Эти варианты индивидуальных ТНВД, по сравнению с другими, имеют наибольшую величину давления впрыскивания. Они обеспечивают точно дозированную цикловую подачу топлива, оптимальную в конкретных условиях эксплуатации дизеля, и позволяют улучшить параметры токсичности, экономичности, шума, обеспечивая высокие номинальную мощность и крутящий момент.
Насос-форсунки (UIS)
Система насос-форсунок с управлением по времени, обозначаемая в зарубежной литературе как Unit Injector System (UIS), используется на дизелях с непосредственным впрыском топлива. Она придает более высокую эластичность работе двигателя.
Насос-форсунки устанавливаются на:
- Легковые и грузовые автомобили: от 3-цилиндрового мотора рабочим объемом 1,2 л, мощностью 45 кВт (61 л. с.) и крутящим моментом 195 Н-.м, до 10-цилиндрового двигателя рабочим объемом 5 л, мощностью 230 кВт (313 л. с.) и крутящим моментом 750 Н-м;
- Тяжелые грузовые автомобили: дизели мощностью до 80 кВт на цилиндр.
Поскольку в этой системе магистрали высокого давления отсутствуют, насос-форсунка имеет хорошую гидравлическую характеристику и способна развивать самые большие давления впрыскивания (до 2050 бар). На дизелях легковых автомобилей эта система позволяет обеспечить предварительное впрыскивание.
Механические ТНВД с электромагнитным клапаном (UPS)
Механические ТНВД с электромагнитным клапаном в зарубежной литературе обозначаются как Unit Pump System (UPS). В варианте для двигателей большого рабочего объема применяется обозначение PF..MV.
Как и для варианта с насос-форсунками, эта система обеспечивает управление по времени отдельными насосными элементами для дизелей с непосредственным впрыском топлива- Существует три разновидности конструкции:
- Для двигателей грузовых автомобилей, имеющих до восьми цилиндров, мощностью до 35 кВт на цилиндр (UPS12);
- Для двигателей тяжелых грузовых автомобилей, имеющих до восьми цилиндров, мощностью до 80 кВт на цилиндр (UPS20);
- Для двигателей строительной и сельскохозяйственной техники, тепловозов и судов, имеющих до двадцати цилиндров, мощностью до 500 кВт на цилиндр.
Область применения
Системы насос-форсунок и механических ТНВД с электромагнитными клапанами состоят из четырех отдельных блоков (рис. «Блоки систем UIS и UPS»):
- Контур низкого давления — поставляет топливо с необходимой интенсивностью;
- Контур высокого давления — создает требуемое давление впрыскивания и подает топливо в камеры сгорания двигателя;
- Система электронного регулирования — включает в себя блок управления с датчиками, приборами управления и исполнительными механизмами, образуя общую цепь управления и регулирования дизеля;
- Системы подачи воздуха и отвода отработавших газов — охватывают снабжение воздухом, рециркуляцию отработавших газов и их обработку.
рис. «Блоки систем UIS и UPS»
Модульная конструкция отдельных элементов подразумевает возможность легкого приспособления всей системы впрыска к той или иной конструкции двигателя.
Различия между системами
Существенным отличием насос-форсунок от ТНВД С электромагнитными клапанами является разный способ создания высокого давления топлива (рис. «Создание высокого давления в системах UIS и UPS»).
рис. «Создание высокого давления в системах UIS и UPS» а — насос-форсунка для легковых автомобилем; Ь — насос-форсунка для грузовых автомобилей с — индивидуальный ТНВД с электромагнитным клапаном для грузовых автомобилей. 1. Коромысло; 2. Распределительный вал; 3. Электромагнитный клапан высокого давления; 4. Распылитель; 5. Камера сгорания; 6. Форсунка; 7. Магистраль высокого давления; 8. Индивидуальный ТНВД.
В насос-форсунке ТНВД и форсунка объединены в одну конструкцию и встроены в головку блока непосредственно над каждым цилиндром. Так как магистраль высокого давления отсутствует, можно обеспечить очень высокое давление впрыскивания и его благоприятное протекание.
