Данная статья будет посвещена устройству дизельных систем управления двигателем. Система управления впрыском  топлива предназначена для точного дозирования горючей смеси в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания. Она включает в себя топливный бак, топливный фильтр, топливоподкачивающий насос, перепускной клапан и топливные трубопроводы. Давление топлива в системе  создает ТНВД, откуда топливо подается через нагнетательный клапан по топливным трубопроводам высокого давления к форсункам.

Блок схема системы Common Rail управления дизельного двигателя

  Основной элемент дизельного впрыска - это ТНВД (топливный насос высокого давления). Насос высокого давления  должен создавать давление в системе подачи топлива порядка 350... 1600 бар - в зависимости от особенностей процесса сгорания дизельного топлива - с максимальной точностью дозирования циклов впрыска для достижения оптимального состава рабочей смеси. Фаза впрыска (угол зажигания) должна быть точно установлено по времени в пределах около ±1° поворота коленчатого вала для достижения оптимального режима работы двигателя. Данный параметр можно посмотреть с помощью любого мультимарочного сканера, например Bosch KTS. Муфта опережения в механических системах позволяет корректировать начало впрыска и компенсировать продолжительность распространения волн сжатия в топливопроводах. Винтовая кромка плунжера ТНВД позволяет путем его поворота изменять цикловую подачу топлива в зависимости от нагрузки. Для управления нагрузкой и частотой вращения коленчатого вала дизеля используется только изменение цикловой подачи топлива, количество воздуха на впуске не дросселируется. Так как дизель на малых нагрузках при увеличении цикловой подачи топлива может увеличивать частоту вращения, превышающую допустимую, важно иметь устройство, ограничивающее это увеличение. Необходимо также иметь регулятор частоты вращения на режиме холостого хода.

  Процесс впрыска дизельного топлива является динамическим. Кулачковый вал ТНВД, приводимый от вращающегося коленчатого вала двигателя, перемещает плунжеры топливного насоса, обеспечивая подачу топлива и создавая высокое давление в топливопроводах. Нагнетательный клапан открывается при повышении давления, и волна давления проходит в направлении сопла форсунки со скоростью звука (приблизительно 1400 м/с). По достижении требуемого давления запорная игла рабочего сопла форсунки преодолевает усилие пружины, открывая проходное сечение, и топливо подается через распылительные отверстия в камеру сгорания двигателя. Процесс впрыска заканчивается с открытием сливного отверстия в гильзе плунжера. Давление в  полости (место установки плушжерной пары) уменьшается, нагнетательный клапан закрывается и давление в топливной системе снижается до пределов, выбираемых из следующих условий: запорная игла форсунки должна закрываться мгновенно, исключая утечку топлива, колебательные явления в топливной системе не должны вызывать повторного открытия иглы и становиться причиной кавитационного разрушения. 

  Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну.

  В автомобильных дизильных системах используются ТНВД двух типов. Насосы с рядным расположением плунжерных пар и ТНВД распределительного типа. В насосе с рядным расположением плунжерных пар, широко применяемом на двигателях большегрузных автомобилей, кулачковый вал приводит в действие один плунжер, подающий топливо только к одному цилиндру двигателя. Другая конструкция ТНВД с рядным расположением плунжерных пар может регулировать фазы впрыска в дополнение к изменению количества топлива. Насос распределительного типа характеризуется механическим или электронным регулятором и интегральным устройством, управляющим углом опережения зажигания. Насосы распределительного типа обычно применяются для  двигателей легковых автомобилей. Центральный плунжер, приводимый в движение от кулачкового механизма, создает давление и служит распределителем топлива по отдельным цилиндрам, а дозатор с электромагнитным клапаном регулирует количество впрыскиваемого топлива. Элементы ТНВД  изготавливаются с высокой точностью для обеспечения продолжительного срока службы и стабильности работы. Сам же ТНВД является прецизионным изделием. Имеются также насосы с рядным расположением плунжерных пар и распределительного типа, приводимые в действие от кулачкового вала двигателя. Другой концепцией впрыскивания топлива представляется система насос-форсунка, в которой насос и форсунка объединены в один узел. Насос-форсунка устанавливается в головке каждого цилиндра. Устройство приводится в движении распределительным валом двигателя, непосредственно толкателем или косвенно при помощи коромысла.

  Как и бензиновому мотору, топливо в системе должно быть чистым. Для дизеля этот факт очень важный, учитывая конструктивные особенности топливной аппаратуры дизеля. Качество фильтрующего элемента дизельной системы впрыска топлива должен обеспечить чистоту топлива на все 100%. Фильтрующий элемент очистки дизельного топлива состоит из гидрофобного бумажного элемента. Свернутый бумажный элемент по спирали обеспечивает максимальную площадь фильтрующей поверхности, что повышает грязеемкость фильтра.

