Эти
системы, в отличие от аккумуляторных, называемые по принятой
классификации также системами непосредственного впрыска, базируются на
использовании апробированных технических решениях и технологии
производства ТПА. Использование электроники в дизелях V12 военных
машин Rolls Royce началось с 1978 г., а для гражданской продукции фирмы
R.Bosch, Lucas CAV, Stanadyne, Detroit Diesel Allison, Zexel освоили
ТПА с электронным управлением с середины 80-х годов. В простейшем
случае от традиционной ТПА она может отличаться только заменой
механического регулятора на электронный. В этом случае конструкция
насосной секции может не иметь новых элементов. Такая ТПА на сегодня
наиболее подготовлена к широкому использованию, но ввиду множества
ограничений имеет меньшие возможности, чем, например, аккумуляторная.
Среди подобных решений находим как наиболее простые (насос-форсунки
дизелей ГАЗ-560, Volkswagen), так и наиболее сложные
(распределительные ТНВД VP-44 R.Bosch, EPIC Lucas).
Рядные топливные насосы высокого давления
Они
наиболее традиционны и распространены. В отличие, например, от
распределительных ТНВД, гибкое регулирование УОВ в них затруднено.
Решение этой проблемы фирма Caterpillar нашла в применении гидромуфты
со спиральными шлицами, управляемой электронной СУ. Регулирование УОВ
с помощью самой насосной секции было реализовано в ТНВД фирмы Zexel
(японской фирмой, ранее называемой Diesel Kiki), в опытном ТНВД МГТУ.
На Рис. 4 представлено аналогичное решение фирмы R.Bosch для ТНВД типов
MW и Р. "Двух реечный" ТНВД имеет независимое управление цикловой
подачей (нижней "рейкой") и УОВ (верхним поворотным валом). Кроме того
насос имеет характерный набор современных решений для интенсивного
впрыска: жесткий кулачковый вал на двухрядных сферических подшипниках,
глухой корпус, моновтулку плунжера, комбинированный нагнетательный
клапан двойного действия, смазка топливом и др.
В ТНВД серии Р
реализованы как электромагнитный привод рейки с усилием 75 Н, Так и -
электрогидравлический привод с усилием 90 Н для дизелей с числом
цилиндров 6...12. Гидроусилитель питается от двух ТПН с давлением 0,3
МПа
Описанный
способ регулирования УОВ имеет особые качества, которые могут быть
положительными или негативными в зависимости от возможностей
реализации. В автотракторной ТПА традиционно использовались кулачки с
треугольным законом скорости. Но даже при осуществлении
трапециевидного закона с учетом широкого изменения фазы процесса
невозможно обеспечить нагнетание топлива только с использованием
"полочки" на вершине диаграммы скорости. Тогда при изменении УОВ
изменяется средняя скорость плунжера в период нагнетания и закон ее
изменения по времени. Как следствие - изменение давления и
характеристики впрыска в весьма широком поле допуска при изменения УОВ.
Обеспечить оптимальное изменение опережения, давления и характеристики
впрыска по режимам работы дизеля при их жесткой взаимосвязи
принципиально невозможно, но возможно нахождение некоторых
компромиссов.
В системе электронного управления топливоподачей
R.Bosch для дизеля грузового автомобиля типа Mercedes-Benz ОМ442LA
насос управляется по цикловой подаче и УОВ. Электронный блок управления
осуществляет оптимальное, в рамках возможностей данной ТПА, управление
рабочим процессом дизеля с использованием сигналов ТНВД, автомобиля,
дизеля, коробки перемены передач (КПП) и механизма отбора мощности на
внешние агрегаты. Датчик подъема иглы форсунки может отсутствовать. С
использованием сигналов датчиков температуры и давления воздуха
рассчитывается расход и коэффициент избытка воздуха. Это позволяет
предотвратить дымление на рабочих режимах дизеля, включая работу на
высоте до 4000 м над уровнем моря при минимальной потери мощности.
