Отчет по лабораторной работе: Изучение устройства и
advertisement
Отчет по лабораторной работе: Изучение устройства и принципа действия форсунок различных конструкций топливоподкачивающего насоса и топливных фильтров Выполнил студент группы: 5ТОР11-1 Карпов А.В Сургут 2012г Обзор Основное различие в способах создания высокого давления различными системами Common Rail заключается в конструкции ТНВД и форсунок, а также определяется требованиями, предъявляемыми к топливной системе. Обзор топливных систем Common Rail Поколение CR Первое поколение (легковые автомобили) Первое поколение (коммерческие автомобили) Второе поколение Легковые и коммерческие автомобили) Максимально е давление, бар 1350-1450 1400 Форсунка ТНВД Форсунка с электромагнитным клапаном СР1 Регулирование давления на высокой стороне клапаном регулирования давления СР2 Регулирование Форсунка с подачи топлива электромагнитным на стороне клапаном всасывания двумя электромагнитным и клапанами Форсунка с электромагнитным клапаном СРЗ, СР1Н Регулирование подачи топлива на стороне всасывания дозирующим устройством 1600 (в будущем 1800 бар) Форсунка с пьезоэлектрически м приводом СРЗ, СР1Н Регулирование подачи топлива на стороне всасывания дозирующим устройством 1800 Форсунка с электромагнитным клапаном CP3, 3NH Дозирующее устройство 1600 Третье поколение (легковые автомобили) Третье поколение (коммерческие автомобили) Рис.1 1-Массовый расходомер воздуха; 2-Электронный блок управления двигателем; 3-ТНВД; 4-Аккумулятор топлива; 5-Форсунка; 6-Датчик частоты вращения коленчатого вала; 7-Датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя; 8-Топливный фильтр;9Датчик положения педали акселератора. Форсунка В дизельной топливной системе Common Rail форсунки подсоединяются к аккумулятору топлива короткими линиями (трубками) высокого давления. Форсунки уплотняются с камерой сгорания медными прокладками. Форсунки устанавливаются в головке блока цилиндров посредством конических фиксаторов. В зависимости от конструкции распылителя форсунки в системе CR могут устанавливаться прямо или под углом по отношению к неразделённой камере сгорания (дизели с непосредственным впрыском топлива). Одной из особенностей топливной системы является то, что высокое давление создаётся в ней независимо от частоты вращения двигателя или количества впрыскиваемого топлива. Начало впрыска и величина цикловой подачи регулируются электрическими управляющими сигналами форсунки. Продолжительность впрыска топлива регулируется системой управления углом опережения впрыска/времени в электронной системе управления дизеля (EDC). Это требует использования датчиков определения положения коленчатого и распределительного валов (фазовое детектирование). Для снижения эмиссии вредных веществ и выполнения постоянно ужесточающихся требований по снижению шума работы дизелей требуется формирование оптимального состава топливовоздушной смеси. Это требует от форсунок возможность осуществления небольшого предварительного впрыска и многофазного впрыска топлива. Рис.2. а-Нерабочее положение; b-Форсунка открыта (впрыск); сФорсунка закрыта (прекращение подачи); 1-Возврат топлива; 2Катушка электромагнитного клапана; 3-Дополнительная пружина хода; 4-Якорь электромагнитного клапана; 5-Шариковый клапан; 6Камера гидроуправления; 7-Пружина распылителя; 8-Конус (заплечик) иглы распылителя; 9-Камера распылителя; 10-Сопловые отверстия; 11-Пружина электромагнитного клапана; 12-Дроссель камеры гидроуправления; 13-Штуцер высокого давления; 14Дроссель на впуске; 15-Управляющий плунжер (шток иглы распылителя форсунки); 16-Игла распылителя форсунки; 17Впускной канал. В настоящее время в серийном производстве имеется три разных типа форсунок: Форсунки с электромагнитным клапаном и неразъёмным якорем; Форсунки с электромагнитным клапаном и якорем, состоящим из двух частей; Форсунки пьезоэлектрическим приводом. Форсунка с электромагнитным клапаном Конструкция Форсунка может быть подразделена на несколько функциональных модулей: Распылитель с сопловыми отверстиями (см. раздел «Распылители форсунок»); Гидравлическая система управления; Электромагнитный клапан. Топливо подается в форсунку через входной штуцер высокого давления (13 на рис. 2а) и далее через впускной канал 17 к распылителю форсунки и через дроссель на впуске 14 в камеру гидроуправления 6. Камера гидроуправления соединяется с линией возврата топлива через дроссель 12, который открывается электромагнитным клапаном. Принцип действия Работа форсунки может быть подразделена на четыре состояния во время работы двигателя и ТНВД: Форсунка Форсунка Форсунка Форсунка закрыта (высокое давление приложено); открывается (начало впрыска топлива); полностью открыта; закрывается (конец впрыска топлива). Рабочие режимы форсунки вызываются балансом сил, действующих на компоненты форсунки. Когда двигатель не работает и аккумулятор топлива не находится под давлением, пружина распылителя закрывает форсунку. Форсунка закрыта (высокое давление приложено) В нерабочем состоянии форсунка не получает сигнал на открытие, т.