Аккумуляторные топливные системы с электронным управлением «коммон рейл»

Качество распыливания дизельного топлива во многом предопределяет процесс его горения, а значит и образования токсичных компонентов в отработавших газах. Более качественного распыливания можно достигнуть при высоком давлении порядка 1600…2000 кгс/см². Однако стандартные системы топливоподачи не могут обеспечить подачу топлива к форсункам под таким давлением, поэтому в настоящее время более широкое распространение имеют топливные системы с электронным управлением – «коммон рейл», насос-форсунки и системы насос-форсунка-трубопровод.

Главной отличительной особенностью аккумуляторных топливных систем с электронным управлением «коммон рейл» является разделение узла создающего давление (ТНВД – аккумулятор) и узла впрыска (форсунки). Аккумуляторные топливные систе­мы применялись еще в 50-е годы на двигателях морских судов. Первым промышленным образцом аккумуляторной топливной систе­мы с электронным управлением без мультипликаторов давления, названный коммон рейл (Common Rail) (общий путь, т.е. общая для форсунок магистраль, аккумуля­тор), явилась совместная разработка фирм Robert Bosch GmbH, Fiat, Elasis. В настоящее время работы по применению систем «коммон рейл» ведутся практически во всех фирмах-производителях ТПА (R.Bosch, Lucas, Siemens, L'Orange). На серийных автомобилях с применением электронного управления они появи­лись в 1997 году. По сравнению с обычным дизелем система «коммон рейл» позволяет снизить расход топлива до 40% при уменьшении токсичности отработавших газов и снижении шумности при работе на 10 %.

 

На рис. 5.66 показана схема системы «коммон рейл».

 

Рис. 5.66. Схема системы питания дизельных двигателей «коммон рейл»:

1 – топливный бак; 2 – топливопроводы слива; 3 – ТНВД; 4 – регулятор давления; 5 – топливопровод высокого давления; 6 – топливоподкачивающий насос; 7 – фильтр; 8 – гидроаккумулятор; 9 – датчик давления; 10 – предохранительный клапан; 11 – электрогидравлическая форсунка; 12 – датчик педали акселератора; 13 – датчик частоты вращения и положения коленчатого вала; 14 – температурный датчик; 15 – блок управления

 

На рис. 5.67 показано расположение элементов системы питания «коммон рейл» на двигателе в развернутом виде.

Рис. 5.67. Развернутая схема системы питания дизельного двигателя «коммон рейл»:

1 ­– ТНВД; 2 – впускной электрический клапан; 3 – электрический клапан перепуска топлива на слив; 4 – гидроаккумулятор; 5 – датчик давления; 6 – реле свечи накаливания; 7 – электронный блок управления; 8 – датчик температуры топлива; 9 – аварийный ограничитель подачи топлива; 10 – предохранительный клапан; 11 – форсунка впрыска; 12 – свеча накаливания; 13 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 14 – датчик частоты вращения и положения коленчатого вала; 15 – датчик температуры воздуха; 16 – датчик давления воздуха; 17 – расходомер воздуха; 18 – турбокомпрессор; 19 – электромеханический преобразователь регулятора рециркуляции отработавших газов; 20 – электромеханический преобразователь регулятора наддува; 21 – компрессор: 22 – разъем для электронного тестера; 23 – сигнализатор самодиагностики; 24 – датчик кондиционера; 25 – компрессор кондиционера; 26 – датчик скорости; 27 – датчик и указатель скорости; 28 – датчики трансмиссии и др.; 29 – датчик педали акселератора; 30 – панель приборов; 31 – АКБ; 32 – топливный бак с электрическим топливоподкачивающим насосом; 33 – фильтр тонкой очистки.

 

Принцип работы системы заключается в следующем. С помощью топливоподкачивающего насоса 6 (рис. 5.66) топливо прокачивается через фильтр 7 с влагоотделителем и подается в радиально-плунжерный насос высокого давления 3, который с помощью эксцентрикового вала приводит в дви­жение три плунжера. В нем размещают также регулятор производительности и подкачивающий насос. От ТНВД топливо под давлением 1350…1800 кгс/см² поступает в гидроаккумулятор 8, откуда под высоким давлением поступает на электро или пьезогидравлические форсунки 11. Излишки топлива от форсунок и ТНВД сливаются в топливный бак 1 через топливопроводы слива 2. Блок управления 15, получая информацию по входным параметрам (с датчиков), задает значения выходных параметров используя заложенную программу (воздействует на исполнительные механизмы), что в целом необходимо для получения требуемых характеристик двигателя.

