ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

1. В.В. ПЕРМЯКОВ ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ТЕМА 16. ТОПЛИВНЫЕ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛЕЙ.

2. ЛЕКЦИЯ 16.Часть 2Тема. Топливные системы дизелей 16.4 Топливные системы дизелей Топливные системы дизелей делятся на топливные системы непосредственного впрыскивания и аккумуляторные и могут иметь как механические устройства управления, так и электронные. Системы непосредственного впрыскивания делятся на системы разделенного типа, у которых секции насоса высокого давления и форсунки выполнены отдельно и соединяются топливопроводом высокого давления, и насос-форсунки. У насос-форсунок секция насоса и форсунка выполнены в одном узле и топливопровод высокого давления отсутствует. Системы разделенного типа могут иметь топливные насосы рядного и распределительного типов.

3. Схема топливной системы разделенного типа приведена на рис. 16.11. Рис. 16.11. Схема топливной системы разделенного типа (сплошной линией 15 и прерывистыми 11 и 13 показаны возможные схемы отвода избыточного топлива из насоса высокого давления): 1 – кран; 2 – приемный фильтр; 3 – сливной кран; 4 – заливная горловина; 5 – фильтр заливной горловины; 6 – форсунка; 7 – топливопровод высокого давления; 8 – насос высокого давления; 9 – фильтр тонкой очистки топлива; 10 – фильтр грубой очистки топлива; 11 – отвод на вход в фильтр грубой очистки; 12 – топливоподкачивающий насос; 13 – отвод на вход топливоподкачивающего насоса; 14 – топливный бак; 15 – отвод в бак

4. Топливо подается из бака 14 топливоподкачивающим насосом 12 через фильтры грубой 10 и тонкой 9 очистки в топливный насос высокого давления (ТНВД) 8 под давлением 0,05...0,15 МПа. Для удаления выделившегося воздуха топливо прокачивается через ТНВД и избыток топлива сливается в бак по топливопроводу 15, или по топливопроводам 11 или 13 в другие точки линии низкого давления (рис. 16.11). Агрегаты линии высокого давления, включающие в себя ТНВД 8, топливопровод высокого давления 7 и форсунку 6, обеспечивают дозирование и впрыскивание топлива в цилиндры дизеля под давлением 30…150 МПа.

5. На рис. 16.12 показана секция (ТНВД) рядного типа с механическим приводом плунжера и дозированием отсечкой. Рис. 16.12. Схемы работы (а…г) секции топливного насоса высокого давления

6. Стрелками показаны направления движения плунжера 3, нагнетательного клапана 5 и топлива в различные фазы работы секции. В начальный период подъема плунжера 3 во втулке 2 происходит вытеснение топлива из надплунжерной полости Vн в каналы низкого давления через впускное окно 1. После перекрытия торцом плунжера впускного окна начинается активный ход плунжера. Под действием давления топлива в полости Vн открывается нагнетательный клапан 5 и топливо подается в объем V'н штуцера 4 (рис. 16.12, б) и на входе в топливопровод высокого давления резко нарастает давление. Образовавшаяся волна давления перемещается по топливопроводу со скоростью звука в топливе и вызывает открытие запирающего устройства форсунки, начинается впрыскивание топлива.

7. Распыливающие отверстия форсунки имеют небольшое проходное сечение, поэтому от форсунки происходит частичное отражение энергии, и формируются обратные волны давления, которые перемещаются от форсунки к насосу. Отражаясь от насоса прямая волна вновь пойдет к форсунке, она может вторично открыть запирающее устройство форсунки, произойдет нежелательное подвпрыскивание топлива.

8. Как только отсечная кромка 8 откроет отсечное окно 7 (рис. 16.12, в), произойдет отсечка. Топливо перетекает в линию низкого давления; давление в надплунжерной полости быстро падает, и нагнетательный клапан под действием пружины движется вниз. Для предотвращения подвпрыскивания, нагнетательный клапан выполнен с разгрузочным пояском 9. При движении плунжера вниз происходит наполнение надплунжерной полости через впускное окно 1 (рис. 16.12, г). При этом нагнетательный клапан закрыт, что не позволяет топливу из линии высокого давления перетекать обратно в надплунжерную полость.