  Эффективность фильтрации топлива, главным образом, определяется пористостью бумаги, ее массой и типом используемых волокон. В системах с насосами распределительного типа используются фильтры со средним размером пор 4...5 мкм, хотя с другими типами насосов могут использоваться фильтры с размером пор 8... 10 мкм. Как и все расходные материалы фильтр для топливной системы дизеля обладает интервалом обслуживания. Интервал замены фильтрующего элемента после 30 тыс. км. Более точные данные по замене расходных материалов необходимо смотреть в документации к автомобилю.

Насосы с рядным расположением плунжерных пар 

  Подкачивающий  насос подает топливо из бака через фильтр к ТНВД под давлением порядка 1....2,5 бар. Производительность  насоса для подкачки топлива примерно вдвое превышает максимальный расход топлива двигателем. Таким образом обеспечивается удаление пузырьков воздуха и паров топлива при его отсечке в ТНВД. Подкачивающий насос устанавливается, как правило, на корпусе ТНВД и приводится в действие от эксцентрика на его кулачковом валу. Давление подаваемого топлива определяется усилием расположенной в поршне пружины. 

  Каждый насос высокого давления с рядным расположением плунжеров имеет плунжерную пару для каждого цилиндра двигателя. Приводимый в движение двигателем кулачковый вал вызывает движение плунжера, повышающего давление топлива. Возврат его в первоначальное положение осуществляется пружиной. Плунжер подгоняется к втулке с такой точностью (зазор составляет 3...5 мкм), что он фактически работает без утечек даже при высоком давлении и на любых частотах вращения коленчатого вала двигателя. Рабочий ход плунжера является постоянным.

Регулирование подачи топлива в ТНВД с рядным расположением плунжерных пар:
1 - из топливного канала; 2 - к форсунке; 3 - втулка; 4 - плунжер; 5 - нижняя регулирующая спиральная выемка; 6 - вертикальная канавка.

  Количество подаваемого топлива регулируется посредством поворота плунжера - спиральная выемка изменяет его действительный рабочий ход. Активная работа насоса начинается, когда верхняя кромка плунжера закрывает впускное отверстие. Прорезь соединяет камеру выше плунжера с зоной ниже пространственной спиральной выемки. 

ТНВД с рядным расположением плунжерных пар с механическим регулятором центробежного типа: 

1- топливный бак 2 - регулятор 3 - подкачивающий насос 4 - ТНВД 5 - муфта опережения времени впрыска 6 - приводной вал 7 - топливный фильтр 8 - перепускной канал 9 - форсунка 10 - линия возврата топлива 11- линия избыточного потока

  Для регулирования подачи топлива используются плунжеры с различными типами спиральных канавок. В плунжерах только с нижней спиральной канавкой начало подачи топлива всегда происходит при одинаковом такте сжатия, а при вращении плунжера может изменяться, опережая или запаздывая впрыск топлива. При верхнем расположении спиральной канавки изменяется начало впрыска топлива. Имеются также плунжеры с верхним и нижним расположением спиральных канавок. Для ТНВД используются следующие типы нагнетательных клапанов: клапан с объемной разгрузкой, клапан-дроссель обратного хода и клапан постоянного давления. 

Штуцер ТНВД с встренным нагнетательным клапаном: 

а - с клапаном объемного течения и ограничением обратного течения Ь - с клапаном постоянного давления 1 - корпус штуцера 2 - обратный клапан 3 - промежуточная полость  4 - разгрузочный поясок 5 - сферический клапан 6 - втулка клапана 7 - нагнетательный клапан 8 - жиклер 9 - обратный клапан

  В некоторых случаях применяются специальные нагнетательные клапаны постоянного давления, которые используются в целях гашения волновых явлений при отражении от сопла форсунки, предупреждая, таким образом, повторное впрыскивание топлива. Клапан постоянного давления используется для поддержания стабильных гидравлических характеристик в системах впрыска топлива высокого давления и в небольших двигателях непосредственного впрыска, работающих на высоких частотах вращения коленчатого вала. В ТНВД, в которых средние значения давлений впрыска достигают 600 бар, плунжерно-втулочный комплект устанавливается в корпусе насоса. В насосах с давлением впрыска топлива, превышающим 600 бар, плунжерно-втулочный комплект, нагнетательный клапан и втулка нагнетательного клапана образуют единое устройство в целях исключения высоких усилий на корпусе насоса. ТНВД с рядным расположением плунжерных пар и присоединенный к нему регулятор подсоединяются к системе смазки двигателя. 

  Регулирование частоты вращения коленчатого вала осуществляется при помощи регуляторов во всех диапазонах работы двигателя. Есть регуляторы, управляющие режимом топливоподачи при полной нагрузке в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, давлением воздуха, а также использующиеся для подачи дополнительного количества топлива, необходимого при пуске двигателя. Регулятор устанавливает количество подаваемого топлива посредством изменения положения рейки топливного насоса.

