Задачи и функции современных систем впрыска дизельных двигателей

Система впрыска топлива является определяющим узлом, ответственным за обеспечение высоких экологических показателей, экономичности и динамики современных дизельных двигателей. Она напрямую влияет на быстроту отклика агрегата и плавность его работы с минимальным уровнем шума. В зависимости от назначения двигателя приоритетность этих целей может варьироваться, что требует индивидуальной адаптации компонентов.

Точное дозирование топливной массы. Основной метод управления нагрузкой в дизельных моторах заключается в регулировании количества подаваемого горючего, что классифицируется как качественное регулирование. Высокая точность этого процесса критически важна для достижения максимальной мощности при соблюдении норм по выбросам сажи. Чем стабильнее дозировка на кривой полной нагрузки, тем ближе система может подойти к «пределу дымления», не нарушая экологических стандартов.

Допуски по количеству топлива при полной нагрузке должны быть минимальными и не превышать значения ± 2.5%. В режимах холостого хода и частичных нагрузок требования к стабильности еще выше, особенно для обеспечения равномерности работы каждого цилиндра. Отклонения в таких случаях не должны превышать 1 мг на один цикл впрыскивания.

Адаптация скорости впрыска к условиям эксплуатации. Скорость впрыска (изменение массы во времени (dm/dt = f(t)) оказывает решающее влияние на состав отработавших газов и расход топлива. В теории на этот параметр можно влиять через сечение отверстий распылителя или изменение давления. Однако создание надежной форсунки с переменным сечением остается технически сложной задачей, поэтому основным методом является модуляция давления.

В насосах высокого давления модуляция достигается за счет профиля кулачка и скорости движения плунжера. В системах типа Common Rail (аккумуляторный впрыск) данные технологии позволяют гибко управлять характеристиками процесса. Ниже представлены графики, иллюстрирующие различные профили подачи топлива для основного цикла.

Рис. 12-23. Различные кривые характеристик впрыска [скорость впрыска = f(t)] для основного цикла: верхний, средний и нижний графики.

Технология многофазного впрыска. Для современных двигателей однократной подачи топлива зачастую недостаточно для выполнения строгих норм Euro 6 и выше. Все чаще применяется многофазный впрыск, при котором за один цикл происходит несколько раздельных подач порций горючего. Количество и объем этих фаз зависят от рабочей точки в электронной карте управления двигателем.

Рис. 12-24. Качественные характеристики хода иглы форсунки при многофазном впрыске.

Эффективность распределения топлива в различных режимах работы мотора наглядно демонстрируется на картах оптимизации. Это позволяет системе подстраиваться под конкретные условия нагрузки и оборотов, обеспечивая идеальный баланс между мощностью и экологией.

Рис. 12-25. Пример оптимизированного многофазного впрыска в зависимости от рабочей точки на карте двигателя; распределение количества в процентах.

Влияние предварительного и дополнительного впрыска. Небольшой предварительный впрыск (пилотный впрыск) существенно сокращает задержку воспламенения для последующей основной порции топлива. Это смягчает процесс сгорания и значительно снижает характерный «дизельный» шум и вибрации. Данная технология делает работу силового агрегата более комфортной для водителя и пассажиров.

Дополнительный впрыск (после основной фазы) выполняется под высоким давлением для окисления частиц сажи или повышения температуры выхлопных газов. Это критически важно для регенерации сажевого фильтра (DPF). Также поздняя подача топлива может использоваться для подачи несгоревших углеводородов в систему нейтрализации NOx.

Проблемы минимального впрыска и точности форсунок. При реализации многофазных циклов, особенно в легковых автомобилях, объем предварительных доз составляет всего 1–3 мг. В таких условиях требования к точности возрастают экспоненциально: допуски должны быть менее 0.5 мг на впрыск. Это ставит перед производителями сложнейшие задачи по обеспечению качества прецизионных пар.

Поскольку игла форсунки в этих режимах работает в так называемой баллистической зоне (не достигая механического упора), любые производственные погрешности сильно влияют на результат. Это требует исключительного качества изготовления иглы распылителя и сопловых отверстий. Малейшее отклонение в геометрии приводит к нарушению состава смеси и росту токсичности.

Регулирование момента начала впрыска. Адаптация начала подачи топлива исключительно по частоте вращения коленчатого вала признана недостаточной. Современные системы с электронным управлением форсунками позволяют свободно устанавливать момент начала впрыска. Диапазон варьируется от раннего (при холодном пуске) до позднего (для снижения выбросов оксидов азота).

Точность установки момента начала впрыска должна составлять менее ±1⁰ по углу поворота коленчатого вала. Помимо этого, интервалы между отдельными фазами при многократном впрыске также подлежат индивидуальной настройке. Это позволяет оптимизировать расход топлива в широком диапазоне эксплуатационных режимов.

Гибкая реакция на внешние факторы и нагрузку. Современная топливная система должна мгновенно реагировать на динамические изменения, основываясь на данных о массе воздуха. Например, при резком ускорении количество топлива ограничивается в соответствии с текущим объемом воздуха, чтобы избежать выброса черного дыма. Это называется динамической коррекцией подачи.

При достижении предельных оборотов система активирует функцию защиты, снижая подачу топлива (регулирование максимальной частоты вращения). В режиме холостого хода приоритетом становится стабильность работы при минимально возможных оборотах. Система также учитывает температуру окружающей среды и плотность воздуха на разных высотах над уровнем моря.

Роль электронного управления (ECU). Реализация столь многогранных и взаимосвязанных задач возможна только с помощью электронных систем управления. Старые механические системы с регулировкой по кромке плунжера не способны обеспечить необходимую гибкость. Они либо не справляются с современными нормами, либо требуют слишком серьезных конструктивных компромиссов.

Механические системы сохраняют актуальность только в специфических нишах, где важна максимальная надежность и простота, а динамические характеристики вторичны. В автомобилестроении же они практически полностью вытеснены системами Common Rail и Unit Injector. Только цифровая обработка сигналов позволяет сочетать высокую мощность с минимальным углеродным следом.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Ричард ван Бассхейзен, Фред Шефер

Источник: Руководство по двигателям внутреннего сгорания

Данные публикации будут полезны студентам автотехнических и машиностроительных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам в области двигателестроения, специалистам по ремонту и обслуживанию ДВС, а также всем, кто интересуется современными технологиями газораспределительных механизмов.