9.  Классификация ТНВД.По количеству плунжеров делятся на многоплунжерные (рядные), в которых на каждый цилиндр приходится один плунжер, и распределительного типа, где секция подает топливо в несколько цилиндров. По способу привода плунжера различают топливные насосы с жестким (механическим) приводом и с гибким (газовым, гидравлическим или пружинным) приводом.

10. По методам дозирования топлива. Насосы с регулированием цикловой подачи отсечкой и дросселированием на впуске. У топливных насосов с дросселированием на впуске цикловая подача регулируется изменением наполнения топливом надплунжерного объема. Распределительные насосы: плунжерные (чаще одноплунжерные) и роторные. По схеме привода плунжеров: с внешним цилиндрическим кулачковым профилем, с торцевым кулачковым профилем и с внутренним цилиндрическим профилем. Первые две схемы используют в плунжерных насосах, последнюю схему — в роторных.

11. ТНВД, использующиеся в аккумуляторных топливных системах, выполняются в двух вариантах: насосы с аккумулятором большой емкости, в которых топливо одним или несколькими плунжерами нагнетается в аккумулятор постоянного давления и из аккумулятора поступает к управляемым форсункам, и насосы с аккумуляторами малой емкости. В этом варианте насосов топливо поступает в аккумулятор в начале нагнетательного хода плунжера, затем после создания большого давления в аккумуляторе подается к форсункам. Аккумуляторные топливные системы в настоящее время находят все более широкое использование с электронным регулированием.

12.  Многоплунжерные ТНВД с механическим приводом и регулированием отсечкой. Рис. 16.13. Многоплунжерный топливный насос высокого давления

13. Плунжер 1 (рис. 16.13) топливного насоса совместно с толкателем 2 совершает возвратно-поступательное движение под воздействием кулачка 3, расположенного на валике топливного насоса, и пружины 4. Изменение цикловой подачи осуществляется путем перемещения рейки 5, которая с помощью зубчатой передачи и поворотной втулки 6 поворачивает плунжер вокруг его оси. При этом изменяются и фазы впрыскивания: момент начала подачи остается примерно постоянным, конец подачи наступает раньше или позже.

14. • ТНВД распределительного типа. Распределительный насос позволяет значительно (в 1,5...2 раза) уменьшить металлоемкость и габариты насос, поэтому большинство дизелей легковых автомобилей и тракторов малой мощности имеют эти насосы. Наибольшее распространение получили одноплунжерные насосы с торцовым кулачковым профилем. У таких насосов ось приводного вала совпадает с осью плунжера и плунжер вращается с той же угловой скоростью, что и приводной вал.

15. Рис. 16.14. Схема топливного насоса Bosch VE: 1 – насос; 2 – вал ТНВД; 3 – перепускной клапан низкого давления; 4 – грузы регулятора; 5 – штуцер с дросселем на выходе из насоса; 6 – системы рычагов; 7 – плунжер; 8 – нагнетательный клапан; 9 – дозирующая муфта; 10 – кулачковый диск; 11 – ролик; 12 – цапфа автомата опережения впрыска топлива; 13 – поршень автомата опережения впрыска топлива; 14 – клапан отсечки топлива

16. Топливоподкачивающий насос 1 (рис. 16.14) поддерживает в корпусе распределительного насоса давление от 0,2 до 0,8 МПа. Излишки топлива сливаются через жиклер, расположенный в верхней части корпуса. Плунжер 7 совершает вращательное и возвратно-поступательное движения с помощью приводного вала 2,четырех роликов 11 с закрепленными осями и движущейся заодно с плунжером кулачковой шайбой 10 имеющей четыре выступа. При набегании этих выступов на ролики кулачковая шайба и плунжер, преодолевая сопротивление пружины, перемещаются вправо и совершают ход нагнетания. Для дозирования подачи топлива используется дозатор, управляемый рычагом регулятора.