Диаграммы рабты регуляторов различных типов

а - прямая коррекция момента ; b - нерегулируемый диапазон; с - обратная коррекция крутящего момента; 1 - установочная точка частоты вращения на холостом ходу; 2 - внешняя скоростная характеристика; 3 - внешняя скоростная характеристика двигателя с турбонаддувом; 4 - внешняя скоростная характеристика двигателя без турбонаддува; 5 - внешняя скоростная характеристика двигателя без турбонаддува с относительной компенсацией; 6 - промежуточный контроль частоты вращения коленчатого вала двигателя; 7 - количество топлива для запуска.

Техническое обслуживание регулятора частоты вращения и ТНВД рекомендуется проводить совместно.

  Центробежные регуляторы приводятся во вращение от кулачкового вала ТНВД. Грузы под действием центробежных сил, преодолевая усилия пружины регулятора, воздействуют посредством системы рычагов на рейку насоса. Центробежная сила и сила упругости пружины находятся в состоянии равновесия, устанавливая рейку в положение, соответствующее подаче топлива для заданной мощности. Уменьшение частоты вращения при повышении нагрузки приводит к соответствующему уменьшению центробежной силы, и пружина регулятора перемещает вращающиеся грузы, а вместе с ними и рейку насоса в направлении повышения количества подаваемого топлива до тех пор, пока не восстановится равновесие. 

Электронный регулятор дизеля (EDC - Electronic Diesel Control) 

  На смену центробежного регулятора пришел электронный регулятор для ТНВД, с рядным расположением плунжерных пар, в котором имеется соленоидный привод с бесконтактным индуктивным датчиком, определяющим положение рейки насоса. Соленоидный исполнительный механизм приводится в действие с помощью ECU, который сравнивает положение дроссельной заслонки, частоту вращения и некоторое число дополнительных факторов с рабочими характеристиками с целью определения правильного количества подаваемого топлива (выражаемого как функция положения рейки). С помощью электронного контроллера сравнивается положение рейки насоса с конкретной точкой для определения значения тока возбуждения соленоида, который сжимает возвратную пружину. Когда отклонения определяются, регулируется ток возбуждения, обеспечивая смещение рейки насоса к более точному положению. Индуктивный измерительный преобразователь частоты вращения коленчатого вала управляет положением колеса, устанавливаемого на кулачковом валу; ECU использует импульсные интервалы для вычисления частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Преимущества электронного регулятора:

двигатель может пускаться и останавливаться при помощи ключа зажигания;

свободный выбор внешних скоростных характеристик;

максимальное количество впрыскиваемого топлива точно скоординировано с давлением наддува для соблюдения норм на дымность отработавших газов;

возможность корректировки в зависимости от температур воздуха и топлива;

обогащение смеси во время пуска;

контроль частоты вращения коленчатого вала двигателя для вспомогательных устройств;

средство управления движением на маршруте;

регулирование максимальной скорости движения автомобиля;

стабилизация частоты вращения на холостом ходу двигателя;

регулирование силы тяги (ASR) при автоматической коробке передач;

передача сигнала для тахометра и дисплея расхода топлива;

интегральная диагностика отказов.

Блок схема электронного управления  дизельного двигателя  (EDC) для ТНВД распределительного типа: 

1 - подкачивающий насос; 2 - электромагнитный клапан; 3 - устройство синхронизации; 4 - втулка управления; 5 - вращающийся исполнительный механизм с измерительным датчиком; 6 - ECU.

Входные/выходные величины: а - скоростной режим; b - начало впрыска; с - температура; d - давление наддува; е - положение дроссельной заслонки; f - обратная подача; g - к рфарсункам

Аккумуляторная топливная система типа "Common Rail"

1 - топливный бак; 2 - фильтр; 3 - насос подкачки; 4 -ТНВД; 5 - редукционный клапан; 6 - датчик давления; 7- резервуар (аккумулятор); 8 -форсунки; 9 - ввод данных от измерительных датчиков; 10 - ECU 

