Устройство дизелей с аккумуляторными системами подачи топлива и электромагнитными форсунками (система Common Rail )

Практические занятия №22

Тема: Изучение устройства и работы приборов и ЭСУД систем питания Common Rail

Цель работы: закрепить и углубить знания по устройству и работе приборов системы питания дизельного двигателяCommon Rail и ЭСУД.

Оснащение работы: двигатель Д-245S3B, плакаты по теме

 

Содержание отчёта:

 

1. Устройство дизелей с аккумуляторными системами подачи топлива и электромагнитными форсунками (система Common Rail) на примере двигателя Д-245 S3B, назначение ее компонентов.
2. Приведите основные отличия систем Common Rail (CP1, СP3, DELPHI)

3. Опишите принципы управление системой впрыска топлива ЭБУ

 

Общие сведения

Принцип действия системы впрыска Common Rail

На основании сигналов, поступающих от датчиков, блок управления двигателем определяет необходимое количество топлива, которое топливный насос высокого давления подает через клапан дозирования топлива. Насос накачивает топливо в топливную рампу. Там оно находится под определенным давлением, обеспечиваемым регулятором давления топлива.

В нужный момент блок управления двигателем дает команду соответствующим форсункам на начало впрыска и обеспечивает определенную продолжительность открытия клапана форсунки. В зависимости от режимов работы двигателя блок управления двигателем корректирует параметры работы системы впрыска.

С целью повышения эффективной работы двигателя в системе Common Rail реализуется многократный впрыск топлива в течение одного цикла работы двигателя. При этом различают: предварительный впрыск, основной впрыск и дополнительный впрыск.

Предварительный впрыск небольшого количества топлива производится перед основным впрыском для повышения температуры и давления в камере сгорания, чем достигается ускорение самовоспламенения основного заряда, снижение шума и токсичности отработавших газов. В зависимости от режима работы двигателя производится:

· два предварительных впрыска - на холостом ходу;

· один предварительный впрыск - при повышении нагрузки;

· предварительный впрыск не производится - при полной нагрузке.

Основной впрыск обеспечивает работу двигателя.

Дополнительный впрыск производится для повышения температуры отработавших газов и сгорания частиц сажи в сажевом фильтре (регенерация сажевого фильтра).

Развитие системы впрыска Common Rail осуществляется по пути увеличения давления впрыска:

· первое поколение – 140 МПа, с 1999 года;

· второе поколение – 160 МПа, с 2001 года;

· третье поколение – 180 МПа, с 2005 года;

· четвертое поколение – 220 МПа, с 2009 года.

Чем выше давление в системе впрыска, тем больше топлива можно впрыснуть в цилиндр за равный промежуток времени и, соответственно, реализовать большую мощность.

 

Двигатели Common Rail

В дизельных системах CR топливо хранится в топливной рампе при высоком давлении и впрыскивается в цилиндр после оптимизации времени, давления и количества впрыска блоком управления двигателем. Это новая система дизельных двигателей с высокой производительностью и топливной экономичностью при одновременном снижении вибраций, шумов и уровня вредных веществ в выхлопных газах.

 

Характеристики системы Common Rail

Система CR имеет несколько принципиальных отличий от классических систем. Прежде всего, она использует высокое давление впрыска, которое не зависит от оборотов двигателя. Во-вторых, появляется возможность множественного впрыска (предварительного, основного). В-третьих, всеми исполнительными механизмами управляет ЭБУ двигателя.

 

Bosch CP3 Common Rail

Двигатели с системой Bosch CP3 очень похожи на моторы с Bosch CP1. Обратим внимание на отличия между ними.

Насос низкого давления на двигателях CP3 является шестренчатым и находится на задней части ТНВД. Т.к. насос низкого давления является механическим насосом шестеренчатого типа, то при наличии воздуха во впускном трубопроводе могут возникать проблемы при запуске. Поэтому на топливном фильтре дополнительно устанавливается ручной насос, который используется для подачи топлива к ТННД при наличии воздуха в магистрали низкого давления.

ТНВД приводится в движение цепью ГРМ, соединенной со шкивом коленвала. Он создает давление до 1350 бар. Ведущий вал с эксцентриковым кулачком двигает плунжеры вверх и вниз в соответствии с формой кулачка.