Отключение подачи на режиме принудительного холостого хода обеспечивает
торможение автомобиля двигателем. Для особых условий движения,
например обгона, СУ допускает кратковременное нарушение ограничений по
частоте и цикловой подаче. Она снабжена функциями самодиагностики,
сигналы о неисправностях подаются на приборный щиток и запоминаются.
| 
Рис.
4. Рядный ТНВД PR 39 фирмы R.Bosch с электронным регулированием подачи и
УОВ: 1- муфта регулирования УОВ, 2- рейка цикловой подачи, 3-
электромагнит регулирования УОВ, 4- электромагнит регулирования
цикловой подачи, 5- датчик рейки цикловой подачи, 6- датчик.
|
Известны
и другие технические решения, реализованные в опытной ТПА. Так,
управление рейкой цикловой подачи с помощью быстродействующего
электропривода АО "Рыбинские моторы" для 4-секционного ТНВД АО "ЯЗТА",
позволяет подавать в каждый цилиндр свою цикловую подачу в соответствии
с особенностями его работы. Единая рейка переставляется за цикл работы
дизеля 4 раза. Нидерландская фирма Ship-und Industrial Engineering
разработала, а английской фирмой Bryce, входящей в группу Lucas
Industries, выпускается ТПА с номинальными цикловыми подачами 3,3...17
мм3 Такие ТНВД для главных судовых дизелей сохранили рейку управление
подачей, но снабжены электроклапаном слива топлива из надыгольной
полости в начале и конце подачи для регулирования УОВ. Этот принцип
регулирования подробно рассмотрен ниже для насос-форсунок.
Насос-форсунки и безреечные тнвд с электроуправлением.
Повышение
интереса к насос-форсункам в последние годы было обусловлено наиболее
полным соответствием, при максимальной простоте конструкции, двум
важнейшим тенденциям совершенствования ТПА: интенсификации впрыска и
введению электронного управления. Давно известны достоинства
насос-форсунок - повышение давления впрыска за счет минимизации
объемов сжимаемого топлива, отсутствие подвпрыска, уменьшение
номенклатуры деталей, резкая отсечка подачи, меньшее закоксовывание и
больший ресурс распылителя, меньшие затраты мощности, отсутствие
необходимости в нагнетательном клапане, снижение запаздывания впрыска
относительно нагнетания плунжера, что уменьшает разброс УОВ по
частотам вращения и уменьшает потребный диапазон его регулирования
Насос-форсунки обеспечивают относительно более пологий передний фронт
подачи, что соответствует экологическим требованиям.
Отмеченные
особенности иллюстрируются Рис. 5 - насос-форсунка обеспечивает более
пологий передний фронт и более резкий задний. Это способствует снижению
жесткости сгорания, шумности, выбросов NOХ, получению крупных капель в
конце впрыска, снижению сажеобразования. Налицо интенсификация подачи.
Сегодня
насос-форсунки используются в дизелях с диаметром цилиндра 67...300
мм. В дизелях FOCS Lombardini они представляют Г-образную конструкцию с
перпендикулярными осями насосной секции и распылителя.
Электроуправляемыми насос-форсунками снабжены дизели DSC 12 Scania (1 -
6, Ne=309 кВт), шестицилиндровые дизели 3176 Caterpillar, дизели серии
60 Detroit Diesel, дизели Volkswagen, MAN и другие.
Ограничивали
применение насос-форсунок недостатки: усложненные условия компоновки
головки, увеличенный диаметр форсуночной части, большее снижение
давления впрыска на частичных режимах работы, усложненные и менее
точные условия регулировки равномерности подачи по цилиндрам,
усложнение привода реек и специального
В связи с использованием
электронного управления число достоинств выросло, а недостатков -
уменьшилось. Так, плунжерная пара максимально упростилась, исчез
механизм поворота плунжера, реечные тяги и автоматический
индивидуальный регулятор, отпала необходимость выравнивания подачи по
цилиндрам при регулировке, возникла возможность, обеспечения двухфазной
подачи, регулирования УОВ, а поэтому, повысились экономичность,
надежность пуска, снизилась эмиссия ВВ. Снижение давления впрыска
компенсируется общей интенсификацией подачи.
| 
Рис.