Система индивидуальных ТНВД с электромагнитными клапанами включает в себя индивидуальные насосы высокого давления («столбики») и форсунки, которые монтируются на дизеле как отдельные узлы, соединенные с индивидуальным ТНВД короткими магистралями высокого давления.
Благодаря этому облегчается размещение этих агрегатов на двигателе, обеспечение их привода, а также обслуживание.
Принцип действия
Как насос-форсунки, так и индивидуальные ТНВД с электромагнитными клапанами составляют дизельные системы впрыска с управлением по времени с помощью встроенного электромагнитного клапана Момент закрытии клапана определяет начало нагнетания. Продолжительность закрытого состояния клапана определяет величину цикловой подачи топлива. Оба параметра регулируются электронным блоком управления в соответствии с заложенными в него полями характеристик, при этом учитываются режим работы двигателя и состояние окружающей среды. Среди прочего используются следующие параметры:
- Рабочий ход педали газа;
- Угол поворота коленчатого вала;
- Частота вращения распределительного вала;
- Величина давления воздуха во впускном трубопроводе;
- Температуры воздуха на впуске, охлаждающей жидкости и топлива;
- Скорость автомобиля и т. д.
Эти величины воспринимаются датчиками и обрабатываются блоком управления. С использованием этой информации последний должен так регулировать работу двигателя, чтобы обеспечить оптимальную эксплуатацию автомобиля.
Создание высокого давления
Все индивидуальные ТНВД приводятся от распределительного вала двигателя — непосредственно или через коромысло. После закрытия электромагнитного клапана плунжер создает в контуре высокое давление такого уровня, что срабатывает распылитель форсунки. Когда электромагнитный клапан снова открывается, давление падает и распылитель прекращает впрыскивание топлива.
Управление и регулирование
Основные функции систем состоят в том, чтобы обеспечить впрыскивание дизельного топлива в нужный момент, в необходимом количестве и с возможно большим давлением. Тем самым обеспечивается малотоксичная, экономичная и нешумная работа дизеля.
Дополнительные регулировочные функции состоят и уменьшении уровня эмиссии отработавших газов и расхода топлива, а также в повышении надежности и комфорта работы дизеля.
Для достижения этих целей используются:
- Рециркуляция отработавших газов;
- Регулирование давления наддува;
- Регулирование скорости автомобиля;
- Управление электронным противоугонным устройством и т. д.
Диагностический интерфейс позволяет использовать данные, заложенные в память управляющей системы, при обслуживании и ремонте автомобиля.
Конфигурация блока управления
Блок управления работой дизеля расположен непосредственно на двигателе. В некоторых случаях на грузовых автомобилях тепло, выделяемое электронными элементами, необходимо изводить от корпуса блока через встроенные радиаторы, использующие в качестве охладителя топливо. Блок управления включает в себя, наряду с входными схемами и микроконтроллером, все оконечные каскады для управления электромагнитными клапанами.
рис. «Насос-форсунка для легкового автомобиля»
Соединение «ведущий — ведомый»
Современные блоки управления включают в себя шесть оконечных каскадов. На двигателях, у которых больше шести цилиндров, используются два блока управления, объединенные в контур «ведущий — ведомый». Благодаря этому обеспечивается большая мощность микроконтроллера. Некоторые функции закреплены за одним блоком управления (например, коррекция цикловой подачи топлива). Другие функции могут гибко распределяться между приборами (например, восприятие сигналов от датчиков).
Системы рециркуляции и очистки отработавших газов
Рециркуляция отработавших газов на легковых автомобилях
Рециркуляция отработавших газов, которые подаются через специальный клапан во впускной трубопровод, является эффективным процессом, направленным на уменьшение содержания NOx в отработавших газах. Охлаждение рециркулирующих газов увеличивает положительный эффект процесса, который уже давно используется на дизелях легковых автомобилей, в основном в области малых нагрузок и низких частот вращения коленчатого вала.
