Насос-форсунки

 

Просмотр в PDF | Версия для печати
Код статьи: 145
Добавил: admin
Просмотров: 113
Слов: 2567
Дата добавления: 7 Jul 2010, 10:39 PM
Комментариев: 0

Синоним насос-форсунки - топливная система неразделенного типа (подразумевается, не разделена нагнетательным трубопроводом 9 см. рис. 2.1). В едином корпусе размещается ТНВД и форсунка, и этот узел устанавливается в головке цилиндров на месте форсунки.

Насос-форсунки применялись на дизелях всегда, но отношение к ним менялось не раз. Еще до 1980-1990-х годов они не считались перспективными. Американская промышленность (General Motors, Cummins) не прекращала использования насос-форсунок даже в 60-70-е годы - годы пониженного к ним интереса. В СССР и России они применялись на судовом дизеле Д42  и, ранее, на ЯАЗ-204/206, а на рубеже веков - на ГАЗ-560  .

Насос-форсунка АР-21  для двухтактного дизеля ЯМЗ-204 была скопирована вместе с самим дизелем General Motors и выпускалась Ленинградским карбюраторным заводом. Несмотря на более чем 60-летний возраст, она обеспечивала вполне современное Рвпр=132 МПа.

Клапан давления 9  продублирован обратным клапаном 8. И все же этого оказалось недостаточно, поэтому фирма General Motors 40 лет назад изменила конструкцию, использовав, как и во всех современных насос-форсунках, запорную иглу . В России этот дизель и ТПА с конца 80-х годов производятся в малых объемах для дизель-генераторов.

В насос-форсунке для высокооборотного дизеля обычным набором элементов можно считать представленный на рис. 2.77, в (имеется игла, но отсутствует нагнетательный клапан). В судовой конструкции  мы видим уже весь привычный набор элементов ТНВД и форсунки. Это связывается с увеличенными размерами ЛВД и стремлением получения высоких Рвпр.

Процесс импульсного догружения иглы реализован в современной ТПА General Motors . Благодаря каналу 12 и дополнительным окнам во втулке, взаимодействующим с управляющими кромками 11 плунжера 1, после закрытия впускного окна осуществляется предварительное сжатие топлива, причем оно поступает не только под иглу, но и в надыгольную полость 13. Благодаря гидроимпульсному управлению иглой оказывается возможным существенно увеличить давление впрыскивания, особенно на наиболее неблагоприятных - частичных скоростных и нагрузочных режимах.

Еще один нетрадиционный процесс реализует насос-форсунка фирмы Cummins. Впрыскивание газотопливной эмульсии началось в более ранней ТПА типа РТ (Pressure-Time, 1954 г.) фирмы . В ней один прецизионный элемент является одновременно плунжером и иглой. В усовершенствованной ТПА  топливо поступает через входной жиклер 1, вертикальные каналы во втулке 2 к кольцевой выточке 3 на ее нижнем торце и далее к дозирующему жиклеру 5. При поднятом плунжере через него топливо поступает в подплунжерную полость. В нее ранее поступили газы из цилиндра. Далее следует опускание плунжера - впрыскивание эмульсии. Он садится на седло плотно, используя упругость деталей привода. В таком положении находится при сгорании, расширении. За это время через кольцевую выточку 4 проходит топливо в 4-5 раз больше полезного. Эта циркуляция охлаждает нижнюю часть агрегата. Дозирование подачи с помощью жиклера 5 осуществляется изменением давления подкачки, для чего применен специальный гидромеханический автоматический регулятор .

Насос-форсунка Cummins обеспечивает мелкое распыливание и несмотря на достаточно продолжительную подачу - хорошую экономичность дизелей с частотой вала до 4000 мин"1. Особенности сжатия двухфазной смеси формируют впрыскивание с пологой, почти ступенчатой характеристикой, что важно для снижения шума, выбросов NOx, снижения нагрузок в дизеле. Вместе с тем, отсутствует управление УОВТ, возможно засорение сопел из-за малого диаметра, впрыскивание продолжительное, мало давление впрыскивания на малых частотах. С 1987 г. ТПА приобрела электронное управление.

Насос-форсунки с электронным управлением. Электронный регулятор, изменяющий положение рейки управления цикловой подачи, применяемый на дизелях ГАЗ-560, производящихся по лицензии австрийской фирмы Steyr, является первой ступенью электронного управления.