17. Рабочий цикл рассматриваемого насоса отличается от рассмотренного раннее не только тем, что один плунжер обслуживает четыре форсунки, но и тем, что отсутствует перепуск топлива через наполнительное окно. Наполнение надплунжерной полости 3 (рис. 16.15, а) происходит при движении плунжера к НМТ (влево) и при нахождении его в НМТ. Топливо через впускное окно 1 и выточку 2 в плунжере попадает в надплунжерную полость. Из рис. 16.15а видно, что один из нагнетательных каналов 6 в этот период через паз 5,выточку на плунжере и окно 4 соединен с полостью низкого давления. Вследствие вращательного движения плунжера при нахождении его в НМТ наполнительное окно постепенно перекрывается, и, начиная с НМТ, происходит активный ход плунжера (рис. 16.15, б). Топливо через центральный канал и распределительный паз 5 плунжера поступает в нагнетательный канал 6 и далее через нагнетательный клапан и топливопровод к форсунке. Заканчивается активный ход плунжера отсечкой топлива через радиальные каналы 7, ранее закрытые дозатором 8. Таким образом за 1/4 поворота вала привода насоса полностью завершается рабочий цикл подачи топлива в один из четырех цилиндров.

18. Изменение цикловой подачи осуществляется перемещением дозатора 8 вдоль оси плунжера с помощью управляющего рычага регулятора, расположенного в верхней части корпуса насоса. Рис. 16.15. Схема работы секции одноплунжерного распределительного насоса

19.  На автотракторных дизелях применяют закрытые форсунки с гидравлическим управлением. На рис. 16.16 приведена форсунка дизелей КамАЗ. Топливо из топливопровода поступает через штуцер 1 и защитный фильтр 2 по каналу 3 в корпус распылителя 10, в результате чего в распылителе повышается давление топлива. Под действием давления топлива игла 8, преодолевая силу пружины 5, поднимается и пропускает топливо к распыливающим отверстиям, через которые оно попадает в цилиндр дизеля. Снижение давления топлива в форсунке в период отсечки приводит к опусканию иглы под действием пружины и закрытию форсунки.

20. Рис. 16.16. Конструкция закрытой форсунки с пружинным запиранием: 1 – штуцер; 2 – защитный фильтр; 3, 14 – подводящий и отводящий топливные каналы; 4 – регулировочные шайбы; 5 – пружина; 6 – нижняя тарелка пружины; 7 – проставка; 8 – игла распылителя; 9 – стяжная гайка; 10 – корпус распылителя; 11, 12 – штифты;13 – корпус форсунки

21. На рис. 16.17, а показана конструкция закрытого многоструйного распылителя, состоящего из корпуса и иглы. Распылители с количеством отверстий от 1 до 10 и диаметром от 0,15 до 0,6 мм применяют на дизелях с неразделенными камерами. Фирма Bosch в пьезофорсунке для системы Common-Rail сделала шесть отверстий  120 мкм (0,12 мм) и планирует уменьшить  до 80 мкм. Распылители с уменьшенными каналами перед распыливающими отверстиями (1 на рис. 16.17, а) обеспечивают снижение выбросов углеводородов с ОГ. Рис. 16.17. Распылители закрытых форсунок: а – многоструйный; б - штифтовой

22. Штифтовой распылитель (рис. 16.17, б) имеет на конце иглы штифт, и топливо впрыскивается через кольцевую щель между отверстием в корпусе распылителя и штифтом. Они используются в дизелях с разделенными камерами сгорания. На рис. 16.18; 16.19 показаны более современные форсунки, основное отличие которых – увеличение быстродействие открытия и закрытия иглы. При подаче на электромагнит 1 напряжения открывается миниатюрный сливной шариковый клапан 2. Давление в камере управления 3 падает, и запорная игла 6 под действием высокого давления в кармане распылителя 7 открывается. Чем дольше она открыта, тем больше подача и мощность дизеля. При отключении электромагнита клапан 2 закрывается, давление в камере управления восстанавливается через жиклер 4. Мультипликатор 5 увеличенного диаметра быстро закрывает иглу.

