Системы дизельной топливной аппаратуры насос-форсунка начали применяться на грузовых автомобилях с 1994 года и легковых с 1998 года. Модульная конструкция систем питания дизельных двигателей с насос-форсунками позволяет устанавливать без особых затрат времени на двигатели различных конструкций.
Недостатком насос-форсунок является увеличение высоты головки блока цилиндров, что в свою очередь вызывает увеличение высоты двигателя.
Насос-форсунки состоят из трех подсистем: подачи топлива низкого давления, подачи топлива высокого давления, подачи воздуха и выпуска отработавших газов.
Подсистема подачи топлива низкого давления необходима для подачи топлива к насосу высокого давления и очистки топлива.
Подсистема подачи топлива высокого давления служит для создания высокого давления впрыска топлива в камеру сгорания.
Подсистема подачи воздуха и выпуска отработавших газов включает в себя приборы для очистки воздуха, поступающего в цилиндры двигателя и очистки отработавших газов после выпуска их из цилиндров.
Основные компоненты системы питания дизельного двигателя с насос-форсунками показаны на рис. 7.139.
Расположенный в баке электрический топливоподкачивающий насос 15 подкачивает топливо к фильтру. Обратный клапан 12 предотвращает слив топлива из распределителя 7 и трубопровода низкого давления 14 в бак после остановки двигателя.
Топливоподающий насос 10 служит для забора топлива из фильтра и подачи его под повышенным давлением к насос-форсункам. Редукционный клапан 11 поддерживает давление подаваемого к насос-форсункам топлива в пределах 8,5 кгс/см2. Ограничительный клапан 5 удерживает давление топлива в сливном трубопроводе на уровне 1 кгс/см2, благодаря ему снижаются пульсации давления в системе.
От фильтра топливо подается в питающую магистраль в головке блока. В питающей магистрали топливо течет по внутренним стенкам распределителя топлива 7 в направлении первого цилиндра. Через отверстия в стенках топливо подается в кольцевую полость между распределителем и стенками головки блока (рис. 7.140).
Здесь топливо смешивается с нагретым топливом, которое выдавлено от насос-форсунок в питающую магистраль. Благодаря этому достигается одинаковая температура, а значит и одинаковое количество топлива, поступающего ко всем насос-форсункам, что обеспечивает равномерную работу двигателя. Без распределителя топливо поступало бы в насос-форсунки неравномерно. Нагретое топливо, выжимаемое от насос-форсунок в питающую магистраль, продвигалось бы поступающим топливом от четвертого цилиндра в направление первого цилиндра. Из-за этого температура топлива повышалась бы от четвертого цилиндра к первому, и к насос-форсункам поступало бы различное количество топлива. Следствием этого была бы неравномерная работа двигателя и слишком высокая температура в зоне передних цилиндров.
Топливоподкачивающий насос. Топливоподкачивающий насосы могут быть как внутренним зацеплением шестерен (рис. 7.141), так и шиберные.
Давление подаваемого насосом топлива регулируется редукционным клапаном 5.
При частоте вращения коленчатого вала 4000 об/мин давление топлива может повышаться до 11,5 кгс/см2. Установленный в системе возврата топлива редукционный клапан 3 поддерживает в ней давление порядка 1 кгс/см2. Благодаря этому снижаются пульсации потока топлива, действующего на электромагнитные клапаны насос-форсунок.
Топливоподкачивающий насос шиберного типа конструктивно выполнен как роторный насос (рис. 7.142).
В этой конструкции подкачивающего насоса, применяемого в дизелях легковых автомобилей с насос-форсунками, две отдельно расположенные лопатки прижимаются пружинами 3 к ротору 1. Топливный насос шиберного типа работает по принципу всасывания при увеличении объема камер и подачи при уменьшении объема их. Топливо засасывается и подается попеременно двумя камерами из четырех. Всасывающие и напорные камеры отделены шиберными заслонками.
При вращении ротора объем на стороне всасывающей полости 2 увеличивается, и топливо попадает в две камеры. Далее, при вращении ротора, объем камеры уменьшается, и топливо выталкивается из камер в выходной канал давления 5. Такой насос подает топливо даже при очень низкой частоте вращения.
Как правило, топливоподкачивающий насос располагается непосредственно за вакуумным насосом на головке блока цилиндров. Оба насоса имеют общий привод от распределительного вала и поэтому составляют единый тандемный насос.
Насос-форсунки могут иметь электрический (соленоидный) или пьезоэлектрический клапан управление.
Насос-форсунка с электрическим клапаном управления представляет собой одноцилиндровый насос высокого давления индивидуальный для каждого цилиндра двигателя (рис. 7.143).