е. на впрыск (рис. 2а). Пружина электромагнитного клапана 11 прижимает шариковый клапан 5 к седлу дросселя 12, и давление внутри камеры гидроуправления 6 повышается до величины давления в аккумуляторе топлива. Такое же давление имеет место в объёме камеры распылителя форсунки. Сила давления в аккумуляторе, приложенная к концевой поверхности штока иглы распылителя (управляющего плунжера) 15, вместе с силой пружины 7 иглы распылителя форсунки находятся в равновесии с силой давления открытия, приложенной к конусу (заплечику) иглы распылителя, и в результате форсунка остаётся закрытой. Форсунка открывается (начало впрыска топлива) В самом начале процесса открытия форсунка находится в «режиме ожидания», то есть закрыта. Электромагнитный клапан получает управляющий сигнал на открытие в виде пускового тока и очень быстро открывается (рис. 2Ь). Необходимые периоды переключения достигаются управлением пусковыми сигналами электромагнитного клапана в электронном блоке управления двигателя (ECU) при высоких значениях электрического напряжения и тока. Магнитная сила уже получившего электрическое питание электромагнита превышает силу затяжки пружины клапана, якорь поднимает шаровой клапан с седла и открывает дроссель 12. После короткого периода повышения пусковой ток уменьшается до величины «тока удержания» электромагнита. Когда выпускной дроссель 12 открывается, топливо вытекает из камеры гидроуправления в полость над ним и затем в линию возврата топлива в бак. Дроссель на впуске 14 предотвращает полное выравнивание давления. В результате давление в камере гидроуправления уменьшается, и становится ниже давления в камере распылителя форсунки, которое всё ещё равно давлению в аккумуляторе топлива. Снижение давления в камере 6 приводит к уменьшению силы, действующей на управляющий плунжер (шток иглы распылителя) и, следовательно, к её подъёму (открытию). Впрыск топлива начинается. Полное открытие форсунки Величина перемещения иглы распылителя форсунки определяется разностью расходов через дроссели на впуске и выпуске. Шток иглы (управляющий плунжер) достигает своего верхнего упора и устанавливается на «топливной подушке» (гидравлический упор). Эта подушка образуется потоком топлива между дросселями на входе и выходе. В этом положении распылитель форсунки полностью открыт, и топливо впрыскивается в камеру сгорания под давлением, приближающимся к давлению в аккумуляторе топлива. Баланс сил в форсунке подобен балансу во время фазы открытия. При данном давлении в системе количество впрыскиваемого топлива пропорционально периоду времени открытия электромагнитного клапана. Этот период полностью независим от частоты вращения двигателя и ТНВД (контролируемая по времени система впрыска). Форсунка закрывается (конец впрыска топлива) Когда катушка электромагнитного клапана обесточивается, пружина клапана перемещает якорь вниз, и шаровой клапан закрывает дроссель 12 на выпуске (рис. 2с). Когда дроссель закрыт, давление в камере гидроуправления снова возрастает до величины давления в аккумуляторе топлива из-за открытого дросселя на впуске. Более высокое давление создаёт большую силу, прилагаемую к штоку иглы распылителя. В результате сила давления в камере управления и сила затяжки пружины превышают силу давления открытия иглы распылителя, которая садится на седло, и распылитель форсунки закрывается. Расход топлива через дроссель 14 на впуске определяет скорость закрытия иглы форсунки. Цикл впрыска топлива заканчивается, когда игла распылителя садится на седло, закрывая сопловые отверстия. Такой непрямой метод создания пускового импульса иглы распылителя посредством гидравлической сервосистемы для быстрого её открытия (подъёма) используется потому, что выполнить это путём прямого приложения силы электромагнитного клапана невозможно. «Контрольный объём», определяющий количество впрыскиваемого топлива, простирается до линии возврата топлива через дроссели камеры гидроуправления. Кроме контрольного объёма топлива имеются также объёмы утечек через направляющие иглы распылителя и её штока. Указанные объёмы возвращаются в топливный бак через линию возврата топлива и общую линию, которая включает перепускной клапан, ТНВД и клапан регулирования давления. Программы карт характеристик Программы для карт характеристики с пологой кривой величины подачи топлива Рис.3. Подъём иглы форсунки и карты характеристик подачи топлива с упором подъёма иглы. Отличительные особенности форсунок определяются в программах карт характеристик между баллистическим и небаллистическим режимами (ballistic and non- ballistic mode). Шток иглы распылителя форсунки/управляющий плунжер достигает гидравлического упора, если пусковой период (triggering period) достаточно продолжительный (рис. За). Участок до достижения иглой распылителя максимального хода называется баллистическим режимом. Баллистические и небаллистические участки в картах подачи топлива, где количество впрыскиваемого топлива определяет период действия пускового сигнала (рис. ЗЬ), разделяются точкой перегиба в карте программы. Другой особенностью карты характеристики подачи топлива является пологий участок кривой, который существует в течение небольших периодов пуска. Пологий участок (фронт) кривой вызывается переходным периодом при движении якоря электромагнитного клапана на открытие. На этом участке количество впрыскиваемого топлива не зависит от периода действия пускового сигнала. Это позволяет стабильно поддерживать небольшие подачи топлива. Только после того как якорь прекратит «отскакивания», кривая характеристики подачи топлива продолжит линейный подъём по мере увеличения периода пускового импульса. Впрыски небольшого количества топлива (короткие периоды пуска) используются как предварительные впрыски с целью подавления шума. Вторичные впрыски (после основного) способствуют ускорению окисления сажи на выбранных участках кривой рабочей характеристики. Программы карт характеристик без пологой кривой величины подачи топлива Всё повышающаяся строгость законодательства по эмиссии вредных веществ с ОГ привела к использованию двух системных функций - компенсации подачи топлива форсункой (injector delivery compensation - IMA) и калибровки нулевой подачи (zero delivery calibration - NMK), также как и коротких интервалов между предварительным впрыском, основным впрыском и дополнительным (после основного) впрыска топлива. С форсунками, которые не имеют участка пологой кривой, функция IMA допускает точную регулировку количества впрыскиваемого топлива во время предварительного впрыска. Функция NMK корректирует отклонения в величине подачи во времени в области небольших давлений. Ключевым условием развёртывания этих двух системных функций является монотонный линейный подъём характеристики подачи топлива, то есть отсутствие пологого участка кривой в карте характеристик топливоподачи (рис. Зс). Если игла распылителя форсунки работает в номинальном режиме без достижения упора при подъёме, то это представляет баллистический рабочий режим иглы без перегибов в карте характеристик подачи топлива. Варианты форсунок Существует следующее различие между двумя разными концепциями форсунок с электромагнитными управляющими клапанами:форсунки с одинарным якорем (система с одной пружиной); форсунки с якорем, состоящим из двух частей (система с двумя пружинами). Короткие интервалы между последовательными впрысками могу быть выполнены тогда, когда якорь может очень быстро возвращаться в исходное положение при закрытии форсунки. Лучше всего это достигается системой с якорем, состоящим из двух частей, с увеличенным ходом до упора. Во время процесса закрытия форсунки пластина якоря принудительно движется вниз под действием пружины. Выход из режима насыщения ограничивается упором увеличенного хода. В результате якорь достигает своего исходного положения быстрее. Отскакивание якоря при закрытии заканчивается быстрее при разделении массы якоря и адаптации установочных параметров. Концепция составного (с двумя массами) якоря способствует достижению коротких интервалов между двумя последовательными впрысками. Пуск электромагнитного клапана форсунки В нерабочем положении электромагнитный клапан форсунки высокого давления не получает пусковой импульс и, следовательно, закрыт. Форсунка впрыскивает топливо только при открытом электромагнитном клапане. Рис.4. а-Фаза открытия; b-Фаза пускового тока; сПереход к фазе тока удержания; d-Фаза тока удержания; е-Выключение. Пуск электромагнитного клапана форсунки разделён на пять фаз (рис. 4 и 5). 1. Фаза открытия. В начале, для того чтобы обеспечить жёсткие допуски и высокий уровень воспроизводимости цикловой подачи топлива, электрический ток открытия электромагнитного клапана имеет крутой, точно определённый профиль, и быстро увеличивается приблизительно до 20 А. Это достигается посредством называемого «вольтодобавочного напряжения» величиной до 50 В. Это напряжение генерируется в электронном блоке управления и сохраняется в конденсаторе (вольтодобавочный конденсатор). Когда это напряжение подаётся на электромагнитный клапан, ток увеличивается в несколько раз быстрее, чем это имеет место только при использовании напряжения аккумуляторной батареи. 2. Фаза пускового тока. Во время фазы пускового тока к электро-магнитному клапану прилагается напряжение аккумуляторной батареи, которое способствует быстрому его открытию. Система управления током ограничивает величину пускового тока до 20 А. 3. Фаза тока удержания. Для того чтобы уменьшить потери электрической мощности в электронном блоке управления и форсунке, в фазе удержания величина тока снижается до 13 А. Энергия, которая высвобождается при уменьшении пускового тока до тока удержания, направляется в вольтодобавочный конденсатор. 4. Выключение. При выключении электрического тока для закрытия электромагнитного клапана избыточная энергия также направляется в вольтодобавочный конденсатор. 5. Перезарядка инвертора. Перезарядка осуществляется посредством инвертора, встроенного в электронный блок управления двигателем. Энергия, потраченная во время фазы открытия, восстанавливается в начале фазы повышения пускового тока до достижения напряжения, необходимого для открытия электромагнитного клапана. Рис.5. 1-Аккумуляторная батарея; 2-Регулятор тока; 3-Обмотка катушки элетромагнитного клапана; 4-Выключатель вольтодобавочного конденсатора; 5- Вольтодобавочный конденсатор; 6-Диоды для восстановления энергии и быстрого гашения высокой скорости; 7-Переключатель идентификатора цилиндров; 8-Выключатель DC/DC; 9-Катушка DC/DC; 10-Диод DC/DC; I-Электрический ток Форсунка с пьезоэлектрическим приводом Конструкция и требования Конструкция форсунки с пьезоэлектрическим приводом состоит из двух главных модулей, показанных на рис. 6: Модуль пьезоэлектрического привода (3); Гидравлический преобразователь (4); Управляющий сервоклапан (5); Модуль распылителя форсунки (6). Конструкция форсунки учитывает требования высокой жёсткости системы привода, гидравлического преобразователя и управляющего клапана. Другой особенностью конструкции является исключение механических сил, действующих на иглу распылителя. Такие силы имеют место как результат действия толкателя, который используется в форсунках с электромагнитными клапанами. В общем, эта конструкция эффективно уменьшает движущиеся массы и трение, повышая стабильность форсунки, по сравнению с обычными системами. Кроме того, система впрыска топлива допускает применение очень коротких интервалов между последовательными впрысками топлива («hydraulic zero»). Число и конфигурация операций дозирования топлива может представлять до пяти отдельных впрысков в цикле впрыска топлива, для того чтобы адаптировать требования к режиму работы двигателя. Непосредственная реакция иглы распылителя на действие привода достигается согласованием управляющего клапана (сервоклапана) 5 с иглой распылителя форсунки. Период задержки между подачей электрического пускового сигнала и гидравлическим срабатыванием иглы распылителя составляет приблизительно 150 мс. Это приводит к противоречию между требованием высокого быстродействия иглы распылителя и исключительно малой воспроизводимостью количества впрыскиваемого топлива при быстродействии. Как результат этого принципа, форсунка имеет мало точек непосредственных утечек из полостей высокого давления в контур низкого давления. В результате имеет место повышение гидравлической эффективности всей системы. Принцип действия Работа сервоклапана в форсунке CR Игла распылителя в форсунке с пьезоэлектрическим приводом косвенно управляется сервоклапаном. Затем требуемое количество впрыскиваемого топлива регулируется периодом действия пускового сигнала клапана. При отсутствии пускового сигнала привод находится в исходном положении, и сервоклапан закрыт (рис. 7а), то есть ступень высокого давления отделена от ступени низкого давления. Рис.6. 