На рубеже 1990-х гг. фирма Caterpillar и ряд других производителей начали разработки принципиально новой системы неразделенной топливоподачи. Было принято решение заменить механический привод насос-форсунок на гидравлический, а управление топливоподачей осуществлять с помощью управляющих клапанов с электромагнитным приводом. В литературе такая система получила название HEUI (Hydraulically actuated Electronic Unit Injection).
Общая схема топливной системы, используемой для высокооборотных дизелей, представлена на рисунке 2.7.
Система имеет два независимых контура: топливный и масляный.
По топливному контуру очищенное топливо с помощью шестеренчатого насоса под давлением 0,2...0,55 МПа подается к насос-форсункам по каналам, выполненным, как правило, в виде сверлений в головке блока цилиндров. Остатки неиспользованного топлива через дроссельный клапан сливаются назад в расходную емкость.
Масляный контур состоит из линий низкого и высокого давления. Линия низкого давления служит для очистки, охлаждения и подачи управляющего масла из емкости для его хранения к масляному насосу высокого давления. Контур высокого давления состоит из подводящих трубопроводов, регулятора давления масла, различных датчиков контроля и аккумулятора давления, с которым насос-форсунки сообщаются с помощью соединительных трубопроводов. Давление, под которым масло обычно подводится к насос-форсункам, находится в пределах 27...30 МПа. Общее расположение насос-форсунки системы HEUI, масляного аккумулятора и соединительного трубопровода представлено на рисунке 2.8.
Аксиально-плунжерные насосы, используемые для прокачки управляющего масла, позволяют путем изменения подачи поддерживать давление в управляющей магистрали на заданном уровне уже при минимальных оборотах двигателя. В результате давление впрыска насос-форсунками практически не зависит от частоты вращения коленчатого вала дизеля, а возможность регулирования давления в контуре управляющего масла позволяет изменять давление впрыска в широком диапазоне нагрузочно-скоростных режимов работы двигателя (рис. 2.9).
Насос-форсунки первого поколения представляют собою агрегаты, включающие струйный распылитель с игольчатым клапаном и гидравлический мультипликатор давления, состоящий из гидравлического поршня, который приводит в действие плунжер подачи топлива (рис. 2.10а, б).
Подача масла в полость гидравлического цилиндра осуществляется через тарельчатый клапан, который может иметь горизонтальное (рис. 2.10а) или вертикальное (рис. 2.10б) расположение. Открытие клапанов осуществляется соленоидом, коммутируемым от электронного блока управления, а закрытие — обратной пружиной. Прижатие клапана к седлу происходит под действием давления в масляной магистрали. В открытом состоянии клапан сообщает полость высокого давления с полостью гидравлического цилиндра, а в закрытом — своим разгрузочным устройством сообщает полость гидроцилиндра со сливной магистралью. Разгрузочное устройство может быть выполнено в виде цилиндрического золотника (рис. 2.10а) или запорного конуса (рис. 2.10б).
Опыт эксплуатации данных насос-форсунок показал, что их использование возможно только на относительно небольших двигателях с ограниченными по объему цикловыми подачами. Чтобы обеспечить необходимое быстродействие при увеличении цикловых подач, возникала необходимость увеличения размеров управляющего клапана, что привело бы к необходимости приложения значительных сил для его открытия. Создание необходимого усилия с помощью соленоида оказалось достаточно проблематичным, так как потребовало бы больших токов через катушку, которые при ограниченных размерах соленоида привели бы к его быстрому перегреву и выходу из строя.
Поэтому в своих дальнейших разработках фирмы-производители перешли на использование золотниковых бистабильных клапанов.
Насос-форсунка второго поколения типа G2 с двойным бистабильным клапаном управления представлена на рисунке 2.10в.
В отличие от насос-форсунок первого поколения, открытие и закрытие золотникового клапана здесь осуществляется с помощью двух соленоидов. При этом все осевые силы, действующие на золотник, уравновешивают друг друга, поэтому золотник может находиться в любом положении, сохраняя его даже после прекращения действия на него перемещающей силы (рис. 2.11). То есть золотник может находиться сколь угодно долго в положении подачи масла в гидравлический цилиндр или в положении, соответствующем сливу масла, без дополнительных усилий на его удержание в этих положениях.
