Насос-форсунки применялись на дизелях всегда, но отношение к ним менялось не раз. Еще до 80-90-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 дизеле на ЯАЗ-204/206, судовом Д42 (8ЧН30/38), ныне на ГАЗ-560 (Steyr) см. рис. 1.81.
Насос-форсунка АР-21 (рис. 1.81,а) 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 и выше. Клапан давления 9 ( Роткр=5 МПа) продублирован обратным клапаном 8. И все же этого оказалось недостаточно, поэтому фирма General Motors изменила конструкцию, использовав запорную иглу. В России этот дизель и ТПА с конца 80-х годов производятся в малых объемах для армейских дизель-генераторов.
Рис. 1.81. Механические насосфорсунки: а - Ленкарз; б - Steyr: 1 - плунжер; 2 - механизм поворота; 3 - рейка; 4 - толкатель; 5 - фильтры; 6 - втулка плунжера; 7 - управляющая кромка; 8 - клапан давления; 9 - обратный клапан; 10 - распылитель; 11 – иглы; 12 – игла.
В насос-форсунке для высокооборотного дизеля ГАЗ-560, производящегося по лицензии австрийской фирмы Steyr (рис. 1.81,б), представлен обычный набор элементов ТНВД и форсунки (имеется игла, но отсутствует нагнетательный клапан). Дополнительный клапан 11 с жиклером обеспечивает до выхода на упор обеспечивает догружение надыгольной полости, а после – не препятствует развитию процесса. В результате передний фронт характеристики подачи немонотонный, ступенчатый, что соответствует задачам снижения шума и выбросов NOx.
В судовой конструкции дизеля Д42 имеется весь привычный набор элементов. В насос-форсунке General Motors процесс подачи управляется импульсным гидродогружением иглы от плунжерной полости с помощью дополнительных кромок плунжера и окон втулки. Еще менее традиционный процесс реализует насос-форсунка фирмы Cummins. В ней плунжер, являющейся одновременно и иглой, впрыскивает газотопливную эмульсию (ныне фирма перешла на электроуправляемые насос-форсунки, описываемые ниже). Эти конструкции описаны в [9], но их практическое значение утрачивается.
Насос-форсунки с электронным управлением. Электронный регулятор, изменяющий положение рейки управления цикловой подачи, применяемый на дизелях ГАЗ560, является первой ступенью электронного управления. Все современные насосфорсунки имеют близкую конструктивную схему и клапанное управление цикловой подачей и УОВТ.
Насос-форсунки фирмы Detroit Diesel Allison (отделения General Motors). Система DDEC-II (Detroit Diesel Electronic Control) (рис. 1.82) для тяжелых грузовых автомобилей начала производиться с 1985 г. Именно она стала первой серийной в классе ТА с электроклапанным управлением. Свыше 4,8 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. Началом закрытия управляют УОВТ.
Наполнение плунжерной полости осуществляется также через клапан. Отсутствие разрежения при наполнении и короткие нагнетательные каналы позволяют обойтись без нагнетательного клапана. Управляющий клапан (рис. 1.44) имеет собственную частоту 10 кГц. Этого оказывается достаточно для организации двухфазного впрыскивания. Несколько насос-форсунок с управляющими клапанами могут быть выключены из работы.
Метод электрического отключения насос-форсунок при диагностике дизеля позволяет быстро выявить неисправную.
СУ 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 СУ 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, является частотно-модулированным. Электронный блок использует однокристальный микропроцессор Motorola, работоспособный при 1250С.
На каждом рабочем режиме СУ функционирует по заложенным алгоритмам и логическим условиям. Например, когда оператор включает стартер, то СУ препятствует впрыскиванию, если частота вращения вала недостаточна. Это предотвращает белый дым и переохлаждение цилиндров топливом. СУ 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 (рис. 1.83). Первоначально типоразмерный ряд насосфорсунок обеспечивал максимальные подачи 50, 100, 150 и 200 мм3/цикл. Сейчас возможности такой ТА выше (табл. 1.3). Она применяется, в частности, на дизелях Volvo, John Deer, Detroit Diesel. Такая ТА 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 (рис. 1.83) и опоясывающие корпус полости. Каналы высокого давления 11-13 сообщают клапан 14 и распылитель 10 с плунжерной полостью, канал А используется для слива через клапан. Наполнение плунжерной полости осуществляется через клапан и впускное окно 6.
Система обеспечивает с помощью быстродействующего клапана (с уплотнением по торцу) гибкое управление подачей и УОВТ, в том числе на переходных режимах.