23. Рис. 16.18. Электрогидравлическая форсунка 1 – электромагнит; 2 – шариковый клапан; 3 – камера управления; 4 – жиклер; 5 - мультипликатор

24. Рис. 16.19. Форсунка с двухступенчатым впрыском

25.  Насос-форсунки. Насос-форсунки нашли меньшее применение, несмотря на то что устранение топливопровода высокого давления и минимальный объем сжимаемого при впрыскивании топлива позволяют с помощью насос-форсунок получить высокие давления впрыскивания (до 200...240 МПа). Насос-форсунка с клапанным регулированием показана на рис. 16.20. Плунжер 3 движется под воздействием кулачка вниз, вытесняя топливо через дозирующий клапан 2 в полость низкого давления. Рис. 16.20. Насос-форсунка DDEC-II фирмы «Дейтройт Дизель Аллисон» с быстродействующим клапаном 1 – электромагнит; 2 – отсечной клапан 3 – плунжер; 4 – отсечной канал; 5 - распылитель Когда электромагнит 1 закрывает клапан 2 топливо устремляется в распылитель 5. При отключении электромагнита клапан открывается и через канал 4 отсекается подача. Момент включения электромагнита обуславливает опережение впрыска, момент выключения – величину подачи.

26. 16.5 Система Common-Rail Ужесточение законодательных экологических требований, предъявляемых к дизелям, заставило моторостроителей разработать новый тип топливоподачи - Common-Rail – систему впрыска XXI века. Первое поколение системы внедрено в 1997 году для дизелей легковых автомобилей с давлением впрыскивания 135 МПа. Серийное производство второго поколения системы было начато в 2000 году, с максимальным давлением впрыскивания 160 МПа и к октябрю 2002 г. Фирма Bosch выпустила 10 млн. систем второго поколения, в настоящее время выпускает примерно 4 млн. этих систем ежегодно, и также как фирмы Mercedes-Benz, BMW, Opel, Audi, Fiat и другие оснащают создаваемые ими автомобильные дизели топливной системой Common-Rail.

27. Разработку третьего поколения системы Common-Rail фирма Bosch завершила в мае 2003 г. Основное внимание при создании третьего поколения уделялось повышению эффективности впрыскивания при сохранении давлении впрыскивания на уровне 160 МПа. В обычных системах питания для впрыска порции топлива ТНВД должен повышать давление в соответствующем топливопроводе и форсунке. Поскольку производительность насоса зависит от частоты вращения коленчатого вала, результат в каждом отдельном случае получается далеко не оптимальным. Так же далека от идеальной и работа форсунки. Ее запорная игла открывается под действием ударной волны в топливной магистрали, а закрывается под действием пружины. В системе Common-Rail все иначе.

28. На рис. 16.21 приведена схема системы Common-Rail третьего поколения, разработка которой завершена в мае 2003 г. Рис. 16.21. Общая схема системы Common-Rail третьего поколения фирмы Bosch для 6-цилиндрового V-образного двигателя 1 - насос высокого давления с дозирующим устройством; 2 - аккумуляторы обоих блоков; 3 - клапан, регулирующий давление; 4 - датчик давления; 5 - форсунки; 6 - к другим датчикам; 7 - датчик педали управления; 8 - датчик частоты вращения коленчатого вала; 9 - датчик частоты вращения распределительного вала; 10 - блок управления; 11 - топливный насос низкого давления с электроприводом; 12 - топливный бак; 13 - топливный фильтр, совмещенный с сепаратором воды.

