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