5. Давление впрыска при подаче gц=40 мг, nкул=2100 мин-1, насосная
секция dпл=7 мм, hпл,=9 мм, распылитель 6x0,18 мм; а - насос-форсунка,
б - ТПА с трубопроводом и каналом форсунки 580 мм
|
Насос-форсунки фирмы Detroit Diesel Allison (отделения General Motors).
Американская
промышленность (General Motors, Cummins) не прекращала использования
насос-форсунок даже в 60-70-е годы - годы пониженного к ним интереса.
Система DDEC-II (Detroit Diesel Electronic Control) (Рис. 6) для
тяжелых грузовых автомобилей начала производиться с 1985 г, а работы по
созданию этой ТПА велись еще с 1978 г. Ныне свыше 4 миллионов таких
насос-форсунок служит на транспортных дизелях, в том числе военного
назначения.
В
начале и конце движения плунжера 3 клапан 2 открыт, обеспечивая слив
топлива из плунжерной полости 4. Закрытие его на короткое время
обусловливает активный ход плунжера, т.е. цикловую подачу. Момент его
включения позволяет в широких пределах изменять УОВ, снижая эмиссию ВВ,
улучшая пуск, улучшая характеристики дизеля, в частности обеспечив
снижение эксплуатационного расхода топлива на 5...8%. Наполнение
плунжерной полости осуществляется также через клапан. Отсутствие
разрежений при наполнении и короткие нагнетательные каналы позволяют
обойтись без нагнетательного клапана. Управляющий клапан является
частично гидравлически разгруженным. Его собственная частота 10 кГц.
Этого оказывается достаточно для организация двухфазного впрыска. Он
позволяет снизить шумность работы и сделать надежнее пуск. Одна или
несколько насос-форсунок с управляющими клапанами могут быть выключены
из работы. Метод электрического отключения насос-форсунок при
диагностике дизеля быстро выявляет неисправную.
СУ получает
информацию от датчиков температур масла, топлива, охлаждающей
жидкости, воздуха на впуске; давлений наддува, масла; положения
коленчатого вала; положения дросселя. В зависимости от типа
энергоустановки применяются другие датчики. При нормальной работе СУ
на датчики посылается модулированный сигнал 5 В. Нормальный отклик
каждого датчика 0,5...4,5 В. В противном случае, в отличие от случая
неразрешенного значения измеряемого параметра, диагностируется
неисправность датчика.
Для исключения влияния внешних
электромагнитных помех сигнал, управляющий электромагнитом по команде
микропроцессора, является частотно-модулированным. Электронный блок
использует однокристальный микропроцессор Motorola, работоспособный при
125°С.
На каждом рабочем режиме СУ функционирует по заложенным
алгоритмам и логическим условиям. Например, если оператор включает
стартер, то СУ препятствует впрыску, если частота вращения вала
недостаточна. Это предотвращает белый дым и переохлаждение цилиндров
топливом. СУ изменяет УОВ относительно нормального уровня. После
запуска частота вращения холостого хода увеличивается для ускорения
прогрева, постепенно приближаясь к нормальной. Более быстрый прогрев
осуществляется за счет работы только половины цилиндров, в дальнейшем
включаются остальные цилиндры.
По результатам самоконтроля СУ на
панели приборов перед оператором могут зажигаться две диагностические
лампы: желтая и красная. Первая сигнализирует о незначительных
неисправностях и необходимости проведения диагностики. Красная лампа
требует остановки дизеля. Это возможно в трех режимах: ручном,
автоматическом со снижением нагрузки до устранения аварийного сигнала,
автоматическом останове через 30 секунд после загорания лампы.
| 
Рис.
6. Насос-форсунка системы DDEC-II фирмы Detroit Diesel Allison:
1-
электромагнит; 2- тарельчатый управляющий клапан; 3- плунжер; 4-
плунжерная полость; 5- канал управления; 6- носик распылителя
|
Насос-форсунки фирмы Lucas - EUI (Electronic Unit Injectors)
предназначены
для малотоксичных дизелей с открытой камерой сгорания легковых
автомобилей, автобусов, внедорожников и грузовиков. Первоначально
типоразмерный ряд насос-форсунок обеспечивал максимальные подачи 50,
100, 150 и 200 мм3/цикл. Сейчас возможности такой ТПА выше (табл.2).
