Разновидности дизельных систем впрыска. Устройство и принцип действия.

Разновидности дизельных систем впрыска. Устройство и принцип действия.

Дизельные двигатели отличаются высокой экономичностью. Начиная с момента создания первого серийного ТНВД фирмы Bosch 1927 г., системы впрыска постоянно совершенствуются.

Дизели выпускаются в различных модификациях (рис. 1 и табл. 1), в числе которых:

• силовые агрегаты для мобильных дизель генераторов (до 10 кВт/цилиндр);

• быстроходные дизели для легковых и легких грузовых автомобилей (до50 кВт/цилиндр);

• дизели для строительных, сельскохозяйственных и лесотехнических машин (до 50 кВт/цилиндр);

• дизели для тяжелых грузовых автомобилей, автобусов и тягачей (до 80кВт /цилиндр);

• стационарные дизели, например для аварийных систем электроснабжения (до 160 кВт/цилиндр);

• дизели для тепловозов и судов (до1000 кВт/цилиндр).

boschdiesel 75

Рис.1

М, MW, А, Р, H, ZWM, CW - рядные ТНВД. Различающиеся размерами и производительностью PF -система индивидуальных механических ТНВД VE - распределительные ТНВД с аксиальным движением плунжера VR - распределительные ТНВД с радиальным движением плунжеровUIS - система насос форсунок UPS система индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном CR аккумуляторная система Common Rail.

Требования

Большие ограничения по уровню эмиссии ОГ и уровню шума работы, наряду с обеспечением более низкого расхода топлива, постоянно формируют новые требования к системе впрыска дизельных двигателей.

Принципиально система впрыска должна обеспечивать хорошее смесеобразование в соответствии с заданным процессом сгорания топлива (непосредственный впрыск или разделенные камеры сгорания) и работу с высоким давлением (в настоящее время — от 350 до 2050 бар) в камере сгорания дизеля, а также дозировать при этом подачу топлива с максимальной точностью. Регулирование нагрузки и частоты вращения коленчатого вала дизеля производится изменением величины цикловой подачи топлива без дросселирования подаваемого воздуха.

Механические регуляторы частоты вращения коленчатого вала в системах впрыска для дизелей все более вытесняются электронными системами регулирования. Новые дизели легковых и грузовых автомобилей комплектуются исключительно такими системами.


boschdiesel 76

 

Таблица 1

1 Двигатели для стационарных агрегатов. строительных и сельскохозяйственных машин" Возможно большее число цилиндров при наличии двух блоков управления. 3,1 б цилиндров с момента введения системы управления EDC 16.31 Предварительное впрыскивание до 90° угла поворота коленчатого вала до ВМТ возможно дополнительное впрыскивание «| До 5500 мин 1 при эксплуатации 51 Предварительное впрыскивание до 90° угла поворота коленчатого вала до ВМТ дополнительное впрыскивание до 210° угла поворота коленчатого вала после ВМТ.*•' Предварительное впрыскивание до 30° угла поворота коленчатого вала до ВМТ. Возможно дополнительное впрыскивание. Т|  Электрогидравлическая установка момента впрыскивания с использованием электромагнитного клапана. • Этот тип ТНВД в новых разработка» не используется.


 

Типы конструкций

Задача системы впрыска для дизелей состоит в том, чтобы подавать топливо под высоким давлением в камеру сгорания цилиндра в нужном количестве и в нужный момент.

Форсунки в зависимости от используемого процесса впрыскивания устанавливаются в основную или дополнительную камеру сгорания. Если форсунки механические, то они открываются при определенной величине давления топлива, единой для всей системы впрыска. Закрытие форсунок происходит при падении давления топлива. Основное различие между системами впрыска состоит в механизме создания высокого давления. Из-за последнего все компоненты системы должны быть прецизионно изготовлены из высокопрочных материалов и точно подогнаны друг к другу. Реализация концепции электронного регулирования позволяет осуществлять различные дополнительные функции (например, активное демпфирование толчков, регулирование плавности хода и скорости движения автомобиля, а также давления наддува).

Рядные ТНВД

Стандартные рядные ТНВД типа РЕ

Рядные ТНВД (рис. 1) комплектуются плунжерными парами, состоящими из плунжера 4 и гильзы 1, по числу цилиндров двигателя. Плунжер смешается в направлении подачи (вверх на рис. 1) встроенным в ТНВД кулачковым валом 7, приводимым от двигателя. Возвратная пружина 5 отжимает плунжер назад. Отдельные секции таких ТНВД располагаются, как правило, в ряд (поэтому насос и носит название «рядный»). Когда верхний торец плунжера придвижении вверх перекрывает впускное окно 2, давление начинает повышаться. Этот момент называется началом нагнетания. Плунжер продолжает двигаться вверх, создавая избыточное давление, под действием которого подвижная игла в форсунке открывает отверстие распылителя и топливо впрыскивается в камеру сгорания. Когда регулирующая кромка 3 спиральной канавки плунжера открывает впускное окно, куда топливо через канавку может перетекать обратно, давление сбрасывается. Игла распылителя форсунки перекрывает отверстие, и впрыскивание заканчивается. Ход плунжера между закрытием и открытием впускного окна называется активным ходом (параметр X на рис. 1 и 2). I Сложение регулирующей кромки плунжера относительно впускного окна меняется поворотом 6 плунжера вокруг своей оси рейкой ТНВД. Таким образом, изменяется величина активного хода, что позволяет регулировать величину цикловой подачи. Рейка управляется механическим центробежным регулятором или электрическим приводом.

