Система впрыска топлива

Для приведения в действие топливного насоса применена аккумуляторная система сервомасла, использующая охлажеднное и очищенное масло в качестве промежуточного привода. Гидравлический модуль каждого цилиндра оснащен аккумулятором масла для обеспечения достаточно быстрого нагнетания масла в соответствии с требованиями топливной системы, а также для предотвращения сильных колебаний давления.

Рис. 5.4. Быстродействующий пропорциональный клапан

Перемещением плунжера топливного насоса и выхлопного клапана управляет быстродействующий пропорциональный клапан (в литературе встречается его обозначение как FIVA-valve — Fuel Injection Valve Activation), который в свою очередь управляется линейным электромотором, который получает управляющий сигнал от микропроцессорной системы управления, как показано на рис. 5.4. При перемещении золотника влево FIVA-valve работает как двухпозиционный клапан, приводя в действие выхлопной клапан. В случае перемещения вправо действует как пропорциональный клапан, позволяющий управлять процессом подачи топлива.

Такая концепция выбрана для максимизации надежности и функциональности, так как топливная система высокого давления — это «сердце» двигателя, эффективность которой является ключом к топливной экономичности, экологической безопасности и эффективности работы двигателя. Ключевые компоненты системы доказали свою надежность на практике, так управляющий пропорциональный клапан в серийном производстве уже более 10 лет и используется как элемент автоматики на конвейерах сборки автомобилей, где надежность является ключевым качеством. Надежность плунжерных топливных насосов и форсунок хорошо известна по дизелям с распределительным валом.

Ни рис. 5.5 видно, что топливные насосы 2-ого и 3-его поколения значительно меньше по размерам, чем насосы 1-ого поколения. Детали насоса меньше и проще в изготовлении.

а) б) в)

Рис. 5.5. Топливный насос высокого давления: а — 1-ое поколение; б — 2-ое поколение; в — 3-е поколение

Главное отличие насоса последнего поколения — возможность работы на тяжелом топливе. Плунжер топливного насоса оборудован модифицированным уплотнением типа «зонтик» для предотвращения попадания тяжелого топлива в масляную систему. Приводной поршень и плунжер топливного насоса проще по конструкции и взаимодействуют посредством действия давления топлива на плунжер и давлением масла на приводной поршень. Моментом начала и конца хода плунжера управляет только быстродействующий пропорциональный гидравлический клапан, который управляется микропроцессорной системой управления цилиндра (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Система управления пропорциональным быстродействующим клапаном

Для обеспечения оптимального сгорания (соответственно и теплового КПД) необходим оптимальный закон подачи топлива, который задается формой топливного кулачка в традиционных дизелях. Длинноходовые двухтактные дизеля спроектированы для работы при определенном максимальном давлении сгорания, а момент подачи топлива изменяется для того чтобы достичь данного давления при данной топливной системе (кулачок, ТНВД, форсунка и пр.).

Для современных дизелей, оптимальная продолжительность впрыска топлива при полной мощности составляет приблизительно 18 – 20º поворота коленчатого вала, а максимальное давление сгорания достигается во второй половине этого периода. Для достижения наилучшего теплового КПД топливо поданное после достижения максимального давления сгорания должно быть подано (и сожжено) как можно быстрее для того чтобы добиться наивысшего коэффициента расширения.

Таким образом, оптимальная характеристика подачи топлива должна повышать скорость подачи к окончанию впрыска, соответственно подавая оставшееся топливо как можно быстрее. Это было доказано в течении многих лет развития системы подачи топлива 2-ухтактных дизелей и современный распределительный вал спроектирован соответственно. Система подачи топлива интеллектуального двигателя спроектирована таким же образом, но в отличие от дизелей с распределительным валом, она может быть оптимизирована для работы на различных режимах.

Аккумуляторная система подачи топлива с соленоидными двухпозиционными клапанами, в настоящее время, уже стала стандартной во многих современных судовых дизелях. Она достаточно проста и предоставляет большую гибкость в управлении, чем система с распределительным валом. Фирма MAN-B& W применила такую систему для управления подачей газа в двухтопливных версиях двигателя типа MC, где двухконтурная аккумуляторная система обеспечивает необходимую гибкость позволяющую изменять соотношение топливо/газ.

Однако, аккумуляторная система обеспечивает иную форму характеристики подачи топлива, отличную от оптимальной. Давление в аккумуляторе будет равно заданному в начале впрыска и будет снижаться во время впрыска, так как расход топлива из аккумулятора происходит значительно быстрее, чем его наполнение.

Например, продолжительность впрыска в 8-мицилиндровом двигателе составит 160º п. к. в. (8× 20º п. к. в.), в течении которых в двигатель из аккумулятора будет подано такое же количество топлива, что и топливные насосы подадут в аккумулятор за 360º п. к. в. Следовательно, расход из аккумулятора отличается от притока в 360/160 = 2, 25 раза в течении одного и того же промежутка времени. Следовательно, давление в аккумуляторе будет снижаться в течении впрыска, что в свою очередь противоречит оптимальной характеристике подачи топлива. Как вариант, было предложено использовать ступенчатую аккумуляторную систему, в соответствии с которой расход топлива в течении начального периода уменьшен, так как форсунки открываются не одновременно, а одна за одной.

