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.
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.
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.
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.
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
Основные неисправности
Неисправность форсунок – это основная причина остановок и поломок двигателя автомобиля. При включённом двигателе такие неисправности очень просто заметить.
Признаки неисправности форсунок:
На неполных нагрузках появился дымный выхлоп (увеличилась токсичность).
Мощность двигателя снизилась.
Высокая температура и стуки отработанных газов.
При увеличенных нагрузках появились рывки и провалы в работе двигателя.
На небольших оборотах работа двигателя стала неустойчивой.
Неисправность форсунок может привести к потере её качеств: нарушиться герметичность, появятся подтёки, изменится угол распыления топлива, прекратится любая подача топлива в камеру возгорания, топливо будет неравномерно распределяться в камере.
Эксплуатационные неисправности разделяются на две категории:
Неисправности, вызваны использованием некачественного топлива, что нарушает распыление и становится причиной перегрева (износ элементов форсунки, заедания иглы, оплавление металла и др.).
Неисправности, вызваны неверной сборкой аппаратуры или её неправильным монтажом (перекосы деталей, закупорка топливных каналов, отсутствие плотности соединительных деталей, защемление иглы и др.)
Рассмотрим основные варианты неисправности форсунок.
Сама распространённая неисправность форсунок – это их загрязнение. Так как они находятся при воздействии высокой температуры, то при использовании некачественного топлива, на них образовываются твёрдые отложения, перекрывающие отверстия и нарушающие герметичность. Общее загрязнение топливной системы ведёт за собой засорение фильтра и каналов форсунок. Чтобы восстановить нормальную работу форсунок, их следует промыть.
Нарушение герметичности иглы – также довольно частая причина выхода форсунок из строя. Она обусловливается износом иглы. Решить эту проблему можно заменив иглу и распылитель.
Нарушение регулировки давления – происходит из-за износа пружины и её ослабления или износа иглы и штанги. Устранить такую проблему можно изменив натяжение пружины при помощи винта регулировки.
Заедание иглы – это следствие перегрева или работы с иглой, которая неплотно закрывается. Поэтому в пространство распылителя попадают газы из цилиндра. Для решения такой проблемы либо очищают детали, либо производят замену иглы.
Заменять форсунки рекомендуется после каждых 100-150 тыс. км пробега. Но, как правило, они ещё могут поработать 30-50 тыс. км после истечения официальной гарантии.
Чтобы форсунки не засорялись и работали исправно, их необходимо периодически обслуживать. Периодичность обслуживания дизельных форсунок для различных двигателей разная и находится в пределах от 500 до 5000 часов.
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.
Улучшение сгорания
Если производители дизельных двигателей хотят избежать добавления новых дорогостоящих систем для очистки выхлопных газов после сгорания, они должны улучшить процесс сгорания дизеля. Лучший способ сделать это — это применить новые технологии впрыска. Работа, проводимая поставщиками, была сосредоточена на новых форсунках с: • Увеличенным давлением впрыска • Впрыск с улучшенным распылением • Уменьшение времени впрыска Поставщики работают над новым поколением дизельных инжекторов с давлением впрыска 2000 бар, которое превышает 1600 бар, и улучшенными характеристиками распыления. Siemens VDO использует пьезо-инжекторы с 2000 года и считает, что технологии лучше всего соответствуют Евро-6 и даже более жестким стандартам в будущем. Но Delphi говорит, что его последняя версия 2000-барной версии традиционной соленоидной технологии работает так же хорошо, как пьезо. «Мы сравнили пьезо с соленоидным типом и не увидели никакой разницы», — говорит Детлев Шоппе, технический директор дизельных систем Delphi. «Наша система также на 20 мм компактнее».
