Топливные системы дизелей с насос-форсунками.
К современным двигателям внутреннего сгорания (ДВС) предъявляются все более высокие требования. С одной стороны, они должны становиться все более мощными и менее шумными, и в то же время, с другой стороны, должны иметь высокую топливную экономичность и удовлетворять нормам по токсичности отработавших газов (ОГ). Особенно большие успехи, благодаря новейшим разработкам в области технологии топливных систем, в последние несколько лет были достигнуты в дизелестроении.

Среди наиболее значительных новаций в этой области следует назвать топливные системы с насос-форсунками (UIS). Эти топливные системы обеспечивают точное дозирование топлива индивидуально для каждого цилиндра, при очень высоком давлении впрыска и в точно установленный момент впрыска. В результате процесс сгорания оказывается значительно более эффективным, чем в случае обычных топливных систем. Это, в свою очередь, позволяет получить более высокую мощность, меньший расход топлива и более низкие уровни шума и содержание вредных выбросов в ОГ.

Насос-форсунки, объединяющие в одном блоке ТНВД и форсунку, устанавливаются в головке блока цилиндров, отдельно для каждого цилиндра, и приводятся в действие или непосредственно кулачком, или от распределительного вала через толкатель клапана.

По сравнению с рядными насосами и ТНВД распределительного типа из-за отсутствия трубопроводов линии высокого давления (ЛВД) насос-форсунки позволяют получить значительно более высокое давление впрыска (до 2050 бар). Столь высокие значения давления впрыска вместе с электронной системой управления, включающей в себя заложенные в память компьютера программируемые матрицы характеристик, в том числе данные по продолжительности процесса впрыска (величины цикловой подачи) означает возможность значительного снижения эмиссии вредных веществ с ОГ при улучшении формы кривой характеристики подачи топлива. Использование электронного управления в насос-форсунках позволяет включить дополнительные функции и увеличить число достоинств насос-форсунок.

Области применения

Топливные системы с насос-форсунками включают в себя одноплунжерные ТНВД с электронным управлением и используются в дизелях с непосредственным впрыском топлива. По сравнению с обычными топливными системами (с отсечными отверстиями) новые системы обеспечивают значительно большую гибкость в адаптации к конкретным двигателям.

Преимуществами указанных топливных систем являются:

– широкая область применения – в дизелях легковых и коммерческих автомобилей с цилиндровой мощностью до 30 кВт/цилиндр и в дизелях тяжелых грузовиков с цилиндровой мощностью до 80 кВт/цилиндр
– одноплунжерные ТНВД используются также в тепловозных и судовых двигателях с цилиндровой мощностью до 500 кВт/цилиндр.
– высокие, до 2050 бар, давления впрыска;
– регулирование угла опережения впрыска;
– возможность применения предварительного впрыска топлива.

Принцип работы

В топливных системах с насос-форсунками используется принцип дозирования топлива с помощью встроенных электромагнитных клапанов управления подачей. Момент подачи пускового сигнала на электромагнитный клапан, то есть момент его закрытия, означает начало подачи топлива. Продолжительность периода времени подачи пускового сигнала определяет величину цикловой подачи. Момент и продолжительность пускового сигнала определяются ЭБУ в соответствии с программируемыми матрицами характеристик, учитывающие режим работы двигателя и условия окружающей среды.

Среди прочих параметров, регистрируются следующие данные:

– частота вращения коленчатого вала;
– частота вращения распределительного вала;
– положение педали акселератора;
– давление воздуха на впуске;
– температура воздуха на впуске, охлаждающей жидкости и топлива;
– скорость движения автомобиля и др.

Эти данные регистрируются датчиками и обрабатываются в ЭБУ. Используя полученную информацию, ЭБУ применяет управление без обратной или с обратной связью автомобилем и, в частности, двигателем, как это необходимо для достижения оптимальных характеристик работы транспортного средства.

Основные функции

Основные функции топливных систем заключаются в управлении процессом впрыска топлива для обеспечения требуемой цикловой подачи в требуемый момент времени и при максимальном давлении впрыска. Выполнение этих условий обеспечивает высокую топливную экономичность дизеля, бесшумную работу и низкую токсичность вредных выбросов с ОГ.

Повышение интереса к насос-форсункам в последние годы было обусловлено наиболее полным соответствием двум важнейшим тенденциям совершенствования ТПА при максимальной простоте конструкции: интенсификации впрыскивания и введению электронного управления. Давно известны достоинства насос-форсунок: повышение давления впрыскивания за счет минимизации объемов сжимаемого топлива, отсутствие подвпрыскивания, уменьшение номенклатуры деталей, резкая отсечка подачи, меньшее закоксовывание и больший ресурс распылителя, меньшие затраты мощности, отсутст¬вие необходимости в нагнетательном клапане, снижение запаздывания впрыскивания относительно нагнетания плунжера, что уменьшает разброс УОВТ по частотам вращения и уменьшает требуемый диапазон его регулирования.

Насос-форсунки обеспечивают относительно более пологий передний фронт подачи, что соответствует экологическим требованиям. Более пологий передний фронт и более резкий задний способствуют снижению жесткости сгорания, шумности, выбросов NOx, получению крупных капель в конце впрыскивания, снижению сажеобразования.

Сегодня насос-форсунки используются в дизелях с диаметром цилиндра 67…300 мм. В дизелях FOCS Lamborgini они представляют Г – образную конструкцию с перпендикулярными осями насосной секции и распылителя. Электроуправляемыми насос-форсунками снабжены быстроходные дизели Caterpillar, Cummins, Detroit Diesel, Volkswagen, MAN, Scania и др. В последних в 2006 было достигнуто рекордное давление впрыскивания – 250 МПа.

