Применяемые в тексте сокращения:
АТС — автотранспортное средство;
АС — аккумуляторная система
ВВ — вредные вещества;
ВМТ — верхняя мертвая точка;
НМТ — нижняя мертвая точка;
ДВС — двигатель внутреннего сгорания;
КВ — коленчатый вал;
ОГ — отработавшие газы;
СУ — система управления;
ТА – топливная аппаратура (ТПА — топливоподающая аппаратура);
УОВ — угол опережения впрыска;
ЭБУ — электронный блок управления,
CR — common rail.
Общие сведения
Электронные устройства и компоненты находят широкое применение на современных колесных и гусеничных транспортных средствах в системах автоматического управления , контроля, сигнализации, блокировки, строенной и внешней диагностики, причем, по насыщенности электронно-компьютерным оборудованием современный автомобиль приближается к авиационным лайнерам. Достаточно назвать приборы системы навигации, автоматизации вождения и парковки, бортовую ЭЦВМ (CarPC).
Доля дизелей колесных и гусеничных транспортных средств, оснащенных электронным управлением, в настоящее время достигает 30% от выпуска.
В менее совершенных топливных системах электронное управление лишь заменяет механические регуляторы. Более многочисленную группу современных систем, созданных на базе традиционных ТНВД, составляет аппаратура с независимым электронным управлением подачей и опережением впрыска. Наконец, были внедрены в массовое производство аккумуляторные системы Common-Rail (CR), максимально расширившие возможности управления рабочими процессами дизеля, например за счет управления давлением и характеристикой впрыска.
Перечень функций электронного управления дизелей следующий:
- регулирование цикловой подачи топлива qц
в соответствии с заданным режимом по частоте вращения nдв
и эффективной мощности Ne
двигателя;
- положительная коррекция (увеличение) qц
при пуске холодного дизеля и при повышении температуры томлива в насосе;
- отрицательная коррекция (уменьшение) qц
при снижении давления окружающего воздуха pо
или давления наддува рк
, росте окружающего tо
или наддувочного tк
воздуха;
- оптимальное регулирование угла опережения впрыска топлива φопер.впр.
и характеристики подачи qц
вплоть до организации двухфазного (ступенчатого) впрыска;
- оптимальное регулирование рециркуляции отработавших в дизеле газов с целью снижения эмиссии окислов азота NOX
;
- оптимальное регулирование турбокомпрессора наддува;
- отключение цилиндров и циклов на частичных режимах нагружения двигателя;
- выключение топливоподачи при торможении двигателем, на принудительном холостом ходу двигателя при движении накатом или под уклон, столкновении или опрокидывании транспортного средства;
- выполнение самодиагностики элементов дизеля и системы электронного управления с замещением отказавших элементов.
С учетом того, что СУ подачей все чаще становится составляющей СУ всего дизеля или автомобиля, ее функции значительно расширяются: управлению подлежат также свечи накаливания, газораспределения, климатическая установка, АБС и многое другое. Целесообразность объединения СУ усматривается, в частности, в оптимальности сопряженных процессов в зависимости от тех же параметров, что и ТП.
Таким образом, современная ТПА использует электронное управление. При этом обеспечивается повышенные давления впрыска: с роторными ТНВД до 160…180 МПа, насос-форсунках и индивидуальных ТНВД до 200 МПа, в Common Rail первого поколения до 135, а второго поколения — до 160 МПа. Если долгое время последние не могли найти применения, то ныне можно услышать мнение об их безальтернативности. В действительности, CR имеет ряд неустранимых недостатков (постоянное высокое давление в распылителе и арматуре, низкий КПД). Каждая из упомянутых систем имеет достоинства и недостатки и пока нет оснований, чтобы считать какую-либо из них безперспективной. Наряду с расширением возможностей электронного управления ставится вопрос о целесообразности повышения давления впрыска до 1800 МПа.
Для современных дизелей с электронным управлением характерно развитое управление ТА.
ТА дизельных ДВС предназначена для отмеривания дозы топлива qц
, величина которой зависит от развиваемой мощности (нагрузки), и подачи этой дозы в определенный момент, синхронно с вращением КВ, в мелкораспыленном состоянии через сопло форсунки в рабочий цилиндр двигателя.
Корректирование qц
производится по измеренному термоанемометром расходу воздуха двигателем.
Мелкодисперсное распыливание топлива обеспечивается за счет высокой скорости его истечения под действием высокого давления, величина которого для современных перспективных ТС дизелей составляет 200 МПа (2000 кгс/см2
, или 2000 бар) и выше.
Различают два типа ТС дизелей:
- ТС с раздельной ТА, когда ТНВД и форсунка присутствуют в ТС в виде двух отдельных узлов, соединенных топливопроводом ВД — форсуночной трубкой;
- ТС с нераздельной ТА — насос форсунки и аккумуляторные ТС.
В аккумуляторных ТС форсунка выполняет все названные выше функции, кроме создания высокого давления.
