Впрыск топлива под давлением в дизельном двигателе

Обзор систем впрыска дизельных двигателей

Можно долго и нудно объяснять принцип действия различных систем впрыска применяемых в моторостроении, принцип работы самого двигателя и системы его управления. Из той информации – реально для владельца важна лишь 1/10 часть: количество потребляемого топлива на 100 км пути, вид установленной на моторе системы впрыска топлива, мощность мотора, «живучесть» системы и, если всё же потребуется, стоимость ремонта/новой детали.

На сегодняшний день в моторостроении применяется несколько систем впрыска топлива от 5 основных производителей, представленных в нашей стране. Это компании BOSCH, ZEXEL(Diesel-Kiki), DENSO(NIPPON-DENSO), DELPHI(Lucas), Continental/VDO(Siemens).

Львиную долю рынка занимает концерн BOSCH (Германия) — «пионеры» в серийном производстве топливной аппаратуры (с 1925 г.)

1927 г. Топливный насос для легкового автомобиля Stoewer. При объеме 2.6 литра этот мотор развивал 27 л.с. примерно 20 кВт.

Данная конструкция ТНВД (PE –type) дожила до наших дней, претерпев множество изменений.

Топливный насос для автомобиля MAN TG-A. Мощность 460 л.с. (345 кВт). На данный момент является конечным этапом развития ТНВД с рядной компоновкой. В отличие от предыдущих поколений механизм опережения встроен в корпус. Имеет электромеханическое управление количеством впрыска и углом начала впрыска.

Но в связи с невозможностью обеспечить всё более ужесточающиеся экологические требования, дальнейшая модернизация не проводится. Концерн разработал за прошедший век топливные насосы различных конструкций.

Примерно в те же годы развивается и основной конкурент BOSCH — LUCAS CAV (Великобритания). Создаются и разрабатываются конструкции, принципиально отличающиеся, но выполняющие функции такие же как и немецкие аналоги. Для грузовиков создается ТНВД со съемной головкой высокого давления (аналогичная схема использована в ТНВД Алтайского Завода Прецизионных Изделий и TGL(ГДР) – для IFA). Позднее для тяжелых двигателей была разработана собственная система насос-форсунок и индивидуальных насосов с электроуправляемыми клапанами, построенная по собственной технологии (несмотря на схожесть с немецкими аналогами). Для быстроходных двигателей создается семейство распределительных насосов DPA(лицензионным производством которых занялся венгерский завод «MEFIN»). На смену DPA пришел DPC, а позднее DP 200(210), EPIC (ТНВД с управлением электроклапанами, в России наиболее часто встречается на автомобилях FORD Transit и Mercedes-Benz). Схема оказалась настолько «живучей», что была применена при разработке ТНВД для Common Rail, по такому же принципу создан насос VP44 (BOSCH). В начале 2000 года фирма LUCAS CAV была приобретена американским концерном DELPHI. Продукция концерна поставляется многим автопроизводителям.

Бренд ZEXEL появился в 1939 году, когда японская фирма DIESEL KIKI купила лицензию у BOSCH на производство дизельных топливных насосов высокого давления, и с помощью немецких специалистов организовала их выпуск. В 1990-м году, компания производящая продукцию под маркой Zexel, стала называться Zexel Corporation. В 2000-м году была реорганизована под названием Bosch Automotive Systems Corporation (RBAJ), то есть стала японским отделением корпорации BOSCH. Топливная аппаратура данного производителя хотя и повторяет модельный ряд BOCSH, но имеет ряд конструктивных особенностей. Таких, как система электромеханических регуляторов.

Свою историю компания DENSO начала в 1949 году под названием Nippon Denso. В 1996 она была преобразована в корпорацию DENSO, так как предыдущее название переводилось с японского языка, как «Японские электронные запчасти», что не соответствовало достигнутому уровню развития компании, которая расширила рынок продаж своих комплектующих, кроме Японии, на рынки Европы, Америки и Азии. Долгое время компания производила распределительные насосы по лицензии BOSCH. Но DENSO в 1995 году впервые в мире применила систему Common Rail на серийном автомобиле Toyota – Hino, после чего данная система получила признание во всем мире. По похожей схеме разработана система BOSCH CP2.

Компания SIEMENS AG/VDO представлена на российском рынке в основном системами Common Rail. Принципиальным отличием от остальных производителей является использование управляющего элемента из пьезокристаллического пакета. Это повышает скорость срабатывания управляющего элемента в несколько раз, в сравнении с индуктивными элементами.