Все современные насос-форсунки имеют клапанное управление цикловой подачей и УОВТ.

Насос-форсунки фирмы Detroit Diesel Allison (отделения General Motors). Система DDEC-ll (Detroit Diesel Electronic Control)  для тяжелых грузовых автомобилей начала производиться с 1985 г. . Ныне свыше 4 миллионов таких насос-форсунок служит на транспортных дизелях, в том числе военного назначения.

В начале и конце движения плунжера 3 клапан 2 открыт, обеспечивая слив топлива из плунжерной полости 4. Закрытие его на короткое время обусловливает активный ход плунжера, т.е. цикловую подачу.

Момент его включения позволяет в широких пределах изменять УОВТ, снижая эмиссию ВВ, улучшая пуск, улучшая характеристики дизеля, в частности обеспечив снижение эксплуатационного расхода топлива на 5...8%. Наполнение плунжерной полости осуществляется также через клапан. Отсутствие разрежения при наполнении и короткие нагнетательные каналы позволяют обойтись без нагнетательного клапана. Управляющий клапан выполнен по схеме рис. 2.84, б, т.е. является частично гидравлически разгруженным. Его собственная частота 10 кГц. Этого оказывается достаточно

для организации двухфазного впрыскивания. Он позволяет снизить шумность работы и сделать надежнее пуск. Одна или несколько насос-форсунок с управляющими клапанами могут быть выключены из работы. Метод электрического отключения насос-форсунок при диагностике дизеля позволяет быстро выявить неисправную.

САУ получает информацию от датчиков температуры масла, топлива, охлаждающей жидкости и воздуха на впуске; от датчиков давления наддува и масла; положения коленчатого вала; положения дросселя. В зависимости от типа энергоустановки применяются другие датчики. При нормальной работе САУ на датчики посылается модулированный сигнал 5 В. Нормальный отклик каждого датчика 0,5...4,5 В. В противном случае, в отличие от случая неразрешенного значения измеряемого параметра, диагностируется неисправность датчика.

Для исключения влияния внешних электромагнитных помех, сигнал, управляющий электромагнитом по команде микропроцессора, является частотно-модулированным. Электронный блок использует однокристальный микропроцессор Motorola, работоспособный при 125°С.

На каждом рабочем режиме САУ функционирует по заложенным алгоритмам и логическим условиям. Например, когда оператор включает стартер, то САУ препятствует впрыскиванию, если частота вращения вала недостаточна. Это предотвращает белый дым и переохлаждение цилиндров топливом. САУ изменяет УОВТ относительно нормального уровня. После запуска частота вращения холостого хода увеличивается для ускорения прогрева, постепенно приближаясь к нормальной. Более быстрый прогрев осуществляется за счет работы только половины цилиндров, в дальнейшем включаются неработавшие цилиндры.

Насос-форсунки фирмы Lucas - EUI (Electronic unit injectors) - предназначены для малотоксичных дизелей с открытой КС легковых автомобилей, автобусов, внедорожников, грузовиков. Первоначально типоразмерный ряд насос-форсунок обеспечивал максимальные подачи 50, 100, 150 и 200 мм3/цикл . Сейчас возможности такой ТПА выше . Она применяется, в частности, на дизелях Volvo, John Deer, Detroit Diesel .

Такая ТПА может приводиться от верхнего или нижнего распределительных валов, может устанавливаться в головке с 2 или 4 клапанами.

Конструкция насос-форсунки Lucas несколько сложнее, чем предыдущая: топливо поступает и сливается через фильтр 7  и опоясывающие корпус полости. Каналы высокого давления 11 и 12 сообщают клапан 14 и распылитель 10 с плунжерной полостью, канал 13 используется для слива от клапана. Наполнение плунжерной полости осуществляется через клапан и впускное окно 6.

Уже в образцах 1983 г. обеспечивалась запальная доза двухфазного впрыскивания продолжительностью до 8 % от общей, что соответствовало 0,5 мс. Система обеспечивает с помощью быстродействующего клапана (его схема -на рис. 2.84, в) гибкое управление подачей и

УОВТ, в том числе на переходных режимах. Обеспечивается совершенное смесеобразование на холостом ходу и низких нагрузках дизеля. САУ снабжена датчиками частоты вращения и положения вала, температуры и давления воздуха, температуры охлаждающей жидкости. САУ также связана с другими системами автомобиля, что обеспечивает возможность всесторонней диагностики. Дизели с такими насос-форсунками отличаются низкой эмиссией ВВ и шумностью работы.