Это дает ряд существенных преимуществ в организации топливоподачи.
Во-первых, на перемещение уравновешенного от действия осевых сил золотника необходимо гораздо меньшее усилие, чем на открытие клапана, прижатого давлением масла и возвратной пружиной. Это позволяет уменьшить габариты соленоида и увеличить скорость срабатывания клапана. Для этих же целей золотниковый клапан выполнен двойным, что позволяет увеличить проходное сечение вдвое и сократить величину хода золотника.
Во-вторых, для перемещения золотника из одного положения в другое достаточно короткого импульса, после чего клапан сам сохраняет свое новое положение. Таким образом, время прохождения тока через катушку сводится к минимуму, а величина токов во время управляющего импульса может достигать достаточно высоких значений без ущерба для обмотки соленоида.
Независимо от вида у всех насос-форсунок, представленных на рисунке 2.10, после открытия управляющего клапана масло из управляющей магистрали поступает в полость гидравлического цилиндра, заставляя поршень перемещаться вниз. При этом плунжер, жестко соединенный с поршнем, начинает вытеснять топливо из подплунжерной полости через обратный клапан в распылитель. Учитывая, что площадь плунжера в несколько раз меньше площади гидравлического поршня, давление в подплунжерной полости возрастает до 170...210 МПа.
По мере возрастания давления в полости распылителя топливо открывает игольчатый клапан, преодолевая усилие сжатия нагружающей пружины, а дальше через сопловые отверстия распылителя впрыскивается в камеру сгорания двигателя.
Для подвода топлива и управляющего масла к насос-форсункам используются полости в головке блока цилиндров. Для разделения отдельных полостей вдоль корпуса насос-форсунок предусмотрены канавки для установки уплотнительных колец.
Для двигателей с достаточно высокой цилиндровой мощностью и, следовательно, повышенной цикловой порцией топлива были разработаны насосфорсунки с двухступенчатым управлением подачей масла в гидравлический цилиндр привода плунжера. Такая модификация насос-форсунок получила название HI 300B. Общее устройство насос-форсунки данного типа представлено на рисунке 2.12. Порядок работы насос-форсунки типа HI 300B представлено на рисунке 2.13.
Отличительной особенностью этих устройств является то, что они оборудованы двумя масляными контурами — управляющим и силовым. У насос форсунок данного типа электромагнитный клапан не управляет подачей масла в полость гидроцилиндра, а осуществляет его слив из управляющей магистрали. Кроме того, игольчатый клапан распылителя оборудован системой гидрозапирания, что повышает надежность его работы и позволяет обеспечить достаточно высокое начальное давление впрыска топлива в камеру сгорания двигателя и резкое прекращение подачи.
При отсутствии управляющего сигнала на катушку соленоида управляющий клапан тарельчатого типа усилием возвратной пружины и давления масла удерживается в крайнем нижнем положении, соединяя масляную магистраль высокого давления с управляющим контуром насос-форсунки. Нижним пояском клапан перекрывает сливную магистраль управляющего контура. Масло под давлением 26 МПа заполняет каналы контура управления, воздействует на поршень нагружения игольчатого клапана распылителя и удерживает золотниковый распределитель масла силового контура в крайнем верхнем положении (рис. 2.13а).
Золотниковый распределитель управляющего масла своими кромками перекрывает доступ масла в гидроцилиндр привода плунжера. При этом шток нагружения сливного клапана свободен от упора и масло из полости гидравлического цилиндра свободно перетекает в сливную магистраль силового контура. Гидравлический поршень под действием возвратной пружины перемещается в свое крайнее верхнее положение, а через наполнительный клапан в подплунжерное пространство поступает новая порция топлива.
При подаче напряжения с электронного блока управления на катушку соленоида управляющий клапан перемещается в крайнее верхнее положение, сообщая полость контура управления насос-форсунки со сливной магистралью. В результате падения давления в контуре происходит разгрузка системы гидрозапирания игольчатого клапана распылителя.
При этом золотниковый распределитель под действием давления масла в силовом контуре опускается вниз, соединяя полость гидравлического цилиндра с силовым контуром (рис. 2.13б). Опускаясь, золотниковый распределитель воздействует на шток сливного клапана, разъединяя полость гидроцилиндра и сливной магистрали.
