Рис.1 1-Масовий витратомір повітря; 2-Електронний блок керування двигуном; 3-ТНВД; 4-Акумулятор палива; 5-Форсунка; 6-Датчик частоти обертання колінчастого вала; 7-Датчик температури охолоджуючої рідини двигуна; 8-Паливний фільтр; 9-Датчик положення педалі акселератора.

В дизельної паливної системи Common Rail форсунки приєднуються до акумулятора палива короткими лініями (трубками) високого тиску. Форсунки ущільнюються з камерою згоряння мідними прокладками. Форсунки встановлюються в головці блоку циліндрів за допомогою конічних фіксаторів. Залежно від конструкції розпилювача форсунки в системі CR можуть встановлюватися прямо або під кутом по відношенню до нерозділеного камері згоряння (дизелі з безпосереднім уприскуванням палива).

Однією з особливостей паливної системи є те, що високий тиск створюється в ній незалежно від частоти обертання двигуна або кількості палива, що впорскується. Початок уприскування і величина циклової подачі регулюються електричними керуючими сигналами форсунки. Тривалість уприскування палива регулюється системою управління кутом випередження впорскування / часу в електронній системі управління дизеля (EDC). Це вимагає використання датчиків визначення положення колінчастого і розподільного валів (фазовий детектування).

Для зниження емісії шкідливих речовин і виконання постійно посилюються вимог щодо зниження шуму роботи дизелів потрібно формування оптимального складу паливо-повітряної суміші. Це вимагає від форсунок можливість здійснення невеликого попереднього уприскування і багатофазного уприскування палива.

Рис.2. а-вихідний стан; b-Форсунка відкрита (впорскування); з-Форсунка закрита (припинення подачі); 1-Повернення палива; 2-Катушка електромагнітного клапана; 3-Додаткова пружина ходу; 4-Якір електромагнітного клапана; 5-Кульковий клапан; 6-Камера гідрокерування; 7-Пружина розпилювача; 8-Конус (заплечик) голки розпилювача; 9-Камера розпилювача; 10-Соплові отвори; 11-Пружина електромагнітного клапана; 12-Дросель камери гідрокерування; 13-Штуцер високого тиску; 14-Дроссель на впуску; 15-Керуючий плунжер (шток голки розпилювача форсунки); 16-Голка розпилювача форсунки; 17-Впускний канал.

В даний час в серійному виробництві є три різних типи форсунок:

• Форсунки з електромагнітним клапаном і нероз'ємним якорем;
• Форсунки з електромагнітним клапаном і якорем, що складається з двох частин;
• Форсунки п'єзоелектричним приводом.

Форсунка з електромагнітним клапаном

конструкція

Форсунка може бути підрозділена на кілька функціональних модулів:

• Розпилювач з сопловими отворами (див. Розділ «Розпилювачі форсунок»);
• Гідравлічна система управління;
• Електромагнітний клапан.

Паливо подається в форсунку через вхідний штуцер високого тиску (13 на рис. 2а) і далі через впускний канал 17 до розпилювача форсунки і через дросель на впуску 14 в камеру гідрокерування 6. Камера гідрокерування з'єднується з лінією повернення палива через дросель 12, який відкривається електромагнітним клапаном.

Принцип дії

Робота форсунки може бути підрозділена на чотири стану під час роботи двигуна і ТНВД:

• Форсунка закрита (високий тиск докладено);
• Форсунка відкривається (початок уприскування палива);
• Форсунка повністю відкрита;
• Форсунка закривається (кінець уприскування палива).

Робочі режими форсунки викликаються балансом сил, що діють на компоненти форсунки. Коли двигун не працює і акумулятор палива не знаходиться під тиском, пружина розпилювача закриває форсунку.

Форсунка закрита (високий тиск докладено)

В неробочому стані форсунка не надходить на відкриття, тобто на уприскування (рис. 2а). Пружина електромагнітного клапана 11 притискає кульковий клапан 5 до сідла дроселя 12, і тиск усередині камери гідрокерування 6 підвищується до величини тиску в акумуляторі палива. Таке ж тиск має місце в обсязі камери розпилювача форсунки. Сила тиску в акумуляторі, прикладена до кінцевої поверхні штока голки розпилювача (керуючого плунжера) 15, разом з силою пружини 7 голки розпилювача форсунки знаходяться в рівновазі з силою тиску відкриття, яка додається до конусу (заплічок) голки розпилювача, і в результаті форсунка залишається закритою.

Форсунка відкривається (початок уприскування палива)

На самому початку процесу відкриття форсунка знаходиться в «режимі очікування», тобто закрита. Електромагнітний клапан отримує керуючий сигнал на відкриття у вигляді пускового струму і дуже швидко відкривається (рис. 2Ь). Необхідні періоди перемикання досягаються управлінням пусковими сигналами електромагнітного клапана в електронному блоці управління двигуна (ECU) при високих значеннях електричної напруги і струму.

Магнітна сила вже отримав електричне живлення електромагніту перевищує силу затяжки пружини клапана, якір піднімає кульовий клапан з сідла і відкриває дросель 12. Після короткого періоду підвищення пусковий струм зменшується до величини «струму утримання» електромагніту. Коли випускний дросель 12 відкривається, паливо витікає з камери гідрокерування в порожнину над ним і потім в лінію повернення палива в бак. Дросель на впуску 14 запобігає повне вирівнювання тиску. В результаті тиск в камері гідрокерування зменшується, і стає нижче тиску в камері розпилювача форсунки, яке все ще дорівнює тиску в акумуляторі палива. Зниження тиску в камері 6 призводить до зменшення сили, що діє на керуючий плунжер (шток голки розпилювача) і, отже, до її підйому (відкриття). Впорскування палива починається.

Повне відкриття форсунки

Величина переміщення голки розпилювача форсунки визначається різницею витрат через дроселі на впуску і випуску. Шток голки (керуючий плунжер) досягає свого верхнього упору і встановлюється на «паливної подушці» (гідравлічний упор). Ця подушка утворюється потоком палива між дроселями на вході і виході. У цьому положенні розпилювач форсунки повністю відкритий, і паливо впорскується в камеру згоряння під тиском, що наближається до тиску в акумуляторі палива.

Баланс сил у форсунки подібний балансу під час фази відкриття. При даному тиску в системі кількість палива, що впорскується пропорційно періоду часу відкриття електромагнітного клапана. Цей період повністю незалежний від частоти обертання двигуна і ТНВД (контрольована за часом система уприскування).

Форсунка закривається (кінець уприскування палива)

Коли котушка електромагнітного клапана знеструмлюється, пружина клапана переміщує якір вниз, і кульовий клапан закриває дросель 12 на випуску (рис. 2 с). Коли дросель закритий, тиск в камері гідрокерування знову зростає до величини тиску в акумуляторі палива через відкритого дроселя на впуску. Більш високий тиск створює велику силу, прикладену до штоку голки розпилювача. В результаті сила тиску в камері управління і сила затягування пружини перевищують силу тиску відкриття голки розпилювача, яка сідає на сідло, і розпилювач форсунки закривається. Витрата палива через дросель 14 на впуску визначає швидкість закриття голки форсунки. Цикл уприскування палива закінчується, коли голка розпилювача сідає на сідло, закриваючи соплові отвори.

Такий непрямий метод створення пускового імпульсу голки розпилювача за допомогою гідравлічної сервосистеми для швидкого її відкриття (підйому) використовується тому, що виконати це шляхом прямого прикладання сили електромагнітного клапана неможливо. «Контрольний об'єм», який визначає кількість палива, що впорскується, простягається до лінії повернення палива через дроселі камери гідрокерування.

Крім контрольного обсягу палива є також обсяги витоків через напрямні голки розпилювача і її штока. Зазначені обсяги повертаються в паливний бак через лінію повернення палива і загальну лінію, яка включає перепускний клапан, ТНВД і клапан регулювання тиску.

Програми карт характеристик

Програми для карт характеристики з пологої кривої величини подачі палива

Рис.3. Підйом голки форсунки і карти характеристик подачі палива з упором підйому голки.

Відмінні риси форсунок визначаються в програмах карт характеристик між балістичним і небаллістіческім режимами (ballistic and non- ballistic mode). Шток голки розпилювача форсунки / керуючий плунжер досягає гідравлічного упору, якщо пусковий період (triggering period) досить тривалий (рис. За). Ділянка до досягнення голкою розпилювача максимального ходу називається балістичним режимом. Балістичні і небаллістіческіе ділянки в картах подачі палива, де кількість палива, що впорскується визначає період дії пускового сигналу (рис. Зь), розділяються крапкою перегину в карті програми.