Внутри корпус насос-форсунки имеется цилиндрическая полость высокого давления. Соленоидный клапан монтируется как одно целое с насос-форсункой. Крепление насос-форсунки к головке блока осуществляется с помощью прижимной скобы. В приводе насос-форсунки, в отличие от привода механизма газораспределения отсутствуют тепловые зазоры, так как здесь с помощью возвратной пружины осуществляется постоянный контакт между толкателем плунжера, коромыслом и кулачком приводного вала.
Быстродействующий соленоидный клапан в соответствии с параметрами, определяемыми блоком управления, обеспечивает регулировку времени начала впрыска топлива и его конец. В отключенном положении соленоидный клапан открыт и обеспечивает полное прохождение топлива от топливоподкачивающего насоса к подплунжерному пространству насоса. Во время хода плунжера 3 насос-форсунки соленоидный клапан перекрывает подачу топлива, герметизируя плунжерную пару и при ходе плунжера вниз происходит впрыск топлива через форсунку в камеру сгорания. Момент закрытия соленоидного клапана регулирует начало впрыска и его продолжительность. По сравнению с впрыском бензиновых двигателей электромагнитный клапан должен управлять давлением в 300…500 раз большим, при этом переключение клапана происходит в 10…20 раз быстрее.
Использование насос-форсунки исключает применение топливопроводов высокого давления, благодаря чему снижаются потери давления при подаче топлива из-за периодических расширений топливопроводов в начале подачи и разгрузке в конце подачи. Максимальное давление, развиваемое насос-форсунками составляет 2500 кгс/см2. Электронные трехмерные параметрические характеристики в комбинации с высоким давлением впрыска приводят к снижению потребления топлива при одновременном снижении выброса токсичных веществ, что имеет большое значение принимая во внимание строгие требования соблюдения европейских стандартов. Используя управление соленоидным клапаном, имеется возможность реализовать предварительный (пилотный) впрыск и отключение отдельных цилиндров из работы при частичных нагрузках, что уменьшает расход топлива.
Соленоидный клапан. Основными задачами соленоидного клапана являются: обеспечение точного времени начала впрыска топлива относительно угла поворота коленчатого вала двигателя на различных режимах работы, продолжительности впрыска и количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр двигателя.
Соленоидный клапан можно разделить на две группы – соленоидную и клапанную. Клапанная группа состоит из игольчатого клапана 2 (рис. 7.144), корпуса 12 клапана составляющего одно целое с корпусом насоса и пружины клапана 1.
Уплотнительная плоскость 10 корпуса клапана имеет конусообразную форму. Посадочная поверхность клапана 11 имеет точно такую форму, однако угол конуса клапана немного больше угла конуса его корпуса. Когда клапан закрыт и прижат к корпусу, корпус и клапан соприкасаются только по линии седла клапана, благодаря чему достигается очень хорошее уплотнение клапана. Клапан и его корпус составляют прецизионную пару и очень плотно подогнаны друг к другу.
Магнит состоит из ярма магнитопровода и подвижного якоря 16. Ярмо состоит из магнитного сердечника 15, катушки 6 и штекеров выводных контактов 8. Якорь соединен с клапаном. Между магнитным ярмом и якорем в исходном положении имеется зазор.
Принцип действия соленоидного клапана. Электромагнитный клапан имеет два переключаемых положения – «клапан открыт» и «клапан закрыт». Клапан открыт, когда напряжение питания на катушку не подается. Клапан закрывается при подаче напряжения питания от задающего каскада ЭБУ.
Клапан открыт. Под усилием пружины 1 клапан 2 прижимается к упору 7, в результате чего обеспечивается проход топлива через щель для прохода топлива 9 между иглой и корпусом в области седла клапана. При этом камеры высокого 3 и низкого 4 давления соединены между собой. В этом исходном положении топливо может как втекать в камеру высокого давления, так и вытекать из нее.
Клапан закрыт. Когда наступает момент впрыска топлива, на катушку клапана подается напряжение питания от задающего каскада ЭБУ. Ток срабатывания вызывает магнитный поток в элементах магнитного контура (магнитный сердечник и якорь), который генерирует силу магнитного притяжения для перемещения якоря к статору. В результате движение якоря останавливается иглой при ее посадке на седло в корпусе. При этом между якорем и статором остается небольшой воздушный зазор. Клапан теперь закрыт, и при движении плунжера насос-форсунки вниз осуществляется впрыск топлива.
Сила магнитного притяжения используется не только для подтягивания якоря, но и для преодоления силы действия пружины клапана и, соответственно, удерживания якоря. Кроме того, сила магнитного притяжения прикладывается к уплотнительным поверхностям седла для удерживания их в контакте друг с другом. Якорь удерживается в данном положении до тех пор, пока на катушку клапана подается напряжение питания.
