Дизельные двигатели с системой впрыска Common rail

Федеральное агентство по образованию

Волгоградский Государственный Технический Университет

Кафедра «Автомобильный транспорт»

Электрооборудование автомобилей

Реферат

«Дизельные двигатели с системой впрыска Common rail»

Волгоград 2010г.

Содержание

Введение

1 Характеристики системы впрыска

1.1 Характеристики системы впрыска с распределительным устройством

1.2 Характеристики системы впрыска Common Rail

2 Устройство основных элементов системы Common rail

2.1Схема системы впрыска

2.2 Элементы подачи топлива под низким давлением

2.3 Подача топлива под высоким давлением

2.4 Фазы впрыска топлива

Вывод

Список источников

Введение

Ужесточение законодательных экологических требований, предъявляемых к автомобильным двигателям, заставило моторостроителей интенсивно совершенствовать процессы их работы. На тяжелой технике дизели обосновались давно и прочно. Но в области более легких машин - легковых автомобилей, пикапов, легких фургонов и даже автопогрузчиков с грузоподъемностью до 3 тонн - им пришлось вытеснять моторы, потребляющие более легкое топливо - бензин. В конце XX века конкуренция между бензиновыми и дизельными двигателями заметно обострилась. Создатели бензиновых моторов добились отличных результатов, выпустив на рынок новейшее поколение двигателей с непосредственным впрыском бензина в камеру сгорания. Их экономичность почти достигла «дизельных» величин. Но разработанная европейскими и японскими производителями легких дизелей принципиально новая схема подачи топлива дала дизелю новые силы для борьбы за существование в рыночной нише легковых автомобилей. Речь идет о системе Common Rail.

1 Характеристики системы впрыска

1.1 Характеристики системы впрыска с распределительным устройством

В обычных системах впрыска топлива с распределительным устройством и насосом прямого впрыска система впрыска включает только главную фазу впрыска - без контрольного и позднего впрыска. На распределительном топливном насосе с электромагнитным управлением действия происходят с приближением к контрольной фазе впрыска топлива. В обычных системах операции создания давления и регулировки количества впрыскиваемого топлива соединены друг с другом за счет взаимодействия кулачка и плунжера топливного насоса. Это оказывает следующее влияние на характеристики впрыска топлива:

- давление впрыска увеличивается вместе с увеличением скорости и количества поступающего в двигатель воздуха;

- в течение фактического процесса впрыска давление впрыска увеличивается и затем уменьшается до заключительного давления впрыска.

В результате этого имеют место следующие последствия:

- впрыскивается меньшее количество топлива с более низким давлением, чем количество поступающего в двигатель воздуха;

- пиковое давление составляет более чем удвоенное среднее значение давления впрыска;

- в соответствии с требованиями для эффективного сгорания кривая скорости разгрузки фактически является треугольной.

Пиковое давление является решающим для механической нагрузки элементов топливного насоса и его привода. На обычных системах впрыска топлива это является решающим для качества формирования смеси в камере сгорания.

Рис.1 - Кривая скорости разгрузки для обычной системы впрыска топлива

1.2 Характеристики системы впрыска Common Rail

По сравнению с обычными системами впрыска для получения идеальной характеристики впрыска необходимо выполнить следующие требования:

- для каждого эксплуатационного режима двигателя необходимо разделение узла, создающего давление, и узла впрыска топлива;

- в начальный момент впрыска количество впрыскиваемого топлива должно быть низким насколько это возможно (т.е. должна учитываться инерционность между начальным моментом впрыска и началом воспламенения).

Эти требования выполняются системой впрыска «Common Rail» - аккумуляторной топливной системой - с ее контрольными и главными фазами впрыска.

«Common Rail» представляет собой блочную систему и, по сути, следующие узлы ответственны за характеристику впрыска топлива:

- форсунки с электромагнитным управлением, ввернутые в головку цилиндров;

- аккумулятор высокого давления;

- топливный насос высокого давления.

