На сегодняшний день в дизельных двигателях, используемых на коммерческом автотранспорте, доминируют две основные системы впрыска: Сommon Rail (что означает общая рампа) и насос-форсунки. Работа системы впрыска Сommon Rail, созданной фирмой Bosch, основана на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления – топливной рампы. Применение этого устройства позволяет снизить расход горючего, токсичность отработавших газов и уровень шума двигателя.В Сommon Rail, в отличие от обычных систем питания, топливо постоянно находится под высоким давлением в общей для всех форсунок топливной магистрали. Давление в ней поддерживает блок управления мотором, меняя производительность насоса. При этом давление превышает 1000 бар независимо от оборотов двигателя и нагрузки, при любой последовательности впрыска по цилиндрам. Система Common Rail включает: топливный насос высокого давления (ТНВД); клапан дозирования топлива; регулятор давления топлива (контрольный клапан); топливную рампу; форсунки и топливопроводы.Конструктивное исполнение системы впрыска топлива Common Rail. Впрыск топлива электромагнитной форсункой осуществляется за счет управления электромагнитным клапаном. Электрогидравлические или пьезоэлектрические форсунки впрыскивают топливо непосредственно в камеру сгорания двигателя. Активным элементом пьезофорсунки являются пьезокристаллы, значительно повышающие скорость работы устройства.Контроль за работой Common Rail обеспечивает система управления двигателем, которая включает: датчики, блок управления и исполнительные механизмы. В частности в нее входят датчик оборотов двигателя; датчик холла; датчик положения педали газа; расходомер воздуха; датчик температуры охлаждающей жидкости; датчики давления и температуры воздуха; датчик давления топлива; кислородный датчик (лямбда-зонд) и другие. Исполнительными механизмами Common Rail являются: форсунки; клапан дозирования топлива и регулятор давления топлива.На основании сигналов, поступающих от датчиков, блок управления двигателем определяет необходимое количество подаваемого топлива. В ТНВД оно подается за счет управления клапаном дозирования, после чего насос накачивает горючее в топливную рампу. Там оно находится под определенным давлением, поддерживаемым регулятором давления. В нужный момент блок управления двигателем дает команду соответствующим форсункам на начало впрыска и обеспечивает определенную продолжительность открытия клапана форсунки. При необходимости блок управления двигателем корректирует параметры работы системы впрыска.В системе Common Rail реализуется многократный впрыск топлива в течение одного цикла работы двигателя. В зависимости от режима его работы могут производиться предварительные впрыски — два на холостом ходу и один — при повышении нагрузки. Дополнительный впрыск выполняется для повышения температуры отработавших газов и сгорания частиц сажи в сажевом фильтре, чем достигается его регенерация.Развитие системы Common Rail идет по пути увеличения давления впрыска, ее нынешнее, четвертое, поколение достигает показателей в 220 МПа. Однако компании Bosch удалось повысить их до 250 МПа. Это заслуга электромагнитных форсунок, способных за один рабочий такт подавать до восьми порций топлива. Насос-форсунки. Вторая система впрыска, применяющаяся на современных дизельных двигателях, это насос-форсунки. В отличие от Common Rail в данном устройстве объединены функции создания высокого давления и впрыска топлива. Это позволяет повысить мощность двигателя и его экономичность, снизить выбросы токсичных веществ и уровень шума.В этой системе на каждый цилиндр двигателя приходится своя насос-форсунка. Их привод осуществляется от распределительного вала, на котором имеются соответствующие кулачки. Свое усилие они передают с помощью коромысла непосредственно к насос-форсунке. Последняя конструктивно состоит из плунжера, клапана управления, запорного поршня, обратного клапана и иглы распылителя.Плунжер создает нужное давление топлива. Поступательное движение плунжера осуществляется за счет вращения кулачков распределительного вала, возвратное – за счет плунжерной пружины. Клапан управления контролирует впрыск топлива. В зависимости от привода существуют два вида клапанов: электромагнитный и пьезоэлектрический. Пьезоэлектрический клапан пришел на смену электромагнитному, и обладает большим быстродействием. Игла распылителя предназначена для непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания. Ее посадку на седло обеспечивает пружина форсунки. Усилие пружины при необходимости поддерживается давлением топлива. Данная функция реализуется с помощью запорного поршня и обратного клапана. Управление насос-форсунками как и в случае с Common Rail, осуществляет система управления двигателем. На основании сигналов датчиков она управляет клапаном насос-форсунки. Конструкция насос-форсунки обеспечивает оптимальное и эффективное образование топливно-воздушной смеси. Для этого в процессе впрыска топлива предусмотрены следующие фазы: предварительный впрыск; основной впрыск и дополнительный впрыск. Предварительный впрыск производится для достижения плавности сгорания смеси при основном впрыске. Основной впрыск обеспечивает качественное смесеобразование на различных режимах работы двигателя. Дополнительный впрыск выполняется для регенерации (очистки от накопленной сажи) сажевого фильтра.