Система впрыска дизельных двигателей — общие сведения

Если в бензиновом двигателе подается топливовоздушная смесь, которая впоследствии воспламеняется от искры свечи зажигания, то в дизельном двигателе это происходит под воздействием высокой температуры воздуха. В конце такта сжатия давление воздуха в цилиндре достигает 28 бар, а температура — около +700°С. Топливо воспламеняется под воздействием горячего воздуха, и давление в камере сгорания достигает 145 бар (D, TD) или 1350 бар у CDI. В дизеле распыленное топливо мгновенно сгорает. Когда и сколько топлива надо впрыснуть в камеру, определяется регулировкой и установкой впрыска.

Система впрыска с вихревой камерой

Рис. 4.60. Разрез головки цилиндров с вихревой камерой: 1 – форсунка; 2 – свеча накаливания; 3 – вихревая камера с впускным каналом; 4 – цилиндр

У дизелей с вихревой системой (рис. 4.60) камера сгорания разделена. Вихревая камера соединена с надпоршневым пространством, и при подходе поршня к верхней точке в ней создается вихревой поток, который эффективно смешивает топливо с воздухом. Смесь, воспламенившись, проходит в основную камеру сгорания. Двигатели с вихревой камерой хорошо зарекомендовали себя, особенно на больших оборотах (более 5000 мин -1 ).

Система впрыска с форкамерой (предкамерой)

Рис. 4.61. Разрез головки цилиндров с форкамерой: 1 – форсунка; 2 – свеча накаливания; 3 – форкамера с впускным каналом; 4– цилиндр

При форкамерной системе (рис. 4.61), которая применяется на дизельных двигателях Mercedes, рабочие камеры разделены, как и у вихревой системы. Форкамера находится сверху в головке блока цилиндров. Воспламенение топлива в камере сгорания происходит через тонкие сопла, идущие от форкамеры.

Прямой впрыск

При прямом впрыске топливо подается в камеру сгорания и сгорает мгновенно.

Данная система обладает высокой экономичностью, но она имеет свои недостатки: высокий уровень шума двигателя, особенно при пуске и резком повышении оборотов.

Система Common Rail

Рис. 4.62. Прямой впрыск в системе Common Rail: 1 – форсунка; 2 – впускной патрубок; 3 – поршень со специальной выточкой

Рис. 4.63. Схема системы Common Rail: 1 – общая топливная рампа; 2 – датчик давления; 3 – насос; 4 – форсунка; 5 – регулировочный клапан давления

Система Common Rail (рис. 4.62, 4.63, 4.68) не только обеспечивает экономичность и минимальный выброс экологически вредных газов, но и по комфорту и уровню шума работы двигателя превосходит современные дизельные двигатели с форкамерным впрыском. Поэтому дизельные двигатели CDI заняли основное место в развитии моторостроения Mercedes-Benz.

«Common Rail» означает «Общая магистраль». Если в системах с прямым впрыском топливо под давлением подавалось на каждую форсунку в отдельности, то в системе Common Rail топливо независимо от очередности впрыска находится в общей топливной рампе, так называемом аккумуляторе.

Электронное управление регулирует давление впрыска в зависимости от числа оборотов и нагрузки мотора. Сенсорные датчики, принимающие данные о режиме работы распределительного и коленчатого валов, выдают команды на оптимальный впрыск согласно режиму работы двигателя. Причем подача топлива и впрыск независимы друг от друга.

Рис. 4.64. Основные элементы системы Common Rail: 1 – насос высокого давления; 2 – нагнетательный насос; 3 – форсунка; 4 – магнитный клапан дозирующей системы; 5 – обратный топливопровод; 6 – трубопровод высокого давления; 7 – датчик давления топлива; 8 – аккумулятор давления; 9 – клапан регулировки давления топлива

Особенностью этой разработки является специальный накопитель (аккумулятор) 8 (рис. 4.64), в котором всегда сохраняется давление до 1350 бар. Это необходимо для того, чтобы в магистрали, которая соединяет насос с форсунками, всегда находилось топливо под нужным давлением, готовое к впрыску.

Магистраль соединяется с форсунками. На каждой форсунке стоит магнитный клапан, который регулирует давление и количество подачи топлива. Микрокомпьютер управляет работой клапана исходя из режима работы и нагрузки двигателя. Эта система существенно повысила экономичность работы двигателя и способствовала значительному уменьшению выброса в атмосферу вредных газов.