Рис.2 - Кривая скорости разгрузки для системы впрыска топлива Common Rail

Также для функционирования системы необходимы следующие узлы:

- электронное контрольное устройство ECU;

- датчик частоты вращения коленчатого вала;

- датчик положения распределительного вала (датчик фазы).

В легковых автомобилях для создания давления используется радиальный поршневой насос высокого давления, при этом давление создается независимо от процесса впрыска топлива. Производительность насоса прямо пропорциональна частоте вращения коленчатого вала двигателя. По сравнению с обычными системами впрыска фактическое нагнетание топлива является однородным, т.е. в Common Rail топливный насос высокого давления не только имеет меньшие размеры, но и его привод в меньшей степени подвержен пиковым нагрузкам.

Топливные форсунки соединены с рейкой короткими трубопроводами и, по существу, включают распылители и соленоидальный клапан, управляемый ECU. После прекращения подачи напряжения на соленоидальный клапан впрыск топлива прекращается. Предполагая постоянное давление, количество впрыскиваемого топлива прямо пропорционально отрезку времени, в течение которого открыт соленоидальный клапан. Этот процесс полностью независим от частоты вращения коленчатого вала двигателя и частоты вращения насоса (впрыск топлива в зависимости от времени).

Высокоскоростное переключение соленоида достигнуто за счет использования высокого напряжения и тока. Это означает, что необходимо использовать специально разработанный соленоидальный клапан, обеспечивающий площадку в момент открытия. Момент впрыска определяется системой управления EDC (Electronic Diesel Control - Электронное управление дизельным двигателем), которая использует датчик частоты вращения коленчатого вала и датчик положения распределительного вала для фазового определения рабочего цикла.

2 Устройство основных элементов системы Common rail

2.1Схема системы впрыска

Топливная система Common Rail включает ступень подачи топлива под низким давлением и ступень подачи топлива под высоким давлением и ЭБУ.

Рис.3 - Схема системы впрыска топлива Common Rail:

1 - топливный насос высокого давления; 2 - топливный фильтр; 3 - топливный бак с предварительным топливным фильтром и подкачивающим топливным насосом; 4 - ЭБУ; 5 - блок управления свечами накаливания; 6 - аккумуляторная батарея; 7 - аккумулятор высокого давления; 8 - датчик давления; 9 - клапан ограничения давления; 10 - датчик температуры топлива; 11 - форсунка; 12 - свеча накаливания; 13 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 14 - датчик частоты вращения коленчатого вала
15 - датчик положения распределительного вала; 16 - датчик температуры поступающего в двигатель воздуха;17 - датчик давления наддува (BPS); 18 - измеритель расхода воздуха; 19 - турбокомпрессор; 20 - позиционер EGR; 21 комбинация приборов; 22 - датчик положения педали акселератора;23 - тормозные контакты; 24 - переключатель на педали сцепления; 25 - датчик скорости; 26 - блок управления скоростью автомобиля; 27 - компрессор кондиционера; 28 - блок управления кондиционером; 29 - диагностический прибор с разъемом.

2.2 Элементы подачи топлива под низким давлением

Подача топлива под низким давлением системы Common Rail включает:

- топливный бак с предварительным топливным фильтром;

- подкачивающий топливный насос;

- топливный фильтр;

- топливопроводы низкого давления.

Подкачивающий топливный насос

Электрический подкачивающий топливный насос с предварительным топливным фильтром непрерывно подает определенное количество топлива из топливного бака к топливному насосу высокого давления. Насос не только подает топливо, но в пределах работы системы безопасности должен прекратить подачу топлива в случае аварии, т.е. при включенном зажигании и остановленном двигателе.

Топливный насос состоит из трех основных элементов:

- насоса;

- электродвигателя;

- крышки.

Топливный фильтр

Недостаточная очистка топлива может привести к повреждению узлов топливного насоса высокого давления, нагнетательных клапанов и распылителей форсунок. Топливный фильтр очищает топливо перед его поступлением в топливный насос высокого давления и таким образом предотвращает преждевременный износ в чувствительных узлах насоса.

