Система питания топливом дизельного двигателя

Устройство узла

Как ни странно, но схема топливной системы дизеля очень схожа с бензиновыми аналогами. Единственное их различие заключается в системе впрыска. Но об этом немного позже, а пока давайте рассмотрим конструкцию данного узла.

Итак, схема топливной системы предполагает наличие следующих конструктивных элементов:

• Бензобак. Данный элемент может быть изготовлен из тонколистовой стали либо из очень плотного полипропилена. На легковых автомобилях и внедорожниках бензобак устанавливается на днище. На грузовых машинах, в частности седельных тягачах, он крепится на специальных опорах между задней и передней осью (с левой или с правой стороны). В топливном баке есть клапан, предотвращающий вытекание горючего при опрокидывании транспортного средства.
• Крышка заливной горловины. Данная деталь имеет особую резьбу, которая дает возможность впуска воздуха при ее откручивании. А для того чтобы водителю удобно было открутить крышку, на ней предусмотрен специальный храповый механизм. Также в данном элементе имеется предохранительный клапан, который при попадании автомобиля в ДТП сбрасывает давление внутри бака. Кстати, на современных машинах со стандартом выхлопов «Евро-2» и более попадание паров топлива в атмосферу не допускается. Поэтому для их улавливания в системе монтируется специальный угольный адсорбер.
• Топливный насос. Данный элемент имеет электрический привод и располагается внутри бака. Управление насосом осуществляет электронный блок управления. В действие деталь приводится при помощи специального реле. Когда водитель включает зажигание, он работает некоторое время (не более 4-5 секунд), тем самым обеспечивая нужное давление в системе для запуска двигателя. Также стоит отметить, что насос охлаждается бензином. Поэтому работа при пустом баке может вывести его из строя.
• Топливный фильтр. Зачастую автомобиль снабжается двумя типами данных элементов. Это механизм тонкой и грубой очистки горючего. Сетчатый фильтр монтируется на корпусе топливного насоса. Суть его работы состоит в задержании загрязнений, которые могут попасть в двигатель и образовать лишний нагар. Также исправный фильтр значительно повышает срок эксплуатации насоса, предотвращая его частое загрязнение. Механизм тонкой очистки располагается на днище кузова, перед задней подвеской автомобиля. Данный тип фильтра имеет в своей основе бумажный элемент, который способен задержать мелкие частицы грязи, смол и отложений, которые могут повредить собой топливную систему.

Схема питания турбодизеля

Чтобы увеличить мощность дизельного аппарата, устанавливают турбину. Конструкция топливной системы дизельного двигателя не изменяется, если мотор с турбонаддувом. Меняется схема и вариант подачи топлива в мотор от схемы атмосферного двигателя.

Турбированный двигатель получается путем установки турбокомпрессора. В дизельном моторе турбина работает на отработавших газах. Сначала турбокомпрессор сжимает воздух, охлаждает его и подает в рабочую камеру сгорания цилиндров дизельного силового агрегата. Воздух нагнетается под давлением 0,15-0,2 МПа (Мега Паскаль).

Классификация турбонаддува по давлению:

• до  0,15 Мпа;
• 0,2 МПа — турбокомпрессор средней мощности;
• > 0,2 МПа.

Минус турбированных моторов в том, что такие агрегаты работают в более трудных условиях: повышается температура; детали, особенно цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), кривошипно-шатунного механизма (КШМ), газораспределительного механизма (ГРМ) испытывают больше давления и, саму турбину обычно надо менять через 100 000 км пробега.

Варианты системы питания

Основными видами горючего для ДВС являются бензин и дизельное топливо («солярка»). Газ (метан) так же относится к видам современного топлива, но, несмотря на широкую применяемость, пока не получил актуальности. Вид топлива является одним из критериев классификации систем питания ДВС.

В этой связи выделяют силовые агрегаты:

1. бензиновые;
2. дизельные;
3. основанные на газообразном топливе.