Она применяется, в частности, на дизелях Volvo, Jon Deer, Detroit
Diesel.
Таблица 1 Параметры насос-форсунок Lucas Varity [18]
|
Размерность |
50/100 |
150 |
200 |
250 |
|
Частота
вращения вала дизеля, мин'1 |
5000 |
3000 |
2400 |
2000 |
|
Рабочий
объем одного цилиндра, л |
0,5/1,0 |
1,0/1,5 |
1,5/2,0 |
2,0/2,5 |
|
Диаметр
плунжера, мм |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
Ход
плунжера, мм |
9 |
11/13 |
15 |
18 |
|
Цикловая
подача, мм3 |
120 |
160 |
240 |
300 |
|
Максимальное
давление подачи, МПа |
200 |
200 |
200 |
200 |
Такая ТПА может приводиться от верхнего или нижнего
распределительных валов, может устанавливаться в головке с 2 или 4
клапанами.
Конструкция насос-форсунки Lucas
несколько сложнее, чем предыдущая: топливо поступает и сливается через фильтр 7
(Рис. 7) и опоясывающие корпус полости. Каналы высокого давления В и С сообщают
клапан 14, распылитель 10 с плунжерной полостью, канал А используется для слива
через клапан. Наполнение плунжерной полости осуществляется через клапан и
впускное окно 6.
Уже в образцах 1983 г. обеспечивалась запальная доза
двухфазного впрыска продолжительностью до 8% от общей, что соответствовало 0,5
мс. Система обеспечивает с помощью быстродействующего клапана гибкое управление
подачей и УОВ, в том числе на переходных режимах. Обеспечивается совершенное
смесеобразование на холостом ходу и низких нагрузках дизеля. СУ снабжена
датчиками частоты и положения вала, температуры и давления воздуха, температуры
охлаждающей жидкости, связана с другими системами автомобиля, обеспечивает
возможность всесторонней диагностики. Дизели с такими насос-форсунками
отличаются низкой эмиссией ВВ и шумностью работы.
|
Таблица 2 Параметры ТНВД с электронным управлением
Lucas-Bryce [18] |
|
Марка ТНВД |
CVAB |
FEEAB |
|
Диаметр плунжера, мм |
22 |
36 |
|
Ход плунжера, мм |
22 |
35 |
|
Цикловая подача, мм3 |
3345 |
17000 |
Насос-форсунки Lucas-Bryce в состоянии обслуживать дизели с числом цилиндров 6-16,
частотой 1000 мин-1, мощностью 1250...3300 кВт. Для ТП в
форсированных среднеоборотных дизелях это отделение фирмы предлагает
типоразмерный ряд индивидуальных ТНВД с электроуправляемым клапаном (Таблица 2).
Они не имеют реек, управляющих кромок на плунжере, механизмов его поворота. | 
Рис. 7. Насос-форсунка EUI фирмы Lucas:
1
-головка толкателя; 2-подушка толкателя, 3-пружинная шайба;
4-возвратная пружина. 5-плунжер, 6-впускное окно, Т - кольцевые
фильтры. 8-проставка; 9-и1ла; 10-Распылитель; 11-канал С; 12-канал В;
13-канал А; 14-к
|
Насос-форсунки фирмы R.Bosch
Фирма
R.Bosch выпускает насос-форсунки с электроуправлением двух типов для
грузовиков и легковых автомобилей. Последние на дизелях Volkswagen
4ЧН79,5/95,5 с n=4000 мин-1, мощностью 85 кВт обеспечивают максимальное
давление подачи до 205 МПа. При этом отмечается, что запальная порция
двухфазного впрыска может достигать 1,5 мм3, причем с большей
точностью, чем это удается сделать в ТПА типа CR. На Рис. 9 и Рис. 8
представлены насос-форсунка, индивидуальный ТНВД для дизелей грузовых
автомобилей и схема топливной системы фирмы R.Bosch.