Дизельное топливо может содержать воду или в связанной форме (эмульсия), или в свободной форме (например, конденсация паров воды при изменении температуры). Если вода попадет в систему впрыска, это может привести к коррозии элементов системы впрыска, поэтому устанавливается предупредительная сигнализация, которая включает контрольную лампу в комбинации приборов, если необходимо слить воду из топливного фильтра.

2.3 Подача топлива под высоким давлением

Подача топлива под высоким давлением системы Common Rail включает:

- топливный насос высокого давления с клапаном регулировки давления;

- топливопроводы высокого давления;

- аккумулятор высокого давления (rail) с датчиком давления, ограничителем давления, ограничителем потока, форсунками;

- возвратный топливопровод.

Топливный насос высокого давления

Топливный насос высокого давления через топливопроводы высокого давления подает топливо под давлением 1350 бар в аккумулятор высокого давления.

Топливный насос высокого давления расположен на границе ступеней низкого и высокого давления топлива. При всех эксплуатационных режимах срок службы топливного насоса соответствует сроку службы автомобиля.

Топливный насос смазывается дизельным топливом. Топливо сжимается тремя поршнями, установленными радиально под углом 120° друг к другу. Насос подает три порции топлива за один оборот коленчатого вала. Для дизельного двигателя с рабочим объемом 2,0 л, работающего с номинальной частотой вращения коленчатого вала и создаваемым давлением 1350 бар, для привода насоса необходима мощность 3,8 кВт с учетом механического к.п.д. приблизительно 90 %.

Рис.4 - ТНВД (продольное сечение):

1 - приводной вал; 2 - эксцентриковый кулачок; 3 - насосный элемент с плунжером насоса; 4 - отсек насосного элемента; 5 - всасывающий клапан; 6 - выпускной клапан; 7 - уплотнение; 8 - соединение высокого давления к аккумулятору давления; 9 - шариковый клапан; 10 - возврат топлива; 11 - подача топлива от подкачивающего топливного насоса; 12 - предохранительный клапан с дроссельным отверстием; 13 - подача топлива под низким давлением к насосному элементу.

Рис.5 - ТНВД (поперечное сечение):

1 - приводной вал; 2 - эксцентриковый кулачок; 3 - насосный элемент с плунжером насоса; 4 - всасывающий клапан; 5 - выпускной клапан; 6 - вход.

Функционирование насоса

Подкачивающий топливный насос подает топливо через фильтр с отделителем воды ко входу и предохранительному клапану топливного насоса высокого давления. Топливо через дроссельное отверстие предохранительного клапана смазывает подвижные элементы насоса, а также охлаждает его. Приводной вал с эксцентриковыми кулачками перемещает три плунжера насоса вверх и вниз в соответствии с формой кулачка. Как только давление подачи превышает давление открытия предохранительного клапана (0,5... 1,5 бар), подкачивающий насос заставляет топливо пройти через впускной клапан топливного насоса высокого давления в отсек насосного элемента, поршень которого перемещается вниз (такт впуска). Впускной клапан закрывается, когда поршень насоса проходит через НМТ и, так как топливо не может вытечь из отсека насосного элемента, оно сжимается независимо от давления подачи.

Увеличивающееся давление открывает выпускной клапан и, как только достигается давление, равное давлению в аккумуляторе, сжатое топливо входит в контур высокого давления. Поршень насоса продолжает поставлять топливо, пока не достигает ВМТ (нагнетательный ход), после чего давление уменьшается и выпускной клапан закрывается. Топливо, остающееся в отсеке насосного элемента, расширяется и поршень насоса перемещается вниз. Как только давление в отсеке насосного элемента уменьшается ниже давления, создаваемого подкачивающим насосом, впускной клапан открывается и процесс повторяется.

Так как производительность насоса превышает потребление топлива двигателем, избыточное топливо под высоким давлением через клапан регулировки давления возвращается в топливный бак. Это приводит к ненужному нагреву топлива и снижению общего КПД.

