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 NO_х, 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

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

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

Кадрирующий

переключатель сигнал нагрузки

для КПП

Датчики