Клапан ограничения давления топлива устанавливается в конце топливной рампы. Он состоит из соединения высокого давления, клапана протекания, плунжера, пружины и "обратки" топлива. Его основная функция – ограничение давления в рейке, открывая стравливающий канал в случаях, когда давление в рейке чрезмерно увеличивается.

В двигателях с системой Bosch CP3 используется 3 цепи ГРМ. Цепь A соединяет шкив коленвала, левый балансировочный вал и ТНВД. Цепь B соединяет шкив коленвала, правый балансировочный вал и масляный насос. Цепь C соединяет распредвалы впускных и выпускных клапанов и ТНВД. Существуют три типа шестерен насосов высокого давления и они отличаются друг от друга по цвету и меткам: A – голубой, B – белый и C – красный. Стандартная цепь имеет маркировку A. Тип шестерни определяется в зависимости от расстояния между насосом и шестерней. Лучший способ определить цепь шестерни – замерить это расстояние.

 

Delphi Common Rail

Коротко рассмотрим разницу между системами Bosch CP3 и Delphi. ТННД в системе Delphi, как и в Bosch CP3 устанавливается на ТНВД, однако он камерного типа. Управление потоком топлива осуществляется на входе. ТНВД плунжерного типа нагнетает давление в рейку, из которой по магистралям высокого давления оно подается к форсункам. Впускной измерительный клапан используется для измерения количества топлива, посылаемого к элементам насоса высокого давления. Так что, давление датчиком в рейке, равно давлению, запрашиваемому ЭБУ.

Принцип датчика температуры топлива такой же, как и в системе Bosch CP1, однако, т.к. он находится на ТНВД, в случае его поломки требуется замена всего насоса.

Трубка Вентури создает низкое давление в цепи обратки после инжектора. Это снижает различие при потоке после инжектора от такта к такту. Т.к. эта трубка монтируется на ТНВД, при ее поломке также требуется замена всего насоса высокого давления.

Максимальное давление топлива в рейке системы Delphi составляет 1600 бар.

Каждая форсунка Delphi имеет отдельный закодированный номер, записанный в ЭБУ при помощи специального программного обеспечения и оборудования, используя калибровочный код.

 

Назначение и принцип работы

ЭБУ оценивает сигналы, полученные от внешних датчиков, и ставит ограничения по допустимому уровню напряжения.

Используя эти входные данные и храня­щиеся в памяти программируемые матрицы, микропроцессор рассчитывает продолжи­тельность и угол опережения (момент нача­ла) впрыска и преобразует эти данные в сигналы для характеристик как функции времени, которые затем адаптируются к движению поршней. Учитывая высокие дина­мические нагрузки двигателя и большую частоту вращения, требуются высокие вычис­лительные возможности микропроцессора, чтобы соответствовать требованиям по точности вычислений. Выходные сигналы исполь­зуются для запуска задающих каскадов, которые передают соответствующую мощ­ность для всех исполнительных устройств (например, электромагнитных клапанов), включая приводы для таких функций двига­теля, как рециркуляция ОГ и перепуск газов мимо турбины турбокомпрессора, а также для дополнительных функций, как реле свечей накаливания и кондиционер. Задающие каскады защищаются от разрушения и пов­реждений из-за короткого замыкания и электрической перегрузки. Сигналы о таких нарушениях в работе, как обрыв электри­ческой цепи, передаются обратно в микро­процессор.

Диагностические функции задающих кас­кадов электромагнитных клапанов также определяют сигнальный код неисправности. Кроме того, определенное число выходных сигналов посылается другим системам автомобиля через интерфейс. ЭБУ также отслеживает работу всей системы топливо-подачи в пределах рамок концепции безо­пасности.

Функция открытия форсунок накладывает особо высокие требования на задающие каскады. Ток питания, подаваемый в фор­сунку задающими каскадами, генерирует электромагнитные силы, приложенные к электромагнитному клапану системы высо­кого давления форсунки. Для того чтобы обеспечить очень жесткие допуски, то есть высокую точность воспроизводимости цик­ловой подачи, на катушку клапана должен подаваться импульс пускового тока с кру­тым фронтом, что в свою очередь требует от ЭБУ возможности создания высокого напряжения.