Аккумулятор высокого давления

Рис.6 - Аккумулятор высокого давления:

1 - аккумулятор высокого давления; 2 - вход от топливного насоса высокого давления; 3 - датчик давления в аккумуляторе; 4 - возврат топлива в топливный бак; 5 - к топливной форсунке.

Давление, создаваемое топливным насосом высокого давления, распространяется через аккумулятор и топливопроводы к форсунке. Одновременно, за счет объема топлива в аккумуляторе уменьшаются колебания давления топлива, создаваемые топливным насосом высокого давления и открывающимися форсунками. Сжимаемость топлива как следствие высокого давления используется для достижения эффекта аккумулятора. Давление топлива измеряется датчиком и поддерживается на требуемом уровне клапаном регулирования давления.

Топливопроводы высокого давления

Топливопроводы высокого давления предназначены для передачи топлива из аккумулятора высокого давления к форсункам и должны противостоять высокочастотным колебаниям давления, возникающим при работе двигателя. Топливопроводы изготовлены из стали и имеют наружный диаметр 6 мм и внутренний диаметр 2,4 мм. Все топливопроводы высокого давления должны иметь одинаковую длину. Разность расстояния между аккумулятором и каждой топливной форсункой компенсируется за счет изгибания топливопроводов.

Датчик давления

Рис.7 - Датчик давления:

1 - электрические контакты; 2 - печатная плата и контур цепи;

3 - диафрагма с элементом датчика; 4 - соединение высокого давления; 5 - резьба датчика.

Датчик давления передает сигнал ЭБУ, который соответствует реальному давлению в аккумуляторе давления.

Датчик давления состоит из следующих элементов:

- объединенного элемента датчика, приваренного к корпусу;

- печатной платы с электрическим контуром;

- корпуса датчика с электрическим разъемом.

Топливо под давлением через отверстие воздействует на диафрагму датчика, на которой установлен элемент датчика (полупроводниковое устройство) преобразующий давление в электрический сигнал. Через контакты разъема и электрическую цепь генерированный и усиленный сигнал передается ECU. Датчик работает следующим образом: при изменении формы диафрагмы изменяется электрическое сопротивление слоев, приклеенных к диафрагме. Изменение давления на 1500 бар приводит к изменению формы диафрагмы на 1 мм.

В зависимости от прикладываемого давления выходное напряжение датчика изменяется от 0 до 70 мВ и после усиления составляет 0,5-4,5 В. Точное измерение давления в аккумуляторе необходимо для правильного функционирования системы впрыска топлива. В рабочем диапазоне измерительная точность должна находиться в пределах ±2%. При выходе датчика давления из строя клапан регулировки давления переходит в режим «диафрагма» и система впрыска, используя запасную (мягкую) функцию, принимает заранее заданную величину давления.

Клапан ограничения давления

Клапан ограничения давления выполняет ту же функцию, что и клапан избыточного давления. В случае избыточного давления клапан открываясь ограничивает давление в аккумуляторе. Давление открытия клапана ограничения давления - 1500 бар.

Клапан ограничения давления - механическое устройство, включающее следующие элементы:

- корпус с наружной резьбой для вворачивания в аккумулятор давления;

- соединение трубки возврата топлива в топливный бак;

- подвижный плунжер;

- пружину.

Форсунки

Рис.8 - Форсунка:

1 - возврат топлива; 2 - электрический разъем; 3 - пусковой элемент (соленоидальный клапан); 4 - вход топлива от аккумулятора давления; 5 - шариковый клапан; 6 - отверстие утечки; 7 - отверстие подачи; 8 - отсек управления клапаном; 9 - плунжер управления клапаном; 10 - канал подачи топлива к распылителю; 11 - игла распылителя.

Форсунка обеспечивает подачу нужного количества топлива в камеру сгорания. В точно установленный момент ЕCU передает сигнал возбуждения к соленоиду форсунки, что означает начало подачи топлива. Количество впрыскиваемого топлива определяется периодом открытия распылителя и давлением в системе. Топливо, возвращающееся от клапана регулирования давления и ступени низкого давления, подается в коллектор вместе с топливом, которое осуществляло смазку топливного насоса высокого давления.