Топливные насосы высокого давления (ТНВД)

ТНВД служат для подачи дизельного топлива в форсунки под высоким давлением (около 120 бар). 4- и 5-цилиндровые двигатели оснащаются распределительным ТНВД. У 6-цилиндрового двигателя стоит рядный ТНВД. Все ТНВД расположены слева на двигателе и приводятся цепью от коленчатого вала. При этом частота вращения вала ТНВД вдвое меньше частоты вращения коленчатого вала. ТНВД имеют электронное управление.

ТНВД распределительного типа

Двигатели Е 220 D и E 290 TD снабжены ТНВД распределительного типа (рис. 4.64, 4.65). ТНВД имеет встроенные топливоподкачивающий насос и датчик температуры, с помощью которого выдается сигнал на прекращение подачи топлива. Снаружи расположены электромагнитные клапаны, один для остановки двигателя, второй для подачи топлива. Подачу топлива ТНВД осуществляет через тонкие каналы в соответствующий цилиндр.

Рис. 4.65. ТНВД распределительного типа, устанавливаемый на моделях E 220D и E 290 TD

Вал насоса соединен с каналом головки, и нагнетательные поршни отделены друг от друга под давлением топлива (около 8 бар), пока выступы на кулачковой шайбе не производят усилия на опорные торцы. Во время поворота вала нагнетательный канал закрывается и открывается канал высокого давления.

В головке распределительного насоса находятся 4 (или 5 – для 5-цилиндрового двигателя) нагнетательных каналов и соответственно им 4 (5) каналов высокого давления. Как только кулачки на кулачковой шайбе совмещаются с опорными выступами, поршни начинают сжимать топливо, давление повышается, и при достижении около 120 бар происходит впрыск.

Количество впрыскиваемого топлива определяется длиной хода нагнетательного поршня, который регулируется осевым перемещением опорных выступов. Осевая установка вала распределительного насоса регулируется двумя магнитными клапанами и возвратной пружиной регулятора количества топлива.

Угол опережения впрыска топлива регулируется положением кулачковой шайбы по отношению к головке распределительного насоса. Поворотом шайбы против направления вращения устанавливается более раннее время впрыска, соответственно по направлению вращения — позднее. Поворот кулачковой шайбы вокруг оси вала осуществляется с помощью регулировочного клапана и возвратной пружины. При установке в положение «раннее» регулировочный клапан будет открыт, давление повысится, и регулирующий поршень пойдет влево. При закрытии клапана давление понижается, и поршень под действием пружины идет вправо.

Рядные ТНВД

Рис. 4.66. ТНВД распределительного типа, устанавливаемый на моделях Е 220 D и E 290 TD, в разрезе

На моделях Е 300 D устанавливается рядный ТНВД (рис. 4.66) с электронным управлением — ERE (Elektronisch geregeltes Reien-Einspritzsystem). Рядные ТНВД имеют отдельную насосную секцию для каждого цилиндра, которая подает топливо к соответствующей форсунке по стальному трубопроводу высокого давления. Основными узлами ERE-системы являются рядный ТНВД и блок электронного управления системой впрыска.

Рис. 4.68. Рядный ТНВД (ERE) в разрезе: 1 – приемная часть для соединения трубопровода высокого давления с форсункой; 2 – нагнетательный клапан; 3 – плунжер; 4 – механизм регулировки числа оборотов (ERE); 5 – управляющая рейка; 6 – рычаг установки плунжера; 7 – разъем; 8 – роликовый толкатель; 9 – пружина плунжера; 10 – топливный насос; 11 – электрогидравлический регулятор; 12 – кулачковый вал

В нижней части насоса установлен кулачковый вал 12 (рис. 4.68). С помощью его кулачков приводятся в действие насосные секции согласно очередности впрыска. Основными частями насосной секции являются: нагнетательный клапан 2, цилиндр и плунжер 3, поворотная плунжерная втулка и пружина 9.

Когда плунжер находится в нижнем положении, через впускное отверстие полость над ним заполняется топливом. Кулачок вала насоса перемещает толкатель вверх, пружина плунжера сжимается, плунжер перекрывает впускное отверстие, давление возрастает.

Когда давление достигнет 120 бар, поднимается игла форсунки и топливо поступает в предкамеру. Впрыск осуществляется до тех пор, пока плунжер не откроет выпускное отверстие регулировки подачи топлива. В этот момент давление над плунжером резко падает, нагнетательный клапан закрывается, предварительно пропустив небольшое количество топлива обратно в цилиндр. Давление в топливной трубке и форсунке резко падает. Форсунка закрывается.