Ещё одна компания, активно присутствующая на российском рынке – MOTORPAL(Чехия). Данная фирма выпускает рядные ТНВД для спецтехники и сельхозтехники, а так же Газель (механические насос-форсунки) и УАЗ Hunter(рядный ТНВД). Компания активно проводит разработки альтернативы системе Common Rail (TIER 3).

Ну, вот с производителями ТНВД мы определились, теперь попробуем определиться «что за зверь такой создает давление?».

Рядные ТНВД (PE – type) классификация Bosch

Из названия класса – расположение насосных секций в ряд, по одной на каждый цилиндр. Имеет собственный корпус, кулачковый вал, систему изменения цикловой подачи в зависимости от изменения режима нагрузки на двигатель (центробежный и/или всережимный регулятор), автомат опережения впрыска, топливоподающий насос. В более поздних версиях механические регуляторы уступили место электромеханическим (RE – type).

Распределительные ТНВД (VE – type)

Класс ТНВД применяемый в основном на легковых автомобилях и легком коммерческом транспорте. Имеют один плунжер, могут поддерживать работу от 2 до 6 цилиндров. Плунжер, двигаясь аксиально – создает давление, одновременно вращаясь – распределяет топливо под высоким давлением по цилиндрам. В корпусе конструктивно объединены несколько систем: Приводной вал, топливоподающий насос, центробежный и всережимный регуляторы, автомат опережения впрыска, механизм коррекции цикловой подачи по давлению наддува или в зависимости от положения над уровнем моря, автомат облегчения старта. Несмотря на весьма обширный список устройств, все они расположены в одном корпусе, довольно малого размера и веса. С 1986 года применяются как механические регуляторы, так и электромеханические.

Распределительные ТНВД DP(A/C) –type(VP44/VRZ)

Данный тип был разработан фирмой Lucas CAV. Принципиальным отличием от Bosch VE является использование 2, 3 или 4 радиально движущихся навстречу друг другу плунжеров. Ротор, в котором находятся плунжера, вращаясь, распределяет топливо по цилиндрам. Остальные функциональные возможности и принципы действия систем похожи на описанные выше насосы VE. С разработкой и внедрением быстродействующих клапанов, появились насосы серий EPIC(Lucas), VP44(Bosch), VRZ(ZEXEL), V4(DENSO). Для корректировки погрешностей механической обработки применяется метод программного корректирования.

Насос-форсунки (PDE/UIS)

Данная система объединяет в одном корпусе насосную секцию и форсунку. Привод насосной секции осуществляется от распределительного вала двигателя. Регулировка подачи топлива осуществляется как с помощью зубчатой рейки (регулятор установлен на двигателе), так и с помощью электромагнитного клапана. В насос-форсунках американских двигателей применены гидравлические привода. Система находит применение не только на грузовых автомобилях, но и на легковых (Land Rover, VW) Система выпускается четырьмя производителями — Bosch, Delphi, Continental/VDO, Motorpal.

Индивидуальные насосы (PLD/UPS)

Насосная секция в данной системе, как и в предыдущей, приводится в действие от распределительного вала двигателя (при установке непосредственно в ГБЦ), так и от отдельного кулачкового вала (при установке в отдельный корпус). Для впрыска топлива в цилиндры применяется обычная форсунка. Различие с традиционными системами впрыска состоит в том, что применяется короткая трубка высокого давления с минимальными изгибами, в свою очередь это позволяет добиться более стабильных результатов. Для регулирования количества подачи применяется как зубчатая рейка, так и электроклапан. Наиболее широко эта система применяется на строительной технике и грузовых автомобилях. Таких как DAF XF95, MERSEDES Atego/Actros, RENAULT Magnum.

Common Rail (общая дорога (англ.)). Аккумуляторная система впрыска

На данный момент система является вершиной эволюции ТПА. За счет увеличения давления впрыска (до 2000 бар.) удалось добиться снижения расхода топлива, снижения токсичности выхлопа (за счет выполнения до 9 впрысков за один рабочий такт в цилиндре). Топливные насосы производства BOSCH, DENSO и SIEMENS построены по схожим схемам. DELPHI использует собственную схему, пришедшую от серии DPA/DPC. Впрыск топлива в цилиндры осуществляется через электроуправляемые форсунки SIEMENS и BOSCH используют в своих инжекторах пьезокерамические пакеты, в качестве управляющих элементов. Система применяется практически всеми производителями дизельных моторов, как легковых, так и грузовых автомобилей.