В зависимости от способа регулирования дозы топлива qц
различают:
- ТНВД с переменной величиной хода плунжера:
- ТНВД с постоянным ходом плунжера и переменным наполнением плунжерного пространства насоса дросселированием потока топлива НД между рабочими ходами насоса;
- ТНВД с постоянным ходом плунжера клапанные;
- ТНВД с постоянным ходом плунжера золотниковые;
- ТНВД с постоянным ходом плунжера клапанно-золотниковые.
Привод плунжера может быть кулачковый и силовой, с использованием энергии газа или жидкости высокого давления, либо электроэнергии.
По конструктивным особенностям кулачковые ТНВД можно классифицировать следующим образом:
- ТНВД с индивидуальными насосными секциями;
- ТНВД блочные с рядным или барабанным расположением секций ( в барабанных ТНВД плунжеры приводятся от кулачка с аксиальным выступом, называемым торцовой шайбой);
- распределительные ТНВД с обслуживанием от одной насосной секции нескольких цилиндров ДВС.
Распределительные ТНВД в свою очередь могут быть:
- с радиальным возвратно-поступательным перемещением плунжера и с вращением его вокруг оси для распределения топлива;
- то же, но с аксиальным возвратно поступательным перемещением плунжера;
- роторными.
В роторных ТНВД распределительного типа топливо нагнетается при обкатывании двух или трех плунжеров по кулачковым выступам на внутренней поверхности специальной втулки, а распределение по цилиндрам осуществляет ротор-золотник.
Классическая конструкция форсунки — механическая, с пружинным запиранием иглы и гидравлическим управлением ее подъемом от давления рабочего топлива.
Применяют также гидравлическое запирание иглы и электрическое или электрогидравлическое управление форсункой.
Полный перечень регулировок ТНВД следующий:
- угол опережения впрыска φопер.впр.
до ВМТ цилиндра дизеля;
- φопер.впр.
по всем цилиндрам одновременно;
_ qц
для данного цилиндра дизеля;
- qц
по всем цилиндрам одновременно.
Для насосных секций ТНВД распределительного типа с механическим управлением значения φопер.впр.
и qц
обеспечиваются точностью изготовления деталей.
Рассмотрим некоторые виды наиболее распространенных СУ использующихся на современных автомобилях применительно к теме данного задания.
Топливные системы с кулачковым приводом впрыскивающих плунжеров.
Эти системы, в отличие от аккумуляторных, называемые по принятой классификации также системами непосредственного впрыска, базируются на использовании апробированных технических решениях и технологии производства ТПА. Использование электроники в дизелях V12 военных машин Rolls Royce началось с 1978 г., а для гражданской продукции фирмы R.Bosch, Lucas CAV, Stanadyne, Detroit Diesel Allison, Zexel освоили ТПА с электронным управлением с середины 80-х годов [2]. В простейшем случае от традиционной ТПА она может отличаться только заменой механического регулятора на электронный. В этом случае конструкция насосной секции может не иметь новых элементов. Такая ТПА на сегодня подготовлена к широкому использованию, но ввиду множества ограничений имеет меньшие возможности, чем, например, аккумуляторная. Среди подобных решений находим как наиболее простые (насос-форсунки дизелей ГАЗ-560, Volkswaqen), так и наиболее сложные (распределительные ТНВД VP-44, EPIC Lucas).
Наиболее простым и очевидным решением управления топливоподачей явилась разработка системы, где механический регулятор рядного ТНВД заменен электрическим, который управляет работой ТНВД с помощью электромагнитного или электрогидравлического привода, получающего сигналы из ЭБУ. Пример такого ТНВД представлен на рис. 1
— это рядный ТНВД PR 39 фирмы R. Bosch с электронным регулированием подачи и УОВ [1].
Схема электронного управления дизелем с наддувом грузового автомобиля Mercedes-Benz OM442LA с рядным ТНВД представлена на рис. 2
. Каналы управления насосом — по цикловой подаче УОВ. Электронный блок управления осуществляет оптимальное в рамках возможностей данной ТПА управление рабочим процессом дизеля с использованием сигналов ТНВД, автомобиля, дизеля коробки перемены передач (КПП) и механизма отбора мощности на внешние агрегаты. Датчик подъема иглы форсунки может отсутствовать. С использованием сигналов датчиков температуры и давления воздуха рассчитывается расход и коэффициент избытка воздуха. Это позволяет предотвратить дымление на рабочих режимах дизеля, включая работу на высоте до 4000 м над уровнем моря при минимальной потере мощности. Отключение подачи на режиме принудительного обеспечивает торможение автомобиля двигателем. Для особых условий движения, например, обгона, СУ допускает кратковременное нарушение ограничений по частоте и цикловой подаче. Она снабжена функциями самодиагностики, сигналы о неисправностях подаются на приборный щиток и запоминаются.