Плунжер имеет на боковой поверхности винтообразный шлифованный канал, и в зависимости от положения плунжера выходное отверстие регулировки подачи топлива остается некоторое время закрытым. Путь, который проходит плунжер при закрытом выходном отверстии, называется ходом нагнетания. Чем больше ход нагнетания, тем больше топлива впрыскивается в цилиндр двигателя.

Поворотные втулки плунжеров всех насосных секций связаны через короткий рычаг с управляющей рейкой. При сборке насоса поворотные втулки устанавливаются таким образом, что все насосные секции нагнетают одинаковое количество топлива.

Рейка регулировки подачи топлива является важной частью ТНВД, с помощью которой происходит дозирование нагнетаемого топлива в каждый цилиндр. Управляющая рейка соединяется с педалью акселератора через электронно-управляемый регулятор числа оборотов (ERE).

Рис. 4.67. Рядный ТНВД типа ERE, устанавливаемый на модели Е 300D

Регулятор числа оборотов

Электронный регулятор числа оборотов находится с задней стороны топливного насоса и управляет рейкой. Регулятор управляется прямоугольным импульсным напряжением с частотой около 190 Гц. В зависимости от режима изменяется сила действия исполнительного магнита, и он, преодолевая усилие пружины, продвигает рейку в направлении «Start» или, соответственно, «Volllast» (полная нагрузка). Длина хода рейки при этом составляет 19,5 мм.

Снижение уровня шума работы двигателя

В ранее применявшихся ТНВД с прямым впрыском при большом давлении (до 145 бар), шум работы двигателя был намного выше, чем у форкамерных моделей. Система Common Rail перед основной порцией топлива впрыскивает небольшую, так называемую пилотную, дозу топлива, которая обеспечивает «подогрев» камеры сгорания. Благодаря этому создаются оптимальные условия для воспламенения основного топлива, оно воспламеняется намного быстрее, так как давление и температура поднимаются плавно, а не скачкообразно. Это влияет не только на понижение шума, но и на уменьшение токсичности отработавших газов.

Исходя из этого специалисты Mercedes-Benz предприняли дополнительные меры по снижению уровня шума двигателя. К ним относятся специальный шумопоглощающий кожух (демпфер) головки цилиндров и впускного коллектора, усиление картера и крышки распределительного вала.

Принцип работы дизельного двигателя

В дизельных двигателях чистый воздух впускается в цилиндры и там сильно сжимается. Из-за этого температура в цилиндрах становится выше температуры воспламенения дизельного топлива.

В момент, когда поршень цилиндра почти достигает в верхней мертвой точке, в воздух, сжатый и нагретый примерно до +600°С, впрыскивается дизельное топливо. Топливо самовоспламеняется, поэтому свечи зажигания не нужны.

При очень холодном двигателе одним только сжатием температура воспламенения не достигается. В этом случае двигатель нужно предварительно разогреть. Для этого в камере сгорания каждого цилиндра имеется свеча накаливания, которая разогревает камеру сгорания.

Продолжительность разогрева зависит от температуры окружающего воздуха и регулируется блоком управления двигателем через реле разогрева.

Топливо всасывается топливоподающим насосом непосредственно из топливного бака и нагнетается к ТНВД под давлением, равном примерно 3,5 бар.

В топливном насосе высокого давления даже на малых оборотах двигателя создается постоянное давление, составляющее немногим более 1300 бар.

К топливному насосу высокого давления подсоединен магистральный распределительный топливопровод с топливными форсунками для каждого цилиндра (см. иллюстрацию 1.0).

1.0 Распределительная магистраль дизельного двигателя с непосредственным впрыском топлива (CDI)
1 — распределительная магистраль
2 — топливный фильтр
3 — возвратный топливопровод
4 — подающий топливопровод на ТНВД
5 — электромагнитный клапан отсечки топлива
6 — топливоподающий насос
7 — ТНВД (топливный насос высокого давления)
8 — нагнетающий топливопровод (к распределительной магистрали)
9 — форсунка
10 — нагнетающий топливопровод (к форсунке)
11 — возвратный топливопровод)

Магистральный топливопровод представляет собой своего рода накопитель топлива и высокого давления, распределяющий поступившее топливо между форсунками с неизменным давлением.

Электромагнитные топливные форсунки впрыскивают топливо в свои цилиндры. Однако при этом количество впрыскиваемого топлива определяется и задаётся блоком управления двигателем. Если, например, блок управления закрывает форсунки, то на этом впрыск топлива прекращается.