Выбор Delphi удивил отраслевых игроков
«Причиной может быть цена, особенно для французских автопроизводителей, которые имеют более жесткую маржу» — говорит Эндрю Фулбрук, менеджер по прогнозам в офисе CSM Worldwide в Лондоне. Стефан Гейгер, аналитик лондонского офиса консультанта Global Insight, сомневается, что пьезо-технология необходима для соответствия 5 евро. Он говорит, что этого также можно достичь с помощью существующих технологий, дополнительных фильтров и настроек систем управления двигателем. «Французы уже пошли более легким путем, устанавливая сажевые фильтры, а не оптимизируя сгорание дизеля внутри», — говорит Гейгер. Delphi говорит, что французские автопроизводители тщательно исследовали традиционные соленоиды. «Но некоторые другие OEM-клиенты должны быть уверены в преимуществах соленоидов», — говорит Шоппе. Соленоидные инжекторы по-прежнему являются первичной дизельной технологией PSA / Peugeot-Citroen, говорит представитель , — добавляет Бок. Denso, который имеет тесные связи с Toyota, стремится привлечь больше европейских клиентов. Denso разработает как пьезо, так и традиционную технологию инжектора соленоидов. Он имеет новый усовершенствованный пьезоинжектор с тремя фазами и девятью отверстиями для распыления вместо семи.
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.
Насос-форсунка
Одной из разновидностей систем питания дизеля являются конструкции, в которых полностью отсутствует ТНВД. За создание высокого давления впрыска отвечают так называемые дизельные насос-форсунки. Принцип работы системы состоит в том, что насос низкого давления сначала подает солярку напрямую к инжектору, в котором уже имеется собственная плунжерная пара для создания высокого давления впрыска. Плунжерная пара форсунки работает от прямого воздействия на нее кулачков распредвала. Данная система позволяет добиться лучшего качества распыла дизтоплива благодаря способности создать очень высокое давление впрыска.
Исключение из системы подачи топлива ТНВД позволяет сделать размещение дизельного ДВС под капотом более компактным, избавиться от привода топливного насоса и отбора мощности на его постоянное вращение. Также стало возможным удалить из системы питания решения, которые распределяют топливо от ТНВД по цилиндрам. Инжекторы в системе с насос-форсунками имеют электрический клапан, что позволяет подавать топливо за два импульса.
Принцип похож на работу механической форсунки с двумя пружинами. Решение позволяет реализовать сначала подвпрыск, а уже затем произвести подачу в цилиндр основной порции горючего. Насос-форсунки реализуют подачу топлива в максимально точно заданный момент начала впрыска, лучше дозируют солярку. Дизельный мотор с такой системой экономичен, работает мягко и тихо, содержание вредных веществ в отработавших газах сведено к минимуму.
Главным минусом решения можно считать то, что давление впрыска насос-форсунки напрямую зависит от частоты вращения коленвала двигателя. В списке недостатков также отмечены: сложность исполнения, высокая требовательность к моторному маслу, чистоте и качеству топлива. В процессе эксплуатации выделяют трудности в процессе ремонта и обслуживания, а также общую дороговизну сравнительно с системами, которые оборудованы привычным ТНВД.
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.
Форсунки с дросселирующей вибрирующей иглой
Стандартная форсунка в сборе с держателем для двигателей с предкамерой и вихревой камерой состоит из форсунки (тип DN…SD) вместе с держателем (тип КСА с резьбой). Обычная версия этого держателя имеет резьбу размером М24х2 и размер под ключ 27 мм. Обычно используются форсунки DN О SD, которые имеют диаметр иглы распылителя 6 мм и угол струи 0° ( прямая струя). Намного реже используются распылители с определенным углом распыления (например, 12° для форсунки DN 12 SD). Для ограниченного пространства головки цилиндров используются более компактные держатели форсунок (например, КСЕ).
