Общее устройство. Массово системы дизельной топливной аппаратуры насос-форсунка начали применяться на грузовых автомобилях с 1994 года, хотя двигатели ЯМЗ-204 и ЯМЗ-206 с этими устройствами (Ленкарз-60, -70 и -80) устанавливались на автомобили МАЗ-200, МАЗ-205, ЯАЗ-210, КрАЗ-219, КрАЗ-214 уже в 50-ые годы.
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.
Насос-форсунки могут быть с соленоидным (электромагнитным) клапаном и без него.
Топливная система HPI с гидравлическими насос-форсунками без соленоидного клапана. Гидравлические насос-форсунки применяются в грузовых автомобилях Scania. Топливная система HPI состоит из двух подсистем гидравлической и электронной.
Топливная система подает топливо к двигателю и управляется системой электронного управления двигателем.
Гидравлическая схема топливной системы. Гидравлическая система управления топливоподачей включает в себя, кроме блока управления и электромагнитных клапанов, также датчики и другие блоки управления (рис. 7.129).
Топливоподкачивающий насос 2 (рис. 7.130) забирает топливо из бака по двум всасывающим топливопроводам. В топливном баке вначале всасывающих магистралей установлен обратный клапан 1, препятствующий обратному сливу топлива в бак. Топливоподкачивающий насос прокачивает топливо через фильтр 3 и клапан отсечки топлива 7. Топливо проходит в корпус клапанного блока 13 и далее через электромагнитные клапаны поступает в топливную рампу 21, соединенную с соответствующим блоком насос-форсунок 22.
От топливных рамп 21 топливо поступает к насос-форсункам 22, установленным в соответствующих головках цилиндров. Топливная рампа разделена на две отдельные части: для питания топливом переднего и заднего блоков форсунок.
Назначением клапана отсечки топлива 7 является прекращение подачи топлива при выключении двигателя или при появлении отказа.
В корпусе клапанного блока расположен регулятор давления топлива 14, поступающего к насос-форсункам. Давление подачи топлива должно находиться в пределах 17 … 20 бар. Если давление нагнетания топливоподкачивающего насоса становится слишком большим, открывается клапан регулятора и часть топлива поступает обратно на вход топливоподкачивающего насоса.
В корпусе клапанного блока расположены также электромагнитные клапаны, которые управляют подводом топлива к насос-форсункам. Два электромагнитных клапана 12 дозируют цикловую подачу топлива в цилиндры. Два других электромагнитных клапана 11 дозируют топливо для регулирования опережения впрыскивания топлива. В корпусе клапанного блока расположены также два гидравлических демпфера, предназначенных для гашения резких изменений и стабилизации давления топлива.
Процесс заполнения насос-форсунок топливом регулирует блок управления. Опережение впрыскивания топлива в цилиндр двигателя зависит от углового положения распределительного вала и объема топлива, находящегося в управляющей камере насос-форсунки. Топливо, используемое для регулирования опережения впрыскивания, поступает затем по сливной магистрали в топливный бак. Топливо, остающееся после выключения двигателя в каналах между электромагнитными клапанами и насос-форсунками, подогревается остаточным теплом двигателя. Для того чтобы предотвратить вытеснение топлива в насос-форсунки из-за избыточного давления, часть топлива стравливается через обратные клапаны в электромагнитных клапанах изатем через дроссельное отверстие 10 в корпусе клапанного блока попадает в топливный бак.
Узлы топливной системы. Топливоподкачивающий насос. В системе с гидравлическими насос-форсунками применяется топливоподкачивающий насос шестеренчатого типа. Топливоподкачивающий насос установлен на задней стенке картера воздушного компрессора и приводится во вращение от коленчатого вала компрессора.
Основными элементами шестеренчатого насоса являются два шестеренчатых колеса 2 (рис. 7.131), которые находятся в зацеплении между собой, посредством чего топливо захватывается в камеру, образующуюся между зубьями шестерен и стенкой корпуса насоса, и направляется от стороны всасывания 1 к выходу на стороне нагнетания 3.
Контактные поверхности между зубьями шестерен обеспечивают уплотнение между сторонами всасывания и нагнетания и, таким образом, предотвращаю перетекание топлива снова на сторону всасывания.
Величина подачи шестеренчатым насосом практически пропорциональна частоте вращения коленчатого вала двигателя, поэтому величина подачи уменьшается дросселем на всасывающей стороне или ограничивается перепускным клапаном на стороне нагнетания.
Снизу топливоподкачивающего насоса выполнено отверстие, которое служит для индикации течи топлива и масла. Шестеренчатые насосы не требуют технического обслуживания. Для удаления воздуха из топливной системы перед пуском или в случае, когда топливный бак оказывается пустым, непосредственно на топливоподкачивающем насосе или в линиях низкого давления может быть установлен насос ручной подкачки топлива.
