Марченко А.П., Рязанцев М.К., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників у 6 томах. Том 3. Комп’ютерні системи керування ДВЗ

Подождите немного. Документ загружается.

220

Дизель ОМ-611 з акумуляторною КПСК паливоподачі має такий же

робочий об’єм, що й дизель ОМ-604, але N

ном

та M

max

відповідно більші у

1,3 та вдвічі, ніж у дизеля ОМ-604. Літрова потужність збільшена на 32 %,

на цих режимах збільшився у 1,6 та вдвічі відповідно. Паливна економі-

чність нового дизеля вище на 20 %.

Не менш разючі й такі результати. 4-циліндровий двигун ОМ-611 з

акумуляторною КПСК паливоподачі має такі ж N

та M

max

як і 5-ци-

ліндровий дизель ОМ-602, робочий об’єм котрого більше на 25 %. Інші

показники у дизеля ОМ-611 також значно кращі.

На рис. 3.85,а показана схема підсистеми Common Rail (CR), а на

рис.3.85,б – схема БСІ підсистеми Соmmon Rail.

Ця схема з вичерпною повнотою пояснює діяльність каналів управ-

ління КПСУ паливоподачею та їх взаємозв’язки з каналами управління по-

вітропостачанням й функціями руху автомобіля чи його гальмування а та-

кож життєдіяльністі, комфорту у салоні, тощо.

Характерно, що більшість датчиків обслуговують різних споживачів,

наприклад, датчик обертання викликається виконавчими пристроями кана-

лів управління форсунками, рециркуляції, ПНВТ, наддуву і т. ін. Це змен-

шує їх кількість у межах припустимого.

КПСК з гідропосиленням вприскування. Однією з тенденцій розвитку

дизелебудування є прагнення підвищувати тиск вприскування, що вкрай

необхідно при розробках перспективних форсованих двигунів. Це суттє-

вий резерв покращення сумішоутворення на основі ліпшого розпилювання

збільшених циклових порцій палива.

Вимоги до збільшення тиску вприскування цілком задовольняють

паливні схеми цієї групи керування, які забезпечують останнє більш гнуч-

ко. При цьому можна отримати високий й надвисокий для швидкохідних

дизелів рівень тиску вприскування (200 МПа і більше).

Для створення тиску перед гідропосилювачем може бути використа-

ний насос або акумуляторна підсистема середнього тиску (10–20 МПа).

Основний елемент – гідропосилювач, який частіше вмонтовується у

форсунку, перетворюючи її в насос-форсунку з гідроприводом, але він мо-

же налаштовуватися і в окремому корпусі.

221

1- ПНВТ; 21- витратомір повітря;

2- впускний електроклапан; 22- турбокомпресор для наддуву;

3- електроклапан перепуску;

4- фільтр тонкого очищення;

5- бак, фільтр, електричний ППН;

23- електромеханічний перетворювач ре-

гулятора рециркуляції відпрацьованих

газів;

6- БСІ;

7- реле свічки;

8- електроакумулятор;

24- електромеханічний перетворювач ре-

гулятора наддуву;

25- компресор;

9- гідроакумулятор СR;

10- датчик тиску;

26- панель приладів;

27- педаль акселератора;

11- аварійний обмежувач подачі; 28- датчики трансмісії;

12- запобіжний клапан;

13- датчик температури палива;

29- датчики агрегатів, гальмівних при-

строїв;

14- електрогідравлічна форсунка;

15- свічка накалювання;

30- датчик й показник швидкості;

31- задавач швидкості;

16- датчик охолоджувальної рідини;

17- датчик частоти і положення К.В.;

32- компресор кондиціонера;

33- задавач роботи кондиціонера;

18- датчик такту дизеля;

19- датчик температури повітря наддуву;

34 - лампа самодіагностики й роз’єднувач

для електронного мотортестера

20- датчик тиску повітря наддуву;

Рисунок 3.85 – Схема Common Rail:

а – функціональна схема КПСК паливоподачею швидкісного автомобільно

го

дизеля з Common Rail [22] (а):

222

б -

схема електронного блока керування швидкохідного

автомобільного дизеля з Common Rail фірми Bosch [22]:

1 – мікропроцесор з аналого-цифровим перетворювачем; 2 –

датчик

атмосферного тиску; 3 – аналогові входи; 4 – цифрові входи; 5 –

блок

частоти обертання; 6 – кут обертання; 7 –

живлення й контролер

процесора; 8 – керування форсунками; 9, 10, 11, 12 –

кінцеві каскади;

