Электронное управление позволяет на всех режимах работы дизеля гибко изменять характеристику, величину подачи, давление и опережение впрыска. В итоге снижаются вредные выбросы, шумность, расход топлива, улучшается пуск дизеля.
Топливные системы с механическими регуляторами постепенно снимают с производства. Переход на новый уровень давления и электронное управление потребовал пересмотра традиционных конструкций. Отказались от рядных насосов высокого давления (ТНВД) с регулировочным люком, ведущих родословную от насоса серии А фирмы «Бош» 1927 года. Ближайшие его родственники имеют жёсткий глухой корпус, толстый вал с вогнутыми кулачками, высокие моновтулки плунжеров, могут снабжаться второй рейкой, управляющей опережением впрыска.
В ряду распределительных насосов высокого давления самая популярная в мире модель «Бош-VE», ведущая историю с 1976 года, вытесняется более современными электроуправляемыми ТНВД фирмы «Бош», «Лукас», «Зксель», «Станадайн».
Чуть подробнее – о двух наиболее современных и перспективных конструкциях.
Первая – насос-форсунка с быстродействующим электроуправляемым клапаном (Рис.6) работает таким образом: при движении плунжера 3 электромагнит 1 закрывает клапан 2 и топливо устремляется не на слив, а в распылитель 5. При отключении электромагнита клапан открывается и через канал 4 отсекается подача. Момент включения электромагнита обуславливает опережение впрыска, момент включения - величину подачи. Именно с насос - форсунки «Детройт Дизель» началось их шествие по миру. Такие системы прижились на двигателях грузовых и легковых автомобилей.
Они перешагнули уровень давления впрыска 200 МПа, позволяя осуществить двухфазный впрыск, снизив шумность работы и выбросы NO .
При всей простоте система на сегодня наиболее эффективна и пока только она позволяет выполнить перспективные требования Евро 4.
Из-за особенностей компоновки сложно расположить насос-фарсунку соосно цилиндру, ее обслуживание затруднено. Однако высокое качество впрыска (тонкий распыл) и возможности электронного управления обеспечивают, помимо высоких экологических свойств, очень низкий расход топлива.
Фирмами «Бош» и «Лукас» освоены ТНВД с быстродействующим клапаном управление сливом.
Индивидуальные насосы, пришли на смену блочным, позволили сделать короткий нагнетательный трубопровод. Это приблизило их по свойствам к насос-форсункам например, по давлению впрыска (150 МПа и выше). Насосы приводятся распределительным валом, располагаются вблизи «своего» цилиндра и работают с обычными форсунками. Сохраняются привычная красота головки цилиндров, удобства обслуживания, применимость имеющихся топливных стендов, а необходимость в механической регулировке насоса отпадает.
В таких ТНВД отсутствуют выточки на плунжерах, механизмы поворота плунжеров, автоматические регуляторы. Их появления на рынке - приговор «двухреечным» насосам и, по всей видимости, традиционным рядным ТНВД. Единственный сложный элемент-клапан управления. Он должен срабатывать за 0,1мс, не испытывать влияния гидравлических сил при огромных давлениях, иметь лёгкий и мощный электропривод.
Уже сейчас ведущие производители заменили механические регуляторы Уатта электронными. Их характеризует гибкость управления, самодиагностика, использование резервных программ. Появились и собственные опции: питание каждого цилиндра в соответствии с его техническим состоянием и особенностями изготовления, отключения цилиндров, управление параметрами впрыска и др.
Крупнейшие мировые производители выпускают весь спектр топливных систем. Какие из ныне распространенных не приживутся, а какие станут популярными? Рядные насосы уже покинули класс легковых автомобилей и вытесняются с грузовиков. Распределительные ТНВД пока остаются наиболее массовыми, но из-за большей сложности и дороговизны их роль и тем более перспективы стремительно сужаются. Самых новых и современных насосов это коснулось даже в большей степени. Фирма «Бош» планирует уже к 2006 году сократить долю распределительных насосов до 15%; ранее не выпускавшиеся электроуправляемые насос-форсунки и индивидуальные ТНВД завоюют 19% всего объёма, а 62% объёма выпуска будет приходится на «коммон рейл».Будущее отечественных дизелей не столь предсказуемо. На дизель ГАЗ-560 взамен «механической» чешский насос-форсунки просится новая, с электронным управлением: она даст возможность изменить опережение впрыска. Для всех транспортных дизелей применима и желательна «коммон рейл». На опытном ЗМЗ-514 она уже работает. Но зарубежные комплектующие сильно поднимут цену отечественных двигателей, а собственных готовых изделий и технологической базы нет. К сожалению, слишком медленно внедряются самые подходящие для России ТНВД с быстродействующими клапанами слива. Одно из объяснений этого в том, что потребитель не заинтересован в современных двигателях. С учетом стоимости он однозначно выбирает устаревшие.
