Лекція 3. Електронно паливні системи (епс) двигунів

Електронно керовані системи для спрощення часто називають просто електронними. Застосування електронних систем керування принципово змінює характеристики двигуна як об'єкту керування.

Такі електронні системи необхідно розглядати в сукупності їх властивостей, як елементів керування, так і конструкції самого двигуна. Характерно також наявність в кожній з них, як правило, декількох різнорідних електричних виконавчих пристроїв.

Склад вживаних в даний час електронних систем достатньо широкий і надалі розширюватиметься.

Електронними можуть бути системи: паливна, газообміну, наддуву, запалення, зміни ступеня стиснення, рециркуляції відпрацьованих газів, охолоджування, змащування тощо. Чим більше число електронних систем, застосованих в двигуні, тим краще забезпечуються великі можливості оптимізації керування.

Але для кожної конкретної модифікації автомобіля і кожного варіанту умов його експлуатації може бути вибраний перелік електронних систем, оптимальний за співвідношенням досягнутого екологічного та економічного ефекту і вартістю, а також витрат на обслуговування і надійністю мікроконтролера й двигуна. Очевидно, що численність електронних систем, використовуваних в двигуні, забезпечує оптимальність вказаного співвідношення тільки при узгодженому багатозв'язковому адаптивному мікропроцесорному керуванні.

Нижче детально описані електронні системи: паливна і газообміну, як найзначущіші в системах керування двигуном.

 

3.1. Електронні паливні системи – ЕПС

У МПСК двигуном в числі інших його електронних систем, неодмінно присутня електронна паливна система (ЕПС). Її використання дає найбільший внесок в ефективність електронного керування двигуном. У багатьох випадках застосування тільки ЕПС вже виправдовує створення МПСК двигуном.

Основне призначення ЕПС – керування потужністю двигуна і забезпечення можливості оптимізації його робочого процесу. Якнайповніше використання адаптивного керування можливе при індивідуальному керуванні подачею рідкого або газоподібного палива в кожному робочому циклі кожного циліндра двигуна.

ЕПС двигунів розрізняються, перш за все, рівнем тиску палива. ЕПС низького тиску (0,2 – 1,0 МПа) для подачі легких рідких палив або газів у впускні канали циліндрів, середнього (20 – 40 МПа) і, найбільш складні і різноманітні, ЕПС високого тиску (до 200 МПа) уприскування рідких палив безпосередньо в циліндри. У складі ЕПС високого тиску є вузли і магістралі низького тиску, що створюється паливно-підкачуючим насосом.

ЕПС в будь–якому варіанті є сукупністю електрогідравлічних пристроїв, що перетворюють електричні керуючі сигнали сформовані мікроконтролером, в гідравлічні імпульси тиску уприскування палива.

Керованими елементами ЕПС, в яких встановлюються електромеханічні перетворювачі або електричні клапани, можуть бути: насоси високого тиску (ПНВТ), магістралі високого, середнього і низького тиску, форсунки і паливно-підкачуючі насоси.

Є достатньо велике число варіантів ЕПС, що відрізняються використовуваними джерелами живлення форсунок паливом і способами керування параметрами його уприскування.

Стосовно ЕПС високого тиску можна виділити наступні основні їх класи з властивими їм головними ознаками:

1 Імпульсне живлення форсунок від ПНВТ з механічним приводом плунжерів з неперервним усередненим керуванням уприскуванням в ПНВТ – ЕПС з неперервно керованими ПНВТ, або скорочено – неперервно керовані ЕПС.

2. Імпульсне живлення форсунок від ПНВТ з механічним приводом плунжерів, з імпульсним індивідуальним керуванням тривалістю і випередженням уприскування в магістралях високого тиску або форсунках – механопривідні ЕПС.

3. Імпульсне живлення форсунок від ПНВТ з пневматичним приводом плунжерів і імпульсним індивідуальним керуванням тривалістю і випередженням уприскування в магістралях високого тиску або форсунках – пневмопривідні ЕПС.

4. Неперервне живлення форсунок від акумуляторів палива середнього тиску і імпульсною мультиплікацією в ПНВТ, з гідравлічним приводом плунжерів, імпульсним індивідуальним керуванням тривалістю і випередженням уприскування в ПНВТ або/і форсунках при неперервному керуванні тиском в магістралях середнього тиску – гідропривідні ЕПС.