13 – оперативний запам’ятовувальний пристрій; 16, 17, 18, 22 –

клеми

(напруги, маси); 19, 20 – датчики обертів, положень колінчастого,

розподільного валів; 21 – зчеплення; 23, 24 – сигнали зіткнення,

швидкості автомобіля; 25 –- витрата повітря; 26, 27, 28, 29, 30, 31, 33

–

датчики положення педалі, тиску в акумуляторі, тиску наддуву,

температури охолоджувальної рідини, повітря, палива і мастила, ма-

си; 32 – живлення датчиків; 34 – реле блока живлення; 35 –

форсунки;

36 – клапан регулятора тиску; 37 – вимикач плунжерної пари ПНВТ; 38

– вимикальний клапан; 39 – пускове реле; 40 – кондиціонер; 41 –

клапан

рециркуляції; 42 – регулятор наддуву; 43 –

перемикач впускного

клапана; 44 – вентилятор системи водяного охолодження; 45 – час-

тота обертання; 46 – діагностика; 47 – свічки накалювання; 48 –

шина

обміну даними з електронними пристроями автомобіля

6 8

А/D

223

Принципова схема КПСК паливоподачею з гідропосилювачем наве-

дена на рис. 3.86. З акумулятора середнього тиску 1, в якому тиск підтри-

мується насосом 7, паливо подається через золотниковий розподільник 4,

що керується електромагнітом, у порожнину над сервопоршнем гідропо-

силювач 5. Сервопоршень, рухаючись униз, переміщує плунжер, який на-

гнітає паливо через трубопровід у форсунку 6. За командою БСІ 2 золот-

никовий розподілювач сполучає порожнину над сервопоршнем гідропоси-

лювач зі зливом, поршень зупиняється й вприскування закінчується. Тут

D–датчики, аналогічні тим, що показані на рис. 3.85,а.

Таким чином, дозування здійснюється електронним блоком (БСІ) за

допомогою розподільника, керованого електромагнітом.

Після закінчення вприскування БСІ посилає сигнал на клапан 3, який

сполучає акумулятор 1 з

трактом високого тиску,

тобто об’ємом перед форсу-

нкою, паливопроводом й

порожниною над плунже-

ром. Здійснюється напов-

нення, одночасно плунжер

та сервопоршень підійма-

ються уверх.

Дослідження, які про-

ведені МАДІ (Росія), пока-

зали, що при використанні

таких систем паливоподачі

тиск вприскування практич-

но не залежить від діаметра

плунжера й прохідних соп-

лових отводів. При визначе-

ному конструктивному рі-

шенні прохідні перерізи цих отворів мало впливають на циклову подачу

палива.

Розглянута підсистема є складною. Простіше вирішується задача гід-

ропосилення у підсистемах з насос-форсункою. Однак вони скоріше відно-

Рисунок 3.86 –

Схема КПСУ

паливоподачею з гідропосилювачем

фірми Komatzy, Японія [1]

224

сяться до гібридних КПСК паливоподачею.

Гібридні КПСК паливоподачею. Підвищення інтересу до насос-

форсунок в останні роки було обумовлено найбільш повною відповідністю

при максимальній простоті конструкції двом важливішим тенденціям вдо-

сконалення дизельної паливної апаратури: інтенсифікації вприскування і

введенню електронного керування.

Здавна відомі переваги насос-форсунок: підвищення тиску вприску

за рахунок мінімізації об’ємів стислового палива; відсутність підвприску-

вань (немає трубопроводів високого тиску і коливань тиску в них); змен-

шення номенклатури деталей; різка відсічка подачі; менша закоксованість

й більший ресурс розпилювача; менші втрати потужності; відсутність не-

обхідності у нагнітальному клапані; зниження запізнення вприскування

відносно нагнітання плунжера, що зменшує розброс КВВ по частотах обе-

ртання й зменшує діапазони його регулювання. Насос-форсунки забезпе-

чують відносно більш пологий передній фронт подачі, що відповідає еко-

логічним вимогам.

Обмежували застосування насос-форсунок їхні недоліки: ускладнені

умови компоновки головки; збільшений діаметр форсункової частини,

більше зниження тиску на часткових режимах роботи; ускладнені й менш

точні умови регулювання рівномірності подачі по циліндрах, ускладнення

приводу рейок й спеціального приводу автоматичного регулятора.

У зв’язку з використанням електронного керування кількість переваг

зросла, а недоліків – зменшилася. Так, плунжерна пара максимально

спрощена, ліквідований механізм повороту плунжера, відпала необхідність

вирівнювання паливоподачі по циліндрах, виникла можливість забезпе-

чення двофазної подачі, регулювання КВВ. Тому підвищились економіч-

ність, надійність пуску, знизилась емісія токсидів.

На рис.3.87 показана принципова схема насос-форсунки, що забез-

печує поєднання високих тисків подачі палива з гнучкістю мікропроцесор-

ного керування; саме такий шлях є перспективним, що підтверджується

широким розповсюдженням саме такої насос-форсунки в останній час.

