Регулятор давления коммон рейл: Приборы системы питания Common Rail. Топливная рампа, датчик расхода топлива и клапан ограничения давления.

Содержание

Приборы системы питания Common Rail. Топливная рампа, датчик расхода топлива и клапан ограничения давления.

Приборы и устройства системы Common Rail

Аккумулятор высокого давления (топливная рампа)

Рампа или аккумулятор высокого давления (Rail) принимает от ТНВД и хранит топливо под высоким давлением. Включение в систему питания этой своеобразной емкости для хранения запаса топлива под высоким давлением позволяет решать одну из характерных для дизеля и других систем впрыска проблем — уменьшить пульсацию давлений в трубках, подводящих топливо к форсункам.

Не секрет, что трубка высокого давления является слабым звеном цепочки, организующей подачу топлива в классической системе впрыска (дизеля или бензинового двигателя Common Rail). Порционная подача топлива непосредственно к форсункам от ТНВД приводит к тому, что соединяющая эти агрегаты трубка выглядит, образно говоря, как мягкий резиновый шланг, по которому перекатываются шарики.
Конечно же, даже верхпрочный металл может не выдержать такую цикличную нагрузку, особенно, когда частота перекатывания «шариков» топлива совпадет с собственной частотой колебаний трубки, т. е. в случае резонансных явлений. Трубка попросту лопнет, и это бывает довольно-таки часто. И промежуточный накопитель — рампа — один из способов решения данной проблемы. Благодаря рампе топливо под высоким давлением постоянно «дежурит» у входа в форсунки, и пульсация отсутствует.

Кроме этого, рампа обеспечивает относительное постоянство давления впрыскивания при открытии форсунки.

Аккумулятор высокого давления в общем виде имеет форму трубки (рис. 1). В зависимости от конструкции двигателя конкретное исполнение аккумулятора может иметь разные формы.
На аккумулятор могут устанавливаться датчик давления топлива и клапан ограничения давления. В качестве дополнительного оборудования могут устанавливаться ограничители расхода топлива и клапан регулирования давления, если он не расположен на ТНВД.

Топливо из ТНВД направляется через магистраль высокого давления к впускному штуцеру аккумулятора (рампы). Из топливной рампы оно распределяется по отдельным форсункам.

Давление внутри аккумулятора измеряется датчиком давления топлива (рис. 2) и ограничивается клапаном регулирования давления (рис. 3) до максимально допустимой величины в зависимости от параметров конкретной системы впрыска.
Через ограничитель расхода топлива, который дросселирует поток топлива, последнее под давлением поступает к форсункам.

Объем аккумулятора (рампы) постоянно наполнен топливом, находящимся под давлением. Величина этого давления поддерживается на постоянном уровне даже при больших нагрузках на двигатель, когда возрастает расход топлива через форсунки.

***

Клапан регулирования давления

Клапан регулирования давления устанавливает величину давления в аккумуляторе высокого давления (топливной рампе) в зависимости от нагрузки на двигатель.

При слишком высоком давлении в рампе клапан открывается и часть топлива из рампы отводится через магистраль обратного слива назад к топливному баку.
При падении давления в топливной рампе клапан закрывается и размыкает контуры высокого и низкого давления.

Клапан регулирования давления 3 (рис. 2, а ) устанавливается либо непосредственно на ТНВД, либо отдельно. Крепится через фланец к корпусу ТНВД или аккумулятору высокого давления.
Якорь 2 прижимает шарик 1 клапана к седлу под действием пружины клапана 4 так, чтобы разъединить контуры высокого и низкого давления.
Включенный электромагнит 3 перемещает якорь, прикладывая дополнительное усилие к прижатию шарика к седлу.
Весь якорь омывается топливом, которое смазывает трущиеся поверхности и отводит лишнее тепло.

Рис.2, а. Клапан регулирования давления:
1 — щарик клапана; 2 — якорь; 3 — электромагнит; 4 — пружина клапана; 5 — электрический штекер

Клапан регулирования давления имеет два контура:

медленный (электрический) контур регулирует среднюю изменяющуюся величину давления в аккумуляторе высокого давления;
быстрый (гидромеханический) контур выравнивает высокочастотные колебания давления.

Принцип работы клапана рассмотрим для двух позиций.

Клапан регулирования давления отключен.
От аккумулятора или на выхода ТНВД топливо под высоким давлением подается ко входу клапана. Так как обесточенный электромагнит не развивает никаких усилий, сила давления топлива преодолевает силу действия пружины. Клапан открывается и остается в таком положении большее или меньшее время в зависимости от цикловой подачи.