Количество топлива подаваемого в цилиндры двигателя через форсунки зависит от сигнала электронного блока управления 15, в зависимости от режима работы двигателя. В блок управления поступает информация от различных датчиков: температуры двигателя, температуры поступающего воздуха, датчика частоты вращения и положения коленчатого вала двигателя, датчика положения педали акселератора, датчика расходомера воздуха, датчика давления воздуха и др.

Давление в системе регулируется по сигналу блока управления с помощью регулятора 4. На холостом ходу оно минимальное, что снижает шум работы форсунок и ТНВД, а при разгоне максимальное для обеспечения лучшей приемистости.

Топливный насос высокого давления. ТНВД фирмы «Бош» показан на рис. 5.68.

 

Рис. 5.68. Радиально-плунжерный ТНВД фирмы «Бош»:

1 – эксцентриковый вал; 2 – кулачок; 3 – плунжер со втулкой; 4 – камера над плунжером; 5 – впускной клапан; 6 – электромагнитный клапан отключения плунжерной секции; 7 – выпускной клапан; 8 – уплотнения; 9 – штуцер магистрали, ведущей к аккумулятору высокого давления; 10 – клапан регулирования давления; 11 – шариковый клапан; 12 – магистраль обратного слива топлива; 13 – магистраль подачи топлива к ТНВД; 14 – предохранительный клапан с дроссельным отверстием; 15 – перепускной канал низкого давления; а – продольный разрез; б – поперечный разрез

 

Насос имеет компоновку в виде звездообразной схемы (радиально-плунжерный) и состоит из эксцентрикового приводного вала 1, трех плунжеров 3, расположенных под углом 120°, впускного трубопровода с предохранительным клапаном 14 и противодренажным отверстием, впускного клапана 5 с электромагнитом, выпускного шарикового клапана 7 и регулятора давления с клапаном 10. Применение насоса с тремя плунжерами, позволяет произвести три рабочих хода за один оборот при небольших затратах мощности на привод и обеспечивает равномерную подачу топлива.

При вращении вала 1, эксцентрик вала, набегая или сбегая передвигает толкатель вместе с плунжером 3. При движении плунжера вниз в надплунжерном пространстве создается разрежение и топливо через впускной топливопровод и открытый при этом впускной клапан 5 поступает в надплунжерное пространство. При движении плунжера вверх над ним создается высокое давление за счет относительно короткого хода плунжера и подбора его диаметра, впускной клапан при этом закрывается, а шариковый выпускной клапан 7 открывается и топливо поступает в гидроаккумулятор. Давление, производимое насосом не зависит от количества топлива подаваемого в цилиндры. Насос крепится на двигателе и приводится в действие с помощью зубчатой передачи, цепью или ременной передачей с максимальной частотой вращения 3000 об/мин. Смазка внутренних движущихся деталей насоса производится от поступающего топлива.

При превышении давлении в системе в электромагнит регулятора давления поступает соответствующий сигнал от блока управления и якорь электромагнита в зависимости от величины сигнала перемещается на определенную величину передвигает клапан регулирования давления 10, открывая необходимое сечение канала слива топлива.

Для обеспечения необходимой производительности насоса на различных режимах работы двигателя одна из секций насоса может выключаться с помощью электромагнитного клапана 6. Шток клапана по сигналу блока управления выдвигается и блокирует впускной клапан 5, поэтому при движении плунжера вверх давление над плунжером не возрастает и топливо в гидроаккумулятор не подается. Электромагнитный клапан может также дросселировать (изменять проходное сечение) прохождение топлива на входе. Дросселирование и выключение секций насоса необходимо для снижения затрат мощности, так как применение стравливания топлива с использованием регулятора давления приводит к непроизводительным потерям мощности. Фирма «Сименс» использует аналогичные насосы, но в них используются электромагнитный клапан позволяющий дросселировать прохождение топлива на входе в каждую секцию.

Топливоподкачивающие насосы. В качестве топливоподкачивающих насосов в системах «коммон рейл» и насос-форсунках применяются шестеренчатые с механическим приводом (внешнего зацепления), роторные (роликовые) насосы с автономным электроприводом и лопастного типа с отдельно расположенными лопатками. Топливоподкачивающие насосы могут быть объединены с ТНВД или устанавливаться отдельно, в том числе погруженных в топливный бак. Давление топлива подаваемого топливоподкачивающими насосами составляет 5…8 кгс/см². Принцип действия шестеренчатых насосов аналогичен насосам, устанавливаемым в системе смазки, роторных – устанавливаемых в системах впрыска бензиновых двигателей.

