Управление работой дизельного двигателя

Главная

Статьи

Форум

Требования к системе впрыска топлива

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.

Система впрыскивания топлива

Система впрыскивания топлива предназначена для точного дозирования

топлива при различных режимах работы. Она включает в себя топливный бак, топливный фильтр, топливоподкачивающий насос, перепускной клапан

и топливные трубопроводы. Давление топлива, требуемое для

впрыскивания, создается ТНВД, откуда топливо подается через нагнетательный клапан по топливным трубопроводам высокого давления к

форсункам.

Топливный насос высокого давления

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.

Топливные фильтры 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.

Насосы с рядным расположением плунжерных пар

Подкачивающий насос

Плунжерный насос подает топливо к ТНВД под давлением порядка 1....2,5 бар. Плунжер подкачивающего насоса, приводимый в действие от распределительного 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.

Насос с рядным расположением плунжерных пар: 1- втулка нагнетательного клапана: 2 - опорный торец пружины: 3 - нагнетательный клапан: 4 - втулка плунжера: 5 - плунжер насоса; 6 - рычаг со сферической головкой; 7 - управляющая рейка; 8 - поворотная втулка; 9 - управляющий пояс плунжера: 10 - пружина плунжера: 11 - седло пружины: 12 - роликовый толкатель; 13 - кулачковый вал

Топливный насос высокого давления 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.

Регулирование подачи топлива в ТНВД с рядным расположением плунжерных пар:

1 - из топливного канала: 2 - к форсунке: 3 - втулка: 4 - плунжер: 5 - нижняя регулирующая спиральная выемка: 6 - вертикальная канавка

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.

ТНВД с рядным расположением плунжерных пар с механическим регулятором (центробежного типа):1- топливный бак: 2 - регулятор: 3 - то-

пливоподкачивающий насос; 4 - ТНВД; 5 - муфта опережения впрыскивания: 6 -

привод от двигателя; 7 - топливный фильтр: 8 - перепускной канал: 9 - форсунка:

10 - линия возврата топлива; 11пиния избыточного потока

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.

Штуцер ТНВД с нагнетательным клапаном: а- с клапаном объемного течения и ограничением обратного течения: Ь - с клапаном постоянного давления; 1 - корпус нагнетательного клапана: 2 - обратный клапан: 3 - промежуточный объем: 4 - разгрузочный поясок; 5 - сферический клапан; 6 - втулка клапана; 7 - нагнетательный клапан; 8 - жиклер; 9 - обратный клапан

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.

Регулирование частоты вращения 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.

Характеристикиработы регулятора:

а - прямая коррекция момента ; b - нерегулируемый диапазон;

с- обратная коррекция крутящего момента; 1 - установочная точка частоты вращения на холостом ходу; 2 - внешняя скоростная характеристика; 3 - внешняя скоростная характеристика двигателя

стурбонаддувом; 4 - внешняя скоростная характеристика двигателя без турбонаддува; 5 - внешняя скоростная характеристика двигателя без турбонаддува с относительной компенсацией; 6 - промежуточный контроль частоты вращения коленчатого вала двигателя; 7 - количество топлива для запуска

Механические (центробежные) регуляторы 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.

Регулятор типа RQ: 1 - плунжер насоса; 2 - рейка насоса; 3 - остановка при полной

нагрузке; 4 - регулирующий рычаг; 5 - кулачковым вал ТНВД; 6 - вращающиеся грузы; 7 - пружина регулятора; 8 - скользящий шток

Всережимные регуляторы

Они поддерживают фактически постоянную частоту

вращения в соответствии с положением рычага

управления. Применяются в дизелях грузовых автомобилей, строительной техники, тракторов.

Регулятор типа RSV: 1 - плунжер насоса; 2 - рейка насоса; 3 - ограничитель максимальной частоты вращения; 4 - рычаг управления; 5 - пружина пуска; 6 - шток остановки двигателя: 7 - пружина регулятора; 8 - вспомогательная пружина режима холостого хода; 9 - кулачковый вал ТНВД; 10 - центробежные грузы; 11 - шток; 12 - пружина регулирования крутящего момента; 13ограничитель полной нагрузки

Двухрежимные регуляторы (минимальной и

максимальной частот вращения)

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.

Комбинированные регуляторы

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.

Типы регуляторов

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.

Уменьшение частоты вращения

Работа регулятора характеризуется степенью неравномерности частоты

вращения 6:

6= (nLO - nVO)/nVO * 100%

где nLO - верхняя безнагрузочная частота вращения;

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%.

Дополнительное оборудование

Регулирование крутящего момента

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.