1-Возврат топлива; 2-Подвод топлива высокого давления; 3-Модуль пьезоэлектрического привода; 4-Гидравлический преобразователь (транслятор); 5-Сервоклапан (управляющий клапан); 6-Модуль распылителя с иглой распылителя; 7-Сопловые отверстия. Распылитель форсунки удерживается в закрытом положении давлением в аккумуляторе топлива, созданном в управляющей камере 3. Когда пьезоэлектрический привод получает пусковой импульс, сервоклапан открывается и закрывает перепускной канал (рис. 7b). Перетекание потока между выпускным 2 и впускным 4 дросселями снижает давление в управляющей камере, и игла распылителя 5 поднимается. Управляющий поток топлива протекает через канал сервоклапана в контур низкого давления топливной системы. В начале процесса закрытия распылителя форсунки привод обесточивается, и сервоклапан открывает перепускной канал. Затем управляющая камера снова заполняется потоком топлива, который меняет направление между дросселями на впуске и выпуске, в результате давление в управляющей камере повышается. Как только давление достигнет требуемой величины, игла распылителя начнёт двигаться к седлу, и процесс впрыска заканчивается. Рис.7. а-Исходное положение; Ь-Игла распылителя открывается (байпас закрыт, нормальная работа с дросселями на выпуске и впуске); с-Распылитель закрывается (байпас открыт, оба дросселя пропускают топливо в управляющую камеру); 1-Сервоклапан (управляющий клапан); 2-Дроссель на выпуске; 3-Управляющая камера; 4-Дроссель на впуске; 5-Игла распылителя; 6-Перепускной канал. Описанная выше конструкция клапана и хорошие динамические характеристики привода проявляются в более коротких периодах впрыска по сравнению с форсунками обычных типов, то есть с толкателем и двухходовым (двухзатворным) клапаном. В конечном итоге оказывается положительное влияние на эмиссию вредных веществ с ОГ и на эффективные характеристики двигателя. Благодаря требованиям Европейского Союза (EU4) программа форсунок в картах характеристик была оптимизирована, чтобы применить корректирующие функции (компенсация подачи топлива форсунками IMA и калибровка «нулевой подачи» NMK). Величина предварительного впрыска топлива может быть тогда выбрана «по желанию», a IMA может минимизировать размах значений топливоподачи в программе карты характеристик, используя полностью баллистический режим (рис. 8). Работа гидравлического преобразователя. Другим ключевым компонентом форсунки с пьезоэлектрическим приводом является гидравлический преобразователь (3 на 9), который выполняет следующие функции: передаёт и усиливает ход привода; компенсирует любой люфт между приводом и сервоклапаном (например, вызванный термическим расширением); выполняет функцию защиты (автоматическое выключение подачи в случае обрыва электрических соединений). Модуль пьезоэлектрического привода и гидравлический преобразователь погружены в поток дизельного топлива под давлением около 10 бар. Когда привод не получает пусковой сигнал, давление в гидравлическом соединителе находится в равновесии с окружающим его пространством. Изменения длины, вызванные температурой, компенсируются небольшой утечкой топлива через зазоры двух направляющих плунжеров. Это всё время поддерживает баланс сил между приводом и переключающим клапаном. Рис.8. Карта характеристики подачи топлива форсункой с пьезоэлектрическим приводом. а-1600 бар; b-1200 бар; с-1000 бар; d-800 бар; е-250 бар. Для того чтобы генерировать впрыск топлива, требуется прикладывать к пьезоприводу электрическое напряжение порядка 110 - 150 вольт до тех пор, пока не будет изменён баланс сил между переключающим клапаном и приводом. Повышение давления в преобразователе вызывает небольшую утечку из него в полость низкого давления форсунки через зазоры в направляющем поршне. Последующее снижение давления в соединителе не оказывает влияния на работу форсунки в течение пускового периода, который длится несколько миллисекунд. В конце процесса впрыска требуется повторное заполнение гидравлического соединителя. Это происходит при смене направления движения потока топлива через зазоры в плунжерах в результате перепада давлений между гидравлическим преобразователем и полостью низкого давления форсунки. Направляющие зазоры и уровень низкого давления подбираются таким образом, чтобы полностью заполнить гидравлический преобразователь до начала следующего процесса впрыска топлива. Рис.9. 1-Низкое давление в канале с клапаном; 2-Модуль привода; 3-Гидравлический преобразователь. Пуск форсунки с пьезоэлектрическим приводом в системе Common Rail Управляющий сигнал на пуск форсунки формируется электронным блоком управления двигателя, выходной каскад которого специально спроектирован для форсунок такого типа. Эталонное электрическое напряжение пуска заранее определяется как функция давления в аккумуляторе топлива для установленной рабочей точки. Сигнал напряжения находится в импульсном режиме, пока имеется минимальное отклонение между эталонным и управляющим напряжением (рис. 10). Рис.10. а-Кривые тока и напряжения как пусковые импульсы форсунки; bКривые подъёма клапана и давления в преобразователе; с-Характеристики подъёма иглы распылителя и подачи топлива. Увеличение напряжения пропорционально преобразуется в ход пьезоэлектрического привода. Движение привода вызывает рост давления в преобразователе посредством гидравлической передачи до тех пор, пока давление не откроет переключающий клапан. Как только переключающий клапан достигнет конечного положения, давление в управляющей камере начинает падать (через иглу распылителя), и впрыск топлива прекращается. Преимущества форсунок с пьезоэлектрическим приводом Возможность организации многофазного впрыска топлива с адаптивными началом впрыска и интервалами между последовательными впрысками; Возможность получения очень небольшого количества впрыскиваемого топлива в фазе предварительного впрыска; Малый размер и небольшая масса форсунки (270 г