Ограничивали применение насос-форсунок недостатки: усложненные условия компоновки головки, увеличенный диаметр форсуночной части, большее снижение давления впрыскивания на частичных режимах работы, усложненные и менее точные условия регулировки равномерности подачи по цилиндрам, усложнение привода реек и специального привода автоматического регулятора, зачастую отсутствие специально приспособленных для насос-форсунок испытательных топливных стендов.
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 УОВТ, а поэтому, повысились экономичность, надежность пуска, снизилась эмиссия ВВ. Дорогие топливные стенды начали комплектовать специальных оборудованием. Насос-форсунки будут использоваться в и будущем.

Синоним насос-форсунки – топливная система неразделенного типа (не разделена нагнетательным топливопроводом). В едином корпусе размещается ТНВД и форсунка, и этот узел устанавливается в головке цилиндров на месте форсунки.

Насос-форсунки применялись на дизелях всегда, но отношение к ним менялось не раз. Насос-форсунка АР-21 для двухтактного дизеля ЯМЗ-204 была скопирована вместе с самим дизелем General Motors и выпускалась Ленинградским карбюраторным заводом. Несмотря на более чем 60-летний возраст, она обеспечивала вполне современное Рвпр=132 МПа и выше. Клапан давления (АР0Ткр=5 МПа) продублирован обратным клапаном. И все же этого оказалось недостаточно, поэтому фирма General Motors изменила конструкцию, использовав запорную иглу. В России этот дизель и ТПА с конца 80-х годов производятся в малых объемах для армейских дизель-генераторов.

В насос-форсунке для высокооборотного дизеля ГАЗ-560, производящегося по лицензии австрийской фирмы Steyr представлен обычный набор элементов ТНВД и форсунки (имеется игла, но отсутствует нагнетательный клапан). Дополнительный клапан с жиклером обеспечивает до выхода на упор обеспечивает догружение надыгольной полости, а после – не препятствует развитию процесса. В результате передний фронт характеристики подачи немонотонный, ступенчатый, что соответствует задачам снижения шума и выбросов NOx.

В судовой конструкции дизеля Д42 имеется весь привычный набор элементов. В насос-форсунке General Motors процесс подачи управляется импульсным гидродогружением иглы от плунжерной полости с помощью дополнительных кромок плунжера и окон втулки. Еще менее традиционный процесс реализует насос-форсунка фирмы Cummins. В ней плунжер, являющейся одновременно и иглой, впрыскивает газотопливную эмульсию (ныне фирма перешла на электроуправляемые насос-форсунки, описываемые ниже). Эти конструкции описаны в [9], но их практическое значение утрачивается.

Насос-форсунки с электронным управлением. Электронный регулятор, изменяющий положение рейки управления цикловой подачи, применяемый на дизелях ГАЗ-560, является первой ступенью электронного управления. Все современные насос-форсунки имеют близкую конструктивную схему и клапанное управление цикловой подачей и УОВТ.

Насос-форсунки фирмы Detroit Diesel Allison (отделения General Motors). Система DDEC-II (Detroit Diesel Electronic Control) для тяжелых грузовых автомобилей начала производиться с 1985 г. Именно она стала первой серийной в классе ТА с электроклапанным управлением. Свыше 4,8 миллионов таких насос-форсунок служит на транспортных дизелях, в том числе военного назначения.

Наполнение плунжерной полости осуществляется также через клапан. Отсутствие разрежения при наполнении и короткие нагнетательные каналы позволяют обойтись без нагнетательного клапана. Управляющий клапан имеет собственную частоту 10 кГц. Этого оказывается достаточно для организации двухфазного впрыскивания. Несколько насос-форсунок с управляющими клапанами могут быть выключены из работы. Метод электрического отключения насос-форсунок при диагностике дизеля позволяет быстро выявить неисправную.
СУ получает информацию от датчиков температуры масла, топлива, охлаждающей жидкости и воздуха на впуске; от датчиков давления наддува и масла; положения коленчатого вала; положения дросселя. В зависимости от типа энергоустановки применяются другие 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, является частотно-модулированным. Электронный блок использует однокристальный микропроцессор Motorola, работоспособный при 125°С.

На каждом рабочем режиме СУ функционирует по заложенным алгоритмам и логическим условиям. Например, когда оператор включает стартер, то СУ препятствует впрыскиванию, если частота вращения вала недостаточна. Это предотвращает белый дым и переохлаждение цилиндров топливом. СУ изменяет УОВТ 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 КС легковых автомобилей, автобусов, внедорожников, грузовиков (рис. 1.83). Первоначально типоразмерный ряд насос-форсунок обеспечивал максимальные подачи 50, 100, 150 и 200 мм3/цикл. Сейчас возможности такой ТА выше. Она применяется, в частности, на дизелях Volvo, John Deer, Detroit Diesel. Такая ТА может приводиться от верхнего или нижнего распределительных валов, может устанавливаться в головке с 2 или 4 клапанами.
Система обеспечивает с помощью быстродействующего клапана (с уплотнением по торцу) гибкое управление подачей и УОВТ, в том числе на переходных режимах. СУ снабжена датчиками частоты вращения и положения вала, температуры и давления воздуха, температуры охлаждающей жидкости. СУ связана с другими системами автомобиля, что обеспечивает возможность всесторонней диагностики. Дизели с такими насос-форсунками отличаются низкой эмиссией ВВ и шумностью работы.
Уже в образцах 1983 г. обеспечивалась запальная доза двухфазного впрыскивания продолжительностью до 8 % от общей за 0,5 мс. Организация двухфазного впрыскивания организована в последних моделях насос-форсунки с помощью плунжера гидродогружения запирания иглы.

Фирма R.Bosch выпускает насос-форсунки с электроуправлением двух типов: для грузовиков и легковых автомобилей.