Тел.: +7 (48438) 6-18-63

Системы впрыска дизельного топлива Common Rail

Требования, предъявляемые к системам впрыска дизельного топлива, непрерывно возрастают. Возросшие давления, малое время переключения и адаптация количества подаваемого топлива к условиям работы двигателя сделали дизельный двигатель экономичным, чистым и мощным.

Одна из самых перспективных и гибких, на сегодняшний день, систем дизельного впрыска, аккумуляторная система с общей топливной рампой (Common Rail). Эта система способна в широком диапазоне изменять давление впрыска топлива, момент впрыска и его продолжительность. Это достигается за счет разделения систем создания давления (насос высокого давления) и впрыска топлива (форсунки). В качестве аккумулятора давления здесь используется топливная рампа.

Система Common Rail является чрезвычайно гибкой топливной системой, позволяющей адаптировать процесс впрыска топлива к двигателю. Это достигается за счет:

- адаптации давления впрыска к условиям работы двигателя (изменение давления от 200 до 2200 бар);

- точное регулирование момента начала подачи топлива;

- возможность использования многоступенчатого (многократного) впрыска топлива (в том числе поствпрыска топлива со значительным опозданием);

Таким образом система Common Rail  позволяет повысить эффективную мощность двигателя, снизить уровень шума и содержание вредных веществ в отработавших газах.

Конструкция

Система Common Rail состоит из следующих функциональных групп: системы (контура) низкого давления, включающей компоненты подачи топлива; системы (контура) высокого давления, включающей насос высокого давления (ТНВД), топливную рампу (Rail), форсунки, топливопроводы высокого давления и электронную систему управления двигателем (EDC).

Основными компонентами системы Common Rail являются форсунки, соединенные с топливной рампой. Каждая форсунка снабжена быстродействующим клапаном (электромагнитным, или клапаном с пьезоэлектрическим приводом), который открывает, или закрывает распылитель форсунки. Это позволяет управлять процессом подачи топлива в каждый цилиндр.

 

Ниже приведена примерная гидравлическая схема системы Common Rail автомобиля MAN.

 

 

Система низкого давления

В системах низкого давления для легковых и лёгких коммерческих автомобилей, для подачи топлива к насосу высокого давления (ТНВД) используются электрические, или шестеренчатые топливоподкачивающие насосы. На тяжелых коммерческих автомобилях используются исключительно шестеренчатые топливоподкачивающие насосы.

Системы с электрическим топливоподкачивающим насосом.

Электрический топливный насос устанавливается в топливном баке, или встраивается в линию подачи топлива к ТНВД. На линии всасывания насоса, обычно, устанавливается фильтр грубой очистки топлива. Для обеспечения быстрого пуска двигателя, насос включается, как только водитель включил зажигание.

Системы с шестеренчатым топливоподкачивающим насосом.

Шестеренчатый топливоподкачивающий насос крепится фланцем к топливному насосу высокого давления и приводится в действие от его выходного вала. Шестеренчатый топливоподкачивающий насос начинает действовать только после прокрутки коленчатого вала двигателя стартером.

Комбинированные системы.

Существуют, также, системы с насосами обоих типов. Электрический топливоподкачивающий насос улучшает условия пуска двигателя, особенно прогретого, так как горячее топливо имеет меньшую вязкость, снижающую производительность шестеренчатого топливоподкачивающего насоса. Кроме того, шестеренчатый топливоподкачивающий насос имеет низкую производительность при малых скоростях вращения.

Фильтрация топлива.

В отличии от легковых автомобилей, на коммерческих автомобилях топливный фильтр тонкой очистки топлива устанавливается на стороне нагнетания топливоподкачивающего насоса.

Создание давления впрыска

В аккумуляторных системах впрыска топлива функции создания давления и впрыска топлива разделены. Давление впрыска создаётся независимо от частоты вращения коленчатого вала и количества впрыскиваемого топлива. Управление всеми компонентами осуществляет электронная система управления дизельным двигателем (EDC). Функции создания давления и впрыска топлива разделяются аккумуляторным объемом топливной рампы. Топливо под давлением, готовое к впрыску, находится в аккумуляторной топливной рампе. Требуемое давление впрыска создаётся непрерывно работающим, от привода двигателя, насосом высокого давления. Давление в топливной рампе поддерживается независимо от частоты вращения коленчатого вала. Насос высокого давления (ТНВД) представляет собой радиально-плунжерный насос. На некоторых коммерческих автомобилях иногда устанавливается и рядный насос высокого давления.

Регулирование давления.

Регулирование давления впрыска может осуществляться различными способами.

Регулирование в контуре высокого давления.