против 490 г у обычных форсунок); Низкий уровень шума (меньше 3 дб [А]); Низкий расход топлива (на 3%); Низкий уровень эмиссии вредных веществ (на 20%); Повышение эффективных характеристик двигателя (на 7%). Топливные насосы высокого давления (ТНВД) Требования и конструкция ТНВД в топливной системе находится между ступенями низкого и высокого давления. ТНВД служит для создания высокого давления топлива, постоянно имеющего место на всех эксплуатационных режимах работы двигателя. В то же самое время, он должен работать в течение всего срока службы автомобиля. В его функции входят также обеспечение достаточного запаса топлива для быстрого пуска двигателя и быстрого повышения давления в аккумуляторе топлива. ТНВД создаёт постоянное высокое давление в системе (для аккумулятора топлива) независимо от количества впрыскиваемого топлива. По этой причине топливо не сжимается во время процесса впрыска, как это происходит в обычных топливных системах. В качестве ТНВД в топливных системах двигателей легковых автомобилей используется трёхплунжерный радиальный насос. В двигателях коммерческих автомобилей могут использоваться также двухплунжерные рядные ТНВД. Обычно ТНВД устанавливается на дизеле в том же месте, что и обычный ТНВД распределительного типа. Привод насоса осуществляется от коленчатого вала двигателя посредством муфты, шестерёнчатой передачи, цепи или зубчатого ремня. Частота вращения вала ТНВД, следовательно, определяется постоянным передаточным отношением от коленчатого вала. Плунжеры внутри ТНВД сжимают топливо, за один оборот вала осуществляется три хода нагнетания с перекрытием, то есть без прерывания подачи топлива. Таким образом, имеют место небольшие пиковые моменты привода и равномерная нагрузка на привод ТНВД. В топливных системах легковых автомобилей момент сопротивления привода ТНВД достигает 16 Н-м, то есть только 1/9 часть от величины момента сопротивления привода сопоставимого ТНВД распределительного типа. В результате система Common Rail предъявляет значительно меньшие требования на привод насоса по сравнению с традиционной системой впрыска топлива. Мощность, требуемая для привода ТНВД, повышается пропорционально давлению в аккумуляторе топлива и частоте вращения вала насоса (величина подачи). Мощность, затрачиваемая на привод ТНВД двухлитрового двигателя при номинальной частоте вращения и давлении в аккумуляторе топлива 1350 бар, составляет 3,8 кВт (при механическом КПД приблизительно 90%). Более высокая мощность, требующаяся на привод ТНВД в системе CR, по сравнению с обычными системами впрыска, вызвана наличием специальных утечек и наличием управляющих объёмов в форсунке, а также перепадом давления, до установленной в системе величины, на клапане управления давления (с ТНВД СР1). ТНВД радиального типа, используемые в топливных системах легковых автомобилей, смазываются дизельным топливом. Топливные системы коммерческих автомобилей могут иметь радиально-плунжерные ТНВД со смазкой топливом или маслом, а также двухплунжерные рядные ТНВД, смазываемые маслом. Насосы, смазываемые маслом, более устойчивы к воздействию дизельного топлива плохого качества. ТНВД, применяемые в топливных системах легковых и коммерческих автомобилей, могут иметь разную конструкцию. Существуют варианты различных поколений насосов с разными значениями величины подачи и давления топлива (таблица 1). ТНВД Bosch для топливных систем Common Rail Тип ТНВД Создаваемое давление, бар Смазка СР1 1350 Топливо СР1+ 1350 Топливо СР1H 1600 Топливо CP1H-OHW 1100 Топливо СР3.2 1600 Топливо СР3.2+ 1600 Топливо СР3.3 1600 Топливо СР3.4 1600 Масло СР3.4+ 1600 Топливо СР2 1400 Масло СРN2.2 1600 Масло СРN2.2+ 1600 Масло СРN2.4 1600 Масло Таблица.1. Н-повышенное давление; + Большая величина подачи топлива; OHW-Off-Highway. ТНВД радиально-плунжерного типа(СР1) Конструкция Вал привода в корпусе ТНВД СР1 установлен в центральном подшипнике (1 на рис. 1). Насосные элементы 3 (плунжеры) расположены радиально по отношению к центральному подшипнику под углами 120°. Эксцентрик 2 на валу ТНВД обеспечивает возвратнопоступательное движение плунжеров. Передача силы от вала привода ТНВД к плунжеру осуществляется посредством эксцентрикового ролика, скользящего на эксцентрике вала привода, и диском, соединенным с плунжером посредством обоймы. Принцип действия Подача и сжатие топлива. Топливоподкачивающий насос, электрический или шестерёнчатый с механическим приводом, подаёт топливо через фильтр и сепаратор воды на впуск 6 ТНВД. Впуск топлива в топливных системах легковых автомобилей с шестерёнчатыми топливоподкачивающими насосами, закреплёнными на фланце ТНВД, расположен внутри насоса. За впускным каналом расположен предохранительный клапан. Если давление, создаваемое топливоподкачивающим насосом, превышает давление открытия предохранительного клапана (0,5... 1,5 бар), то топливо проходит через дроссель клапана в контур смазки и охлаждения ТНВД. Вал привода с эксцентриком перемещает плунжер в соответствии с подъёмом эксцентрика. Топливо проходит через впускной клапан 4 ТНВД в камеру высокого давления насосного элемента, и при движении плунжера вниз реализуется ход впуска. После достижения нижней мёртвой точки НМТ плунжера впускной клапан закрывается, и топливо уже не может выйти из верхней камеры насосного элемента (плунжера). Затем при движении плунжера вверх топливо сжимается, давление повышается, и выпускной (нагнетательный) клапан 5 открывается, как только давление превысит его уровень в аккумуляторе топлива. Сжатое топливо поступает затем в контур высокого давления. Плунжер ТНВД продолжает подавать топливо до тех пор, пока не достигнет положения ВМТ (ход нагнетания). После этого давление падает, выпускной клапан закрывается, и плунжер перемещается вниз (оставшееся топливо не находится под давлением). Рис.1. 