Насос-форсунки Lucas-Bryce в состоянии обслуживать дизели с числом цилиндров 6... 16, частотой 100 мин'1, мощностью 1250...3300 кВт и образуют единый ряд с индивидуальными ТНВД с тем же способом управления (п. 2.1, табл. 2.1).

Фирма R.Bosch выпускает насос-форсунки с электроуправлением двух типов: для грузовиков и легковых автомобилей. На рис. 2.81 представлена схема топливной системы фирмы R.Bosch , на рис. 2.82 и 2.83 - внешний вид и разрезы насос-форсунок. На дизелях VW 4ЧН79,5/95,5 рабочим объемом 1,9 л, мощностью 85 кВт при п=4000 мин'1 насос-форсунки обеспечивают давление впрыскивания до 205 МПа . Сначала они применялись на автомобилях Volkswagen Passat, затем и на других. Отмечается, что запальная порция двухфазного впрыскивания достигает 1,5 мм3, причем с большей точностью, чем в ТПА типа CR. Сейчас они обслуживают дизели с цилиндровой мощностью до 25 кВт и цикловой подачей до 60 мм3 при п=4800 мин"1. На вседорожниках мощность в цилиндре 45...80 кВт, частота 2400 мин"1, цикловая подача 160...400 мм3. При этом максимальное давление впрыскивания 160...180 МПа.

Конечно, ввиду особенностей компоновки усложняется соосное цилиндру расположение насос-форсунки, ее демонтаж и обслуживание (ее верхняя часть, в отличие от форсунок, не может находиться в атмосфере). Впрочем, несоосное и наклонное расположение насос-форсунки в дизеле с двумя клапанами на цилиндр предопределено. Однако, высокое качество впрыскивания наряду с возможностями электронного управления подачей, включая и ее характеристику, обеспечило выполнение перспективных экологических норм, достижение максимального крутящего момента 285 Н-м при частоте вала дизеля п=1900 мин"1 (0,475 от номинальной частоты), расход топлива при скорости 90, 120 км/ч и в городском цикле - 3,6, 4,4 и 5,9 л на 100 км соответственно .

Использование таких насос-форсунок на автомобиле Volkswagen Lupo с дизелем 4ЧН79.5/88 рабочим объемом 1,4 л, мощностью 55 кВт при п=4400 мин"1 обеспечило максимальный крутящий момент 195 Н-м при п=2200 мин"1 (0,5 от номинальной частоты), коэффициент приспособляемости 1,95 . Таким образом, путем совершенствования дизеля, а не путем применения сложных и потому малоперспективных решений, удалось вплотную подойти к созданию "двигателя постоянной мощности" -т.е. двигателя с пропорциональным увеличением момента при снижении частоты. Он, как известно, позволяет получить наилучшие динамические качества автомобиля, уменьшить число переключений передач при езде, улучшение экономичности и проходимости автомобиля. Кроме того, обеспечено выполнение норм выбросов вредных веществ на уровне Euro-Ill и реализацию концепции-мечты европейских производителей "трехлитрового автомобиля" . Справедливости ради следует упомянуть, что 3 л в городском цикле и до 2,6 по шоссе обеспечивает не серийный автомобиль, а эго эксклюзивное исполнение с упомянутым дизелем, имеющее кузов из легких сплавов, низкопрофильные шины с давлением 0,42 МПа и дополнительные энергосберегающие технические решения.

Быстродействующий клапан управления - единственно сложный и нетрадиционный элемент насос-форсунок и ТНВД. Он должен в высокооборотном дизеле срабатывать в обе стороны за время не более 0,1...0,2 мс. Это оказывается возможным не только при малых массах и усилиях электромагнита более 250 Н, но и гидравлической разгруженности клапана, т.е. равной нулю равнодействующей от значительных гидравлических сил.

