Грузавтоинфо. Грузовой автотранспорт в деталях.

«Сердцем» любого автомобиля, разумеется, является двигатель, но если следовать этой логике, следует признать, что работу «сердца» в самом двигателе лучше всего выполняет система впрыска топлива. О ней-то и пойдет разговор.



Сегодня ни у кого не возникает сомнения, что роль первой скрипки для повышения мощностных, экономических и экологических параметров в двигателях играют системы впрыска топлива. От их совершенства во многом зависит развитие мирового моторостроения. На современном коммерческом автотранспорте используются различные системы впрыска топлива. Система впрыска (или инжекторная система, от слова injection — впрыск), входящая в состав топливной системы, образует топливно-воздушную смесь за счет впрыска топлива. Сегодня в дизелестроении доминируют две основные системы впрыска: Сommon Rail (общая рампа) и с помощью насос-форсунок.

Система Сommon Rail

Работа системы впрыска Сommon Rail, разработанной специалистами фирмы Bosch, базируется на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления — топливной рампы. Применение этого устройства позволяет достигнуть снижения расхода топлива, токсичности отработавших газов, уровня шума дизеля.

В обычных системах питания для впрыска каждой порции топлива топливный насос высокого давления (ТНВД) должен повышать давление в соответствующем топливопроводе и форсунке.

Топливо постоянно находится под высоким давлением в общей для всех форсунок топливной магистрали (отсюда и название принципа работы Сommon Rail). Давление для двигателей различных фирм может несколько отличаться, но оно всегда превышает 1000 бар при различных режимах работы двигателя, то есть независимо от его оборотов и нагрузки при любой последовательности впрыска по цилиндрам.


Перспективный дизельный двигатель ММЗ Д-249Е4 с системой Common Rail

Система впрыска Common Rail конструктивно составляет контур высокого давления топливной системы дизельного двигателя и включает: топливный насос высокого давления; клапан дозирования топлива; регулятор давления топлива (контрольный клапан); топливную рампу; форсунки и топливопроводы.

Топливный насос высокого давления создает высокое давление впрыскиваемого топлива. Современные ТНВД являются устройствами плунжерного типа. Клапан дозирования топлива, конструктивно объединенный с ТНВД, регулирует количество топлива, подаваемого к топливному насосу высокого давления в зависимости от потребности двигателя. Регулятор давления топлива предназначен для управления давлением топлива в системе. Он устанавливается в топливной рампе. Последняя, как уже говорилось выше, служит для накопления топлива.

Электрогидравлические или пьезоэлектрические форсунки непосредственно осуществляют впрыск топлива в камеру сгорания двигателя. Впрыск топлива электромагнитной форсункой осуществляется за счет управления электромагнитным клапаном. Активным элементом пьезофорсунки являются пьезокристаллы, значительно повышающие скорость работы устройства.


Составные части системы впрыска Common-Rail

Управление работой Common Rail обеспечивает система управления двигателем, которая включает: датчики; блок управления двигателем; исполнительные механизмы систем двигателя. Исполнительными механизмами системы Common Rail являются: форсунки; клапан дозирования топлива; регулятор давления топлива.

На основании сигналов, поступающих от датчиков, блок управления двигателем определяет необходимое количество подаваемого топлива. В топливный насос высокого давления необходимое количество топлива подается за счет управления клапаном дозирования топлива.

В системе Common Rail реализуется многократный впрыск топлива в течение одного цикла работы двигателя. При этом различают предварительный, основной и дополнительный впрыск.

Высокое давление, под которым топливо подается в цилиндр, создается уже при самом малом числе оборотов коленвала. Благодаря ему, а также электронному управлению процессом впрыска достигается значительно лучшая подготовка смеси в цилиндрах, что приводит к уменьшению расхода топлива и снижению токсичности выхлопных газов.