Компенсатор давления во впускном патрубке (LDA): 1 - подсоединение усилителя давления; 2 - диафрагма

Компенсатор давления во впускном патрубке

(LDA)

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.

Компенсатор абсолютного давления (ADA):

1 - мембранный датчик давления; 2 - соединение с атмосферой

Компенсатор абсолютного давления (ADA)

Такой компенсатор подобен компенсатору LDA. Он уменьшает цикловую подачу топлива на полной нагрузке

вслучае снижения атмосферного давления (в

высокогорных условиях). Мембранный датчик давления смещает рейку насоса в направлении снижения цикловой подачи, как только уменьшается атмосферное давление.

Устройство пуска, учитывающее температуру:

1 - рейка насоса; 2 - механизм прекращения пуска двигателя,

действующий с помощью элемента расширения

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.

Датчик перемещения рейки(RWG):

1 - пластинчатый стальной сердечник; 2 - контрольная катушка; 3 - фиксированное кольцо закорачивания; 4 - рейка насоса; 5 - измерительная катушка; 6 - подвижное кольцо закорачивания

Датчик перемещения рейки (RWG)

Вдатчике 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 (FBG): а - измерение с помощью преобразователя;

b- позиция блокировки; 1 - кулачковый вал насоса: 2 - измерительный датчик; 3 - блокирующий штырь

Датчик закрытия отверстия (FBG)

Датчик FBG представляет собой индукционное устройство для управления

двигателем при помощи закрытия отверстия ТНВД.

Устройство синхронизации (положение отключения)

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.

Рядный ТНВД с дополнительной втулкой

Такой насос для управления углом опережения впрыскивания осуществляет регулировку закрытия отверстия (начало подачи топлива). Выпускное отверстие в корпусе насоса включено в золотник каждого плунжерновтулочного комплекта. Управляющий вал с рычагами регулирует положение всех скользящих контактов одновременно посредством смещения скользящего контакта вверх или вниз, вводя опережение или запаздывание начала подачи топлива. Поворот вала производится электромагнитным механизмом. Датчик перемещения иглы контролирует начало впрыскивания непосредственно в форсунке. Он передает соответствующий сигнал к ECU в целях регулирования тока возбуждения соленоида для достижения совместимости с заданными

исходными величинами. Датчик частоты вращения коленчатого вала подает

точную информацию о продолжительности впрыскивания топлива по отношению к ВМТ посредством импульсов от контрольных меток на маховике.

РядныйТНВД с электронным управлением цикловойподачейтоплива: 1 - рейка;

2- исполнительный механизм; 3 - кулачковый вал; 4 - датчик частоты вращения коленчатого вала; 5 - ECU. Входные/выходные величины: а - отключение при избыточной подаче; b - повышение давления; с - скорость движения автомобиля; d - температура (вода, воздух, топливо): е - изменение впускаемого количества топлива; f - скоростной режим: g - перемещение рейки; h - положение соленоида; i - индикатор расхода топлива и частоты вращения; к - диагностика; i- положение дросселя; m - заданный скоростной режим; n - сцепление, тормоза, торможение двигателем

ТНВД распределительного типа (VE)

Такой насос применяется для 3, 4, 5 и 6- цилиндровых дизельных двигателей

легковых автомобилей, тракторов и грузовых автомобилей мощностью до 20 кВт на цилиндр. Насосы распределительного типа для двигателей с

непосредственным впрыском обеспечивают давление до 700 бар при частоте

вращения до 2400 мин-1.

Топливоподкачивающий насос

Этот насос лопастного типа служит для подачи топлива из бака и вместе с нагнетательным регулирующим клапаном создает давление, которое

возрастает прямо пропорционально частоте вращения коленчатого вала

двигателя.

Насос высокого давления

Насос распределительного типа включает только один плунжерновтулочный

комплект для питания всех цилиндров.

Плунжер с регулирующей втулкой:

а - начало подачи топлива; b- конец подачи топлива; 1 - регулирующая спиральная канавка; 2 - регулирующая втулка; 3 - выпускное отверстие; 4 - регулирующая канавка; 5 - плунжер насоса

Плунжер не только создает требуемое давление

топлива во время его рабочего хода, но и одновременно, вращаясь, распределяет его по отдельным выходным отверстиям. Во время одного оборота ведущего вала плунжер совершает количество тактов, равное числу

цилиндров двигателя. Ведущий вал вращает кулачковую шайбу и плунжер, с

которым она соединена. Выступы на кулачковой шайбе обеспечивают осевое перемещение плунжера и его вращение (распределение и подачу топлива). Насос продолжает подачу топлива во время рабочего хода до тех пор, пока