Чем сильнее магнитный поток, тем ближе располагается к статору якорь. После закрытия клапана можно уменьшить ток до удерживающего уровня. Клапан, таким образом, остается закрытым, а потери мощности и, следовательно, выделение тепла, оказываются минимальными.
Для прекращения процесса впрыска топлива должна быть прекращена подача напряжения на катушку клапана, в результате чего магнитный поток исчезает, как и сила магнитного притяжения, и пружина перемещает иглу клапана в ее исходное положение на упоре. Проход топлива через седло клапана открывается.
Насос-форсунка с пьзоэлектрическим клапаном управления отличается от насос-форсунки с соленоидным клапаном приводом клапана управлением моментами начала и окончания подачи топлива. В таких форсунках устанавливается пьезоэлектрический клапан, который обладает значительно большим быстродействием, чем соленоидный клапан.
Пьезоэлектрический клапан состоит из пьезопривода в корпусе с штекерным разъемом, рычажного мультипликатора 4 и иглы клапана 13, перемещающейся в корпусе насос-форсунки (рис. 7.145).
Ход пьезопривода равен приблизительно 0,04 мм. Однако полный ход иглы 13 клапана должен быть порядка 0,1 мм. Чтобы решить эту задачу, между пьезоприводом и иглой клапана устанавливают рычажный мультипликатор 4 с соответствующим передаточным отношением.
При отсутствии управляющего напряжения пьезопривод находится в исходном положении. При этом клапан открыт, так как его игла поднимается с седла под действием возвратной пружины. При подаче напряжения нажимная пластина приводит в действе мультипликатор, который обеспечивает перемещение иглы клапана практически на 0,1 мм. При этом клапан закрывается, а в полости под плунжером начинает подниматься давление.
Принцип действия насос-форсунки с пьезоэлектрическим клапаном управления. Впрыск запальной дозы топлива.
Процесс наполнения полости под плунжером (рис. 7.145, а). Подъем плунжера происходит под действием его пружины вслед за поворотом кулачка и роликового коромысла насос-форсунки. Кулачку придана несимметричная форма, которая обеспечивает перемещение плунжера вверх с пониженной скоростью. При этом полость под плунжером заполняется топливом, поступающим через открытый пьезоэлектрический клапан из магистрали его подвода 8 к насос-форсунке.
Начало впрыска запальной дозы топлива (рис. 7.145, б). При набегании кулачка на ролик коромысло поворачивается и перемещает плунжер с относительно большой скоростью вниз. Вытесняемое плунжером топливо перетекает в каналы низкого давления до тех пор, пока не закроется пьезоэлектрический клапан. После закрытия этого клапана давление топлива в полости под плунжером начинает быстро расти. При его повышении до 130 кгс/см2 преодолевается усилие затяжки пружины 11 форсунки. В результате этого игла распылителя поднимается и начинается впрыск запальной дозы топлива. При этом движение иглы распылителя демпфируется топливом, вытесняемым из объема 15 между ее торцем и корпусом форсунки. Ограничение подъема иглы необходимо для повышения точности подачи малых доз топлива, характерных для предварительного впрыска.
Завершение впрыска запальной дозы топлива (рис. 7.145, в). Впрыск запальной дозы топлива заканчивается в результате открытия пьезоэлектрического клапана. Давление вытесняемого плунжером топлива снижается в результате слива его в магистраль 8, служащую для его подвода к насос-форсунке. Игла распылителя опускается на седло под действием пружины форсунки и поддерживающего ее давления топлива, которое поступает в полость пружины форсунки через обратный клапан 12. Это давление создается дросселем 16, установленным во внутреннем канале подвода топлива. Действующее в полости пружины давление топлива передается посредством запорного поршня 10 на иглу распылителя и ускоряет ее посадку.
В зависимости от режима работы двигателя блок управления может инициировать впрыск одной или двух запальных доз топлива.
Впрыск основной дозы топлива. Начало впрыска основной дозы (рис. 7.146, а). Впрыск основной дозы топлива производится при продолжающемся движении плунжера вниз. После посадки на седло иглы пьезоэлектрического клапана начинается повышение давления в распылителе, игла которого поднимается с седла только при относительно большом давлении, соответствующем суммарному усилию затяжки пружины форсунки и усилию, создаваемому давлением топлива в полости пружины. Повышенное давление топлива в полости пружины форсунки создается после впрыска запальной дозы топлива и удерживается в ней благодаря обратному клапану 12. Это давление действует на запорный поршень 10 форсунки. Максимальное давление впрыска достигает на режиме максимальной мощности 2200 кгс/ см2.
Завершение впрыска основной дозы топлива (рис. 7.146, б). Впрыск основной дозы топлива заканчивается вследствие открытия пьезоэлектрического клапана. Как и при окончании впрыска запальной дозы, давление топлива снижается в результате его слива в топливоподводящий канал и в полость пружины форсунки. Посадка иглы распылителя на седло производится под суммарным действием пружины и запорного поршня.