Конструкции и принцип действия топливоподкачивающих насосов рассмотрены выше в соответствующих разделах.

Форсунки. Общийвид форсунки системы «коммон рейл» фирмы «Бош» показан на рис. 5.69. Она состоит из электромагнита 11 и его якоря 10, маленького шарикового управляющего клапана 8, запорной иглы 2, распылителя 3, поршня управляющего клапана 5, подпружиненного штока 9. Шарик клапана прижимается к седлу с усилием пружины и электромагнита. Сила пружины рассчитана на давление до 100 кг/см², что значительно ниже давления в линии высокого давления (250…1800 кг/см²), поэтому только при приложении усилия электромагнита шариковый клапан не отойдет от седла, отделяя аккумулятор от линии слива. Игла распылителя форсунки в нерабочем состоянии прижимается к седлу пружиной распылителя – это предотвращает попадание воздуха в форсунку при пуске двигателя.

Рис. 5.69. Разрез электрогидравлической форсунки фирмы Бош:

1 – отводящий дроссель; 2 – игла; 3 – распылитель; 4 – пружина запирания иглы; 5 – поршень управляющего клапана; 6 – втулка поршня; 7 – подводящий дроссель; 8 – шариковый управляющий клапан; 9 – шток; 10 – якорь; 11 – электромагнит; 12 – пружина клапана

 

В отличие от бензиновых электромеханических фор­сунок, в форсунках «коммон рейл» электромагнит при давле­нии 1350 … 1800 кгс/см² не в состоянии поднять за­порную иглу, поэтому используется принцип гидроусиления (рис. 5.70). Позиции на рис. 5.70 соответствуют позициям разреза форсунки на рис.5.69.

 

Рис. 5.70. Принцип действия электрогидравлической форсунки:

а – форсунка в закрытом состоянии; b – форсунка в открытом состоянии; c – фаза закрытия форсунки

 

При создании давления в аккумуляторе, оно действует как на конусную поверхность иглы, так и на поршень управляющего клапана 5 (рис.5.70, а). Поскольку площадь рабочей поверхности поршня на 50% больше площади конусной поверхности иглы, игла распылителя продолжает прижиматься к седлу.

При подаче напряжения от блока управления на электромагнит 11, шток 9 якоря штока поднимается и открывается шариковый управляющий клапан 8 (рис. 5.70, b). Давление в камере управления 7 падает в результате открытия дроссельного отверстия и топливо пропускается из зоны над поршнем управляющего клапана в зону слива. Давление на поршень управляющего клапана падает, так как подводящее дроссельное отверстие управляющего клапана имеет меньшее сечение чем отводящее. Запорная игла 2 при этом под действием высокого давления в кармане распылителя 3 открывается. Количество подаваемого топлива зависит от времени подачи напряжения в электромагнит 11, а значит от времени открытия шарикового управляющего клапана 8. При прекращении подачи напряжения на электромагнит 11, якорь под действием пружины опускается вниз, при этом шариковый управляющий клапан закрывается, давление в камере управления восстанавливается через специальный жиклер (рис. 5.70, с). Под действием давления топлива на поршень управляющего клапана 5, имеющего диаметр больше диаметра иглы, последняя закрыватся.

На входе топлива в форсунку установлен аварийный ограничитель подачи топлива. Он предотвращает опорожнение ак­кумулятора через форсунку с зависшей иглой или клапаном управления, а также повреждение соответствующего цилиндра дизеля. В нем используется принцип возникновения разницы давлений по обе стороны от клапана 1 (рис. 5.71) при прохождении топлива через его жиклеры 2. Сечение жиклеров, за­тяжка пружины 3 и диаметр клапана подобраны по максимальной продолжительности и расходу, т.е. подаче топлива.

Рис. 5.71. Аварийный ограничитель подачи топлива через форсунку

В системах «коммон рейл» первых поколений общее количество горючей смеси, впрыскиваемой в цилиндр, разделялось на предварительное и основное. Однако более гармоничной является такая схема сгорания, когда во время одного рабочего такта горючая смесь будет разделена на возможно большее количество частей. До сих пор добиться этого было невозможно по причине инерционности традиционных форсунок с электромагнитным управлением.