Требуемое давление в топливной рампе регулируется при помощи клапана регулирования давления. Через клапан регулирования давления топливо, которое не требуется для подачи в цилиндры, возвращается в контур низкого давления. Такая система регулирования обеспечивает быструю реакцию на изменения условий работы двигателя (изменения нагрузки).

Регулирование давления путём изменения подачи на стороне всасывания ТНВД.

Другим способом регулирования давления в топливной рампе является регулирование подачи топлива на стороне всасывания ТНВД. Дозирующий клапан, установленный в линии всасывания насоса высокого давления обеспечивает подачу топлива в топливную рампу в строгом соответствии с требуемым давлением впрыска. В случае неисправности дозирующего клапана, срабатывает аварийный клапан сброса давления, предотвращая, таким образом, создание давления выше максимально допустимого. Регулирование на стороне всасывания позволяет уменьшить количество топлива, находящегося под давлением и уменьшить, соответственно, требуемую мощность насоса высокого давления. Это положительно влияет и на расход топлива. Кроме того, температура топлива, возвращаемого в бак, ниже, по сравнению с регулированием в контуре высокого давления.

 

 

Комбинированная система регулирования давления.

Комбинированная система регулирования давления сочетает регулирование на стороне всасывания при помощи дозирующего клапана с регулированием в контуре высокого давления при помощи клапана-регулятора высокого давления, что позволяет использовать преимущества каждого из этих способов. Ещё одним преимуществом комбинированной системы регулирования является то, что на холодном двигателе насос высокого давления подаёт больше топлива, чем требуется для впрыска и давление регулируется клапаном регулирования давления. В результате сжатия топливо нагревается, что исключает необходимость в дополнительном подогревателе топлива.

Впрыск топлива.

Форсунки подают топливо непосредственно в камеры сгорания двигателя. Топливо подаётся к форсункам по коротким трубопроводам высокого давления, присоединённым к топливной рампе. На линии высокого давления, между форсунками и рампой, устанавливаются ограничители подачи топлива, которые предотвращают неконтролируемый выход топлива в случае зависания, в открытом состоянии, иглы распылителя, или разрыве трубопровода высокого давления.

 

fuellimiter

Управление открытием и закрытием распылителей форсунок осуществляется блоком управления двигателя. Количество впрыскиваемого топлива определяется давлением топлива в системе и длительностью открытия распылителя форсунки. При постоянном давлении количество подаваемого топлива пропорционально продолжительности включения электромагнитного клапана форсунки. В этом случае количество подаваемого топлива не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя и скорости вращения насоса высокого давления (впрыск топлива по времени).

Перспективы системы.

Разделение функций создания давления и впрыска топлива открывает дополнительные возможности оптимизации процессов сгорания топлива по сравнению с обычными системами дизельного впрыска топлива. Давление впрыска топлива может, относительно свободно, выбираться в пределах таблицы калибровочных значений.

Применение системы Common Rail позволяет ещё более снизить содержание вредных веществ в отработавших газах за счет многократного впрыска топлива и значительно уменьшить уровень шума, генерируемого в процессе сгорания топлива. Многократный впрыск (до восьми циклов впрыска в течение рабочего такта) можно осуществить посредством многократного включения быстродействующего электромагнитного клапана форсунки. Для ускорения закрытия клапана и быстрого прекращения цикла впрыска может использоваться гидравлическое давление.

Системы управления и регулирования

Принцип действия:

Блок управления двигателем определяет положение педали подачи топлива и рабочие состояния двигателя и автомобиля при помощи различных датчиков.

Поступающие, в блок управления, данные включают:
- Скорость вращения и угол поворота коленчатого вала;
- Давление в топливной рампе;
- Давление всасываемого воздуха;
- Температуру охлаждающей жидкости, топлива и воздуха;
- Массовый расход воздуха;
- Скорость вращения колёс (для вычисления скорости движения автомобиля).

Электронный блок управления выполняет обработку входных сигналов. В режиме реального времени он осуществляет управление клапаном регулировки давления, или дозирующим клапаном, форсунками и другими исполнительными механизмами (например: приводом управления турбокомпрессором, клапаном рециркуляции отработавших газов);

Основные функции.

Основные функции заключаются в точном регулировании продолжительности впрыска и количестве впрыскиваемого топлива при постоянном давлении. Это обеспечивает низкий расход топлива и стабильность рабочих характеристик.

Функции коррекции для вычисления параметров впрыска топлива.

Функции коррекции служат для компенсации разброса параметров компонентов системы впрыска топлива и двигателя.