1-Вал привода; 2-Эксцентриковый ролик; 3-Насосный элемент с плунжером; 4-Впускной клапан4; 5-Выпускной (нагнетательный) клапан; 6-Впуск топлива. Когда давление в камере насосного элемента превышает давление подкачки, впускной клапан снова открывается, и процесс повторяется. Передаточное отношение Количество топлива, подаваемого ТНВД, пропорционально частоте вращения его вала. В свою очередь, частота вращения вала ТНВД зависит от частоты вращения двигателя. Передаточное отношение между двигателем и ТНВД определяется в процессе адаптации системы впрыска топлива к двигателю, так чтобы ограничить избыточный объём подаваемого топлива. Одновременно в полной мере должны быть обеспечены требования двигателя к подаче топлива при работе на режиме полной нагрузки (внешняя скоростная характеристика). Возможные передаточные отношения с коленчатым валом равны 1:2 или 2:3. Рис.2. 1-Фланец; 2-Корпус насоса; 3-Крышка насосной секции; 4Ниппель впуска топлива; 5-Штуцер высокого давления; 6-Ниппель возврата топлива; 7-Калапан регулирования давления; 8-Болт с цилиндрической головкой; 9-Сальник вала; 10-Вал привода. Величина подачи топлива Поскольку ТНВД проектируется из расчета большой величины подачи топлива, то при работе двигателя на минимальной частоте вращения холостого хода или на режимах малых нагрузок имеется избыток сжатого топлива. В топливных системах CR первого поколения с ТНВД типа СР1 избыточное топливо возвращалось в топливный бак клапаном регулирования давления в аккумуляторе топлива. Поскольку сжатое топливо расширяется, сообщённая ему энергия теряется, и общий КПД системы снижается. Сжатие и последующее расширение приводят также к нагреванию топлива. Радиально-плунжерный ТНВД(СР1Н) Модификации Улучшение энергетической эффекта возможно путём управления подачей топлива ТНВД регулированием производительности дросселированием на всасывании. Топливо, поступающее в насосный элемент, постоянно дозируется электромагнитным клапаном (дозирующее устройство ZME). Этот клапан адаптирует количество топлива, подаваемого в аккумулятор, в соответствии с требованиями системы. Такой способ управления подачей топлива не только снижает требования к характеристике ТНВД, но также уменьшает температуру нагрева топлива. Такая система, спроектированная для насоса типа СРЗ, была принята и для ТНВД СР1Н. Рис.3. 1-Фланец; 2-Эксцентриковый вал; 3-Втулка; 4Эксцентриковый ролик; 5-Корпус ТНВД; 6-Диск плунжера; 7Пружина; 8-Крышка насосной секции; 9-Ниппель возврата топлива; 10-Перепускной клапан; 11-Ниппель впуска топлива; 12-Фильтр; 13Дозирующее устройство; 14-Обойма; 15-Плунжер ТНВД. По сравнению с ТНВД СР1, ТНВД типа СР1Н спроектирован для создания более высокого давления, до 1600 бар. Это было достигнуто усилением механизма привода, модифицированием клапанов и внедрением мер по увеличению прочности корпуса ТНВД. Дозирующее устройство монтируется на корпусе ТНВД (13 на рис. 3). Конструкция дозирующего устройства (ZME) Конструкция дозирующего устройства показана на рис. 4. Дозирующее отверстие открывается в зависимости от положения плунжера, который управляется силой электромагнитного клапана. Управление происходит сигналом широтно-импульсной модуляции. Радиально-плунжерный ТНВД(СР3) Модификации Регулирование подачи топлива в ТНВД СРЗ осуществляется на стороне всасывания посредством дозирующего устройства ZME. Такая система регулирования впервые была применена в ТНВД СРЗ и позднее использована в насосах СР1Н. Принцип конструкции ТНВД СРЗ (рис. 5) подобен ТНВД типов СР1 и СР1Н. Основное отличие заключается в следующих деталях: корпус моноблок. Такая конструкция уменьшает число мест в контуре высокого давления, где возможны утечки, и допускает более высокую производительность; толкатели с опорой. Поперечные силы, возникающие в результате действия поперечного момента эксцентрика привода, воспринимаются не плунжерами, а специальной опорной втулкой на стенке корпуса насоса. ТНВД этого типа отличается большей стабильностью работы под нагрузкой и способностью противостоять высокому давлению. Потенциально он может выдерживать давление до 1800 бар. Рис.4. 1-Электрический разъём; 2-Корпус электромагнита; 3-Подшипник; 4-Якорь с толкателем; 5-Обмотка катушки; 6-Крышка; 7-Шайба воздушного зазора; 8-Магнитный сердечник; 9-Уплотнительное кольцо; 10-Плунжер с управляющими прорезями; 11Пружина; 12-Седло пружины. Варианты Семейство ТНВД типа СРЗ используется в топливных системах как легковых, так и коммерческих автомобилей. Число различных вариантов зависит от требуемой производительности ТНВД. Размерность и, следовательно, величина подачи увеличиваются от модели СР3.2 к СР3.4. ТНВД СР3.4 со смазкой маслом используется только в тяжёлых грузовых автомобилях. В лёгких грузовиках и коммерческих автомобилях других типов (пикапы) могут также использоваться ТНВД, первоначально спроектированные для легковых автомобилей. Особенностью топливных систем тяжёлых грузовиков, а также грузовиков средней грузоподъёмности, является топливный фильтр, расположенный на стороне давления. Он устанавливается между шестерёнчатым топливоподкачивающим насосом и ТНВД и благодаря большей ёмкости для отсеиваемых частиц, допускает длительный интервал замены фильтрующего элемента. В любом случае ТНВД требует внешнего соединения на впуске топлива, даже если шестерёнчатый топливоподкачивающий насос закреплён на фланце ТНВД. Рис.5. ТНВД типа СР3, с дозирующим устройством и шестеренчатым топливоподкачивающим насосом. Радиально-плунжерный ТНВД СР2 Конструкция ТНВД типа СР2 со смазкой маслом и регулируемой топливоподачей используется только в коммерческих автомобилях. Это двухплунжерный рядный насос, то есть с последовательно расположенными плунжерами (рис. 6). Шестерёнчатый топливоподкачивающий насос с высоким передаточным отношением расположен на конце кулачкового вала. Этот насос служит для забора топлива из топливного бака и подачи его в фильтр тонкой очистки топлива. После фильтра топливо проходит по другой линии к дозирующему устройству в верхней части корпуса ТНВД. Дозирующее устройство регулирует количество подаваемого для сжатия топлива в зависимости от требований двигателя, также как и в других системах Common Rail последнего поколения. Смазочное масло подаётся или непосредственно через монтажный фланец СР2, или через впускной канал, расположенный сбоку корпуса ТНВД. Передаточное отношение с коленчатым валом равно 1:2. ТНВД СР2 устанавливаются в стандартное место для топливных систем с рядными ТНВД. Принцип действия Топливо поступает в насосный элемент, и после сжатия подаётся в аккумулятор топлива через комбинированный впускной/ выпускной клапан на корпусе ТНВД СР2. Рис.6. 