Введение Механическое регулирование топливоподачи, доминировавшее на дизелях вплоть до 2000 года, перестало удовлетворять запросам автомобильного рынка. Широкое внедрение электроники в управление системой питания стало магистральным направлением развития современных дизельных двигателей. Одной экономичности, которую обеспечивала “механика”, оказалось мало. Низкий расход топлива уже не компенсирует недостаток мощности дизелей с традиционными системами питания, а также высокий уровень шума и вибраций, сопровождавший работу такого мотора. Но, вообще говоря, “зеленую улицу” для электроники открыло ужесточение законодательных требований по токсичности выхлопа. Дизели старого поколения при всем желании никогда не смогли бы уложиться в нормы Euro, а значит, были обречены. А то, что электронное управление обеспечило дизельным моторам качественный скачок в плане потребительских характеристик, так это был, можно сказать, побочный эффект. По своей сути современный всережимный ТНВД совмещает в себе функции сложной системы автоматического управления двигателем и главного исполнительного механизма, отрабатывающего команды шофера. Нажимая педаль газа, водитель не увеличивает непосредственно подачу топлива, а лишь меняет программу работы регуляторов, которые уже сами изменяют подачу по строго определенным зависимостям от числа оборотов, давления наддува, положения рычага регулятора и т.п. На современных внедорожниках обычно применяются ТНВД двух типов: рядные многоплунжерные и распределительного типа. Рядные насосы фирмы Bosch или сделанные по ее лицензии (Nippon Denso, Diesel Kiki) в настоящее время применяются редко, хотя по своей конструкции являются наиболее надежными. Их можно встретить на автомобилях Mercedes G 300D, 350 (W 463), Ssang Yong Musso, Nissan Patrol с двигателем SD-33. Наиболее распространены ТНВД распределительного типа VE производства Bosch или фирм Nippon Denso, Diesel Kiki, Zexel по лицензии Bosch. В этих ТНВД система нагнетания имеет один плунжер-распределитель, совершающий поступательное движение для нагнетания топлива и вращательное для распределения топлива по форсункам. Насосы типа VE получили широкое распространение на легковых дизелях. Они компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и отличной работой на высоких оборотах благодаря быстродействию регуляторов, в то же время эти насосы предъявляют очень высокие требования к чистоте и качеству дизтоплива: ведь все их детали смазываются топливом, а зазоры в прецизионных элементах очень малы. На американских автомобилях с дизельными двигателями GMC 6.2, 6.5 л типа Chevrolet Blazer, Suburban, Tahoe применяются насосы фирмы Stanadyne распределительного типа. В них систему нагнетания составляют четыре противолежащих поршня, выполняющих поступательные движения навстречу друг другу. Координация потоков топлива осуществляется распределительной головкой, соединяющей или разъединяющей линию нагнетания к форсункам. С начала 90-х годов стала внедряться электронная система управления дизельным двигателем, позволяющая оптимизировать подачу топлива на всех режимах и за счет этого повысить экономичность, снизить количество вредных выбросов и шумность работы моторов. Электроника позволяет заменить на всех перечисленных типах насосов сложные механические регуляторы более простыми и точными. Нагнетательная часть ТНВД при этом обычно остается неизменной. В настоящее время электронное управление установлено на многих внедорожниках Mercedes G 350, Range Rover 2.5 TDI с двигателем BMW, Toyota Surf с двигателями 2L и 1 KZ, Nissan Terrano 2.7 TD, Nissan Patrol 2.8 и 4.2, Chevrolet Blazer 6.5 и других. Сегодня разработано несколько разновидностей электронных систем питания дизеля. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. Одну из них рассмотрим в данном реферате. ТНВД Bosch VE с электронным управлением (Land Rover 2.5TD с двигателем BMW). 1. Общее описание По способу дозирования и управления топливоподачей эти топливные насосы напоминают традиционные механические ТНВД распределительного типа. Однако функции обеспечения устойчивой работы дизеля на всех режимах, возлагавшиеся прежде на механический регулятор, здесь взял на себя электронный блок, который с помощью электромагнитных клапанов перераспределяет давление в гидравлических контурах, управляющих плунжерными парами ТНВД. Чтобы улучшить показатели дизеля, требуется более высокая точность и быстродействие в работе системы питания, идеальное дозирование количества впрыскиваемого топлива и качественное смесеобразование. Оптимизировать испарение капелек дизтоплива и перемешивание его паров с воздухом внутри цилиндров можно, изменяя конструкцию