В топливных системах дизельных двигателей, кроме шестеренчатых насосов, могут применяться электрические насосы, аналогичные описанным выше для системы питания бензинового двигателя.
Насос-форсунка. Устройство. На каждом цилиндре двигателя установлена отдельная насос-форсунка (рис. 7.132). Плунжер насос-форсунки приводится в действие от распределительного вала двигателя. Привод верхнего плунжера 1 насос-форсунки состоит из кулачка распределительного вала 16, роликового толкателя15, штанги толкателя 14 и коромысла 13.
К насос-форсунке подходят три топливных канала: по 5 каналу поступает топливо для подачи в цилиндр, по каналу 4 топливо для регулирования опережения впрыскивания, по каналу 9 топливо отводится в бак.
В канале 5, по которому поступает топливо для подачи в цилиндр, имеется обратный клапан 6, препятствующий прорыву продуктов горения в этот канал. На насос-форсунке предусмотрен ограничитель хода плунжера вверх. Поэтому при максимальном подъеме коромысла между верхним штоком насос-форсунки 12 и концом коромысла образуется зазор. Это предусмотрено для улучшения условий смазки и снижения износа в механизме привода насос-форсунок.
Поскольку порядок работы цилиндров 6-цилиндрового рядного двигателя 1-5-3-6-2-4, одновременно будут открываться по одной насос-форсунке в переднем и заднем ряду. Для того чтобы обеспечить распределение топлива по насос-форсункам, используются электромагнитные клапаны, которые направляют топливо в соответствующий блок топливной системы. Система HPI использует топливо для управления опережением впрыска топлива (альфа).
Форсунки относятся к открытому типу. В процессе заполнения насос-форсунки топливом распылитель остается открытым, так как в конструкции форсунки отсутствует подпружиненная запорная игла, запирающая с определенным усилием распылитель. После впрыскивания топлива насос-форсунка механически закрывается усилием от кулачка распределительного вала. Затем насос-форсунка удерживается распределительным валом в закрытом положении до следующей фазы заполнения топливом.
В данной конструкции форсунки ее распылитель открыт в процессе фазы заполнения (зарядки). При этом продукты горения проходят через насос-форсунку и по возвратному топливопроводу попадают в топливный бак. В топливном баке можно обнаружить наличие некоторого количества отработавших газов, что не является признаком неисправности. Кроме того, в системе могут возникать отложения нагара и топливный бак может нагреваться.
Избыточное давление в топливном баке сбрасывается через клапаны, которые также работают в качестве предохранительных клапанов, служащих для предотвращения вытекания топлива при опрокидывании автомобиля.
Принцип работы насос-форсунки. Рассмотрим работу насос-форсунки в отдельных фазах (рис. 7.133).
Фаза 1. Игла (нижний плунжер) 8 насос-форсунки находится в закрытом состоянии. Кулачок распределительного вала прижимает друг к другу плунжеры насос-форсунки, действуя через роликовый толкатель, штангу толкателя и коромысло. Нижний плунжер 8 (игла) прижат к седлу распылителя. Насос-форсунка закрыта как для подачи топлива, предназначенного для впрыскивания в цилиндр, так и для подачи топлива для регулирования опережения впрыскивания.
Фаза 2. Следуя за подъемом коромысла, плунжеры в насос-форсунке также синхронно поднимаются до тех пор, пока нижний плунжер (игла) не дойдет до упора. Канал 5, по которому подается топливо, предназначенное для впрыскивания в цилиндр, открыт. Если электромагнитный клапан открыт, то топливо начинает заполнять полость распылителя насос-форсунки через канал 5.
Фаза 3. Верхний плунжер насос-форсунки занимает свое наивысшее положение, дойдя до упора. Электромагнитный клапан дозирования цикловой подачи открыт, происходит заполнение полости распылителя топливом, предназначенным для впрыскивания в цилиндр через канал 5. Канал для подачи топлива 2, предназначенного для регулирования опережения впрыскивания, открыт.
Фаза 4. Электромагнитный клапан регулирования опережения впрыскивания открывается, и происходит заполнение топливом управляющей полости 17 насос-форсунки.
Средний плунжер 3 под действием давления поступающего топлива опускается вниз к нижнему плунжеру (игле) 8. Заполнение предназначенным для впрыскивания топливом камеры распылителя должно завершиться до того, как нижний плунжер (игла) 8 перекроет подводящий канал.
Фаза 5. Верхний плунжер 1 насос-форсунки опускается вниз коромыслом под действием кулачка распределительного вала. Средний плунжер 3 также опускается вниз за счет давления топлива, заключенного в управляющей полости между верхним и средним плунжерами. Средний плунжер упирается в нижний плунжер. Все три плунжера начинают опускаться вместе.
