ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Топливная система
Технология Common Rail позволяет дизельным двигателям отвечать постоянно изменяющимся стандартам и требованиям, регулирующим содержание выбросов в выхлопных газах. По сравнению с началом 1990-х годов, число выбросов оксидов азота NOx современных дизелей уменьшилось на 96%, а твердых частиц – на 98%.
Топливная система – важнейшая часть автомобиля, которая служит для подачи топлива из бака в камеру сгорания двигателя. Она состоит из множества элементов, предназначенных для транспортировки, фильтрации, учета, подготовки и отвода топлива. Также, мы проанализируем топливные системы бензиновых и дизельных двигателей и узнаем, что такое контур возврата топлива (“обратка”) и для чего она необходима.
1.1.1 Состав и функции системы подачи топлива
Главная функция любой топливной системы – это подача необходимого количества топлива из бака в камеру сгорания в определенный момент времени (рис. 1.1). Функционально она разделяется на две основных системы:
1) транспортировка топлива, его фильтрация и создание давления в системе выполняется механическими и гидравлическими устройствами;
2) расчет количества и момента впрыска топлива, а также распределение его по цилиндрам осуществляется электронными устройствами.
Рис. 1.1 – Устройство топливной системы
Топливная система состоит из состоит из следующих элементов:
1) Бак – герметичная ёмкость для хранения топлива;
2) Трубопроводы – трубки и гибкие шланги, по которым осу-ществляется транспортировка топлива;
3) Фильтры (грубой и тонкой очистки) – нужны для очистки от загрязнений;
4) Регулятор давления – необходим для обеспечения заданного уровня давления;
5) Насос – как правило, погружной, приводимый в движение электродвигателем;
6) ТНВД (топливный насос высокого давления) – для систем непосредственного впрыска (дизельных двигателей);
7) Топливные форсунки.
Теперь более подробней остановимся и рассмотрим их.
?
1.2 Виды питания бензиновых двигателей
В зависимости от типа бензинового двигателя, различают топливные системы:
1) карбюраторные;
2) инжекторные.
Они имеют отличия в конструкции и рабочих параметрах.
1.2.1 Инжекторные
Топливная система инжекторного двигателя отличается тем, что имеет систему впрыска, принудительно нагнетающую топливо в камеру сгорания. Какое давление в топливной системе инжекторного двигателя создает насос зависит от типа впрыска:
С индивидуальными форсунками для каждого цилиндра (распределенный впрыск). Создаваемое насосом давление в топливной рампе составляет от 2,5 бар до 4 бар.
С одной форсункой (моновпрыск), подающей топливо для всех цилиндров двигателя (рис. 1.2). Простая схема, которая в современном автомобилестроении практически не используется из-за низкой экономичности.
Рис. 1.2 – Система моновпрыска
Непосредственный впрыск. Форсунки установлены в головке блока цилиндров, что позволяет выполнять прямой впрыск топлива в цилиндры. В этом случае рабочее давление составит около 155 бар.
Подробнее остановимся и рассмотрим распределенный и непо-средственный впрыск, т.к. они наиболее распространены.
1.3 Система распределенного (многоточечного) впрыска топлива MPI
Данная система используется только на бензиновых двигателях и является наиболее популярной в мире. В данной системе каждый цилиндр оснащается индивидуальной форсункой, которая впрыскивает топливо непосредственно перед впускным клапаном (рис. 1.3). Многоточечный впрыск идеально соответствует высоким экологическим стандартам, а также требованиям, предъявляемым к смесеобразованию в современных двигателях.
?
1.3.1 Основной принцип работы системы MPI
Обозначение MPI расшифровывается как Multi-point injection, что означает “многоточечный впрыск”.
Она состоит из следующих элементов:
– дроссельная заслонка;
– распределительная магистраль или топливная рампа;
– электромагнитные форсунки (инжекторы);
– датчик массового расхода воздуха или датчик давления и температуры воздуха;
– регулятор давления топлива.