Аккумуляторные топливные системы с успехом применялись в 50-е годы на двигателях морских судов. На новом техническом уровне, с применением электронного управления они появились на серийных двигателях в 1997 году. О таких системах, названных «коммон рейл» (в осмысленном переводе – «общий аккумулятор»).
Именно они, помимо регулирования величины и опережения подачи, умеют управлять характеристикой и давлением впрыска. На рис.8 – схема системы «коммон рейл». Наиболее сложные, дорогие и нетрадиционные её элементы – ТНВД и электрогидравлическая форсунка. Радиально-плунжерный насос с помощью эксцентрикового вала приводит в движение три плунжера. В нем размещают также регулятор производительности и подкачивающий шестеренчатый насос. Принцип действия электрогидравлической форсунки сложнее. В отличие от бензиновых электромеханических форсунок, здесь электромагнит при давлении 135 МПа не в состоянии поднять запорную иглу, поэтому используется принцип гидроусиления.
Сегодня «коммон рейл» реализует не только двухфазный впрыск для снижения шумности или выбросов NO, но и трех-пятифазный. Готовятся системы с 15 короткими импульсами впрыска – так формируется наиболее желательная для каждого режима дизеля характеристика впрыска.
При подаче на электромагнит 1 напряжения открывается миниатюрный сливной шариковый клапан 2. Давление в камере управления 3 падает, и запорная игла 6 под действием высокого давления в кармане распылителя 7 открывается. Чем дольше она открыта, тем больше подача и мощность дизеля. При отключении электромагнита клапан 2 закрывается, давление в камере управления восстанавливается через жиклер 4. Мультипликатор 5 увеличенного диаметра быстро закрывает иглу.
На протяжении последних десятилетий дизельные и карбюраторные двигатели конструктивно постепенно сближались: степень сжатия бензиновых моторов росла, форсунка переместилась из впускного коллектора в камеру сгорания. А степень сжатия дизелей, напротив, несколько снизили.
В конце 2002 года французский НИИ бензина собрал двигателистов на международный конгресс, посвященный новым процессам внутреннего сгорания. Оказывается, ряд крупных фирм (среди них «Тойота», ФИАТ, «Форд», «Фольксваген», АВЛ) уже вовсю ведет исследования, результатом которых должен стать гибридный двигатель.
Создание гибрида – вполне логичный шаг. Ведь, с одной стороны, приверженцы бензиновых моторов предлагают в некоторых режимах работы воспламенять смесь от сжатия (контролируемое воспламенение), с другой – дизелисты согласились поставить в цилиндры искровые свечи, чтобы поджечь равномерно распределенное по камере сгорания топливо(HCCI – поджигание гомогенного заряда под давлением). Цель одна: в течение ближайшей пятилетки снизить содержание вредных веществ в выхлопе до … почти нулевого уровня. Реальным считают 100-кратное уменьшение выбросов окислов азота и 10 – 50-кратное – частиц сажи. И это не прожектерство: экспериментальный мотор «Форда» на базе «Зетек-1,7 16V» с системой воспламенения уже показал снижение уровня NHx на 99%, а потребления бензина – на 30%.
Разработчики давно поняли: сжечь топливо без остатка, а значит, без вредных выбросов в выхлопную трубу можно, лишь распределив заряд по камере сгорания равномерно (гомогенно) и также равномерно следует поджечь его сразу во всем объеме. В бензиновых моторах сложно как раз второе, потому-то и пошли на воспламенение от сжатия.
В дизелях трудно равномерно перемешать заряд – на это нужно время. Поэтому топливо стали впрыскивать значительно раньше ВМТ, разбавляя его воздухом еще до форсунки. В результате потребовалась искровая свеча. Так, по сути, породнились изобретения Отто и Дизеля. Преимущества моторов сложили, недостатки уменьшили.
Исследователи установили: оптимальная степень сжатия – 15:1. Запустить мотор помогают искровые свечи, а смесь готовят в зависимости от режима работы. При малой нагрузке, когда среднее давление в цилиндре не превышает 4 бар, используют гомогенный заряд, наполовину разбавленный выхлопными газами. В интервале от 4 до 7-8 бар следует дополнительный короткий впрыск топлива после ВМТ и в цилиндр возвращается еще больше отработавших газов. Наконец, при большой нагрузке процесс становится типичным для традиционного дизельного двигателя – свечи не работают.