  Системы с аккумулятором делают возможным объединение системы впрыска топлива дизеля с различными дистанционно выполняемыми функциями и в то же время позволяют повышать точность управления процессом сгорания топлива. Отличительная характеристика системы с общим трубопроводом заключается в разделении узла, создающего давление, и узла впрыскивания. Это делает возможным повысить величину давления впрыскивания топлива. Основу системы составляет резервуар. Этот резервуар включает компоненты распределительного трубопровода (общая рейка), линии подачи топлива и форсунки.  
Давление системы, создаваемое ТНВД, распространяется через аккумулятор и топливопроводы к форсунке. Форсунка обеспечивает подачу нужного количества топлива в камеру сгорания. В точно установленный момент ECU передает сигнал возбуждения к соленоиду форсунки, означающий начало подачи топлива. Количество впрыскиваемого топлива определяется периодом открытия распылителя и давлением в системе.
  Система типа Common Rail расширяет область оптимизации процесса сгорания, посредством разделения функций создания давления и впрыска. Давление, необходимое для подачи топлива в цилиндры, в основном, базируется на выборе какой-нибудь точки набора заданных параметров. Дополнительно давление впрыскивания остается постоянным на период продолжительности процесса впрыска топлива при давлении (с минимальными отклонениями) 1400 бар. Такая способность управлять характером сгорания может использоваться для многоимпульсного впрыскивания в целях уменьшения вредных компонентов отработавших газов и также это может обеспечить снижение шума и детонаций. Система с одной рейкой позволяет контролировать движение иглы форсунки, а вместе с ней и схему впрыска в пределах определенного диапазона значений. Для многоимпульсной подачи топлива система включает электромагнитный клапан несколько раз.

  Для обеспечения оптимальных показателей по расходу топлива, эффективной мощности дизеля и соответствия все более возрастающим требованиям к токсичности отработавших газов, необходима тщательная проверка и регулировка ТНВД и систем регулирования впрыскиванием. Основные технические условия по методикам испытаний и испытательных стендов конкретизируются в стандартах ISO.

Настройка ТНВД методом непрерывного потока: 

1 - Бак с эталонным топливом; 2 - ТНВД; 3 - испытательная форсунка; 4 - измерительный элемент; 5 - счетчик импульсов; 6 - монитор компьютера

  Приводная муфта испытываемого насоса приводится в движение при помощи электродвигателя. Трубопроводы подачи и обратного слива подсоединяют через подкачивающий насос к механизму подачи эталонного топлива испытательного стенда. Линии давления ведут к устройству измерения подаваемого топлива, которое состоит из испытательных форсунок с точно заданным давлением начала открытия. Давление и температура эталонного топлива устанавливаются в соответствии с техническими условиями проведения испытания. Метод измерения с непрерывным потоком требует использования точных шестеренных насосов для каждой секции ТНВД, приходящейся на каждый цилиндр. Частота вращения привода насоса регулируется таким образом, чтобы количество эталонного топлива, которое он перекачивает, соответствовало бы величине впрыснутого топлива. С помощью микропроцессора анализируются результаты измерений и преобразуются в гистограмму для вывода на монитор. Этот испытательный метод характеризуется высокой степенью точности и воспроизводимостью результатов испытаний. Количественное измерение с помощью мерных стеклянных мензурок заключается в подаче эталонного топлива в мензурки. Поток прерывается, как только завершается определенное количество рабочих тактов. Количество эталонного топлива, которое распределяется испытательными форсунками, может быть определено с помощью градуировки на мензурках.

Измерительные установки и дополнительное оборудование для испытания дизельных двигателей фирмы BOSCH

Стенд проверки топливных насосов высокого давления используется с целью регулировки точности подачи топлива ТНВД в соответствии с потребностями двигателя. С ее помощью фиксируются импульсы от контрольной метки на маховике двигателя. Данное устройство управляет моментом закрытия отверстия (начало подачи топлива) и продолжительностью подачи при конкретной частоте вращения коленчатого вала двигателя. При этом не требуется подключаться к работе линий высокого давления. К трубки высокого давления первого цилиндра подсоединяется индуктивный датчик. Совместно со стробоскопом или датчиком ВМТ определяется момент закрытия отверстия и продолжительность впрыска топлива в цилиндр. Другой метод испытаний включает определение закрытия отверстия посредством установки индуктивного измерительного преобразователя в корпус регулятора. Измерительный преобразователь получает импульсы от толкателя, расположенного на корпусе регулятора центробежного типа. Импульсы запаздывают от сигналов измерительного датчика ВМТ на определенный интервал, который используется устройством для вычисления момента закрытия отверстия.

Набор манометров, трубок и адаптеров для проверки ветви низкого давления системы CR

  В заключение можно сказать, что ремонт дизельной аппаратуры довольно сложный и дорогостоящий процесс, состоящий не только из диагностического и специального оборудования, но и требующий специальных навыков и опыта работы в данной области. Не смотря на это, есть круг людей, которые большую часть своей жизни посветили ремонту дизелей. Респект и уважение людям подобного уровня. 

Дорогой читатель! Не судите строго, если в нашей статье Вы нашли ошибки и ляпы. Дизель - своя специализация со своей спецификой.

Ждем писем с вопросами и дополнениями на электронный адрес: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Статья подготовлена по материалам автомобильного справочника Bosch. 
© Robert Bosch GmbH, 1996