В Common Rail электроника регулирует момент впрыска, количество впрыскиваемого топлива и сам закон его подачи. Именно этим и достигается оптимальный на каждом конкретном режиме работы дизеля результат.


Установка системы Common Rail на двигателе

Развитие системы впрыска Common Rail идет по пути увеличения давления впрыска: первое поколение — 140 МПа, с 1999 г.; второе поколение — 160 МПа, с 2001 г.; третье поколение — 180 МПа, с 2005 г.; четвертое поколение — 220 МПа, с 2009 г.

Борясь за экологические показатели, компания Bosch еще больше повысила давление впрыска в дизельных двигателях для коммерческих автомобилей. Теперь максимальное давление в системах впрыска – 250 МПа. Достигли этого при помощи электромагнитных форсунок, которые способны за один рабочий такт подавать до восьми порций топлива.

Система впрыска с помощью насос-форсунок

Система впрыска топлива высокого давления с помощью насос-форсунок также нашла применение в современных дизельных двигателях. В отличие от конкурирующей Common Rail, в данном устройстве функции создания высокого давления и впрыска топлива объединены в одном устройстве — насос-форсунке. Применение этого способа позволяет повысить мощность двигателя, снизить расход топлива, выбросы токсичных веществ, а также уровень шума.


Дизельный двигатель оснащенный системой впрыска топлива с насос-форсунками

В системе на каждый цилиндр двигателя приходится своя форсунка. Привод насос-форсунки осуществляется от распределительного вала, на котором имеются соответствующие кулачки. Свое усилие они передают с помощью коромысла непосредственно к насос-форсунке. Последняя конструктивно состоит из: плунжера, клапана управления, запорного поршня, обратного клапана, иглы распылителя.

Плунжер создает нужное давление топлива. Поступательное движение плунжера осуществляется за счет вращения кулачков распределительного вала, возвратное — за счет плунжерной пружины. Клапан управления контролирует впрыск топлива. В зависимости от привода существуют следующие виды клапанов: электромагнитный и пьезоэлектрический. Пьезоэлектрический клапан пришел на смену электромагнитному, поскольку обладает большим быстродействием.

Насос-форсунка работает следующим образом. Кулачок распределительного вала через коромысло перемещает плунжер вниз. Топливо перетекает по каналам форсунки. При закрытии клапана происходит отсечка топлива. Давление топлива начинает расти. При достижении давления 13 МПа игла распылителя, преодолевая усилие пружины, поднимается и происходит предварительный впрыск топлива, который прекращается при открытии клапана. Топливо переливается в питающую магистраль. Давление топлива снижается. В зависимости от режимов работы двигателя может осуществляться один или два предварительных впрыска топлива.



Основной впрыск производится при дальнейшем движении плунжера вниз. Клапан снова закрывается. Давление топлива начинает расти. При достижении давления 30 МПа, игла распылителя, преодолевая усилие пружины и давление топлива, поднимается и происходит основной впрыск топлива.

Насос-форсунка электромагнитного типа в силу своих конструктивных особенностей практически не способна изменить объем топлива для предварительного впрыска, он равняется приблизительно от 1 до 3 куб. мм. Насос-форсунка пьезоэлектрического типа стала «умнее» и в зависимости от требуемых условий может менять объем предварительного впрыска, правда, с одним только ограничением — минимальный объем может составлять не менее 0.5 куб мм.

Система HEUI

Американская компания Caterpillar на своих двигателях применяет систему впрыска топлива HEUI, название которой происходит от Hydraulically actuated Electroniсally controlled Unit Ingection, что можно перевести как «Устройство впрыска с гидроприводом и электронным управлением». Эта система представляет собой усовершенствованные насос-форсунки, которые управляются с помощью гидравлического привода, заменившего кулачковый вал. Основным рабочим телом в данном случае является масло, которое по специальному трубопроводу из системы смазки двигателя подается к насос-форсункам. Последние создают давление впрыска топлива, превышающее 210 МПа. Столь мощная энергетика позволяет добиться лучшего распыления топлива и его оптимального смешивания с воздухом, находящимся под давлением.