Насос-форсунка электромагнитного типа практически не способна изменить объем топлива для предварительного впрыска, он равняется приблизительно от 1 до 3 мм3. Насос-форсунка пьезоэлектрического типа — «умнее», и в зависимости от требуемых условий может менять объем предварительного впрыска, правда, с ограничением – не менее 0,5 мм3. Кроме того, если насос-форсунка электромагнитного типа может осуществлять только один впрыск, то пьезоэлектрический аналог в зависимости от условий работы способен делать два, и притом — изменяемых по времени и объему.Требования:
Топливный насос высокого давления (ТНВД) должен подавать топливо под давлением 350... 1600 бар — в соответствии с особенностями процесса сгорания дизельного топлива — с максимальной точностью дозирования циклов впрыска для достижения оптимального состава рабочей смеси. Начало впрыска должно быть точно установлено по времени в пределах около ±1 поворота коленчатого вала для достижения оптимума между расходом топлива, выбросом токсичных компонентов с отработавшими газами и уровнем шума. Муфта опережения вспрыскивания позволяет уточнять начало впрыскивания и компенсировать продолжительность распространения волн сжатия в топливопроводах реагированием на изменение частоты вращения и опережения начала закрытия отверстия насоса (действительное начало подачи топлива насосом). Механические системы включают муфту опережения впрыскивания для учета изменений частоты вращения коленчатого вала двигателя. Винтовая кромка плунжера ТНВД позволяет путем его поворота изменять цикловую подачу топлива в зависимости от нагрузки. Для управления нагрузкой и частотой вращения коленчатого вала дизеля используется только изменение цикловой подачи топлива; количество воздуха на впуске не дросселируется. Так как дизель на малых нагрузках при увеличении цикловой подачи топлива может увеличивать частоту вращения, превышающую допустимую, важно иметь устройство, ограничивающее это увеличение. Необходимо также иметь регулятор частоты вращения на режиме холостого хода.
Процесс впрыскивания. При рассмотрении процесса впрыскивания топливо нельзя считать несжимаемым. Процессы, сопутствующие впрыскиванию, следует рассматривать как динамические (в основном, отражающие акустические принципы). Кулачковый вал ТНВД, приводимый от коленчатого вала двигателя, перемещает плунжеры топливного насоса, обеспечивая подачу топлива и создавая высокое давление в топливопроводах. Нагнетательный клапан открывается при повышении давления и волна давления проходит в направлении сопла форсунки со скоростью звука (приблизительно 1400 м/с). По достижении требуемого давления запорная игла рабочего сопла форсунки преодолевает усилие пружины, открывая проходное сечение, и топливо подается через распылительные отверстия в камеру сгорания двигателя. Процесс впрыскивания заканчивается с открытием сливного отверстия в гильзе плунжера. Давление в надплунжерной полости уменьшается, нагнетательный клапан закрывается и давление в топливопроводе снижается до пределов, выбираемых из следующих условий: запорная игла форсунки должна закрываться мгновенно, исключая утечку топлива; колебательные явления в топливопроводах не должны вызывать повторного открытия иглы и становиться причиной кавитационного разрушения.[BR]Система впрыскивания топлива[BR]Система впрыскивания топлива предна- значена для точного дозирования топли- ва при различных режимах работы. Она включает в себя топливный бак, топлив- ный фильтр, топливоподкачивающий на- сос, перепускной клапан и топливные трубопроводы. Давление топлива, требу- емое для впрыскивания, создается ТНВД, откуда топливо подается через нагнета- тельный клапан по топливным трубопро- водам высокого давления к форсункам.