Процессы сгорания в дизельном двигателе зависят в решающей мере от того, как подготовлено топливо системой впрыска. Существенную роль при этом играет ТНВД, создающий давление топлива, под которым оно нагнетается через магистрали высокого давления к форсункам и впрыскивается ими в камеры сгорания. Для малоразмерных быстроходных дизелей требуются системы впрыска с высокой мощностью, большой цикличностью, малым весом и минимальным конструктивными размерами. Этим требованиям отвечают так называемые распределительные ТНВД, которые при компактном размере объединяют в себе топливоподкачивающий насос, ТНВД и регулятор частоты вращения коленчатого вала.

 

Область применения

  Начиная с 1962 г., распределительный ТНВД с аксиальным движением плунжера стал постоянно применяться в большинстве систем впрыска дизельного топлива, ставившихся на легковые автомобили. ТНВД и регулятор постоянно совершенствовались, поскольку для снижения расхода топлива и уменьшения эмиссии ОГ было необходимо повышать давление впрыскивания. Между 1962 и 2001 гг. концерн Воsch выпустил в общей сложности свыше 45 млн. распределительных ТНВД. В результате многократно выросло как число их модификаций, так и количество конструктивных вариантов системы впрыска.
  При впрыскивании топлива в предварительную камеру дизелей с разделенными камерами сгорания распределительные ТНВД с аксиальным движением плунжера развивают давление у форсунки до 350 бар (35 МПа). Для двигателей с непосредственным впрыскиванием топлива в камеру сгорания используются ТНВД как с аксиально, так и с радиально движущимися плунжерами. Они развивают давление до 900 бар (90 МПа) для низкооборотных и до 1900 бар (190 МПа) — для быстроходных дизелей. Механическое регулирование работы распределительных ТНВД постепенно уступает место электронному регулированию с электрическими исполнительными механизмам; Кроме того, на рынке появились ТНВД : электромагнитным клапаном высокого давления.
  Распределительные ТНВД благодаря своей компактной конструкции и всесторонней приспосабливаемое™ чаще всего устанавливают на легковые и легкие грузовые автомобили стационарные двигатели, а также на строительные и сельскохозяйственные машины.
  Номинальная мощность, частота вращения коленчатого вала и вид конструкции дизеля определяют эксплуатационные параметры и комплектацию распределительных ТНВД, которые используются в двигателях с числом цилиндров от трех до шести.
  ТНВД с аксиальным движением плунжера применяются для двигателей мощностью до 30 кВт на цилиндр, с радиальным движением плунжеров — до 5 кВт на цилиндр.
Распределительные ТНВД смазываются топливом и поэтому практически не требуют обслуживания.

Виды конструкций

  Распределительные ТНВД различат по способу регулирования, методу управления цикловой подачей и развиваемому ими максимальному давлению 

 Способ управления цикловой подачей

  ТНВД с управлением регулирующей кромкой. Продолжительность впрыскивания меняется регулирующей кромкой, каналами ТНВД и подвижной втулкой. Гидравлическое устройство опережения изменяет момент начала впрыскивания.

 ТНВД, управляемые электромагнитным клапаном

  Электромагнитный клапан высокого давления запирает магистраль высокого давления и определяет, таким образом, момент начала впрыскивания и его продолжительность. ТНВД с радиальным движением плунжеров управляются только при помощи электромагнитных клапанов.

Способ создания высокого давления
  Распределительные ТНВД модели УЕ с аксиальным движением плунжера Они создают давление топлива при движении плунжера в направлении, соосном валу привода насоса.
Распределительные ТНВД модели УК с радиальным движением плунжеров Они создают давление несколькими плунжерами, движущимися перпендикулярно оси вала привода ТНВД. В результате может развиваться гораздо большее давление, чем в первом случае, и

 

 Способ регулирования

  Механическое регулирование ТНВД регулируется устройством, состоящим из нескольких узлов, включающих ряд рычагов, пружин, мембранных датчиков и т. д.