Дизельный двигатель Caterpillar С7 с электронно-гидравлической системой HEUI

Целый ряд мощных моделей транспортных дизелей Caterpillar, работающих в не благоприятных эксплуатационных условиях, оснащаются механической системой подачи топлива MEUI (Mechanically actuated Electroniсally controlled Unit Ingection), которая также включает электронно-управляемые насос-форсунки. Данное устройство, подобно HEUI, использует тот же принцип многократного (многоимпульсного) впрыска топлива, который обеспечивает плавное нарастание давления, высокую топливную экономичность и пониженную токсичность отработавших газов.


Дизель Caterpillar C15 с системой впрыска MEUI

Бесперебойная работа двигателей с использованием систем HEUI и MEUI обеспечивается за счет самой современной электроники. «Мозговым центом» стал процессор Cat ADEM, опирающийся на совершенное программное и аппаратное обеспечение, а также различные датчики, что позволяет контролировать функционирование всех систем, в немалой степени способствуя оптимизации технико-эксплуатационных характеристик.


Элементы электронно-гидравлической системы впрыска топлива HEUI


Электронно-гидравлическая система впрыска топлива HEUI

Главную контролирующую роль в данной системе берет на себя электронный блок управления, который отслеживает рабочие процессы с помощью многочисленных датчиков, размещенных в определенных точках двигателя. Использование данных устройств обеспечивает надежный запуск дизеля в морозную погоду, его способность выдерживать перегрузку на низких оборотах и отсутствие белого дыма в выхлопе. Кроме того, снижен уровень шума.

Насосный вопрос

Топливный насос высокого давления является одним из основных конструктивных элементов системы впрыска дизельного двигателя. Насос, выполняет, как правило, две основные функции: нагнетание под давлением определенного количества топлива; регулирование необходимого момента начала впрыскивания. С появлением аккумуляторных систем впрыска функция регулирования момента впрыска возложена на управляемые электроникой форсунки. Ведущими производителями топливных насосов высокого давления являются, в основном, зарубежные фирмы: Bosch, Lucas, Delphi, Denso, Zexel.


Рядный топливный насос высокого давления

В зависимости от конструкции имеются следующие виды топливных насосов высокого давления: рядный, распределительный и магистральный.

Рядный ТНВД имеет плунжерные пары по числу цилиндров. Плунжерные пары установлены в корпусе насоса, в котором выполнены каналы для подвода и отвода топлива. Движение плунжера осуществляется от кулачкового вала, который, в свою очередь, имеет привод от коленчатого вала двигателя. Плунжеры постоянно прижимаются к кулачкам с помощью пружин.

Распределительные топливные насосы высокого давления, в отличие от рядного ТНВД, имеют один или два плунжера, обслуживающих все цилиндры двигателя. Распределительные насосы обладают меньшей массой и габаритными размерами, а также обеспечивают большую равномерность подачи. С другой стороны, их отличает сравнительно низкая долговечность сопряженных деталей. Все это определяет область применения данных насосов, в основном, на двигателях легковых автомобилей.

Конструкции распределительных ТНВД могут иметь различный привод плунжера: торцевой кулачковый привод, внутренний кулачковый привод, внешний кулачковый привод. Предпочтительными в плане эксплуатации являются первые два типа привода плунжеров, так как в них отсутствуют силовые нагрузки от давления топлива на узлы приводного вала и, соответственно, выше долговечность.

Магистральный топливный насос высокого давления используется в аккумуляторной системе впрыска топлива Common Rail, где он выполняет функцию нагнетания топлива в топливную рампу. Эти насосы обеспечивают более высокое давление топлива (180 МПа и более). Конструктивно магистральный насос может иметь один, два или три плунжера. Привод плунжеров осуществляется с помощью кулачкового вала или кулачковой шайбы.