29. Насос низкого давления 11 подает топливо из бака 12 через фильтр в ТНВД, проходя дозирующее устройство, расположенное во втором насосе. Далее основная часть топлива с уже повышенным давлением поступает в аккумуляторы 2, другая, меньшая часть предназначена для охлаждения самого насоса и смазки его подшипников. ТНВД поддерживает в аккумуляторе постоянное давление, равное 160 МПа. Установленный во втором, более отдаленном аккумуляторе датчик 4 передает значения давление в блок управления 10. Регулируется давление клапаном 3, установленным в первом аккумуляторе, обеспечивая тем самым большее быстродействие системы. Форсунки с пьезоактюаторами также управляются электронной системой двигателя, при этом регулируются фазы и количество впрыскиваний, и объем топлива при каждом впрыскивании. Объем аккумулятора должен быть достаточно большим, чтобы предельно уменьшить колебания давления при впрыскивании топлива, с другой стороны, объем должен быть достаточно малым, чтобы гарантировать быстрое повышение давления при пуске двигателя.

30. 16.6 Форсунка с пьезоактюатором Принципиальная схема работы форсунки с пьезоактюатором показана на рис. 16.22. Рис. 16.22. Схема форсунки с пьезоактюатором 1 - зона низкого давления; 2 - зона управления; 3 - зона высокого давления; 4 - игла распылителя; 5 - сервоклапан; 6 - элемент связи; 7 - пьезоактюатор

31. Разработка форсунки осуществлялась таким образом, чтобы никакая механическая сила не могла воздействовать на иглу распылителя через зону управления. В результате перемеща­ющаяся масса иглы и возникающее при этом трение существенно уменьшены, что обеспечивает немедленную реакцию иглы распылителя на активацию пьезопривода. Время между началом активации и впрыскивания топлива составляет 150 мкс, а скорость перемещения иглы достигает 1,3 м/с. Это позволяет обеспечить за один цикл пятикратное впрыскивание топлива с двумя основными порциями (рис. 16.23). Минимальное количество впрыскиваемого топлива составляет величину, меньшую 1,0 мм3.

32. Рис. 16.23. Характеристика впрыскивания с новой форсункой

33. Основным управляющим элементом форсунки является сервоклапан 5. При неработающем двигателе сервоклапан нахо­дится в закрытом положении и, таким образом, области низкого и высокого давления полностью разделены, агидравлический элемент связи ликвидирует любой зазор, который может быть в форсунке, например, от температурного расширения, поэтому утечки топлива из зоны высокого давления в зону низкого исключаются. При подаче электрического тока к форсунке (активация пьезопривода) открывается сервоклапан, уменьшается давление, перемещается игла распылителя и осуществляется впрыскивание топлива, при закрытии сервоклапана и игла распылителя закрывается.

34. 16.7 Гидравлические системы впрыскивания с электронным управлением (HEUI и HEUI-B) В некоторых двигателях применяется топливная система с гидравлической насос-форсункой с электронным управлением HEUI (Hydraulic Electronic Unit Injection), разработанная фирмой Caterpillar совместно с фирмой Navistar. Подача топлива с системой HEUI обеспечивает получение улучшенной топливной экономичности, более низких выбросов вредных веществ, уменьшение появления белого дыма и шума, хороших пусковых свойств в широком диапазоне температур.

35. - топливо - масло - электроток Общая схема новой системы HEUI показана на рис. 16.24. Система состоит из четырех основных компонентов: Рис. 16.24. Схема топливной системы HEUI1 - масляный насос высокого давления; 2 - топливоподкачивающий насос; 3 - регулятор давления; 4 - электронный блок управления; 5 - аккумулятор масла; 6 - гидравлические форсунки; 7 - топливный бак; 8 – поддон двигателя; 9, 10 - масляный и топливный фильтры

36. - Электронный блок управления 4, получающий информацию от датчиков, расположенных в разных местах двигателя. - Масляный насос высокого давления 1, объемный, аксиально-плунжерный, с семью плунжерами. В него поступает масло из системы двигателя с давлением ~ 0,3 МПа, насос повышает это давление в зависимости от потребности до 4-23 МПа и подает масло через регулятор давления в масляный аккумулятор 5. Соединенный с ним топливный насос подает топливо к форсункам под давлением 0,4 МПа. - Регулятор устанавливает необходимое давление в насосе высокого давления и в масляном аккумуляторе. - Форсунки 6, подающие топливо в цилиндры двигателя.