Известны и другие технические решения, реализованные в опытной ТПА. Так, управление рейкой цикловой подачи с помощью быстродействующего электропривода АО «Рыбинские моторы» для 4-секционного ТНВД АО «ЯЗТА», позволяет подавать в каждый цилиндр свою цикловую подачу в соответствии с особенностями его работы. Единая рейка переставляется за цикл работы дизеля 4 раза. Нидерландской фирмой Ship-und Industrial Enqineerinq разработано, а английской фирмой Bryce, входящей в группу Lucas Industries, выпускается ТПА с номинальными цикловыми подачами 3,3…17 г. Такие ТНВД для главных судовых дизелей сохранили рейку управление подачей, но снабжены электроклапаном слива топлива из надигольной полости в начале и конце подачи для регулирования УОВ. Этот принцип регулирования подробно рассмотрен ниже для насос-форсунок.
Использовать традиционный Т НВД с электронным регулированием УОВ позволяет ТПА по схеме проф. Н.Н. Патрахальцева. Дополнительный гибкий клапан, открываемый электромагнитным приводом, установлен у форсунки своим выходом в сторону нагнетательного трубопровода. В начале подачи он открыт за счет питания электромагнита, а подаваемое топливо стравливается на слив. В задаваемый электронным блоком момент питание электромагнита прекращается и под действием пружины и спутного потока топлива клапан закрывается. Так может изменятся УОВ. Дополнительное качество ТПА — гидроудар при «захлопывании» клапана, т.е. повышение давления впрыска в начале подачи.
Еще одна российская разработка — ТПА АОА «Ногинский завод топливной аппаратуры» с ТНВД с электроуправляемым дросселированием на всасывании в надплунжерную полость в период ее наполнения. Изменяя время открытого состояния низконапорного электроклапана, дросселирующего впускное окно втулки плунжера, изменяется наполнение полости. Реальное повышение давления и начало подачи будет определяться моментом окончания сжатия газопаровой фазы, т.е. количеством попавшего в полость топлива. Как и в предыдущем случае, цикловая подача обеспечивается соответствующей подстройкой рейкой подачи. Также обеспечивается возможность повышения давления впрыска, но требуется увеличение запаса ТНВД по производительности.
Дальнейшее развитие ТНВД с Электронным управлением подачей и УОВ, видимо, идет по другому пути — использованию ТНВД с одним электроуправляемым стравливающим клапаном.
Основными недостатками данных систем являются невозможность обеспечить нагнетание топлива только с использованием «полочки» на вершине диаграммы скорости. Тогда при изменении УОВ изменяется средняя скорость плунжера в период нагнетания и закон ее изменения по времени. Как следствие — изменение давления и характеристики впрыска в весьма широком поле допуска при изменении УОВ. Обеспечить оптимальное изменение опережения давления и характеристики впрыска по режимам работы дизеля при их жесткой взаимосвязи принципиально не возможно, но возможно нахождение некоторых компромиссов.
ТПА с распределительными насосами
.
Одноплунжерные ТНВД с приводом от торцевой кулачковой шайбы типа VE начали производиться фирмой R.Bosch с 1976 г.
ТНВД
VE
служат для обслуживания дизелей с числом цилиндров 2,4,6 цилиндровой мощностью до 25 кВт, частотой до 5000 мин – 1
, цикловой подачей до 100 мм3
, давлением нагнетания до 100 МПа. Возможная комплектация: диаметр плунжера 8…12 мм, ход — 1,5…4 мм .В отличие от механического управления такими ТНВД электронное управление в ТНВД VE осуществляется более просто ввиду наличия встроенного автомата УОВ и меньших перестановочных усилий (рис. 3
).
Электронная СУ ТПА с насосом VE изображена на рис. 4
. Педаль акселератора водителя является лишь одним из датчиков СУ. Она, по существу является уже СУ двигателя, регулируя давление наддува, рециркуляцию ОГ (заслонкой перепуска), ускоритель пуска и прогрева, также уменьшающего шум на малых нагрузках (заслонкой на впуске). В более современных системах появились датчики температуры и давления атмосферного и наддувочного воздуха, скорости автомобиля, органов управления сцеплением и тормозами. Некоторые датчики перемещены в ТНВД. Электронное управление используется в ТНВД VE фирмы Isuzu, Zexel, Nippon Denso.
К недостаткам данного ТНВД можно отнести ограниченность его применения ввиду их ограниченности по напряжениям в сложном кулачковом приводе в условиях постоянно растущих давлений впрыска. Согласно схеме рис. 4
, форсунка первого цилиндра имеет датчик подъема иглы для образования обратной связи по УОВ. Такой контроль УОВ более точен, чем с помощью датчика положения сервопоршня системы регулирования УОВ. Для дизелей конца 90-х годов с открытой камерой сгорания и частотой вращения 4000…4500 мин–1
фирма R. Boschm выпускает двухпружинные форсунки. Они призваны обеспечить ступенчатость переднего фронта характеристики впрыска. Однако попытки обеспечить ступенчатость характеристики впрыска в целях снижения выбросов NOx
, как показывают результаты расчетов подачи, не удаётся: ступенчатость исчезает при больших нагрузках и при n>3000 мин–1
, т.е. тогда, когда существенны выбросы NOx
, см., например рис.5
. При значительном повышении давления усиливаются негативные качества форсунки, а эффект ступенчатости всё равно неустойчив, поэтому такие задачи сейчас не ставят. К негативным свойствам форсунки относятся потери напора в запорном конусе и усиление зависимости режимов работы дизеля от давления впрыска.
