Процессы сгорания в дизельном двига­теле зависят в решающей мере от того, как подготовлено топливо системой впрыска. Существенную роль при этом играет ТНВД, создающий давление топ­лива, под которым оно нагнетается че­рез магистрали высокого давления к форсункам и впрыскивается ими в ка­меры сгорания. Для малоразмерных бы­строходных дизелей требуются системы впрыска с высокой мощностью, боль­шой цикличностью, малым весом и ми­нимальным конструктивными размера­ми. Этим требованиям отвечают так на­зываемые распределительные ТНВД, которые при компактном размере объе­диняют в себе топливоподкачивающий насос, ТНВД и регулятор частоты вра­щения коленчатого вала.

 

Область применения распределительных ТНВД

 

Начиная с 1962 г., распределительный ТНВД с аксиальным движением плунже­ра стал постоянно применяться в боль­шинстве систем впрыска дизельного топ­лива, ставившихся на легковые авюмо6или. ТНВД и регулятор постоянно со­вершенствовались, поскольку для сниже­ния расхода топлива и уменьшения эмис­сии отработавших газов было необходимо повышать дав­ление впрыскивания. Между 1962 и 2001 гг. было выпущено в общей сложности свыше 45 млн. распредели­тельных ТНВД. В результате многократно выросло как число их модификаций, так и количество конструктивных вариантов системы впрыска.

При впрыскивании топлива в предва­рительную камеру дизелей с разделенны­ми камерами сгорания распределитель­ные ТНВД с аксиальным движением плунжера развивают давление у форсун­ки до 350 бар (35 МПа). Для двигателей с непосредственным впрыскиванием топ­лива в камеру сгорания используются ТНВД как с аксиально, так и с радиально движущимися плунжерами. Они развива­ют давление до 900 бар (90 МПа) для низ­кооборотных и до 1900 бар (190 МПа) — для быстроходных дизелей. Механическое регулирование работы распределитель­ных ТНВД постепенно уступает место электронному регулированию с электри­ческими исполнительными механизмами. Кроме того, на рынке появились ТНВД с электромагнитным клапаном высокого давления.

Распределительные ТНВД благодаря своей компактной конструкции и всесто­ронней приспосабливаемое™ чаще всего устанавливают на легковые и легкие гру­зовые автомобили стационарные двига­тели, а также на строительные и сельско­хозяйственные машины.

Номинальная мощность, частота вра­щения коленчатого вала и вид конструк­ции дизеля определяют эксплуатацион­ные параметры и комплектацию распре­делительных ТНВД, которые использу­ются в двигателях с числом цилиндров от трех до шести.

ТНВД с аксиальным движением плунжера применяются для двигателей мощностью до 30 кВт на цилиндр, с ради­альным движением плунжеров — до 45 кВт на цилиндр.

Распределительные ТНВД смазыва­ются топливом и поэтому практически не требуют обслуживания.

 

Виды конструкций распределительных ТНВД

 

Распределительные ТНВД различаются по способу регулирования, методу управ­ления цикловой подачей и развиваемому ими максимальному давлению (рис. «Виды распределительных ТНВД»).

 

 

Способ управления цикловой подачей

 

ТНВД с управлением регулирующей кромкой

 

Продолжительность впрыскивания из­меняется регулирующей кромкой, кана­лами ТНВД и подвижной втулкой. Гидра­влическое устройство опережения изме­няет момент начала впрыскивания.

 

ТНВД, управляемые электромагнитным клапаном

 

Электромагнитный клапан высокого дав­ления запирает магистраль высокого дав­ления и определяет, таким образом, мо­мент начала впрыскивания и его продол­жительность. ТНВД с радиальным движе­нием плунжеров управляются только при помощи электромагнитных клапанов.

 

Способ создания высокого давления

 

Распределительные ТНВД модели VE с аксиальным движением плунжера

 

Они создают давление топлива при дви­жении плунжера в направлении, соосном валу привода насоса.

 

Распределительные ТНВД модели VR с радиальным движением плунжеров

 

Они создают давление несколькими плунжерами, движущимися перпендику­лярно оси вала привода ТНВД. В резуль­тате может развиваться гораздо большее давление, чем в первом случае.

 

Способ регулирования

 

Механическое регулирование

 

ТНВД регулируется устройством, состоя­щим из нескольких узлов, включающих ряд рычагов, пружин, мембранных датчиков и т. д.

 

Электронное регулирование

 

Водитель устанавливает желаемые пара­метры (крутящий момент или частоту вращения коленчатого вала) нажатием на педаль газа, что фиксируется специ­альным датчиком. В блок управления за­ложены поле характеристик цикловых подач для пуска, холостого хода и пол­ной нагрузки, характеристика хода педа­ли газа, ограничение по дымности и ха­рактеристика ТНВД. По этим данным и действительному показанию датчика определяется величина управляющего сигнала, поступающего на исполнитель­ный механизм ТНВД. Одновременно учитываются действительное состояние двигателя и условия его эксплуатации (например, угол поворота и частота вра­щения коленчатого вала, давление над­дува, температуры охлаждающей жид­кости, масла системы смазки и воздуха на впуске, скорость автомобиля и т. д.). Учитывая все это, блок управления по­дает команды на исполнительный меха­низм или электромагнитный клапан ТНВД.