Іншою особливістю карти характеристики подачі палива є полога ділянка кривої, який існує протягом невеликих періодів пуску. Полога ділянка (фронт) кривої викликається перехідним періодом при русі якоря електромагнітного клапана на відкриття. На цій ділянці кількість палива, що впорскується не залежить від періоду дії пускового сигналу. Це дозволяє стабільно підтримувати невеликі подачі палива. Тільки після того як якір припинить «відскакування», крива характеристики подачі палива продовжить лінійний підйом у міру збільшення періоду пускового імпульсу.

Уприскування невеликої кількості палива (короткі періоди пуску) використовуються як попередні уприскування з метою придушення шуму. Вторинні уприскування (після основного) сприяють прискоренню окислення сажі на обраних ділянках кривої робочої характеристики.

Програми карт характеристик без пологої кривої величини подачі палива

Все підвищується строгість законодавства з емісії шкідливих речовин з ОГ привела до використання двох системних функцій - компенсації подачі палива споживання газу (injector delivery compensation - IMA) та калібрування нульової подачі (zero delivery calibration - NMK), також як і коротких інтервалів між попередніми уприскуванням, основним уприскуванням і додатковим (після основного) упорскування палива. З форсунками, які не мають ділянки пологої кривої, функція IMA допускає точне регулювання кількості палива, що впорскується під час попереднього уприскування. Функція NMK коригує відхилення у величині подачі в часі в області невеликих тисків. Ключовою умовою розгортання цих двох системних функцій є монотонний лінійний підйом характеристики подачі палива, тобто відсутність пологого ділянки кривої в карті характеристик подачі палива (рис. Зс). Якщо голка розпилювача форсунки працює в номінальному режимі без досягнення упору при підйомі, то це являє балістичний робочий режим голки без перегинів в карті характеристик подачі палива.

варіанти форсунок

Існує таке відмінність між двома різними концепціями форсунок з електромагнітними керуючими клапанами: форсунки з одинарним якорем (система з однією пружиною); форсунки з якорем, що складається з двох частин (система з двома пружинами).

Короткі інтервали між послідовними вприсками можу бути виконані тоді, коли якір може дуже швидко повертатися в початкове положення при закритті форсунки. Найкраще це досягається системою з якорем, що складається з двох частин, зі збільшеним ходом до упору. Під час процесу закриття форсунки пластина якоря примусово рухається вниз під дією пружини. Вихід з режиму насичення обмежується упором збільшеного ходу. В результаті якір досягає свого вихідного положення швидше. Отскаківаніе якоря при закритті закінчується швидше при поділі маси якоря і адаптації настановних параметрів. Концепція складеного (з двома масами) якоря сприяє досягненню коротких інтервалів між двома послідовними вприсками.

Пуск електромагнітного клапана форсунки

В неробочому положенні електромагнітний клапан форсунки високого тиску не отримує пусковий імпульс і, отже, закритий. Форсунка впорскує паливо тільки при відкритому електромагнітному клапані.

Рис.4. а-Фаза відкриття; b-Фаза пускового струму; з-Перехід до фази струму утримання; d-Фаза струму утримання; е-Вимкнення.

Пуск електромагнітного клапана форсунки розділений на п'ять фаз (рис. 4 і 5).

1. Фаза відкриття. На початку, для того щоб забезпечити жорсткі допуски і високий рівень відтворюваності циклової подачі палива, електричний струм відкриття електромагнітного клапана має крутий, точно певний профіль, і швидко збільшується приблизно до 20 А. Це досягається за допомогою званого «вольтододавального напруги» величиною до 50 В. Ця напруга генерується в електронному блоці управління і зберігається в конденсаторі (Вольтододаткові конденсатор). Коли це напруга подається на електромагнітний клапан, струм збільшується в кілька разів швидше, ніж це має місце тільки при використанні напруги акумуляторної батареї.
2. Фаза пускового струму. Під час фази пускового струму до електро-магнітного клапана додається напруга акумуляторної батареї, яке сприяє швидкому його відкриття. Система управління струмом обмежує величину пускового струму до 20 А.
3. Фаза струму утримання. Для того щоб зменшити втрати електричної потужності в електронному блоці управління і форсунки, в фазі утримання величина струму знижується до 13 А. Енергія, яка вивільняється при зменшенні пускового струму до струму утримання, направляється в Вольтододаткові конденсатор.
4. Вимкнення. При виключенні електричного струму для закриття електромагнітного клапана надлишкова енергія також направляється в Вольтододаткові конденсатор.
5. Перезарядка інвертора. Перезарядка здійснюється за допомогою інвертора, вбудованого в електронний блок керування двигуном. Енергія, витрачена під час фази відкриття, відновлюється на початку фази підвищення пускового струму до досягнення напруги, необхідного для відкриття електромагнітного клапана.