Уважаемый посетитель! Мы физически не можем отвечать на каждый комментарий..
Для того, чтобы Вы могли самостоятельно (или с помощью ближайшего автосервиса) устранить неисправности дизеля, мы разработали ОнлайнДиагностику. Это интерактивное руководство, которое содержит все известные причины неисправностей дизельных двигателей и указывает пути достижения правильной работы конкретного двигателя.

Приглашаем вас воспользоваться ОнлайнДиагностикой прямо сейчас!

Система впрыска топлива Common Rail дизельных ДВС.

Система впрыска Common Rail является самой современной системой впрыска топлива дизельных двигателей. Работа системы Common Rail основана на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления – топливной рампы, наподобие бензиновых ДВС (Common Rail в переводе означает общая рампа). Система впрыска разработана специалистами фирмы Bosch.

Наибольшее распространения получили четыре типа систем COMMON RAIL, названным по имени их производителя. BOSCH, DELPHI, DENSO и SIEMENS. Каждый автопроизводитель имеет собственную аббревиатуру, которая обозначает как систему, так и ее отдельные элементы :

BMW : D-двигатели (также используются Land Rover как TD4)
Cummins и Scania : XPI
Cummins : CCR
Daimler : CDI (для автомобилей Chrysler и Jeep — CRD)
Fiat : Fiat, Alfa Romeo и Lancia — JTD (MultiJet, JTDm, Ecotec CDTi, TiD, TTiD, DDiS, Quadra-Jet)
Ford Motor : TDCi Duratorq и Powerstroke
General Motors : Opel/Vauxhall — CDTi и DTi для Isuzu
General Motors : Daewoo/Chevrolet — VCDi (VM Motori — Ecotec CDTi)
Honda : i-CTDi
Hyundai и Kia : CRDi
Mahindra : CRDe
Maruti Suzuki : DDiS
Mazda : CiTD
Mitsubishi : DI-D
Nissan : dCi
PSA Peugeot Citroen : HDI, HDi (Volvo S40/V50 использует двигатели PSA 1,6D & 2,0D, JTD)
Renault : dCi
SsangYong : XDi
Subaru : TD
Tata : DICOR
Toyota : D-4D
Volkswagen Audi Group (Skoda) : TDI. CR в 2005 году пришла на смену насос-форсункам.
Volvo : D3, D4 и D5

Применение данной системы позволяет достигнуть снижения расхода топлива, токсичности отработавших газов, уровня шума дизеля. Главным преимуществом системы Common Rail является широкий диапазон регулирования давления топлива и момента начала впрыска, которые достигнуты за счет разделения процессов создания давления и впрыска.

Конструктивно система впрыска Common Rail составляет контур высокого давления топливной системы дизельного двигателя. В системе используется непосредственный впрыск топлива, т.е. дизельное топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Система Common Rail включает топливный насос высокого давления, клапан дозирования топлива, регулятор давления топлива (контрольный клапан), топливную рампу и форсунки. Все элементы объединяют топливопроводы.

1. топливный бак
2. топливный фильтр
3. топливный насос высокого давления
4. топливопроводы
5. датчик давления топлива
6. топливная рампа
7. регулятор давления топлива
8. форсунки
9. электронный блок управления
10. сигналы от датчиков
11. усилительный блок (на некоторых авто)

Топливный насос высокого давления (ТНВД) служит для создания высокого давления топлива и его накопления в топливной рампе. Современные топливные насосы высокого давления — плунжерного типа. Клапан дозирования топлива регулирует количество топлива, подаваемого к топливному насосу высокого давления в зависимости от потребности двигателя. Клапан конструктивно объединен с ТНВД.
Регулятор давления топлива предназначен для управления давлением топлива в системе, в зависимости от нагрузки на двигатель. Он устанавливается в топливной рампе. Топливная рампа предназначена для выполнения нескольких функций: накопления топлива и содержание его под высоким давлением, смягчения колебаний давления, возникающих вследствие пульсации подачи от ТНВД, распределения топлива по форсункам. Форсунка важнейший элемент системы, непосредственно осуществляющий впрыск топлива в камеру сгорания двигателя. Форсунки связаны с топливной рампой топливопроводами высокого давления. В системе используются электрогидравлические форсунки или пьезофорсунки. Впрыск топлива электрогидравлической форсункой осуществляется за счет управления электромагнитным клапаном. Активным элементом пьезофорсунки являются пьезокристаллы, значительно повышающие скорость работы форсунки.