Но наиболее признанной среди специалистов является типология систем питания двигателя по способу подачи топлива и приготовления топливно-воздушной смеси. Следуя данному принципу классификации, различаются, во-первых, система питания карбюраторного двигателя, во-вторых, система питания с впрыском топлива (или инжекторного двигателя).

Карбюратор

Карбюраторная система основана на действии технически сложного устройства – карбюратора. Карбюратор – это прибор, осуществляющий приготовление смеси топлива и воздуха в необходимых пропорциях. Несмотря на разнообразие видов, в автомобильной практике наибольшее применение получил поплавковый всасывающий карбюратор, принципиальная схема которого включает:

• поплавковую камеру и поплавок;
• распылитель, диффузор и смесительную камеру;
• воздушную и дроссельную заслонки;
• топливные и воздушные каналы с соответствующими жиклерами.

Подготовка топливно-воздушной смеси в карбюраторе осуществляется по пассивной схеме. Движение поршня в такте впуска (первом такте) создает в цилиндре разряженное пространство, в которое и устремляется воздух, проходя через воздушный фильтр и сквозь карбюратор. Именно здесь и происходит формирование горючей смеси: в смесительной камере, в диффузоре топливо, вырывающееся из распылителя, дробится воздушным потоком и смешивается с ним. Наконец, через впускной коллектор и впускные клапаны горючая смесь подается в конкретный цилиндр двигателя, где в необходимый момент и воспламеняется искрой от свечи зажигания.

Впрыск топлива

Эпоха карбюратора сменяется эпохой инжекторного двигателя, система питания которого основана на впрыске топлива. Ее основными элементами являются: электрический топливный насос (расположенный, как правило, в топливном баке), форсунки (или форсунка), блок управления ДВС (так называемые «мозги»).

Принцип работы указанной системы питания сводится к распылению топлива через форсунки под давлением, создаваемым топливным насосом. Качество смеси варьируется в зависимости от режима работы двигателя и контролируется блоком управления. Важным компонентом такой системы является форсунка. Типология инжекторных двигателей основывается именно на количестве используемых форсунок и места их расположения.

1. с распределенным впрыском;
2. с центральным впрыском.

Система распределенного впрыска предполагает использование форсунок по количеству цилиндров двигателя, где каждый цилиндр обслуживает собственная форсунка, участвующая в подготовке горючей смеси. Система центрального впрыска располагает только одной форсункой на все цилиндры, расположенной в коллекторе.

Особенности дизельного двигателя

Как бы особняком стоит принцип действия, на котором основывается система питания дизельного двигателя. Здесь топливо впрыскивается непосредственно в цилиндры в распыленном виде, где и происходит процесс смесеобразования (смешивания с воздухом) с последующим воспламенением от сжатия горючей смеси поршнем. В зависимости от способа впрыска топлива, дизельный силовой агрегат представлен тремя основными вариантами:

• с непосредственным впрыском;
• с вихрекамерным впрыском;
• с предкамерным впрыском.

Вихрекамерный и предкамерный варианты предполагают впрыск топлива в специальную предварительную камеру цилиндра, где оно частично воспламеняется, а затем перемещается в основную камеру или собственно цилиндр. Здесь горючее, смешиваясь с воздухом, окончательно сгорает. Непосредственный же впрыск предполагает доставку топлива сразу же в камеру сгорания с последующим его смешиванием с воздухом и т.д.

Однако холодный двигатель не сможет обеспечить должный уровень температуры, требуемый для воспламенения смеси. И использованием свечей накаливания позволит осуществить необходимый подогрев камер сгорания.

Топливоподкачивающий насос

Основной топливоподкачавающий насос обеспечивает бесперебойную подачу топлива из баков к ТНВД при работающем двигателе. Он обычно приводится в действие от коленчатого или распределительного вала двигателя. Может применяться и автономный электродвигатель, питаемый от генератора ТС. Использование электропривода обеспечивает равномерную подачу топлива независимо от частоты вращения коленчатого вала и возможность аварийного отключения всей системы. Существуют различные конструкции топливоподкачивающих насосов. Они могут быть:

• шестеренными
• плунжерными (поршневыми)
• коловратными (пластинчатого типа)

Как правило, применяются плунжерные и коловратное насосы.