boschdiesel 77

Рис.1

а - Стандартный рядный ТНВД типа РЕ b - рядный ТНВД с дополнительной втулкой

1. Гильза плунжера 2. Впускное окно 3. Регулирующая кромка плунжера 4. Плунжер 5. Возвратная пружина плунжера 6. Траектория поворотов плунжера вокруг оси рейкой (установка цикловой годами) 7. Кулачковый вал привода плунжеров 8. Дополнительная втулка 9. Изменение хода плунжера до закрытия впускного окна за счет перемещения регулирующей втулки 10.Подача топлива к форсунке X - активный ход плунжера

Рядные ТНВД с дополнительной втулкой

Эти топливные насосы отличаются от обычных дополнительной втулкой 8 (рис.1 Ь), подвижно размещенной на плунжере. Изменяя ее расположение (и соответственно меняя положение впускного окна) с помощью исполнительного механизма, можно обеспечить «предход» — изменять ход 9 плунжера до закрытии впускного окна Этим достигается возможность регулирования момента начала впрыскивания независимо от частоты вращения коленчатого вала, т. е. ТНВД данного типа имеет по сравнению со стандартным рядным насосом серии РЕ дополнительную степень свободы.

Распределительные ТНВД

boschdiesel 78

Рис. 2

1 Траектория поворотов роликового кольца 2. Ролик 3. Кулачковая шайба 4. Аксиальный плунжер распределитель 5. Регулирующая втулка 6. Камера высокого давления 7. Подача топлива к форсунке 8. Распределительный паз X  активный ход плунжера


Распределительные ТНВД оснащаются единым нагнетающим элементом высокого давления для всех цилиндров (рис. 2 и 3). Шиберный топливоподкачивающий насос нагнетает топливо в камеру 6 высокого давления, которое создается с помощью аксиального плунжера 4 (рис. 2) или нескольких радиальных плунжеров 4 (рис. З). Вращающийся центральный плунжер распределитель открывает и закрывает распределительные отверстия, направляя топливо через распределительный паз 8 к отдельным форсункам двигателя. Продолжительность впрыскивания может изменяться перемещением регулирующей втулки 5 (рис. 2) или с помощью электромагнитного клапана 5 высокого давления (рис. 3).

Распределительные ТНВД с аксиальным движением плунжера (аксиальные насосы)

Кулачковая шайба 3 (рис. 2), жестко соединенная с плунжером распределителем, приводится во вращение от двигателя Число кулачков, выполненных в виде выступов на рабочей поверхности шайбы, соответствует числу цилиндров двигателя. Шайба обкатывается по роликам 2,при наезде на которые кулачки приводят вращающийся плунжер распределитель в дополнительное возвратно поступательное движение. По мере вращения приводного вала плунжер распределитель совершает столько ходов, сколько требуется по числу цилиндров двигателя. В аксиальных ТНВД с механическим центробежным регулятором или исполнительным механизмом, управляемым электроникой, величины активного хода плунжера и цикловой подачи определяет положение регулирующей втулки 5 (рис. 2). Установка момента начала впрыскивания происходит поворотом роликового кольца на необходимый угол 1 (рис. 2).

Распределительные ТНВД с радиальным движением плунжеров (роторные насосы)

Насос с радиальными плунжерами также снабжен кулачковой шайбой 3, только, в отличие от аксиальных ТНВД, не торцевой, а кольцевой (рис. 3). Кроме того, имеется от двух до четырех радиальных плунжеров 4, создающих высокое давление топлива. С помощью таких ТНВД могут достигаться более высокие значения давления впрыскивания, чем у аксиальных ТНВД. Они отличаются к тому же более высокой механической прочностью.

Регулировка момента впрыскивания может осуществляться сдвигом кулачковой шайбы. Момент начала впрыскивания и продолжительность впрыскивания у этих ТНВД регулируется исключительно электромагнитным клапаном.

boschdiesel 79

Рис.3

1 Регулировка момента впрыскивания сдвигом кулачковой шайбы 2. Ролик 3. Кулачковая шайба 4. Радиальный плунжер 5. Электромагнитный клапан высокого давления 6. Камера высокого давления 7. Подача топлива к форсунке 8. Распределительный паз


Распределительные ТНВД, регулируемые электромагнитным клапаном

В таких ТНВД дозирование цикловой подачи, равно как и изменение момента начала впрыскивания, происходит с помощью электромагнитного клапана высокого давления, оснащенного системой электронного регулирования. Один или два электронных блока этой системы (для ТНВД и двигателя) в нужный момент выдают управляющие и распределительные сигналы. Если электромагнитный клапан закрыт, давление в камере 6 высокого давления нарастает. Если он открыт, давление не увеличивается и топливо не попадает в магистрали, ведущие к форсункам.