[BR]Топливный насос высокого давления[BR]В ТНВД автомобильных дизельных двигателей, главным образом, используется одна из следующих систем впрыскивания топлива: насос с рядным расположением плунжерных пар и насос распределительного типа. В насосе с рядным расположением плунжерных пар, широко применяемом на двигателях большегрузных автомобилей, кулачковый вал приводит в действие один плунжер, подающий топливо только к одному цилиндру двигателя. Другая конструкция ТНВД с рядным расположением плунжерных пар может регулировать фазы впрыскивания в дополнение к изменению количества топлива. Насос распределительного типа характеризуется механическим или электронным регулятором и интегральным устройством, управляющим углом опережения впрыскивания. Одноплунжерный насос распределительного типа с вращающимся плунжером обычно применяется для высокооборотных двигателей легковых автомобилей и малотоннажных грузовиков. Центральный плунжер, приводимый в движение от кулачкового диска, создает давление и распределяет топливо по отдельным цилиндрам, а дозатор или электромагнитный клапан регулирует количество впрыскиваемого топлива. Насос распределительного типа с радиальным расположением плунжерных пар встречаются на дизелях с высокой частотой вращения коленчатого вала для легковых автомобилей и малотоннажных грузовиков с непосредственным впрыскиванием топлива. Элементы насоса в обоих типах систем изготавливаются с высокой точностью для обеспечения продолжительного срока службы и стабильности работы, точного регулирования момента отсечки и количества впрыскиваемого топлива, а также равномерности дозирования по отдельным цилиндрам. Имеются также насосы с рядным расположением плунжерных пар и распределительного типа, приводимые в действие от кулачкового вала двигателя. Другой концепцией впрыскивания топлива представляется система насос-форсунка, в которой насос и форсунка объединены в один узел. Насос-форсунка устанавливается в головке каждого цилиндра. Устройство приводится распределительным валом двигателя, непосредственно толкателем или косвенно при помощи коромысла (рокера). Система впрыскивания топлива с общим нагнетательным топливным трубопроводом (аккумулятором) позволяет разделить функции создания давления и впрыскивания.[BR]Топливные фильтры[BR]Качество фильтра и соответствие необходимой степени очистки оказывают решающее влияние на долговечность системы впрыскивания топлива. Наиболее важный компонент топливного фильтра — фильтрующий элемент — состоит из гидрофобного бумажного элемента; свернутого по спирали в целях получения максимальной площади фильтрующей поверхности, что повышает грязеемкость фильтра. Эффективность фильтрования, главным образом, определяется пористостью бумаги, ее массой и типом используемых волокон. В системах с насосами распределительного типа используются фильтры со средним размером пор 4...5 мкм, хотя с другими типами насосов могут использоваться фильтры с размером пор 8... 10 мкм. Фильтры для дизельных систем впрыскивания топлива могут быть линейные (только насосы VE) или типа патрона (состоящие из кожуха фильтра и ввинчиваемого сменного патрона). Полностью линейный фильтр или фильтр с патроном должны заменяться, когда истекает установленный срок обслуживания (> 30 тыс. км). Фильтры для насосов VE включают специальные отстойники для сбора содержащейся в топливе влаги, которая собирается на стороне загрязнения бумаги фильтра и затем просачивается на чистую сторону. Измерительный датчик сигнализирует о достижении максимально допустимого уровня воды. Для удаления воды используется дренажная пробка. Также в фильтре может устанавливаться электрический обогреватель в целях предупреждения каких-либо помех, вызываемых загущением парафиновых составляющих топлива при низких температурах.[BR]Насосы с рядным расположением плунжерных пар[BR]Подкачивающий насос[BR]Плунжерный насос подает топливо к ТНВД под давлением порядка 1...2,5 бар. Плунжер подкачивающего насоса, приводимый в действие от распредели- тельного кулачка, при каждом такте перемещается в верхнюю мертвую точку. Возвратное движение осуществляется пружиной во время обратного такта — происходит впуск топлива. Чем больше давление в топливопроводе, тем меньше ход плунжера, подающего топливо.[BR]Топливный насос высокого давления[BR]Каждый насос высокого давления с рядным расположением плунжеров имеет плунжерную пару для каждого цилиндра двигателя. Приводимый в движение двигателем кулачковый вал вызывает движение плунжера, повышающего давление топлива. Возврат его в первоначальное положение осуществляется пружиной. Плунжер подгоняется к втулке с такой точностью (зазор составляет 3...5 мкм), что он фактически работает без утечек даже при высоком давлении и на любых частотах вращения коленчатого вала двигателя. Рабочий ход плунжера является постоянным.[BR]Количество подаваемого топлива регулируется посредством поворота плунжера — спиральная выемка изменяет его действительный рабочий ход. Активная работа насоса начинается, когда верхняя кромка плунжера закрывает впускное отверстие. Прорезь соединяет камеру выше плунжера с зоной ниже пространственной спиральной выемки.