Устройство и принцип работы форсунки

Статья обновлена: 18.08.2025

Топливная форсунка – критически важный компонент современных систем впрыска. Она обеспечивает точную дозировку и распыл горючего в камере сгорания двигателя.

Конструктивно форсунка представляет собой электромагнитный клапан высокого давления. Основные элементы включают корпус, иглу распылителя, уплотнения, электромагнитную катушку и входной/выходной штуцеры.

Принцип действия основан на импульсном управлении от электронного блока. При подаче напряжения на обмотку создаётся магнитное поле, втягивающее иглу. Это открывает калиброванные сопловые отверстия для подачи топлива. Длительность импульса определяет объём впрыскиваемого топлива.

Типы распылителей и их применение в двигателях

Распылители форсунок классифицируются по конструкции отверстий и механизму формирования факела. Основные типы включают штифтовые (игольчатые), дырчатые и щелевые. Штифтовые распылители оснащены конической иглой, приподнимающейся при подаче топлива и формирующей кольцевой зазор. Дырчатые содержат одно или несколько калиброванных отверстий для прямого впрыска. Щелевые создают плоскую веерообразную струю через эллиптическое сопло.

Выбор типа напрямую влияет на смесеобразование. Штифтовые обеспечивают конусообразное распыление с мелкодисперсными частицами, оптимальное для равномерного распределения в предкамерных и вихрекамерных дизелях. Дырчатые создают направленные струи с высокой проникающей способностью, необходимые для непосредственного впрыска в камеру сгорания бензиновых и дизельных двигателей. Щелевые применяются в моновпрыске бензиновых моторов для покрытия дроссельной заслонки.

Ключевые особенности применения

Штифтовые: Устойчивы к закоксовыванию, низкий уровень подтекания. Используются в устаревших дизельных системах с разделённой камерой сгорания.
Многофакельные дырчатые: Точное управление формой факела (4-8 отверстий). Применяются в Common Rail, TDI и GDI для прямого впрыска под давлением 200-300 МПа.
Щелевые: Дешевы в производстве, но склонны к неравномерному износу. Характерны для центрального впрыска (моновпрыск) у бензиновых ДВС.

Тип распылителя	Давление впрыска	Типичное применение
Штифтовой	10-25 МПа	Вихрекамерные дизели
Дырчатый (1 отверстие)	30-50 МПа	Старые системы непосредственного впрыска
Дырчатый (многофакельный)	100-300 МПа	Common Rail, GDI, TDI
Щелевой	0.7-1.2 МПа	Центральный впрыск бензиновых двигателей

Эволюция распылителей связана с ростом давления впрыска: современные пьезоэлектрические системы используют многофакельные дырчатые распылители с сапфировыми вставками для точного дозирования. Количество отверстий (до 8) и их гидравлическая калибровка оптимизируют смесеобразование при разных режимах работы двигателя.

Принцип электромагнитного управления впрыском

Электромагнитная форсунка активируется импульсом от блока управления двигателем (ЭБУ), преобразуя электрический сигнал в механическое действие для впрыска топлива. При подаче напряжения на обмотку соленоида возникает электромагнитное поле, преодолевающее сопротивление пружины и втягивающее якорь.

Подъем иглы распылителя открывает канал, позволяя топливу под давлением проходить через сопло. Длительность импульса определяет период открытия клапана и объем подаваемого топлива, синхронизируясь с тактами работы двигателя.

Ключевые элементы управления

Цикл работы включает три фазы:

Срабатывание: Электромагнитное поле преодолевает силу пружины (0.01-0.08 сек)
Стабилизация: Игла удерживается в открытом положении
Закрытие: Прекращение напряжения возвращает иглу на седло пружиной

Точность параметров обеспечивает эффективность:

Параметр	Значение	Влияние
Длительность импульса	1-15 мс	Определяет количество топлива
Давление топлива	2-15 Бар	Влияет на форму факела
Скорость срабатывания	1-3 мс	Обеспечивает синхронизацию с циклом ДВС

Герметичность в закрытом состоянии предотвращает капельный теч, а конструкция иглы и седла формирует заданную дисперсию топлива. Современные системы используют многоимпульсный впрыск для оптимизации смесеобразования.

