Национальный фонд содействия автомобильному образованию

ДИЗЕЛЬНЫЙ ВПРЫСК

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ФОНД СОДЕЙСТВИЯ АВТОМОБИЛЬНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

В ПОМОЩЬ ИЗУЧАЮЩИМ «АВТОДЕЛО»

Современный учебник автодела.

СИСТЕМЫ ВПРЫСКА ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

Системы впрыскивания дизельного топлива прошли не менее интересный и сложный путь совершенствования: от механических систем, в которых топливная секция дозировала подачу топлива, которое впрыскивалась через форсунку с камеру сгорания двигателя.

В отличие от бензинового двигателя, в котором топливо воспламеняется от электрической искры, формируемой между электродами свечи зажигания, в дизельном двигателе происходит самовоспламенение впрыскиваемого топлива при его контакте с горячим воздухом. Для разогрева воздуха, поступающего в цилиндр двигателя, требуется высокая степень сжатия, при которой свежий заряд нагревается во время такта сжатия до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива. В тот момент, когда секция топливного насоса высокого давления впрыскивает топливо через форсунку в камеру сгорания, распыленное топливо воспламеняется от теплоты, полученной при сжатии воздуха, и продолжает гореть до полного выгорания всей порции впрыснутого топлива. Горящее топливо вызывает увеличение температуры в камере сгорания, что, в свою очередь, вызывает резкий подъем давления в цилиндре двигателя. Давление действует на поршень, который во время такта рабочего хода через шатун и кривошип коленчатого вала, вынуждают двигатель совершать полезную работу.

Рисунок 1-28: Принципиальная схема топливной системы дизельного двигателя с рядным ТНВД = топливным насосом высокого давления (слева) и с распределительным ТНВД; источник: Westermann

Управление скоростью вращения и выходной мощностью дизельного двигателя водитель осуществляет через педаль газа (акселератор), однако педаль не связана с дроссельной заслонкой, позволяющей регулировать количество поступающего в двигатель свежего заряда. Педаль газа связана с регулятором числа оборотов, который в автоматическом режиме поддерживает обороты на уровне, выбранном водителем. Например, водитель выбрал обороты, соответствующие езде со скоростью 90 км/ч. При движении в гору водителю не потребуется дополнительное нажатие на педаль газа, поскольку регулятор самостоятельно добавит топлива, как только почувствует, что обороты двигателя стали снижаться. То же самое произойдет и при движении под гору. Обороты двигателя начнут расти, и регулятор убавит количество впрыскиваемого в цилиндры двигателя топливо. В представленных выше двух системах механического впрыскивания дизельного топлива, регуляторы числа оборотов – центробежного типа, то есть – механические.

В бензиновых двигателях качество процесса воспламенения и полноценного сгорания топлива зависит от начала подачи искры системой зажигания, однако, в дизельных двигателях системы электрического зажигания не применяются. Качество процесса сгорания топлива в цилиндре дизельного двигателя зависит от начала подачи топлива, и скорости его впрыскивания в камеру сгорания. Управление началом подачи топлива осуществляется регулятором начала подачи, встроенным в топливный насос высокого давления.

Пожалуй, самым сложным узлом дизельного двигателя является его насос высокого давления, поскольку на этот агрегат возложены функции регулирования объема подаваемого топлива, и момента подачи топлива в цилиндр. Установка топливного насоса высокого давления (ТНВД) – технически сложная операция, поскольку от точности взаимного позиционирования кулачкового вала ТНВД по отношению к коленчатому валу двигателя зависят мощность и топливная экономичность двигателя.

Рисунок 1-29: Слева – устройство рядного топливного насоса высокого давления (ТНВД), справа – принцип регулирования объема подаваемого топлива (цикловой подачи топлива); источник: R. Bosch

Основной элемент, отвечающий за регулировку цикловой подачи (объема топлива, подаваемого в цилиндр за один цикл), это так называемая плунжерная пара, которая изготовлена с высочайшей точностью. Так зазор между втулкой и плунжером составляет 0,0002 миллиметра (0,2 микрона). С не меньшей точностью изготовлен распылитель топливной форсунки. Поэтому требования к качеству дизельного топлива значительно выше, чем к бензину.

К сожалению, отечественное дизельное топливо содержит много вредных примесей и химических реагентов, например, серу. Правительство декларирует переход на Евро-5, а топливо по-прежнему, отвечает стандартам Евро-2, это губительно сказывается на сроке жизни топливной аппаратуры дизельного двигателя.

Сдерживалось широкое внедрение дизелей не только низким качеством и, как следствие, быстрым износом и дорогостоящим ремонтов дизельного автомобиля, но и повышенная шумность работы дизеля, особенно на низких оборотах, и наличие черного выхлопа при разгоне автомобиля.