[BR]Для регулирования подачи топлива используются плунжеры с различными типами спиральных канавок. В плунжерах только с нижней спиральной канавкой начало подачи топлива всегда происходит при том же такте сжатия, а при вращении плунжера может изменяться опережение или запаздывание впрыска топлива. При верхнем расположении спиральной канавки изменяется начало впрыска топлива. Имеются также плунжеры с верхним и нижним расположением спиральных канавок. Для ТНВД используются следующие типы нагнетательных клапанов: клапан с объемной разгрузкой; клапан-дроссель обратного хода: клапан постоянного давления.[BR]Для ряда случаев применяются специально разработанные нагнетательные клапаны постоянного давления, которые используются в целях гашения волновых явлений при отражении от сопла форсунки, предупреждая, таким образом, повторное впрыскивание топлива. Клапан постоянного давления используется для поддержания стабильных гидравлических характеристик в системах впрыска топлива высокого давления и в небольших двигателях непосредственного впрыска, работающих на высоких частотах вращения коленчатого вала. В ТНВД, в которых средние величины давлений впрыскивания достигают 600 бар (например, в ТНВД размерностью М, А), плунжерно-втулочный комплект устанавливается в корпусе насоса. В насосах с давлением впрыскивания топлива, превышающим 600 бар, плунжерно-втулочный комплект, нагнетательный клапан и втулка нагнетательного клапана образуют единое устройство в целях исключения высоких усилий на корпусе насоса (например, в ТНВД размерностью MW, Р). ТНВД с рядным расположением плунжерных пар и присоединенный к нему регулятор подсоединяются к системе смазки двигателя.[BR]Регулирование частоты вращения[BR]Существуют регуляторы, поддерживающие заданные частоты вращения коленчатого вала двигателя, например, на холостом ходу или всережимные регуляторы, действующие в диапазоне между холостым ходом и максимальной частотой вращения. Есть регуляторы, управляющие режимом топливоподачи при полной нагрузке в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, давлением воздуха, а также использующиеся для подачи дополнительного количества топлива, необходимого при пуске двигателя. Регулятор устанавливает количество подаваемого топлива посредством изменения положения рейки топливного насоса.[BR]Механические (центробежные) регуляторы[BR]Такие регуляторы приводятся во вращение от кулачкового вала ТНВД. Грузы под действием центробежных сил, преодолевая усилия пружины регулятора, воздействуют посредством системы рычагов на рейку насоса. Центробежная сила и сила упругости пружины находятся в состоянии равновесия, устанавливая рейку в положение, соответствующее подаче топлива для заданной мощности. Уменьшение частоты вращения при повышении нагрузки приводит к соответствующему уменьшению центробежной силы, и пружина регулятора перемещает вращающиеся грузы, а вместе с ними и рейку насоса в направлении повышения количества подаваемого топлива до тех пор, пока не восстановится равновесие.[BR]Всережимные регуляторы[BR]Они поддерживают фактически постоянную частоту вращения в соответствии с положением рычага управления. Применяются в дизелях грузовых автомобилей, строительной техники, тракторов.[BR]Двухрежимные регуляторы (минимальной и максимальной частот вращения)[BR]Этот тип регулятора эффективен только на холостом ходу, когда двигатель достигает максимальных оборотов. Крутящий момент между этими крайними величинами определяется положением педали управления подачей топлива.[BR]Комбинированные регуляторы[BR]Комбинированные регуляторы представляют собой синтез двух описанных выше типов регуляторов. В зависимости от специфики использования, активный контроль может осуществляться как в верхнем, так и в нижнем диапазонах частот вращения коленчатого вала двигателя.[BR]Типы регуляторов[BR]Регуляторы типа RQ и RQV включают работу центробежных масс, которые действуют на пружину регулятора; движения рычага управления изменяются в соответствии с передаточным отношением точки опоры рычага. В регуляторах типа RSV и RSF пружина регулятора находится вне вращающихся масс, поэтому передаточное отношение в точке опоры рычага остается в основном постоянным.[BR]Уменьшение частоты вращения[BR]Работа регулятора характеризуется степенью неравномерности частоты вращения 6:[BR]6= (nLO — nVO)/nVO * 100%[BR]где nLO — верхняя безнагрузочная частота вращения;[BR]nVO — верхняя полнонагрузочная частота вращения коленчатого вала. Чем меньше разность между nLO и nVO, тем меньше снижение частоты вращения, другими словами — тем выше степень точности, с которой регулятор поддерживает конкретную частоту вращения коленчатого вала. Всережимные регуляторы, устанавливаемые на небольших высокооборотных двигателях, позволяют поддерживать частоту вращения коленчатого вала в пределах 6...10%.