Рис.5. 1-Акумуляторна батарея; 2-Регулятор струму; 3-Обмотка котушки елетромагнітного клапана; 4-Вимикач вольтододавального конденсатора; 5 Вольтододаткові конденсатор; 6-Діоди для відновлення енергії і швидкого гасіння високій швидкості; 7-Перемикач ідентифікатора циліндрів; 8-Вимикач DC / DC; 9-Катушка DC / DC; 10-Діод DC / DC; I-Електричний струм

Форсунка з п'єзоелектричним приводом

Конструкція і вимоги

Конструкція форсунки з п'єзоелектричним приводом складається з двох головних модулів, показаних на рис. 6:

• Модуль п'єзоелектричного приводу (3);
• Гідравлічний перетворювач (4);
• Керуючий сервоклапан (5);
• Модуль розпилювача форсунки (6).

Конструкція форсунки враховує вимоги високої жорсткості системи приводу, гідравлічного перетворювача і керуючого клапана. Іншою особливістю конструкції є виключення механічних сил, що діють на голку розпилювача. Такі сили мають місце як результат дії штовхача, який використовується в форсунках з електромагнітними клапанами. Загалом, ця конструкція ефективно зменшує рухомі маси і тертя, підвищуючи стабільність форсунки, в порівнянні зі звичайними системами.

Крім того, система уприскування палива допускає застосування дуже коротких інтервалів між послідовними вприсками палива ( «hydraulic zero»). Число і конфігурація операцій дозування палива може становити до п'яти окремих вприськов в циклі вприскування палива, для того щоб адаптувати вимоги до режиму роботи двигуна.

Безпосередня реакція голки розпилювача на дію приводу досягається узгодженням керуючого клапана (сервоклапани) 5 з голкою розпилювача форсунки. Період затримки між подачею електричного пускового сигналу і гідравлічним спрацьовуванням голки розпилювача складає приблизно 150 мс. Це призводить до протиріччя між вимогою високої швидкодії голки розпилювача і виключно малої воспроизводимостью кількості палива, що впорскується при швидкодії.

Як результат цього принципу, форсунка має мало точок безпосередніх витоків з порожнин високого тиску в контур низького тиску. В результаті має місце підвищення гідравлічної ефективності всієї системи.

Принцип дії

Робота сервоклапани в форсунки CR Голка розпилювача в форсунки з п'єзоелектричним приводом побічно управляється сервоклапанів. Потім необхідну кількість палива, що впорскується регулюється періодом дії пускового сигналу клапана. При відсутності пускового сигналу привід знаходиться в початковому положенні, і сервоклапан закритий (рис. 7а), тобто ступінь високого тиску відокремлена від ступені низького тиску.

Рис.6. 1-Повернення палива; 2-Підведення палива високого тиску; 3-Модуль п'єзоелектричного приводу; 4-Гідравлічний перетворювач (транслятор); 5-сервоклапани (керуючий клапан); 6-Модуль розпилювача з голкою розпилювача; 7-Соплові отвори.

Розпилювач форсунки утримується в закритому положенні тиском в акумуляторі палива, створеному в керуючої камері 3. Коли п'єзоелектричний привід отримує пусковий імпульс, сервоклапан відкривається і закриває перепускний канал (рис. 7b). Перетікання потоку між випускним 2 і впускним 4 дроселями знижує тиск в керуючій камері, і голка розпилювача 5 піднімається. Керуючий потік палива протікає через канал сервоклапани в контур низького тиску паливної системи.

На початку процесу закриття розпилювача форсунки привід знеструмлюється, і сервоклапан відкриває пропускний канал. Потім керуюча камера знову заповнюється потоком палива, який змінює напрямок між дроселями на впуску і випуску, в результаті тиск в керуючій камері підвищується. Як тільки тиск досягне необхідної величини, голка розпилювача почне рухатися до сідла, і процес вприскування закінчується.

Рис.7. а-Початкове положення; Ь-Голка розпилювача відкривається (байпас закритий, нормальна робота з дроселями на випуск і впуску); з-Розпилювач закривається (байпас відкритий, обидва дроселя пропускають паливо в керуючу камеру); 1-сервоклапани (керуючий клапан); 2-Дроссель на випуску; 3-Керуюча камера; 4-Дроссель на впуску; 5-Голка розпилювача; 6-Пропускний канал.

