Аккумуляторная топливная система Common Rail

Аккумуляторная топливная система Common Rail

 

 

В своем развитии дизельные топливные системы прошли как минимум три этапа:

создание и начало серийного производства рядного многоплунжерного топливного насоса высокого давления (ТНВД);

создание и начало серийного производства одноплунжерного ТНВД распределительного типа (для установки на легковые автомобили);

создание и развитие систем непосредственного впрыска топлива.

Несколько раньше на страницах нашего сайта мы уже говорили о системах распределительного типа. Сейчас же поговорим немного о системах последнего поколения, а именно о системах непосредственного впрыска топлива аккумуляторного типа - Common Rail.

Причиной создания такой системы послужила необходимость увеличения удельной мощности двигателей, снижение расхода топлива, снижение уровня шума и эмиссии вредных веществ, выводимых с отработанными газами.

По сравнению с ранними системами топливная система Bosch «Common Rail» для дизелей с непосредственным впрыском топлива обеспечивает значительно более высокую гибкость при адаптации топливной системы к двигателю, как, например:

широкая область применения (как легковые и легкие коммерческие автомобили с цилиндровой мощностью до 30 кВт/цилиндр, так и форсированные автомобильные, тепловозные и судовые дизели цилиндровой мощностью до 200 кВт/цилиндр);

высокое давление впрыска до 1400 бар;

переменный угол опережения впрыска;

возможность формирования процесса двухфазного и многофазного впрыска;

соответствие давления впрыска скоростному и нагрузочному режимам.

 

 

Принцип работы Создание давления и непосредственный процесс впрыска топлива в камеру сгорания в аккумуляторной топливной системе «Common Rail» полностью разделены. Высокое давление в топливной системе создается независимо от частоты вращения коленчатого вала двигателя и количества впрыскиваемого топлива. Топливо, готовое для впрыска, предварительно закачивается в аккумулятор (рампу) и находится там под высоким давлением. Количество впрыскиваемого топлива (цикловая подача) определяется действиями водителя, а угол опережения и давление впрыска определяются электронным блоком управления (ЭБУ) на основе программируемых матриц характеристик, хранящихся в памяти микропроцессора. ЭБУ выдает управляющий пусковой сигнал на соответствующие электромагнитные клапаны, в результате чего осуществляется впрыск топлива форсункой в каждый цилиндр. Топливная система «Common Rail» включает в себя следующие элементы электронного управления: ЭБУ; датчик частоты вращения коленчатого вала; датчик частоты вращения распредели тельного вала; датчик положения педали акселератора; датчик давления наддува; датчик давления в аккумуляторе (рампе); датчик температуры охлаждающей жидкости; массовый расходомер воздуха. Используя входные сигналы указанных выше датчиков, ЭБУ регистрирует положение педали акселератора и определяет на данный момент времени рабочую характеристику двигателя и автомобиля как единого целого. На основе полученной информации ЭБУ может осуществлять управляющие действия с автомобилем и, особенно, с двигателем. Частота вращения двигателя измеряется датчиком частоты вращения коленчатого вала, а порядок чередования впрыска - датчиком частоты вращения (положения) распределительного вала.	Рисунок 1 Рисунок 2 Рисунок 3
Электрический сигнал, образующийся на потенциометре педали акселератора, информирует ЭБУ о том, как сильно водитель нажал на педаль, другими словами о его требованиях к величине крутящего момента. Массовый расходомер воздуха обеспечивает ЭБУ данными о мгновенном расходе воздуха, чтобы адаптировать процесс сгорания соответствию нормам эмиссии вредных веществ с отработанными газами. Если на двигателе имеется турбонаддув, т.е. установлен турбокомпрессор с регулируемым давлением наддува, то изменение этого самого давления осуществляется датчиком давления наддува. При низких температурах окружающей среды и при холодном двигателе ЭБУ использует информацию датчиков температуры охлаждающей жидкости и температуры воздуха для того, чтобы адаптировать полученные данные для установки угла опережения впрыска, использования дополнительного впрыска (после основного) и других параметров работы в зависимости от эксплуатационных условий. В зависимости от конкретного автомобиля, для того чтобы удовлетворять повышенным требованиям к безопасности и комфорту, могут использоваться другие датчики, формирующие и отправляющие сигналы в ЭБУ На рисунке показана схема четырехцилиндрового дизеля, оснащенного аккумуляторной топливной системой «Common Rail». Все функции топливной системы можно разделить на основные и дополнительные. Основной функцией является управление процессом впрыска дизельного топлива в камеры сгорания двигателя в нужный момент, в требуемом количестве и с необходимым давлением впрыска. Именно от выполнения данной функции зависит плавная и экономичная работа дизеля. Дополнительные функции управления с учетом и без учета обратной связи служат для улучшения характеристик: по снижению эмиссии вредных веществ с отработанными газами; по снижению расхода топлива; по повышению безопасности, комфорта и удобства управления. В качестве примеров можно привести систему рециркуляции отработанных газов (EGR), регулирование давления наддува, систему поддержания постоянной скорости автомобиля (Cruise Control), электронный иммобилайзер. Немаловажным элементом любой топливной системы с непосредственным впрыском является топливная форсунка. Не исключение и система «Common Rail».    Работа форсунки системы Common Rail Устройство и конструкция форсунок
Форсунки в системе Common Rail также претерпели существенные изменения. Они оснащены специальными электромагнитными клапанами и управляются по гибкому алгоритму в соответствии с конкретными условиями работы дизеля. Высокое давление, под которым топливо впрыскивается в цилиндр, создается уже при самом малом числе оборотов коленвала. Благодаря ему, а также электронному управлению процессом впрыска достигается значительно лучшая подготовка смеси в цилиндрах, что приводит к уменьшению расхода топлива и снижению токсичности выхлопных газов.  Схема форсунки в двух режимах: форсунка закрыта (а) и форсунка открыта (впрыск) (б) приведена на рисунке. На рисунке цифрами обозначены следующие позиции и элементы: 1 - возврат топлива, 2 - электрические выводы, 3 - электромагнитный клапан, 4 - вход топлива из аккумулятора (рампы), 5 - шариковый клапан, 6 - жиклер камеры гидроуправления, 7 - "питающий" жиклер, 8 - камера гидроуправления, 9 - управляющий плунжер, 10 - канал к распылителю, 11 - игла форсунки.	Рисунок 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Топливо в форсунку подается через входной штуцер высокого давления (4) и далее в канал (10) и, через жиклер (7), в камеру гидроуправления (8). Камера гидроуправления соединяется с линией возврата топлива (1) через жиклер камеры гидроуправления (6), который открывается электромагнитным клапаном. При закрытом жиклере (6) силы гидравлического давления, приложенные к управляющему плунжеру (9), превосходят силы давления, приложенные к заплечику иглы (11) форсунки. В результате игла садится на седло и закрывает проход топлива под высоким давлением в камеру сгорания.