Одним из путей совершенствования системы «коммон рейл» является увеличение быстродействия открытия форсунки. Минимальное время открытия форсунки для электромагнита с подвижным сердечником составляет 0,5 мс, что не позволяет оперативно изменять подачу топлива. Для более быстрого срабатывания форсунки в настоящее время применяется пьезокерамическая форсунка, ко­торая ра­ботает вчетверо быстрее.

Известно, что при подаче электрического напряжения на пьезокерамическую пластинку она на несколько микрон изменяет свою толщину.

Пьезоэлемент, являющийся исполнительным элементом форсунки, (рис. 5.72) представляет собой параллелепипед длиной 30…40 мм, состоящий из спеченных между собой 300 керамических пластинок (кристаллов), расширяющийся на 80 мкм всего за 0,1 мс, чего до­статочно, чтобы воздейство­вать на иглу форсунки с усили­ем 6300 Н. При этом для управ­ления пьезоэлементом используют напряжение бортовой сети автомобиля.

Рис. 5.72. Пьезоэлемент

Для усиления пьезоэффекта в керамику добавляют палладиум и цирконий. Пьезоэлемент потребляет энергию только при подаче напряжения и регенерирует ее при выключении напряжения, таким образом, являясь регенератором энергии.

Использование пьезоэлемента, кроме быстроты срабатывания, обеспечивает большую силу открытия клапана сброса давления над иглой форсунки и высокую точность хода для быстрого сброса давления подачи топлива.

Электрогидравлическая форсунка с пьезоэлементом показана на (рис. 5.73). Основными составляющими форсунки являются модуль исполнительного элемента, состоящего из пьезоэлектрического элемента и его составляющих, модуль плунжера, состоящего из поршней, амортизатора давления и пружины, клапан переключения, игла. Для окончательной очистки топлива применяется специальный стержневой фильтр.

 

 

Рис. 5.73. Разрез пьезоэлектрогидравличе­ской форсунки:

1 ­– патрубок рециркуляции; 2 – электрический разъем; 3 – стержневой фильтр; 4 – корпус форсунки; 5 – пьезоэлектричесий элемент; 6 – сопряженный поршень; 7 – поршень клапана; 8 – клапан переключения; 9 – игла форсунки; 10 – амортизатор давления

 

Увеличение длины модуля исполнительного элемента преобразуется модулем соединителя в гидравлическое давление и перемещение, воздействующие на клапан переключения. Модуль плунжера действует как гидравлический цилиндр. На него постоянно воздействует давление подачи топлива 10 кгс/ см² через редукционный клапан в обратной магистрали.

Топливо выполняет роль амортизатора давления между плунжером соединителя выпускного дросселя 8 и плунжером клапана 5 в модуле плунжера (рис.5.74). Из пустого закрытого инжектора (присутствует воздух) воздух удаляется при стартерном пуске двигателя (с частотой вращения стартера). Помимо этого, инжектор наполняется топливом, подаваемым погружным в топливном баке насосом, проходящим через управляемый обратный клапан против направления потока топлива.

Клапан переключения состоит из пластины клапана, плунжера клапана 5, пружины клапана и пластины дросселя 3. Топливо под давлением протекает через впускной дроссель 4 в пластине дросселя к игле форсунки и в камеру над иглой форсунки. Благодаря этому происходит выравнивание давления над и под иглой форсунки. Игла форсунки удерживается в закрытом положении силой пружины форсунки. При нажиме плунжера клапана 5 открывается канал выпускного дросселя и топливо под давлением вытекает через выпускной дроссель 8 большего размера, расположенный над иглой форсунки. Топливо под давлением поднимает иглу форсунки, в результате чего происходит впрыск. Благодаря быстрым командам на переключение пьезо-электрического элемента за один рабочий такт друг за другом производятся несколько впрысков.

 

Рис. 5.74 Принцип работы пьезофорсунки:

1 – игла форсунки; 2 – пружина форсунки; 3 – пластина дросселя; 4 - впускной дроссель; 5 – плунжер клапана; 6 – линия высокого давления; 7 – соединительный элемент; 8 – выпускной дроссель; а – форсунка закрыта; б - форсунка открыта

 

 

Из-за особенностей процесса сгорания, присущих дизельным двигателям с турбонаддувом, для уменьшения шума и снижения выброса оксидв азота в цилиндры двигателя перед впрыском основной дозы топлива подается небольшая капля топлива (1…2 мм³) «пилотный впрыск», которая плавно перетекает в распыление остальной части топлива. Предварительный впрыск позволяет топливу воспламеняться быстрее. Давление и температура при этом возрастают медленнее чем при обычном впрыске, что уменьшает «жесткость» работы двигателя и его шум с одновременным снижением выбросов окислов азота. Характер процесса двойного впрыска показан на рис 5.75.

