.
На фото: Электрогидравлические форсунки дизельного мотора
При срабатывании электромагнитного клапана, из-за равного давления – большая мощность не требуется, игла открывает доступ к соплу и позволяет топливу из нижней камеры поступить в цилиндр. Но верхняя камера напрямую соединена с топливной магистралью и быстро заполняется, увеличивая давление на иглу. После закрытия, нижняя камера наполняется топливом через узкий канал, и давление уравнивается.
Форсунки показали себя надежным механизмом, эффективным при использовании на любых двигателях, но применяется на современных дизельных двигателях. Так как, на бензиновых системах достаточно и электромагнитных форсунок. Кроме этого, электрогидравлические форсунки применяются в двигателях с системой непосредственного впрыска топлива в цилиндры.
Пьезоэлектрические форсунки
Пьезоэлектрические форсунки — это самое современное изобретение, применяющееся на массовом производстве современных дизельных моторах, оснащенных системой непосредственного впрыска в цилиндры. По принципу работы. Они полностью повторяют электрогидравлические форсунки, за единственным исключением — в качестве привода клапана используется не электромагнит, а пьезоэлектрический кристалл.
Перспективы развития
Благодаря последним разработкам есть возможность использовать до семи впрысков за один рабочий такт форсунки. За счет этого вырисовываются новые возможности для увеличения мощности двигателя, снижения его шумности и создаются условия для более точного контроля отработанных газов.
На сегодняшний день производители разрабатывают системы common rail с рабочим давлением до 2500 bar. Максимальное давление в таких форсунках достигается не в топливной рейке, а в самой форсунке. Они оборудованы небольшим гидроусилителем давления и двумя электромагнитами для точного контроля момента и количества подаваемого топлива. Это позволит увеличить давление впрыска и КПД топливной системы.
Ждем с нетерпением эти форсунки у себя в мастерской…
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.
Источник