Управление работой системой впрыска Common Rail обеспечивает система управления дизелем, которая объединяет датчики, блок управления двигателем и исполнительные механизмы систем двигателя. Система управления дизелем включает датчики оборотов двигателя, Холла, положения педали акселератора, расходомер воздуха, температуры охлаждающей жидкости, давления воздуха, температуры воздуха, давления топлива, кислородный датчик (лямбда-зонд) и другие. Основными исполнительными механизмами системы впрыска Common Rail являются форсунки, клапан дозирования топлива, а также регулятор давления топлива.

Принцип действия системы впрыска Common Rail

На основании сигналов, поступающих от датчиков, блок управления двигателем определяет необходимое количество топлива, которое топливный насос высокого давления подает через клапан дозирования топлива. Насос накачивает топливо в топливную рампу. Там оно находится под определенным давлением, обеспечиваемым регулятором давления топлива. В нужный момент блок управления двигателем дает команду соответствующим форсункам на начало впрыска и обеспечивает определенную продолжительность открытия клапана форсунки. В зависимости от режимов работы двигателя блок управления двигателем корректирует параметры работы системы впрыска.
С целью повышения эффективной работы двигателя в системе Common Rail реализуется многократный впрыск топлива в течение одного цикла работы двигателя. При этом различают: предварительный впрыск, основной впрыск и дополнительный впрыск.

Предварительный впрыск небольшого количества топлива производится перед основным впрыском для повышения температуры и давления в камере сгорания, чем достигается ускорение самовоспламенения основного заряда, снижение шума и токсичности отработавших газов. В зависимости от режима работы двигателя производится:

2 предварительных впрыска — на холостом ходу;
1 предварительный впрыск — при повышении нагрузки;
0(предварительный впрыск не производится) — при полной нагрузке.
Основной впрыск обеспечивает стабильную работу двигателя.

Дополнительный впрыск производится для повышения температуры отработавших газов и улучшения сгорания частиц сажи в сажевом фильтре (регенерация сажевого фильтра).

Развитие системы впрыска Common Rail осуществляется по пути увеличения давления впрыска:

1 поколение – 140 МПа, с 1999 года;
2 поколение – 160 МПа, с 2001 года;
3 поколение – 180 МПа, с 2005 года;
4 поколение – 220 МПа, с 2009 года.

Чем выше давление в системе впрыска, тем больше топлива можно впрыснуть в цилиндр за равный промежуток времени и, соответственно, реализовать большую мощность.

ТНВД является одним из основных ко элементов в конструкции системы впрыска двигателя. Он выполняет, как правило, две важнейшие функции: 1- нагнетание определенного количества топливной жидкости; 2- регулирование по времени начала впрыскивания. С момента появления аккумуляторных систем впрыска работа по регулированию времени начала впрыска была возложена на управляемые электроникой форсунки.
Основу ТНВД составляет плунжерная пара. Данный механизм составляет поршень (другое название- плунжер) и цилиндр (другое название — втулка) совсем небольшого размера. Плунжерную пару изготавливают из стали высокого качества и делают это с высочайшей точностью. Так, что между плунжером и втулкой имеется минимальный зазор (сопряжение прецизионное). В системе Common Rail используется Магистральный ТНВД.

Магистральный ТНВД

С конструктивной точки зрения магистральный насос может иметь 1(один), 2(два) или 3(три) плунжера. Приводы плунжеров осуществляются с помощью использования кулачкового вала либо кулачковой шайбы.

При вращательном движении кулачкового вала (эксцентрика кулачковой шайбы) под действием возвратной пружинки плунжер двигается вниз. Увеличивается объем компрессионной камеры и уменьшается давление в ней. Под воздействием разряжения воздуха открывается клапан впуска, и топливная жидкость поступает в камеру. При движении плунжера вверх происходит возрастание давления в камере, клапан впуска закрывается. При создании определенного давления открывается клапан выпуска и топливная жидкость поступает в рампу. Управление подачей топливной жидкости производится в зависимости от потребностей двигателя и осуществляется с помощью клапана дозирования топливной жидкости. В исходном (обычном) положении этот клапан открыт. Но по сигналу электронного блока управления он закрывается на определенную ширину, тем самым регулируется количество затекающей в компрессионную камеру топливной жидкости.