Рис.9 - Диаграммма работы форсунки

Форсунка состоит из следующих узлов:

- распылителя;

- гидравлической системы;

- соленоидального клапана.

Топливо от резьбового соединения высокого давления через канал подается к распылителю и через отверстие подачи в отсек управления клапаном. Отсек управления клапаном соединен с возвратным топливопроводом через отверстие утечки, соединенное с соленоидальным клапаном. При закрытии отверстия утечки гидравлическое усилие, прикладываемое к плунжеру управления клапаном, превышает усилие от давления на конусный торец иглы распылителя. В результате игла распылителя опускается вниз и герметично перекрывает подачу топлива под высоким давлением в камеру сгорания.

При открытии соленоидального клапана форсунки открывается отверстие утечки, что приводит к снижению давления в отсеке управления клапаном, в результате чего также уменьшается гидравлическое давление на плунжер. Как только гидравлическое усилие становится ниже усилия от давления на конусный торец иглы распылителя, игла распылителя открывается и топливо впрыскивается в камеру сгорания. Это непрямое управление иглой распылителя с использованием гидравлической системы увеличения усилия применяется потому, что силы, которые требуются для быстрого открытия иглы, не могут быть генерированы непосредственно соленоидальным клапаном. Так называемое количество топлива для управления, необходимое для открытия иглы распылителя, подается в дополнение к количеству топлива, которое необходимо фактически ввести в цилиндр, и оно через отверстие утечки, соединенное с соленоидальным клапаном, подается в возвратный топливопровод.

В дополнение к количеству топлива для управления также происходит потеря топлива в направляющих толкателя клапана и игле распылителя.

Действие форсунки при работе двигателя и создании давления топливным насосом высокого давления подразделяется на следующие четыре этапа:

- форсунка закрыта (с приложением высокого давления);

- форсунка открывается (начало впрыска топлива);

- форсунка открыта полностью;

- закрытие форсунки (окончание впрыска топлива).

При выключенном двигателе и отсутствии давления в аккумуляторе давления пружина распылителя закрывает форсунку.

Форсунка закрыта

В неподвижном состоянии соленоидальный клапан форсунки не возбуждается и поэтому закрыт. Отверстие утечки закрыто и пружина клапана прижимает шарик к гнезду отверстия утечки. Высокое давление от аккумулятора давления увеличивается в отсеке управления клапаном и одновременно присутствует в объеме отсека иглы распылителя. Давление от аккумулятора давления, прикладываемое в торцевой поверхности плунжера управления, вместе с силой пружины иглы распылителя удерживает иглу в закрытом положении, противодействуя против сил открытия, приложенных в стадии давления.

Форсунка открывается

Форсунка находится в неподвижном положении. Соленоидальный клапан возбуждается током, который обеспечивает быстрое открытие клапана. Немедленно большой ток, подаваемый к соленоиду, уменьшается до тока, достаточного для удержания соленоидального клапана в открытом положении. Когда открывается отверстие утечки, топливо вытекает из отсека управления клапаном в полость, расположенную над клапаном, и оттуда через возвратный трубопровод в топливный бак.

Усилие, созданное соленоидом, превышает усилие пружины и открывается отверстие утечки, что приводит к снижению давления в отсеке управления клапаном, в результате чего также уменьшается гидравлическое давление на плунжер. Как только гидравлическое усилие становится ниже усилия от давления на конусный торец иглы распылителя, игла распылителя открывается и топливо впрыскивается в камеру сгорания.

Скорость открытия иглы распылителя определяется разностью в скорости потока через отверстие утечки и отверстие подачи. Плунжер управления достигает верхнего положения, где имеется подушка топлива, образованная потоком топлива между отверстиями утечки и подачи топлива. В этом положении распылитель форсунки полностью открыт и топливо впрыскивается в камеру сгорания под давлением, равным давлению в аккумуляторе давления.