Система индивидуальных ТНВД

Индивидуальные ТНВД серии PF

Индивидуальные ТНВД серии PF, каждый из которых рассчитан на работу с одной форсункой, изначально применялись для двигателей судов, тепловозов, строительных машин, а также малых моторов. Они используются, кроме того, при эксплуатации дизелей на вязких видах дизельного топлива.

Рабочий процесс аналогичен происходящему в рядных ТНВД типа РЕ. Индивидуальные насосы — как все одноцилиндровые системы — не имеют собственного кулачкового вала. Их приводные кулачки расположены на распределительном валу механизма газораспределения дизеля.

У больших двигателей гидромеханический или электронный регулятор частоты вращения коленчатого вала расположен непосредственно на картере.

Величина цикловой подачи, определяемая регулятором частоты вращения, устанавливается с помощью рейки, единой для нескольких ТНВД.

Из-за прямой связи плунжера с кулачковым валом установка момента начала впрыскивания простым поворотом вала невозможна. Здесь перестановка угла в пределах нескольких градусов поворота достигается установкой промежуточного элемента. Возможно также управление при помощи электромагнитного клапана.

Насос форсунки (система UIS)

В насос форсунке системы UIS (UIS —Unit Injector System) ТНВД и форсунка объединены в единый агрегат (рис. 4). Насос форсунка устанавливается на каждый цилиндр двигателя. Она приводится в действие от кулачка распределительного вала двигателя непосредственно толкателем или через коромысло. Так как здесь отсутствуют магистрали высокого давления, то в форсунке могут быть достигнуты существенно более высокие (до 2050 бар) величины давления впрыскивания, чем в рядных или распределительных ТНВД. Протекание впрыскивания регулируется электромагнитным клапаном 3 высокого давления.

boschdiesel 80

Рис.4

1. Кулачок привода ТНВД 2. Плунжер 3. Электромагнитный клапан высокого давления 4. Распылитель форсунки

Система индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном (UPS)

Система индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном UPS (UPS — Unit Pump System) в принципе работает так же, как и предыдущая (рис. 5). Отличие заключается в том, что форсунка и насос не являются единым агрегатом — их соединяет короткая магистраль 3 высокого давления. Это разделение элементов упрощает конструкцию и ее монтаж на двигателе. На каждый цилиндр приходится по форсунке, трубопроводу и насосной секции. Каждый плунжер приводится от кулачка 6распределительного вала двигателя.

Как и у насос форсунок, начало и продолжительность впрыскивания регулируются электроникой через быстродействующий электромагнитный клапан 4 высокого давления.

boschdiesel 81

Рис. 5

1. Распылитель форсунки 2. Форсунка 3. Магистраль высокого давления 4. Электромагнитный клапан высокого давления 5. Плунжер 6. Кулачок привода ТНВД

Система Common Rail

В аккумуляторной системе впрыска Common Rail (иногда обозначается как CR) функции создания высокого давления и впрыскивания разделены (рис. 6). Давление впрыскивания создается и регулируется автономным ТНВД 1 независимо от частоты вращения коленчатого вала и величины цикловой подачи. Оно поддерживаете я в топливном аккумуляторе 2 давления для последующего впрыскивания.

Эта система предоставляет гораздо большие возможности для варьирования параметров впрыскивания топлива, чем предыдущие.

В каждый цилиндр двигателя устанавливается форсунка. Впрыскивание топлива осуществляется открытием и закрытием электромагнитного клапана 3высокого давления. Момент впрыскивания и цикловая подача регулируются электронным блоком управления.

boschdiesel 82

Рис. 6

1. Автономный ТНВД 2. Аккумулятор давления 3. Электромагнитный клапан высокого давления 4. Форсунка 5. Распылитель форсунки

boschdiesel 83

Рис.7

1. Насос форсунка Р 1(для легковых автомобилей) 2. Автономный ТНВД CR3 системы Common Rail (для грузовых автомобилей)3. Аккумулятор давления системы Common Rail с форсунками (для грузовых автомобилей) 4. Распределительный ТНВД серии VP30 (для легковых автомобилей) 5. Рядный ТНВД серии RP39 с дополнительной втулкой (для грузовых автомобилей)


 