Форсунка (инжектор), являясь элементом конструкции системы впрыскивания, предназначена для того, чтобы качественно дозировать подачу топливной жидкости, его распыление в камере сгорания (коллекторе впуска) и образование топливно-воздушной смеси. Форсунки используются в системах впрыска как бензиновых, так и дизельных двигателей. На современных вариантах двигателей устанавливаются форсунки с электронным управлением впрыскивания. В зависимости от того, каким способом осуществляется впрыскивание, различают нижеприведённые виды форсунок:

1. электромагнитные
2. электрогидравлические
3. пьезоэлектрическая

Электромагнитная форсунка

Устанавливается, как правило, на бензиновые двигатели, в том числе оборудованные системой непосредственного впрыска. Имеет достаточно простое и надежное устройство. Оно включает электромагнитный клапан с иголкой и сопло.

Работа электромагнитной форсунки осуществляется так: в соответствии с заложенным в него алгоритмом электронный блок управления точно обеспечивает подачу напряжения на обмотку возбуждения клапана в нужный момент. При всём этом создается электромагнитное поле, оно, преодолевая усилия пружинки, втягивает якорь с иголкой и освобождает сопло. В результате производится впрыск топливной жидкости. С исчезновением напряжения пружка возвращает иголку форсунки на седло.

Электрогидравлическая форсунка

Используется на дизельных двигателях, в том числе на оборудованных системой впрыскивания Common Rail. В конструкцию электрогидравлической форсунки входит электромагнитный клапан, камера управления, впускной и сливной дроссели.

Принцип работы этой форсунки основан на использовании давления топлива, как при впрыскивании, так и при его прекращении. В начальном положении электромагнитный клапан обесточен и закрыт, иголка форсунки прижата к седлу по средствам силы давления топливной жидкости на поршень в камере управления. Впрыскивание топливной жидкости не происходит. При этом давление топлива на иголку, ввиду разности площадей контакта, меньше давления на поршень. По точной команде электронного блока управления запускается работа электромагнитного клапана, открывая сливной дроссель. Топливная жидкость из камеры управления идёт через дроссель к сливной магистрали. Впускной дроссель при этом препятствует быстрому выравниванию давлений в камере управления и в магистрали впуска. Давление на поршень снижается, а давление топлива на иглу не претерпевает изменений. Игла поднимается, происходит впрыск топливной жидкости.

Пьезоэлектрическая форсунка (пьезофорсунка)

Это самое совершенное устройство, обеспечивающее впрыск топливной жидкости. Форсунка устанавливается на дизельных двигателях, оборудованных системой впрыска Common Rail.

К преимуществам пьезофорсунки относят: быстроту срабатывания (в 4 раза быстрее электромагнитного клапана), как следствие этого, возможность многократного впрыскивания топливной жидкости в течение одного цикла работы, точную дозировку впрыскиваемой топливной жидкости. Всё вышеперечисленное стало возможным благодаря использованию пьезоэффекта в управлении форсункой. Он основан на изменении длины пьезокристалла, которое происходит под действием напряжения. Конструкция самой пьезоэлектрической форсунки включает следующие элементы : пьезоэлемент, толкатель, клапан переключения и иголку. Все они помещены в корпус.

В работе форсунки данного вида, так же как и в электрогидравлическом аналоге, используют гидравлический принцип. В начальном положении иголка сидит на седле в результате высокого давления топливной жидкости. Во время подачи электрического сигнала на пьезоэлемент, увеличивается его длина. Передается усилие на поршень толкателя, открывается переключающий клапан и топливная жидкость поступает в сливную магистраль. Давление выше иглы снижается. Иголка за счет давления в нижней части поднимается, таким образом производится впрыск топливной жидкости.

Грузавтоинфо. Грузовой автотранспорт в деталях.

• Главное
• Новости
• Техника
• Спецтехника
• Бизнес
• Сервис
• На досуге
• Блог главреда

Сервис Отслеживать:

«Сердце» мотора. Обзор систем впрыска топлива

«Сердцем» любого автомобиля, разумеется, является двигатель, но если следовать этой логике, следует признать, что работу «сердца» в самом двигателе лучше всего выполняет система впрыска топлива. О ней-то и пойдет разговор.

Сегодня ни у кого не возникает сомнения, что роль первой скрипки для повышения мощностных, экономических и экологических параметров в двигателях играют системы впрыска топлива. От их совершенства во многом зависит развитие мирового моторостроения. На современном коммерческом автотранспорте используются различные системы впрыска топлива. Система впрыска (или инжекторная система, от слова injection — впрыск), входящая в состав топливной системы, образует топливно-воздушную смесь за счет впрыска топлива. Сегодня в дизелестроении доминируют две основные системы впрыска: Сommon Rail (общая рампа) и с помощью насос-форсунок.