Канал подачи топлива 5 перекрывается. Нижний плунжер сжимает воздух, который попал в распылитель насос-форсунки вовремя такта сжатия в цилиндре двигателя. Как только давление в полости распылителя начинает превышать давление воздуха в камере сгорания, плунжер вытесняет воздух обратно в цилиндр. Впрыскивание начинается, когда нижний плунжер вытеснил из полости распылителя весь воздух и там осталось только топливо.
Фаза 6. Впрыскивание топливо завершено. Нижний плунжер находится в самом нижнем положении. Кулачок распределительного вала через коромысло продолжает опускать вниз верхний плунжер.
Средний плунжер находится в положении, когда сливной канал 9 открыт. Топливо из управляющей полости 17, которая обеспечивает регулирование опережения впрыскивания, поступает в сливной канал 9 через открытый подпорный клапан 11.В этом положении плунжеров остаточное давление топлива, заключенного в камере распылителя 18, падает за счет сброса топлива в сливной канал 9 через канал 7 в нижнем плунжере.
Фаза 7. Кулачок распределительного вала через толкатель, штангу и коромысло обеспечивает закрытое состояние насос-форсунки.
Топливная система с гидравлическими насос-форсунками с соленоидным клапаном. Такая система применяется в грузовых автомобилях Scania, Iveco, MAЗ, Volvo и др., а также легковых автомобилей выпуска 2000-х годов. Основные компоненты системы питания дизельного двигателя с насос-форсунками, управляемые соленоидным клапаном показаны на рис. 7.134.
Топливо через сетчатый фильтр, расположенный во вставном элементе бака, всасывается топливоподкачивающим насосом 1 вверх, в контур охлаждения 6 электронного блока управления двигателем 16, а затем поступает вниз, в корпус топливного фильтра 3. Здесь топливо проходит через обратный клапан 11 и фильтр грубой очистки 4 с водоотделителем 13. Обратный клапан служит для предотвращения слива топлива в бак при выключенном двигателе и при подкачке топлива вручную.
Топливоподкачивающий насос 1 подает топливо в корпус топливного фильтра 3 через фильтр тонкой очистки 5 и далее к продольному аккумулятору давления топлива 9 в головке цилиндров. Из аккумулятора давления топливо поступает во все насос-форсунки 8 через кольцевые канавки, расположенные вокруг каждой форсунки в головке цилиндров.
Обратный поток топлива из аккумулятора давления топлива 9 в головке цилиндров возвращается через перепускной клапан 7 в корпус топливного фильтра 3. Перепускной клапан 7 регулирует давление подачи топлива в насос-форсунки. В сквозном канале корпуса топливного фильтра обратный поток топлива смешивается с топливом из бака и всасывается через впускной патрубок топливного насоса (на стороне всасывания).
В топливоподкачивающем насосе находятся два клапана. Предохранительный клапан 14 пропускает топливо назад, к стороне всасывания, в случае слишком высокого давления, например, когда топливный фильтр забит.Обратный клапан 15 открывается при использовании ручного топливоподкачивающего насоса12, облегчая подкачку топлива вручную.
Корпус топливного фильтра 3 снабжен встроенным воздуховыпускным клапаном 10. Выпуск воздуха из топливной системы производится автоматически при запуске двигателя. Весь воздух в системе вместе с небольшим количеством топлива возвращается в бак топливный 2 по трубке. При замене фильтров следует закрывать конусы предохранительных клапанов 18 и 19, чтобы предотвратить утечку топлива в этих местах при отворачивании топливного фильтра. Стравливание воздуха из фильтра при замене фильтров регулируется клапанами 18 и 20 в корпусе фильтра и воздуховыпускным клапаном 10.
В корпусе топливного фильтра находится датчик давления топлива 21, контролирующий давление подачи топлива на выходе из фильтра. Если давление подачи ниже значения, указанного в руководстве по кодам неисправностей, на панели приборов отображается соответствующий код неисправности. Заглушенное отверстие 22 в корпусе топливного фильтра используется для измерения давления подачи с помощью внешнего датчика давления или манометра.
Внутри водоотделителя 13 находится датчик уровня 23, посылающий сигнал водителю при наличии воды в системе. Слив включается под рулевым рычагом 24 на рулевой колонке. Электрический сливной клапан 25открывается по команде с электронного блока управления двигателем.
В качестве дополнительного оборудования предусмотрен подогреватель топлива 26, установленный в нижней части водоотделителя.
Устройство отдельных компонентов системы. Топливоподкачивающий насос. В грузовых автомобилях в качестве топливоподкачивающих насосов, как правило, применяются насосы с наружным зацеплением шестерен. Конструкция таких насосов описана в разделе «Топливная система HPI с гидравлическими насос-форсунками без соленоидного клапана»
В насос-форсунках применяется электрический (соленоидный) клапан управление.