Долгое время считалось, что дизельные двигатели с экологической точки зрения более «чистые» в сравнении с бензиновыми двигателями. На выбросы сажи, которые возникают при разгоне дизельного автомобиля, просто не обращали внимания, считая, что частички углерода не могут нанести существенного вреда ни человеку, ни окружающей среде. Первоочередной задачей по привлечению клиента к приобретению дизельного автомобиля, считалась снижение шумности в его работе. Механика топливной аппаратуры исчерпала свои возможности, но развитие электроники, которая была успешно внедрена в системах управления бензиновыми двигателями, нашло достойное место и в дизельной технике.

Рисунок 1-30: Электронные системы управления дизельным двигателем позволили отказаться от механики в управлении дозированием и моментом подачи топлива в цилиндр двигателя; источник: R. Bosch

Электронное управление механическим топливным насосом высокого давления позволили улучшить топливную экономичность ив некоторой мере, снизить дымность дизельного выхлопа. Электроника в управлении дизельным двигателем вначале ограничилась точностью дозирования и моментом подачи дизельного топлива в цилиндр двигателя.

Но дизель в сравнении с бензиновым двигателем всегда отличался меньшей удельной мощностью, то есть мощностью, приходящейся на рабочий объем двигателя. Для увеличения мощности требуется увеличение скорости вращения коленчатого вала, поскольку мощность – произведение крутящего момента, создаваемого двигателем, на его скорость вращения.

Если в бензиновом двигателе время, отводимое на приготовление смеси, достаточно велико, и суммируется из продолжительности такта впуска и сжатия, то в дизельном двигателе из-за самовоспламенения топлива при соприкосновении с горячим воздухом, его введение в цилиндр очень близко к началу такта рабочего хода. Время на образование однородной (гомогенной) смеси дизельного топлива с воздухом очень мало. В момент впрыска дизельного топлива происходит эффект, который можно сравнить с футбольным мячом. Впрыснутое топливо распыляется, испаряется, соприкасаясь с горячим воздухом, и воспламеняется, но не все сразу, а только в периферийной зоне, то есть – наиболее удаленной от распылителя зоне. Воспламенение сопровождается ростом температуры и давления, которое распространяется в виде «ударной волны» как от центра к краям цилиндра, так и в обратном направлении – от зоны воспламенения к распылителю. Частицы топлива, которые выходят из распылителя, встречают быстродвижущуюся ударную волну, и не могут найти свободный кислород, поскольку встречают волну горящего топлива, впрыснутого на первом этапе через распылитель. «Кожаная оболочка футбольного мяча» не дает воздуху выйти из него, так и внутренняя поверхность горящих продуктов, подобно оболочке футбольного мяча, не позволяет топливу вырваться из этого горящего шара. И если топливо не сможет найти свободный кислород, которого в воздухе и так не очень много, всего-то 21% по объему, значительная часть топлива не сможет реализовать свой химический потенциал, то есть участвовать в производстве полезной работы. Вместо работы топливо превращалось в черный дым, и чем больше мы стремимся впрыснуть топлива, тем больше черного дыма летит из выхлопной трубы.

«Порвать» оболочку футбольного мяча можно только высоким давлением впрыснутого топлива, так, чтобы струйки топлива, вытекающего из распылителя, смогли прорваться через огненную преграду, и найти свой кислород.

Но возможности аксиальных ТНВД по увеличению давления весьма ограничены, поскольку повышение давления топлива вызывает быстрый износ и заклинивание плунжера во втулке.

Смотри рисунок 1-31.

Рисунок 1-31: Топливный насос высокого давления (ТНВД) с аксиальным движением плунжера слева – с механическим регулированием, справа – с электронным регулированием; источник: R. Bosch

Идея использования радиального движения плунжера не нова, но использование электромагнитного клапана, управляющего цикловой подачей топлива, впервые была применена на электронных насосах семейства VP.

Смотри рисунок 1-32.

Рисунок 1-32: Топливный насос высокого давления с радиальным движением плунжера; источник: R. Bosch

Система электронного управления дизельным двигателем с радиальным движением плунжера позволило снизить шумность работы двигателя, и значительно уменьшить количество сажи в выхлопных газах, но все так же, установка насоса на двигатель – довольно сложная процедура.

Рисунок 1-33: Система впрыска дизельного топлива с электронно-управляемым топливным насосом высокого давления (ТНВД) с радиальным движением плунжера и управлением электромагнитным клапаном; источник: R. Bosch

Главным достоинством системы управления дизельным двигателем с электромагнитным клапаном управления цикловой подачей позволяет реализовать так называемый двойной впрыск топлива, при котором вначале производится предварительный впрыск топлива небольшой порции топлива, которое вызывает описанный выше «эффект футбольного мяча», а затем производится основной впрыск топлива под высоким давлением, струйки которого «рвут оболочку футбольного мяча». В результате – значительно снижается шумность работы двигателя, и образование сажи на мощностных режимах работы двигателя.