Закрытие форсунки

После прекращения подачи напряжения к соленоидальному клапану клапанная пружина перемещает якорь вниз и шарик закрывает отверстие утечки. Якорь состоит из двух частей. Однако, несмотря на то, что пластина якоря управляется плечиком при перемещении вниз, он может «отпружинить» с возвратной пружиной так, что не появятся силы, действующие вниз на якорь и шарик.

При закрытии отверстия утечки гидравлическое усилие, прикладываемое к плунжеру управления клапаном, превышает усилие от давления на конусный торец иглы распылителя. В результате игла распылителя опускается вниз и герметично перекрывает подачу топлива под высоким давлением в камеру сгорания. Скорость движения иглы распылителя определяется потоком через отверстие подачи.

2.4 Фазы впрыска топлива

Контрольный впрыск топлива

Контрольный впрыск топлива может производиться в положении коленчатого вала 90° до ВМТ. Если начало впрыска топлива происходит менее чем 40° до ВМТ, топливо может откладываться на поверхности поршня и стенках цилиндра и привести к нежелательному растворению его в моторном масле. При контрольном впрыске небольшое количество дизельного топлива подается в цилиндр в «предварительно условную» камеру сгорания.

Эффективность сгорания топлива может быть улучшена и достигнуты следующие эффекты:

- давление сжатия незначительное для начала реакции и неполного сгорания топлива, что, в свою очередь, приводит к:

- задержке воспламенения главного впрыска топлива;

- уменьшению давления при сгорании топлива и сглаживанию пиков давления (более мягкому сгоранию).

Эти эффекты уменьшают шум от сгорания, уменьшают расход топлива и во многих случаях уменьшают токсичность отработавших газов. В случае скорости разгрузки без контрольного впрыска топлива в соответствии со сжатием имеет место только незначительное увеличение давления перед ВМТ, которое достигает максимума относительно резко в точке максимального давления.

Главный впрыск топлива

Энергия, необходимая для работы двигателя, появляется от последовательного главного впрыска топлива. Это означает что, по существу, главный впрыск топлива обеспечивает крутящий момент коленчатого вала двигателя. С аккумуляторной системой Common Rail давление впрыска фактически постоянно в течение всего процесса впрыска.

Дополнительный впрыск топлива

Дополнительный впрыск топлива может привести к догоранию NOx. Это приводит к тому, что главный впрыск топлива продолжается в течение 200° после ВМТ в течение рабочего такта и такта выпуска. Дополнительный впрыск топлива обеспечивает подачу определенного количества топлива в отработавшие газы.

В отличие от контрольного и главного впрысков впрыскиваемое топливо не воспламеняется, а в виде пара забирает остаточное тепло из отработавших газов. В течение такта выпуска смесь отработавших газов и топлива через выпускные клапаны попадает в систему выпуска отработавших газов. Часть топлива через систему рециркуляции отработавших газов EGR возвращается в цилиндры для догорания и приводит к тому же эффекту, что и контрольный впрыск топлива. Каталитические нейтрализаторы NOx используют топливо в отработавших газах как исполнительное устройство для уменьшения содержания NOx в отработавших газах.

Так как дополнительный впрыск топлива приводит к растворению моторного масла, такой впрыск должен быть одобрен изготовителем двигателей.

Вывод

С появлением системы впрыска топлива Common Rail дизельные двигатели перестают быть шумными и дымными. Существенно улучшается мягкость их работы, приемистость и улучшаются топливно-экономические показатели. И все это достигается на любом режиме работы двигателя. Это увеличивает потребительскую привлекательность дизельных двигателей и способствует их активному распространению в классе легковых и малых коммерческих автомобилей.

Список источников

1) http://automn.ru/ - Руководства по ремонту и обслуживанию автомобилей (электронный ресурс).

2) http://www.os1.ru/ - Журнал о спецтехнике и автотранспорте (электронный ресурс).