На рис. 2.84 представлены различные виды используемых клапанов. Они используют принцип разгрузки от сил высокого давления в центральной камере, сообщенной с плунжерной полостью. Напрямую этот золотниковый эффект использован по рис. 2.84, г. Несмотря на кажущуюся непригодность такого затвора, он не так плох: в отличие от ТПА CR, где некоторое время использовались золотники, в данной ТПА прогрессирующий износ золотника и потеря им гидроплотности не приводит к нарушению работоспособности ТПА, и утечки топлива могут быть вполне допустимыми. Они могут стать ощутимыми лишь при минимальных цикловых подачах. При этом их влияние ограничивается некоторым снижением давления впрыскивания. Сами по себе потери топлива на слив в отличие от CR значения не имеют. Тонкость, однако, заключается в том, что даже классический золотник по рис. 2.84, г не вполне гидравлически разгружен ввиду сложного распределения давления на его торце.

Клапаны по рис. 2.84, а предполагают использование толкающего электромагнита или пьезопривода. Клапаны по рис. 2.84, а, б, в обеспечивают герметичное запирание и отсутствие утечек при впрыскивании, но проблема обеспечения гидравлической разгруженности стоит очень остро. С одной стороны, при конструировании клапанов принципиален подбор разницы углов клапана и седла и соответствие между диаметром верхней  части клапана и диаметра линии контакта. В этой связи также чрезвычайно важен прогноз смятия области контакта и изменения ввиду этого среднего диаметра пояска контакта. С другой стороны, равенство диаметров не гарантирует гидравлическую разгруженность. Для прогнозирования распределения статических давлений в донной  области за клапанной щелью требуются уточненные методы двумерного течения с отрывом пограничного слоя. Отрабатываться такие клапаны также могут экспериментально, в том числе методом статической про-ливки, с использованием физического моделирования (например, на увеличенных моделях). Наиболее критичный момент срабатывания клапана - посадка и отрыв от седла при высоком давлении в полости.

Заключительные соображения относительно насос-форсунок. Повышение интереса к насос-форсункам в последние годы было обусловлено наиболее полным соответствием двум важнейшим тенденциям совершенствования ТПА при максимальной простоте конструкции: интенсификации впрыскивания и введению электронного управления. Давно известны достоинства насос-форсунок: повышение давления впрыскивания за счет минимизации объемов сжимаемого топлива, отсутствие подвпрыскивания, уменьшение номенклатуры деталей, резкая отсечка подачи, меньшее закоксовывание и больший ресурс распылителя, меньшие затраты мощности, отсутствие необходимости в нагнетательном клапане, снижение запаздывания впрыскивания относительно нагнетания плунжера, что уменьшает разброс УОВТ по частотам вращения и уменьшает потребный диапазон его регулирования. Насос-форсунки обеспечивают относительно более пологий передний фронт подачи, что соответствует экологическим требованиям.

Отмеченные особенности иллюстрируются рис. 2.85: насос-форсунка обеспечивает более пологий передний фронт и более резкий задний. Это способствует снижению жесткости сгорания, шумности, выбросов NOx, получению крупных капель в конце впрыскивания, снижению сажеобразования. Налицо интенсификация подачи.

Сегодня насос-форсунки используются в дизелях с диаметром цилиндра 67...300 мм. В дизелях FOCS Lamborghini они представляют Г -образную конструкцию с перпендикулярными осями насосной секции и распылителя. Электроуправляемыми насос-форсунками снабжены быстроходные дизели Scania, Caterpillar, Detroit Diesel, Volkswagen, MAN.

Ограничивали применение насос-форсунок недостатки: усложненные условия компоновки головки, увеличенный диаметр форсуночной части, большее снижение давления впрыскивания на частичных режимах работы, усложненные и менее точные условия регулировки равномерности подачи по цилиндрам, усложнение привода реек и специального привода автоматического регулятора. В связи с использованием электронного управления число достоинств выросло, а недостатков - уменьшилось. Так, плунжерная пара максимально упростилась, исчез механизм поворота плунжера, реечные тяги и индивидуальный автоматический регулятор, отпала необходимость выравнивания подачи по цилиндрам при регулировке, возникла возможность обеспечения двухфазной подачи, регулирования УОВТ, а поэтому повысились экономичность, надежность пуска, снизилась эмиссия ВВ. Несомненно, что насос-форсунки будут использоваться в будущем, причем их значение в ближайшие 10...20 лет будет возрастать.

 

Примечание

---

Рейтинг: Нет оценки

--Голосовать-- 0 1 2 3 4 5

Комментарии

Отсутствуют

Комментировать

У вас нет полномочий для комментирования. Пожалуйста, авторизуйтесь.

Читайте также в нашем каталоге: