Методическая разработка Система впрыска Common Rail в дизельном двигателе

Система впрыска Common Rail

Системы впрыска Common Rail для дизельных двигателей, разработанные фирмой "Бош", в последнее время все более привлекают внимание производителей. Такие системы, в частности, предлагает фирма "Мерседес-Бенц" (система «CDI»). Однако фирма "Мерседес" была не первой, которая обратилась к этой передовой технологии. Экспериментальные работы ранее проводились концерном "Фиат" совместно с фирмой "Бош" для новой модели "Альфа 156". Разработками систем «Common-Rail» занимается также немецкий концерн «Сименс» (Siemens AG) совместно со швейцарской фирмой DUAP AG.
Принцип работы системы аналогичен принципу многоточечного впрыска у бензиновых двигателей. Количество впрыскиваемого в цилиндр топлива определяется давлением и временем открытия форсунок. Давление впрыска создается независимо от числа оборотов двигателя и может варьироваться в широком диапазоне (примерно от 250 до 1350 бар). Управление впрыском при помощи быстро закрывающегося магнитного клапана позволяет получить также многоступенчатый впрыск, а именно это и нужно конструкторам, чтобы дизельный двигатель с прямым впрыском работал плавно и имел низкую токсичность выхлопа.
Система впрыска "Common-Rail" подразделяется на две части - низкого и высокого давления. Топливоподкачивающий насос засасывает топливо через устройство предварительного подогрева и главный фильтр и под давлением примерно 3,5 бар подает его через клапан отсечки к насосу высокого давления. Устройство предварительного подогрева - оно служит для бесперебойной работы двигателя в зимнее время - и охладитель топлива объединены в единый узел. Энергия для подогрева топлива берется от охлаждающей жидкости или соответственно, наоборот, энергия топлива при его охлаждении отводится в охлаждающую жидкость. Топливоподающий насос приводится в действие от распределительного вала двигателя. Давление подачи регулируется встроенным в насос клапаном с пружиной, излишки топлива отводятся обратно к входу в насос. Отсечной клапан - он прерывает поток топлива к ТНВД - используется только для аварийной остановки двигателя. При этом на клапан подается напряжение, в обесточенном состоянии проход для топлива открыт. Двигатель может отключиться через форсунки или через клапан регулировки давления.

Дизельная система впрыска Common-Rail:
а-схема системы Common-Rail; б-магнитный клапан управления форсунки; 1-топливоподкачивающий насос; 2-охладитель топлива; 3-ТНВД; 4-устройство предварительного подогрева топлива; 5-главный топливный фильтр; 6-топливный бак; 7-датчик давления в центральном магистральном трубопроводе; 8-клапан регулировки давления; 9-клапан отсечки; 10-форсунка; 11-центральный магистральный трубопровод; 12-возврат просачивающегося топлива; 13-магнитный клапан с круглым седлом; 14-распределительный поршень; 15-пружина; 16-распылитель; 17-подвод высокого давления
Часть высокого давления служит для аккумулирования и регулирования необходимого давления топлива. Для этого ТНВД (радиально-поршневой насос с тремя поршнями, смещенными на 1200 друг относительно друга), приводимый в действие от распределительного вала выпускных клапанов, независимо от потребности двигателя подает топливо в центральный магистральный трубопровод 11. Давление в этой центральной магистрали регулирует электрический клапан 8, а работой управляет блок управления двигателя (на рис. 1 не показан). Величина открытия клапана определяется силой тока, подаваемого на него. Это значит, что при высокой силе тока в системе создается высокое давление и наоборот. Излишки топлива отводятся через возвратный трубопровод В. Мембранный датчик давления 7 посредством изменения своего сопротивления измеряет давление в центральном магистральном трубопроводе и передает эту информацию в форме сигналов напряжения в блок управления. Через центральный магистральный трубопровод топливо подается к форсункам, при этом центральная магистраль вместе с соответствующими напорными трубопроводами выполняет задачи сглаживания колебаний давления, которые возникают из-за пульсирующей подачи топлива и большой «потери» топлива при впрыске.
Форсунки - основной элемент системы. В системе Common Rail открытие и закрытие форсунок не зависит от угла поворота коленчатого вала двигателя. При этом магнитный клапан 13 (см. рис. 1 б) не открывает непосредственно форсунку, а только управляет созданным ТНВД давлением в форсунке. Давление в форсунке при этом создается с обеих сторон распределительного поршня 14: вверху через большое шаровое сечение, и внизу - через меньшее кольцевое сечение. В результате, из-за разницы в площади сечений, когда на магнитный клапан не подается электроток, игла распылителя 16 прижата к своему седлу, и топливо не впрыскивается в цилиндр. Когда на магнитный клапан подается напряжение, его шарик поднимается со своего седла, освобождая, таким образом, на время, пока имеется напряжение, отверстие дросселя. Через это отверстие топливо по возвратному топливопроводу сливается в бак. Чтобы перекрыть давление над распределительным поршнем, необходим второй дроссель, размеры которого точно согласованы с размерами первого. Второй дроссель установлен в зоне подвода высокого давления к верхней части форсунки. В результате, при поднятии шарика магнитного клапана 13 давление в верхней части форсунки соответственно уменьшается. Таким образом, сила, действующая на нижнее кольцевое сечение, "перевешивает", и игла форсунки поднимается, освобождая проход топлива к отверстиям распылителя. Необходимое для работы клапана высокое напряжение создается в блоке управления двигателя конденсаторами высокого напряжения, т.е. время подачи напряжения на их магнитные клапаны также определяется блоком управления.
В возвратный топливопровод встроен охладитель топлива, так как в результате сильного сжатия топливо может разогреться до 130оС. Теплота отводится к охлаждающей жидкости, которая перед входом в охладитель топлива дополнительно охлаждается в низкотемпературном радиаторе.
Последние разработки систем "Common-Rail" фирмы «Сименс» отличаются использованием новейших пьезогидравлических форсунок. Время их срабатывания при подаче напряжения составляет всего 0,1 ?с, уменьшено также так называемое «мертвое» время, т.е. время, требующееся на перемещение подвижных частей. В этих форсунках использованы пьезо-соленоиды на керамической основе.
В системах с пьезогидравлическими форсунками происходит более точное дозирование очень малых доз впрыскиваемого топлива, более точно и четко реализуется начало впрыска топлива.