Одной из характерных особенностей форсунки с дросселирующей иглой является управление ее поперечным сечением, другими словами, количеством протекающего через нее топлива в зависимости от подъема иглы. Тогда как в случае форсунки с дырчатым распылителем (т.е. форсунки с отверстиями) поперечное сечение резко возрастает, как только игла открывается, форсунка с дросселирующей иглой характеризуется очень пологой характеристикой поперечного сечения в области малых ходов иглы. В этой области дросселирующая игла с выступом в форме стержня остается внутри отверстия распылителя и только малая поверхность кольцевой формы между отверстием распылителя и иглой играет роль поперечного сечения для потока топлива. При больших ходах иглы она поднимается из отверстия распылителя полностью и поперечное сечение резко возрастает.
В определенной степени это изменение поперечного сечения в зависимости от хода иглы, управляет кривой скорости сброса, другими словами, количеством впрыскиваемого топлива в единицу времени. В начале впрыска лишь небольшое количество топлива может выйти из форсунки, тогда как большое количество выходит в конце процесса впрыска. Прежде всего такая характеристика имеет положительный эффект на шум двигателя от процесса сгорания.
Следует отметить, что если величины поперечного сечения слишком малы и подъем иглы недостаточен, то ТНВД передвигает иглу в направлении открытия более быстро, чем могло бы быть и игла выходит из отверстия распылителя раньше, т.е. прекращение дросселирующего действия произойдет быстрее. Количество впрыскиваемого за единицу времени топлива в результате быстро возрастает и шум от сгорания также усиливается. Чрезмерно малые поперечные сечения в конце впрыска имеют похожее отрицательное воздействие из-за того, что когда игла закрывается снова, то выход топлива затруднен через ограниченное поперечное сечение с одновременной задержкой конца впрыска
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.
Неисправности и ремонт форсунок
Наиболее частой причиной проблем с эффективной работой дизельной форсунки становится использование некачественного топлива. В подобной ситуации заметно повышается износ подвижных частей детали, происходит интенсификация эрозии металлических поверхностей, а также наблюдается ряд других малоприятных последствий. К числу последних относятся:
- трудности при запуске дизеля;
- перепады или снижение мощности двигателя;
- порывистое движение автомобиля при увеличении оборотов; повышенный расход горючего;
- рост объемов или ухудшение качества выхлопов и т.д.
Обнаружение любой из перечисленных проблем требует срочного вмешательства.
Ремонт форсунок производится в специализированных автосервисах, так как предусматривает использование современного оборудования, включая диагностические стенды. Наиболее часто выполняется традиционная промывка форсунок. Она производится с применением специальных составов – вручную или автоматически на уже упомянутых стендах.
В последние годы активно применяется чистка форсунок ультразвуком. Такой вариант проведения ремонта позволяет добиться положительного результата – быстро, с гарантией и на длительный срок. Главное – обратиться к профессионалам, оснащенным современным оборудованием.
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.
Дискуссия по инжектору
Старые технологии впрыска топлива подошли к пределам производительности. До тех пор, пока Delphi не решила попытаться расширить использование соленоидных инжекторов, многие руководители отрасли ожидали, что стандарты Евро 5 для оксида азота (NOx) и выбросов твердых частиц заставило большинство производителей перейти на пьезоинжекторы. Первоначальное предложение ЕС по стандартам Euro 5 предусматривало сокращение выбросов NOx до 200 мг/км с 250 мг/км и твердых частиц до 5 мг/км с 25 мг/км для дизельных двигателей. Но к тому времени, предел NOx, вероятно, будет еще ниже 170 мг/км.
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…
Пьезоэлектрические форсунки Bosch CommonRail.
Cтремительное развитие технологий открывает дорогу более практичным и экологически чистым изобретений. Более эффективной оказалась система впрыска, где за один рабочий этап форсунки, топливо разделяется на максимально возможное количество микропорций. Для этого производителям необходимо увеличить скорость срабатывания управляющих и исполнительных механизмов форсунки. С этой целью и была сконструирована пьезокерамическая форсунка, которая работает в четыре раза быстрее традиционной электромагнитной.