 
Рис.
9. Насос-форсунка (а) и индивидуальный ТНВД (б) с электроуправлением
фирмы R.Bosch: 1-толкатель, 2-плунжер, 3-полости подкачки и слива,
4-распылитель, 5-каналы высокого давления, 6-каналы низкого давления,
7-клапан управления сливом, 8- электромагнитный
| 
Рис. 8. Схема топливной системы R.Bosch с насос-форсунками:
1-бак;
2-холодильник; 3-ТПН с регулирующими давление клапанами;
4-насос-форсунки; 5-дренажный клапан; 6-блок управления; 7-13-датчики
частоты и положения вала, педали акселератора, давления заряда и
воздуха, температуры воздуха и охлаждающей жидкости
|
ТНВД
с клапаном управления сливом, как и рассмотренные насос-форсунки,
обеспечивает все упомянутые возможности электронного управления
цикловой подачей и УОВ. Такая ТПА комплектуется обычной форсункой,
остаются привычные компоновочные решения и приемы обслуживания и
регулировки ТПА. ТПА с подобными ТНВД выгодно отличается от двухреечных
насосов, рассмотренных выше, т.к обеспечивают более быстрое, точное
управление в более широких пределах изменения параметров, включая и
характеристику впрыска, а также более просты и дешевы. В отличие от
ранее используемых ТНВД с дросселированием топлива на линии нарастания,
здесь нет потерь топлива во время впрыска, таким образом впрыск
начинается энергично, имеется четкая отсечка, а способ регулирования не
снижает давления впрыска.
Единственным сложным и нетрадиционным элементом таких ТНВД является клапан управления. К его быстродействию предъявляются повышенные требования - он должен срабатывать в обе стороны в высокооборотном дизеле за время не более 0,1…0,2 мс.
Рис. 10. Типы клапанов управления сливом в насос-форсунках и ТНВД с электронным управлением (а-г) и общий вид электроуправляемого клапана
| 
| Это оказывается возможным не только при малых массах и усилиях электромагнита более 250 Н, но и при гидравлической разгруженности клапана. На Рис. 10 представлены различные виды используемых клапанов Все они в значительной степени используют принцип разгрузки клапана от сил от высокого давления в центральной камере, сообщенной с плунжерной полостью.
Напрямую этот золотниковый эффект использован по Рис. 10,г. Несмотря на кажущуюся непригодность такого затвора, он не так плох: в отличие от ТПА CR, где некоторое время использовались золотники, в данной ТПА прогрессирующий износ золотника и потеря им гидроплотности не приводит к нарушению работоспособности ТПА и недопустимым потерям топлива. Действительно, утечки через золотник могут стать ощутимыми лишь при минимальных цикловых подачах. При этом их влияние ограничивается лишь некоторым снижением давления впрыска. Сами по себе потери топлива на слив в отличие от CR значения не имеют Тонкость, однако, заключается в том, что даже классический золотник по Рис. 10,г не вполне гидравлически разгружен ввиду сложного распределения давленая на его торце. Клапаны по Рис. 10,а предполагает использование толкающего электромагнита или пьезопривода. Клапаны по Рис. 10,а-в обеспечивают герметичное запирание и отсутствие утечек при впрыске, но проблема обеспечения гидравлической разгруженности стоит очень остро.
|
С одной стороны при конструировании клапанов принципиален подбор разницы углов клапана и седла и соответствие между диаметром верхней (золотниковой) части клапана и диаметра линии контакта. В этой связи также чрезвычайно важен прогноз смятия области контакта и изменения ввиду этого среднего диаметра поиска контакта. С другой стороны равенство диаметров не гарантирует гидравлическую разгруженность. Для прогнозирования распределения статических давлений в донной (торцевой) области за клапанной щелью требуются уточненные методы двумерного течения с отрывом пограничного слоя. Обрабатываться такие клапаны также могут экспериментально, в том числе методом статической проливки, с использованием физического моделирования (например, на увеличенных моделях). Наиболее критичный момент срабатывания клапана - отрыв от седла при высоком давлении в полости.
|