распылителя форсунки. Отверстия в нем должны иметь малые диаметры, но, чтобы за несколько тысячных долей секунды протолкнуть через них порцию топлива, в системе требуется создать как можно большее давление впрыска. Некоторые электронные ТНВД создают давление впрыскивания около 1500 бар. В этом их решающее преимущество перед механическими насосами, которые таким высоким давлением просто не способны управлять. Важно также и то, что топнасосы с электронным управлением позволяют использовать обычные топливные форсунки, которые значительно лучше противостоят действию высоких температур, чем электромагнитные конструкции других электронных систем. Сохраняется простота головок цилиндров и удобство обслуживания. С другой стороны, электронные ТНВД очень сложны по устройству, поэтому в производстве – дороги, в эксплуатации – требовательны к качеству топлива. Для уменьшения уровня эмиссии отработанных газов на дизелях грузовых автомобилей постоянно повышается давление впрыскивания и оптимизируется его начало. Решение этих проблем привело к созданию так называемых ТНВД с регулирующей втулкой. Они могут, наряду с величиной цикловой подачи, изменять момент начала впрыскивания независимо от частоты вращения коленчатого вала. Такие ТНВД по сравнению со стандартными имеют дополнительную степень свободы, а их работа регулируется только электроникой. ТНВД с дополнительной втулкой является частью электронной системы управления работой дизеля, где момент начала впрыскивания и его продолжительность могут свободно программироваться в зависимости от влияния различных параметров. Этот тип управления позволяет: - уменьшить уровень эмиссии отработанных газов; - оптимизировать расход топлива при всех эксплуатационных условиях; - точно отмерять величину подачи топлива; - существенно улучшать условия пуска и особенно прогрева двигателя. В данном случае отсутствует жесткая муфта опережения впрыскивания, устанавливаемая перед ТНВД и требующая большого крутящего момента. Рядный ТНВД с дополнительной втулкой существует в двух конструктивных исполнениях: - Н1 - для шести - и восьмицилиндровых двигателей с давлением у форсунки до 1300 бар; - Н1000 - для пяти-, шести- и восьмицилиндровых двигателей с давлением у форсунки до 1350 бар, с большими цикловыми подачами и более высоким расходом топлива. 2. Конструкция и принцип действия Рассматриваемые агрегаты конструктивно отличаются от традиционных рядных ТНВД наличнем скользящей по плунжеру дополнительной втулки. В остальном устройство ТНВД остается таким, как и у обычных рядников. Дополнительная втулка, которая перемещается вверх или вниз в окне гильзы по плунжеру, делает возможным изменение момента начала подачи и момента начала впрыскивания. С помощью электроники появляется возможность ввести дополнительную (в сравнении со стандартным ТНВД) коррекцию регулирования работы дизеля. Дополнительная втулка, установленная на каждом плунжере, имеет соответствующее распределительное отверстие. Валик установки положения этих втулок с управляющими рычагами, которые связаны со втулками, смещает все втулки одновременно. В зависимости от положения регулирующих кромок (выше или ниже) подача топлива устанавливается соответственно позже или раньше относительно оси кулачка. Кроме того, как и в стандартных ТНВД, цикловая подача дозируется традиционным методом поворота регулирующей кромки. 3. Момент начала подачи топлива Как только плунжер при своем движении вверх пройдет участок предварительного хода, нижняя часть дополнительной втулки запирает распределительное отверстие 6 в плунжере. В результате давление над плунжером повышается и начинается подача топлива к форсунке. Изменение момента начала подачи и, вместе с тем, момента начала впрыскивания происходит путем сдвига дополнительной втулки вдоль плунжера. Ее смещение ближе к ВМТ плунжера означает увеличение величины предварительного хода и, следовательно, более позднее начало подачи. Смещение ближе к НМТ плунжера означает меньшую величину предварительного хода и более раннее начало подачи. В соответствии с применяемой формой кулачка изменяются скорость и закон подачи топлива (теоретическое количество подаваемого топлива на градус поворота кулачкового вала) или, соответственно, закон давления впрыскивания. 4. Завершение подачи топлива После завершения рабочего хода плунжера происходит совпадение его регулирующей кромки с распределительным отверстием во втулке, и подача топлива прекращается. При повороте плунжера с помощью рейки ТНВД можно варьировать момент окончания подачи и устанавливать, как на обычных ТНВД, требуемую ее величину. 