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ВПРЫСКА

Развитие систем впрыска топлива для дизельных двигателей началось на фирме Bosch в конце 1922 г. Технические предпосылки для этого были благоприятными: проводились испытания различных двигателей, развивалась производственная база, вдобавок накопился богатый опыт, полученный при создании масляных насосов. Конечно, специалисты фирмы Bosch весьма рисковали, поскольку ряд задач еще ждал своего решения. Первые серийные ТНВД фирмы Bosch появились в 1927 г. Точность их изготовления для того времени была уникальной. Они были малогабаритными, легкими и позволяли дизелю работать с большими нагрузками. Такие рядные ТНВД стали устанавливаться с 1932 г. на грузовых. а с 1936 г. — на легковых автомобилях. С этого времени развитие дизелей и систем впрыска пошло невиданными темпами. В 1962 г. созданные фирмой Bosch распределительные ТНВД с автоматическим регулированием параметров впрыскивания дали развитию дизелей новый импульс. Более чем через два десятилетия в результате долгой исследовательской работы пошел в серийное производство электронный регулятор, также созданный специалистами фирмы Bosch. Приоритетными направлениями исследовательских работ в настоящее время являются точное дозирование минимальных цикловых подач топлива и повышение давления впрыскивания. Это привело к появлению многих новинок в конструкции систем впрыска топлива (см. рис. 1).Новые системы впрыска позволяют дополнительно поднять потенциал дизелей. В результате наблюдается постоянное повышение мощности при одновременном снижении уровней шума и эмиссии ОГ.

boschdiesel 84










Давление впрыскивания дизельной форсунки

Давление впрыскивания

При впрыскивании потенциальная энергия давления топлива превращается в кинетическую энергию его струи. Высокое давление приводит к большой скорости выхода топлива из отверстия форсунки. Распыливание топлива происходит из- за импульсного смешения турбулентной струи топлива с воздухом в камере сгорания. Чем выше относительная скорость между впрыскиваемым топливом и воздухом, а также плотность воздуха в камере сгорания, тем тоньше распыливается топливо. Специальным подбором параметров можно добиться того, чтобы давление в магистрали у форсунки (оно же давление впрыскивания) было выше, чем у ТНВД.

boschdiesel 73

 

Рис. 11

 

Двигатель с системой непосредственного впрыска топлива, частота вращения коленчатого вала 1200 мин среднее давление 16.2 бар  р -  давление впрыскивания а - момент начала впрыскивания после ВМТ nopшня по углу поворота коленчатого вала SZ -  число почернения по методике Bosch 


Двигатели с непосредственным впрыском топлива

У дизелей с непосредственным впрыском топлива скорость воздуха в камере сгорания сравнительно мала — в соответствии с законом сохранения энергии впускаемого воздуха при его тангенциальном поступлении в цилиндр (вихревой эффект). Лишь при движении поршня до ВМТ скорость вихря увеличивается.

При непосредственном впрыскивании топливо подается в камеру сгорания под высоким давлением. Впрыскивание с давлениями порядка 2000 бар может сильно уменьшить уровень эмиссии дыма и вредных веществ. В настоящее время системы впрыска при полной нагрузке создают максимальное давление от 1000 до 2050 бар для легковых автомобилей и 1000... 1800 бар для грузовых. Однако максимальное давление достигается только в верхней области частот вращения коленчатого вала (кроме системы Common Rail). В то же время для благоприятного протекания кривой максимального крутящего момента и одновременно малой дымности ОГ при низких нагрузках решающее значение имеет высокое давление впрыскивания. Исходя из этого уровень давления впрыскивания в зоне максимального крутящего момента для легковых и грузовых автомобилей должен лежать в диапазоне 800... 1400 бар.

Двигатели с разделенными камерами сгорания

Двигатели с разделенными камерами сгорания, где нарастание давления сгорания сглаживается перетеканием заряда топливовоздушной смеси из предварительной камеры в основную, имеют высокие скорости воздуха в дополнительной камере и в канале, соединяющем ее с основной камерой сгорания. При этом процессе давление впрыскивания свыше 450 бар не дает никаких преимуществ.

Направление и количество факелов впрыскивания

Двигатели с непосредственным впрыском топлива

Дизели с непосредственным впрыском топлива оснащаются, как правило, центрально расположенными форсунками с числом отверстий в распылителе от 4 до10 (в большинстве случаев 6...8 отверстий, см. главу «Форсунки»). Факелы впрыскивания очень точно направлены в камеру сгорания. Отклонение направления впрыскивания уже на 2° от оптимального направления приводит к ощутимому повышению дымности ОГ и расхода топлива.

Двигатели с разделенными камерами сгорания

Дизели с разделенными камерами сгорания работают со штифтовыми распылителями, создающими только один факел.

Форсунка впрыскивает в предварительную или вихревую камеру топливо таким образом, что его факел, направленный точно в предкамеру, касается свечи накаливания. Отклонение от этого направления ведет к ухудшению условий использования воздуха для сгорания и за тем к увеличению уровней концентрации черного дыма и эмиссии углеводородов.

boschdiesel 74

Таблица 1

Показано, как сильно впрыскивание отражается на параметра двигателя. Только хорошo подобранная и точно работающая система впрыска гарантирует дизелю высокую работоспособность

Протекание впрыскивания дизельного топлива в двигателе

Протекание впрыскивания

Для дизеля наиболее важны уровень эмиссии вредных веществ и расход топлива. В связи с этим к системе впрыска предъявляются следующие требования:

• Впрыскивание должно происходить в точно выбранный момент времени. Уже при незначительных отклонениях сильно изменяются расход топлива, уровень эмиссии вредных веществ и уровень шума сгорания (рис. 1-4).

• Давление впрыскивания должно соответствовать каждой рабочей точке двигателя (например, меняться, по возможности раздельно, в зависимости от нагрузки на двигатель и частоты вращения коленчатого вала).

• Впрыскивание должно заканчиваться резко, без подвпрыскивания топлива Неконтролируемые подвпрыски ведут к повышенному уровню эмиссии вредных веществ в ОГ. Понятие «протекание впрыскивания», или «закон впрыскивания», характеризует впрыскивание в камеру сгорания определенного количества топлива в зависимости от времени.

boschdiesel 62boschdiesel 63boschdiesel 64boschdiesel 65

Рис. 1- 4

Двигатель: 6 цилиндровый дизель грузового автомобиля с системой впрыска Common Rail Режим эксплуатации:л=1400 мин1,нагрузка  50% Изменение продолжительности впрыскивания в данном случае производится путем изменения давления впрыскивания


Продолжительность впрыскивания

Основным параметром процесса впрыскивания является его продолжительность, которая определяет время открытия форсунки и поступления топлива в камеру сгорания. Продолжительность впрыскивания указывается в градусах поворота коленчатого или распределительного вала, либо в миллисекундах (мс).Различные виды процессов сгорания в дизеле требуют соответственно различной продолжительности впрыскивания (ниже приведены приблизительные значения угла поворота коленчатого вала в градусах для номинальной мощности):

• двигатели легковых автомобилей с непосредственным впрыском топлива — 32...38;

• двигатели легковых автомобилей с разделенными камерами сгорания — 35...40";

• двигатели грузовых автомобилей с непосредственным впрыском топлива — 25...36.

Угол в 30° поворота коленчатого вала соответствует 15° поворота кулачкового вала ТНВД. При частоте вращения вала ТНВД, равной 2000 мин продолжительность впрыскивания равняется 1,25 мс. Чтобы минимизировать расход топлива и дымность ОГ, продолжительность и момент начала впрыскивания должны быть согласованы с рабочей точкой поля характеристик (рис. 1 и 4).

Протекание впрыскивания

Системы впрыска выполняют следующие функции (рис. 5):


boschdiesel 66

Рис. 5

Момент начала подачи предшествует моменту начала впрыскивания и зависит от конструкции системы впрыскивания 1. Предварительное впрыскивание (Рl ) 2. Основное впрыскивание (Ml) 3. Интенсивное повышение давления (для системы Common Rail) 4. Ступенчатое повышение давления (для системы индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном (UPS)). В данном случае двумя пружинами в корпусе форсунки обеспечивается двух ступенчатый ход форсунки со ступенчатым, а вовсе не плавным повышением давления. Это уменьшает уровень шума сгорания. но не уровень эмиссии сажи 5. Стандартное повышение давления (традиционные системы впрыска) 6. Мягкое падение давления (рядный и распределительный ТНВД)  7. Разное падение давления (для систем индивидуальны ТНВД (UPS) и насос форсунок (UIS). При использовании системы Common Rail процесс протекает несколько мягче) 8. Раннее дополнительное впрыскивание 9. Позднее дополнительное впрыскивание

р,  давление впрыскивания, pe давление открытия Форсунки b  продолжительность сгорания основной доли впрыснутого топлива v  продолжительность сгорания предварительной доли впрыснутого топлива ZV  период задержки воспламенения основной доли впрыснутого топлива


• предварительное впрыскивание 1 для снижения уровней шума сгорания и эмиссии NOх, особенно в двигателях с непосредственным впрыском топлива;

• интенсивное повышение давления 3 при основном впрыскивании для сокращения уровня эмиссии NOх при работе без рециркуляции ОГ, ступенчатое повышение давления 4 во время основного впрыскивания для сокращения уровней эмиссии NOx и сажеобразования при работе без рециркуляции ОГ;

• удержание постоянного и высокого давления при основном впрыскивании (3, 7) для сокращения уровня сажеобразования при работе с рециркуляцией ОГ;

• дополнительное впрыскивание 8 —непосредственно после основной подачи для сокращения уровня сажеобразования;

• позднее дополнительное впрыскивание 9 как восстановитель для аккумулирующего нейтрализатора NOx и/или с целью повышения температуры ОГ для регенерации частиц в сажевом фильтре.

 • величина давления впрыскивания повышается с возрастанием частоты вращения коленчатого вала и цикловой подачи топлива (рис. 6);

• величина давления повышается вначале впрыскивания, однако к концу надает до величины давления закрытия форсунки;

• малые цикловые подачи топлива впрыскиваются под незначительным давлением;

• закон впрыскивания на графике (см.рис. 5) должен иметь примерно треугольную форму, что требуется для благоприятного сгорания топлива без использования рециркуляции ОГ (мягкое повышение давления и вместе с тем малошумное сгорание).

boschdiesel 67

Рис. 6

1. высокооборотный двигатель 2. Среднеоборотный двигатель 3. Низкооборотный двигатель


Максимальное давление впрыскивания служит критерием оценки нагрузки конструктивных элементов и привода ТНВД. Для систем впрыска оно является критерием качества распыливания топлива в камере сгорания.

