VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Топливная система дизельного двигателя влияет на все основные характеристики двигателя. От качества впрыска топлива в двигатель зависят мощность, экономичность, экологичность, ресурс двигателя и др. В связи с большим влиянием топливной системы на характеристики двигателя, топливная аппаратура двигателя постоянно модернизируется и имеет различные варианты конструкций.

Дизельный двигатель был изобретен Рудольфом Дизелем. Первый функционирующий образец был собран в 1897 году. Изначально работа дизельного двигателя основывалась на применении сжатого воздуха. Такой агрегат был довольно громоздкий и не удобный в использовании. Однако благодаря своим качествам он нашел применение на электростанциях, в кораблестроении и на силовых установках.

Первые координальные изменения дизельного двигателя произошли в 20-х годах 20 века. Немецкий инженер Роберт Бош усовершенствовал работу топливного насоса, а позже разработал и свой двигатель с воспламенением от сжатия. Давление впрыска было небольшим (около 0,2МПа), но его хватало для того, чтобы в подаваемом топливе не было пузырьков воздуха.

Изобретение топливного насоса высокого давления (ТНВД) позволило охарактеризовать дизельные двигатели по двум типам:

Первый - агрегат, использующий насосную систему. Принцип действия заключается в том, что каждая секция насоса связана с отдельной форсункой.

Второй тип использует аккумуляторную систему. При этом работа насоса и форсунок не как не связана. Насос подает топливо в аккумулятор, а затем под давлением топливо подается к форсункам.

Главными требованиями, предъявляемыми к системе подачи топлива дизеля, являются:

1) создание как можно более высоких давлений впрыска, что способствует более мелкому распылу топлива, а значит, уменьшает время испарения и перемешивания топлива с воздухом;

2) обеспечение строго ступенчатой характеристики подачи, что исключает подтекание топлива в распылителе, а значит, препятствует его закоксовыванию и дымлению мотора;

3) возможность многоступенчатого впрыска для минимизации периода индукции воспламенения и осуществления управляемого горения, следствием чего являются меньшие шумность, токсичность и динамические нагрузи;

4) строго идентичное дозирование топлива по цилиндрам для минимизации динамических нагрузок, а значит, для уменьшения материалоёмкости и увеличения ресурса двигателя.

Важным моментом является обеспечение указанных требований на всех режимах работы – от минимального скоростного до номинального.

Специалисты различают несколько принципиальных схем систем подачи топлива дизелей:

1) разделенного типа, когда ТНВД и форсунки связаны довольно длинными трубопроводами высокого давления;

2) с насос-форсунками, когда вышеуказанные трубопроводы отсутствуют;

3) аккумуляторного типа.

Каждая из схем имеет как достоинства, так и недостатки. Например, первая наиболее проста, технологична, а значит, при прочих равных условиях имеет меньшую стоимость, поэтому наиболее широко применяется в отечественной технике. В зависимости от конструкции имеются следующие виды топливных насосов высокого давления: рядный, распределительный.

Рядный ТНВД имеет плунжерные пары по числу цилиндров. Плунжерные пары установлены в корпусе насоса, в котором выполнены каналы для подвода и отвода топлива. Движение плунжера осуществляется от кулачкового вала, который, в свою очередь, имеет привод от коленчатого вала двигателя. Плунжеры постоянно прижимаются к кулачкам с помощью пружин.

Распределительные топливные насосы высокого давления, в отличие от рядного ТНВД, имеют один или два плунжера, обслуживающих все цилиндры двигателя. Распределительные насосы обладают меньшей массой и габаритными размерами, а также обеспечивают большую равномерность подачи. С другой стороны, их отличает сравнительно низкая долговечность сопряженных деталей. Все это определяет область применения данных насосов, в основном, на двигателях легковых автомобилей.

Конструкции распределительных ТНВД могут иметь различный привод плунжера: торцевой кулачковый привод, внутренний кулачковый привод, внешний кулачковый привод. Предпочтительными в плане эксплуатации являются первые два типа привода плунжеров, так как в них отсутствуют силовые нагрузки от давления топлива на узлы приводного вала и, соответственно, выше долговечность.