Система Сommon Rail

Работа системы впрыска Сommon Rail, разработанной специалистами фирмы Bosch, базируется на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления — топливной рампы. Применение этого устройства позволяет достигнуть снижения расхода топлива, токсичности отработавших газов, уровня шума дизеля.

В обычных системах питания для впрыска каждой порции топлива топливный насос высокого давления (ТНВД) должен повышать давление в соответствующем топливопроводе и форсунке.

Топливо постоянно находится под высоким давлением в общей для всех форсунок топливной магистрали (отсюда и название принципа работы Сommon Rail). Давление для двигателей различных фирм может несколько отличаться, но оно всегда превышает 1000 бар при различных режимах работы двигателя, то есть независимо от его оборотов и нагрузки при любой последовательности впрыска по цилиндрам.

Перспективный дизельный двигатель ММЗ Д-249Е4 с системой Common Rail

Система впрыска Common Rail конструктивно составляет контур высокого давления топливной системы дизельного двигателя и включает: топливный насос высокого давления; клапан дозирования топлива; регулятор давления топлива (контрольный клапан); топливную рампу; форсунки и топливопроводы.

Топливный насос высокого давления создает высокое давление впрыскиваемого топлива. Современные ТНВД являются устройствами плунжерного типа. Клапан дозирования топлива, конструктивно объединенный с ТНВД, регулирует количество топлива, подаваемого к топливному насосу высокого давления в зависимости от потребности двигателя. Регулятор давления топлива предназначен для управления давлением топлива в системе. Он устанавливается в топливной рампе. Последняя, как уже говорилось выше, служит для накопления топлива.

Электрогидравлические или пьезоэлектрические форсунки непосредственно осуществляют впрыск топлива в камеру сгорания двигателя. Впрыск топлива электромагнитной форсункой осуществляется за счет управления электромагнитным клапаном. Активным элементом пьезофорсунки являются пьезокристаллы, значительно повышающие скорость работы устройства.

Составные части системы впрыска Common-Rail

Управление работой Common Rail обеспечивает система управления двигателем, которая включает: датчики; блок управления двигателем; исполнительные механизмы систем двигателя. Исполнительными механизмами системы Common Rail являются: форсунки; клапан дозирования топлива; регулятор давления топлива.

На основании сигналов, поступающих от датчиков, блок управления двигателем определяет необходимое количество подаваемого топлива. В топливный насос высокого давления необходимое количество топлива подается за счет управления клапаном дозирования топлива.

В системе Common Rail реализуется многократный впрыск топлива в течение одного цикла работы двигателя. При этом различают предварительный, основной и дополнительный впрыск.

Высокое давление, под которым топливо подается в цилиндр, создается уже при самом малом числе оборотов коленвала. Благодаря ему, а также электронному управлению процессом впрыска достигается значительно лучшая подготовка смеси в цилиндрах, что приводит к уменьшению расхода топлива и снижению токсичности выхлопных газов.

В Common Rail электроника регулирует момент впрыска, количество впрыскиваемого топлива и сам закон его подачи. Именно этим и достигается оптимальный на каждом конкретном режиме работы дизеля результат.

Установка системы Common Rail на двигателе

Развитие системы впрыска Common Rail идет по пути увеличения давления впрыска: первое поколение — 140 МПа, с 1999 г.; второе поколение — 160 МПа, с 2001 г.; третье поколение — 180 МПа, с 2005 г.; четвертое поколение — 220 МПа, с 2009 г.

Борясь за экологические показатели, компания Bosch еще больше повысила давление впрыска в дизельных двигателях для коммерческих автомобилей. Теперь максимальное давление в системах впрыска – 250 МПа. Достигли этого при помощи электромагнитных форсунок, которые способны за один рабочий такт подавать до восьми порций топлива.

Система впрыска с помощью насос-форсунок

Система впрыска топлива высокого давления с помощью насос-форсунок также нашла применение в современных дизельных двигателях. В отличие от конкурирующей Common Rail, в данном устройстве функции создания высокого давления и впрыска топлива объединены в одном устройстве — насос-форсунке. Применение этого способа позволяет повысить мощность двигателя, снизить расход топлива, выбросы токсичных веществ, а также уровень шума.