Электронное регулирование

  Водитель устанавливает желаемые параметры (крутящий момент или частоту вращения коленчатого вала) нажатием на педаль газа, что фиксируется специальным датчиком. В блок управления заложены поле характеристик цикловых подач для пуска, холостого хода и полной нагрузки, характеристика хода педали газа, ограничение по дымности и характеристика ТНВД. По этим данным и действительному показанию датчика определяется величина управляющего сигнала, поступающего на исполнительный механизм ТНВД. Одновременно учитываются действительное состояние двигателя и условия его эксплуатации (например, угол поворота и частота вращения коленчатого вала, давление наддува, температуры охлаждающей жидкости, масла системы смазки и воздуха на впуске, скорость автомобиля и т. д.). Учитывая все это, блок управления подает команды на исполнительный механизм или электромагнитный клапан ТНВД.

  Использование системы электронного регулирования работы дизеля в сравнении с механической позволяет получить много преимуществ, а именно:
• меньшие расход топлива и эмиссию ОГ, более высокие мощность и крутящий момент благодаря улучшенному регулированию величины цикловой подачи и более точной установке момента начала впрыскивания;
• меньшую частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу и лучшее регулирование работы дополнительного оборудования (например, климатических агрегатов);
• лучшее обеспечение комфортности (например, активным демпфированием пульсаций, регулированием равномерности движения и скорости автомобиля);
• расширение параметров диагностики;
• возможность использования дополнительных управляющих и регулирующих функций (например, управление временем работы свечей накаливания, рециркуляцией ОГ, давлением наддува, электронной блокировкой торможения автомобиля);
• цифровой обмен информацией с другими электронными системами (например, системами регулирования сцепления с почвой или управления коробкой передач), что дает возможность интеграции электронной системы управления работой дизеля в общую систему управления автомобилем.

Системы с управлением регулирующей кромкой

Распределительные ТНВД с механическим регулированием
  Механическое регулирование применяйся только в распределительных ТНВД с аксиальным движением плунжера. Преимуществами такого решения являют меньшая стоимость изготовления и относительно более простое обслуживание.
  Механическое регулирование частоты вращения коленчатого вала достаточна для различных условий эксплуатации обеспечивает высокое качество смесеобразования. Дополнительно подключаемые узлы обеспечивают необходимое согласование момента и величины цикловой подачи топлива, впрыскиваемого при различных эксплуатационных состояниях двигателя: частоте вращения коленчатого вала, нагрузке на двигатель, температуре охлаждающей жидкости, давлении наддува и атмосферном давлении.

Рис. 1
1. Магистраль подвода топлива
2. Тяга
3. Педаль газа
4. Распределительный ТНВД
5. Электромагнитный остановочный клапан
6. Магистраль высокого давления
7. Магистраль обратного слива топлива
8. Форсунка
9. Свеча накаливания
10. Топливный фильтр
11. Топливный бак
12. Топливоподкачивающий насос (используется только при магистралях большой протяженности или при большой разнице уровней между баком и ТНВД)
13. Электрический аккумулятор
14. Замок «зажигания» (включения свечи накаливания и стартера)
15. Блок управления временем включения свечей накаливания
16. Дизель с разделенными камерами сгорания

  К системе впрыска топлива дизельного двигателя (рис. 1) относятся, наряду с ТНВД 4, топливный бак 11, топливный фильтр 10, топливоподкачивающий насос 12, форсунки 8 в сборе и топливные магистрали 1,6 и 7. Важнейшими элементами системы впрыска являются распылители в форсунках. Их конструкция существенно влияет на процесс впрыскивания и форму факела распыленного топлива. Электромагнитный остановочный клапан 5 при обесточенной системе электрооборудования прерывает подачу топлива в контур высокого давления ТНВД.0
  Через педаль 3 газа и тягу 2 водитель воздействует на регулятор ТНВД. Кроме того, с помощью соответствующих механизмов может регулироваться частота вращения коленчатого вала на холостом ходу, при максимальной нагрузке и на промежуточных режимах работы дизеля.
Обозначение УЕР соответствует модели распределительного ТНВД с центробежным регулятором.

 Распределительные ТНВД с электронным регулированием

  Электронное регулирование работы дизеля по сравнению с механическим предусматривает дополнительные возможности. Благодаря электрическим измерениям оно позволяет осуществить гибкую электронную обработку сигналов и создание контура регулирования с электрическими исполнительными механизмами. Дополнительно может учитываться ряд специальных параметров, что невозможно при механическом регулировании.
  На рис. 2 показаны агрегаты системы впрыска, собранной на основе распределительного ТНВД с аксиальным движением плунжера, работа которой регулируется электронным блоком управления. В зависимости от вида установки и типа автомобиля отдельные компоненты могут отсутствовать.