Рециркуляция отработавших газов на грузовых автомобилях
Дизели для грузовиков сегодня большей частью оснащаются системами турбонаддува. В этом случае, как правило, при высокой нагрузке нет перепада давления между выпускным коллектором перед турбиной и впускным трубопроводом после нагнетателя. Так как в этом диапазоне нагрузок рециркуляция охлажденных отработавших газов становится невозможной, необходимо дополнительное оборудование, как, например, турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины, регулируемым сопловым аппаратом или управляемым клапаном.
Очистка отработавших газов
Чтобы соответствовать постоянно ожесточающемся нормам токсичности, все большее значение приобретает очистка отработавших газов непосредственно на двигателе. Это относится прежде всего к тяжелым легковым и грузовым автомобилям. Многие системы еще разрабатываются, и сложно сказать, какими они будут. Вот примеры некоторых возможных систем:
- Дизельный окислительный нейтрализатор;
- Различные фильтры твердых частиц;
- Аккумулирующий нейтрализаторNOx;
- Селективный нейтрализатор.
Смешанная (четырехкомпонентная) система скомбинирована так, что имеет возможность снижать уровень эмиссии СО, СН, NOx и твердых частиц. Эта система требует управления, особенно чувствительного к мощности двигателя.
Более подробно системы очистки отработавших газов описаны в следующих разделах.
Схема системы насос-форсунок для легковых автомобилей
На рис. «Система UIS для легкового автомобиля» в полном объеме показаны все агрегаты системы впрыска с насос-форсунками для восьмицилиндрового дизеля легконого автомобиля R зависимости от типа автомобиля и условий применения отдельные узлы могут не использоваться.
Для более наглядного представления, сенсоры и исполнительные механизмы (А) на этой схеме не представлены. Исключение составляют компоненты системы очистки отработавших газов (F), поскольку их расположение важно для понимания работы системы.
С помощью шины CAN в блоке «Панель приборов» (В) возможен обмен информацией между самыми различными агрегатами и системами, такими как:
- Стартер;
- Генератор;
- Электронное противоугонное устройство;
- Управление дополнительными приводами;
- Регулирование противобуксовочным устройством;
- Электронный программатор стабилизации.
К шине CAN могут подключаться также панель приборов 12 и климатическая установка 13.
рис. «Система UIS для легкового автомобиля»
| Двигатель, система управления его работой и агрегаты контура высокого давления 24. Аккумулятор 25. Распределительный вал 26. Насос-форсунка 27. Свеча накаливания 28. Дизель 29. Блок управлении двигателем (ведущий) 30. Блок управления двигателем (ведомый) М — крутящий моментА — Датчики и исполнительные механизмы1. Датчик положения педали газа 2. Датчик выключения сцепления 3. Контакты тормозов 4. Задающие элементы регулятора скорости автомобиля 5. Включение свечи накаливания (выключатель стартера и свечей накаливания) 6. Датчик скорости автомобиля 7. Индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала 8. Датчик температуры охлаждающей жидкости 9. Датчик температуры воздуха на впуске 10. Датчик давления во впускном трубопроводе 11. Датчик массового расхода воздуха на впуске В — Панель приборов
|
С — Снабжение топливом (контур низкого давления) 16. Топливный фильтр с перепускным клапаном 17. Топливный бак с фильтром грубой очистки и электрическим топливоподкачивающим насосом 18. Датчик уровня топлива 19. Радиатор топлива 20. Клапан ограничения давления топливаD — Дополнительные системы 21. Дополнительное дозирование 22. Дополнительный контрольно-управляющий прибор 23. Дополнительный бакЕ — Снабжение воздухом 31. Охладитель рециркулирующих отработавших газов 32. Регулятор давления наддува 33. Турбонагнетатель (здесь с изменяемой геометрией турбины) 34. Заслонка впускного трубопровода 35. Регулятор рециркуляции 36. Вакуумный насосF — Очистка отработавших газов 37. Датчик температуры отработавших газов 38. Нейтрализатор окислительный 39. Сажевый фильтр 40. Датчик перепада давлений 41. Подогреватель отработавших газов 42. Датчик уровня NO, 43. Широкополосный лямбда-зонд 44. Аккумулирующий нейтрализатор NO, 45. Двухрежимный лямбда зонд 46. Каталитически очищаемый сажевый фильтр |
Для очистки отработавших газов может использоваться любая из трех возможных комбинированных систем (а, b или с).