Плунжерный топливоподкачивающий насос

Плунжерный топливоподкачивающий насос состоит из корпуса 5, плунжера 7 с пружиной 6, толкателя 10 с роликом 77, пружиной 9 и штоком 8, а также клапанов — впускного 4 и нагнетательного 1 с пружинами. Толкатель с плунжером могут перемещаться вверх-вниз. Перемещение вверх происходит при повороте эксцентрика 72, изготовленного как одно целое с кулачковым валом ТНВД; перемещение вниз обеспечивают пружины 6 и 9.

При сбегании выступа эксцентрика с ролика толкателя плунжер под действием пружины б перемещается вниз, вытесняя топливо, находящееся под ним, в нагнетательную магистраль насоса. В это время нагнетательный клапан закрыт, а впускной под действием разрежения над плунжером открыт, и топливо поступает из впускной магистрали в надплунжерную полость. При движении толкателя и плунжера вверх впускной клапан закрывается под действием давления топлива, а нагнетательный, наоборот, открывается, и топливо из надплунжерной полости поступает в нижнюю камеру под плунжером. Таким образом, нагнетание топлива происходит только при движении плунжера вниз.

Если подачу топлива в цилиндры двигателя уменьшают, в выпускном трубопроводе насоса, а значит, и в полости под плунжером давление возрастает. В этом случае плунжер не может опуститься вниз даже под действием пружины 6, и толкатель со штоком перемещается вхолостую. По мере расходования топлива давление в нагнетательной полости понижается, и плунжер под действием пружины 6 опять начинает перемещаться вниз, обеспечивая подачу топлива.

Плунжерный топливоподкачивающий насос обычно совмещен с насосом 2 ручной подкачки топлива. Данный насос устанавливается на входе в основной топливоподкачивающий насос и приводится в действие вручную за счет перемещения поршня 3 со штоком. При движении поршня вверх под ним образуется разрежение, открывается впускной клапан, и топливо заполняет подплунжерное пространство. При перемещении поршня вниз впускной клапан закрывается, а нагнетательный открывается, позволяя топливу пройти далее по топливной магистрали.

Коловратный топливоподкачивающий насос

В мощных быстроходных дизелях применяются в основном коловратные топливоподкачивающие насосы. Ротор 7 насоса приводится во вращение от коленчатого вала двигателя. В роторе имеются прорези, в которые вставлены пластины 6. Одним (наружным) концом пластины скользят по внутренней поверхности направляющего стакана 8, а другим (внутренним) — по окружности плавающего пальца 5, расположенного эксцентрически относительно оси ротора. При этом они то выдвигаются из ротора, то вдвигаются в него. Ротор и пластины делят внутреннюю полость направляющего стакана на камеры А, Б и В, объемы которых при вращении ротора непрерывно меняются. Объем камеры А увеличивается, поэтому в ней создается разрежение, под действием которого топливо засасывается из впускной магистрали. Объем камеры В уменьшается, давление в ней повышается, и топливо вытесняется в нагнетательную полость насоса. Топливо, находящееся в камере Б, переходит от входного отверстия стакана к выходному. При повышении давления в нагнетательной полости до определенного уровня открывается редукционный клапан 2, преодолевая усилие пружины 7, и излишек топлива перепускается обратно во впускную полость насоса. Поэтому в нагнетательной полости и выпускном трубопроводе поддерживается постоянное давление. Перед пуском, когда двигатель и, следовательно, основной топливоподкачивающий насос не работают, топливо через него может прокачиваться предпусковым топливоподкачивающим насосом. В этом случае открывается перепускной клапан 3, преодолевая усилие пружины 4. В закрытом положении тарелка этого клапана перекрывает отверстия в тарелке редукционного клапана.