Реальным достоинством работы форсунки является значительное снижение шумности работы дизеля на холостом ходу и малых нагрузках.
Наиболее современным вариантом распределительных насосов фирмы R. Bosch является модель VP– 44
. Она использована на последних моделях дизелей Opel–Ecotec и Audi V6– TDI. При n=4200 мин–1
давление нагнетания в ТНВД достигает 100 МПа, а давление в форсунках — 130…150 МПа и даже 180 МПа. При n=1000 мин–1
обе величины давления близки к 50 МПа. Схема ТС с этим ТНВД представлена на рис.6
. Особенностью ТПА является схема её управления, включенная в СУ дизелем. Электронный блок состоит из двух блоков, в частности оконечные каскады питания электромагнитов располагаются на корпусе ТНВД. Форсунка в отличие от рис.6
в обоих дизелях располагается соосно цилиндру дизеля, а в первом цилиндре снабжена датчиком подъёма иглы.
Появление роторного распределительного ТНВД обусловлено тенденцией повышения давления впрыска и ограниченности нагрузок в приводе ТНВД VE.
Фирмой Lucas
CAV выпускаются ТС
EPIC-70 и
EPIC-80
(Eltctronical Proqrammed Injection Control) с роторными ТНВД. Цифры 70 и 80 указывают диаметр кулачной шайбы в мм. ТНВД EPIC-80 обеспечивает давление впрыска до 95 МПа [9, 10].
На рис.7
представлены датчики и исполнительные устройства системы (положения клапана рециркуляции, встроенные в ТНВД датчики положения регулирующих элементов подачи и УОВ, температуры топлива, частоты вала ТНВД, датчик скорости автомобиля (коробки передач), может использоваться датчик хода иглы. Датчики температур — типа NTC, их сопротивление уменьшается примерно вдвое при повышении температуры на каждые 20º.
Насосы EPIC имеют запатентованный фирмой Lucas способ регулирования qц
изменением холостого хода плунжеров. Здесь сам ротор является поршневым сервомотором, а давление рабочей жидкости в сервомоторе зависит от длитель-
ности импульсов ЭБУ на открытие клапана подачи и клапана стравливания рабочей жидкости (топлива). Сигналы на перемещение ротора ЭБУ подает только между впрысками.
ТС EPIC осуществляет корректирование величины qц
в зависимости от температуры топлива по сигналам датчика, через ЭБУ.
Механизм регулирования величины φопер.впр.
аналогичен установленному в насосе Bosch, но дополнительно имеется датчик Холла положения сервопоршня исполнительного устройства.
Достоинства системы EPIC: при выходе из строя датчика частоты вала его сигнал замещается сигналом хода иглы, обеспечивает уже при пусковой частоте коленвала 180 мин–1
давление подкачки 0,3 МПа, а при высоких частотах — 0,8…0,9 МПа, оригинальное решение механизма регулирования цикловой подачи (принципом изменения полного хода плунжеров). На холостом ходу система EPIC обеспечивает индивидуальную подачу по всем цилиндрам. В то же время переход от минимальной подачи к максимальной искусственно демпфируется не период до 0,1 с. Датчик положения коленвала позволяет оперативно диагностировать вырабатываемую каждым цилиндром мощность и корректировать цикловую подачу, добиваясь баланса мощности по цилиндрам.
Особенности: обслуживание ТПА EPIC без специальных приборов и информации невозможно; индивидуальные данные каждой системы регистрируются при изготовлении и заносятся в ЭБУ.
К числу наиболее частых неисправностей относят повышенные утечки в изношенных форсунках, эрозия нагнетательных клапанов, попадание воздуха на всасывание в ТНВД, не герметичность, засорение линии низкого давления.
Заметим, что быстродействие СУ рассмотренными роторными ТНВД позволяет индивидуально, по цилиндрам, изменять подачу топлива на холостом ходу, что обеспечивает низкое значение nдв
без опасности его самопроизвольной остановки из–за большой неравномерности подач по цилиндрам и низкий уровень шума холостого хода. Самодиагностика ТС с электронным управлением топливной аппаратурой выполняется центральным ЭБУ путем посылки импульса электропитания на компоненты электромагнитного типа и датчики индукционного типа приемом импульса-отклика (импульса ЭДС самоиндукции), либо по омическому сопротивлению электрических и электронных компонентов системы.
ТС с силовым электроприводом и аккумуляторные системы.
Системы с силовым пьезоприводом
. Пьезопривод все шире внедряется в технических устройствах, а характеристики пьезоэлектриков резко повышены. Применительно к ТПА он обладает рядом несомненных достоинств: высокие КПД, усилия, малый нагрев, реверсивность, отсутствие тока удержания. Важнейший его недостаток — малые перемещения, устраняется применением современных материалов и механическими мультипликаторами перемещения.
Малость перемещений пьезопривода вынуждает увеличивать диаметр плунжера или мембраны. В связи с этим, а также по ряду других параметров подобная ТПА выглядит наиболее перспективной для впрыска бензина , чем для дизельных ДВС.