Дизельный двигатель оснащенный системой впрыска топлива с насос-форсунками

В системе на каждый цилиндр двигателя приходится своя форсунка. Привод насос-форсунки 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, 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 следующие виды клапанов: электромагнитный и пьезоэлектрический. Пьезоэлектрический клапан пришел на смену электромагнитному, поскольку обладает большим быстродействием.

Насос-форсунка работает следующим образом. Кулачок распределительного вала через коромысло перемещает плунжер вниз. Топливо перетекает по каналам форсунки. При закрытии клапана происходит отсечка топлива. Давление топлива начинает расти. При достижении давления 13 МПа игла распылителя, преодолевая усилие пружины, поднимается и происходит предварительный впрыск топлива, который прекращается при открытии клапана. Топливо переливается в питающую магистраль. Давление топлива снижается. В зависимости от режимов работы двигателя может осуществляться один или два предварительных впрыска топлива.

Основной впрыск производится при дальнейшем движении плунжера вниз. Клапан снова закрывается. Давление топлива начинает расти. При достижении давления 30 МПа, игла распылителя, преодолевая усилие пружины и давление топлива, поднимается и происходит основной впрыск топлива.

Насос-форсунка электромагнитного типа в силу своих конструктивных особенностей практически не способна изменить объем топлива для предварительного впрыска, он равняется приблизительно от 1 до 3 куб. мм. Насос-форсунка пьезоэлектрического типа стала «умнее» и в зависимости от требуемых условий может менять объем предварительного впрыска, правда, с одним только ограничением — минимальный объем может составлять не менее 0.5 куб мм.

Система HEUI

Американская компания Caterpillar на своих двигателях применяет систему впрыска топлива HEUI, название которой происходит от Hydraulically actuated Electroniсally controlled Unit Ingection, что можно перевести как «Устройство впрыска с гидроприводом и электронным управлением». Эта система представляет собой усовершенствованные насос-форсунки, которые управляются с помощью гидравлического привода, заменившего кулачковый вал. Основным рабочим телом в данном случае является масло, которое по специальному трубопроводу из системы смазки двигателя подается к насос-форсункам. Последние создают давление впрыска топлива, превышающее 210 МПа. Столь мощная энергетика позволяет добиться лучшего распыления топлива и его оптимального смешивания с воздухом, находящимся под давлением.

Дизельный двигатель Caterpillar С7 с электронно-гидравлической системой HEUI

Целый ряд мощных моделей транспортных дизелей Caterpillar, работающих в не благоприятных эксплуатационных условиях, оснащаются механической системой подачи топлива MEUI (Mechanically actuated Electroniсally controlled Unit Ingection), которая также включает электронно-управляемые насос-форсунки. Данное устройство, подобно HEUI, использует тот же принцип многократного (многоимпульсного) впрыска топлива, который обеспечивает плавное нарастание давления, высокую топливную экономичность и пониженную токсичность отработавших газов.

Дизель Caterpillar C15 с системой впрыска MEUI

Бесперебойная работа двигателей с использованием систем HEUI и MEUI обеспечивается за счет самой современной электроники. «Мозговым центом» стал процессор Cat ADEM, опирающийся на совершенное программное и аппаратное обеспечение, а также различные датчики, что позволяет контролировать функционирование всех систем, в немалой степени способствуя оптимизации технико-эксплуатационных характеристик.

Элементы электронно-гидравлической системы впрыска топлива HEUI

Электронно-гидравлическая система впрыска топлива HEUI

Главную контролирующую роль в данной системе берет на себя электронный блок управления, который отслеживает рабочие процессы с помощью многочисленных датчиков, размещенных в определенных точках двигателя. Использование данных устройств обеспечивает надежный запуск дизеля в морозную погоду, его способность выдерживать перегрузку на низких оборотах и отсутствие белого дыма в выхлопе. Кроме того, снижен уровень шума.

Насосный вопрос

Топливный насос высокого давления является одним из основных конструктивных элементов системы впрыска дизельного двигателя. Насос, выполняет, как правило, две основные функции: нагнетание под давлением определенного количества топлива; регулирование необходимого момента начала впрыскивания. С появлением аккумуляторных систем впрыска функция регулирования момента впрыска возложена на управляемые электроникой форсунки. Ведущими производителями топливных насосов высокого давления являются, в основном, зарубежные фирмы: Bosch, Lucas, Delphi, Denso, Zexel.

Рядный топливный насос высокого давления

В зависимости от конструкции имеются следующие виды топливных насосов высокого давления: рядный, распределительный и магистральный.