Наиболее частые неисправности топливной системы дизельного двигателя

Среди самых распространенных поломок в системе питания дизелей чаще всего встречаются следующие:

1. Затруднения при запуске мотора.
2. Снижение мощностных показателей.
3. Увеличение расхода топлива.
4. Возникновение дыма различных оттенков, выходящего из выхлопной трубы.
5. Повышенная жесткость работы.
6. Невозможность разогнаться (при провалах в разгоне рекомендуется увеличить ход педали акселератора).
7. Неустойчивость оборотов на холостом ходу (плавают).
8. Двигатель часто глохнет.

Трудный запуск

Чтобы облегчить зимний запуск дизельных двигателей, производители выпускают специальное топливо под названием «арктическое». Однако, причиной трудного включения не всегда является застывшая солярка. При невозможности запустить дизель на холодную, необходимо проверить:

• качество работы нагнетающих деталей насоса высокого давления;
• степень износа форсунок;
• регулировки угла опережения топлива;
• предпусковые свечи накала;
• регулятор давления;
• нарушение герметичности топливопроводов.

Снижение мощности

Мощность дизельного мотора снижается при возникновении неисправностей, засорении топливных фильтров, отверстий распыляющих форсунок. При выходе из строя фильтрующих элементов количество солярки, направляемой в топливный насос, резко снижается, что негативно сказывается на мощностных показателях мотора.

Увеличение потребления дизтоплива

Неверно выставленный угол опережения впрыска является основной причиной большого расхода горючего. На количество потребляемого топлива также оказывает влияние неправильная работа топливного насоса ТНВД. Необходимо отрегулировать уровень давления смеси в момент впрыска. Понижение компрессии в рабочих цилиндрах также может стать причиной повышенного расхода дизельного топлива.

Выхлоп черного цвета

При появлении темного дыма из системы выхлопа рекомендуется проверить качество смесеобразования. Нарушения могут быть вызваны запоздалым впрыском топлива, которое не успевает полностью сгорать и оседает на стенках цилиндров в виде нагара. Слои нагара часто образуются также на клапанах, которые неплотно закрываются.

Появление белого дыма в виде пара не вызывает тревоги, т. к. он быстро улетучивается после прогрева мотора. Особенно часто это можно наблюдать в дизельных машинах, работающих в областях северной широты.

Плавающие обороты коленчатого вала в режиме холостого хода

При данном дефекте нужно:

• заменить уплотняющие элементы, расположенные под распылителями;
• подтянуть топливный провод, соединяющий фильтра с ТНВД;
• проверить состояние опорной пластинки насоса;
• заменить регулятор оборотов коленвала;
• проверить работу системы вентиляции, чтобы исключить давление газов.

Двигатель глохнет

Если мотор часто прекращает работу прямо на ходу, потребуется проверить следующие пункты:

• правильность угла опережения;
• качество соединений в местах подключения насоса;
• степень загрязнения фильтров;
• смещение и перекос элементов насоса высокого давления.

Типы топливных систем

В современные автомобили монтируют дизельные и бензиновые двигатели, использующие различные типы подачи горючего. К тому же бензиновые делятся еще на два вида: карбюраторные и инжекторные двигатели.

Карбюратор и его особенности

Карбюратор — это особое устройство, отвечающее за смешивание горючего с воздухом. Карбюратор монтируют на впускном коллекторе, к которому подается топливо. В нем при помощи жиклеров горючее смешивается с воздухом, затем через дроссельную заслонку попадает в коллектор и направляется в цилиндры двигателя.

Принцип работы инжектора

Инжекторную топливную систему от карбюраторной кардинально отличают следующие нюансы:

• в этой системе горючее подается из бака на рампу, присоединенную к форсункам (распылителям);
• воздух для создания смеси попадает через дроссельный узел;
• давление, создающееся в топливопроводах и насосе, намного превышает давление в карбюраторе. Эта особенность связана с необходимостью быстрого впрыска смеси в камеру сгорания;
• за работу топливной системы (точнее, за впрыск горючего) отвечает электронное устройство.