ТПА с электродинамическим двигателем
ориентирована на впрыск с помощью плунжерной насосной секции с высокими давлениями. В электродинамическом двигателе при пропускании через катушку импульса тока отталкивающее усилие на немагнитном электропроводном якоре обязано возникающему магнитному полю от вихревых токов, противоположного полю катушки. ТПА наилучшим образом реализуется в виде насос-форсунки или с трубопроводом менее 150…250 мм.
Трудности в создании такой ТПА: кратковременность силового импульса, малый КПД двигателя, неуравновешенность. Первая решается оптимизацией параметров ТПА, вторая — электронными системами с рекуперацией энергии, третья — оппозитной схемой агрегата. Необходим жесткий неэлектропроводный корпус с заливкой диэлектрическими компаундами. Наиболее простой способ регулирования ТНВД — напряжением питания конденсаторов.
Аккумуляторная ТПА с мультипликатором давления
(насос-форсунки с гидроприводом плунжера) до середины 90-х годов считались наиболее перспективной аккумуляторной системой с электронным управлением. В этом направлении работали МАДИ [6],
Предложено много схем мультипликаторов давления с электроуправлением, однако, все они конструктивно сложны, относительно дороги, т.к. содержат дополнительные прецизионные детали, имеют значительные неуравновешенные массы, требующие демпфирования в конечных положениях и имеют определенные ограничения по быстродействию. Можно предположить, что именно из-за этих причин такие аккумуляторные системы не нашли широкого применения. Такие сложные системы оказались еще менее перспективными для автомобильной техники, особенно для дизелей с n >4000 мин – 1
.
Тем не менее фирмы Caterpillar и Perkins разработали аккумуляторную систему с электроуправлением и мультипликацией давления для дизелей автотракторного класса, названную HEUI(Hydraulic Electronic Unit Injection) (рис. 8
). С 1992 г. Фирмой Caterpillar она была успешно испытана на ряде дизелей.
Прямое управление иглой электромагнитом
, по подобию бензиновых форсунок, для современных дизелей невозможно ввиду значительных давлений топлива и требуемых усилий, предела магнитного насыщения материалов и ограниченности допустимых токов. По этой причине долгое время разрабатывались так называемые электродинамические форсунки [5]. Они имели массивный магнитопровод, подмагничиваемый катушкой возбуждения и подвижную легкую катушку иглы форсунки. Однако имелись трудности обеспечения надежности подвижных электроконтактов, повышенная масса иглы при все же недостаточном силовом воздействии. В результате — невысокое быстродействие и ненадежное запирание иглы при отсутствии подачи. Тем не менее, для непосредственного впрыска бензина более простое прямое управление форсунки применяется.
Аккумуляторные топливные системы с электроуправлением типа
CR
.
Распространенным типом аккумуляторной ТС с электронным управлением является ТС Бош типа Common Rail ( дословный перевод — общий рельс).
Место системы управления в CR иллюстрируется рис. 9
и рис. 10
. На рис. 11
представлены блок-схема систем управления CR фирмы R.Bosch [4]. Состав, структура и функционирование системы управления определяются в соответствии с полученным для данного двигателя законом оптимального управления и другими требованиями. Оптимальный закон управления для каждого режима работы дизеля формулируется в процессе тщательного многофакторного исследования рабочего процесса дизеля. Далее обсуждаются задачи создания системы управления, способы управления характеристиками подачи и разработанные технические решения.
Ранее высказывались мнения, что аккумуляторные системы позволяют получать на всех режимах короткий, почти П-образный закон подачи. Такой впрыск ни по форме закона, ни по уровню давлений не отвечает оптимальным условиям организации рабочего процесса: например, с уменьшением частоты и нагрузки давление впрыска должно существенно снижаться. Между тем, сегодня в дизелях на номинальном режиме, как правило, еще не достигнут оптимальный уровень давления впрыска, при превышении которого показатели рабочего процесса ухудшаются.
Поскольку дозирование топлива осуществляется временем открытия форсунки и изменением Ракк
, для оценки устойчивости и пригодности выбранных параметров ТПА представляет интерес установление зависимости gц
= f (τоткр.
, Ракк
). Сопоставление таковых для различных систем убеждает в их неуниверсальности. Даже, если в CR отсутствует влияние на закон подачи волновых процессов в нагнетательном трубопроводе и зависимость gц
= f (τоткр
) при средних и больших подачах приближается к линейной, то в области малых подач она существенно нелинейная, даже с кривизной разных знаков. На рис.12
представлена зависимость gц
= f(τоткр
, Ракк
) CR для дизеля ЗМЗ-514, полученная с помощью программного комплекса «Впрыск» для форсунки с шариковым клапаном с параметрами, предполагающими интенсивные волновые процессы в нагнетательном трубопроводе.
В любом случае сигнал управления форсункой, как показывает практика конструирования CR [3], должен иметь определенную форму. Начальный ток страгивания в CR Bosch обеспечивается разрядом конденсатора с токами до 20 А, [3]затем поддерживается нормальный ток удержания. Опыт КФ ВЗПИ показывает, что повышению закрытия клапана способствует небольшой размагничивающий отрицательный импульс.