При подаче пускового сигнала на электромагнитный клапан, жиклер (6) открывается, давление в камере гидроуправления падает, и в результате сила гидравлического давления на управляющий плунжер также уменьшается. Поскольку сила гидравлического давления на управляющий плунжер оказывается меньше силы, действующей на заплечик иглы форсунки, последняя открывается, и топливо через сопловые отверстия впрыскивается в камеру сгорания.

Такое косвенное управление иглой форсунки позволяет обеспечить очень быстрый подъем иглы, что невозможно сделать путем прямого воздействия электромагнитного клапана. Так называемая «управляющая доза» топлива, необходимая для подъема иглы форсунки, является дополнительным топливом по отношению к действительно необходимому в данный момент количеству топлива для впрыска, поэтому это топливо направляется обратно, в линию возврата топлива через жиклер камеры гидроуправления.

Кроме «управляющей дозы» в линию возврата топлива и далее в топливный бак также выходят утечки через направляющие иглы форсунки. К коллектору линии возврата топлива также подсоединяются предохранительный клапан (ограничитель давления) аккумулятора и редукционный клапан ТНВД.

Непосредственно работа форсунки может быть разделена на четыре рабочих стадии при работающем двигателе и создании высокого давления ТНВД:

• форсунка закрыта с приложенным высоким давлением;

• форсунка открывается (начало впрыска);

• форсунка полностью открыта;

• форсунка закрывается (конец впрыска).

Эти рабочие стадии являются результатом действия сил, приложенных к деталям форсунки. При остановленном двигателе и отсутствии давления в аккумуляторе форсунка закрыта под действием пружины.

Итак, рассмотрим данные стадии работы форсунки.

При закрытой форсунке питание на электромагнитный клапан не подается (рис. a). При закрытом жиклере камеры гидроуправления пружина якоря прижимает шарик к седлу, высокое давление, подаваемое в камеру и к распылителю форсунки из аккумулятора, увеличивается. Таким образом, высокое давление, действующее на торец управляющего плунжера, вместе с усилием пружины держат форсунку закрытой, преодолевая силы давления в камере распылителя.

Перед началом процесса впрыска (еще при закрытой форсунке) на электромагнитный клапан подается большой ток, что обеспечивает быстрый подъем шарикового клапана (рис. b). Шариковый клапан открывает жиклер камеры гидроуправления и, поскольку теперь электромагнитная сила превосходит силу пружины якоря, клапан остается открытым. Практически одновременно с этим сила тока, подаваемого на обмотку электромагнитного клапана, уменьшается до тока, требуемого для удерживания якоря. Это становится возможным потому, что воздушный зазор для электромагнитного потока теперь уменьшен. При открытом жиклере топливо может вытекать из камеры гидроуправления в верхнюю полость и далее по линии возврата топлива в бак. Давление в камере гидроуправления уменьшается, нарушается баланс давлений, и давление в камере распылителя, равное давлению в аккумуляторе, оказывается выше давления в камере гидроуправления. В результате сила давления, действующая на торец управляющего плунжера уменьшается, игла форсунки поднимается, и начинается процесс впрыска топлива.

Скорость подъема иглы форсунки определяется разностью расходов через жиклер и сопловые отверстия. Управляющий плунжер достигает верхнего упора, где остается, поддерживаемый "буферным" слоем топлива, образующимся в результате указанной выше разницы расходов через жиклер и сопловые отверстия. Игла форсунки теперь полностью открыта, и топливо впрыскивается в камеру сгорания под давлением, практически равным давлению в аккумуляторе. Распределение сил в форсунке подобно распределению в фазе открытия.

Как только прекращается подача питания на электромагнитный клапан (конец впрыска), пружина якоря перемещает его вниз, и шариковый клапан закрывается.

Якорь состоит из двух частей, поэтому, хотя тарелка якоря перемещается вниз заплечиком иглы, она может оказывать противодействие возвратной пружиной, что уменьшает напряжения на якорь и шарик. Закрытие жиклера приводит к повышению давления в камере гидроуправления при поступлении в нее топлива через «питающий» жиклер (7). Это давление, равное давлению в аккумуляторе, действует на торец управляющего плунжера, и сила давления вместе с силой пружины преодолевают силу давления, действующую на заплечик иглы форсунки, которая закрывается. Скорость посадки иглы форсунки на седло, то есть скорость закрытия форсунки, определяется расходом через «питающий» жиклер. Впрыск топлива прекращается, как только игла форсунки садится на седло.