Масло, воздействуя на поршень, перемещает его вместе с плунжером вниз. Поскольку площадь плунжера в шесть раз меньше площади поршня гидропривода, давление в топливной полости возрастает до 170...180 МПа. При достижении давления открытия игольчатого клапана начинается впрыск топлива в камеру сгорания двигателя (рис. 2.13в).
После снятия напряжения с катушки соленоида управляющий клапан под действием возвратной пружины перемещается вверх, соединяя полость управляющего контура с масляной магистралью. Давление в полости резко возрастает, масло воздействует на поршень нагружения игольчатого клапана распылителя, обеспечивая резкое прекращение подачи.
Под действием возвратной пружины и давления масла на нижний торец золотникового распределителя последний перемещается вверх, разъединяя полость силового контура и масляной магистрали. При этом освобождается шток сливного клапана гидроцилиндра, и масло, вытесняемое поршнем, вытекает в сливную магистраль (рис. 2.13в). Подплунжерное пространство заполняется новой порцией топлива.
Использование относительно небольших объемов масла для привода насос-форсунок и двухступенчатого регулирования позволили уменьшить габариты управляющего клапана, что в совокупности привело к увеличению быстродействия системы в целом. Данная насос-форсунка способна обеспечить не только стандартные законы подачи топлива, но и некоторые специальные, направленные на улучшение эффективных или экологических характеристик двигателя.
В то же время сложная гидравлическая схема насос-форсунок не позволяет добиться однородных показателей при их производстве. В этой связи фирма для каждого агрегата по результатам испытаний определяет корректировочные характеристики, которые в виде программного алгоритма поставляются вместе с насос-форсункой. Данная программа в виде сопроводительного файла при замене насос-форсунки устанавливается на микропроцессорный блок управления. В дальнейшем, при выработке управляющих сигналов, блок управления учитывает индивидуальные особенности каждого агрегата.
Регулятор давления управляющего масла. На небольших двигателях для поддержания заданного давления в системе управляющего масла прямо в масляной магистрали устанавливается электрогидравлический регулятор давления, коммутируемый от электронного блока управления. Общий вид регулятора представлен на рисунке 2.14.
Основным регулирующим органом является золотниковый поршень, который непосредственно взаимодействует с маслом в магистрали высокого давления. Своими кромками поршень перекрывает отверстия для сброса масла в магистраль низкого давления. В самом поршне имеется калиброванный дренажный канал, с помощью которого полость высокого давления сообщается с запоршневым пространством.
При отсутствии управляющего сигнала на соленоид управления клапан сброса давления из запоршневого пространства закрыт, давление с обеих сторон регулирующего поршня одинаковое. Под действием возвратной пружины золотниковый поршень перемещается в свое крайнее левое положение, перекрывая отверстия для сброса.
Если давление повышается выше нормы, с датчика давления, установленного в управляющей магистрали, поступает сигнал на электронный блок, который формирует управляющий сигнал на соленоид регулятора. В результате сливной клапан открывается и масло из запоршневого пространства сливается в магистраль низкого давления. При этом давление в данной полости резко уменьшается, так как пропускная способность дроссельного канала недостаточна, чтобы компенсировать утечку масла через сливной клапан. Под действием разности давлений золотниковый поршень перемещается вправо, открывая сливные отверстия. Часть масла сливается в обратную магистраль, и давление в системе снижается. При закрытии сливного клапана запоршневого пространства золотниковый поршень возвращается в исходное положение.
Насос управляющего масла. У относительно небольших двигателей давление в масляной магистрали обычно регулируется перепуском части масла на слив. При этом производительность насоса зависит только от частоты его вращения. У двигателей средней и большой мощности такое регулирование приводит к неоправданным потерям мощности на привод масляного насоса. Поэтому в таких двигателях для подачи масла на привод насос-форсунок применяются аксиально-плунжерные насосы с регулированием производительности путем изменения наклона приводной шайбы или путем изменения величины нагнетательного хода плунжеров.
Насосы с первым способом регулирования нами уже были рассмотрены ранее.