Схема работы систем UIS и UPS для грузовых автомобилем
На рис. «Системы UIS и UPS для грузового автомобиля» показаны все агрегаты системы насос-форсунок для 6-цилиндрового дизеля грузового автомобиля. Для некоторых типов автомобилей и видов применения отдельные узлы не используются.
Узлы системы электронного регулирования (датчики, исполнительные механизмы н блок управления работой дизеля), снабжения топливом и воздухом, а также очистки отработавших газов в этих системах совершенно различны, главным образом по контурам высокого давления.
рис. «Системы UIS и UPS для грузового автомобиля»
| Двигатель, его управление и агрегаты контура высокого давления 22. Индивидуальный ТНВД («столбик») и форсунка 23. Насос Форсунка 24. Распределительный вал 25. Коромысло 26. Блок управления работой дизеля 27. Реле 28. Дополнительные агрегаты (например тормоз замедлитель, заслонка для отработавших газов в моторном тормозе, стартер, компрессор) 29. Дизель 30. Свеча факельного подогревателя (альтернатива сетке нагрева) М — крутящий моментА — Датчики и исполнительные механизмы 1. Датчик положения педали газа 2. Датчик выключения сцепления 3. Контакты тормозов 4. Контакт моторного тормоза 5. Контакт стояночного тормоза 6. Переключатель условий эксплуатации (например, регулятора скорости автомобиля , двухрежимного регулятора понижения частоты вращения или крутящего момента) 7. Выключатель стартера 8. Датчик частоты вращения вала турбокомпрессора 9. Индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала 10. Датчик частоты вращения распределительного вала 11. Датчик температуры топлива 12. Датчик температуры охлаждающей жидкости 13. Датчик температуры нагнетаемого воздуха 14. Датчик давления нагнетаемого воздуха 15. Датчик расхода воздуха 16. Датчик перепада давлений на воздушном фильтреВ — Панель приборов 17. Панель управления компрессором кондиционера 18. Генератор 19. Диагностический дисплей 20. Управляющий прибор SCR |
21. Воздушный компрессор Шина CAN (серийный интерфейс на автомобиле, до трех штук)С — Снабжение топливом (контур низкого давления) 31. Топливоподкачивающий насос 32. Сдвоенный топливный фильтр с датчиками давления и уровня воды в водосборнике 33. Радиатор блока управления 34. Топливный бак с фильтром трубой очистки 35. Датчик уровня топлива 36. Датчик ограничения давленияD — Снабжение воздухом 37. Охладитель рециркулирующих отработавших газов 38. Регулировочная заслонка 39. Регулятор рециркулирующих отработавших газов с клапаном и датчиком позиционирования 40. Радиатор нагнетаемого воздуха с перепуском для холодного пуска 41. Турбомагнетатель (здесь VTG ) с датчиком позиционирования 42. Регулятор давления наддува Е — Очистка отработавших газов |
Для наглядного представления показаны только те датчики и исполнительные механизмы, которые по виду конструкции или положению необходимы для понимания работы системы.
Через блок В с помощью шины CAN возможен обмен данными между различными блоками (например, блоком управления автоматической коробкой передач, противобуксовочной системой, программой стабилизации, датчиком качества масла, тахографом, состоянием радара, управлением автомобиля, координацией управления торможением, управлением заслонками — до 30 приборов). Через шину CAN могут быть подсоединены также генератор 18 и компрессор кондиционера 17. Для очистки отработавших газов может быть использован один из трех вариантов систем (а, b или с).