Рядный ТНВД имеет плунжерные пары по числу цилиндров. Плунжерные пары установлены в корпусе насоса, в котором выполнены каналы для подвода и отвода топлива. Движение плунжера осуществляется от кулачкового вала, который, в свою очередь, имеет привод от коленчатого вала двигателя. Плунжеры постоянно прижимаются к кулачкам с помощью пружин.

Распределительные топливные насосы высокого давления, в отличие от рядного ТНВД, имеют один или два плунжера, обслуживающих все цилиндры двигателя. Распределительные насосы обладают меньшей массой и габаритными размерами, а также обеспечивают большую равномерность подачи. С другой стороны, их отличает сравнительно низкая долговечность сопряженных деталей. Все это определяет область применения данных насосов, в основном, на двигателях легковых автомобилей.

Конструкции распределительных ТНВД могут иметь различный привод плунжера: торцевой кулачковый привод, внутренний кулачковый привод, внешний кулачковый привод. Предпочтительными в плане эксплуатации являются первые два типа привода плунжеров, так как в них отсутствуют силовые нагрузки от давления топлива на узлы приводного вала и, соответственно, выше долговечность.

Магистральный топливный насос высокого давления используется в аккумуляторной системе впрыска топлива Common Rail, где он выполняет функцию нагнетания топлива в топливную рампу. Эти насосы обеспечивают более высокое давление топлива (180 МПа и более). Конструктивно магистральный насос может иметь один, два или три плунжера. Привод плунжеров осуществляется с помощью кулачкового вала или кулачковой шайбы.

Многоразовый впрыск топлива улучшает экономические и экологические показатели дизеля

Рассмотрено применение многоразового впрыскивания топлива в дизельном двигателе с целью улучшения его показателей по токсичности и дымности отработавших газов, а также снижения шумности работы двигателя. Проведены экспериментальные и расчетные исследования влияния такого впрыскивания на экономические и экологические показатели дизельного двигателя.

Разработка дизельных двигателей с перспективными энергетическими и экологическими параметрами требует разработки принципов организации процессов топливоподачи, распыливания топлива и смесеобразования. Достижение требуемых показателей токсичности отработавших газов (ОГ) транспортных дизелей возможно лишь при использовании современных систем топливоподачи. От конструктивных особенностей этих систем и их параметров зависят также показатели топливной экономичности дизеля, его мощностные, динамические и пусковые качества.

В связи с этим важными задачами, стоящими перед двигателестроителями, являются обеспечение давления впрыска до 200 МПа и выше [3; 5; 6], а также регулирование формы переднего фронта характеристики впрыскивания [2; 4] и организация равномерного распределения топлива по объему камеры сгорания [1].

Эти функции реализуются при использовании аккумуляторной системы топливоподачи типа Common-Rail (или CR), которой функции получения высоких давлений впрыскивания возложены на топливный насос высокого давления (ТНВД), а функции формирования требуемой характеристики впрыскивания — на электронно управляемую форсунку [2; 7; 8]. При этом ТНВД подает топливо в аккумулятор системы CR, который соединен с форсунками короткими топливопроводами. Это позволяет повысить давление впрыскивания и уменьшить влияние волновых явлений в упомянутых топливопроводах высокого давления на процесс впрыска топлива, в том числе и при многоступенчатом впрыскивании.

Требуемый закон впрыскивания топлива на каждом режиме работы дизельного двигателя формируется изменением длительности управляющего импульса на электронно управляемую форсунку и регулированием давления в топливном аккумуляторе.

Представленные ниже материалы основаны на экспериментальных данных, полученных в РУДН, а также на расчетных данных, полученных с использованием математических моделей, разработанных в МАДИ и МГТУ им. Н.Э. Баумана. Эксперименты проводились на моторной установке с одноцилиндровым дизелем. Эта одноцилиндровая установка создана на базе дизельного двигателя серия K9K фирмы Renault (Франция). Это семейство рядных четырехцилиндровых дизельных двигателей с 16 клапанами (по четыре на каждый цилиндр) с общим рабочим объемом iVh oколо 1,4 л, устанавливаемых на такие модели автомобилей, как Renault Logan и др. Установка была оснащена топливной аппаратурой аккумуляторного типа Common-Rail. В ходе исследований были проведены испытания различных способов подачи топлива в камеру сгорания дизеля. В частности, применялись несколько предварительных впрыскиваний топлива по отношению к основному впрыскиванию с вариацией углов впрыскивания, давлений впрыскивания и угловых интервалов между предвпрыскиваниями и основным впрыскиванием.