Электрический контур управления разде­ляет период питания катушки клапана, то есть период впрыска топлива, на фазу увеличения (подъема) тока и фазу удержания тока. Работа электромагнитного клапана должна быть исключительно точной, чтобы обеспечить воспроизводимость цикловой подачи на данном эксплуатационном режиме. Кроме того, должны быть уменьшены потери в ЭБУ и форсунках.

Эксплуатационные условия

К ЭБУ предъявляются очень высокие требования по отношению к следующим факторам:

· температуре окружающей среды (во время нормальной работы должны находиться в пределах -40 – +85°С для коммерческих автомобилей и -40 – +70°С для легковых автомобилей);

· к воздействию со стороны таких матери­алов, как масло и топливо и т.п.;

· к воздействию к влажности окружающей среды;

· обладать механической прочностью, например, при наличии вибраций при ра­боте двигателя.

Одновременно очень высокие требова­ния касаются электромагнитной совмести­мости и защиты от высокочастотных помех.

Устройство и конструкция

ЭБУ размещается в металлическом кор­пусе. Датчики, исполнительные устройства и линия подачи электрического питания подсо­единяются к ЭБУ через многоштырьковый разъем. Силовые элементы, которые обеспе­чивают непосредственный пуск исполнитель­ных устройств (приводов), встроены в ЭБУ таким образом, чтобы эффективно рассеи­вали тепловую энергию, передавая ее к кор­пусу ЭБУ. Применяются два варианта ЭБУ – в герметичных и негерметичных корпусах.

Практические занятия №22

Тема: Изучение устройства и работы приборов и ЭСУД систем питания Common Rail

Цель работы: закрепить и углубить знания по устройству и работе приборов системы питания дизельного двигателяCommon Rail и ЭСУД.

Оснащение работы: двигатель Д-245S3B, плакаты по теме

 

Содержание отчёта:

 

1. Устройство дизелей с аккумуляторными системами подачи топлива и электромагнитными форсунками (система Common Rail) на примере двигателя Д-245 S3B, назначение ее компонентов.
2. Приведите основные отличия систем Common Rail (CP1, СP3, DELPHI)

3. Опишите принципы управление системой впрыска топлива ЭБУ

 

Общие сведения

Устройство дизелей с аккумуляторными системами подачи топлива и электромагнитными форсунками (система Common Rail)

 

С 1997 года начато серийное производство дизелей с аккумуляторными системами подачи топлива и электромагнитными форсунками (система Common Rail).

Работа системы впрыска Common Rail основана на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления – топливной рампы (в переводе common rail - общая рампа). Другое название системы - аккумуляторная система впрыска. Для снижения уровня шума, улучшения самовоспламенения и снижения вредных выбросов в системе реализован многократный впрыск топлива - предварительный, основной и дополнительный.

1 – топливный бак; 2 – топливный фильтр; 3 – топливный насос высокого давления; 4 – топливопроводы; 5 – датчик давления топлива; 6 – топливная рампа; 7 – регулятор давления топлива; 8 – форсунки; 9 – электронный блок управления; 10 – сигналы от датчиков; 11 – усилительный блок

 

Элементы системы Common Rail

Элементы системы Common Rail предназначены для выполнения различных задач.

	Насос высокого давления Насос высокого давления предназначен для подачи необходимого количества топлива с требуемым давление в двигатель, во всех режимах работы двигателя. Во время процесса запуска, от насоса требуется обеспечение быстрого повышения давления в аккумуляторе высокого давления (топливной магистрали).
	Редукционный клапан Редукционный клапан регулирует давление в системе.
	Аккумулятор высокого давления Аккумулятор высокого давления (магистраль - Rail) должна обеспечивать хранение топлива при высоком давлении (до 2000 бар).
	Датчик давления топливной магистрали (Common Rail) Датчик давления определяет мгновенное значение в топливной магистрали и в виде электрического сигнала передаёт эту величину на блок управления.
	Инжектор Инжекторы предназначены для впрыска мелкодисперсно распылённого топлива в заданный момент времени в камеру сгорания. Для обеспечения мягкого процесса сгорания, стади впрыска разделяется на предварительный, основной и заключительный впрыск.