Инжекторные системы могут быть моновпрысковые и распределительные.

На распределительных системах у каждого цилиндра есть своя форсунка, поэтому двигатель работает на полную мощность, и именно по этой причине такую систему предпочитают современные производители.

Инжекторная топливная система начинает свою работу так же, как и остальные: при зажигании включается топливный насос и горючее поступает в топливопроводы, но затем оно оказывается в рампе, в которой всегда находится под повышенным давлением. Из рампы горючее поступает в форсунки, отвечающие за поступление топлива в камеры сгорания. В них же происходит и образование топливовоздушной смеси. Функционирование форсунок контролируется электрооборудованием и различными датчиками, и именно по их сигналу происходит впрыск топлива.

Работа автомобиля невозможна без системы охлаждения двигателя, более подробно о которой можно прочитать здесь. О значении тормозной системы авто и ее компонентах читайте здесь.

Дизельная топливная система

Схема топливной системы дизеля отличается от вышеописанных. В подобной топливной системе горючее подается под высоким давлением, из-за чего оно воспламеняется и запускает двигатель в работу. В бензиновых системах зажигание смеси происходит благодаря свече зажигания. Давление обеспечивается непрерывной работой ТНВД (топливного насоса высокого давления).

Таким образом, в дизельной системе есть два топливных насоса, один из которых отвечает за подкачку горючего из бака, а другой занимается подачей топлива на форсунки.

Схема топливной системы дизельного двигателя сложнее предыдущих из-за обилия конструктивных элементов. Начинается все с работы насоса, подкачивающего топливо из бака и направляющего его по топливопроводам через фильтр в ТНВД. Затем горючее попадает на форсунки, располагающиеся в головках цилиндров. Параллельно с подачей горючего в цилиндры поступает очищенный воздух. Образовавшаяся смесь уже попадет в камеру сгорания.

В наше время на авто устанавливают разные топливные системы, в которых есть много общих узлов, обладающих одинаковыми характеристиками. Конечно, инжекторная и дизельная системы сложнее устроены за счет повышенной точности впрыска топлива, однако унификация деталей может значительно облегчить ремонт.

Признаки необходимости проведения диагностики

О том, что в ближайшее время потребуется ремонт топливной аппаратуры дизельных двигателей может сигнализировать затруднительный запуск мотора. Причинами, вызывающими нестабильное включение движков являются:

• системы впрыска топлива не обеспечивает достаточное распыление горючего;
• чрезмерный износ нагнетательных элементов не способных обеспечить требуемое давление;
• момент впрыска имеет неправильный угол опережения, требуется его настройка;
• воздух в топливной системе создает нехватку дизеля перед ТНВД;
• впрыскивание горючего слишком малой дозой, то есть необходима регулировка;
• Несезонность топлива, залитого в бак.

Ухудшение динамических характеристик свидетельствует о том, что топливная система дизельного двигателя требует внимания автовладельца. Причинами, почему дизельный двигатель, потерял мощность могут быть:

• неправильная регулировка насоса;
• износ распылителей;
• завоздушена топливная система;
• снижение производительности подкачивающего насоса.

Также симптомами того, что необходима диагностика топливной системы дизельного двигателя, являются:

• черный выхлоп, возникающий, когда подача топлива происходит с опозданием, либо свидетельствующий о неоптимальном смесеобразовании;
• жесткая работа мотора, возникающая при разном дозировании топлива в цилиндры;
• серый дым из выхлопной трубы, говорящий, что в дизельном двигателе неверное время опережения впрыска;
• высокая температура двигателя, возникающая из-за плохого распыления горючего форсунками;
• посторонний шум при работе, возникающий из-за попадания воздуха в топливную систему;
• нестабильные обороты холостого хода;
• внезапная остановка мотора как под нагрузкой, так и в холостую;
• при отключении двигателя он продолжает работать, так как топливо просачивается через электромагнитный клапан;
• визуальное обнаружении течи солярки.

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.