5. Неперервне живлення форсунок від акумуляторів палива високого тиску та імпульсним індивідуальним керуванням тривалістю і випередженням уприскування у форсунках при неперервному керуванні тиском в магістралях високого тиску – акумуляторні ЕПС.

У всіх варіантах ЕПС найважливішими є ті функціональні можливості, які важко або взагалі не реалізуються в неелектронних паливних системах. До них належать:

– роздільна керованість величиною подачі, тиском, випередженням, числом фаз, формою характеристики уприскування, числом працюючих циліндрів (циклів), рівномірністю навантаження циліндрів, обмеженням подачі;

– незалежність тиску уприскування від тривалості і випередження уприскування, а також незалежність випередження уприскування від тривалості і тиску уприскування; можливість збереження працездатності двигуна при відмовах окремих елементів.

Складність адаптації ЕПС на двигуні визначається об'ємом і характером змін, що вводяться в інші агрегати двигуна, необхідних для розміщення і роботи ЕПС.

 

Неперервно керовані ЕПС

У цих системах імпульсним модулятором служить ПНВТ, в якому здійснюється формування гідравлічних імпульсів живлення форсунок паливом і неперервне усереднене керування параметрами цих імпульсів. При цьому в ПНВТ зосереджено все керування уприскуванням, яке може виражатися переміщенням рейок, що визначають величину, фазу і тиск подачі палива до звичайних форсунок, або переміщенням клапанів, що змінюють гідравлічний опір на вході, виході або в перепускних каналах насоса тощо.

В більшості випадків для цього використовуються електромеханічні перетворювачі неперервної дії, але застосовні і перетворювачі релейної дії, що здійснюють широтно–імпульсну модуляцію. Гідравлічна частина такої паливної системи в більшості випадків незначно відрізняється від систем з механічним або гідравлічним керуванням.

Керуючі дії на ПНВТ формуються і здійснюються мікроконтролером на основі інформації про задану (через задавач) і дійсну (через давач) частоту обертання, а також інформації про стан двигуна і пов'язаних з ним агрегатів і від інших систем керування через електромеханічні перетворювачі, встановлені в ПНВТ.

На рис. 3.1. подано ЕПС з одним з варіантів багатоплунжерного рядного ПНВТ фірми R. Bosch з неперервним керуванням пропорційним електромагнітом.

Гідромеханічна частина поданого на цьому рисунку шестисекційного ПНВТ не відрізняється від насосів, керованих відцентровими регуляторами частоти обертання двигуна.

Переміщення керуючої рейки здійснюється пропорційним електромагнітом з конічним якорем і пружиною. Повне виключення подачі, необхідне, наприклад, в аварійних ситуаціях, проводиться релейним електромагнітом. У ПНВТ вбудовані давачі частоти обертання кулачкового валу і переміщення рейки, інформація від яких поступає в мікроконтролер двигуна, який одержує також інформацію і про тиск наддуву, температури наддувного повітря, палива, охолоджуючої рідини, положення педалі керування, швидкості руху автомобіля, вмиканні зчеплення і гальм. Інформація з мікроконтролера подається в систему діагностування і на дисплей водія (про частоту обертання і витрату палива). Для керування випередженням уприскування такий ПНВТ може бути забезпечений другим пропорційним електромагнітом з давачем його положення. Кулачковий вал приводить в дію один плунжер, який подає паливо тільки до одного циліндра.

Рис. 3.1. Спрощена схема ЕПС з багатоплунжерним рядним ПНВТ з неперервним керуванням пропорційним електромагнітом: 1 – релейний електромагніт; 2 – пружина; 3 – пропорційний електромагніт; 4 – якір; 5 – керування рейкою; 6 – виключення подачі палива; 7 – тиск наддувного повітря; 8 – температури палива, повітря і охолоджуючої рідини; 9 – положення педалі керування; 10 – швидкість автомобіля; 11 – положення зчеплення, гальм; 12 – діагностування; 13 – витрата палива і частота обертання на дисплей; 14 – мікроконтролер; 15 – переміщення керуючої рейки; 16 – частота обертання; 17 –паливний бак; 18 – підкачуючий насос; 19 – паливний фільтр; 20 –перепускний клапан; 21 – форсунка; 22 – лінія повернення палива; 23 – лінія надлишкового потоку

Все більше двигунів обладнуються розподільними ПНВТ. Основними перевагами розподільних ПНВТ є в 1,5–2 рази менші маса і габаритні розміри, кількість деталей, включаючи прецизійні, вартість. Вони пристосованіші до електронного керування завдяки зручності вбудовування виконавчих механізмів керування величиною подачі і випередженням при суттєво менших перестановочних силах виконавчих механізмів.