5. Регулирование момента начала подачи Установка момента начала подачи осуществляется с помощью замкнутого контура регулирования. Датчик подъема иглы форсунки (как правило, на первом цилиндре) подает на блок управления сигнал о действительном моменте начала впрыскивания. С учетом положения коленчатого вала определяется действительное значение угла начала впрыскивания, которое сравнивается с требуемой величиной. Регулированием силы тока осуществляется установка нужного момента начала подачи топлива. Исполнительный механизм изменения момента начала подачи топлива выполнен структурно-стабильным (т. е. работающим однозначным образом), что позволяет отказаться от специального датчика хода. Структурная стабильность означает, что усилие электромагнитного привода и сила действия пружины всегда имеют общую точку пересечения, т. е. путь якоря электромагнита пропорционален силе возникающего электрического тока. Это равносильно окончанию процесса регулирования для системы с обратной связью. 6. Регулирование величины цикловой подачи Величины требуемых цикловых подач, определяемые блоком управления, реализуются с помощью контура регулирования положения рейки ТНВД: блок управления регулирует перемещение рейки с учетом сигнала, получаемого от датчика хода рейки, который подает информацию о действительном ее положении. Блок управления многократно определяет силу тока для управляющего сигнала исполнительного механизма, согласовывая тем самым его требуемое и действительное значения (замкнутый контур регулирования). Из соображений безопасности при обесточивании исполнительного механизма измерения хода рейки ТНВД возвратная пружина приводит рейку ТНВД в положение стоп. Рядные ТНВД с дополнительной втулкой и электронным управлением часто относят к оснащению самых первых дизельных двигателей, которые снабжались механическими регуляторами частоты вращения коленчатого вала и момента впрыскивания топлива, впоследствии замененными электрическими исполнительными механизмами. Неизменность гидравлической системы впрыска топлива у этих двигателей позволила проводить обновление двигателей без существенных конструктивных изменений. Современные системы впрыска топлива, например, системы с насос-форсунками, потребовали уже комплексного обновления всей конструкции двигателя. Рядные ТНВД с дополнительной втулкой начали применяться фирмой Daimler-Chrysler при внедрении нового семейства предкамерных дизельных двигателей с электронным регулированием и механическим регулятором угла опережения впрыскивания топлива. Аналогичные двигатели, выпущенные фирмой MAN, отвечают нормам предельного содержания токсичных веществ в отработанных газах на уровне Евро 3. Фирма Iveco решила эту задачу, применив систему с насос-форсунками. В данной системе управления используются два блока управления. Блок управления автомобилем и двигателем (блок управления FMR) воспринимает сигналы датчиков, контролирующих поведение автомобиля, скорости движения, педали подачи топлива, включения моторного тормоза и т. д., и передает управляющие сигналы соответствующим исполнительным механизмам и блокам управления. В блоке управления FMR заложены поля характеристик и номинальные значения параметров автомобиля, например, ограничения по скорости движения, функции темпомата, способ регулирования частоты вращения коленчатого вала на режиме холостого хода или при включении вспомогательных агрегатов. В блоке электронной системы управления работой дизеля (блок управления EDC) сигналы датчиков перерабатываются в соответствующие управляющие сигналы для исполнительных механизмов двигателя. Этот блок управления является индивидуальным конструктивным элементом, характерным для конкретного двигателя. Обмен параметрами между блоками управления происходит в цифровом формате по шине CAN (бортовой контроллер связи). Обмен всеми необходимыми параметрами по этим каналам связи происходит по двум проводникам. Благодаря высокой надежности такой системы передачи информации экономятся многие метры проводов. Между топливным фильтром и контуром низкого давления ТНВД находится электромагнитный клапан остановки двигателя (ЕLAB), который производит аварийную остановку двигателя, например, при заклинивании рейки ТНВД. При включении выключателя стартера и свечей накаливания блок управления подает бортовое напряжение на клапан ЕLAB, который открывает подачу топлива к контуру низкого давления ТНВД. При аварийной остановке двигателя происходит не только закрытие клапана ЕLAB, но и торможение двигателем за счет приведения в действие заслонки на выпуске ОГ. При штатной остановке двигателя рейка ТНВД устанавливается возвратной пружиной на нулевую подачу. Клапан ЕLAB закрывается примерно через семь секунд после выключения выключателя стартера и свечей накаливания. Это предотвращает вытекание топлива из ТНВД со стороны всасывания для обеспечения быстрого последующего пуска двигателя. Напряжение питания клапана ЕLAB замеряется вольтметром (номинальное - от 21 до 27 В). 