Использование системы электронного регулирования работы дизеля в сравне­нии с механической позволяет получить много преимуществ, а именно:

• Меньшие расход топлива и эмиссию отработавших газов, более высокие мощность и крутящий момент благодаря улучшенному регулированию ве­личины цикловой подачи и более точной установке момента начала впрыскивания;
• Меньшую частоту вращения колен­чатого вала на холостом ходу и луч­шее регулирование работы допол­нительного оборудования (напри­мер, климатических агрегатов);
• Лучшее обеспечение комфортно­сти (например, активным демпфи­рованием пульсаций, регулирова­нием равномерности движения и скорости автомобиля);
• Расширение параметров диагно­стики;
• Возможность использования до­полнительных управляющих и ре­гулирующих функций (например, управление временем работы све­чей накаливания, рециркуляцией ОГ, давлением наддува, электрон­ной блокировкой торможения ав­томобиля);
• Цифровой обмен информацией с другими электронными системами (например, системами регулирова­ния сцепления с почвой или управ­ления коробкой передач), что дает возможность интеграции элек­тронной системы управления рабо­той дизеля в общую систему управ­ления автомобилем.

 

Системы с управлением регулирующей кромкой

 

Распределительные ТНВД с механическим регулированием

 

Механическое регулирование применяет­ся только в распределительных ТНВД с ак­сиальным движением плунжера. Преиму­ществами такого решения являются меньшая стоимость изготовления и отно­сительно более простое обслуживание.

Механическое регулирование частоты вращения коленчатого вала достаточно для различных условий эксплуатации и обеспечивает высокое качество смесеоб­разования. Дополнительно подключае­мые узлы обеспечивают необходимое со­гласование момента и величины цикло­вой подачи топлива, впрыскиваемого при различных эксплуатационных состояни­ях двигателя: частоте вращения коленча­того вала, нагрузке на двигатель, темпера туре охлаждающей жидкости, давлении наддува и атмосферном давлении.

 

 

К системе впрыска топлива дизельно­го двигателя (рис. «Система впрыска с распределительным ТНВД модели VEF с механическим регулированием») относятся, наряду с ТНВД 4, топливный бак 11, топливный фильтр 10, топливоподкачивающий на­сос 12, форсунки 8 в сборе и топливные магистрали 1,6 и 7. Важнейшими элемен­тами системы впрыска являются распы­лители в форсунках. Их конструкция су­щественно влияет на процесс впрыски­вания и форму факела распыленного то­плива. Электромагнитный остановочный клапан 5 при обесточенной системе элек­трооборудования прерывает подачу топ­лива в контур высокого давления ТНВД.»

Через педаль 3 газа и тягу 2 водитель воздействует на регулятор ТНВД. Кроме того, с помощью соответствующих меха­низмов может регулироваться частота вращения коленчатого вала на холостом ходу, при максимальной нагрузке и на промежуточных режимах работы дизеля.

Обозначение VEF соответствует мо­дели распределительного ТНВД с центро­бежным регулятором.

 

Распределительные ТНВД с электронным регулированием

 

Электронное регулирование работы ди­зеля по сравнению с механическим пре­дусматривает дополнительные возмож­ности. Благодаря электрическим измере­ниям оно позволяет осуществить гибкую электронную обработку сигналов и со­здание контура регулирования с электри­ческими исполнительными механизма­ми. Дополнительно может учитываться ряд специальных параметров, что невоз­можно при механическом регулирова­нии.

 

 

На рис. «Система впрыска с распределительным ТНВД модели VE. EDC и электронным регулированием» показаны агрегаты системы впрыска, собранной на основе распреде­лительного ТНВД с аксиальным движе­нием плунжера, работа которой регули­руется электронным блоком управления. В зависимости от вида установки и типа автомобиля отдельные компоненты мо­гут отсутствовать.

Система состоит из четырех элементов:

• Контур снабжения топливом (маги­страль низкого давления);
• ТНВД;
• Электронная система регулирова­ния работы дизеля с системными блоками датчиков, блоком управле­ния и исполнительными механиз­мами;
• Периферия (например, турбонагне­татель, системы рециркуляции ОГ и управления временем работы свечей накаливания).

 

Исполнительный механизм с элект­ромагнитом на распределительном ТНВД (так называемое управление поворотом) используется вместо механического регу­лятора и узлов привода. Он воздействует на параметры цикловой подачи через вал управления регулирующей втулкой. Как и при механическом регулировании, ве­личина проходного сечения канала пода­чи топлива зависит от положения регули­рующей втулки, которая изменяет также угол опережения впрыскивания. Блок уп­равления в зависимости от заложенных в него характеристик и истинных показа­ний датчиков выдает управляющий сиг­нал для электромагнитного исполнитель­ного механизма на ТНВД.

