Паливні системи з імпульсними живленням форсунок і індивідуальним керуванням

Найзручніші для істотного підвищення тиску уприскування системи, в яких високий тиск палива створюється тільки на час уприскування у відповідний циліндр. Джерелом палива високого тиску в таких системах служить насос (або одна секція насоса) високого тиску. Тобто, джерело високого тиску палива в таких системах імпульсне. У кожному каналі уприскування є магістраль низького тиску, насос високого тиску, магістраль високого тиску, форсунка і імпульсний керувальний модуль, що входить, принаймні, в один з цих елементів, у вигляді електричного клапана або, що містить електричний клапан.

Головна відмінна ознака цих систем – тип приводу нагнітального плунжера ПНВТ. Розрізняють механопривідні, пневмопривідні і гідропривідні види ЕПС з імпульсним живленням форсунок.

Механопривідні ЕПС. У цих ЕПС використовується нерегульований ПНВТ, що має звичайний механічний привід нагнітальних плунжерів. Спрощення ПНВТ полягає у відсутності регулювальних кромок на плунжерах, механізмів регулювання тривалості, а в загальному випадку і випередження уприскування. Профіль кулака насоса бажано вибрати з умов отримання більшої тривалості подачі при достатньо постійному тиску.

В тому випадку, якщо досягнута тривалість подачі недостатня для електронного регулювання випередження уприскування, необхідне збереження в насосі можливостей грубого регулювання випередження подачі. Точне ж регулювання почала подачі форсунки здійснюється мікроконтролером зміною фази електричного керувального імпульсу.

Цей імпульс подається на електричний керуючий клапан, встановлений в магістралі високого тиску між насосом і звичайною механічною форсункою. Керуючий клапан має нормально відкритий заслін. При вимкненому клапані паливо з магістралі високого тиску йде на злив в паливний бак. Форсунка при цьому залишається закритою. При спрацьовуванні клапана слив з магістралі високого тиску закривається, тиск в ній росте, внаслідок чого форсунка відкривається і відбувається уприскування палива в циліндр.

Ефективність механопривідних ЕПС дуже залежить від довжини трубопроводів високого тиску. Тому нераціонально використовувати в них блокові, єдині для всіх форсунок ПНВТ. Доцільніші індивідуальні, наприклад, стовпчикові насоси. Керуючий клапан встановлюється звичайно безпосередньо на виході з насоса, хоча конструктивно може бути об'єднаний і з форсункою або виконаний у вигляді окремо встановлюваного вузла.

Механопривідна ЕПС із стовпчиковим ПНВТ фірми R. Bosch подана на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Механопривідна ГПС із стовпчиковим ПНВТ: 1 – розподільний вал; 2 – стовпчиковий ПНВТ; 3 – підведення палива; 4 – електромагнітний керуючий клапан; 5 – форсунка

Довжина єдиного трубопроводу високого тиску гранично скорочена.

Надають перевагу об'єднанню насоса, форсунки і керувального клапана в єдиний вузол – електрокеровану або точніше – електромеханічну насос–форсунку. B цьому випадку високий тиск палива зберігається не тільки мінімальний час але і в мінімально необхідній частині паливної системи. Виключаються трубопроводи і зменшується кількість ущільнюючих з'єднань в магістралях високого тиску палива.

На рис. 3.7 представлений такий варіант електромеханічної насос–форсунки фірми Lucas.

Насос–форсунка містить три основні модулі: насос високого тиску, форсунку електромагнітний керуючий клапан. З початком нагнітального ходу плунжера до включення електромагніту через нормально відкритий заслін керуючого клапана паливо, що витісняється плунжером, проходить з насоса в порожнину, що сполучається з магістраллю низького тиску. При подачі мікроконтролером електричного імпульсу на обвитку електромагніту клапан перекриває вихід палива в магістраль низького тиску. Тиск палива під плунжером і під голкою форсунки підвищується. Після досягнення під голкою значення тиску відкриття, голка піднімається і починається уприскування палива в циліндр двигуна.

При виключенні електромагніту керуючий клапан повертається в початкове положення, відкриваючи канал зливу в магістраль низького тиску. Тиск у форсунці насоса падає, голка під дією пружини повертається в початкове положення, уприскування припиняється.

