Насос-форсунка

Насос-форсунка — это устройство, объединяющее в одном корпусе топливный насос высокого давления и форсунку, предназначенное для непосредственного впрыска топлива в цилиндр дизельного двигателя внутреннего сгорания. В отличие от систем Common Rail, где насос и форсунка разделены и соединены трубопроводами высокого давления, в насос-форсунке нагнетание и впрыск топлива происходят в едином модуле, установленном непосредственно в головке блока цилиндров над каждым цилиндром. Привод насос-форсунки осуществляется, как правило, от распределительного вала двигателя через коромысло или толкатель.

История

Первые попытки создания комбинированного устройства для впрыска топлива относятся к началу XX века. Однако практическое применение насос-форсунок началось в 1930-х годах. В 1934 году американская компания General Motors (организация, зарегистрированная в США) применила их на двухтактных дизельных двигателях серии 71, которые использовались на железнодорожном транспорте, в судостроении и военной технике. Эта конструкция позволяла достичь высокого давления впрыска (до 140 МПа) и точного дозирования топлива.

В 1980-е годы, с ужесточением экологических норм и требований к экономичности, интерес к насос-форсункам возродился. Ведущую роль в их внедрении на легковых и грузовых автомобилях сыграла компания Volkswagen AG. В 1998 году на двигателе 1.9 TDI (серия PD — Pumpe-Düse) была впервые применена система насос-форсунок с электронным управлением. Это позволило значительно повысить давление впрыска (до 205 МПа) по сравнению с механическими системами, улучшить смесеобразование и снизить расход топлива. Впоследствии аналогичные системы разрабатывали и другие производители: Audi, Seat, Skoda, а также Ford (на двигателях Duratorq) и некоторые грузовые бренды.

К середине 2000-х годов насос-форсунки начали вытесняться системами Common Rail, которые обеспечивали большую гибкость управления процессом впрыска (многофазный впрыск, предварительный и последующий впрыски) и меньший уровень шума. Однако на мощных коммерческих дизелях (например, на двигателях MAN, Scania, Cummins) насос-форсунки продолжали использоваться до конца 2010-х годов благодаря их способности создавать сверхвысокое давление (до 250 МПа и выше).

Устройство и принцип действия

Насос-форсунка состоит из двух основных функциональных частей: плунжерной пары (насосная часть) и распылителя (форсуночная часть), объединённых в едином корпусе.

Основные элементы

• Корпус — стальная деталь сложной формы, в которой выполнены каналы для подвода и отвода топлива, а также посадочные места для всех элементов.
• Плунжерная пара — прецизионная пара (плунжер и втулка), обеспечивающая создание высокого давления. Плунжер приводится в движение от кулачка распределительного вала через роликовый толкатель или коромысло.
• Электромагнитный клапан (или пьезоэлектрический актуатор) — управляющий элемент, который открывает или закрывает канал перепуска топлива. В момент, когда клапан открыт, топливо циркулирует через насос-форсунку без создания давления. Когда клапан закрывается, плунжер начинает сжимать топливо, и давление в камере резко возрастает, открывая иглу распылителя.
• Распылитель — наконечник с форсуночными отверстиями (от 5 до 8 и более), через которые топливо впрыскивается в камеру сгорания. Игла распылителя поднимается под действием давления топлива, преодолевая усилие пружины.
• Пружина обратного хода — возвращает плунжер в исходное положение после завершения такта впрыска.

Принцип работы

Работа насос-форсунки происходит в четыре этапа:

1. Наполнение. Плунжер движется вверх (под действием пружины или кулачка), создавая разрежение. Электромагнитный клапан открыт, и топливо из топливной магистрали низкого давления (0,3–0,5 МПа) заполняет полость над плунжером.
2. Начало нагнетания. Кулачок распределительного вала начинает давить на плунжер, он движется вниз. Электромагнитный клапан остаётся открытым, и топливо вытесняется обратно в магистраль.
3. Впрыск. По команде электронного блока управления (ЭБУ) электромагнитный клапан закрывается. Плунжер продолжает движение вниз, сжимая топливо в замкнутом объёме. Давление резко возрастает (до 200–250 МПа), игла распылителя поднимается, и топливо впрыскивается в цилиндр.
4. Завершение впрыска. ЭБУ подаёт сигнал на открытие электромагнитного клапана. Давление в камере падает, игла распылителя садится на седло под действием пружины, впрыск прекращается. Плунжер продолжает движение вниз, но теперь топливо свободно перетекает в магистраль.