В такой системе питания воздух из атмосферы проходит через воздушный фильтр, датчик массового расхода воздуха и затем через дроссельную заслонку попадает во впускной коллектор. Далее он распре-деляется по каналам цилиндров. В свою очередь, топливо подается при по-мощи насоса через топливный фильтр и рампу к форсункам. Последние расположены вблизи впускных клапанов цилиндров, что снижает потери топлива и вероятность его оседания во впускном коллекторе. Работу форсунок контролирует ЭБУ двигателя. Количество топлива, которое должно поступить через форсунки, блок управления рассчитывает на основе информации о ре-жимах, нагрузке и оборотах двигателя, а также на основе информации о коли-честве поступившего в систему воздуха, полученной от целого комплекса датчиков (температуры, давления). В соответствии с расчетами, ЭБУ подает импульсные сигналы на электромагнитные форсунки, приводя их в работу. Помимо управления режимами работы инжекторов, блок управления проводит регулярную диагностику состояния системы впрыска и при обна-ружении неисправностей выдает соответствующий сигнал об ошибке на при-борной панели (“Check Engine”).
Рис. 1.3 – Система распределенного впрыска
1.3.2 Режимы работы MPI
В зависимости от режима работы форсунок различают несколько видов системы:
1)Одновременный впрыск. В такой системе все инжекторы открываются одновременно, подавая топливо в каждый цилиндр. Такая схема представляет собой усовершенствованный моновпрыск, поскольку ЭБУ управляет процессом открытия и закрытия всех форсунок как открытием одной. С другой стороны, объем подаваемого топлива для каждого отдельного цилиндра может быть разным.
2)Попарный впрыск. Открытие электромагнитных форсунок проис-ходит парами, но при этом одна работает на такте впуска, а вторая в момент выпуска отработавших газов. В настоящее время такая схема применяется только на этапе запуска мотора или в аварийном режиме.
3)Индивидуальный впрыск. Это наиболее часто используемая схема, при которой каждая форсунка срабатывает по отдельности на такте впуска. Для обеспечения их работы в системе предусмотрен датчик фаз газораспределения. Он устанавливается на распределительном валу и опре-деляет время срабатывания каждой форсунки в зависимости от положения вала. Впрыск топлива в каждый цилиндр происходит один раз за один рабочий цикл двигателя. Классическая последовательность работы форсунок: 1-3-4-2.
1.3.3 Преимущества и недостатки многоточечного впрыска
Главными достоинствами системы распределенного (многоточечного) впрыска является более экономичный расход топлива и соответствие требованиям экологических стандартов в сравнении с моновпрыском или карбюратором. С другой стороны, двигатель MPI менее мощный, нежели моторы с непосредственной подачей топлива в цилиндры двигателя. При этом, в сравнении с системами с непосредственным впрыском, отличается менее затратным обслуживанием. К недостаткам распределенного впрыска можно отнести сложность изготовления и, как следствие, высокую стоимость. Это также относится к ремонту электронной системы и инжекторов. Для обслу-живания и диагностики необходимо специализированное оборудование и высококвалифицированные специалисты. Для отечественных условий системы многоточечного распределенного впрыска считаются наиболее оптимальными по соотношению стоимости и удобства обслуживания, а также по уровню получаемой мощности и комфорту эксплуатации.
1.4 Система непосредственного впрыска топлива GDI
Система непосредственного впрыска топлива применяется на бензи-новых двигателях последних поколений с целью повышения их экономич-ности и увеличения мощности. Она предполагает впрыск бензина напрямую в камеры сгорания цилиндров, где и происходит его смешение с воздухом и образование топливовоздушной смеси (схема 1.1). Первыми двигателями, которые были оснащены такой системой впрыска, стали моторы GDI (Mitsubishi). Аббревиатура GDI расшифровывается как “Gasoline Direct Injection”, что дословно переводится как “непосредственный впрыск бензина”.