Пружина подобрана таким образом, чтобы устанавливалось давление топлива около 100 бар.

Клапан регулирования давления включен.
Если необходимо повысить величину давления, то сила действия электромагнита дополняет силу давления пружины. Якорь смещается вниз, уменьшая диаметр проходного сечения, до тех пор, пока объединенное усилие электромагнита и пружины не уравновесится давлением топлива. Затем якорь остается в этом положении, поддерживая постоянное давление.
Величина давления может варьироваться в зависимости от изменения величины подачи топлива в аккумулятор.
Давление в клапане может снижаться также из-за увеличения расхода топлива, впрыскиваемого через форсунки.

Усилие электромагнита пропорционально силе управляющего тока. Управление клапаном осуществляется ШИМ-сигналом. Благодаря этому регулируется расход топлива на слив. Тактовая частота в 1 кГц достаточна для того, чтобы избежать возмущающих движений якоря и соответственно колебаний давления в топливном аккумуляторе.

В более современных системах впрыска регулирование давления происходит дозировкой количества топлива, поданного к ТНВД. Таким образом, уменьшаются энергетические потери.

***

Клапан ограничения давления

Клапан ограничения давления поддерживает определенную величину давления в аккумуляторе, выполняя фактически роль редукционного (предохранительного) клапана. Несмотря на одинаковый принцип работы, на разных моделях двигателей внешне этот клапан может отличаться (см. рисунок 3).

Механический клапан ограничения давления включает следующие конструктивные элементы:

корпус с наружной резьбой для вворачивания в топливную рампу и с внутренней резьбой для вворачивания упора сердечника клапана и присоединения магистрали обратного слива;

подвижный сердечник клапана;
пружину клапана.

Принцип работы этого устройства не отличается от общего принципа функционирования механических клапанов ограничения давления.
Корпус клапана со стороны аккумулятора имеет канал, запираемый конусом сердечника клапана. Пружина плотно прижимает конус к седлу клапана при нормальном рабочем давлении, так что аккумулятор (рампа) остается закрытым.

В случае, когда величина давления в аккумуляторе превысит рабочее значение, конус под действием давления отходит от седла и находящееся под высоким давлением топливо через перепускные каналы отводится в магистраль обратного слива.
В результате давление топлива в топливной рампе снижается до оптимального (для данной системы) уровня.

***

Ограничитель расхода топлива

Ограничитель расхода топлива в системе Common Rail применяют, в частности, на двигателях тяжелых грузовых автомобилей. Он предназначен для предотвращения маловероятного случая, когда форсунка увеличивает продолжительность впрыскивания, например в случае зависания иглы. Чтобы выполнить эту задачу, ограничитель при превышении максимально допустимого количества поступающего из аккумулятора топлива перекрывает магистраль к соответствующей форсунке.
Ограничитель расхода топлива (рис. 4) состоит из металлического корпуса 5, на торцах которого выполнена резьба (наружная или внутренняя) для ввинчивания в аккумулятор высокого давления и для соединения с магистралью, ведущей к форсунке.

Внутри ограничителя расхода топлива находится сердечник

3, отжимаемый пружиной 4 в направлении аккумулятора высокого давления (топливной рампы).
Сердечник уплотняется по стенке корпуса. Продольный канал, имеющий в сердечнике переменный диаметр, заканчивается поперечными перепускными дроссельными отверстиями 8 с точно подобранной пропускной способностью.

Рис. 4 . Ограничитель расхода топлива (схема):
1 — канал со стороны топливной рампы; 2 — ограничительная шайба; 3 — сердечник ограничителя; 4 — пружина ограничителя; 5 — корпус ограничителя; 6 — канал со стороны форсунки; 7 — седло сердечника ограничителя; 8 — дроссельное отверстие

Работа в обычном режиме

В положении покоя сердечник 3 упирается в ограничительную шайбу 2.

Открытие форсунки в момент впрыскивания топлива немного снижает давление в ведущей к ней магистрали. В результате сердечник под действием потока топлива из аккумулятора смещается к форсунке (на рис. 4 – вниз), вытесняя при этом смещении некоторое количество топлива для поддержания необходимого давления в магистрали.
Когда впрыскивание завершается, сердечник останавливается, не доходя до седла 7. Затем пружина 4 отжимает его назад в исходное положение против потока топлива, продолжающего перетекать к уже закрывшейся форсунке через дроссельные отверстия 8.