Рис. 2
1. Топливный бак
2. Топливный фильтр
3. Распределительный ТНВД с исполнительным электромагнитным механизмом и датчиками
4. Электромагнитный остановочный клапан
5. Электромагнитный клапан опережения впрыскивания
6. Форсунка с датчиком хода иглы (как правило, в первом цилиндре)
7. Штифтовая свеча накаливания
8. Датчик температуры охлаждающей жидкости
9. Датчик частоты вращения коленчатого вала
10. Дизель с непосредственным впрыском топлива
11. Блок управления работой дизеля
12. Блок управления временем включения свечей накаливания
13. Датчик скорости автомобиля
14. Датчик положения педали газа
15. Дополнительные элементы регулятора скорости автомобиля
16. Выключатель свечей накаливания и стартера
17. Аккумуляторная батарея
18. Штекер подключения системы диагностики
19. Датчик температуры воздуха
20. Датчик давления наддува
21. Турбонагнетатель
22. Датчик массового расхода воздуха

 

Система состоит из четырех элементов:
• контур снабжения топливом (магистраль низкого давления);
• ТНВД;
• электронная система регулирования работы дизеля с системными блоками датчиков, блоком управления и исполнительными механизмами;
• периферия (например, турбонагнетатель, системы рециркуляции ОГ и управления временем работы свечей накаливания).
 

  Исполнительный механизм с электромагнитом на распределительном ТНВД (так называемое управление поворотом) используется вместо механического регулятора и узлов привода. Он воздействует на параметры цикловой подачи через вал управления регулирующей втулкой. Как и при механическом регулировании, величина проходного сечения канала подачи топлива зависит от положения регулирующей втулки, которая изменяет также угол опережения впрыскивания. Блок управления в зависимости от заложенных в него характеристик и истинных показаний датчиков выдает управляющий сигнал для электромагнитного исполнительного механизма на ТНВД.
  Датчик угла поворота исполнительного механизма (например, полудифференциальный короткозамкнутый кольцевой датчик) с помощью блока управления также определяет положение регулирующей втулки.
Зависимое от частоты вращения внутреннее давление в ТНВД через электромагнитный клапан управляет муфтой опережения впрыскивания, которая изменяет момент начала впрыскивания.

Системы управления с электромагнитным клапаном

  Системы управления с электромагнитным клапаном обеспечивают большую гибкость при дозировании топлива и изменении момента начала впрыскивания, чем системы с управлением регулирующей кромкой. Они делают возможными также предварительное впрыскивание для уменьшения шума и коррекцию равномерности цикловой подачи по цилиндрам.

Подобные системы состоят из четырех элементов (рис. 3):
• контура снабжения топливом (магистрали низкого давления);
• контура высокого давления со всеми компонентами системы впрыска;
• контура электронного регулирования работы дизеля с системными блоками датчиков, блоком управления и исполнительными механизмами;
• систем управления подачей воздуха, нейтрализации вредных веществ в ОГ и их рециркуляции.

 Конфигурация блока управления

  Разделенные блоки управления Системы первых выпусков с распределительными ТНВД, управляемыми электромагнитным клапаном для дизелей с непосредственным впрыском топлива и для дизелей с разделенными камерами сгорания), требовали наличия двух блоков управления для самого двигателя и для ТНВД. Это разделение имело две причины: во первых, предотвращался перегрев некоторых электронных конструктивных элементов в непосредственной близости от ТНВД и двигателя, а во вторых, благодаря малой длине электрических проводов, шедших к электромагнитному клапану, исключалось влияние помех от импульсов больших токов (до 20 А).
  Блок управления ТНВД получает импульсный сигнал тока малой силы от датчиков угла поворота коленчатого вала и температуры топлива и регулирует момент начала впрыскивания. Блок управления двигателем обрабатывает сигналы от всех внешних датчиков и формирует сигналы управления работой ТНВД.