1.4.1 Конструктивные особенности двигателей GDI
Схема 1.1 – Питание воздухом двигателя GDI
Классическая система непосредственного впрыска (рис. 1.4) топлива конструктивно состоит из следующих элементов:
1) Топливный насос высокого давления (ТНВД). Для корректной работы системы (создания тонкого распыливания) бензин в камеру сгорания должен подаваться под высоким давлением (аналогично дизельным моторам) в пре-делах 5…12 МПа;
2) Электрический топливный насос низкого давления. Подает топливо из бензобака к ТНВД под давлением 0,3…0,5 МПа;
3) Датчик низкого давления. Фиксирует уровень давления, созданного электрическим насосом;
4) Форсунки высокого давления. Осуществляют впрыск топлива в цилиндр. Оснащены вихревыми распылителями, позволяющими создавать требуемую форму топливного факела;
5) Поршень. Имеет особую форму с выемкой, которая предназначена для перенаправления горючей смеси к свече зажигания двигателя;
6) Впускные каналы. Имеют вертикальную конструкцию, благодаря чему возникает обратный вихрь (закручен в противоположную сторону по сравнению с другими типами двигателей), выполняющий функцию направления смеси к свече зажигания и обеспечивающий лучшее наполнение камеры сгорания воздухом;
7) Датчик высокого давления. Располагается в топливной рампе и предназначен для передачи информации в электронный блок управления, который изменяет уровень давления в зависимости от актуальных режимов работы двигателя.
1.4.2 Режимы работы системы прямого впрыска
Как правило, двигатели с непосредственным впрыском имеют три основных режима работы:
1) Впрыск в цилиндр на такте сжатия (послойное смесеобразование). Принцип работы в этом режиме заключается в образовании сверхбедной смеси, что позволяет максимально экономить топливо. В начале в камеру цилиндра подается воздух, который закручивается и сжимается. Далее под высоким давлением осуществляется впрыскивание топлива и пере-направление полученной смеси к свече зажигания. Факел получается компактным, поскольку формируется на этапе максимального сжатия. При этом топливо как бы окутано прослойкой воздуха, что уменьшает тепловые потери и предотвращает предварительный износ цилиндров. Режим используется при работе мотора на малых оборотах.
2) Впрыск на такте впуска (гомогенное смесеобразование). Состав топлива в этом режиме близок к стехиометрическому. Подача воздуха и бензина в цилиндр происходит одновременно. Факел смеси при таком впрыске имеет коническую форму. Применяется при мощных нагрузках (скоростной езде).
3) Двухстадийный впрыск на такте сжатия и впуска. Применяется при резком ускорении машины, движущейся на малой скорости. Двойной впрыск в цилиндр позволяет снизить вероятность детонации, которая может возникнуть в моторе при резкой подаче обогащенной смеси. Вначале (на такте впуска воздуха) подается небольшое количество бензина, что приводит к обра-зованию обедненной смеси и снижению температуры в камере сгорания цилиндра. На такте максимального сжатия подается оставшаяся часть топлива, что делает смесь богатой.
Рис. 1.4 – Работа непосредственного впрыска топлива?
1.4.3 Плюсы и минусы использования
Главной особенностью двигателя GDI является подача топлива напрямую в цилиндр, что сокращает время цикла и существенно повышает мощность автомобиля (до 15%). Помимо этого, уменьшается расход топлива (до 25%) и повышается экологичность выхлопа. Это обеспечивает более эффективную эксплуатацию автомобиля в городских условиях. Для авто-мобилей, на которых установлен GDI двигатель, проблемы эксплуатации связаны прежде всего со следующим перечнем недостатков:
1) Необходимость нейтрализации отработавших газов при работе мотора на малых оборотах. При образовании обедненной топливно-воздушной смеси в выхлопных газах образуется много вредных компонентов, для устранения которых требуется установка системы рециркуляции отработавших газов;
2) Повышенные требования к топливу и маслу. Наилучшим бензином для GDI считается топливо с октановым числом 101, который практически недоступен на отечественном рынке;
3) Высокая стоимость производства двигателей и ремонта. Весомую долю проблем доставляют форсунки, подающие бензин в цилиндры. Они должны выдерживать высокое давление. Если они забиваются по причине некачественного топлива, их невозможно разобрать и почистить – форсунки подлежат только замене. Их стоимость в несколько раз выше, чем у обычных.
4) Повышенное внимание к системе фильтрации. Чистка и замена воздушного фильтра в такой системе должна производиться чаще, поскольку качество поступающего воздуха напрямую связано с состоянием форсунок.