[BR]Дополнительное оборудование[BR]Регулирование крутящего момента[BR]Вспомогательная пружина (пружина регулирования крутящего момента) точно подстраивается на режим работы двигателя, обеспечивая необходимую подачу топлива на режиме полной нагрузки, только при немного пониженных показателях. При достижении заданной частоты вращения коленчатого вала пружина сжимается и вызывает перемещение рейки насоса в направлении уменьшения цикловой подачи (положительный контроль крутящего момента). Также возможен отрицательный контроль, который соответствует повышенной частоте вращения коленчатого вала двигателя посредством увеличения количества подаваемого топлива.[BR]В дизелях с турбонаддувом необходимо повышать цикловую подачу топлива. Для повышения крутящего момента подпружиненная диафрагма увеличивает топливоподачу при возрастании давления наддува при полной нагрузке. Диафрагма воздействует на рейку насоса, к которой она подсоединяется, в целях обеспечения соизмеряемого увеличения количества подаваемого топлива.[BR]Компенсатор абсолютного давления (ADA). Такой компенсатор подобен компенсатору LDA. Он уменьшает цикловую подачу топлива на полной нагрузке в случае снижения атмосферного давления (в высокогорных условиях). Мембранный датчик давления смещает рейку насоса в направлении снижения цикловой подачи, как только уменьшается атмосферное давление. Устройство холодного пуска (TAS) Двигатель в холодном состоянии для нормального пуска требует увеличенной цикловой подачи топлива. При высоких температурах атмосферного воздуха и прогретом двигателе обогащение смеси может привести к повышенной дымности отработавших газов. В этих условиях применяется устройство холодного пуска (ТАS), использующее термодатчик для предупреждения переобогащения смеси во время пуска прогретого двигателя.[BR]Датчик перемещения рейки (RWG). В датчике RWG применяются индукционные катушки. После обработки данных сигнал используется для выполнения управления механической или гидравлической коробкой передач, обеспечения более низких величин расхода топлива, рециркуляции отработавших газов и диагностики. Датчик закрытия отверстия, датчик FBG представляет собой индукционное устройство для управления двигателем при помощи закрытия отверстия ТНВД. Устройство опережения впрыскивания. Размещается на приводе между двигателем и ТНВД. Центробежные грузы реагируют на повышающуюся частоту вращения коленчатого вала двигателя посредством поворота кулачкового вала ТНВД по отношению к ведущему валу в направлении "опережения подачи". Выключение работы насоса. Используется механическое (рычаг остановки), электрическое или пневматическое устройство для остановки дизеля прекращением подачи топлива. Электронный регулятор (EDC). Вместо регулятора центробежного типа может использоваться электронный регулятор для ТНВД с рядным расположением плунжерных пар, в котором имеется соленоидный привод с бесконтактным индуктивным датчиком, определяющим положение рейки насоса. Соленоидный исполнительный механизм приводится в действие с помощью ECU, который сравнивает положение дроссельной заслонки, частоту вращения и некоторое число дополнительных факторов с рабочими характеристиками с целью определения правильного количества подаваемого топлива (выражаемого как функция положения рейки). С помощью электронного контроллера сравнивается положение рейки насоса с конкретной точкой для определения значения тока возбуждения соленоида, который сжимает возвратную пружину. Когда отклонения определяются, регулируется ток возбуждения, обеспечивая смещение рейки насоса к более точному положению. Индуктивный измерительный преобразователь частоты вращения коленчатого вала управляет положением колеса, устанавливаемого на кулачковом валу; ECU использует импульсные интервалы для вычисления частоты вращения коленчатого вала двигателя. Преимущества электронного регулятора: двигатель может пускаться и останавливаться при помощи ключа зажигания; свободный выбор внешних скоростных характеристик; максимальное количество впрыскиваемого топлива точно скоординировано с давлением наддува для соблюдения норм на дымность отработавших газов; возможность корректировки в зависимости от температур воздуха и топлива; обогащение смеси во время пуска; контроль частоты вращения коленчатого вала двигателя для вспомогательных устройств; средство управления движением на маршруте; регулирование максимальной скорости движения автомобиля; стабилизация частоты вращения на холостом ходу двигателя; регулирование силы тяги (ASR) при автоматической коробке передач; передача сигнала для тахометра и дисплея расхода топлива; интегральная диагностика отказов.