На дизелях с разделенными камерами сгорания (двигатели с пред или вихревой камерой) используются дросселирующие штифтовые распылители, которые создают единый факел топлива и формируют протекание процесса впрыскивания. Эти распылители формируют переменное поперечное сечение факела в зависимости от величины подъема иглы форсунки, что приводит к плавному повышению давления и к малошумному сгоранию.

Предварительное впрыскивание

Если предварительное впрыскивание не производится (рис. 7, кривая а), то при изменении давления впрыскивания топлива давление и цилиндре плавно растет перед ВМТ поршня, но с началом сгорания повышается очень резко. Такой процесс является причиной высокого уровня шума сгорания.

Использование предварительного впрыскивания позволяет достичь плавного повышения давления сгорания. Период задержки воспламенения основной части цикловой подачи топлива значительно сокращается. Это благоприятно сказывается на снижении уровня шума сгорания и расхода топлива, а также на уменьшении эмиссии NOx и СН. При предварительном впрыскивании в цилиндр направляется небольшое количество топлива (1...4 мм'), которое обеспечивает «подготовку» камеры сгорания.

При этом возникают следующие эффекты:

• период задержки воспламенения основной доли топлива сокращается;

• повышение давления сгорания становится более плавным (рис. 7,кривая b).

Удельный расход топлива может меняться в зависимости от момента начала впрыскивания основной доли топлива и его сдвига по времени относительно предварительного впрыскивания.

boschdiesel 68

Рис. 7

а - без предварительного впрыскивания b - с предварительным впрыскиванием hp1 - ход иглы распылителя при предварительном впрыскивании hmi - ход иглы распылителя при основном впрыскивании

Дополнительное впрыскивание

Позднее дополнительное впрыскивание

Позднее дополнительное впрыскивание может применяться для восстановления в некоторых вариантах нейтрализаторов NOх Оно происходит вслед за основным впрыскиванием во время рабочего холла или выпуска до 200° угла поворота коленчатого вала после ВМТ поршня и добавляет в ОГ точно дозированное количество топлива.

В противоположность предварительному и основному впрыскиваниям, это топливо не сгорает, а испаряется в ОГ под воздействием тепла. Смесь испарений топлива и ОГ направляется при такте выпуска через выпускные клапаны к соответствующим нейтрализаторам NOx, где топливо служит восстановителем этих оксидов. Как следствие происходит умеренное снижение уровня NOx в ОГ. Другой возможностью снижения уровня NOx считается использование аккумулирующих нейтрализаторов NOx (см.главу «Системы очистки ОГ»).

Позднее дополнительное впрыскивание может применяться также для повышения температуры ОГ в окислительном нейтрализаторе, чтобы поддерживать заданную температуру для регенерации сажевого фильтра.

Позднее дополнительное впрыскивание может вести к разжижению моторного масла дизельным топливом, поэтому применение этого процесса должно быть согласовано с производителем двигателей.

Раннее дополнительное впрыскивание

Независимо от дополнительного впрыскивания для нейтрализации NOx или использования сажевого фильтра раннее дополнительное впрыскивание может осуществляться при применении системы Common Rail непосредственно после основного впрыскивания, что происходит еще при продолжающемся сгорании топливовоздушной смеси. При этом дополнительно сжигаются частицы сажи, что уменьшает уровень ее выброса примерно на 20...70%.

Ведутся также исследования по внедрению раннего дополнительного впрыскивания в работу традиционных систем впрыска с механическими ТНВД.

Подвпрыскивание и остаточные порции топлива

Особенно неблагоприятно на работе двигателя отражаются нежелательные подвпрыскивания. При подвпрыскивании форсунки самопроизвольно открывается еще раз вскоре после закрытия, ив цилиндр к концу сгорания попадает плохо подготовленное топливо. Оно не сгорает частично или полностью и устремляется в виде не сожженных углеводородов в выпускной тракт. Быстро запираемые распылители с достаточно высоким давлением закрытия и низким остаточным давлением в подающей магистрали предотвращают этот неблагоприятный эффект.

Подобно таким подвпрыскиваниям на работе дизеля негативно сказывается наличие остаточных порций топлива, скапливающихся в носке корпуса распылителя, за уплотняющей поверхностью. Остающееся топливо выходит после окончания сгорания в камеру сгорания и также частично устремляется в выпускной тракт, повышая уровень эмиссии не сгоревших углеводородов (CII) (рис. 8). Распылители, в которых отверстия рассверливаются в районе уплотнительного седла, имеют самые незначительные объемы остаточных порций топлива.

boschdiesel 69

Рис. 8

а  распылитель без микрообъема под иглой b  распылитель с микрообъемом под иглой 1. Двигатель с рабочим объемом цилиндра до 1л 2. Двигатель с рабочим объемом цилиндра до 2 л