Для регенерации сажевого фильтра может применяться дополнительный впрыск. Процесс впрыска дополнительного топлива практически не отличается от процесса впрыска основного топлива, но характеризуется существенно меньшими давлением и количеством впрыскиваемого топлива ввиду меньшей продолжительности его подачи.
Особенности ременного привода ГРМ. В дизельных двигателях, оборудованных насос-форсунками, зубчатый ремень при впрыске топлива имеет значительные нагрузки. Зубчатое колесо при нажатии коромысла на плунжер насос-форсунки замедляется, зубчатое колесо коленчатого вала одновременно ускоряется при сгорании топлива. Вследствие этого ремень растягивается, и расстояние между зубьями ремня существенно увеличивается. Вследствие существующего порядка работы двигателя этот процесс периодически повторяется, потому что одни и те же зубья зубчатого колеса входят в зацепление с зубчатым ремнем.
При наличии зубчатого колеса коленчатого вала с одинаковыми расстояниями между зубьями зубья ремня наталкиваются на края зубьев зубчатого колеса при увеличенной нагрузке на ремень при впрыске топлива. Следствием этого являются большой износ и небольшой срок службы зубчатого ремня. Чтобы устранить последствия этого явления на ремне и разгрузить ремень при впрыске топлива, на зубчатом колесе коленчатого вала имеются две пары зубьев с увеличенным расстоянием между ними по сравнению с другими зубьями (рис. 6.63). Это позволяет компенсировать изменение расстояния между зубьями зубчатого колеса и, тем самым, уменьшить износ зубчатого ремня.
При пуске двигателя блоку управления двигателя необходимо знать, в каком цилиндре происходит такт сжатия, для подачи команды на впрыск соответствующему электромагнитному (пьезоэлектрическому) клапану. Для опознания номера цилиндра при пуске двигателя может служить сигнал от датчика Холла, который считывает информацию по положению зубьев ротора на распределительном валу и, тем самым, определяет положение распределительного вала, который. При отсутствии сигнала от датчика Холла блок управления использует сигнал от датчика частоты вращения двигателя G28.
Поскольку распределительный вал за рабочий цикл двигателя делает один оборот на 360º, на роторе распределительного вала на каждый цилиндр приходится по одному зубу, расположенному под 90º от двух соседних зубьев. Чтобы можно было опознать принадлежность каждого зуба определенному цилиндру, на роторе имеются дополнительные зубья для 1-го, 2-го и 3-го цилиндров, расположенные на разных расстояниях от основных зубьев (рис. 7.148).
Каждый раз, когда какой-либо зуб проходит мимо датчика Холла, в датчике возникает напряжение, сигнал о котором передается блоку управления двигателя. Поскольку все зубья размещены на различном расстоянии один от другого, сигналы от датчика Холла поступают через разные промежутки времени. Вследствие этого блок управления двигателя опознает соответствующий цилиндр, что дает возможность дать сигнал на срабатывание нужному электромагнитному клапану.
Для того чтобы обеспечить быстрый пуск двигателя, блок управления двигателя оценивает сигналы от датчика Холла и от датчика частоты вращения двигателя (рис. 7.149). По сигналу от датчика Холла, который подается по положению ротора на распределительном валу, опознается цилиндр. По двум пропускам зубьев на роторе на коленчатом валу блок управления двигателя уже после пол-оборота коленчатого вала получает исходный сигнал. Благодаря этому блок управления двигателя рано опознает положение коленчатого вала по отношению к цилиндрам и может подать сигнал на электромагнитный клапан соответствующей насос-форсунки для осуществления впрыска топлива.
с насос-форсунками предусмотрена заслонка 1 с электроприводом (рис. 7.150), способствующая выполнению норм выброса токсичных веществ с ОГ. Бесступенчатое изменение положения ее позволяет создавать разрежение во впускной системе, необходимое для эффективной рециркуляции ОГ на всех скоростных режимах работы двигателя. Кроме этого закрытие заслонки при остановке двигателя приводит к существенному снижению наполнения цилиндров воздухом и уменьшению в результате этого колебаний двигателя на подвеске.
Изменение положения впускной заслонки производится по сигналу блока управления двигателем 5, поступающим на электродвигатель 2 ее привода. Действительный угол поворота заслонки определяется с помощью датчика ее положения. Встроенный в корпус заслонки электронный регулятор 4 обрабатывает сигнал этого датчика и управляет приводом заслонки до достижения задаваемого значения. Возвратная пружина 3 выполняет аварийную функцию, открывая впускную заслонку при прекращении питания электродвигателя.