Дизельные двигатели отличаются высо­кой экономичностью. Начиная с момен­та создания первого серийного ТНВД в 1927 году, системы впрыска постоянно совершенствуются.

Дизели выпускаются в различных мо­дификациях (рис. «Области применения систем впрыска дизельного топлива» и табл. «Свойства и характеристики важнейших дизельных систем впрыска»), в числе ко­торых:

• Силовые агрегаты для мобильных дизель-генераторов (до 10 кВт/цилиндр);
• Быстроходные дизели для легковых и легких грузовых автомобилей (до 50 кВт/цилиндр);
• Дизели для строительных, сельско­хозяйственных и лесотехнических машин (до 50 кВт/цилиндр);
• Дизели для тяжелых грузовых авто­мобилей, автобусов и тягачей (до 80 кВт /цилиндр);
• Стационарные дизели, например для аварийных систем электро­снабжения (до 160 кВт/цилиндр);
• Дизели для тепловозов и судов (до 1000 кВт/цилиндр).

 

Требования к системам впрыска

 

Большие ограничения по уровню эмис­сии отработавших газов и уровню шума работы, наряду с обеспечением более низкого расхода топ­лива, постоянно формируют новые тре­бования к системе впрыска дизельных двигателей.

 

 

Принципиально система впрыска должна обеспечивать хорошее смесеобра­зование в соответствии с заданным про­цессом сгорания топлива (непосредствен­ный впрыск или разделенные камеры сго­рания) и работу с высоким давлением (в настоящее время — от 350 до 2050 бар) в камере сгорания дизеля, а также дозиро­вать при этом подачу топлива с макси­мальной точностью. Регулирование на­грузки и частоты вращения коленчатого вала дизеля производится изменением величины цикловой подачи топлива без дросселирования подаваемого воздуха.

 

 

Механические регуляторы частоты вращения коленчатого вала в системах впрыска для дизелей все более вытесня­ются электронными системами регули­рования. Новые дизели легковых и грузо­вых автомобилей комплектуются исклю­чительно такими системами.

 

Типы конструкций систем впрыска

 

Задача системы впрыска для дизелей со­стоит в том, чтобы подавать топливо под высоким давлением в камеру сгорания цилиндра в нужном количестве и в нуж­ный момент.

Форсунки в зависимости от исполь­зуемого процесса впрыскивания устана­вливаются в основную или дополни­тельную камеру сгорания. Если форсун­ки механические, то они открываются при определенной величине давления топлива, единой для всей системы впрыска. Закрытие форсунок происхо­дит при падении давления топлива. Ос­новное различие между системами впрыска состоит в механизме создания высокого давления. Из-за последнего все компоненты системы должны быть прецизионно изготовлены из высоко­прочных материалов и точно подогнаны друг к другу.

Реализация концепции электрон­ного регулирования позволяет осуще­ствлять различные дополнительные функции (например, активное демп­фирование толчков, регулирование плавности хода и скорости движения автомобиля, а также давления наддува).

 

Рядные ТНВД

 

Стандартные рядные ТНВД типа РЕ

 

Рядные ТНВД (рис. «Принцип работы рядного ТНВД») комплектуются плунжерными парами, состоящими из плунжера 4 и гильзы 1, по числу цилинд­ров двигателя. Плунжер смещается в на­правлении подачи (вверх на рис. «Принцип работы рядного ТНВД») встро­енным в ТНВД кулачковым валом 7, при­водимым от двигателя. Возвратная пру­жина 5 отжимает плунжер назад. Отдель­ные секции таких ТНВД располагаются, как правило, в ряд (поэтому насос и но­сит название «рядный»).

 

 

Когда верхний торец плунжера при движении вверх перекрывает впускное окно 2, давление начинает повышаться. Этот момент называется началом нагне­тания. Плунжер продолжает двигаться вверх, создавая избыточное давление, под действием которого подвижная игла в форсунке открывает отверстие распыли­теля и топливо впрыскивается в камеру сгорания.

Когда регулирующая кромка 3 спи­ральной канавки плунжера открывает впускное окно, куда топливо через канав­ку может перетекать обратно, давление сбрасывается. Игла распылителя форсун­ки перекрывает отверстие, и впрыскивание заканчивается.

 

 

Ход плунжера между закрытием и от­крытием впускного окна называется актив­ным ходом (параметр X на рис. «Принцип действия распределительного ТНВД с аксиальным движением плунжера и распределением топлива с помощью регулирующей кромки» и «Принцип работы рядного ТНВД» ). Поло­жение регулирующей кромки плунжера от­носительно впускного окна меняется пово­ротом 6 плунжера вокруг своей оси рейкой ТНВД. Таким образом, изменяется величи­на активного хода, что позволяет регулиро­вать величину цикловой подачи. Рейка уп­равляется механическим центробежным регулятором или электрическим приводом.