Рис. 5.75. График процесса двойного впрыска и характер распыления топлива

 

При холодном двигателе и в режиме, приближенном к холостому ходу, происходит два предварительных впрыска. При увеличении нагрузки предварительные впрыски один за одним прекращаются, пока при полной нагрузке двигатель не перейдет в режим основного впрыска. Оба дополнительных впрыска необходимы для регенерации сажевого фильтра.

Благодаря тому, что пьезофорсунки имеют намного меньшее время срабатывания, чем традиционные электромагнитные, стало возможным разделение горючей смеси на несколько отдельных микродоз: после многократных предварительных впрыскиваний очень небольших количеств горючей смеси следуют либо основное впрыскивание, либо при необходимости многие так называемые «послевпрыскивания». Время между предварительным впрыскиванием и основным впрыскиванием составляет 100мс. Объем топлива, попадающего в цилиндр в момент каждого предварительного впрыскивания, составляет 1,5 мм³. Это делается для равномерного распределения давления в камере сгорания и, соответственно, уменьшения шума, создаваемого в процессе сгорания. Послевпрыскивания, в свою очередь, служат для снижения токсичности отработавших газов. Если в конце цикла сгорания произвести еще одно впрыскивание в цилиндр, то оставшиеся частицы сгорают лучше. Кроме того, в случае, когда во впускной системе установлен фильтр для улавливания несгоревших частиц, такая технология за счет высокой температуры способствует его очистке. Это особенно актуально для двигателей с большим рабочим объемом.

Более того, сейчас стало возможным использовать до семи тактов впрыска вместо трёх за один рабочий процесс. Благодаря этому появляются новые возможности для увеличения номинальной мощности двигателя и еще более точного контроля за составом отработавших газов.

Гидроаккумулятор. Назначение аккумулятора – накапливать необходимое количество топлива для обеспечения его потребления форсунками на всех режимах работы двигателя. Чтобы нагнетательные топливопроводы идущие к форсункам не были длинными, аккумулятор закрепляют на голове блока. Аккумулятор изготавливается в виде толстостенного трубопровода с внутренним диаметром 10 мм, наружным 18 мм, длиной 280… 600 мм, объемом 22…47 мл.

Регулятор давления. В системах «коммон рейл» применяется электроуправляемый клапанный регулятор давления, который должен обеспечивать точное поддержание заданного для дан­ного режима давления в аккумуляторе. Клапан может устанавливаться как в ТНВД позиция 10 (см. рис.5.68), так и на аккумуляторе. Давление в аккумуляторе поддерживается усилим пружины 4 (рис. 5.76), которая через шток 2 воздействует на шариковый клапан 1. Электромагнитом 3 создается дополнительное за­пирающее усилие.

 

Рис. 5.76. Электроуправляемый редукционный клапан

Изменением продолжительности периодического обесточивания клапана регулируется средний по времени расход топлива на слив и, следовательно давление в аккумуляторе. Регулятор давления в системах «коммон рейл» фирм «Бош» и «Сименс» является вторым ка­налом регулирования давления аккумулятора после блокирования впускного клапана ТНВД.

Предохранительный (редукционный) клапан 10 (рис.5.66) предназна­чен для стравливания топлива из аккумулятора при превышении давления выше допустимого. Он срабатывает при неисправном регуляторе давления. При превышении давления в аккумуляторе свыше допустимого клапан 2 (рис. 5.77), преодолевая усилие пружины 3 открываете сливную магистраль и давление в аккумуляторе уменьшается. Давление срабатывания клапана регулируется поворотом винта 4.

Рис. 5.77. Предохранительный клапан

Датчик давления топлива в аккумуляторе 9 (рис.5.66) служит для передачи сигнала давления топлива в блок управления. Он состоит из мембраны 2 (рис. 5.78) и электронной платы 1.

Рис. 5.78. Датчик давления в аккумуляторе

Мембрана 2 приварена к корпусу и снабжена по­лупроводниковым первичным преобразователем. Она может прогибаться до 1 мм при давлении 1500 кгс/см². Перемещение мембраны, зависящее от давления топлива, вызывает изменение сигнала регистрируемого в электронной плате и передаваемого в блок управления.