Системы впрыска дизельных двигателей

Концептуально двигатели внутреннего сгорания – бензиновые и дизельные практически идентичны, но существует между ними ряд отличительных особенностей. Одной из основных является разное протекание процессов горения в цилиндрах. У дизеля топливо загорается от воздействия высоких температур и давления. Но для этого необходимо, чтобы дизтопливо подавалось непосредственно в камеры сгорания не только в строго определенный момент, но еще и под высоким давлением. И это обеспечивают системы впрыска дизельных двигателей.

Постоянное ужесточение экологических норм, попытки получить больший выход мощности при меньших затратах топлива обеспечивают появление все новых конструктивных решений в топливной системе дизеля.

Принцип работы у всех существующих видов впрыска дизеля идентичен. Основными элементами питания являются топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунка. В задачу первой составляющей входит нагнетание дизтоплива, благодаря чему давление в системе значительно повышается. Форсунка же обеспечивает подачу топлива (в сжатом состоянии) в камеры сгорания, при этом распыляя его для обеспечения лучшего смесеобразования.

Стоит отметить, что давление топлива напрямую влияет на качество сгорания смеси. Чем оно выше, тем дизтопливо лучше сгорает, обеспечивая больший выход мощности и меньшее содержание загрязняющих веществ в отработанных газах. И для получения более высоких показателей давления использовали самые разные конструктивные решения, что и привело к появлению разных видов систем питания дизеля. Причем все изменения касались исключительно указанных двух элементов – ТНВД и форсунок. Остальные же составляющие – бак, топливопроводы, фильтрующие элементы, по сути, идентичны во всех имеющихся видах.

Типы дизельных систем питания

Дизельные силовые установки могут быть оснащены системой впрыска:

• с рядным насосом высокого давления;
• с насосами распределительного типа;
• с насос-форсунками;
• аккумуляторного типа (Common Rail).

Далее рассмотрим лишь некоторые особенности, которыми обладают указанные системы впрыска дизельных двигателей, а также их положительные и отрицательные качества.

С рядным насосом

Система питания с рядным ТНВД можно считать «родителем» всех остальных, поскольку она является первой, используемой на дизельных моторах. Но сейчас она уже считается устаревшей и практически не используется.

Рядный ТНВД на 8 форсунок

Изначально эта система была полностью механической, но после в ее конструкции начали использоваться электромеханические элементы (касается регуляторов изменения цикловой подачи дизтоплива).

Основная особенность этой системы заключена в насосе. В нем плунжерные пары (прецизионные элементы, создающие давление) обслуживали каждый свою форсунку (количество их соответствовало количеству форсунок). Причем эти пары размещались в ряд, отсюда и название.

К достоинствам системы с рядным насосом можно отнести:

• Надежность конструкции. Насос имел систему смазки, что обеспечивало узлу большой ресурс;
• Невысокая чувствительность к чистоте топлива;
• Сравнительная простота и высокая ремонтопригодность;
• Большой ресурс насоса;
• Возможность работы мотора при отказе одной секции или форсунки.

Но недостатки у такой системы более существенны, что и привело к постепенному отказу от нее и отданию предпочтения более современным. Негативными сторонами такого впрыска считаются:

• Невысокие быстродействие и точность дозировки топлива. Механическая конструкция просто не способна это обеспечить;
• Сравнительно невысокое создаваемое давление;
• В задачу ТНВД входит не только создание давления топлива, но еще и регулировка цикловой подачи и момент впрыска;
• Создаваемое давление напрямую зависит от оборотов коленчатого вала;
• Большие габариты и масса насоса.

Эти недостатки, и в первую очередь – невысокое создаваемое давление, привело к отказу от этой системы, поскольку она просто перестала вписываться в стандарты по экологичности.

С насосом распределенного типа

ТНВД распределенного впрыска стала следующим этапом в развитии систем питания дизельных агрегатов.