Описана вище конструкція клапана і хороші динамічні характеристики приводу проявляються в більш коротких періодах вприскування в порівнянні з форсунками звичайних типів, тобто з штовхачем і двухходовим (двозатворного) клапаном. В кінцевому підсумку виявляється позитивний вплив на емісію шкідливих речовин з ОГ і на ефективні характеристики двигуна. Завдяки вимогам Європейського Союзу (EU4) програма форсунок в картах характеристик була оптимізована, щоб застосувати коригувальні функції (компенсація подачі палива форсунками IMA і калібрування «нульовий подачі» NMK). Величина попереднього уприскування палива може бути тоді обрана «за бажанням», a IMA може мінімізувати розмах значень подачі палива в програмі карти характеристик, використовуючи повністю балістичний режим (рис. 8).

Робота гідравлічного перетворювача. Іншим ключовим компонентом форсунки з п'єзоелектричним приводом є гідравлічний перетворювач (3 на 9), який виконує наступні функції: передає і підсилює хід приводу; компенсує будь-люфт між приводом і сервоклапанів (наприклад, викликаний термічним розширенням); виконує функцію захисту (автоматичне вимикання подачі в разі обриву електричних з'єднань).

Модуль п'єзоелектричного приводу і гідравлічний перетворювач занурені в потік дизельного палива під тиском близько 10 бар. Коли привід не отримує пусковий сигнал, тиск в гідравлічному соединителе знаходиться в рівновазі з оточуючим його простором. Зміни довжини, викликані температурою, компенсуються невеликий витоком палива через зазори двох напрямних плунжеров. Це весь час підтримує баланс сил між приводом і переключающим клапаном.

Рис.8. Карта характеристики подачі палива форсункою з п'єзоелектричним приводом. а-1600 бар; b-1200 бар; з -1000 бар; d-800 бар; е-250 бар.

Для того щоб генерувати уприскування палива, потрібно прикладати до п'єзоприводи електричну напругу близько 110 - 150 вольт до тих пір, поки не буде змінений баланс сил між переключающим клапаном і приводом. Підвищення тиску в перетворювачі викликає невелику витік з нього в порожнину низького тиску форсунки через зазори в направляющем поршні. Подальше зниження тиску в соединителе не впливає на роботу форсунки протягом пускового періоду, який триває кілька мілісекунд.

В кінці процесу упорскування потрібно повторне заповнення гідравлічного з'єднувача. Це відбувається при зміні напрямку руху потоку палива через зазори в плунжерами в результаті перепаду тисків між гідравлічним перетворювачем і порожниною низького тиску форсунки. Напрямні зазори і рівень низького тиску підбираються таким чином, щоб повністю заповнити гідравлічний перетворювач до початку наступного процесу упорскування палива.

Рис.9. 1-Низький тиск в каналі з клапаном; 2-Модуль приводу; 3-Гідравлічний перетворювач.

Пуск форсунки з п'єзоелектричним приводом в системі Common Rail

Керуючий сигнал на пуск форсунки формується електронним блоком управління двигуна, вихідний каскад якого спеціально спроектований для форсунок такого типу. Еталонне електрична напруга пуску заздалегідь визначається як функція тиску в акумуляторі палива для встановленої робочої точки. Сигнал напруги знаходиться в імпульсному режимі, поки є мінімальне відхилення між еталонним і керуючою напругою (рис. 10).

Рис.10. а-Криві струму і напруги як пускові імпульси форсунки; b-Криві підйому клапана і тиску в перетворювачі; з-Характеристики підйому голки розпилювача і подачі палива.

Збільшення напруги пропорційно перетвориться в хід п'єзоелектричного приводу. Рух приводу викликає зростання тиску в перетворювачі за допомогою гідравлічної передачі до тих пір, поки тиск не відкриє переключающий клапан. Як тільки переключающий клапан досягне кінцевого положення, тиск в керуючій камері починає падати (через голку розпилювача), і уприскування палива припиняється.

Переваги форсунок з п'єзоелектричним приводом

• Можливість організації багатофазного уприскування палива з адаптивними початком вприскування і інтервалами між послідовними вприсками;
• Можливість отримання дуже невеликої кількості палива, що впорскується в фазі попереднього вприскування;
• Малий розмір і невелика маса форсунки (270 г проти 490 г у звичайних форсунок);
• Низький рівень шуму (менше 3 дб [А]);
• Низька витрата палива (на 3%);
• Низький рівень емісії шкідливих речовин (на 20%);

Підвищення ефективних характеристик двигуна (на 7%).