 

В такой системе (рис. 35) ТНВД выполняет только функцию источника избыточного давления, а регулирование цикловой подачи осуществляется с помощью: 1) электронного блока управления, изменяющего длительность электрического импульса включения каждой электромагнитной форсунки и 2) давления в гидроаккумуляторе. В результате ТНВД этой системы оказывается значительно проще и дешевле по сравнению с традиционной (разделённой) и самое главное появляется возможность иметь большое разнообразие характеристик (любого вида внешние скоростные, регуляторные и др.), что имеет первостепенное значение для любой самоходной машины и в конечном счёте определяет структуру, нагруженность и характеристики трансмиссии и ходовой системы, тягово-скоростные и топливно-экономические характеристики всей машины.

После подачи напряжения от электронного блока управления на катушку 3 электроклапана форсунки открывается сливной клапан и давление слева от плунжера (по рис. 35) уменьшается, так как эта полость связана с впускным штуцером через дроссель. Сила от плунжера серводвигателя 2, которая воздействует на иглу распылителя, уменьшается. Под действием сил давления топлива от гидроаккумулятора p _А игла перемещается и открывает распылительные отверстия, осуществляя подачу топлива в цилиндр, как в рассмотренных ранее закрытых форсунках. Ход якоря электроклапана и плунжера серводвигателя, также, как и иглы распылителя, весьма небольшой - десятые доли миллиметра.

 

Риcунок-  Схема аккумуляторной системы подачи топлива с электро- и гидроуправлением Common Rail

к ЭБУ

Форсунка

Гидроаккумулятор

ТНВД

gд

1

2

3

 

 

Рисунок – Система питания Д-245 S3

 

 

ЭБУ системы Common Rail обрабатывает сигналы от датчиков температуры охлаждающей жидкости, положения педали акселератора, угловой скорости коленчатого вала, положения поршня и др.

Каждая форсунка система подачи топлива Common Rail имеет две прецизионных пары, во-первых, игла 1 (см. рис. 35) с корпусом распылителя, во-вторых, плунжер серводвигателя 2 с корпусом форсунки. Это безусловно увеличивает её стоимость. К тому же потери топлива на слив уменьшают КПД системы питания.

Конструктивно система впрыска Common Rail составляет контур высокого давления топливной системы дизельного двигателя. В системе используется непосредственный впрыск топлива, т.е. дизельное топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Система Common Rail включает топливный насос высокого давления, клапан дозирования топлива, регулятор давления топлива (контрольный клапан), топливную рампу и форсунки. Все элементы объединяют топливопроводы.

 

Топливный насос высокого давления (ТНВД) служит для создания высокого давления топлива и его накопления в топливной рампе. Современные топливные насосы высокого давления плунжерного типа.

Клапан дозирования топлива регулирует количество топлива, подаваемого к топливному насосу высокого давления в зависимости от потребности двигателя. Клапан конструктивно объединен с ТНВД.

Регулятор давления топлива предназначен для управления давлением топлива в системе, в зависимости от нагрузки на двигатель. Он устанавливается в топливной рампе.

Топливная рампа предназначена для выполнения нескольких функций: накопления топлива и содержание его под высоким давлением, смягчения колебаний давления, возникающих вследствие пульсации подачи от ТНВД, распределения топлива по форсункам.

Форсунка важнейший элемент системы, непосредственно осуществляющий впрыск топлива в камеру сгорания двигателя. Форсунки связаны с топливной рампой топливопроводами высокого давления. В системе используются электрогидравлические форсунки или пьезофорсунки.

Впрыск топлива электрогидравлической форсункой осуществляется за счет управления электромагнитным клапаном. Активным элементом пьезофорсунки являются пьезокристаллы, значительно повышающие скорость работы форсунки.

Управление работой системой впрыска Common Rail обеспечивает система управления дизелем, которая объединяет датчики, блок управления двигателем и исполнительные механизмы систем двигателя.

Система управления дизелем включает датчики оборотов двигателя, Холла, положения педали акселератора, расходомер воздуха, температуры охлаждающей жидкости, давления воздуха, температуры воздуха, давления топлива, кислородный датчик (лямбда-зонд) и другие.

Основными исполнительными механизмами системы впрыска Common Rail являются форсунки, клапан дозирования топлива, а также регулятор давления топлива.