Параметры пружины и дроссельных отверстий подобраны таким образом, что даже при максимальной подаче топлива (включая резервный запас) сердечник способен вернуться в исходное положение, в котором пребывает до начала следующего цикла впрыскивания.

Работа с большой утечкой топлива

Если расход топлива при впрыске значительно превышает необходимый уровень, то под действием сильного потока топлива сердечник садится в седло и перекрывает доступ топлива к форсунке.

До остановки двигателя сердечник остается в этом положении, а затем пружина возвращает его назад.

Работа с малой утечкой топлива

Если расход топлива при впрыскивании незначительно превышает необходимый уровень, то после нескольких циклов впрыска сердечник ограничителя постепенно смещается к седлу, а затем точно так же, как и в случае с большой у течкой топлива, перекрывает подачу топлива к форсунке до остановки дизеля.

***

Топливоподкачивающий насос системы питания Common Rail

Главная страница

Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Система питания Common Rail дизельного двигателя.

Система впрыска Common Rail

Общие сведения о системе питания Common Rail

Система впрыска Common Rail (Common Rail в переводе с английского — «общий путь», «общая рампа») является современной системой впрыска топлива дизельных двигателей. Впрочем, аналог такой системы применяется и в бензиновых двигателях с принудительным впрыском топлива, т. е. инжекторных двигателях.
Разработчиками системы Common Rail являются специалисты известной германской фирмы Bosch. На серийных автомобилях с применением электронного управления такие системы появились в 1997 году.
В настоящее время работы по применению систем Common Rail ведутся практически во всех фирмах-производителях ТПА (R.Bosch, Lucas, Siemens, L’Orange).

Основное принципиальное отличие системы Common Rail от рассмотренной в предыдущей статье классической системы питания заключается в том, что топливо к форсункам подается не непосредственно от ТНВД, а от общего накопителя – топливной рампы. Топливная рампа (аккумулятор топлива) представляет собой толстостенный цилиндрический сосуд, способный выдерживать высокое давление, развиваемое ТНВД. В рампе поддерживается постоянное давление топлива с помощью ТНВД и регулятора давления, и каждая форсунка соединена топливопроводом с рампой.
В нужный момент блок управления формирует управляющий сигнал на электромагнитный (или пьезоэлектрический) клапан форсунки, форсунка открывается и топливо впрыскивается в цилиндр.
Таким образом, главной отличительной особенностью системы Common Rail является разделение процессов создания давления и впрыска топлива, что позволяет получить ряд преимуществ в работе.

Применение данной системы позволяет снизить расход топлива, токсичность отработавших газов, уровень шума дизеля, а также значительно улучшить его динамические характеристики. По сравнению с обычным дизелем система Common Rail позволяет снизить расход топлива до 40% при уменьшении токсичности отработавших газов и снижении шумности при работе на 10 %.
Главным преимуществом системы Common Rail является возможность управления подачей топлива посредством компьютера (электронного блока управления), что позволяет осуществлять широкий диапазон регулирования давления, количества и момента начала впрыска топлива.

Конструктивно система впрыска Common Rail составляет контур высокого давления топливной системы классического 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. На современных дизелях, оборудованных системой питания Common Rail применяют топливные насосы высокого давления радиально-плунжерного или плунжерного типа.
Более подробно о ТНВД радиально-плунжерного типа здесь.

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 системы впрыска Common Rail обеспечивает система управления дизелем, которая объединяет датчики, блок управления двигателем и исполнительные механизмы систем двигателя. Основными исполнительными механизмами системы впрыска Common Rail являются форсунки, клапан дозирования топлива, а также регулятор давления топлива.

***

Принцип действия системы впрыска Common Rail

Принцип работы системы питания Common Rail достаточно прост, и попытки ее применения известны достаточно давно – более полувека назад. Тем не менее, максимального эффекта от использования такой системы питания удается получить лишь с помощью компьютерного управления работой двигателя, поэтому широкое распространение подобные системы получили лишь недавно.
Рассмотрим подробнее работу Common Rail на приведенной ниже схеме (рис. 2).