Классификация

Насос-форсунки классифицируются по типу привода и способу управления:

• По типу привода плунжера:
• С механическим приводом от кулачка распределительного вала (наиболее распространённый тип).
• С гидравлическим приводом (используется редко, в основном в опытных образцах).
• По типу управляющего элемента:
• С электромагнитным клапаном (классическая конструкция, применялась на двигателях Volkswagen 1.9 TDI).
• С пьезоэлектрическим актуатором (более современный тип, обеспечивает более быстрое и точное управление, используется на двигателях Audi 3.0 TDI и некоторых других).

Применение

Насос-форсунки нашли широкое применение в различных типах дизельных двигателей:

• Легковые автомобили: двигатели Volkswagen Group серий PD (Pumpe-Düse) объёмом 1.9 и 2.0 литра (модели Golf, Passat, Octavia, A3, Leon и др.). Эти двигатели отличались высокой топливной экономичностью и тяговитостью на низких оборотах.
• Коммерческий транспорт: грузовые автомобили MAN (серия D20, D26), Scania (серия DC), Cummins (серия ISX). Здесь насос-форсунки применялись для обеспечения сверхвысокого давления впрыска (до 250 МПа) и большого ресурса (до 1 млн км).
• Сельскохозяйственная и строительная техника: тракторы, комбайны, экскаваторы, бульдозеры (например, на двигателях John Deere, Caterpillar).
• Судовые и стационарные двигатели: дизель-генераторы, судовые силовые установки.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокое давление впрыска (до 250 МПа и выше), что обеспечивает мелкое распыление топлива и хорошее смесеобразование.
• Высокая точность дозирования топлива благодаря электронному управлению.
• Отсутствие топливопроводов высокого давления между насосом и форсункой, что снижает потери энергии и повышает надёжность.
• Компактность — каждый цилиндр имеет свой индивидуальный модуль.

Недостатки

• Сложность и высокая стоимость изготовления из-за прецизионных деталей.
• Высокая чувствительность к качеству топлива — загрязнения или вода быстро выводят из строя плунжерную пару и распылитель.
• Сложность ремонта — насос-форсунка часто является неразборным узлом, и при выходе из строя её заменяют целиком.
• Повышенный шум работы по сравнению с системами Common Rail, особенно на холостом ходу.
• Ограниченные возможности для многофазного впрыска — реализация предварительного и последующего впрысков технически сложнее, чем в Common Rail.

Сравнение с Common Rail

Основное отличие насос-форсунки от системы Common Rail заключается в том, что в Common Rail насос высокого давления создаёт давление в общей магистрали (топливной рампе), откуда топливо подаётся к форсункам каждого цилиндра. В насос-форсунке давление создаётся непосредственно перед впрыском в каждом цилиндре индивидуально.

Интересные факты

• Первый в мире серийный дизельный двигатель с электронным управлением насос-форсунками (1.9 TDI PD) был представлен компанией Volkswagen в 1998 году и получил премию «Двигатель года» (Engine of the Year) в 2000 и 2001 годах.
• Давление впрыска в некоторых моделях насос-форсунок (например, на двигателях Cummins ISX) достигает 250 МПа, что эквивалентно давлению на глубине 25 км в океане.
• Из-за высокой точности изготовления зазор между плунжером и втулкой в насос-форсунке составляет менее 1 микрона (0,001 мм).

Источники

• Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа / Под ред. А. С. Орлина. — М.: Машиностроение, 1990.
• Техническая документация Volkswagen AG по системе впрыска Pumpe-Düse (1998–2005).
• Справочник по дизельным двигателям / Под ред. В. И. Костина. — М.: Транспорт, 2005.
• Материалы конференций SAE (Society of Automotive Engineers) по системам впрыска топлива, 2000–2010 гг.