Системы с силовым пьезоприводом. Пьезопривод все шире внедряется в технических устройствах, а характеристики пьезоэлектриков резко повышены. Применительно к ТПА он обладает рядом несомненных достоинств: высокие КПД, усилия, малый нагрев, реверсивность, отсутствие тока удержания. Важнейший его недостаток — малые перемещения, устраняется применением современных материалов и механическими мультипликаторами перемещения.
Малость перемещений пьезопривода вынуждает увеличивать диаметр плунжера или мембраны. В связи с этим, а также по ряду других параметров подобная ТПА выглядит наиболее перспективной для впрыска бензина
, чем для дизельных ДВС.
ТПА с электродинамическим двигателем ориентирована на впрыск с помощью плунжерной насосной секции с высокими давлениями. В электродинамическом двигателе при пропускании через катушку импульса тока отталкивающее усилие на немагнитном электропроводном якоре обязано возникающему магнитному полю от вихревых токов, противоположного полю катушки. ТПА наилучшим образом реализуется в виде насос-форсунки или с трубопроводом менее 150…250 мм.
Трудности в создании такой ТПА: кратковременность силового импульса, малый КПД двигателя, неуравновешенность. Первая решается оптимизацией параметров ТПА, вторая — электронными системами с рекуперацией энергии, третья — оппозитной схемой агрегата. Необходим жесткий неэлектропроводный корпус с заливкой диэлектрическими компаундами. Наиболее простой способ регулирования ТНВД — напряжением питания конденсаторов.
Аккумуляторная ТПА с мультипликатором давления (насос-форсунки с гидроприводом плунжера) до середины 90-х годов считались наиболее перспективной аккумуляторной системой с электронным управлением. В этом направлении работали МАДИ [6], ЦНИТА, Воронежский ЛТИ, зарубежные фирмы [1]. Родоначальником таких систем были системы с механическим распределителем.
Предложено много схем мультипликаторов давления с электроуправлением, однако, все они конструктивно сложны, относительно дороги, т.к. содержат дополнительные прецизионные детали, имеют значительные неуравновешенные массы, требующие демпфирования в конечных положениях и имеют определенные ограничения по быстродействию. Можно предположить, что именно из-за этих причин такие аккумуляторные системы не нашли широкого применения. Такие сложные системы оказались еще менее перспективными для автомобильной техники, особенно для дизелей с n >4000 мин – 1.
Тем не менее фирмы Caterpillar и Perkins разработали аккумуляторную систему с электроуправлением и мультипликацией давления для дизелей автотракторного класса, названную HEUI(Hydraulic Electronic Unit Injection) (рис. 8). С 1992 г. Фирмой Caterpillar она была успешно испытана на ряде дизелей.
Прямое управление иглой электромагнитом, по подобию бензиновых форсунок, для современных дизелей невозможно ввиду значительных давлений топлива и требуемых усилий, предела магнитного насыщения материалов и ограниченности допустимых токов. По этой причине долгое время разрабатывались так называемые электродинамические форсунки [5]. Они имели массивный магнитопровод, подмагничиваемый катушкой возбуждения и подвижную легкую катушку иглы форсунки. Однако имелись трудности обеспечения надежности подвижных электроконтактов, повышенная масса иглы при все же недостаточном силовом воздействии. В результате — невысокое быстродействие и ненадежное запирание иглы при отсутствии подачи. Тем не менее, для непосредственного впрыска бензина более простое прямое управление форсунки применяется.
Аккумуляторные топливные системы с электроуправлением типа CR.
Распространенным типом аккумуляторной ТС с электронным управлением является ТС Бош типа Common Rail ( дословный перевод — общий рельс).
Место системы управления в CR иллюстрируется рис. 9 и рис. 10. На рис. 11 представлены блок-схема систем управления CR фирмы R.Bosch [4]. Состав, структура и функционирование системы управления определяются в соответствии с полученным для данного двигателя законом оптимального управления и другими требованиями. Оптимальный закон управления для каждого режима работы дизеля формулируется в процессе тщательного многофакторного исследования рабочего процесса дизеля. Далее обсуждаются задачи создания системы управления, способы управления характеристиками подачи и разработанные технические решения.