Оскільки значення тиску палива в будь–який момент часу зумовлюються характеристиками насоса, електричний керуючий імпульс задає випередження початку уприскування палива, а тривалість цього імпульсу – тривалість уприскування, тобто величину подачі палива.

 

Рис. 3.7. Схема електромеханічної насос–форсунки фірми Lucas: 1 – форсунка; 2 – насос високого тиску;

3 – плунжер; 4 – електромагнітний керуючий клапан; 5 – порожнина низького тиску; 6 – заслін

Пневмопривідні ЕПС. Високий тиск палива в пневмопривідних ЕПС створюється плунжером насоса високого тиску, привідним поршнем, на який безпосередньо діє тиск повітря або газів в циліндрі двигуна, а уприскування палива здійснюється електрокерованими форсунками. Очевидно, що виконання пневмопривідних ЕПС доцільне у вигляді електропневматичних насос–форсунок. На рис. 3.8. подано варіант схеми одного каналу пневмопривідної ЕПС з електропневматичною насос–форсункою.

 

Рис. 3.8. Схема пневмоприводної ЕПС з електропневматичною насос–форсункою: давач положення розподільного валу; давач положення колінчастого валу; електрогідравлічна форсунка; плунжер; поршень

Тиск, що створюється пневмопривідним ПНВТ на такті стиснення в циліндрі двигуна, поступає в кишеню розпилювача електрогідравлічної форсунки і через нормально відкритий заслін електромагнітного клапана – в її керуючу камеру. При спрацьовуванні електромагнітного клапана нормально відкритий заслін клапана запирає вихід з нагнітальної порожнини насоса в камеру керуючої форсунки. Нормально закритим заслоном, що відкрився, камера керуючої форсунки перемикається на злив. Голка форсунки піднімається і починається уприскування палива.

При виключенні електромагнітного клапана керуюча камера перемикається із зливу на ПНВТ. Високим тиском палива в керуючій камері голка закривається, уприскування закінчується. До наступного такту стиснення голка утримується закритою силою її пружини.

Після зниження тиску в циліндрі в кінці такту розширення плунжер і поршень ПНВТ знову повертається в початкове положення під дією тиску палива від паливопідкачуючого насоса, що подається через зворотний клапан. Додаткову повертаючу силу можна створити, наприклад, встановленням пружини або іншого пружного елементу в камеру над поршнем ПНВТ.

Тиск палива в мінімізованій за об'ємом магістралі високого тиску відтворює зміну тиску в циліндрі двигуна. При цьому має місце деякий сталий коефіцієнт мультиплікації (відношення тиску палива над плунжером насоса до тиску в циліндрі двигуна). Цей коефіцієнт визначається в першу чергу відношенням площ поршня і плунжера, на які діють відповідно тиск газів в циліндрі і тиск палива, що створюється над плунжером. В процесі уприскування дійсне значення коефіцієнта мультиплікації знижується із–за витрати палива через соплові отвори і тертя в ПНВТ. За наявності поворотної пружини на коефіцієнт мультиплікації додатково впливають її початкове затягування, жорсткість і положення стискаючого її поршня.

У безпружинному варіанті процес уприскування йде з наростаючим тиском, відповідним зміні тиску в циліндрі двигуна. Разом з тим, комплекс складових, які визначають коефіцієнт мультиплікації після початку уприскування, змінюється. Тому характеристиці тиску уприскування може бути надана і інша форма. Наприклад, підбором жорсткості пружини можна одержати майже постійний тиск перед форсункою. Але керування цим тиском вимагає свідомо нерентабельного ускладнення пневмопривідной ЕПС. Керування цикловою подачею і випередженням уприскування здійснюється зміною тривалості і фази електричного керуючого імпульсу мікроконтролера. Через труднощі керування тиском уприскування за функціональними можливостями ЕПС з пневмопривідними форсунками насоса істотно поступаються акумуляторним.

За деякими ж конструктивними можливостями вони мають виняткові переваги.

Зокрема, в електропневматичних форсунках насоса мінімізовані об'єм магістралі високого тиску, довжини сполучних каналів і практично повністю виключені стикувальні вузли. Врешті, це забезпечує скорочення габаритів форсунки насоса і витоків палива з магістралі високого тиску ЕПС з електропневматичними насос–форсунками не вимагають ніякого зовнішнього приводу, що спрощує двигун. І робить канали паливоподачі по циліндрах навіть автономнішими, ніж з електромеханічними форсунками насоса а, отже, і відмовостійкішими.