Изначально такая система была тоже механической и отличалась от описанной выше лишь конструкцией насоса. Но со временем в ее устройство добавили систему электронного управления, которая улучшила процесс регулировки впрыска, что позитивно сказалось на показателях экономичности мотора. Определенный период такая система вписывалась в стандарты экологичности.

Особенность этого типа впрыска сводилась к тому, что конструкторы отказались от использования многосекционной конструкции насоса. В ТНВД начала использоваться всего одна плунжерная пара, обслуживающая все имеющиеся форсунки, количество которых варьируется от 2 до 6. Для обеспечения подачи топлива на все форсунки, плунжер совершает не только поступательные движения, но еще и вращательные, которые и обеспечивают распределение дизтоплива.

ТНВД с насосом распределенного типа

Позже эта система добавилась новым типом насоса – роторным, у которого устанавливаются несколько плунжеров, но распределенная подача осталась. Это позволило увеличить создаваемое насосом давление.

К положительным качествам таких систем относились:

• Малые габаритные размеры и масса насоса;
• Лучшие показатели по топливной экономичности;
• Использование электронного управления повысило показатели системы.

К недостаткам же системы с насосом распределенного типа относятся:

• Небольшой ресурс плунжерной пары;
• Смазка составных элементов осуществляется топливом;
• Многофункциональность насоса (помимо создания давления он еще управляется подачей и моментом впрыска);
• При отказе насоса система прекращала работать;
• Чувствительность к завоздушиванию;
• Зависимость давления от оборотов двигателя.

Широкое распространение такой тип впрыска получил на легковых авто и небольшом коммерческом транспорте.

Насос-форсунки

Насос-форсунки можно считать отдельной веткой в дизельных системах питания, поскольку в конструкции ТНВД как таковой не используется.

Особенность этой системы заключена в том, что форсунка и плунжерная пара объединены в единую конструкцию. Привод секции этого топливного узла осуществляется от распределительного вала.

Примечательно, что такая система может быть как полностью механической (управление впрыском осуществляется рейкой и регуляторами), так и электронной (используются электромагнитные клапаны).

Некой разновидностью этого типа впрыска является использование индивидуальных насосов. То есть для каждой форсунки предусматривается своя секция, приводимая в действие от распределительного вала. Секция может располагаться непосредственно в ГБЦ или быть вынесенной в отдельный корпус. В такой конструкции используются обычные гидравлические форсунки (то есть, система механическая). В отличие от впрыска с ТНВД, магистрали высокого давления – очень короткие, что позволило значительно увеличить давление. Но такая конструкция особого распространения не получила.

К положительным качествам насос-форсунок питания можно отнести:

• Значительные показатели создаваемого давления (самые высокие среди всех используемых типов впрыска);
• Небольшая металлоемкость конструкции;
• Точность дозировки и реализации многократного впрыска (в форсунках с электромагнитными клапанами);
• Возможность работы двигателя при отказе одной из форсунок;
• Замена поврежденного элемента не сложная.

Но имеются в таком типе впрыска и недостатки, среди которых:

• Неремонтопригодность насос-форсунок (при поломке требуется их замена);
• Высокая чувствительность к качеству топлива;
• Создаваемое давление зависит от оборотов двигателя.

Насос-форсунки получили широкое распространение на коммерческом и грузовом транспорте, а также эту технологию использовали некоторые производители легковых авто. Сейчас она не очень часто используется из-за высокой стоимости обслуживания.

Common Rail

Аккумуляторная система (Common Rail) пока является самой совершенной в плане экономичности. Также она полностью вписывается в последние стандарты экологичности. К дополнительным «плюсам» можно отнести ее применяемость на любых дизельных двигателях, начиная от легковых авто и заканчивая морскими судами.

Система впрыска Common Rail

Особенность ее заключена в том, что многофункциональность ТНВД не требуется, и в его задачу входит только нагнетание давления, причем не для каждой форсунки отдельно, а общую магистраль (топливную рампу), а уже от нее дизтопливо подается на форсунки.

При этом топливные трубопроводы, между насосом, рампой и форсунками имеют сравнительно небольшую длину, что позволило повысить создаваемое давление.

Управление работой в этой системе осуществляется электронным блоком, что значительно увеличило точность дозировки и скорость работы системы.

Положительные качества Common Rail:

• Высокая точность дозировки и использование многорежимного впрыска;
• Надежность ТНВД;
• Нет зависимости значения давления от оборотов мотора.

Негативные же качества у этой системы такие:

• Чувствительность к качеству топлива;
• Сложная конструкция форсунок;
• Отказ системы при малейших потерях давления из-за разгерметизации;
• Сложность конструкции из-за наличия ряда дополнительных элементов.

Несмотря на эти недостатки автопроизводители все больше отдают предпочтение Common Rail перед другими видами систем впрыска.

Система впрыска дизельного двигателя

Система впрыска дизельного двигателя отличается от бензинового. В камере сгорания дизельного двигателя происходит воспламенение топлива. В бензиновом поджигается топливная смесь. Приготовленная, вне камеры сгорания и в определенном соотношении.

Поэтому воспламенение топлива дизельного двигателя имеет свои особенности. Основываются ни на физических свойствах воздуха и непосредственно дизельного топлива. Эти свойства определяют конструктивные особенности. Различных систем впрыска топлива.

Воспламенение дизельного топлива.

Поршень сжимает воздух в камере сгорания. Поршневая группа позволяет создать компрессию в камере сгорания выше 25 вар. Если это происходит. Температура сжимаемого воздуха поднимается до 700- 900 градусов по цельсию.

Нагрев воздуха в камере сгорания

Нагрев воздуха происходит. Из а того , что при сжатии уменьшаются расстояния между молекулами воздуха . Молекулы находятся в постоянном движении. И чем меньше между ними расстояние. тем чаще они сталкиваются друг с другом. В результате выделяется большое количество кинетической энергии. Которая переходит в тепловую. Чем сильнее давление на воздух тем меньше расстояние между молекулами. Те выше поднимается температура сжимаемого воздуха.

Как происходит воспламенение.

Сжатый воздух нагрет до температуры 700-900 градусов. В момент когда поршень начинает подходить к верхней мертвой точке. Форсунка впрыскивает топливо под давлением. Топливо распыляется на мелкие капли. Капля от движения начинает испаряться и вокруг неё образуется облако пара. Температура воспламенения дизельного топлива составляет 350 градусов по Цельсию. То есть при температуре сжатого воздуха даже в 500 градусов. Пары топлива гарантированно самовоспламеняются. И от горения начинают расширяться. Создаётся давление в цилиндре. К моменту когда поршень подойдет к верхней мертвой точке. Топливо воспламенится все полностью и создаст максимальное давление в камере сгорания. Это давление и будет совершать работу двигателя. По мере удаления поршня от верхней мертвой точки топливо догорает. Создавая тем самым дополнительное давление на поршень.

Качество сгорания топлива во многом определяет давление с которым происходит впрыск топлива в камеру сгорания. Чем быстрее и эффективнее сгорает топливо тем выше создаваемое им давление. Чем выше давление распыления в форсунках. Тем капли мельче и быстрее движутся. Соответственно быстрее сгорают. Поэтому при одном и том же объёме камеры сгорания можно достичь повышение мощности двигателя за счет увеличения давления впрыска топлива.

Увеличение мощности двигателя

Современные системы впрыска позволяют поднять давление распыления до 2000 Вар. Выше создать давление не получается из за конструктивных особенностей двигателя внутреннего сгорания. То есть двигатель может не справиться с возникающим давлением и разрушится

Увеличение объёма воздуха в камере сгорания

Мощность двигателя можно повысить за счет увеличения объема воздуха поступающего в камеру сгорания. Так как воздух содержит кислород. И чем его больше тем интенсивнее происходит сгорание топлива. Цилиндр имеет рабочий объём, который изменить нельзя. Но можно в этот объём разместить большее количество воздуха. Если предварительно его сжать.

Происходит это с помощью турбокрмпрессора. Он создаёт избыточное давление поступающего в цилиндр воздуха. В результате его попадет большее количество. Если бы поршень закачивал воздух самостоятельно. Но в результате попадания воздуха в турбокомпрессор он нагревается от температуры турбины и от создаваемого им сжатия. Требуется его охлаждение.

При охлаждении движение молекул замедляется. В результате чего они начинают занимать меньший объём в пространстве. Технически охлаждение воздуха происходит путем применения радиатора. Его называют интеркулер. В интеркулере воздух охлаждается встречным потоком воздуха. При движении автомобиля. Сжатый воздух дополнительно охлаждается и подаётся в цилиндры. Но применение интеркулера возможно только при наличии турбокомпрессора. Потому что если применять его отдельно, он затруднит поступление воздуха в цилиндры. И повышения мощности не произойдет.

Топливо попавшее в цилиндр должно сгореть полностью. От этого зависит эффективная работа двигателя. Безусловно дополнительная порция воздуха помогает это сделать. Но не решает проблемы в целом. Двигатель работает в разных режимах. При увеличении оборотов. Уменьшается время на горение топлива. А не полное его сгорания снижает мощность работы. В связи с уменьшением возникающего давления на поршень. Автомобили несут на себе разную нагрузку. При одних и тех же оборотах двигателя требуется разное количество топлива для движения автомобиля. Поэтому постоянно разрабатываются различные системы впрыска топлива. Которые пытаются более точно регулировать объём поступающего топлива в цилиндры. При работе на разных режимах работы двигателя.

Классическая система впрыска топлива.

Основана на использовании топливного насоса высокого давления. Он распределяет давление топлива по цилиндрам. В зависимости от схемы работы данного двигателя. Полость ТНВД наполняется топливом при помощи подкачивающего насоса. Который расположен на корпусе ТНВД и приводится в действие от вала ТНВД. Подкачивающий насос закачивает топливо из бака Направляет его в фильтры тонкой очистки. И затем топливо попадает в ТНВД. Полость топливного насоса высоко давления наполняется. В ней находятся плунжерные пары. Они захватывают топливо. И создают высокое давление. Которое и подаётся к форсункам. Форсунка устроена таким образом. Что накапливает получаемое давление от плунжера. И при достижении нужного давления открывает каналы через которые распыляется топливо. Это классическая схема. Насос позволяет менять частоту вращения коленчатого вала двигателя. Путем изменения количества подаваемого топлива в цилиндры.

Кроме этого некоторые насосы имеют возможность изменять угол опережения зажигания. За счет применения центробежных грузиков. При увеличении числа оборотов двигателя происходит смещение вала насоса относительно привода. Эта система рассчитывается на средние показатели работы двигателя. На различных предполагаемых режимах работы. И не может влиять на не предусмотренные нагрузки. Такие как уменьшение или увеличении перевозимого груза. Спуск подъем. Дорожное покрытие. Количество топлива будет соответствовать только количеств требуемых оборотов двигателя.

Соответственно топлива будет либо не хватать. Либо подаваться избыточное количество. В результате не достигается полное сгорание топлива в цилиндрах, и как результат низкий коэффициент полезного действия. Влияющий отрицательно на расход топлива и мощность двигателя и показатели экологии. Требования предъявляемые к экологии в конечном итоге оказались главным фактором эволюции системы впрыска. Чем топливо лучше сгорает в камере сгорания. Тем образуется меньше вредных выбросов окружающую среду. Соответственно чем эффективнее сгорание топлива лучше характеристики двигателя. Конструктора длительное время усовершенствовали систему впрыска дизельного топлива.

Но всё это были как правило вариации на тему ТНВД. Впрыск топлива производился в полном объёме. Поэтому при работе дизельного двигателя слышен характерный стук. Воспламеняется топливо поданное в цилиндр, давление возрастает В ВМТ до максимальной величины. И происходит сильный удар.

Современная система впрыска дизельного двигателя способна производить подачу впрыска в несколько этапов. Как производить производить предварительный поджог топлива. Предварительная подача топлива называется пилотным впрыском. Когда поршень проходит отметку угла опережения зажигания происходит предварительный впрыск топлива. Небольшое количество топлива загорается. Затем даётся еще какое то количество топлива.

Таких предварительных впрысков может достигать до 5. После пилотного впрыска происходит основной впрыск. Уже в горящее топливо. Основное количество топлива быстрее загорается и сгорает более эффективно. В результате двигатель работает плавно без резких ударов. А более полное сгорание топлива обеспечивает низкий уровень выброса вредных веществ и повышение мощностных характеристик двигателя. Подобный впрыск может обеспечить только система Комон рейл

Система Комон рейл

Управление впрыском топлива происходит при помощи электронного блока управления. Количество подаваемого топлива учитывается от числа оборотов двигателя, скорости движения и возникающих нагрузок в процессе движения автомобиля. Система впрыска дизельного двигателя комон рейл позволят достичь максимально возможного давления впрыска топлива. Поэтому она и получила широкое распространение на современных двигателях.

Система common rail принцип работы

Насос создаёт высокое давление не для каждой форсунки в отдельности а для всех сразу. Давление аккумулируется в расширительной трубке рейле. Все форсунки соединены с рейлом. Впрыск топлива осуществляется за счет работы электро магнитного клапана в форсунках. Управление клапанами осуществляет электронный блок. На основании данных которые он получает от датчиков.

• положение коленчатого вала

• положение распределительного вала

• температуры поступающего воздуха-

• температуры двигателя

• давление топлива в рейл

• количество сгоревшего топлива

• положение педали газа

В зависимости от полученных данных ЭБУ определяет время открытия и закрытия форсунок. То есть количество необходимого топлива. Угол опережения зажигания.

Достигается максимальное сгорание топлива на разных режимах работы двигателя.

Устройство системы комон рейл

Система комон рейл состоит из элементов низкого и высокого давления топлива.

Элементы низкого давления обеспечивают подачу топлива до насоса высокого давления. Низкое давление является составной частью нагнетания высокого. То есть оно должно иметь определённую величину. Чтобы насос высокого давления эффективно работал.

В систему низкого давления входят топливоподводящие трубки. Фильтра грубой и тонкой очистки топлива. И как правило шестеренный насос низкого давления.

Элементы высокого давления производят нагнетание рабочего давления топлива в камере сгорания.

К ним относятся:

• Насос высокого давления

• Рейл

• Подводящие трубки к форсункам

• Форсунки распыляющие топливо в камере сгорания

В связи с тем что система подводит давление к форсункам одновременно. Затрудняется поиск неисправностей. Если одна форсунка вышла из строя. Например перестала сдерживать рабочее давление. Двигатель работать не сможет. Потеря давления в одной форсунке не позволит создать давление во всей системе.

Неплотное соединение между элементами высокого давления так же позволит создать давление нагнетания.

Например очень часто форсунки подключаются к рейл при помощи удлинителей(морковок) Форсунка имеет конусное отверстие. И в это отверстие прилегает конус удлинителя. Если в соединении трубки удлинителя и форсунки будет повреждение. И трубка не плотно приляжет к форсунке. Давление в системе уже не создаться. И двигатель не заведется. Все соединения должны быть надёжными и предельно прочными. Попадание малейших частиц грязи приведет к неисправности. Иногда требуется ремонт форсунок. Их снимают везут в мастерскую. Соединительные трубки остаются в пыли и грязи ждать форсунки. При установке отремонтированных форсунок их прикручивают как они и лежали. Мотор естественно не заводится из за попавшей грязи в форсунки. А винить начинают мастеров. Диагностика неисправности системы впрыска комон рейл производится при помощи тестера. Который считывает коды ошибок выдаваемых электронным блоком. Но этих данных бывает недостаточно для определения истинной причины неисправности.

Система впрыска дизельного двигателя подвергается постоянной эволюции. Связано это с требованиями экологии. По уменьшению вредных выбросов отработанных газов. А это в свою очередь и есть путь к повышению эффективности работы двигателя и экономии топлива.