Ранее высказывались мнения, что аккумуляторные системы позволяют получать на всех режимах короткий, почти П-образный закон подачи. Такой впрыск ни по форме закона, ни по уровню давлений не отвечает оптимальным условиям организации рабочего процесса: например, с уменьшением частоты и нагрузки давление впрыска должно существенно снижаться. Между тем, сегодня в дизелях на номинальном режиме, как правило, еще не достигнут оптимальный уровень давления впрыска, при превышении которого показатели рабочего процесса ухудшаются.
Поскольку дозирование топлива осуществляется временем открытия форсунки и изменением Ракк, для оценки устойчивости и пригодности выбранных параметров ТПА представляет интерес установление зависимости gц= f (τоткр., Ракк). Сопоставление таковых для различных систем убеждает в их неуниверсальности. Даже, если в CR отсутствует влияние на закон подачи волновых процессов в нагнетательном трубопроводе и зависимость gц = f (τоткр) при средних и больших подачах приближается к линейной, то в области малых подач она существенно нелинейная, даже с кривизной разных знаков. На рис.12 представлена зависимость gц = f(τоткр, Ракк) CR для дизеля ЗМЗ-514, полученная с помощью программного комплекса «Впрыск» для форсунки с шариковым клапаном с параметрами, предполагающими интенсивные волновые процессы в нагнетательном трубопроводе.
В любом случае сигнал управления форсункой, как показывает практика конструирования CR [3], должен иметь определенную форму. Начальный ток страгивания в CR Bosch обеспечивается разрядом конденсатора с токами до 20 А, [3]затем поддерживается нормальный ток удержания. Опыт КФ ВЗПИ показывает, что повышению закрытия клапана способствует небольшой размагничивающий отрицательный импульс.
Регулирование впрыском с помощью насос-форсунок рассмотрено ниже.
Помимо описанных выше способов регулирования топливоподачи существуют методы регулирования работы ДВС путем изменения фаз газораспределительного механизма (применяются на двигателях автомобилей BMW и Fiat) и управления работой турбокомпрессоров.
Насос форсунки и безреечные ТНВД с электромагнитным управлением
Повышение интереса к насос-форсункам в последние годы было обусловлено наиболее полным соответствием при максимальной простоте конструкции двум важнейшим тенденциям совершенствования ТПА: интенсификации впрыска и введению электронного управления. Давно известны достоинства насос-форсунок: повышение давления впрыска за счет минимизации объемов сжигаемого топлива, отсутствие подвпрыска, уменьшение номенклатуры деталей, резкая отсечка подачи, меньшее закоксовывание и большой ресурс распылителя, меньшие затраты мощности, отсутствие необходимости в нагнетательном клапане, снижение запаздывания впрыска относительно нагнетания плунжера, что уменьшает УОВ 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.13: насос-форсунка обеспечивает более пологий передний фронт и более резкий задний. Это способствует снижению жесткости сгорания, шумности, выбросов NOх, получению крупных капель в конце впрыска, снижению сажеобразования. Налицо интенсификация подачи.
Сегодня насос-форсунки используются в дизелях с диаметром цилиндра 67…300 мм. В дизелях FOCS Lombardini они представляют Г-образную конструкцию с перпендикулярными осями насосной секции и распылителя. Электроуправляемыми насос-форсунками снабжены дизели DSC 12 Scania (i=6, Ne=309 кВт), шестицилиндровые дизели 3176 Caterpillar, дизели серии 60 Dеtroit Diesel, дизели Volkswagen, MAN и другие.
Ограничивали применение насос-форсунок недостатки: усложненные условия компоновки головки, увеличенный диаметр форсуночной части, большее снижение давления впрыска 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 УОВ, а поэтому, повысились экономичность, надежность пуска, снизилась эмиссия ВВ. Снижение давления впрыска компенсируется общей интенсификацией подачи.
Насос-форсунки фирмы Detroit Diesel Allison (отделения General Motors) (рис.14).
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 УОВ, 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 разрежений при наполнении и короткие нагнетательные каналы позволяют обойтись без нагнетательного клапана. Управляющий клапан выполнен по схеме рис. 19, т.е. является частично гидравлически разгруженным. Его собственная частота 10 кГц. Этого оказывается достаточно для организации двухфазного впрыска. 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 быстро выявляет неисправную.