Електропневматичні насос–форсунки дозволяють реалізувати будь–яку конструктивну схему двигуна, включаючи нетрадиційні.

Гідропривідні ЕПС. У багатьох варіантах гідропривідних ЕПС використовується паливо, стиснуте в акумуляторах до середнього тиску (20 – 40 МПа). Високий тиск створюється імпульсно ПНВТ з гідравлічним приводом плунжерів. Він є гідротрансформатором або мультиплікатором, що містить привідний поршень і нагнітальний плунжер, діаметр якого у декілька разів менше діаметру привідного поршня. Відношення площ поршня і плунжера називають геометричним коефіцієнтом мультиплікації.

Кожний з таких ПНВТ має електронно імпульсне індивідуальне керування і живить, як правило, одну форсунку. У більшості гідропривідних ЕПС використовують звичайні форсунки з пружинним запиранням голок. Найдоцільніше виконання гідропривідних ЕПС у вигляді насос–форсунок, які можуть бути названі електрогідравлічними. На рис. 3.9 представлена схема гідропривідної паливної системи з електрогідравлічною насос–форсункою.

Рис. 3.9. Схема гідропривідної ЕПС з механічною форсункою

Середній тиск використовується для роботи гідравлічного приводу мультиплікатора. В склад магістралі палива середнього тиску входять акумулятор і насос середнього тиску, який керується мікроконтролером. Над поршнем насосу високого тиску розташована керуюча камера, з’єднана нормально відкритим заслоном електричного (електромагнітного) керуючого клапану зі зливом, а нормально закритим – з магістраллю середнього тиску. Після вмикання електромагнітний клапан подає середнього тиску паливо на поршень мультиплікатора. Під плунжером мультиплікатора створюється високий тиск. Високого тиску паливо передається на форсунку з пружинним, як на рис. 3.9 або з пружинно-гідравлічним запиранням. Вона відкривається і починається уприскування падива.

Припинення вприскування здійснюється вимиканням електромагніту. Після чого керуючий клапан перемикає камеру над поршнем мультиплікатора з акумулятора на злив. Середнього тиску паливо, яке поступає через зворотній клапан під плунжер мультиплікатора, повертає мультиплікатор у верхнє початкове положення.

В поданому варіанті керування тиском в камері під поршнем мультиплікатора здійснюється мікроконтролером неперервною зміною продуктивністі паливного насосу середнього тиску за відхиленням контрольованого давачем тиску в акумуляторі від заданого. Пропорційно тиску в акумуляторі змінюється і тиск уприскування. Керування тривалістю і випередження вприскування здійснюється мікроконтролером в насос-форсунках зміною тривалості і фази керуючих імпульсів, подібно до гідрогідравлічних форсунок.

На рис. 3.10 подано конструктивну схему варіанту гідрогідравлічної насос-форсунки з гідравлічним підсиленням в приводі мультиплікатора.

Власне форсунка в представленій схемі відрізняється тим, що запираюча голку сила створюється не пружиною, а поршнем 1, який з’єднаний постійно з магістраллю 6 середнього тиску. В цьому випадку запираюча голку сила змінюється пропорційно тиску палива на вході в насос–форсунку, що робить форму характеристики уприскування менше залежною від тиску уприскування.

У схемі, представленій на рис. 3.10, використано підсилювальний гідравлічний каскад, виконаний на додатковому клапані–золотнику з двома керуючими кромками на пояску 8, що відкривають і закривають канали з прохідним перерізом в 5–8 разу більшим, ніж у електромагнітного клапана. Електромагнітний же клапан керує тиском керуючої порожнини клапана–золотника, з’єднуючи її у вимкненому стані із зливом, у включеному – з магістраллю середнього тиску. Повернення золотника в початкове положення здійснюється пружиною 4.

Мультиплікатор утворений нагнітальним плунжером і приводним поршнем. Робоча (керуюча) камера привідного поршня при вимкненому керуючому клапані через щілину під нижньою кромкою пояска 8 золотника і паз 9 в нижньому пояску цього ж золотника сполучена із зливом. При цьому на нижній торець нагнітального плунжера діє тиск палива, що поступає через відкритий зворотний клапан плунжера з магістралі середнього тиску. В результаті плунжер разом з поршнем піднімається в крайнє верхнє положення (показане на рисунку).

