Системы впрыска дизельных двигателей

Дизельный двигатель работает за счет самовоспламенения топлива, поданного под высоким давлением. Однако распылить топливо в цилиндре дизеля — нетривиальная задача, которую конструкторам приходится решать уже больше века. О том, какие сегодня используются системы впрыска дизельных двигателей, как они устроены и как работают, читайте в этой статье.

Особенности работы топливной системы дизельного двигателя

Главная особенность дизельного двигателя заключается в том, что в нем используется принцип самовозгорания топлива под действием сжатого и нагретого в цилиндре воздуха. Для успешного возгорания необходимо произвести подачу топлива в цилиндр примерно в конце такта сжатия, а так как воздух в цилиндре сильно сжат, топливо тоже должно быть подано под высоким давлением — на практике в разных двигателях топливо впрыскивается под давлением от 100 до 2500 атмосфер.

С другой стороны, мало просто подать топливо в цилиндр — это необходимо сделать так, чтобы обеспечить наилучшие условия для самовозгорания и наиболее полного сгорания. Самый простой и эффективный способ — распылить топливо в цилиндре с помощью форсунки.

Таким образом, в дизельных двигателях используются системы впрыска топлива, и все они, независимо от типа, имеют два основных компонента: топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунки. А отличия систем заключаются в устройстве насоса и форсунок, их расположении и наличии дополнительных компонентов.

Системы впрыска дизельных двигателей

Существует несколько типов систем впрыска дизельных двигателей, среди которых наибольшее распространение получили следующие:

— Системы с рядным ТНВД;
— Системы с ТНВД распределительного типа;
— Системы с насос-форсунками;
— Аккумуляторные системы типа Common Rail («Общая магистраль»).

При этом все системы имеют большое число разновидностей, однако мы расскажем только о самых популярных типах.

Рядный ТНВД

Рядный ТНВД — наиболее простое решение, которое активно используется на протяжении многих десятилетий и даже сегодня пользуется высокой популярностью. По сравнению с другими системами, рядный насос громоздок и тяжел, поэтому он широко используется только на мощных автомобильных и тракторных двигателях.

Основу рядного ТНВД составляют плунжерные пары, число которых равно числу цилиндров. В общем случае, плунжерная пара представляет собой цельнометаллический цилиндр (плунжер), движущийся в гильзе. Двигаясь вверх, плунжер сжимает топливо, по достижении определенного давления открывается нагнетательный клапан, который выпускает сжатое топливо — оно направляется к форсунке, которой впрыскивается в цилиндр. Двигаясь в обратную сторону, плунжер открывает впускной канал, и пространство над ним наполняется новой порцией топлива. Для заполнения плунжерной пары топливом служит специальный подкачивающий насос.

Плунжеры приводятся в движение кулачковым валом по типу распределительного вала двигателя. Вал приводится в движение двигателем, ТНВД связан с двигателем через муфту опережения впрыска, которая позволяет настраивать работу насоса в зависимости от оборотов и тактов двигателя.

Распределительный ТНВД

ТНВД распределительного типа по устройству в целом повторяет рядный ТНВД, однако в нем используется только одна или две плунжерных пары (одна пара может обслуживать от 2 до 6 цилиндров). Принцип работы распределительного насоса сводится к тому, что плунжер двигается не только вверх и вниз, но и одновременно вращается вокруг оси и поочередно открывает выпускные отверстия, через которые топливо под давлением подается к цилиндрам.

Более современный и эффективный тип распределительного ТНВД — роторный. В нем используется ротор с установленными плунжерами (от 2 до 4, они движутся навстречу друг другу), который вращается и распределяет топливо по цилиндрам.

Распределительный насос компактен и легок, однако он требует более тщательной настройки, поэтому сегодня для его управления широко применяются электронные регуляторы.

Насос-форсунка

Название «насос-форсунка» говорит само за себя — в ней объединены форсунка и насосная секция, в основе которой лежит все та же плунжерная пара. Преимущество такого решения в том, что оно позволяет легко регулировать подачу топлива в каждый цилиндр, а при выходе из строя одного насоса остальные останутся в строю.

Насос-форсунка имеет большое преимущество, так как управлять ею можно с помощью распределительного вала двигателя, который расположен в головке цилиндров, то есть — там же, где и форсунки. Так что здесь не нужно использовать отдельную систему привода, а достаточно использовать уже имеющийся вал ГРМ.

Насос-форсунка достаточно широко используется на дизельных двигателях грузовых автомобилях, а также на двигателях внедорожников.

Common Rail

Common Rail — самая современная система впрыска топлива, которая может обеспечить наилучшие характеристики работы двигателя. Эта система стала использоваться с конца 1990-х годов компанией Bosch, и к сегодняшнему дню ею оснащается практически три четверти всех сходящих с конвейеров дизельных двигателей.