 

Рядные ТНВД с дополнительной втулкой

 

Эти топливные насосы отличаются от обычных дополнительной втулкой 8 (рис. «Принцип работы рядного ТНВД» Ь), подвижно размещенной на плунжере. Изменяя ее расположение (и соответственно меняя положение впускного окна) с помощью исполни­тельного механизма, можно обеспечить «предход» — изменять ход 9 плунжера до закрытия впускного окна. Этим достига­ется возможность регулирования момен­та начала впрыскивания независимо от частоты вращения коленчатого вала, г. е. ТНВД данного типа имеет по сравнению со стандартным рядным насосом серии РЕ дополнительную степень свободы.

 

Распределительные ТНВД

 

Распределительные ТНВД оснащаются единым нагнетающим элементом высо­кого давления для всех цилиндров (рис. «Принцип действия распределительного ТНВД с аксиальным движением плунжера и распределением топлива с помощью регулирующей кромки» и 3). Шиберный топливоподкачивающий насос нагнетает топливо в ка­меру 6 высокого давления, которое соз­дается с помощью аксиального плунже­ра 4 (рис. «Принцип действия распределительного ТНВД с аксиальным движением плунжера и распределением топлива с помощью регулирующей кромки») или нескольких радиальных плунжеров 4 (рис. «Принцип действия распределительного ТНВД с радиальным движением плунжеров и распределением топлива с помощью электромагнитного клапана»). Вращающийся цен­тральный плунжер-распределитель от­крывает и закрывает распределительные отверстия, направляя топливо через рас­пределительный паз 8 к отдельным фор­сункам двигателя. Продолжительность впрыскивания может изменяться пере­мещением регулирующей втулки 5 (рис. «Принцип действия распределительного ТНВД с аксиальным движением плунжера и распределением топлива с помощью регулирующей кромки») или с помощью электромагнит­ного клапана 5 высокого давления (рис. «Принцип действия распределительного ТНВД с радиальным движением плунжеров и распределением топлива с помощью электромагнитного клапана»).

 

Распределительные ТНВД с аксиальным движением плунжера (аксиальные насосы)

 

Кулачковая шайба 3 (рис. «Принцип действия распределительного ТНВД с аксиальным движением плунжера и распределением топлива с помощью регулирующей кромки»), жестко со­единенная с плунжером-распределителем, приводится во вращение от двигателя Число кулачков, выполненных в виде вы­ступов на рабочей поверхности шайбы, соответствует числу цилиндров двигате­ля. Шайба обкатывается по роликам 2, при наезде на которые кулачки приводят вращающийся плунжер-распределитель в дополнительное возвратно-поступатель­ное движение. По мере вращения привод­ного вала плунжер-распределитель совер­шает столько ходов, сколько требуется по числу цилиндров двигателя.

 

В аксиальных ТНВД с механическим центробежным регулятором или испол­нительным механизмом, управляемым электроникой, величины активного хо­да плунжера и цикловой подачи опреде­ляет положение регулирующей втулки 5 (рис. «Принцип действия распределительного ТНВД с аксиальным движением плунжера и распределением топлива с помощью регулирующей кромки»).

Установка момента начала впрыски­вания происходит поворотом роликово­го кольца на необходимый угол 1 (рис. «Принцип действия распределительного ТНВД с аксиальным движением плунжера и распределением топлива с помощью регулирующей кромки»).

 

Распределительные ТНВД с радиальным движением плунжеров (роторные насосы)

 

Насос с радиальными плунжерами также снабжен кулачковой шайбой 3, только, в отличие от аксиальных ТНВД, не торце­вой, а кольцевой (рис. «Принцип действия распределительного ТНВД с радиальным движением плунжеров и распределением топлива с помощью электромагнитного клапана»). Кроме того, имеется от двух до четырех радиальных плунжеров 4, создающих высокое давле­ние топлива. С помощью таких ТНВД могут достигаться более высокие значе­ния давления впрыскивания, чем у акси­альных ТНВД. Они отличаются к тому же более высокой механической прочно­стью.

Регулировка момента впрыскива­ния может осуществляться сдвигом ку­лачковой шайбы. Момент начала впры­скивания и продолжительность впры­скивания у этих ТНВД регулируется ис­ключительно электромагнитным кла­паном.

 

Распределительные ТНВД, регулируемые электромагнитным клапаном

 

В таких ТНВД дозирование цикловой по­дачи, равно как и изменение момента на­чала впрыскивания, происходит с помо­щью электромагнитного клапана высоко­го давления, оснащенного системой элек­тронного регулирования. Один или два электронных блока этой системы (для ТНВД и двигателя) в нужный момент вы­дают управляющие и распределительные сигналы. Если электромагнитный клапан закрыт, давление в камере 6 высокого да­вления нарастает. Если он открыт, давле­ние не увеличивается и топливо не попа­дает в магистрали, ведущие к форсункам.

 

 

Система индивидуальных ТНВД

 

Индивидуальные ТНВД серии PF

 

Индивидуальные ТНВД серии PF, каж­дый из которых рассчитан на работу с од­ной форсункой, изначально применялись для двигателей судов, тепловозов, строи­тельных машин, а также малых моторов. Они используются, кроме того, при экс­плуатации дизелей на вязких видах ди­зельного топлива.

Рабочий процесс аналогичен происхо­дящему в рядных ТНВД типа РЕ. Индиви­дуальные насосы — как все одноцилинд­ровые системы — не имеют собственного кулачкового вала. Их приводные кулачки расположены на распределительном валу механизма газораспределения дизеля.

У больших двигателей гидромехани­ческий или электронный регулятор час­тоты вращения коленчатого вала распо­ложен непосредственно на картере.

Величина цикловой подачи, опреде­ляемая регулятором частоты вращения, устанавливается с помощью рейки, еди­ной для нескольких ТНВД.

Из-за прямой связи плунжера с ку­лачковым валом установка момента нача­ла впрыскивания простым поворотом вала невозможна. Здесь перестановка уг­ла в пределах нескольких градусов пово­рота достигается установкой промежу­точного элемента. Возможно также упра­вление при помощи электромагнитного клапана.

 

Насос-форсунки (система UIS)

 

В насос-форсунке системы UIS (UIS — Unit Injector System) ТНВД и форсунка объединены в единый агрегат (рис. «Принцип действия насос форсунки»). Насос-форсунка устанавливается на каж­дый цилиндр двигателя. Она приводится в действие от кулачка распределительно­го вала двигателя непосредственно толка­телем или через коромысло.

Так как здесь отсутствуют магистра­ли высокого давления, то в форсунке могут быть достигнуты существенно более высокие (до 2050 бар) величины давления впрыскивания, чем в рядных или распределительных ТНВД. Протекание впрыскивания регулируется электромагнитным клапаном 3 высокого давления.

 

Система индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном (UPS)

 

Система индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном UPS (UPS — Unit Pump System) в принципе работает так же, как и предыдущая (рис. «Принцип действия индивидуального ТНВД с электромагнитным клапаном»). Отличие заключается в том, что форсунка и насос не являются единым агрегатом, их соединяет короткая магистраль 3 высокого давления. Это разделение элементов упрощает конструкцию и ее монтаж на двигателе. На каждый цилиндр приходится по форсунке, трубопроводу и насосной секции. Каждый плунжер приводится от кулачка 6 распределительного вала двигателя.

Как и у насос-форсунок, начало и продолжительность впрыскивания регулируются электроникой через быстродействующий электромагнитный клапан 4 высокого давления.

 

Система Common Rail

 

В аккумуляторной системе впрыска Common Rail (иногда обозначается как CR) функции создания высокого давления и впрыскивания разделены (рис. рис. «Принцип действия аккумуляторной системы Common Rail»). Давле­ние впрыскивания создается и регулиру­ется автономным ТНВД 1 независимо от частоты вращения коленчатого вала и ве­личины цикловой подачи. Оно поддержи­вается в топливном аккумуляторе 2 давле­ния для последующего впрыскивания. Эта система предоставляет гораздо большие возможности для варьирования параметров впрыскивания топлива, чем предыдущие. В каждый цилиндр двигателя устана­вливается форсунка. Впрыскивание топ­лива осуществляется открытием и за­крытием электромагнитного клапана 3 высокого давления. Момент впрыскива­ния и цикловая подача регулируются электронным блоком управления.

 

Истории развития систем впрыска

 

Развитие систем впрыска топлива для дизельных двигателей началось на фир­ме Bosch в конце 1922 г. Технические предпосылки для этого были благоприят­ными: проводились испытания различ­ных двигателей, развивалась производ­ственная база, вдобавок накопился бо­гатый опыт, полученный при создании масляных насосов. Конечно, специали­сты фирмы Bosch весьма рисковали, по­скольку ряд задач еще ждал своего ре­шения.

 

 

Первые серийные ТНВД фирмы Bosch появились в 1927 г. Точность их изготовления для того времени была уникаль­ной. Они были малогабаритными, легки­ми и позволяли дизелю работать с боль­шими нагрузками. Такие рядные ТНВД стали устанавливаться с 1932 г. на гру­зовых. а с 1936 г. — на легковых автомо­билях. С этого времени развитие дизе­лей и систем впрыска пошло невиданны­ми темпами.

В 1962 г. созданные фирмой Bosch рас­пределительные ТНВД с автоматическим регулированием параметров впрыски­вания дали развитию дизелей новый им­пульс. Более чем через два десятилетия в результате долгой исследовательской работы пошел в серийное производство электронный регулятор, также создан­ный специалистами фирмы Bosch. Прио­ритетными направлениями исследова­тельских работ в настоящее время явля­ются точное дозирование минимальных цикловых подач топлива и повышение давления впрыскивания. Это привело к появлению многих новинок в конструк­ции систем впрыска топлива (см. рис. «Области применения систем впрыска дизельного топлива»). Новые системы впрыска позволяют до­полнительно поднять потенциал дизе­лей. В результате наблюдается постоян­ное повышение мощности при одновре­менном снижении уровней шума и эмис­сии отработавших газов.