При подачі на електромагніт електричного керуючого імпульсу його якір – золотник нижньою керуючою кромкою перекриває злив з порожнини додаткового керуючого клапана–золотника, а верхньою кромкою відкриває подачу в цю порожнину палива з магістралі середнього тиску. Під дією цього тиску золотник переміщається вниз, своєю нижньою кромкою на пояску 8 запирає злив з робочої камери привідного поршня через паз 9. Верхньою кромкою пояска 8 золотник відкриває подачу палива з магістралі середнього тиску в робочу камеру поршня разом з плунжером починає рух вниз, клапан 11 плунжера закривається, і в камері під плунжером 2 створюється високий тиск палива, яке більше від тиску в магістралі середнього тиску відповідно дійсному коефіцієнту мультиплікації.

 

Рис. 3.10. Схема електрогідравлічної насос–форсунки з гідравлічним підсиленням в приводі мультиплікатора: 1 – голка форсунки; 2 – нагнітальний плунжер; 3 – приводний поршень; 4 – пружина; 5 – гідропривідний керуючий клапан–золотник; 6 – магістраль середнього тиску; 7 – керуюча порожнина золотника; 8 – середній поясок золотника; 9 – паз золотника; 10 – магістралі середнього і низького тиску; 11 – клапан плунжера

При досягненні тиском палива в порожнині під голкою тиску відкриття голки, вона піднімається, і починається уприскування палива. Припиняється уприскування палива після виключення електромагнітного клапана, підйому золотника, зупинки і подальшого руху вгору поршня і плунжера, падіння тиску палива під плунжером і закриття голки.

Коефіцієнт мультиплікації, визначуваний співвідношенням площ поршня і плунжера, в процесі уприскування знижується за рахунок втрат тиску в каналі підведення палива до поршня і тертя. Досягти дійсних значень (у сталому уприскуванні) коефіцієнта мультиплікації 6 скрутно.

Двократне послідовне посилення: у гідравлічному клапані і мультиплікаторі і наявність ланцюга послідовно діючих інерційних ланок, що запізнюються, в системі керування і власне приводі створюють відчутне запізнювання у формуванні характеристики уприскування палива насос–форсунками такого типу. У поєднанні ж з обмеженими можливостями звичайної, гідромеханічної форсунки це утрудняє отримання стійких рисих подач палива і керування характеристикою уприскування.

Дещо поліпшити характеристики електрогідравлічних насос–форсунок можна при застосуванні електромеханічних перетворювачів з істотно збільшеним ходом і використанням в їх складі електрогідравлічних форсунок. Параметри електрогідравлічних насос–форсунок можуть бути покращені так само вдосконаленням затворів клапанів. Це дозволяє реалізувати електрогідравлічні насос–форсунки без проміжного підсилення в керуванні приводом. Такі варіанти найпростіше можуть бути виконані на сектороїдах. Унаслідок меншого запізнювання вони мають дещо великі функціональні можливості і через відсутність гідравлічного підсилювального клапана (зменшення числа прецизійних елементів, витоків і габаритів) покращені конструктивні показники.

Істотні переваги дає заміна палива маслом в якості робочого тіла в гідроприводі мультиплікатора. Зокрема це дозволяє використовувати освоєні в масовому виробництві елементи гідроавтоматики. Характерним прикладом такого виконання гідропривідної ЕПС є система HEUI (Hydraulicall Electronic Unit Injection), розроблена фірмою Caterpillar спільно з фірмою Navistar. Вона застосовується на дизелях, що серійно випускаються не тільки фірмами –розробниками, але й іншими (Perkins, Isuzu). Загальна схема системи HEUI подана на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Схема гідропривідної ЕПС HEUI: 1 – масляний насос високого тиску; 2 – паливно-підкачуючий насос;

З– виконавчий механізм регулятора тиску масла; 4 – мікроконтролер; 5 – акумулятор масла; 6 – електрогідравлічні насос–форсунки; 7 – паливний бак; 8 – піддон двигуна; 9,10 – масляний і паливний фільтри

Мікроконтролер використовує інформацію від здавачів (не показаних на схемі). Масляний насос високого тиску об'ємний, аксіально–плунжерний. У нього поступає масло з системи двигуна з тиском близько 0,3 МПа. Насос створює тиск, що змінюється регулятором тиску в діапазоні 4¸23 МПа. На рис. 3.12 показані дві стадії процесу уприскування: завершення наповнення форсунки насоса паливом (а) і початок уприскування в циліндр (б).