Пьезоэлектрические форсунки: особенности работы

Пьезоэлектрические форсунки используют свойство пьезокерамических элементов изменять геометрические размеры под действием электрического напряжения. При подаче тока на многослойный пьезоэлемент происходит его мгновенное удлинение, создающее усилие до 2000 Н. Это усилие передается через толкатель непосредственно на иглу распылителя, открывая топливный канал без промежуточных гидравлических механизмов.

Отсутствие возвратных пружин и минимальная инерционность системы обеспечивают рекордное быстродействие: время срабатывания составляет 0.1 мс, что в 3-4 раза быстрее электромагнитных аналогов. Такая скорость позволяет реализовать до 8 впрысков за один рабочий цикл двигателя с точностью дозирования ±0.1 мг. Конструкция исключает утечки топлива через управляющие камеры благодаря прямому воздействию на запорную иглу.

Ключевые эксплуатационные преимущества

Многократный впрыск: микро-дозы топлива впрыскиваются точно в требуемые фазы цикла
Адаптивность: мгновенная коррекция параметров в реальном времени
Износостойкость: ресурс превышает 1 млн циклов благодаря отсутствию трущихся деталей

Параметр	Электромагнитные	Пьезоэлектрические
Время срабатывания	0.3-0.4 мс	0.1 мс
Точность дозирования	±1.5 мг	±0.1 мг
Макс. частота впрысков	3-4 за цикл	7-8 за цикл

Высокая температурная стабильность пьезоэлементов сохраняет рабочие характеристики при нагреве до 150°C. Для управления используется импульсное напряжение 60-200 В, при этом потребляемая мощность снижена на 75% по сравнению с электромагнитными системами. Основное применение – современные дизельные двигатели с системами Common Rail, где требования к точности впрыска максимальны.

Формирование топливного факела при распылении

Процесс формирования топливного факела начинается в момент достижения топливом критического давления открытия иглы форсунки. Под высоким давлением топливо преодолевает сопротивление пружины, игла приподнимается, и топливный поток устремляется через калиброванные отверстия распылителя. Геометрия этих отверстий (диаметр, количество, угол наклона) является ключевым фактором, определяющим начальную структуру струи.

При выходе из сопловых отверстий топливо подвергается воздействию значительных аэродинамических сил со стороны воздуха в камере сгорания. На границе раздела фаз "жидкость-газ" возникают неустойчивости Рэлея-Тейлора и Кельвина-Гельмгольца, приводящие к фрагментации сплошной струи на отдельные капли. Одновременно происходит первичный распад струи на крупные фрагменты под действием сил поверхностного натяжения и вязкости.

Фазы развития факела

Дальнейшая эволюция факела включает последовательные стадии распада:

Первичный распад: На расстоянии 1-10 мм от среза распылителя струя дезинтегрирует на крупные капли и нитевидные структуры под влиянием волновых возмущений.
Вторичный распад: Крупные капли диаметром >50 мкм дробятся на более мелкие (10-30 мкм) под воздействием динамического напора воздуха. Доминирующими механизмами выступают режимы "bag breakup" и "shear breakup".
Третичный распад и испарение: Мелкодисперсные капли перемешиваются с воздушным зарядом, ускоряются встречным потоком и интенсивно испаряются, образуя гомогенную топливовоздушную смесь.

На форму и проникновение факела влияют параметры:

Рабочее давление в топливной рампе (определяет скорость истечения)
Плотность воздуха в цилиндре
Температура топлива и заряда
Конструкция распылителя (сопла S-типа, minisac, VCO)

Параметр	Влияние на факел
Угол конуса распыла	Определяет площадь покрытия и локальное соотношение "топливо-воздух"
Проникновение факела	Зависит от кинетической энергии струи и диаметра капель
SMD (Средний диаметр капли)	Влияет на скорость испарения и полноту сгорания
Коэффициент неравномерности	Характеризует однородность распределения капель по размерам

Оптимальное формирование факела достигается при балансе между глубиной проникновения в камеру сгорания и качеством распыла. Чрезмерная дисперсность ухудшает проникновение, а крупные капли приводят к неполному сгоранию. Современные электрогидравлические форсунки с многодырчатыми распылителями обеспечивают конические факелы с углом 70-150°, адаптированные под геометрию камеры сгорания.