?
1.5 Схема, устройство и принцип работы для дизельного двигателя
Системы подачи дизельного топлива имеют свои особенности. Различают три типа конструкций:
1) Common rail (или аккумуляторная) (схема 1.2);
2) С насос-форсунками;
3) Разделенные.
Схема 1.2 – Топливная система Common Rail
1.5.1 Common rail
Наиболее популярная топливная система для дизелей – аккумуляторная (или common rail). Она соответствует более высоким экологическим стандартам. Это обеспечивается благодаря независимости процессов впрыскивания дизеля от режимов работы двигателя.
Конструктивно система питания дизеля common rail имеет два основных контура: Участок низкого давления состоит из топливного бака, насоса низкого давления, трубопроводов и фильтра. Участок высокого давления состоит из топливного насоса высокого давления (ТНВД), трубопровода, рампы (аккумулятора) и форсунок.
Принцип работы топливной системы дизеля представляет собой следующую последовательность: Насос низкого давления нагнетает дизель из топливного бака в трубопровод. Проходя по трубопроводу через фильтры грубой и тонкой очистки дизель подается в насос высокого давления. ТНВД подает топливо в форсунки, с помощью которых происходит впрыск в цилиндры. Одновременно с впрыском топлива происходит подача воздуха.
1.5.2 Разделенная и насос-форсунка
Разделенная топливная система состоит из топливного бака, трубопроводов, ТНВД и форсунок. При этом насос и форсунки соединены длинными трубопроводами, рассчитанными на высокое давление. Разделенная схема активно применяется в отечественном автомобиле-строении, поскольку отличается низкой стоимостью и простотой конструкции. В свою очередь, насос-форсунка – устройство, одновременно создающее нужный уровень давления и производящие впрыск топлива (рис. 1.5). Она располагается в головке блока цилиндров и приводится в действие кулачковым механизмом. Прямая и обратная магистрали при этом реализованы как каналы, находящиеся непосредственно в головке блока. Этот способ имеет важный недостаток: он характеризуется зависимостью давления от режима работы двигателя.
Рис. 1.5 – Насос-форсунка
1.5.3 Линия возврата топлива (“обратка”)
Как правило, топливный насос имеет постоянную производительность, то есть закачивает топливо из бака в рампу под постоянным давлением. Двигатель же работает на разных режимах, потребляя разное количество топлива, в зависимости от его нагрузки. Таким образом, возникает необходимость контролировать давление и количество топлива в топливной рампе.
Этим занимается регулятор давления топлива, который сливает излишки топлива обратно в бак через линию возврата топлива, так называемую “обратку”. В настоящий момент существует два вида топливных систем (рис. 1.6), отличающихся наличием или отсутствием линии возврата топлива (обратной магистрали).
Рис. 1.6 Топливные системы
1. Система подачи топлива с линией возврата. Топливо, которое не было впрыснуто форсункой, является избыточным и оно возвращается обратно в бак через регулятор, который расположен на топливной рампе, и линию возврата. Таким образом в топливном коллекторе поддерживается постоянное давление.
2. Топливная система без линии возврата. Регулятор давления топлива в таких системах обычно устанавливается в модуле погружного топливного насоса. Избыточное топливо, подаваемое насосом, возвращается обратно в бак через короткую линию возврата. При этом в топливную рампу подается только то количество топлива, которое впрыскивается форсунками. Данная система имеет следующие преимущества: меньшая стоимость и мень-ший подогрев топлива в баке.
1.6 Common Rail. Что это такое? Принцип работы
Теперь подробнее рассмотрим данную систему. «Common Rail» – это система впрыска топлива для дизельных ДВС. Ее принцип работы основывается на подаче горючего к форсункам от общего давления рампы. Главная отличительная черта системы – способность выдавать нужную мощность при минимальном потреблении топлива. Также топливная Common Rail способна снизить уровень токсичности выхлопных газов. Отзывы автомобилистов говорят, что машина с такой системой впрыска работает гораздо тише (нет такого характерного «рокота», как на старых дизелях). «Common Rail» обладает широким диапазоном регулирования давления горючего и моментов начала впрыска.
По своей конструкции система Common Rail представляет собой контур высокого давления. При работе двигателя осуществляется непосредственный впрыск топлива (то есть горючее поступает сразу в камеру цилиндров). Есть несколько элементов, которые связаны с работой системы Common Rail. В первую очередь это топливный насос высокого давления. Также в работе используется клапан дозирования и регулятор давления. Кроме этого, в конст-рукции есть топливная рампа и форсунки. Common Rail достаточно сложная система, и чтобы понять ее принцип работы, рассмотрим особенности каждой составляющей.
?
1.7 ТНВД
Итак, ТНВД. Данный механизм служит для создания высокого давления жидкости. Уровень зависит от загруженности двигателя и оборотов коленчатого вала. Как известно, на дизелях обороты регулируются не открытием дроссельной заслонки, а именно порцией подаваемого топлива. За это и отвечает ТНВД. Устройство довольно сложное, поэтому данный элемент – самая дорогая составляющая в дизельном автомобиле (кончено, за исключением основных агрегатов, таких как ДВС и КПП).
Насосы высокого давления имеют крайне сложную конструкцию, работают с повышенными нагрузками и требуют бережной эксплуатации. Важную роль играет качество топлива и отсутствие в нем примесей воды и абразивных частиц (например, пыли). При использовании ТНВД на бензиновом двигателе нагрузка меньше, чем на дизеле, что относительно продлевает срок его службы. Располагается насос высокого давления в подкапотном пространстве в непосредственной близости от мотора (либо может устанавливаться на двигатель). Для его питания используется дополнительный подкачивающий топливный насос низкого давления. В зависимости от марки и категории автомобиля могут применяться различные типы ТНВД. Главным рабочим механизмом насоса является плунжерная пара. Она состоит из плунжера (поршня) и втулки (гильзы). При перемещении поршня в гильзе формируется очень высокое давление, а потому для обеспечения безопасности и корректной работы пары, детали должны иметь высокую точность изготовления. В силу этой особенности плунжерная пара в профессиональной сфере получила наименование прецизионная. Принцип работы плунжерной пары прост: поршень выполняет возвратно-поступательные движения внутри втулки и обеспечивает всасывание, сжатие и подачу топлива в надплунжерное пространство.
?
1.7.1 Классификация и устройство ТНВД
Топливные насосы высокого давления классифицируются по ряду признаков. Прежде всего их разделяют по типу привода плунжеров: механические, пневматические и гидравлические системы. Их, в свою очередь, группируют как механизмы непосредственного действия и аккумуляторные. В первом случае процессы нагнетания и впрыска рабочей жидкости происходят одновременно под действием плунжеров с механическим приводом. В конструкциях с аккумуляторным впрыском рабочие плунжеры приводятся в действие за счет двигателя посредством приводного вала. Системы с механическим приводом в современном автомобилестроении применяются редко, поскольку они не обеспечивают необходимого уровня экологической безопасности. По числу плунжеров топливные насосы высокого давления разделяются на многоплунжерные и распределительные.
1.7.2 Многоплунжерные ТНВД и особенности их конструкции
В многоплунжерных насосах для каждого цилиндра предусмотрен свой плунжер. Таким образом, каждая плунжерная пара обеспечивает подачу топлива в свой цилиндр. Конструктивно многоплунжерные насосы бывают двух типов:
1) Рядные – плунжерные пары расположены рядом с друг другом в один ряд (рис. 1.7);
2) V-образные – плунжерные пары расположены в два ряда и ориентированы друг к другу под углом от 75 до 120 градусов.
Рис. 1.7 Рядный ТНВД
Принцип работы рядного ТНВД для дизельного двигателя заключается в том, что топливо движется по отдельным магистралям и направляется к форсункам мотора в заданном порядке. В классическом исполнении такие конструкции имеют механический привод кулачкового типа, соединенного с коленвалом двигателя. Каждый кулачок приводит в движение соответствующий плунжер, заставляя его перемещаться внутри гильзы. Когда поршень перемещается вниз, происходит всасывание топлива. При движении вверх создается давление и открывается клапан нагнетательной магистрали. В современных системах момент подачи топлива рассчитывается электронным блоком управления автомобиля, который получает сигналы от многочисленных датчиков. Это позволяет учесть такие факторы, как положение педали газа и частоту вращения коленчатого вала двигателя.