Во втором случае создания высокого давления и впрыска топлива объединены в одном устройстве — насос-форсунке. Применение этого способа позволяет повысить мощность двигателя, снизить расход топлива, выбросы токсичных веществ, а также уровень шума. Система с насос-форсунками позволяет развивать наибольшие давления впрыска (p_в > 200 МПа), но и с её помощью затруднительно получить строго одинаковые цикловые подачи по цилиндрам, и, кроме того, она дороже секционного ТНВД.

Аккумуляторная система Common rail имеет электронный блок управления, обеспечивая разнообразные характеристики. В этой системе ТНВД существенно проще по конструкции в сравнении с системой первого типа, т. к. является только источником давления и не регулирует цикловую подачу топлива. Однако конструктивна и технологическая сложности форсунок очень высоки, что обусловливает высокую стоимость и сравнительно низкий ресурс. К тому же КПД этой системы существенно ниже первых двух, что связано с необходимостью поддержания постоянного высокого давления в гидроаккумуляторе и высокой энергии электрического импульса управления каждой форсункой (напряжение Uи > 70 В; сила тока Iи > 20 А).

В системе Common Rail реализуется многократный впрыск топлива в течение одного цикла работы двигателя. При этом различают предварительный, основной и дополнительный впрыск.

Высокое давление, под которым топливо подается в цилиндр, создается уже при самом малом числе оборотов коленвала. Благодаря ему, а также электронному управлению процессом впрыска достигается значительно лучшая подготовка смеси в цилиндрах, что приводит к уменьшению расхода топлива и снижению токсичности выхлопных газов.

В Common Rail электроника регулирует момент впрыска, количество впрыскиваемого топлива и алгоритм его подачи. Именно этим и достигается оптимальный на каждом конкретном режиме работы дизеля результат.

Развитие системы впрыска Common Rail идет по пути увеличения давления впрыска: первое поколение — 140 МПа, с 1999 г.; второе поколение — 160 МПа, с 2001 г.; третье поколение — 180 МПа, с 2005 г.; четвертое поколение — 220 МПа, с 2009 г.

Еще одной системой подачи топлива дизеля является HEUI, название которой происходит от Hydraulically actuated Electroniсally controlled Unit Ingection, что можно перевести как «Устройство впрыска с гидроприводом и электронным управлением». Эта система представляет собой усовершенствованные насос-форсунки, которые управляются с помощью гидравлического привода, заменившего кулачковый вал. Основным рабочим телом в данном случае является масло, которое по специальному трубопроводу из системы смазки двигателя подается к насос-форсункам. Последние создают давление впрыска топлива, превышающее 210 МПа. Столь мощная энергетика позволяет добиться лучшего распыления топлива и его оптимального смешивания с воздухом, находящимся под давлением. Caterpillar выпускает систему с 1992 года. В качестве стандартного оборудования ее ставят на самый совершенный и наиболее технически насыщенный двигатель компании – 3126В. Также она устанавливается на дизелях автомобилей Isuzu, а также Ford (с двигателями Navistar International).

В сравнении с Common Rail система HEUI выглядит более сложной. Действительно, она имеет не одну, а целых две «общих магистрали» – масляную и топливную, связанные между собой насос-форсунками с гидроприводом. Для сравнительно небольших дизелей легковых автомобилей такая система выглядит громоздкой. Однако не будем забывать, что на более тяжелых моторах подвижные части форсунок крупнее, а потому добиться хорошего быстродействия электромагнитной форсунки для Common Rail очень сложно.

Усовершенствование топливной системы направлено на повышение эксплуатационных характеристик в целом. В тоже время следует отметить, что усложнение конструкции, введение электроники и гидравлики требует дополнительных рекомендаций по обеспечению работоспособности двигателя. В то же время увеличивается значимость, т.е. влияние топливной системы на двигатель в целом, что позволяет сделать вывод о недостаточности знаний о конструктивном и эксплуатационном совершенстве рассмотренных выше топливных систем ДВС.

Следует уделить больше внимания механизму сервисного сопровождения топливной системы, чего в настоящее время многие производители не делают.

1. http://mirtransporta.ru/service/548-serdce-motora-obzor-sistem-vpryska-topliva.html

2. http://www.os1.ru/article/service/1999_02_A_2005_07_14-11_17_37/

3. http://www.avtonov.svoi.info/disel.html

4. Кузнецов Е.В. Топливный насос высокого давления дизеля / Е. В. Кузнецов // Вестник Белорусско-Российского университета. -2011. -№3 -С. 58-63

Код для цитирования: Скопировать