С помощью топливоподкачивающего насоса (ТПН) топливо закачивается из топливного бака и через фильтр с влагоотделителем подается в радиально-плунжерный насос высокого давления (ТНВД) , который с помощью эксцентрикового вала приводит в движение три плунжера.
Топливный насос высокого давления напрямую связан с распределительным валом и подает порцию топлива в рампу при каждом обороте, а не так как в обычном двигателе один раз за два оборота.
От ТНВД топливо под большим давлением поступает в гидроаккумулятор (топливную рампу), откуда поступает на электро- или пьезогидравлические форсунки, управляемые компьютером.
Излишки топлива от форсунок и ТНВД сливаются в топливный бак через топливопроводы слива (магистраль обратного слива).

Схему можно увеличить в отдельном окне браузера, щелкнув по ней мышкой.

В нужный момент блок управления (ЭБУ) 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.

Начало впрыска и количество топлива, подаваемого в цилиндры двигателя через форсунки, зависит от начала и продолжительности сигнала электронного блока управления, формируемого на основании информации от датчиков. Этот сигнал зависит от нескольких параметров, в первую очередь — от режима работы двигателя.
Система управления дизелем включает датчики оборотов двигателя, положения коленчатого вала (датчик Холла), положения педали акселератора, расходомер воздуха, температуры охлаждающей жидкости, давления воздуха, температуры воздуха, давления топлива, кислородный датчик (лямбда-зонд) и некоторые другие.

Давление в системе регулируется по сигналу блока управления с помощью регулятора. На холостом ходу оно минимальное, что снижает шум работы форсунок и ТНВД, а при разгоне максимальное для обеспечения лучшей приемистости.

Многократный впрыск в системе Common Rail

Поскольку давление впрыска не зависит от оборотов двигателя и нагрузки, фактическое начало, давление и продолжительность впрыска могут быть свободно выбраны в широком диапазоне значений.
Кроме того, появляется возможность применения предварительного впрыска (или даже нескольких впрысков), регулируемого в зависимости от потребностей двигателя, что приводит к существенному сокращению шума двигателя наряду с улучшением процесса сгорания и сокращением выброса вредных веществ с отработавшими газами.

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 в режиме частичных и номинальных нагрузок.

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

***

Достоинства и недостатки системы Common Rail

Как уже отмечалось выше, использование в дизелях системы питания Common Rail вместо классической системы питания дает ощутимый прирост мощности, экологичности и экономичности двигателю. Уменьшение расхода топлива, выброса вредных веществ, шума, наряду с повышением динамических показателей достигается возможностью компьютерного управления всеми процессами впрыска, что невозможно осуществить в традиционных системах питания, даже самых сложных и совершенных.

К существенным недостаткам системы Common Rail следует отнести сложность обслуживания, требующего от технического персонала высокой квалификации и необходимость применения специального оборудования для тестирования работы системы. Поэтому, если автомобиль эксплуатируется в условиях ограниченного технического сервиса невысокого уровня, надежнее использовать классическую систему питания.

Следует отметить, что система питания Common Rail подвергает моторное масло значительным тепловым нагрузкам. Из-за более интенсивного горения верхняя часть (головка) поршней нагревается гораздо сильнее, чем у классического дизельного двигателя. Если головка поршня у классического дизеля непосредственного впрыска нагревается до 320-350 °C, при работе с системой питания Common Rail — свыше 400 °С.
В результате моторное масло выгорает и окисляется значительно интенсивнее. По этой причине в смазочной системе дизелей с впрыском типа Common Rail необходимо использовать синтетические или полусинтетические моторные масла.

***

Перспективы развития системы питания Common Rail

Совершенствование системы питания Common Rail осуществляется по пути увеличения давления впрыска. Очевидно, что чем выше давление в системе в момент впрыска, тем больше топлива успевает попасть в цилиндр за равный промежуток времени и, соответственно, реализовать большую мощность двигателя. Кроме того, впрыск под большим давлением обеспечивает высокое качество распыливания топлива форсункой, что благотворно сказывается на процессах смесеобразования и горения.
В современных двигателях повышение давления впрыска ограничивается прочностью аккумулятора топлива (рампы) и топливопроводов высокого давления, которые подвержены пульсирующим и вибрационным нагрузкам при работе двигателя и способны разрушиться.
Тем не менее, за полтора десятка лет инженерными решениями удалось увеличить давление на впрыске более, чем в полтора раза – у современных дизелей с системой питания Common Rail оно достигает 220 МПа и даже более.

Высокое давление впрыска надежнее обеспечить, используя систему питания типа насос-форсунка, о которой пойдет рассказ в следующей статье.

***

Устройство и принцип работы ТНВД системы Common Rail