Отличительная черта Common Rail — наличие так называемого аккумулятора, в котором топливо находится под постоянным высоким давлением и из него подается к форсункам. Аккумулятор — это общая топливная магистраль (это отражено в названии Common Rail, что переводится с английского, как «общая магистраль») или топливная рампа, в которую топливо нагнетается с помощью ТНВД.

Наличие аккумулятора позволяет значительно улучшить впрыск топлива через форсунки (так как они работают под постоянным давлением и только открываются в необходимые моменты, причем за один такт может производиться до 9 впрыскиваний), а также упростить ТНВД и другие детали системы впрыска.

На современных двигателях Common Rail полностью управляется электроникой. Блок управления на основе данных с нескольких датчиков определяет количество подаваемого топлива, моменты его подачи в цилиндры и т.д. Это позволяет достичь наилучшей работы двигателя и снизить его токсичность на всех режимах.

Права на технологию Common Rail принадлежат компании Bosch.

Классификация топливных систем дизельных авто

Современные топливные системы автомобиля классифицируются по различным признакам. Наиболее знакома неискушённому читателю классификация по типу топлива. Существует также целый ряд других классификаций: по принципу дозирования, расположению дозаторов и т.д.

Разновидности ТС дизельных автомобилей

На сегодняшний день различают 3 основных типа ТС дизелей:

• обычные системы с ТНВД (классика);
• система Памп-Дус, в которой насос связан непосредственно с форсункой;
• Коммон Райл – ТС с единой линией горючего.

ТС классическая с ТНВД

Классическая система и её принцип работы в некотором роде аналогичен работе бензиновой системы инжектор. Основной упор делается на ТНВД, принимающий солярку от топливного насоса, расположенного в баке. Затем ТНВД в нужной последовательности распределяет солярку в каждую из магистралей форсунок. Последние же открываются только под воздействием давления, образуемого в ТС и закрываются, соответственно, когда этот самый показатель снижается.

ТНВД бывают двух типов: многоплунжерные и распределительного типа.

1. Насос первого вида состоит из отдельных секций (их количество равнозначно числу цилиндров двигателя). Такие насосы ещё называют рядными, но в последнее время их применение практически пошло на нет, так как они уступают во многом насосам распределительного типа, не обеспечивают современных требований по шумности и экологии.
2. ТНВД распределительного типа намного эффективнее многоплунжерных, так как помимо обеспечения действующих нормативов, они поддерживают необходимое давление в системе в зависимости от режимов функционирования ДВС. В таких насосах тоже имеется плунжер, но он один.

Система Памп-Дус

Конструкция с единым нагнетателем, а также отдельными подкачивающими устройствами на каждую из форсунок. Все они объединены в одное целое, способны создавать давление в пределах 2050 бар.

Подобными ТС оснащают двигатели с сокращением TDI. Рассмотрим преимущества и недостатки этой системы:

• увеличение мощности на пять процентов за счёт улучшения подачи солярки и лучшей очистки выхлопных газов;
• шумность работы и высокие затраты на эксплуатацию, так как приходится заливать только высококачественное топливо, без каких-либо примесей воды.

Коммон Райл

Система, появившаяся в угоду повышения норм экологии и не только. Переводится Common Rail, как «общая магистраль», что и характеризует принцип работы этой ТС. Вся линия Коммон Райл постоянно находится под мощным давлением. Его создаёт нагнетатель, а в цилиндры двигателя солярка подаётся из общей линии – через форсунки, контролируемые электроникой.

В отличие от системы Памп-Дус, моторы с Коммон Райл функционируют гораздо тише, что объясняется использованием пьезоэлектрических или электромагнитных форсунок, увеличивающих мощность двигателя и одновременно снижающих наличие вредных газов в выхлопе.

Примечательно, что система Коммон Райл также дешевле и экономичнее. Обеспечивается это за счёт более точной дозировки дизельного топлива. Недостатком системы Коммон Райл можно назвать применение сажевого фильтра, без которого работа этого ТС невозможна. Фильтр этого типа сам по себе дорогой, и он чувствителен к качеству заливаемого топлива. По этой причине быстро выходит из строя.

Двигатели с Коммон Райл обозначаются аббревиатурой CDI.

Подробная классификация ТС

Система впрыска (инжектор)

Активно применяется сегодня, как на дизельных, так и на бензиновых силовых агрегатах. Основное назначение – обеспечивать своевременную подачу жидкого горючего (бензин или солярка) в цилиндры ДВС.

Примечательно, что система впрыска на бензиновых и дизельных моторах несколько различается:

• в первом случае процесс впрыска поддерживает образование ТВС (смеси), и только после этого она воспламеняется с помощью искры;
• в дизельных силовых агрегатах подача солярки осуществляется под избыточным давлением, и одна часть горючего, смешиваясь со сжатым воздухом, воспламеняется мгновенно или правильнее сказать, самовоспламеняется.