Насос-форсунка с электрическим клапаном управления представляет собой одноцилиндровый насос высокого давления индивидуальный для каждого цилиндра двигателя (рис. 7.135).
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 250 МПа (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. 7.136), 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.
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 ярму магнитопровода 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.
Работу насос форсунки можно разделить на 4 хода плунжера: ход впуска, предварительный ход, ход нагнетания и впрыска топлива, окончание процесса впрыска (рис. 7.137).
Ход наполнения. При движении плунжера вверх, под воздействием возвратной пружины, топливо при постоянном давлении поступает по каналу 7 от подкачивающего насоса в полость соленоидного клапана 6, который открыт, так как на него не подается напряжение (рис. 7.137, а). По каналам топливо попадает в полость высокого давления 4.
Предварительный ход. Кулачок приводного вала поворачиваясь (рис. 7.137, b), начинает оказывать давление на плунжер 2, который движется вниз. Соленоидный клапан открыт и топливо, под давлением движущегося вниз плунжера 2, вытесняется через выпускной канал 8 в систему низкого давления.
Ход нагнетания и процесс впрыска топлива (рис. 7.137, c). От блока управления на катушку 9 соленоидного клапана подается напряжение и якорь соленоидного клапана под воздействием созданного электромагнитного поля закрывает клапан, преодолевая при этом сопротивление пружины клапана. Сила магнитного потока при этом должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить достаточное уплотнение между плоскостями 10 и 11 (рис. 9.99). Чем ближе якорь расположен к ярму, тем больше сила прижатия клапана к седлу, что позволяет снизить ток управления соленоидным клапаном, уменьшая расход электроэнергии, и сохранить при этом закрытое положение клапана. Сообщение между полостями высокого и низкого давления при этом перекрывается. Закрытие соленоидного клапана приводит к изменению тока катушки 9 (рис. 9.100), что определяется блоком управления, как начало подачи топлива.
Давление топлива в полости высокого давления при движении плунжера возрастает. Одновременно возрастает давление и в полости распылителя форсунки. При достижении давления начала подъема иглы распылителя около 300 кгс/см2 игла распылителя слегка приподнимается и начинается впрыск топлива в камеру сгорания (фактическое начало впрыска или начало подачи). Давление впрыска постоянно увеличивается по мере хода плунжера насоса.
Окончание процесса впрыска (рис. 7.137, d). При прекращении подачи тока на обмотку соленоида клапан приоткрывается и сообщение между полостями высокого и низкого давления снова восстанавливается. В момент переходной фазы между ходом нагнетания и окончанием процесса впрыска достигается наибольшее давление нагнетания. В зависимости от типа насоса форсунки оно составляет 180…250 (1800…2500 кгс/см2). После полного открытия электромагнитного клапана давление резко падает, игла форсунки при этом закрывает отверстие распылителя, усилием пружины клапан устанавливается в исходное положение и процесс впрыска заканчивается.
Предварительный впрыск. Как отмечалось ранее для снижения шума и выброса токсичных веществ в форсунках, в том числе и насос-форсунках, может применяться предварительный впрыск. Такой впрыск можно подразделить на 4 фазы: исходное состояние, начало предварительного впрыска, конец предварительного впрыска и начало основного впрыска (рис. 6.60).
Исходное состояние рис. 7.138, а. Игла форсунки 7 и разгрузочный поршень 3 прижаты к своим седлам, соленоидный клапан открыт, поэтому давление под плунжером отсутствует.
Начало предварительного впрыска рис. 7.138, b. Соленоидный клапан закрывается, плунжер начинает двигаться вниз, поэтому давление под плунжером возрастает. При достижении давления открытия, игла форсунки приподнимается и начинается впрыск. В этой фазе ход иглы форсунки зависит только от давления под плунжером.
Конец предварительного впрыска рис. 7.138, с. При дальнейшем движении плунжера вниз давление под плунжером возрастает в большей степени и разгрузочный поршень 3, преодолевая сопротивление пружины, отходит от своего седла. При этом открывается проход топлива от полости высокого давления 2 в разгрузочную полость 4. В этот момент давление под иглой форсунки падает, и игла закрывается, впрыск при этом прекращается. Во время предварительного впрыска через форсунку подается около 1,5 мм3 дизельного топлива, что разогревает камеру сгорания и позволяет топливу воспламеняться быстрее.
Основной впрыск рис. 7.138, d. При дальнейшем движении плунжера вниз давление под ним продолжает возрастать. С достижением давления до 2050 кгс/см2 форсунка снова открывается и начинается основной впрыск.
В момент открытия соленоидного клапана впрыск прекращается и разгрузочный поршень, и игла форсунки занимают исходное положение.