Регулирование впрыском с помощью насос-форсунок рассмотрено ниже.
Помимо описанных выше способов регулирования топливоподачи существуют методы регулирования работы ДВС путем изменения фаз газораспределительного механизма (применяются на двигателях автомобилей BMW и Fiat) и управления работой турбокомпрессоров.
Насос форсунки и безреечные ТНВД с электромагнитным управлением
Повышение интереса к насос-форсункам в последние годы было обусловлено наиболее полным соответствием при максимальной простоте конструкции двум важнейшим тенденциям совершенствования ТПА: интенсификации впрыска и введению электронного управления. Давно известны достоинства насос-форсунок: повышение давления впрыска за счет минимизации объемов сжигаемого топлива, отсутствие подвпрыска, уменьшение номенклатуры деталей, резкая отсечка подачи, меньшее закоксовывание и большой ресурс распылителя, меньшие затраты мощности, отсутствие необходимости в нагнетательном клапане, снижение запаздывания впрыска относительно нагнетания плунжера, что уменьшает УОВ по частотам вращения и уменьшает потребный диапазон его регулирования. Насос-форсунки обеспечивают относительно более пологий передний фронт подачи, что соответствует экологическим требованиям.
Отмеченные особенности иллюстрируются рис.13
: насос-форсунка обеспечивает более пологий передний фронт и более резкий задний. Это способствует снижению жесткости сгорания, шумности, выбросов NOх
, получению крупных капель в конце впрыска, снижению сажеобразования. Налицо интенсификация подачи.
Сегодня насос-форсунки используются в дизелях с диаметром цилиндра 67…300 мм. В дизелях FOCS Lombardini они представляют Г-образную конструкцию с перпендикулярными осями насосной секции и распылителя. Электроуправляемыми насос-форсунками снабжены дизели DSC 12 Scania (i=6, Ne=309 кВт), шестицилиндровые дизели 3176 Caterpillar, дизели серии 60 Dеtroit Diesel, дизели Volkswagen, MAN и другие.
Ограничивали применение насос-форсунок недостатки: усложненные условия компоновки головки, увеличенный диаметр форсуночной части, большее снижение давления впрыска на частичных режимах работы, усложненные и менее точные условия регулировки равномерности подачи по цилиндрам, усложнение привода реек и специального привода автоматического регулятора. В связи с использованием электронного управления число достоинств выросло, а недостатков уменьшилось. Так, плунжерная пара максимально упростилась, исчез механизм поворота плунжера, реечные тяги и индивидуальный автоматический регулятор, отпала необходимость выравнивания подачи по цилиндрам при регулировке, возникла возможность обеспечения двухфазной подачи, регулирования УОВ, а поэтому, повысились экономичность, надежность пуска, снизилась эмиссия ВВ. Снижение давления впрыска компенсируется общей интенсификацией подачи.
Насос-форсунки фирмы Detroit Diesel Allison (отделения General Motors) (рис.14
).
В начале и конце движения плунжера 3 клапан 2 открыт, обеспечивая слив топлива из плунжерной полости 4. Закрытие его на короткое время обусловливает активный ход плунжера, т.е. цикловую подачу. Момент его включения позволяет в широких пределах изменять УОВ, снижая эмиссию ВВ, улучшая пуск, улучшая характеристики дизеля, в частности обеспечив снижение эксплуатационного расхода топлива на 5…8%. Наполнение плунжерной полости осуществляется также через клапан. Отсутствие разрежений при наполнении и короткие нагнетательные каналы позволяют обойтись без нагнетательного клапана. Управляющий клапан выполнен по схеме рис. 19, т.е. является частично гидравлически разгруженным. Его собственная частота 10 кГц. Этого оказывается достаточно для организации двухфазного впрыска. Он позволяет снизить шумность работы и сделать надежнее пуск. Одна или несколько насос-форсунок с управляющими клапанами могут быть выключены из работы. Метод электрического отключения насос-форсунок при диагностике дизеля быстро выявляет неисправную.
СУ получает информацию от датчиков температур масла, топлива, охлаждающей жидкости, воздуха на впуске; давлений наддува, масла; положения коленчатого вала; положения дросселя. В зависимости от типа энергоустановки применяются датчики. При нормальной работе СУ на датчики посылается модулированный сигнал 5 В. Нормальный отклик каждого датчика 0,5…4,5 В. В противном случае, в отличие от случая неразрешенного значения измеряемого параметра, диагностируется неисправность датчика.
Для исключения влияния внешних электромагнитных помех сигнал, управляющий электромагнитом по команде микропроцессора, является частотно-модулированным. Электронный блок использует однокристальный микропроцессор Motorola, работоспособный при 125ºС.
На каждом рабочем режиме СУ функционирует по заложенным алгоритмам и логическим условиям. Например, если оператор включает стартер, то СУ препятствует впрыску, если частота вращения вала недостаточна. Это предотвращает белый дым и переохлаждение цилиндров топливом. СУ изменяет УОВ относительно нормального уровня. После запуска частота вращения холостого хода увеличивается для ускорения прогрева, постепенно приближаясь к нормальной, Более быстрый прогрев осуществляется за счет работы только половины цилиндров, в дальнейшем включаются не работавшие цилиндры.