Основным рабочим органом системы впрыска является форсунка. Управляется она либо механически, либо электронным путём. Последний вариант – электронный впрыск, считается на сегодняшний день самым совершенным, так как обеспечивает экономичность двигателя и снижение вредных компонентов в выхлопных газах.

Системы впрыска дизельных двигателей

Концептуально двигатели внутреннего сгорания – бензиновые и дизельные практически идентичны, но существует между ними ряд отличительных особенностей. Одной из основных является разное протекание процессов горения в цилиндрах. У дизеля топливо загорается от воздействия высоких температур и давления. Но для этого необходимо, чтобы дизтопливо подавалось непосредственно в камеры сгорания не только в строго определенный момент, но еще и под высоким давлением. И это обеспечивают системы впрыска дизельных двигателей.

Постоянное ужесточение экологических норм, попытки получить больший выход мощности при меньших затратах топлива обеспечивают появление все новых конструктивных решений в топливной системе дизеля.

Принцип работы у всех существующих видов впрыска дизеля идентичен. Основными элементами питания являются топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунка. В задачу первой составляющей входит нагнетание дизтоплива, благодаря чему давление в системе значительно повышается. Форсунка же обеспечивает подачу топлива (в сжатом состоянии) в камеры сгорания, при этом распыляя его для обеспечения лучшего смесеобразования.

Стоит отметить, что давление топлива напрямую влияет на качество сгорания смеси. Чем оно выше, тем дизтопливо лучше сгорает, обеспечивая больший выход мощности и меньшее содержание загрязняющих веществ в отработанных газах. И для получения более высоких показателей давления использовали самые разные конструктивные решения, что и привело к появлению разных видов систем питания дизеля. Причем все изменения касались исключительно указанных двух элементов – ТНВД и форсунок. Остальные же составляющие – бак, топливопроводы, фильтрующие элементы, по сути, идентичны во всех имеющихся видах.

Типы дизельных систем питания

Дизельные силовые установки могут быть оснащены системой впрыска:

• с рядным насосом высокого давления;
• с насосами распределительного типа;
• с насос-форсунками;
• аккумуляторного типа (Common Rail).

Далее рассмотрим лишь некоторые особенности, которыми обладают указанные системы впрыска дизельных двигателей, а также их положительные и отрицательные качества.

С рядным насосом

Система питания с рядным ТНВД можно считать «родителем» всех остальных, поскольку она является первой, используемой на дизельных моторах. Но сейчас она уже считается устаревшей и практически не используется.

Рядный ТНВД на 8 форсунок

Изначально эта система была полностью механической, но после в ее конструкции начали использоваться электромеханические элементы (касается регуляторов изменения цикловой подачи дизтоплива).

Основная особенность этой системы заключена в насосе. В нем плунжерные пары (прецизионные элементы, создающие давление) обслуживали каждый свою форсунку (количество их соответствовало количеству форсунок). Причем эти пары размещались в ряд, отсюда и название.

К достоинствам системы с рядным насосом можно отнести:

• Надежность конструкции. Насос имел систему смазки, что обеспечивало узлу большой ресурс;
• Невысокая чувствительность к чистоте топлива;
• Сравнительная простота и высокая ремонтопригодность;
• Большой ресурс насоса;
• Возможность работы мотора при отказе одной секции или форсунки.

Но недостатки у такой системы более существенны, что и привело к постепенному отказу от нее и отданию предпочтения более современным. Негативными сторонами такого впрыска считаются:

• Невысокие быстродействие и точность дозировки топлива. Механическая конструкция просто не способна это обеспечить;
• Сравнительно невысокое создаваемое давление;
• В задачу ТНВД входит не только создание давления топлива, но еще и регулировка цикловой подачи и момент впрыска;
• Создаваемое давление напрямую зависит от оборотов коленчатого вала;
• Большие габариты и масса насоса.

Эти недостатки, и в первую очередь – невысокое создаваемое давление, привело к отказу от этой системы, поскольку она просто перестала вписываться в стандарты по экологичности.

С насосом распределенного типа

ТНВД распределенного впрыска стала следующим этапом в развитии систем питания дизельных агрегатов.

Изначально такая система была тоже механической и отличалась от описанной выше лишь конструкцией насоса. Но со временем в ее устройство добавили систему электронного управления, которая улучшила процесс регулировки впрыска, что позитивно сказалось на показателях экономичности мотора. Определенный период такая система вписывалась в стандарты экологичности.

Особенность этого типа впрыска сводилась к тому, что конструкторы отказались от использования многосекционной конструкции насоса. В ТНВД начала использоваться всего одна плунжерная пара, обслуживающая все имеющиеся форсунки, количество которых варьируется от 2 до 6. Для обеспечения подачи топлива на все форсунки, плунжер совершает не только поступательные движения, но еще и вращательные, которые и обеспечивают распределение дизтоплива.

ТНВД с насосом распределенного типа

Позже эта система добавилась новым типом насоса – роторным, у которого устанавливаются несколько плунжеров, но распределенная подача осталась. Это позволило увеличить создаваемое насосом давление.

К положительным качествам таких систем относились:

• Малые габаритные размеры и масса насоса;
• Лучшие показатели по топливной экономичности;
• Использование электронного управления повысило показатели системы.

К недостаткам же системы с насосом распределенного типа относятся:

• Небольшой ресурс плунжерной пары;
• Смазка составных элементов осуществляется топливом;
• Многофункциональность насоса (помимо создания давления он еще управляется подачей и моментом впрыска);
• При отказе насоса система прекращала работать;
• Чувствительность к завоздушиванию;
• Зависимость давления от оборотов двигателя.

Широкое распространение такой тип впрыска получил на легковых авто и небольшом коммерческом транспорте.

Насос-форсунки

Насос-форсунки можно считать отдельной веткой в дизельных системах питания, поскольку в конструкции ТНВД как таковой не используется.

Особенность этой системы заключена в том, что форсунка и плунжерная пара объединены в единую конструкцию. Привод секции этого топливного узла осуществляется от распределительного вала.

Примечательно, что такая система может быть как полностью механической (управление впрыском осуществляется рейкой и регуляторами), так и электронной (используются электромагнитные клапаны).

Некой разновидностью этого типа впрыска является использование индивидуальных насосов. То есть для каждой форсунки предусматривается своя секция, приводимая в действие от распределительного вала. Секция может располагаться непосредственно в ГБЦ или быть вынесенной в отдельный корпус. В такой конструкции используются обычные гидравлические форсунки (то есть, система механическая). В отличие от впрыска с ТНВД, магистрали высокого давления – очень короткие, что позволило значительно увеличить давление. Но такая конструкция особого распространения не получила.

К положительным качествам насос-форсунок питания можно отнести:

• Значительные показатели создаваемого давления (самые высокие среди всех используемых типов впрыска);
• Небольшая металлоемкость конструкции;
• Точность дозировки и реализации многократного впрыска (в форсунках с электромагнитными клапанами);
• Возможность работы двигателя при отказе одной из форсунок;
• Замена поврежденного элемента не сложная.

Но имеются в таком типе впрыска и недостатки, среди которых:

• Неремонтопригодность насос-форсунок (при поломке требуется их замена);
• Высокая чувствительность к качеству топлива;
• Создаваемое давление зависит от оборотов двигателя.

Насос-форсунки получили широкое распространение на коммерческом и грузовом транспорте, а также эту технологию использовали некоторые производители легковых авто. Сейчас она не очень часто используется из-за высокой стоимости обслуживания.

Common Rail

Аккумуляторная система (Common Rail) пока является самой совершенной в плане экономичности. Также она полностью вписывается в последние стандарты экологичности. К дополнительным «плюсам» можно отнести ее применяемость на любых дизельных двигателях, начиная от легковых авто и заканчивая морскими судами.

Система впрыска Common Rail

Особенность ее заключена в том, что многофункциональность ТНВД не требуется, и в его задачу входит только нагнетание давления, причем не для каждой форсунки отдельно, а общую магистраль (топливную рампу), а уже от нее дизтопливо подается на форсунки.

При этом топливные трубопроводы, между насосом, рампой и форсунками имеют сравнительно небольшую длину, что позволило повысить создаваемое давление.

Управление работой в этой системе осуществляется электронным блоком, что значительно увеличило точность дозировки и скорость работы системы.

Положительные качества Common Rail:

• Высокая точность дозировки и использование многорежимного впрыска;
• Надежность ТНВД;
• Нет зависимости значения давления от оборотов мотора.

Негативные же качества у этой системы такие:

• Чувствительность к качеству топлива;
• Сложная конструкция форсунок;
• Отказ системы при малейших потерях давления из-за разгерметизации;
• Сложность конструкции из-за наличия ряда дополнительных элементов.

Несмотря на эти недостатки автопроизводители все больше отдают предпочтение Common Rail перед другими видами систем впрыска.

Источник http://www.autoopt.ru/articles/products/3590558/
Источник Источник Источник Источник Источник Источник http://ozapuske.ru/toplivnaya-sistema/klassifikaciya-toplivnyx-sistem-dizelnyx.html
Источник Источник http://autoleek.ru/sistemy-dvigatelja/sistema-vpryska/sistemy-vpryska-dizelnyh-dvigatelej.html