Бачимо, що тут вдало поєднуються механічний привід плунжера від

кулачка і циклічно діючий дозатор, який має електромагнітний привід, що

й дозволяє регулювати циклову подачу палива та КВВ.

225

Така гібридна підсистема призначена для вантажних автомобілів по-

тужністю до 300 кВт при n = 1700 – 2100 хв

–1

й забезпечує тиск при нагні-

танні палива до 140 МПа.

Слід підкреслити, що в подібній насос-форсунці за допомогою неве-

ликого клапана високої швидкодії, керованого електромагнітом, може

здійснюється принцип електронного керування подачею для високообер-

тових дизелів (до n = 5000 хв

) і, головне, забезпечується вприскування па-

лива під надвисоким тиском (до 200 МПа і вище). Це, як відомо, відкриває

шлях до впровадження нерозділених камер згоряння з властивою їм висо-

кою паливною економічністю.

Принципові переваги КПСК з насос-форсунками, керованими за до-

помогою мікропроцесорів: суттєве зменшення, локалізація й наближення

до соплового апарата об’єму високого тиску палива й наявність у каналах

керування палива із суттєво меншими тисками, ніж тиски вприскування в

мірі, що дорівнює відношенню площин сервопоршня й нагнітального плу-

нжера (рис. 3.87). Тому подібні системи розробляються багатьма фірмами.

Рисунок 3.87 –

Принципова схема

насос-форсунки з мікропроцесорною

схемою керування:

1 – розпилювач;

2 – запірна голка;

3 –

плунжер насоса з механічним

приводом;

4 – клапан з електромагніт

ним

керуванням;

5 – електромагнітний привід клапана;

6 – дренажний злив

226

Сьогодні насос-форсунки використовуються з КПСК паливоподачею

на дизелях фірм Caterpillar, Detroit Dizel Allison (відділення General Mo-

tors), Lucas, Bosch та інш.

Конструктивна схема насос-форсунки фірми Bosch

наведена на

рис. 3.88.

Конструкції сучасних насос-форсунок з мікропроцесорним керуван-

ням розглядаються далі.

Підкреслимо, що КПСК з насос-форсунками дозволяють здійснюва-

ти регулювання параметрів паливоподачі (циклова подача, максимальний

тиск вприскування, тривалість й КВВ), причому для керування форсунка-

ми можуть використовуватися принципово такі ж мікропроцесорні схеми,

як і для акумуляторних підсистем паливоподачі. Реалізація підсистем з на-

сос-форсунками вимагає для їх установки відповідної реконструкції голо-

вок циліндрів дизелів.

Рисунок 3.88 – Конструктивна схема

насос-форсунки фірми Bosch [6]:

1 – пружина; 2 – корпус насоса; 3 –

плунжер насоса; 4 – головка цилінд

рів;

5 – тримач пружини; 6 –стягувальна

гайка; 7 – статор; 8 –

якірна пластина;

9 – голка соленоїдного клапана; 10 –

стягувальна гайка соленоїдного клапана;

11 – заглушка каналу високого тис

ку;

12 – заглушка каналу низького тис

ку;

13 – упор голки соленоїду; 14 –

дросель

(жиклер); 15 – повернення палива; 16 –

подача палива; 17 – інжектор; 18 –

натискний штифт; 19 –

прокладка;

20 – розпилювач

Можливі й інші гібридні підсистеми керування паливоподачею в ди-

зелях. В деяких з них використовуються насоси високого тиску, а кінець й

початок подачі палива регулюються електромагнітно-керованими золот-

никами [1].

Рядом зарубіжних фірм (Bosch, Mitsubishi, Nippon Denso та інш.)

розроблені конструкції рядних плунжерних насосів, які мають механізм

227

зміни ходу плунжера до геометричного початку подачі, що дозволяє поряд

з регулюванням циклової подачі палива керувати КВВ. Це досягається за

допомогою плунжера, що має золотниковий дозатор з електричним приво-

дом (від соленоїда або шагового електродвигуна) й БСІ з мікропроцесо-

ром. Недоліком такої схеми регулювання є зменшення тиску вприскування

при збільшенні кута випередження вприскування, що деформує характери-

стику паливоподачі на номінальному й близьких до нього режимів, хоча й

підвищуються тиски при вприскуванні в зоні низьких частот обертання.

3.2.4. Огляд сучасних розробок щодо КПСК паливоподачею

у дизелях провідних фірм світу

Більшість фірм вирішують насущні проблеми покращення існуючих

й створення перспективних КПСК паливоподачею в дизелях. Вони займа-

ються:

· розробками нових або модернізацією вузлів паливних систем,

пристосованих до роботи з КПСК різних видів;

· збільшенням кількості впливаючих та контролюючих параметрів

й підвищенням надійності та стабільності роботи датчиків;

· вдосконаленням електронних блоків, пристроїв керування в на-

прямку розробки програмно-адаптивних (й адаптивних) КПСК із зворот-

ними зв’язками по вихідних сигналах;

· вдосконаленням виконавчих пристроїв;

· оптимізацією спільної роботи дизеля і силової установки;

· розробками оптимальних алгоритмів керування, що забезпечують

потрібний рівень адаптивності дизелів різних призначень;

· підвищенням надійності й стабільності роботи КПСК тощо.