Эти блоки управления сегодня объединены в бортовой контроллер связи .

Рис. 2
1. Блок управления двигателем
2. Блок управления временем включения свечей накаливания
3. Топливный фильтр
4. Датчик массового расхода воздуха
5. Форсунка
6. Штифтовая свеча накаливания
7. Распределительный ТНВД с радиальными плунжерами УР 44 и блок управления РЗС 5
8. Генератор
9. Датчик температуры охлаждающей жидкости
10. Датчик частоты вращения коленчатого вала
11. Датчик хода педали газа

Совмещенный блок управления
  Использование термостойких печатных плат в настоящее время позволило совместить блоки управления двигателем и системой впрыска. Управление распределительными ТНВД второго поколения с помощью электромагнитных клапанов позволяет использовать совмещенный блок управления существенно меньших габаритов.

 Нейтрализация вредных веществ в отработавших газах

  Существуют различные способы снижения уровня эмиссии ОГ. К ним относятся рециркуляция ОГ, формирование оптимального протекания процесса впрыскивания (например, организация предварительного впрыскивания) и повышение давления впрыскивания.
  Чтобы выполнять становящиеся все более жесткими нормы эмиссии ОГ, для многих автомобилей приходится применять систему нейтрализации вредных веществ в отработавших газах. К настоящему времени для решения этой задачи созданы различные системы, и обсуждается, какие из них будут применяться в дальнейшем. Важнейшие из этих систем описаны далее.

Схема системы
  На рис. 5 показан пример общей схемы управления системой впрыска для четырехцилиндрового дизеля с непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания, включая различные компоненты системы. Управление распределительным радиальным ТНВД модели УК осуществляется единым блоком управления двигателем и ТНВД. В зависимости от комплектации и типа автомобиля некоторые узлы могут не применяться. Чтобы получить более наглядное представление о системе, датчики и элементы исполнительных механизмов (А) расположены на схеме не на своих конструктивных местах, а собраны в единую группу. Исключение составляет датчик 21 хода иглы форсунки.
  Благодаря использованию бортового контроллера связи , помещенного в группу «приборы» (В), стал возможен обмен данными между такими различными системами и агрегатами, как:
• стартер;
• генератор;
• система электронной остановки автомобиля;
• система управления автоматической коробкой передач;
• противобуксовочная система;
• электронная программа стабилизации.
Панель приборов 12 и кондиционер 13 могут быть также подключены через блок контроллер связи.

Двигатель, блок управления двигателем и ТНВД и узлы контура высокого давления системы впрыска
16. Привод ТНВД
17. Единый блок Р5С 16 управления двигателем и ТНВД
18. Распределительный ТНВД модели УР 44
21. Датчик хода иглы форсунки (первый цилиндр)
22. Штифтовая свеча накаливания
23. Дизель с непосредственным впрыском топлива М — крутящий момент
А — датчики и исполнительные механизмы
1. Датчик хода педали газа
2. Механизм выключения сцепления
3. Контакты тормозных колодок (2)
4. Элементы регулятора скорости автомобиля
5. Выключатель свечей накаливания и стартера
6. Датчик скорости автомобиля
7. Индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала
8. Датчик температуры охлаждающей жидкости
9. Датчик температуры воздуха на впуске
10. Датчик давления наддува
11. Пленочный датчик массового расхода воздуха на впуске
В — приборы
12. Комбинированная панель приборов с отображение сигналов по расходу топлива, частоте вращения и
13. Кондиционер с системой управления
14. Диагностический монитор
15. Блок управления временем включения свечей наливания
С — система подачи топлива (контур низкого давления)
19. Топливный фильтр с перепускным клапаном
20. Топливный бак с фильтром грубой очистки и топливоподкачивающим насосом (только при магистралях большой протяженности или большой рази, и между уровнями топливного бака и ТНВД)
Д — система подачи воздуха
24. Механизм подачи ОГ с клапаном рециркуляции ОГ
25. Вакуумный насос
26. Регулирующая заслонка
27. Турбонагнетатель (здесь с изменяемой геометрией турбины)
28. Исполнительный механизм изменения давления наддува
Е — система нейтрализации вредных веществ в ОГ
29. Нейтрализатор вредных веществ в ОГ