Если говорить иными словами, то нагнетание топлива и его впрыск выполняются независимо друг от друга.

Преимущество состоит в том, что количество топлива впрыскивается в зависимости от эксплуатационной нагрузки на двигатель на текущий момент, что оптимизирует также и содержание вредных веществ в ОГ.

Однако при этом количество впрыскиваемого топлива не зависит от количества оборотов двигателя.

Через форсунку с многоструйным распылителем топливо впрыскивается в два этапа.

Вначале впрыскивается небольшое, предварительное, количество топлива, что улучшает условия воспламенения основной порции топлива. Это приводит к более мягкому и вместе с тем тихому сгоранию смеси.

Прежде чем попасть в топливоподающий насос и в ТНВД, топливо проходит через топливный фильтр, где задерживаются загрязнения и вода. Поэтому чрезвычайно важно заменять топливный фильтр в сроки, как того требуют условия технического обслуживания.

Топливоподающий насос и ТНВД в техническом обслуживании не нуждаются. Все подвижные детали насоса смазываются дизельным топливом.

Воздух для образования топливовоздушной смеси забирается двигателем или нагнетается турбокомпрессором через воздушный фильтр.

Турбокомпрессор сжимает воздух и подает его в двигатель через радиатор охладителя воздуха наддува (интеркулер). В интеркулере происходит охлаждение горячего воздуха наддува. Этим обеспечивается улучшение наполнения цилиндров, что в свою очередь ведет к увеличению крутящего момента и мощности двигателя.

Эксплуатация дизельного двигателя в зимних условиях

С понижением температуры уменьшается текучесть дизельного топлива, оно загустевает и парафинируется.

Дизельное топливо может стать вязким, а его текучесть можно сравнить в этом состоянии с вязкостью меда.

В результате загустевания топливный фильтр забивается. По этой причине фирмы-производители дизельного топлива добавляют зимой в дизельное топливо присадки, позволяющие сохранять нужную текучесть и обеспечивать запуск двигателя при температурах до -22°С.

Чтобы топливный фильтр в холодное время года не забивался, через клапан подогрева топлива в фильтр отводится горячее топливо (обратка) из ТНВД.

Впрыск топлива у дизельных двигателей полностью контролируется блоком управления. Это дает следующие преимущества:

• а) самодиагностика двигателя, что позволяет быстро обнаружить неисправность;
• б) точное дозирование впрыскиваемого топлива. Это обеспечивает снижение содержания вредных веществ в ОГ и уменьшает расход топлива;
• в) отпадает необходимость регулировки числа оборотов холостого хода, а также заданной частоты оборотов, при которой регулятор начинает ограничивать подачу топлива.

Все детали системы управления двигателем рассчитаны на длительный срок эксплуатации и практически не требуют ремонта.

В рамках технического обслуживания необходимо лишь менять сменный фильтрующий элемент воздушного фильтра и топливный фильтр.

Устройство предварительного разогрева дизельного двигателя

Если двигатель холодный, то температуры воздуха, образующейся при его сжатии, недостаточно для самовоспламенения впрыскиваемого топлива. В этом случае двигатель нуждается в предварительном разогреве.

С этой целью в камере, сгорания каждого цилиндра установлена свеча накаливания. Свеча накаливания представляет собой корпус с запрессованным штифтом накаливания.

Штифт накаливания имеет спираль накаливания и обмотку регулирования силы тока.

При подаче напряжения спираль внутри штифта накаляется в течение нескольких секунд до температуры свыше +850°С.

При этом через штифт каждой свечи проходит ток силой примерно в 30 Ампер.

По мере увеличения температуры в камере сопротивление регулирующей обмотки увеличивается, снижая силу тока до 15 — 25 Ампер. Этим свеча накаливания защищена от перегрева.

Как только сигнальная лампочка предварительного разогрева на щитке приборов гаснет, двигатель можно запускать.

Продолжительность предварительного разогрева двигателя редко достигает более 10 секунд и регулируется блоком управления двигателем, который запрашивает у датчика температуры охлаждающей жидкости данные о температуре двигателя на текущий момент.

Исходя из полученных данных, блок управления определяет продолжительность разогрева и силу тока накала свечей.

Внимание! Дизельный двигатель с обладает хорошей способностью к запуску в холодном состоянии. Поэтому предварительный разогрев необходим лишь при температурах воздуха ниже 0°С.