37. На рис. 16.25 показана схема работы насос-форсунки HEUI, ее две стадии процесса впрыскивания: а - наполнение форсунки и б - непосредственное впрыскивание топлива в камеру сгорания. Управляемый соленоидом клапан может занимать два положения. При его крайне правом положении (б) открывается доступ масла под давлением из аккумулятора к верхней части плунжера и одновременно закрывается проход масла к сливному каналу масла в форсунке. Рис. 16.25, Топливоподающая форсунка системы HEUI 1 - пружина плунжера; 2 - плунжер; 3 - вход масла; 4 - клапан; 5 - вход топлива; 6 - шариковый клапан; 7 - сливной канал; 8 - соленоид

38. Плунжер под давлением масла перемещается вниз, при этом давление под плунжером, увеличенное в 5-6 раз, обеспечивает подъем иглы распылителя и хорошее впрыскивание топлива. Впрыскивание осуществляется до поступления от электрон­ного блока соответствующего сигнала, после чего клапан переме­щается влево, закрывает канал подачи масла и открывает проход для масла из форсунки к сливному каналу. Плунжер под воздействием пружины перемещается вверх, вытесняя масло, которое через сливной канал поступает в поддон двигателя.

39. При движении плунжера вверх одновременно происходит заполнение топливом полости под плунжером, через входное отверстие и шариковый обратный клапан. На рис. 16.26 показаны характеристики впрыскивания топлива с системой HEUI и обычной топливной системой. Такие параметры топливной системы, как давление и начало впрыскивания, а также величина цикловой подачи в системе HEUI, не зависят от частоты вращения, в то время как в системах с механическим или только с электронным впрыскиванием давление впрыскивания и величина цикловой подачи зависят от частоты вращения двигателя, а начало впрыскивания — от выбранного профиля кулачка. Рис. 16.26. Зависимость давления впрыскивания от частоты вращения двигателя: 1 - система HEUI; 2 - обычная топливная система

40. 16. 8 Механические системы впрыскивания с электронным управлением (MEUI и MEUI-B) Система MEUI (Mechanicall Electronic Unit Injection) впервые была применена на двигателях фирмы Caterpillar в 1986 г. Сейчас она стала применяться на многих двигателях фирмы. После 12 лет производства топливной системы MEUI фирма Caterpillar объявила о разработке топливной системы MEUI-B следующего поколения. Обе системы, как HEUI, так и MEUI, во многом одинаковы, отличие их состоит в основном в том, каким путем — гидрав­лическим или механическим осуществляется воздействие на плунжер форсунки, впрыскивающей топливо.

41. Система HEUI предназначена для двигателей с рабочим объемом цилиндра до 1,5 л, а системы MEUI и MEUI-B успешно применяются в двигателях с рабочим объемом цилиндра более 1,5 л. Система MEUI-B имеет механический привод плунжера и может обеспечить получение необходимого давления впрыскива­ния независимо от режима работы двигателя. Система MEUI-B также обеспечивает резкое окончание впрыскивания, получение высокого гидравлического к.п.д., гибкое управление раздельным впрыскиванием, электронное управление фазами впрыскивания, наклоном переднего и заднего фронтов характеристик впрыскивания, а также имеет большой потенциал в части повышения давления впрыскивания до 207 МПа.

42. Рис. 16.27. Количество впрыскиваний по полю нагрузочных характеристик VE — предварительное впрыскивание; НЕ - основное впрыскивание; NE — последующее впрыскивание

43. Контрольные вопросы • Каково давление впрыскивания в топливных системах дизелей? • Классификация ТНВД и их устройство. • Какие форсунки применяются в дизельных двигателях? • Принцип работы насос-форсунки? • В чем отличие системы Commo-Rail от обычных систем впрыска? • Принцип работы систем HEUI и HEUI-B. • Как изменяется количество впрыскиваний по полю нагрузочных характеристик?