На рисунке 2.15 показано общее устройство аксиально-плунжерного насоса с регулированием подачи управляющего масла путем изменения величины нагнетательного хода. Основными нагнетательными элементами являются периферийно расположенные вокруг оси плунжера, каждый из которых скользит вдоль направляющей втулки. За счет наклонной шайбы, по которой скользят шарнирные толкатели плунжеров и возвратных пружин, каждый плунжер при вращении совершает возвратно-поступательное движение.
В нижней части каждого плунжера имеются наполнительные отверстия, через которые масло из внутреннего пространства насоса поступает в полость плунжера.
Для регулирования величины активного хода на каждом плунжере располагается прецизионно подогнанная скользящая втулка.
Втулки всех плунжеров связаны между собой и с механизмом привода, который обеспечивает их осевое перемещение, независящее от положения плунжера. В начале хода плунжера масло выдавливается обратно в полость масляного насоса, и только с того момента, когда наполнительные отверстия на плунжерах перекроются скользящей втулкой, начинается нагнетательный ход плунжера. С этого момента подплунжерная полость оказывается замкнутой и масло вытесняется в напорную магистраль через нагнетательный клапан. Изменяя положение втулки относительно плунжера, можно изменять величину активного хода плунжеров и, следовательно, количество масла, подаваемого насосом.
Достаточно точное регулирование подачи в зависимости от расхода масла на том или ином нагрузочно-скоростном режиме позволяет значительно сократить затраты мощности на привод масляного насоса.
Для изменения производительности насоса он оборудуется системой автоматического регулирования, управляемой от электронного блока. Общее устройство и порядок работы данной системы представлены на рисунке 2.16.
Система состоит из двух основных модулей: модуля поддержания постоянного давления в управляющем контуре и модуля регулирования производительности.
Регулятор давления в системе управления подачей золотникового типа. Он необходим для поддержания постоянного давления в управляющем контуре, так как давление в нагнетательной полости может меняться, а это делает процесс регулирования более сложным.
Состоит регулятор из золотникового поршня, расположенного в направляющей втулке. На поршне, в его средней части, имеется проточка, в полость которой поступает масло из нагнетательной магистрали. Из этой же полости масло попадает в П-образный канал, соединяющий полость проточки и полость, расположенную в торце поршня.
Из П-образного канала отбирается масло в контур регулирования подачи (рис. 2.16а). Регулировочный поршень под действием давления начинает двигаться вправо, перемещая механизм привода скользящих втулок и уменьшая производительность насоса (рис. 2.16б).
Благодаря П-образному каналу масло поступает в полости с двух сторон золотникового поршня под одинаковым давлением. Однако из-за разности площадей на торцевую поверхность поршня действует сила, большая по величине, чем на его поверхность со стороны проточки. В результате золотниковый поршень, преодолевая усилие возвратной пружины, смещается вправо, перекрывая кромкой со стороны проточки П-образный канал. Соотношение площадей рабочих поверхностей золотникового поршня и усилие возвратной пружины подобраны таким образом, что перекрытие магистрали отбора масла в контур управления происходит при давлении 5,7 МПа (рис. 2.16в). Таким образом, в контуре управления поддерживается постоянное давление.
В регулировочном поршне имеется дренажный канал, по которому масло постепенно перетекает из надпоршневой полости в подпоршневую, а привод скользящих втулок передвигается в сторону увеличения подачи. Если подача возрастает более величины, необходимой для обеспечения заданного нагрузочно-скоростного режима, происходит рост давления. Датчик давления подает сигнал на блок управления, а тот, в свою очередь, формирует управляющий импульс на соленоид электроуправляемого сливного клапана. Открываясь, клапан сбрасывает давление из запоршневой полости регулировочного поршня. Поток масла через дроссельный канал в регулировочном поршне не успевает компенсировать потери масла на слив, в результате чего возникает разность давлений, под действием которой поршень перемещается в сторону уменьшения подачи (рис. 2.16г). Падение давления в управляющем контуре приводит к нарушению равновесия сил, действующих на золотниковый поршень, в результате чего он перемещается влево, открывая доступ масла из нагнетательной полости в контур управления подачей. Далее весь цикл повторяется. Золотниковый поршень, совершая возвратнопоступательные движения, поддерживает давление в контуре управления примерно на одном уровне, а регулировочный поршень, двигаясь поступательно, поддерживает заданную производительность насоса.