1-Дроссель «нулевой подачи»; 2-Дозирующее устройство; 3Внутреннее шестерёнчатое зацепление; 4-Шестерня привода топливоподкачивающего насоса; 5-Шестерёнчатый топливоподкачивающий насос; 6-Штуцер высокого давления; 7Комбинированный впускной/ выпускной клапан; 8-Плунжер с керамическим покрытием («С-coated»); 9-Возвратная пружина плунжера; 10-Впуск масла; 11-Ось ролика с керамическим покрытием («С-coated»); 12-Кулачок с вогнутой поверхностью. Аккумулятор топлива высокого давления Назначение Аккумулятор топлива служит для поддержания высокого давления топлива. Колебания давления топлива, вызванные пульсациями при подаче топлива ТНВД и циклическим характером процесса впрыска, демпфируются в объёме аккумулятора топлива. Это обеспечивает постоянство давления топлива в момент открытия форсунки. С одной стороны, для выполнения этого требования объём аккумулятора должен быть достаточно большим. Но с другой стороны, он должен быть небольшим, чтобы обеспечивать достаточно быстрый подъём давления при пуске двигателя. Для оптимизации технических характеристик во время фазы проектирования топливной системы выполняются моделирующие расчёты. Кроме выполнения функции аккумулирования, аккумулятор топлива также распределяет его по форсункам. Конструкция Рис.7. 1-Аккумулятор топлива; 2-Клапан регулирования давления; 3-Линия возврата топлива из аккумулятора в топливный бак; 4-Вход топлива от ТНВД; 5-Датчик давления в аккумуляторе топлива; 6Линии высокого давления к форсункам. Аккумулятор топлива в виде трубчатого коллектора (1 на рис. 7) может иметь так много конструктивных решений, сколько имеется вариантов установки двигателей. На аккумуляторе топлива устанавливаются датчик давления 5 и предохранительный и/ или клапан регулирования давления 2. Принцип действия Сжатое топливо, подаваемое ТНВД, проходит по линии высокого давления 4 в аккумулятор топлива, откуда распределяется по форсункам (отсюда происходит термин «Common Rail» «аккумулятор топлива», «общий путь»). Давление топлива измеряется датчиком давления в аккумуляторе и регулируется до требуемой величины клапаном регулирования давления. В качестве альтернативы клапану регулирования давления, в зависимости от требований к системе впрыска, используется предохранительный клапан, в функцию которого входит ограничение давления в аккумуляторе топлива до максимально допустимого значения. Топливо под очень высоким давлением поступает из аккумулятора к форсункам по линиям высокого давления. Внутренняя полость аккумулятора постоянно заполняется сжатым топливом. Сжимаемость топлива под очень высоким давлением используется для достижения эффекта аккумулирования. После впрыска топлива форсунками давление в аккумуляторе топлива, даже при большой цикловой подаче, практически остаётся постоянным. Датчики высокого давления Применение Датчики высокого давления автомобильного применения используются для измерения давления топлива и тормозной жидкости. Рис.8. 1-Электрический разъём; 2-Вычислительный контур; 3-Стальная диафрагма с деформационными резисторами; 4- Соединительный штуцер; 5-Резьба. Датчик давления в аккумуляторе топлива дизеля Датчик давления в аккумуляторе топлива дизеля измеряет давление топлива, максимальное (номинальное) значение которого ртах равно 160 МПа (1600 бар). Величина давления регулируется замкнутой системой управления (с обратной связью) и остаётся практически постоянной, независимо от нагрузки и частоты вращения двигателя. Любые отклонения от заданной величины давления компенсируются клапаном регулирования давления. Датчик давления в аккумуляторе топлива бензинового двигателя В соответствии с названием, датчик измеряет давление в аккумуляторе топлива бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива (DI Motronic). Давление в аккумуляторе топлива является функцией нагрузки и частоты вращения двигателя, равно 5-12 МПа (50 - 120 бар) и используется также как действительное (измеряемое) значение для его регулирования в аккумуляторе в замкнутой системе управления. Установочное значение давления, зависящее от нагрузки и частоты вращения двигателя, сохраняется в карте характеристик и регулируется клапаном регулирования давления. Рис.9. 1-Электрический разъём; 2-Вычислительный контур; 3-Стальная диафрагма с деформационными резисторами; 4- Соединительный штуцер; 5-Резьба. Датчик давления тормозной жидкости /font> Установленный в гидравлическом модуляторе такой системы безопасности, как ESP, этот датчик высокого давления используется для измерения давления тормозной жидкости, которое обычно равно 25 МПа (250 бар). Максимальное значение давления рmах может достигать 35 МПа (350 бар). Измерение и отслеживание величины давления осуществляется электронным блоком управления двигателя с учётом обратной связи (обратных сигналов). Конструкция и принцип действия Основным компонентом датчика является стальная диафрагма с деформационными резисторами, нанесённым на неё методом осаждения паров в форме мостовой схемы (3 на рис. 8). Диапазон измерения датчика давления зависит от толщины диафрагмы (более толстая диафрагма предназначена для измерения более высоких давлений, более тонкая - для измерения более низких давлений). При подаче давления через соединительный штуцер 4 к одной стороне диафрагмы, сопротивление резисторов моста изменяется вследствие её деформации (приблизительно 20 мкм при 1500 бар). Выходное напряжение (0 - 80 мВ), генерируемое в схеме моста, передаётся в вычислительный контур, который усиливает сигнал в диапазоне 0...5 В. Этот сигнал является входным сигналом электронного блока управления двигателя, который сопоставляет значение сигнала с величиной хранящейся в памяти карт характеристик для расчёта величины давления (рис. 9). Клапан регулирования давления Функция Клапан регулирования давления служит для поддержания давления в аккумуляторе топлива как фактор нагрузки двигателя, например: клапан открывается, когда давление в аккумуляторе топлива становится слишком высоким. Тогда часть топлива возвращается в топливный бак по общей линии возврата топлива; клапан закрывается при очень низком давлении в аккумуляторе топлива, разъединяя контуры высокого и низкого давления. Рис.10. 