7. Управление подачей топлива Управление подачей топлива в рядном ТНВД с дополнительной втулкой и электронным управлением производится поворотом плунжера, как и у ТНВД с механическим регулированием. Плунжер в ТНВД с дополнительной втулкой для взаимодействия с этой втулкой выполнен полым, с осевым отверстием. При открытии управляющего отверстия на дополнительной втулке начинается процесс нагнетания топлива в полость. Когда верхняя кромка регулирующей канавки плунжера доходит до отсечного управляющего отверстия дополнительной втулки, нагнетание топлива прекращается. Величина полезного хода плунжера, соответственно, цикловой подачи топлива изменяется путем поворота плунжера рейкой ТНВД, которая перемещается в направлении повышения цикловой подачи топлива под действием управляющего электромагнита, преодолевающего силу возвратной пружины. Управляющий электромагнит получает от блока управления тактированные сигналы постоянного тока с заданной скважностью, перемещает рейку ТНВД в требуемое положение. При обесточенном электромагните возвратная пружина сдвигает рейку ТНВД в положение "стоп". Для установки цикловой подачи топлива блок управления EDC должен получить от блока управления FMR информацию от датчика положения педали подачи топлива о заданной нагрузке. При этом коррегирующее воздействие на эту информацию могут оказывать темпомат и блоки управления противобуксовочной системой (ASR) и тормозом-замедлителем. На режиме частичных нагрузок блок управления регулирует цикловую подачу топлива так, чтобы выдерживались требуемые условия, например, скорость движения автомобиля, заданная темпоматом или частота вращения коленчатого вала на режиме холостого хода. На режиме полной нагрузки для предотвращения образования черного дыма в ОГ для расчета величины цикловой подачи топлива используются данные о давлении воздуха и температуре воздуха на впуске. Затем, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, из памяти блока управления вызываются поля значений цикловой подачи топлива, и по ним определяется величина допустимой цикловой подачи топлива на режиме полной нагрузки. Эта величина устанавливается смещением рейки ТНВД в сторону увеличения цикловой подачи топлива до тех пор, пока датчик хода рейки ТНВД не сообщит блоку управления о достижении требуемого положения рейки ТНВД. На неисправности блок управления реагирует снижением цикловой подачи топлива или остановкой двигателя. При выходе из строя датчика педали подачи топлива или нарушении связи с шиной САN блок управления устанавливает частоту вращения коленчатого вала 1150 мин-1. Двигатель не запускается, если вышли из строя датчик частоты вращения коленчатого вала или датчик хода рейки ТНВД. При дефектных датчике давления наддува воздуха или датчике температуры воздуха на впуске блок управления предписывает задание максимальной цикловой подачи топлива, соответствующей 30% нагрузки. 8. Регулирование начала впрыскивания топлива Регулирование начала впрыскивания топлива происходит в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки на двигатель, температуры воздуха на впуске и температуры охлаждающей жидкости. Управляющий электромагнит, воздействуя на рычаг, поворачивает валик, который передвигает дополнительную втулку плунжерной пары вверх и вниз. Если дополнительная втулка находится в верхнем положении, управляющее отверстие закрывается позже. Соответственно позже начинается и подача топлива. Позднее впрыскивание топлива приходится на верхнее положение дополнительной втулки, раннее - на нижнее, без изменения цикловой подачи топлива. При обесточенном управляющем электромагните дополнительная втулка сдвигается пружиной в положение поздней подачи. Таким образом предотвращается возможность поломки двигателя из-за слишком раннего угла опережения впрыскивания топлива. Для расчета начала подачи топлива блоку управления требуется сигнал датчика ВМТ, по которому устанавливаются частота вращения и угловое положение коленчатого вала. Дополнительно блок управления использует данные о нагрузке на двигатель, определяемые по сигналам датчика положения педали подачи топлива и датчика температуры охлаждающей жидкости. В соответствии с заложенным в память блока управления полем характеристик определяется требуемый момент начала впрыскивания топлива, и на управляющий электромагнит подается сигнал опорной скважности. Окончательный контроль процесса впрыскивания топлива осуществляется по сигналу датчика хода иглы распылителя форсунки. На двигателе, такой датчик установлен в форсунке первого цилиндра, о чем свидетельствует дополнительный кабель (показан стрелкой). В форсунке с датчиком хвостовик удлиненной иглы распылителя формирует магнитное поле катушки индуктивности датчика. Первый всплеск напряжения сигнала свыше 0,2 В воспринимается блоком управления как момент начала впрыскивания топлива. 