ЛЕКЦИЯ 13 Топливные системы дизелей

В.В. ПЕРМЯКОВ
ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ТЕМА 16. ТОПЛИВНЫЕ СИСТЕМЫ
ДИЗЕЛЕЙ.
ЛЕКЦИЯ 16.Часть 2
Тема. 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.
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
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.
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
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.
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.
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.
 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.
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.
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.
 Многоплунжерные ТНВД с механическим приводом и
регулированием отсечкой.
Рис. 16.13. Многоплунжерный топливный насос высокого
давления
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.
• 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.
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
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.
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. 16.15 а 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.
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
 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.
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
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
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.
Рис. 16.18. Электрогидравлическая форсунка
1 – электромагнит; 2 – шариковый клапан; 3 – камера управления;
4 – жиклер; 5 - мультипликатор
Рис. 16.19. Форсунка с двухступенчатым впрыском
 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.
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.
Разработку третьего поколения системы CommonRail 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.
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 6цилиндрового 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.
высокое
давление;
низкое
давление;
среднее
давление;
электропроводк
а
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.
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
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.
Рис. 16.23. Характеристика впрыскивания с новой
форсункой
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, а гидравлический 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.
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.
Общая схема новой системы HEUI показана на рис. 16.24. Система
состоит из четырех основных компонентов:
Рис. 16.24. Схема топливной системы HEUI
1 - 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
-
топливо
- масло
- электроток
- 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.
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
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.
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
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.
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.
Рис. 16.27. Количество впрыскиваний по полю нагрузочных
характеристик
VE — предварительное впрыскивание;
НЕ - основное впрыскивание;
NE — последующее впрыскивание
Контрольные вопросы
1. Каково давление впрыскивания в топливных
системах дизелей?
2. Классификация ТНВД и их устройство.
3. Какие форсунки применяются в дизельных
двигателях?
4. Принцип работы насос-форсунки?
5. В чем отличие системы Commo-Rail от
обычных систем впрыска?
6. Принцип работы систем HEUI и HEUI-B.
7. Как изменяется количество впрыскиваний
по полю нагрузочных характеристик?