Датчик угла поворота исполнитель­ного механизма (например, полудифференциальный короткозамкнутый кольце­вой датчик) с помощью блока управле­ния также определяет положение регули­рующей втулки.

Зависимое от частоты вращения внут­реннее давление в ТНВД через электро­магнитный клапан управляет муфтой опережения впрыскивания, которая из­меняет момент начала впрыскивания.

 

Системы управления с электромагнитным клапаном

 

Системы управления с электромагнит­ным клапаном обеспечивают большую гибкость при дозировании топлива и из­менении момента начала впрыскивания, чем системы с управлением регулирую­щей кромкой. Они делают возможными также предварительное впрыскивание для уменьшения шума и коррекцию рав­номерности цикловой подачи по цилинд­рам.

 

 

Подобные системы состоят из четырех элементов (рис. «Схема использования в дизелях распределительных ТНВД, управляемых электромагнитным клапаном»):

• Контура снабжения топливом (ма­гистрали низкого давления);
• Контура высокого давления со все­ми компонентами системы впры­ска;
• Контура электронного регулирова­ния работы дизеля с системными блоками датчиков, блоком управле­ния и исполнительными механиз­мами;
• Систем управления подачей возду­ха, нейтрализации вредных ве­ществ в отработавших газах и их рециркуляции.

 

Конфигурация блока управления

 

Разделенные блоки управления

 

Системы первых выпусков с распредели­тельными ТНВД, управляемыми элект­ромагнитным клапаном (VE..MV [VP 30], VR [VP 44] для дизелей с непосредст­венным впрыском топлива и VE..MV [VP 29] для дизелей с разделенными камера­ми сгорания), требовали наличия двух блоков управления — для самого двига­теля и для ТНВД. Это разделение имело две причины: во-первых, предотвращал­ся перегрев некоторых электронных кон­структивных элементов в непосредст­венной близости от ТНВД и двигателя, а во-вторых, благодаря малой длине элект­рических проводов, шедших к электро­магнитному клапану, исключалось влия­ние помех от импульсов больших токов (до 20 А).

 

 

Блок управления ТНВД получает им­пульсный сигнал тока малой силы от датчиков угла поворота коленчатого ва­ла и температуры топлива и регулирует момент начала впрыскивания. Блок уп­равления двигателем обрабатывает сиг­налы от всех внешних датчиков и фор­мирует сигналы управления работой ТНВД.

Эти блоки управления сегодня объедине­ны в бортовой контроллер связи (CAN).

 

Совмещенный блок управления

 

Использование термостойких печатных плат в настоящее время позволило совместить блоки управления двигателем и си­стемой впрыска. Управление распредели­тельными ТНВД второго поколения с по­мощью электромагнитных клапанов по­зволяет использовать совмещенный блок управления существенно меньших габа­ритов.

 

Нейтрализация вредных веществ в отработавших газах

 

Существуют различные способы сниже­ния уровня эмиссии отработавших газов. К ним относятся рециркуляция отработавших газов, формирование опти­мального протекания процесса впрыски­вания (например, организация предвари­тельного впрыскивания) и повышение давления впрыскивания.

Чтобы выполнять становящиеся все бо­лее жесткими нормы эмиссии отработавших газов, для многих автомобилей приходится приме­нять систему нейтрализации вредных ве­ществ в отработавших газах. К настояще­му времени для решения этой задачи соз­даны различные системы, и обсуждается, какие из них будут применяться в даль­нейшем. Важнейшие из этих систем опи­саны далее.

 

Схема системы

 

На рис. «Система впрыска дизеля с распределительным ТНВД модели VP 44 с управлением электромагнитным клапаном и единым блоком управления PSG 16 для двигателя и ТНВД» показан пример общей схемы управления системой впрыска для четы­рехцилиндрового дизеля с непосредственным впрыском топлива в камеру сго­рания, включая различные компоненты системы. Управление распределительным радиальным ТНВД модели VR осуществ­ляется единым блоком управления двига­телем и ТНВД. В зависимости от комплек­тации и типа автомобиля некоторые узлы могут не применяться. Чтобы получить более наглядное представление о системе, датчики и элементы исполнительных ме­ханизмов (А) расположены на схеме не на своих конструктивных местах, а собраны в единую группу. Исключение составляет датчик 21 хода иглы форсунки.

 

 

Благодаря использованию бортового контроллера связи CAN, помещенного в группу «приборы» (В), стал возможен об­мен данными между такими различными системами и агрегатами, как:

• Стартер;
• Генератор;
• Система электронной остановки ав­томобиля;
• Система управления автоматиче­ской коробкой передач;
• Противобуксовочная система;
• Электронная программа стабилиза­ции.

 

Панель приборов 12 и кондиционер 13 могут быть также подключены через бор­товой контроллер связи.