Вирішення цих проблем дозволить у цілому створити багатомірні

КПСК паливоподачею в дизелях, які б здійснювали оптимальні діяння на

їхню роботу за заданою цільовою функцією (наприклад, за мінімальною

експлуатаційною витратою палива, найбільшою продуктивністю силового

агрегата, комплексним паливно-екологічним критерієм тощо) при заданих

обмеженнях й умовах: фракційний склад і цетанове число палива; техніч-

ний стан дизеля, особливо його паливної апаратури; температура і тиск на

вході та виході з турбокомпресора та інш.

228

Розглянемо та проаналізуємо нові здобутки конструкторів – двигу-

нобудівників.

Дослідницький центр фірми Fiat, який створив 1987 року дизель з

безпосереднім вприскуванням для першого в світі серійного легкового ав-

томобіля Fiat Chroma, таким чином окреслив вимоги й напрями своєї роз-

робки:

› підтримання більш високого тиску вприскування у всьому діапа-

зоні частот обертання к.в. у порівнянні з можливостями традиційної пали-

воподачі; це забезпечить краще співвідношення рівнів токсичних викидів

(NO

, тверді частинки), в тому числі і у нижньому діапазоні частот обер-

тання для оптимального крутного моменту;

› більш точне керування цикловою подачею й забезпечення попе-

реднього вприскування для зниження шуму згоряння;

› гнучке керування характеристикою вприскування (КВВ та тиск)

для досягнення оптимального співвідношення емісійних та експлуатацій-

них показників дизеля;

› більш широкий діапазон n для поліпшення динаміки автомобіля.

Всім цим вимогам задовольняє перспективна КПСК вприскуванням

палива Unijet, розроблена фірмою Fiat для дизелів з безпосереднім вприс-

куванням [25].

У цій підсистемі здійснено акумуляторне вприскування, електронне

керування не тільки цикловою подачею й КВВ, а і тиском вприскування,

тобто керується характеристика паливоподачі. Систему спроектовано для

роботи дизеля в діапазоні n=100–6000 хв

–1

, при максимальній подачі пали-

ва 100 мм

/ход поршня. Тиск вприскування – до 130 МПа. Здійснюється

поциліндрове й потактове керування паливоподачею та КВВ.

На рис. 3.89 подано схему КПСК Unijet.

Електронний блок керування виконує також функції керування: тис-

ком наддуву, включенням свічей накалювання для пуску дизеля; діагнос-

тикою та ін.

При малих навантаженнях на двигун передбачена можливість від-

ключення однієї насосної секції з трьох за допомогою двопозиційного еле-

ктромагнітного клапана.

229

Конструкція гідравлічної части-

ни ПНВТ підсистеми Unijet значно

простіша конструкції розподільного

насоса VP фірми Bosch, тому що фун-

кції дозування палива й регулювання

КВВ передані електроніці.

На рис. 3.90 зображена схема

електрогідравлічної форсунки Unijet.

По команді БСІ електромагніт підіймає

затвор керувального клапана, відкри-

ваючи канал з каліброваним отвором

А. Внаслідок цього у порожнині над

штоком форсунки (так званій керува-

льній порожнині) тиск палива починає

різко падати. Ця порожнина пов’язана

з акумулятором каналом з каліброва-

Рисунок 3.90 – Пристрій електрогі-

дравлічної форсунки Unijet [26]

Керувальна

порожнина

“А”

“В”

Рисунок 3.89 – Схема акумуляторної КПСУ паливоподачі типу Unijet для

автомобільного дизеля фірми Fiat [25]:

1 – ПНВТ; 2 – регулятор тиску; 3 – акумулятор з датчиком тиску; 4 –

електрогідравлічні форсунки; 5 – електронний блок керування (БСІ); 6 – система

рециркуляції; 7 – турбокомпресор; 8 – помпа з електроприводом; 9 – блок

керування свічками накалювання; 10 – допоміжні пристрої: сигнальна лампа;

вимикач компресору кондиціювання повітря; послідовний інтерфейс; дисплей;

11 – датчик положення акселератора з перемикачем х.х; 12 – перемикач гальма;

13 – перемикач зчеплення; 14 – датчик n; 15 – датчик ВМТ; 16 – датчик

швидкості автомобіля; 17 – датчик температури охолоджувальної рідини; 18 –

датчик температури повітря; 19 – датчик тиску наддуву; 20 – датчик

атмосферного тиску; 21 – витратомір повітря