Насос-форсунки фирмы Lucas – EUI (Electronic unit injectors) - предназначены для малотоксичных дизелей с открытой камерой сгорания легковых автомобилей, автобусов, внедорожников и грузовиков. Первоначально типоразмерный ряд насос-форсунок обеспечивал максимальные подачи 50, 100, 150 и 200 мм3
. Сейчас возможности такой ТПА выше (табл.1). Она применяется, в частности, на дизелях Volvo, John Deer, Detroit Diesel [9, 10].
Таблица 1. Параметры насос-форсунок Lucas Varity
| Размерность |
50/100 |
150 |
200 |
250 |
| Частота вращения вала дизеля, мин–1 |
5000 |
3000 |
2400 |
2000 |
| Рабочий объём одного цилиндра, л |
0,5/1,0 |
1,0/1,5 |
1,5/2,0 |
2,0/2,5 |
| Диаметр плунжера, мм |
8 |
9 |
10 |
11 |
| Ход плунжера, мм |
9 |
11/13 |
15 |
18 |
| Цикловая подача, мм³ |
120 |
160 |
240 |
300 |
| Максимальное давление подачи, МПа |
200 |
200 |
200 |
200 |
Такая ТПА может приводиться от верхнего или нижнего распределительных валов, может устанавливаться в головке с 2 или 4 клапанами.
Конструкция насос-форсунки Lucas несколько сложнее, чем предыдущая: топливо поступает и сливается через фильтра 7 (рис.15
) и опоясывающие корпус полости. Каналы высокого давления В и С сообщают клапан 14, распылитель 10 с плунжерной полостью, канал А используется для слива через клапан. Наполнение плунжерной полости осуществляется через клапан и впускное окно 6.
Система обеспечивает с помощью быстродействующего клапана (его схема на рис.18) гибкое управление подачей и УОВ, в том числе на переходных режимах. Обеспечивается совершенное смесеобразование на холостом ходу и низких нагрузках дизеля. СУ снабжена датчиками частоты и положения вала, температуры и давления воздуха, температуры охлаждающей жидкости, связана с другими системами автомобиля, обеспечивает возможность всесторонней диагностики. Дизели с такими насос-форсунками отличаются низкой эмиссией ВВ и шумностью работы.
Насос-форсунки Lucas-Bryce в состоянии обслуживать дизели с числом цилиндров 6…16, частотой 100 мин- 1
, мощностью 1250…3300 кВт. Для ТП в форсированных среднеоборотных дизелях это отделение фирмы предлагает типоразмерный ряд индивидуальных ТНВД с электроуправляемым клапаном (табл.2).Они не имеют реек, управляющих кромок на плунжере, механизмов его поворота.
Таблица 2. Параметры ТНВД с электронным управлением Lucas-Bryce
| Марка ТНВД |
CVAB |
FEEAB |
| Диаметр плунжера, мм |
22 |
36 |
| Ход плунжера, мм |
22 |
35 |
| Цикловая подача, мм³ |
3345 |
17000 |
Фирма R.Bosch выпускает насос-форсунки с электроуправлением двух типов: для грузовиков и легковых автомобилей. Последние на дизелях Volkswagen 4ЧН79,5/95,5 с n=4000 мин-1
, мощностью 85 кВт обеспечивают максимальное давление подачи до 205 МПа [7]. При этом отмечается, что запальная порция двухфазного впрыска может достигать 1,5 мм3
, причем с большей точностью, чем это удается сделать в ТПА типа CR. На рис.16, 17
представлены насос-форсунка, индивидуальный ТНВД для дизелей грузовых автомобилей и схема топливной системы фирмы R.Bosch [8].
ТНВД с клапаном управления сливом, как и рассмотренные насос-форсунки, обеспечивает все упомянутые возможности электронного управления цикловой подачей и УОВ. Такая ТПА комплектуется обычной форсункой, остаются привычные компоновочные решения и приемы обслуживания и регулировки ТПА. ТПА с подобными ТНВД выгодно отличается от двухреечных насосов, рассмотренных выше, обеспечивают более быстрое, точное управление в более широких пределах изменения параметров, включая и характеристику впрыска, а также более просты и дешевы. В отличие от ранее используемых ТНВД с дросселированием топлива на линии нагнетания, здесь нет потерь топлива во время впрыска, таким образом, впрыск начинается энергично, имеется, четка отсечка, а способ регулирования не снижает давления впрыска.
Единственным сложным и нетрадиционным элементом таких ТНВД является клапан управления. К его быстродействию предъявляются повышенные требования: он должен срабатывать в обе стороны в высокооборотном дизеле за время не более 0,1…0,2 мс. Это оказывается возможным не только при малых массах т усилиях электромагнита более 250 Р, но и при гидравлической разгруженности клапана. На рис.18
представлены различные виды используемых клапанов. Все они в значительной степени используют принцип разгрузки клапана от сил высокого давления в центральной камере, сообщенной с плунжерной полостью. Напрямую этот золотниковый эффект использован по рис.18. Несмотря на кажущуюся непригодность такого затвора, он не так плох: в отличие от ТПА CR, где некоторое время использовались золотники, в данной ТПА прогрессирующий износ золотника и потеря им гидроплотности не приводит к нарушению работоспоосбности ТПА и недопустим потерям топлива. Действительно, утечки через золотник могут стать ощутимыми лишь при минимальных цикловых подачах. При этом их влияние ограничивается лишь некоторым снижением давления впрыска. Сами по себе потери топлива на слив в отличие от CR значения не имеют. Тонкость, однако, заключается в том, что даже классический золотник по рис.18 г
, не вполне гидравлически разгружен ввиду сложного распределения на его торце.
Клапан по рис.18 а
предполагает использование толкающего электромагнита или пьезопривода. Клапаны по рис.18 а-в
обеспечивают герметичное запирание и отсутствие утечек при впрыске, но проблема обеспечения гидравлической разгруженности стоит очень дорого. С одной стороны при конструировании клапанов принципиален подбор разницы углов клапана и седла и соответствие между диаметром верхней (золотниковой) части клапана и диаметра линии контакта. В этой связи также чрезвычайно важен прогноз смятия области контакта и изменения ввиду этого среднего диаметра пояска контакта. С другой стороны равенство диаметров не гарантирует гидравлическую разгруженность. Для прогнозирования распределения статических давлений в донной (торцевой) области за клапанной щелью требуются уточненные методы двумерного течения с отрывом пограничного слоя. Отрабатываться такие клапаны также могут экспериментально, в том числе методом статической проливки, с использованием физического моделирования (например, на увеличенных моделях). Наиболее критичный момент срабатывания клапана — отрыв от седла при высоком давлении в полости.
В связи с вышесказанным, с достаточной долей уверенности, можно сказать, что СУ с насос-форсунками весьма успешно может применяться на отечественных ДВС для транспортных средств общего пользования.
Применительно к оснащению уже выпускаемых или переоборудованию эксплуатируемых дизельных ДВС, в частности ЯМЗ-236, рассмотренной системой возникают трудности, связанные с размещением насос-форсунок, их привода и т.п. Кроме того, при увеличении давления впрыска может возникнуть необходимость в модернизации системы охлаждения, а для качественной работы электроники необходима модернизация системы электрооборудования.
Все же, наиболее перспективным развитием отечественных двигателей класса ЯМЗ-236, особенно для установки на магистральные тягачи и междугородные автобусы является установка ТПА с насос-форсунками и турбокомпрессорами. Тем более уже существует достаточная производственная и научная база с современным высокоточным оборудованием, электроникой и высококачественными материалами.
На рис.19 дана принципиальная схема электронного управления 6–ти цилиндрового дизельного двигателя, у которого впрыск топлива происходит с помощью насос-форсунок.
Список литературы
1. Системы впрыска дизельных двигателей. — М.: «Легион Автодата», 1997.–670 с.
2. Сига Х., Мидзутани С. Введение в автомобильную электронику: пер. с японск.–М.: Мир, 1989.–232 с.
3. Пинский Ф.И. Электронное управление впрыскиванием топлива в дизелях. Учебное пособие / Коломенский филиал ВЗПИ.–1989.–146 с.
4. Аккумуляторная система впрыскивания топлива Common Rail // Анализ технического уровня и тенденций развития двигателей внутреннего сгорания / Под ред. Р.И. Давтяна.–М.: Информцентр НИИД, 1998.–вып.25.– С.46–68.
5. Барсуков С.И., Муравьёв В.П., Бухвалов В.В. Топливоподающие системы дизелей с электронным управлением. Ч.1.– Омск: Зап.–Сиб. кн. изд–во, 1976.–142 с.
6. Аккумуляторные топливные системы с электроуправляемыми гидроприводными насос-форсунками / Хачиян А.С., Бойко С.В., Голубков Л.Н. и др. // Повышение эффективности автомобильных и тракторных двигателей: Тр./ МАДИ.–1995.–С.39–49.
7. Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей / Под общ. ред. Орлина А.С., Круглова М.Г.– М.: Машиностроение, 1985.– 456 с.
8. Данов Б.А., Титов Е.И. Электронное оборудование иностранных автомобилей: Системы управления двигателем. — М.: Транспорт, 1998.–76 с.
9. Система впрыска EPIC фирмы Lucas для дизельных автомобилей // Автомобильная промышленность США.– 1997.–N7.–С.18–23.
10. Лакин П. Фирма Lucas. Электронные системы впрыска топлива // Автомобильная промышленность.–1994.–N9.–С.37–39.
11. Электронно-компьютерное оборудование дизелей. Учебное пособие: ПГАСА, Институт непрерывного специального образования.–Днепропетровск, 2002.–59 с.
Лампа резкого нажатия на Сигнальные лампы
педаль акселератора неисправностей
Сигнал частоты оборотов
|
ТПН
Кадрирующий
переключатель сигнал нагрузки
для КПП
|
Датчики