- Компенсация разброса подачи топлива форсункой (коррекция разброса подачи топлива новыми форсунками с использованием данных испытаний, выполненных на заводе-изготовителе, записанных в память блока управления).
- Калибровка нулевой подачи топлива (компенсация дрейфа количества впрыскиваемого топлива с использованием коротких тестовых впрысков и оценки сигнала угловой скорости коленчатого вала в режиме высокого разрешения по времени).
- Контроль баланса топлива (разброс параметров компонентов системы спрыска топлива и двигателя, вызывающий различия значений крутящего момента, создаваемого отдельными цилиндрами. Коррекция количества подаваемого топлива вычисляется исходя из возникающего, в результате этого разброса, колебания угловой скорости вращения коленчатого вала).
- Адаптация среднего значения цикловой подачи топлива (среднее значение количества подаваемого топлива вычисляется по сигналам кислородного датчика, датчика массового расхода воздуха и массового расхода топлива. Величина коррекции вычисляется посредством сравнения значения уставки с фактическими значениями.

 

Дополнительные функции.

Дополнительные функции регулирования в режиме регулирования с обратной связью и без обратной связи выполняют задачи снижения содержания вредных веществ в отработавших газах и расхода топлива, или обеспечения дополнительного комфорта и безопасности. Некоторыми примерами являются:

 

  • - Управление системой рециркуляции отработавших газов.
  • - Управление системой круиз-контроля.
  • - Управление электронным иммобилайзером.

 

 

Интеграция электронной системы управления дизельным двигателем в общую сеть автомобиля облегчает обмен данными с другими системами, например, системой управления трансмиссией, или системой кондиционирования воздуха. Диагностический интерфейс облегчает анализ данных при поиске неисправностей.

Форсунки

 

Форсунки с электромагнитным клапаном.

Конструкция и принцип действия.

Форсунка с электромагнитным клапаном включает в себя несколько функциональных модулей:

распылитель; гидравлический мультипликатор и электромагнитный клапан.

Схематический разрез форсунки Common Rail грузового автомобиля:

 

CRIN

 

Из магистрали высокого давления топливо по впускному каналу поступает к распылителю и через подающий дроссель в камеру управления клапаном мультипликатора.

 

multiplicator

 

Камера управления клапаном мультипликатора через спускной дроссель и запорный шарик клапана соединяется с линией возврата топлива. Во время работы двигателя и насоса высокого давления форсунка может находиться в одном из четырёх положений. Рабочие положения форсунки определяются балансом сил, воздействующих на компоненты форсунки. Пружина распылителя закрывает распылитель форсунки, когда двигатель не работает и давление в топливной рампе отсутствует. Такое косвенное управление иглой распылителя форсунки, использующее систему мультипликатора, позволяет обеспечивать очень быстрый подъём иглы, что невозможно сделать путем прямого воздействия электромагнитного клапана. "Управляющая" доза топлива, необходимая для подъёма иглы распылителя форсунки, является дополнительной, по отношению к действительному количеству, подаваемого в камеру сгорания, топлива, поэтому это количество топлива направляется обратно, в линию возврата топлива через спускной дроссель. Кроме "управляющей" дозы, в линию возврата топлива, также, выходят утечки через зазоры в направляющих иглы распылителя форсунки.

При подаче на обмотку электромагнита электрического тока (тока подрыва клапана) происходит очень быстрое открытие электромагнитного клапана (требуемое высокое быстродействие достигается подачей на обмотку электромагнитного клапана высокого напряжения). Возникающая сила электромагнита превышает усилие пружины анкера (якоря) и анкер поднимает шарик клапана из седла, открывая дроссельное отверстие отвода топлива. Через короткое время ток в обмотке снижается до величины удержания анкера в верхнем положении. Через открытое дроссельное отверстие топливо поступает из камеры управления клапаном мультипликатора в полость над ней и, по возвратному топливопроводу, возвращается в топливный бак. Дроссельное отверстие подающего дросселя препятствует полной компенсации давления, в результате чего давление в камере управления мультипликатора снижается и становится ниже давления в камере распылителя, которое остаётся таким же, как давление в топливной рампе. В результате понижения давления в камере управления клапаном мультипликатора, шток мультипликатора поднимается, а вместе с ним и поднимается игла распылителя, открывая подачу топлива в камеру сгорания. Топливо впрыскивается  в камеру сгорания под давлением, близким к давлению в топливной рампе, а величина цикловой подачи (количества подаваемого топлива) пропорциональна продолжительности открытого состояния электромагнитного клапана и не зависит от скорости вращения коленчатого вала двигателя и вала ТНВД.

При обесточивании электромагнитного клапана пружина анкера сдвигает его вниз, и шарик клапана закрывает отверстие спускного дросселя. При этом давление в камере управления, через подающий дроссель снова возрастает до величины давления в топливной рампе. Это вызывает увеличение усилия, воздействующего на шток мультипликатора, которое, совместно с усилием пружины распылителя, становится больше открывающего усилия, воздействующего на иглу распылителя, что приводит к опусканию иглы в её седло и закрытию распылителя. Цикл подачи топлива заканчивается.