В ранних моделях автомобилей можно встретить механическое управление режимами работы рядного ТНВД. Для этого на кулачковом валу устанавливается специальная муфта с небольшими подвижными грузами. Под действием центробежных сил грузы смещаются вначале к внешним краям, а затем вновь к оси. Это, в свою очередь, провоцирует смещение кулачкового вала по отношению к приводу. Таким образом, чем больше частота вращения двигателя, тем раньше происходит впрыск.
Насосы V-образной формы работают по следующему принципу: специальный механизм поворота плунжеров соединен с рейками, воздействующими на втулки. Такая конструкция в сравнении с рядной отличается компактностью. Это позволяет повысить жесткость, укоротить кулачковый вал и добиться более высокого давления впрыска.
Как работают распределительные ТНВД?
В распределительных насосах один или два (у более мощных автомобилей) плунжера, которые подают топливо сразу в несколько цилиндров. Количество цилиндров в таких моторах может быть от 4 до 12. Подобные механизмы устанавливаются преимущественно на легковых автомобилях, поскольку относительно быстро изнашиваются. Именно этот тип ТНВД можно встретить в бензиновых двигателях (схема 1.3).
Схема. 1.3 – Распределительный ТНВД
Среди преимуществ распределительных насосов высокого давления можно назвать не только большую компактность в сравнении с много-плунжерными, но и большую точность подачи горючего. Главный недостаток – быстрый износ плунжеров. Привод плунжера распределительного ТНВД представляет собой кулачковый механизм, который бывает трех видов:
– роторные;
– торцевые (аксиальные);
– с внешним приводом.
Наиболее часто встречаются торцевые приводы распределительных ТНВД. Такая конструкция предполагает только одну плунжерную пару. Она выполняет функцию распределителя, осуществляя подачу топлива к заданной форсунке мотора. Поршень при этом одновременно и перемещается вдоль втулки, и вращается вокруг своей оси. Для этого в конструкции предусмотрена кулачковая шайба с роликами, которая прижимается роликами к неподвиж-ному кольцу с пазами. В процессе вращения ролики входят в пазы кольца и приводят в движение шайбу. Последняя, в свою очередь, воздействует на плунжер, провоцируя его вращение. Движение поршня вдоль гильзы выполняет сжатие рабочей жидкости, тогда как вращение обеспечивает открытие и закрытие топливных каналов, соединенных с форсунками.
Системы с внешним приводом практически не применяются, поскольку не отличаются надежностью работы.
Привод роторного типа также называют внутренним кулачковым. Он имеет всего одну топливную секцию и от 2 до 4 плунжерных пар, расположенных радиально. В основе конструкции кулачковая шайба с пазами, внутри которой находится распредвал с плунжерами. Они приводятся в дви-жение роликовыми башмаками, контактирующими с шайбой. Особенностью этой конструкции является то, что втулки как самостоятельные элементы отсутствуют. Они представляют собой отверстия в распредвале насоса. Плунжеры движутся навстречу друг к другу, увеличивая и уменьшая общее надплунжерное пространство.
Принцип работы роторного привода схож с торцевым: вращение вала обеспечивает перемещение башмаков по поверхности шайбы, и они вдавливаются в пазы, толкая поршни и сжимая топливо. Затем под давлением топливо подается на распределитель и далее к форсункам.
1.7.3 Магистральные ТНВД системы Common Rail
Топливные насосы высокого давления магистрального типа (рис. 1.8) применяются в системах Common Rail. Последняя предполагает акку-муляцию топлива в рампе перед его подачей к форсункам. Конструктивно этот тип насосов может иметь до 3 плунжеров, что позволяет достигать высоких уровней давления. Движение плунжеров обеспечивается за счет воздействия кулачковой шайбы (вала), совершающей вращательные движения, а также специальной пружины.