СУ снабжена датчиками частоты вращения и положения вала, температуры и давления воздуха, температуры охлаждающей жидкости. СУ связана с другими системами автомобиля, что обеспечивает возможность всесторонней диагностики. Дизели с такими насос-форсунками отличаются низкой эмиссией ВВ и шумностью работы.
Уже в образцах 1983 г. обеспечивалась запальная доза двухфазного впрыскивания продолжительностью до 8 % от общей за 0,5 мс. Организация двухфазного впрыскивания организована в последних моделях насос-форсунки с помощью плунжера гидродогружения запирания иглы аналогично иллюстрируемому рис. 1.87.
На дизелях VW 4ЧН79,5/95,5 рабочим объемом 1,9 л, мощностью 85 кВт при n=4000 насос-форсунки обеспечивают давление впрыскивания до 205 МПа.
Рис. 1.85. Внешний вид и разрез насос-форсунки с быстродействующим электромагнитным клапаном слива фирмы R.Bosch для дизелей грузовых автомобилей: 1 - толкатель; 2 - плунжер; 3 - полости подкачки и слива; 4 - распылитель; 5 - каналы высокого давления; 6 - каналы низкого давления; 7 - клапан управления сливом; 8 -электромагнитный привод.
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 при n=4800 мин-1 с цикловой подачей до 60 мм3. На вседорожниках мощность в цилиндре 45…80 кВт, частота 2400 мин-1, цикловая подача 160…400 мм3, 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). Несоосное и наклонное расположение насосфорсунки предопределено в дизеле с двумя клапанами на цилиндр. 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 n=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.
Насос-форсунка легкового автомобиля имеет две особенности. Во-первых, ее клапан отличается геометрией от используемых в большинстве аналогичных конструкций: электромагнитный привод располагается со стороны запорной фаски, а не разгружающего плунжера. Это упрощает закрепление на клапане якоря. Более важно наличие дополнительных элементов 23, 24, обеспечивающих периодическое догружение иглы и организацию двухфазной подачи топлива. Сказанное поясняется рис. 1.87.
При закрытии управляющего клапана поднимающееся давление в кармане распылителя заставляет подняться иглу – начинается фаза предварительной подачи “а” на рис.1.87. Дальнейшее повышение давления в плунжерной полости заставляет открыться клапан, опирающийся на плунжер гидродогружения иглы (23 на рис. 1.86). За счет начала действия высокого давления на площадь плунжера, большую, чем площадь клапана, эти детали быстро сдвигаются вниз до упора, поджимая запорную пружину. В результате этого запирающая иглу сила превышает гидравлическую и игла закрывается. Только дальнейшее повышение давления подачи заставляет иглу вновь открыться и осуществить основное впрыскивание (фаза “б” на рис. 1.87).
Рис. 1.88. Внешняя скоростная характеристика дизеля VW TDI (4ЧН79,5/88) Volkswagen-Lupo с насос-форсункой R. Bosch
Использование таких насос-форсунок на автомобиле дизеле Volkswagen Lupo с дизелем 4ЧН79,5/88 рабочим объемом 1,4 л, мощностью 55 кВт при n=4400 мин-1 обеспечило максимальный крутящий момент 195 Н м при n=2200 мин-1 (0,5 от номинальной частоты), коэффициент приспособляемости 1,95 (рис. 1.88).
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-III-IV 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 кузовом из легких сплавов, низкопрофильными шинами с давлением 0,42 МПа и дополнительными энергосберегающими техническими решениями.
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 требуемый диапазон его регулирования.
Насос-форсунки обеспечивают относительно более пологий передний фронт подачи, что соответствует экологическим требованиям. Более пологий передний фронт и более резкий задний способствуют снижению жесткости сгорания, шумности, выбросов NOx, получению крупных капель в конце впрыскивания, снижению сажеобразования.
Сегодня насос-форсунки используются в дизелях с диаметром цилиндра 67...300 мм. В дизелях FOCS Lamborgini они представляют Г - образную конструкцию с перпендикулярными осями насосной секции и распылителя. Электроуправляемыми насос-форсунками снабжены быстроходные дизели Caterpillar, Cummins, Detroit Diesel, Volkswagen, MAN, Scania и др. В последних в 2006 было достигнуто рекордное давление впрыскивания – 250 МПа.
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, зачастую отсутствие специально приспособленных для насос-форсунок испытательных топливных стендов.
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. Дорогие топливные стенды начали комплектовать специальных оборудованием.