Протекание процесса впрыскивания во времени

На рис. 9 на примере распределительного ТНВД с радиальными плунжерами(VP44) показано, как кулачок на кольцевой шайбе воздействует на нагнетание и выход топлива из форсунки. Показано, как сильно изменяется давление топлива в процессе его доставки к форсунке впрыскивания в зависимости от ряда конструктивных определяющих элементов (кулачок, нагнетательный клапан, трубопровод, форсунка и др. элементы).Поэтому необходимо точное согласование системы впрыска с параметрами двигателя. Во всех системах впрыска, где давление создается плунжерами насосов (рядные ТНВД, системы насос форсунок и индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном), протекание процесса схоже. Протекание процесса в системе впрыскивания Common Rail происходит совершенно иначе.

boschdiesel 70

Рис. 9

Пример радиального распределительного ТНВД серии VP44.работающего без предварительного впрыскивания в режиме полной нагрузки т t задержка волны давления по концам магистрали высокого давления


Вредные объемы в обычных системах впрыска

Понятие «вредные объемы» используется при рассмотрении контура высокого давления системы впрыска. Последняя включает в себя объемы высокого давления ТНВД, магистралей и форсунок.

Во вредных объемах давление повышается при каждом впрыскивании и снова уменьшается в конце его. Тем самым возникают потерн энергии на сжатие, а процесс впрыскивания затягивается. При этом, двигаясь вдоль магистралей, топливо подвергается сжатию расширению из-за динамических волновых процессов изменения давления.

Чем больше вредные объемы, тем хуже гидравлическая эффективность системы впрыска. Минимизация вредных объемов является одной из важнейших целей при создании системы впрыскивания. В конструкции системы с блоком насос форсунок(UIS) вредные объемы наименьшие. Чтобы гарантировать равномерность работы двигателя, вредные объемы в магистралях подвода топлива ко всем цилиндрам должны быть одинаковы.

Протекание процесса впрыскивания в системе Common Rail

В системе Common Rail ТНВД независимо от момента начала впрыскивания обеспечивает в аккумуляторе давление, величина которого примерно постоянно во  время всего процесса впрыскивания топлива (рис. 10). Из-за почти равномерного процесса нагнетания ТНВД может иметь меньшие, чем обычно, размеры и работать с меньшими пульсациями крутящего момента в приводе.

boschdiesel 71

Рис. 10 р,  давление в аккумуляторе р„ давление открытия форсунки


Короткие магистрали связывают аккумулятор с форсунками. Так как регулятор частоты вращения управляет процессом впрыскивания, его начало и окончание легко и четко устанавливаются в зависимости от комплектации двигателя. Возможно также осуществление процессов предварительного и дополнительного впрыскивания.

При заданном давлении количество впрыснутого топлива пропорционально времени подъема иглы распылителя форсунки и не зависит от частоты вращения коленчатого вала или распределительного вала ТНВД (впрыскивание по времени).

Таким образом, момент начала впрыскивания, его продолжительность и давление могут быть установлены оптимальным образом для различных режимов работы двигателя. Это осуществляет система электронного регулирования работы дизеля с помощью преобразователя «время—угол».






Цикловая подача топлива дизельного двигателя

Цикловая подача топлива

Необходимая масса топлива т для цилиндра рассчитывается по формуле:

 boschdiesel 60

,где Р — мощность двигателя, кВт; b — удельный расход топлива двигателя, г/кВтч; n — частота вращения коленчатого вала, мин ';z — число цилиндров двигателя. Соответствующее объемное количество топлива на рабочий цикл для цилиндра (цикловая подача топлива) Q определяется по формуле:

boschdiesel 61

,где р — плотность топлива, мг/мм3

Эта формула показывает, что получаемая от двигателя мощность при постоянном КПД (обратно пропорциональном расходу топлива: n~1/b) прямо пропорциональна цикловой подаче топлива. Цикловая подача топлива зависит от следующих величин:

• эффективного давления в отверстиях распылителя;

• продолжительности впрыскивания;

• разницы давления впрыскивания и давления в камере сгорания двигателя;

• плотности топлива.

При высоких давлениях дизельное топливо сжимается. Это влияет на цикловую подачу топлива и должно учитываться при регулировании. Цикловая неравномерность подачи топлива ведет к колебаниям в токсичности ОГ и получаемой от двигателя мощности. Благодаря применению систем впрыска с электронным регулированием необходимая цикловая подача топлива может дозироваться очень точно.

Начало подачи и момент начала впрыскивания дизельного двигателя

Начало подачи и момент начала впрыскивания

Момент начала впрыскивания

Момент начала впрыскивания топлива в камеру сгорания существенно влияет на начало сгорания топливовоздушной смеси и имеете с тем — на уровень эмиссии ОГ, расход топлива и шум сгорания. Соответственно момент начала впрыскивания играет большую роль с точки зрения оптимизации работы дизеля.

Момент начала впрыскивания, когда форсунка открывается и начинает впрыскивать топливо в камеру сгорания, определяется по углу поворота коленчатого вала относительно ВМТ поршня. Положение поршня относительно ВМТ при впрыскивании оказывает влияние на смесеобразование наряду с конфигурацией впускного канала, движением воздуха в камере сгорания, плотностью этого воздуха и его температурой.