Поскольку управление опережением впрыска топлива по-прежнему осуществляется смещением кулачковой шайбы в корпусе насоса, время перестановки угла опережения впрыска топлива весьма велико, и это не в коей мере не удовлетворяло запросам качественного регулирования топливоподачи. Электронное управление цикловой подачей с помощью электромагнитного клапана позволило увеличить скорость реагирования топливоподающей системы на изменение нагрузки и давления наддува, в том числе и началом впрыскивания топлива. Начальную фазу перестановки момента впрыска взял на себя электромагнитный клапан цикловой подачи, а затем «отрабатывает» тактовый клапан управления моментом подачи. Подобное происходит и при необходимости уменьшения угла опережения впрыска топлива.

Новая идея управления впрыском дизельного топлива была воплощена в системе, получившей название «Common Rail» = «Общая топливная магистраль».

Рисунок 1-34: CRS (Common Rail System) – система, в которой топливный насос высокого давления подает топливо в общую топливо-распределительную рампу, к которой подключены управляемые электроникой электромагнитные или пьезокристаллические инжекторы; источник: R. Bosch

В этой системе топливный насос высокого давления «освободили» от функции управления дозированием и управления началом момента подачи топлива. ТНВД просто создает необходимый уровень высокого давления, а начало подачи и длительность открытого состояния осуществляется электромагнитной, или пьезоэлектрической форсункой (инжектором).

В этой системе возможно индивидуальное управление цикловой подачей и управление началом момента подачи для каждого из цилиндров двигателя. Кроме того, реализация впрыска предварительной, малой порции топлива, с последующим впрыском основной порции топлива позволяет получить ровную характеристику горения топлива, поскольку давление топлива во время впрыска основной порции топлива практически неизменно.

Рисунок 1-35: Слева изображен инжектор с электромеханическим клапаном управления, справа – инжектор с пьезокристаллическим клапаном управления впрыском топлива; источник: R. Bosch

Система Common Rail эксплуатируется в каталитическими конверторами двух разновидностей:

• селективного типа (Selective Reduction Type)
• накопительного типа (NOxTrapType).

Нейтрализаторы накопительного типа очень эффективны, но чрезвычайно чувствительны к высокому содержанию серы в топливе, по сравнению с каталитическими нейтрализаторами селективного типа.

Для работы селективного нейтрализатора необходимо наличие углеводородов CH, поэтому для быстрого прогрева трехкомпонентного каталитического нейтрализатора необходимо применять дополнительные меры, например, организовать вторичный впрыск небольшого количества топлива на такте рабочего хода. С этой задачей успешно справляется инжектор системы Common Rail.

Насос-форсунка в дизельном двигателе, тоже «хорошо забытое старое». Насос-форсунки (UIS – Unit Injector System) пришли на смену рядным ТНВД. Конструкционной особенностью насос-форсунки, является объединение ТНВД и форсунки в единый узел. Благодаря такой конструкции в форсунке может быть достигнуто давление свыше 2000 кг/см 2 , что существенно выше, чем в рядных ТНВД.

Рисунок 1-36: Система электронного управления дизельным двигателем UIS (Unit–Injector System)/PDE (Pump–Duse–Electronic), оснащенная электроуправляемыми насос-форсунками; источник: R. Bosch

Впрыск топлива осуществляется за счет воздействия кулачка распределительного вала двигателя на толкатель инжектора и работы быстродействующего электромагнитного клапана, в соответствии с параметрами, определяемыми электронным модулем управления.

Индивидуальные насосные секции – это насос-форсунки, у которых нагнетающий элемент – плунжерная пара, и управляющий элемент – электромагнитный клапан, отделены от впрыскивающего элемента – форсунки, и соединены трубкой высокого давления. Аббревиатура из немецких слов Pump-Line-Duse (насос – трубопровод – форсунка) и дала название этим насосам: PLD-секции.

Такое разделение «на две части» и установка PLD-секций отдельно от головки блока цилиндров имеет следующие преимущества перед насос-форсунками:

• нет необходимости в изменении конструкции головки цилиндров;
• привод PLD-секций осуществляется или от распределительного вала, или от отдельного кулачкового вала, в обоих случаях дополнительные коромысла отсутствуют;
• PLD-секции легко обслуживаются и демонтируются, доступ к ним значительно облегчен.

Рисунок:1-37: Электронная система управления дизельным двигателем UPS (Unit–Pump System)/PLD (Pumpe–Line–Duse) индивидуальными ТНВД с встроенным электромагнитным клапаном управления; источник: R. Bosch

В этом учебнике подробного рассмотрения принципов управления дизельным двигателем и диагностики механических и электронных систем впрыска дизельного топлива не предусмотрено. Подробная информация будет изложена в отдельном многостраничном учебнике.

Источник Источник http://www.autospecialist.info/%D0%B4%D0%B8%D0%B7%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9-%D0%B2%D0%BF%D1%80%D1%8B%D1%81%D0%BA/