1-Электрический разъём; 2-Пружина клапана; 3-Якорь; 4-Корпус клапана; 5-Катушка электромагнита; 6-Шаровой клапан; 7- Опорное кольцо; 8Уплотнительное кольцо; 9Фильтр; 10-Впуск топлива высокого давления; 11Корпус клапана; 12-Слив в контур низкого давления. Конструкция Клапан регулирования давления (рис. 10) имеет установочный фланец, крепящийся к корпусу ТНВД или к аккумулятору топлива. Якорь 5 прижимает шаровой клапан 6 к седлу, разделяя контуры высокого и низкого давления. Запирающее усилие шарового клапана достигается совместным действием сил электромагнита 4 и пружины клапана 2. Топливо обтекает якорь, обеспечивая его смазку и охлаждение. Рис.11. 1-Фильтр; 2-Соединительная кромка; 3-Шаровой клапан; 4-Уплотнительное кольцо; 5-Посадочная часть со стопорным кольцом; 6-Якорь; 7-Катушка электромагнита; 8-Электрический разъём; 9-Пружина клапана. Принцип действия Клапан регулирования давления имеет два контура управления с обратной связью: медленный замкнутый контур управления для установки среднего переменного уровня давления в аккумуляторе топлива; замкнутый контур быстрого гидромеханического управления для выравнивания высокочастотных пульсаций давления. Клапан регулирования давления не активирован Высокое давление в аккумуляторе топлива или ТНВД приложено к клапану регулирования давления через линию подачи топлива высокого давления. Поскольку обесточенный электромагнит не создаёт никакую силу, то сила давления превышает силу затяжки пружины клапана. Клапан регулирования давления открывается в большей или меньшей степени в зависимости от величины подачи топлива форсунками. Пружина клапана рассчитана на поддержание давления приблизительно 100 бар. Клапан регулирования давления активирован Если давление в контуре высокого давления должно быть увеличено, то сила действия электромагнита прибавляется к силе действия пружины, клапан регулирования давления активируется и закрывается до достижения равновесия между силой высокого давления и совместной силой, создаваемой электромагнитом и пружиной клапана. В этом положении клапан остаётся частично открытым, поддерживая постоянное давление в аккумуляторе топлива. Изменения в величине подачи ТНВД и отбор топлива из аккумулятора форсунками компенсируется изменением проходного сечения клапана. Сила, создаваемая электромагнитом, пропорциональна величине управляющего тока, который изменяется широтно-импульсной модуляцией. Частота импульсов порядка одного килогерца достаточно высока, чтобы предотвратить вредное движение якоря или пульсации давления в аккумуляторе топлива. Рис.12. 1-Вставка клапана; 2-Плунжер клапана; 3-Ступень низкого давления; 4-Корпус клапана; 5-Пружина; 6-Диафрагменный диск. Конструкция Клапан регулирования давления DRV1 используется в системах Common Rail первого поколения. Топливные системы CR второго и третьего поколений работают по концепции использования двух приводов. В данной системе давление в аккумуляторе топлива регулируется как клапаном регулирования давления, так и дозирующим устройством. В этом случае используется или клапан регулирования давления DRV1, или DRV3 как вариант клапана рассчитанный на более высокие давления. Такая стратегия управления обеспечивает меньший нагрев топлива и исключает необходимость в охладителе топлива. Клапан типа DRV2/3 (рис. 11) отличается от клапана DRV1 по следующим признакам: жёсткое уплотнение поверхности раздела высокого давления (соединительная кромка); оптимизированный магнитный контур (меньшие энергетические затраты); гибкая концепция установки. Предохранительный клапан Функция Предохранительный клапан выполняет функцию ограничителя давления. Последняя версия предохранительного клапана имеет теперь встроенную функцию аварийного режима «доехать до дома» («limp- home»). Предохранительный клапан ограничивает давление в аккумуляторе топлива путём открытия сливного отверстия, когда давление превышает установленный предел. Функция «limp-home» обеспечивает поддержание определённого давления в аккумуляторе топлива, чтобы дать возможность автомобилю продолжать движение без больших ограничений. Конструкция и принцип действия Предохранительный клапан (рис. 12) имеет механическое устройство и состоит из следующих деталей: Корпус с наружной резьбой для завёртывания в коллектор аккумулятора топлива; Соединение 3 с линией возврата топлива в топливный бак; Плунжер 2; Возвратная пружина 5 плунжера. В конце резьбовой части клапана, которая заворачивается в аккумулятор топлива, внутри клапана имеется отверстие, уплотняемое коническим концом плунжера, то есть седло плунжера. При нормальном рабочем давлении пружина прижимает плунжер к седлу, тем самым герметично закрывая аккумулятор топлива. Только в случае превышения установленной максимально допустимой величины давления в аккумуляторе плунжер под действием этого давления, преодолевая сопротивление пружины, отходит от седла, в результате чего топливо под высоким давлением может выходить из аккумулятора. Топливо через каналы проходит в центральное отверстие плунжера и по общей линии возвращается в топливный бак. Таким образом, при открытом предохранительном клапане давление в аккумуляторе топлива снижается.