Влияние давления топлива на качество распыла

Давление топлива непосредственно определяет скорость его прохождения через сопло форсунки и энергию распыла. При оптимальном значении топливо дробится на микроскопические капли, формируя равномерный конусообразный факел с высокой гомогенностью. Увеличение давления усиливает турбулентность потока, уменьшая средний диаметр капель и улучшая смесеобразование.

Отклонения от номинального давления вызывают значительные нарушения в процессе распыла. Недостаточное давление приводит к образованию крупных капель и неравномерному факелу с выраженными топливными нитями. Чрезмерное давление провоцирует чрезмерное уплотнение центральной части факела, сокращение дальнобойности распыла и кавитационный износ распылителя.

Критические эффекты при изменении давления

Параметр давления	Размер капель	Геометрия факела	Эксплуатационные последствия
Ниже нормы	Увеличение на 20-40%	Асимметрия, локальные сгущения	Неполное сгорание, нагар, повышенный расход
Оптимальное	80-150 мкм (дизель) 50-100 мкм (бензин)	Стабильный конус, равномерное распределение	Максимальная эффективность сгорания
Выше нормы	Сверхмелкие капли (<50 мкм)	Укороченный факел, конденсация на стенках	Повышенный износ, разбавление масла в цилиндре

Точность поддержания давления обеспечивается регулятором в топливной рампе, компенсирующим изменения нагрузки и температуры. Критически важным является соответствие давления типу форсунки: пьезоэлектрические системы требуют более высоких значений (до 2500 бар), чем электромагнитные (300-400 бар).

Диагностика неисправностей: характерные признаки износа

Неравномерная работа двигателя на холостом ходу – один из первых симптомов износа форсунок. Проявляется через повышенную вибрацию, плавающие обороты или самопроизвольную остановку мотора, особенно после холодного запуска.

Заметное увеличение расхода топлива при сохранении стандартного стиля вождения сигнализирует о нарушении герметичности или качества распыла. Параллельно наблюдается снижение динамики разгона и потеря мощности из-за неоптимального состава топливно-воздушной смеси.

Ключевые индикаторы проблем

Проблемы с запуском – требуется длительная прокрутка стартером, особенно в холодную погоду
Хлопки во впускном/выпускном коллекторе – следствие неполного сгорания топлива
Запах бензина в выхлопе – признак переобогащения смеси из-за "переливания"
Загрязнение свечей зажигания – черный маслянистый нагар или закоксовывание электродов

Визуальный признак	Техническое проявление
Подтопление форсунок	Появление топливных пятен на корпусе
Изменение формы факела распыла	Конусообразование вместо равномерного тумана
Задиры на игле распылителя	Нарушение дозировки топлива

Появление кода ошибок P0200-P0204 (неисправность цепи форсунок) или P0172 (система слишком богатая) в диагностическом сканере подтверждает электронные проблемы. Механический износ распылителя ведет к образованию капель вместо тумана, что фиксируется на стендовых тестах.

Для подготовки статьи по теме устройства и принципа работы форсунки использовались специализированные технические материалы и документация.

Источники включают учебные пособия, нормативную литературу и профильные исследования, обеспечивающие достоверность технических описаний.

Список источников

Автомобильные двигатели: Теория, моделирование и расчет / Под ред. А.И. Колчина, В.П. Демидова. Машиностроение, 2008.
Бологовский Ю.Б. Топливная аппаратура автомобильных двигателей. Транспорт, 1980.
Техническая документация Bosch: Системы впрыска дизельных двигателей. 2015.
Патент US 2017/0151144 A1. Fuel injector with improved nozzle design.
Принципы работы и диагностика современных топливных форсунок. Журнал "Автосервис", №5, 2020.
Руководство по ремонту Volkswagen Golf V. Глава "Топливная система".
Хайнс Дж. Диагностика и обслуживание систем впрыска топлива. АСТ, 2017.