При вимкненому електромагніті керуюча камера мультиплікатора з’єднана із зливом. У паузах між уприскуваннями паливо, що подається паливно-підкачуючий насосом, діючи на плунжер, зводить мультиплікатор в початкове положення.

При спрацьовуванні керуючого клапана відкривається доступ масла з магістралі середнього тиску на поршень мультиплікатора і закривається злив масла з керуючої камери. Поршень–плунжер рухається вниз, створюючи тиск палива, яке в 5–6 разів вище за тиск масла. Голка відкривається і відбувається уприскування палива, що припиняється виключенням керуючого клапана.

До 1998 р. було випущено понад 7 мільйонів двигунів з ЕПС HEUI. Фірма Caterpillar розробила нове покоління гідропривідних ЕПС, що одержали позначення HEUІ–B, які призначені для випуску, починаючи з 2000 р.

У насос–форсунках системи HEUIВ використаний один двообвитковий електромагніт і деяка унікальна клапанна система в керуючому модулі. Замість конічного тарілчастого заслону керуючого клапана застосовано двоступінчатий. Використовується прецизійне гідравлічне і тимчасове (фазове) керування двома клапанами, один з яких є допоміжним по відношенню до іншого.

Електромагніт регулює тиск масла в керуючій камері не тільки при усталеному уприскуванні, але і на етапах підйому і опускання голки. При прямому керуванні періодами підйому і опускання голки забезпечується керування переднім і заднім фронтами характеристики уприскування. Фірма стверджує, що ніякої додаткової модуляції рухом клапанів для керування характеристикою уприскування не потрібно.

Варіанти насос–форсунок системи HEUI–B мають продуктивність від 65 до 300 мм³/с при тиску уприскування від 160 до 175 МПа. Окрім підвищення тиску уприскування, система HEUI–B забезпечує ширші можливості керування характеристикою уприскування.

Рис. 3.12. Схема електрогідравлічних насос–форсунок ЕПС HEUI

1 – пружина мультиплікатора; 2 – поршень–плунжер; 3 – вхід масла; 4 – керуючий клапан; 5 – вхід палива; 6 – зворотний кульковий клапан; 7 – зливний канал; 8 – електромагніт

Підвищення стійкості малих подач досягається в електрогідравлічних насос–форсунках застосуванням попереднього дозування. У таких насос–форсунках закінчення подачі палива здійснюється нормально закритим заслоном на плунжері при виході його в задане крайнє положення. А величина подачі задається часом заповнення камери під плунжером при зведенні мультиплікатора в паузах між уприскуваннями.

Час попереднього дозування може в десятки разів перевищувати тривалість уприскування в циліндр. Це дозволяє підвищити точність електронного дозування при використанні електричних керуючих клапанів низької швидкодії.

Разом з тим ростуть і тривалість увімкненого стану електромеханічних перетворювачів, і запізнювання керування подачею (майже до двох оборотів чотиритактного двигуна). Тому електрогідравлічні насос–форсунки попереднього дозування не знайшли широкого застосування.

В цілому електрогідравлічні насос–форсунки складні конструктивно. Для їхньої роботи необхідне збільшення продуктивності насоса середнього тиску в порівнянні з подачею в циліндр відповідно коефіцієнту мультиплікації. Скидання в бак відпрацьованого в приводі великого об'єму палива, що нагрілося при стисненні, вимагає встановлення на автомобіль холодильника палива. Керування формою характеристики уприскування обмежене. Тиск уприскування залежить від тривалості подачі.

Проте можливість незалежного керування тиском палива на вході в насос–форсунки, а, отже, і тиском уприскування істотно розширює функціональні можливості гідропривідних ЕПС з електрогідравлічними насос–форсунками. Вони мають великі функціональні можливості. По можливостях підвищення тиску уприскування поки вони не мають собі рівних. Гідропривідні ЕПС поступаються тільки ЕПС з акумуляторами високого тиску по керованості характеристик уприскування. У той же час по конструктивних характеристиках вони дещо перевершують акумуляторні ЕПС.