Система нагнітання має тільки один плунжер-розподільник, який здійснює поступальний рух для нагнітання палива і обертання для розподілу палива по форсунках.

На рис. 3.2. подано пристрій розподільного ПНВТ типу VE фірми R. Bosch з неперервним керуванням пропорційним електромагнітом, а на рис. 3.3 – схема ЕПС з ПНВТ цього типу.

Рис. 3.2. Розподільний ПНВТ типу VE з неперервним керуванням пропорційним електромагнітом

1 – давач ходу дозатора; 2 – електромагніт з поворотним сердечником; 3 – електромагнітний клапан зупинки двигуна; 4 – плунжер; 5 – виконавчий механізм керування випередженням уприскування; 6 – дозатор.

Рис.3.3. Схема ЕПС з керованим ПНВТ розподільного типа: 1 – паливний насос низького тиску; 2 – електромагнітного клапана механізму керування випередженням уприскування; 3 – жиклер; 4 – гідродвигуна механізму керування випередженням уприскування; 5 – дозатор; 6 – електромагнітний виконавчий механізм керування подачею палива; 7 – мікроконтролер; 8 – давачі; 9 – педаль керування; 10 – повернення палива; 11 – лінія високого тиску палива

Виконавчий пропорційний електромагніт з поворотним сердечником через ексцентрик переміщає дозатор, що визначає величину подачі палива. Положення дозатора контролюється давачем. Плунжер–розподільник приводиться в обертання від вхідного валу. Електромагнітний клапан аварійної зупинки двигуна при виключенні перекриває канал всмоктування насоса. Керування випередженням уприскування проводиться електрогідравлічним виконавчим механізмом.

У інших типах розподільних ПНВТ використовується простіша схема керування величиною подачі палива. Замість муфти–дозатора і пропорційного електромагніту відсічення подачі здійснюється електромагнітним перепускним клапаном з нормально відкритим заслоном в каналі зливу з камери високого тиску. Перед нагнітальним ходом електромагнітний клапан включається, перекриваючи канал зливу. Для відсічення подачі цей клапан вимикається. Він же служить і для аварійного відключення подачі палива. Принципово можливе використання перепускного клапана для керування характеристикою уприскування, наприклад, для двофазного уприскування.

Виконавчий механізм керування випередженням уприскування ПНВТ типу VE представлений на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Виконавчий механізм керування випередженням уприскування ПНВТ: а – початкове положення; б– процес збільшення кута випередження уприскування; 1 –корпус; 2 – кільце; 3 – ролики; 4 – шток; 5– каналу в поршні гідродвигуна; 6 – кришка; 7 – поршень; 8 – шарнір; 9 – пружина; 10 – робоча камера.

Рис. 3.5. Схема форсунки з давачем підйому голки: 1 – регулювальний гвинт; 2 – обвитка давача; 3 – шток–осердя давача; 4 – з’єднувальний провід; 5 – штепсельный роз’єм

У робочу камеру через канал 5 з жиклером на вході, з внутрішньої порожнини насоса поступає паливо під низьким тиском. Пропорційно цьому тиску поршень, стискаючи пружину, переміщається вліво і через шарнір, і стрижень повертає кільце, що несе ролики. В результаті кулачки шайби, що обертається разом з плунжером, набігають на ролики раніше, забезпечуючи встановлюваний регулятором випередження фазовий зсув нагнітального руху плунжера.

Регулятор випередження контролює дійсне випередження уприскування за сигналами індукційного давача підйому голки форсунки, розташованого у форсунці (рис. 3.5).

Обвитка давача живиться постійним струмом. При русі голки разом з штоком з магнітного матеріалу в обвитці давача індукується електрична напруга, використовувана для визначення моменту початку руху штока, а отже і запірної голки форсунки.