9. Поиск неисправностей в системе впрыска топлива. Самодиагностика Поиск неполадок начинается со считывания памяти неисправностей блока управления. Для уточнения необходимых испытаний также следует обратиться к характеристикам таблицы данных, по которым блок управления рассчитывает команды исполнительным механизмам. Так можно проверить, имеют ли физический смысл определенные блоком управления параметры. После длительной остановки двигателя все датчики температуры должны показывать примерно одинаковые величины. Если какое-то значение сильно отличается, следует проверить соответствующий датчик и его соединения. Это позволит также оценить и правильность замера давления наддува турбокомпрессора. Коды неисправностей и замеренные параметры таблицы данных позволяют без использования тестера судить о работе двигателя по дисплею диагностической системы автомобиля (FDS-дисплею). Используя системный тест внутри установки, можно выбрать необходимый блок управления, например FMR или EDC, затем отобразить номер элемента электроники и (при следующем шаге системного теста) код неисправности соответствующего блока управления, например TDC F 040. 10. Рядные ТНВД с электронным управлением типа ERE На моделях Е 300 D устанавливается рядный ТНВД с электронным управлением — ERE (Elektronisch geregeltes ReienEinspritzsystem). Рядные ТНВД имеют отдельную насосную секцию для каждого цилиндра, которая подает топливо к соответствующей форсунке по стальному трубопроводу высокого давления. Основными узлами ERE-системы являются рядный ТНВД и блок электронного управления системой впрыска. В нижней части насоса установлен кулачковый вал 12. С помощью его кулачков приводятся в действие насосные секции согласно очередности впрыска. Основными частями насосной секции являются: нагнетательный клапан 2, цилиндр и плунжер 3, поворотная плунжерная втулка и пружина 9. Когда плунжер находится в нижнем положении, через впускное отверстие полость над ним заполняется топливом. Кулачок вала насоса перемещает толкатель вверх, пружина плунжера сжимается, плунжер перекрывает впускное отверстие, давление возрастает. Когда давление достигнет 120 бар, поднимается игла форсунки и топливо поступает в предкамеру. Впрыск осуществляется до тех пор, пока плунжер не откроет выпускное отверстие регулировки подачи топлива. В этот момент давление над плунжером резко падает, нагнетательный клапан закрывается, предварительно пропустив небольшое количество топлива обратно в цилиндр. Давление в топливной трубке и форсунке резко падает. Форсунка закрывается. Плунжер имеет на боковой поверхности винтообразный шлифованный канал, и в зависимости от положения плунжера выходное отверстие регулировки подачи топлива остается некоторое время закрытым. Путь, который проходит плунжер при закрытом выходном отверстии, называется ходом нагнетания. Чем больше ход нагнетания, тем больше топлива впрыскивается в цилиндр двигателя. Поворотные втулки плунжеров всех насосных секций связаны через короткий рычаг с управляющей рейкой. При сборке насоса поворотные втулки устанавливаются таким образом, что все насосные секции нагнетают одинаковое количество топлива. Рейка регулировки подачи топлива является важной частью ТНВД, с помощью которой происходит дозирование нагнетаемого топлива в каждый цилиндр. Управляющая рейка соединяется с педалью акселератора через электронно-управляемый регулятор числа оборотов (ERE). Регулятор числа оборотов Электронный регулятор числа оборотов находится с задней стороны топливного насоса и управляет рейкой. Регулятор управляется прямоугольным импульсным напряжением с частотой около 190 Гц. В зависимости от режима изменяется сила действия исполнительного магнита, и он, преодолевая усилие пружины, продвигает рейку в направлении «Start» или, соответственно, «Volllast» (полная нагрузка). Длина хода рейки при этом составляет 19,5 мм. Рядный ТНВД (ERE) в разрезе: 1 – приемная часть для соединения трубопровода высокого давления с форсункой; 2 – нагнетательный клапан; 3 – плунжер; 4 – механизм регулировки числа оборотов (ERE); 5 – управляющая рейка; 6 – рычаг установки плунжера; 7 – разъем; 8 – роликовый толкатель; 9 – пружина плунжера; 10 – топливный насос; 11 – электрогидравлический регулятор; 12 – кулачковый вал.