Качество смеси воздуха и топлива зависит также от момента начала впрыскивания топлива (угла опережения впрыскивания). Последний, таким образом, влияет на уровень эмиссии сажи, продуктов неполного сгорания, оксидов азота (NOx), несгоревших углеводородов (СН) и оксида углерода (СО).

Оптимальные значения углов опережения впрыскивания меняются в зависимости от нагрузки на двигатель (рис.1),что требует их регулирования. Необходимые величины устанавливаются отдельно для каждого типа двигателя и образуют поле характеристик, которое определяет момент начала впрыскивания в зависимости от нагрузки на двигатель, частоты вращения коленчатого вала и температуры охлаждающей жидкости (рис.2). При этом наряду с требуемой мощностью принимаются во внимание расход топлива, а также уровень эмиссии вредных веществ и шум.

Нормы Евро 3

В поле характеристик дизеля оптимальные значения начала сгорания для достижения низкого расхода топлива находятся в пределах 0...8° угла поворота коленчатого вала до ВМТ поршня. С учетом этого факта и ограничений по эмиссии ОГ требуются следующие моменты начала впрыскивания.

Двигатели легковых автомобилей с непосредственным впрыском топлива:

• нулевая нагрузка — от 2° до ВМТ до 4° после ВМТ;

• частичная нагрузка — от 6° до ВМТ до 4° после ВМТ;

• полная нагрузка — 6... 15° до ВМТ.

Двигатели грузовых автомобилей с непосредственным впрыском топлива(без рециркуляции ОГ):

• нулевая нагрузка — 4... 12° до ВМТ;

• полная нагрузка — от З...6° до ВМТ до 2° после ВМТ.

На холодном двигателе угол опережения начала впрыскивания увеличивается на 3...100. Продолжительность сгорания при полной нагрузке соответствует40...60° угла поворота коленчатого вала.

Раннее начало впрыскивания

В момент прохождения поршнем ВМТ устанавливается наивысшая температура сжатия. Если сгорание начинается задолго до ВМТ, сильное повышение давления сгорания действует как отрицательная сила по отношению к движению поршня. Затраченное на это количество тепла уменьшает КПД двигателя и повышает, таким образом, расход топлива. Кроме того, такой резкий подъем давления сгорания приводит к повышению уровня шума работы дизеля.

Сдвиг начала сгорания на более ранний угол повышает температуру в камере сгорания. В результате растет уровень эмиссии NOx и уменьшается выделение СН (рис. 1).

boschdiesel 58

Рис.1 Пример исполнения:

аN  оптимальный момент впрыскивания по эмиссии ОГ при нулевой нагрузке, когда уменьшается содержание N0,

aV  оптимальный момент впрыскивания по эмиссии OГ при полной нагрузке, когда уменьшается выброс CH


Позднее начало впрыскивания

Более позднее начало впрыскивания при нулевой нагрузке может привести к неполному сгоранию и соответственно к повышению уровня эмиссии не полностью сгоревших углеводородов (СН), поскольку температура в камере сгорания быстро снижается (рис. 1).

Характеристики изменения удельного расхода топлива, эмиссии углеводородов, уровней дымности и NOх рассматриваются в разделе «Протекание впрыскивания», где определяется компромисс при выборе угла опережения впрыскивания для конкретного двигателя и величины допуска на него.

Для получения на выпуске минимального количества синего и белого дыма на холодном двигателе требуется более ранее впрыскивание и/или предварительное впрыскивание. Для уменьшения уровня эмиссии вредных веществ и уровня шума при частичной нагрузке часто требуется другой угол опережения впрыскивания, нежели при полной нагрузке. Поле характеристик момента начала впрыскивания для легкового автомобиля (рис. 2) схематически показывает зависимость угла опережения впрыскивания от температуры охлаждающей жидкости, нагрузки на двигатель и частоты вращения коленчатого вала.

boschdiesel 59

Рис.2

1. Холодный пуск (<0 "С) 2. Полная нагрузка 3. Частичная нагрузка


Начало подачи

Наряду с моментом начала впрыскивания часто рассматривается также термин «начало подачи». Он подразумевает момент начала движения топлива от ТНВД. Так как в старых системах впрыска на неработающем двигателе начало подачи проще было определять как фактическое начало впрыскивания, оценка момента начала впрыскивания осуществлялась по моменту начала подачи с учетом сдвига по времени за счет определенной длины магистралей высокого давления между ТНВД и форсунками (прежде всего, при использовании рядных и распределительных ТНВД). Определенный сдвиг между моментами начала подачи и начала впрыскивания составляет период задержки впрыскиванияСдвиг по времени начала впрыскивания по отношению к началу подачи.

Время движения волны давления от ТНВД к форсунке зависит от длины магистрали и определяет (в градусах угла поворота коленчатого пала) задержку впрыскивания при различных частотах вращения коленчатого вала. С увеличением частоты вращения возрастает и угол задержки воспламенения. Сдвиг по времени начала воспламенения по отношению к началу впрыскивания.

Оба фактора должны компенсироваться, для чего система впрыска должна компенсировать начало подачи и, соответственно начало впрыскивания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки на двигатель и температуры охлаждающей жидкости.