 

CRIN2

 

Распылители

Система Common Rail предъявляет к распылителям форсунок весьма высокие требования. РРаспылители должны быть тщательно подобраны к данному двигателю по условиям его работы. Конструкция распылителя определяет такие важные показатели топливной системы как:

- дозирование топлива; период подачи топлива и цикловую подачу по углу поворота коленчатого вала двигателя (в градусах);

- управление подачей топлива (число сопловых отверстий, их эффективное проходное сечение, форма факела струи и качество распыления топлива) и распределение топлива по объёму камеры сгорания.

В дизельных двигателя с непосредственным впрыском топлива и топливной системой Common Rail применяются многоструйные сопловые закрытые распылители "Тип Р" с диаметром иглы распылителя форсунки 4 мм.

Эти распылители по конструкции запирающего элемента "игла-седло" бывают двух типов:

- распылители с подыгольным объёмом;

- распылители с запирающим конусом;

Конструкция и устройство.

Отверстия в сопловой части распылителя располагаются в зависимости от расположения форсунки, относительно камеры сгорания в днище поршня. Количество отверстий и их диаметр зависят от:

- количества впрыскиваемого топлива;

- формы камеры сгорания в поршне;

- закручивания потока топлива в камере сгорания;

Кромки сопловых отверстий закругляются методом гидроэррозионой обработки для:

- предотвращения износа кромок абразивными частицами, содержащимися в топливе;

- для ужесточения допуска по расходу через отверстие;

 

Nozzle_2

Для снижения выбросов углеводородов очень важно, чтобы объём ниже кромки седла иглы распылителя, заполняемый топливом, был сведен к минимуму. Это достигается использованием распылителей с запирающим конусом.

Устройство распылителей.

Распылители с запирающим конусом:

для того, чтобы максимально уменьшить остаточный объём, следовательно снизить выбросы углеводородов в отработавших газах, вход соплового отверстия располагается на конической поверхности седла и, при закрытом распылителе, закрывается иглой. Это означает, что нет непосредственного сообщения между между подыгольным объёмом и камерой сгорания.

Nozzle

Подыгольный объём в таких распылителях значительно меньше, чем в рассмотренных ниже распылителях с подыгольным объёмом. По сравнению с распылителями с подыгольным объёмом, распылители с запирающим конусом имеют намного меньший предел нагрузки и, следовательно, изготавливаются с размерами по типу "Р" с длиной сопловых отверстий 1 мм.

Из соображений прочности, сопловый наконечник распылителя имеет конусную форму. Отверстия в этих распылителях выполняются электроэррозионным методом.

Распылители с подыгольным объёмом:

сопловые отверстия распылителей с подыгольным объёмом   коническим наконечником иглы всегда выполняются электроэррозионным методом. Форма подыгольной полости этих распылителей может быть цилиндрической, или конической с с самими объёмами различных размеров.

Распылитель с цилиндрической поверхностью подыгольного объёма и со скругленным наконечником запорной иглы. Такой распылитель имеет цилиндрическую и полусферическую части, что позволяет иметь большую свободу выбора, касающуюся:

- количества сопловых отверстий;

- длины сопловых отверстий;

- углов факела распыления;

Nozzle_1_1

Полусферическая форма наконечника иглы, вместе с формой подыгольного объёма, обеспечивают одинаковую длину сопловых отверстий.

Распылитель с цилиндрической полостью подыгольного объёма и коническим наконечником иглы распылителя.

Распылители с такой формой используются исключительно с сопловыми отверстиями длиной 0,6 м. Коническая форма наконечника иглы позволяют увеличить толщину стенки между радиусом скругления корпуса распылителя и седлом иглы, что увеличивает прочность распылителя.

Распылитель с конической полостью подыгольного объёма и с коническим наконечником иглы распылителя:

Этот вариант распылителя имеет меньший подыгольный объём, сравнительно с подыгольным объёмом цилиндрической формы. Такая конструкция находится между распылителем с запирающим конусом и распылителем с подыгольным объёмом цилиндрической формы. Для того, чтобы обеспечить стенку равной толщины, форма конического наконечника распылителя соответствует форме подыгольного объёма.

Авторские права © 2009
Дизельный автосервис
"Дизель Трак". 
Все права защищены.

Вход с паролем

Администрирование

Наши контакты

Часы работы: 
с 08:00 до 17:00 в будние дни
с 08.00 до 14.00 в субботу
Выходной воскресенье.

Адрес: 249000, Калужская обл., г.Балабаново, Киевское шоссе, 96 км 

Тел.: +7 (48438) 6-18-63

e-mail: diezzell@mail.ru

Социальные сети

 
Scroll to top