На рис. 5.7 показаны характеристики интеллектуального двигателя (синяя линия), в котором используются пропорциональные клапана и ступенчатой аккумуляторной системы (красная линия), рассчитанные специальной моделью системы подачи топлива для больших дизелей типа K98MC с тремя форсунками на цилиндр. Как можно увидеть из иллюстрации, ступенчатая аккумуляторная система подает различное количество топлива через каждую из трех форсунок.

Так ступенчатая аккумуляторная система обеспечивает характеристику подачи топлива близкую к оптимальной, однако, сгорание все же будет не оптимально, так как распределение топлива в камере сгорания произойдет крайне неравномерно, в отличие от сжатого воздуха. Это показано на рис. 5.8: форсунка, открывшаяся первой, подаст большее количество топлива, которое распылится слишком далеко и достигнет следующего распылителя. Опыт эксплуатации показывает, что это может привести к проблеме надежности распылителей в результате высокотемпературной коррозии.

а)

б)

в)

Рис. 5.7. Характеристики интеллектуального двигателя и ступенчатой аккумуляторной системы: а — давление впрыска, б — массовый расход топлива на цилиндр, в — массовый расход топлива по форсункам

а) б)

Рис. 5.8. распределение топлива в камере сгорания: а — интеллектуальный двигатель, б — ступенчатая аккумуляторная система

Неравномерное распределение топлива означает, что для топлива поданного первой форсункой количества воздуха будет недостаточно для оптимального сгорания, для второй — количество воздуха будет оптимально, а для третьей — слишком много. Усредненное количество воздуха может быть подобрано и правильно, но тепловой КПД и количество выбросов будут далеко от оптимальных значений. Кроме того, неравномерное распределение тепловой нагрузки в камере сгорания также негативно скажется на надежности двигателя.

Таким образом, система подачи топлива интеллектуального двигателя превосходит аккумуляторную систему, будь то ступенчатая или простая. Испытания подтвердили, что данная система может реализовать любой паттерн, необходимый для работы дизеля. Например, как одинарный впрыск, так и предварительный впрыск с широким диапазоном свободы выбора скорости подачи, времени начала подачи топлива, длительности и величине давления.

На практике, паттерны подачи топлива могут быть сохранены в памяти управляющего микропроцессора и применены системой управления с тем чтобы обеспечить работу двигателя по оптимальной характеристике впрыска от «самого малого» хода до перегрузки, так же как работа на задний ход и аварийное реверсирование. Смена характеристик впрыска может происходить почти мгновенно, от одного цикла к другому.

Некоторые возможности системы впрыска показаны на рис. 5.9, где для каждого паттерна подачи топлива показано давление топлива в форсунке и положение иглы распылителя.

а) б)

в) г)

Рис. 5.9. Изменение давления топлива в форсунке и соответствующий ход иглы распылителя: а — нисходящий впрыск, б — впрыск при постоянном давлении, в — восходящий впрыск, г — предвпрыск

Испытание приведенных паттернов на двигателе подтвердило, что «восходящий впрыск» аналогичный реализуемому на дизелях с распределительным валом превосходит остальные по экономичности. Применение же предварительного впрыска является удачным компромиссом между небольшим увеличением потребления топлива и при этом снижением количества выбросов NO_x примерно на 20 %, как видно на рис. 5.10.

Рис. 5.10 Влияние закона подачи топлива на экономичность дизеля и количество выделяемого NO_x

Преимущества “интеллектуального двигателя”

Электронное управление подачей топлива и работой выхлопного клапана имеет ряд преимуществ, которые можно условно разделить на 3 группы.

Уменьшение расхода топлива:

— характеристики подачи топлива могут быть оптимизированы для работы на различных рабочих режимах, в то время как характеристика традиционных дизелей оптимизирована под один режим (как правило 90…100 %);

— благодаря возможности изменения момента начала подачи топлива и времени закрытия выхлопного клапана значительно расширился диапазон нагрузок, при которых значение давления сгорания поддерживается постоянным, что приводит к уменьшению удельного расхода топлива. При этом двигатель не перегружается;

— контроль индикаторного процесса в режиме реального времени позволяет поддерживать равномерное распределение нагрузки по цилиндрам и эффективность двигателя в течении всего срока его эксплуатации.

Надежность и гибкость управления:

— улучшено реверсирование двигателя, как обычное так и аварийное, так как момент подачи топлива и моменты открытия/закрытия выхлопного клапана оптимизированы под этот режим тоже;

— более быстрый выход на заданный режим, так как давление продувочного воздуха увеличивается быстрее из-за более раннего открытия выхлопного клапана в момент разгона;

— улучшена работа при минимальной частоте вращения: минимальная частота вращения значительно ниже традиционных дизелей, работа дизеля намного равномернее, а также улучшено сгорание топлива;

— постоянный контроль рабочего процесса позволяет определить и предотвратить рабочее состояние дизеля, которое может привести к неисправности. Например, при низком показателе самовоспламеняемости топлива может быть применен пред-впрыск топлива;

— система управления двигателем включает в себя систему предотвращения перегрузки (СПП), которая обеспечивает работу двигателя по нагрузочной характеристики, предотвращая работу в области «тяжелого винта»;

— обслуживание двигателя легче и дешевле ввиду более совершенной СПП и ранней диагностики неисправностей, что позволяет принимать контрмеры избегая тяжелых последствий.

Гибкость в управлении выбросами выхлопных газов:

— возможность работы в режиме низкого выброса окислов азота (NO_x). Количество выбросов будет ниже предела установленного IMO.

— простота изменения режима работы позволяет судну при необходимости работать с низким количеством выбросов NO_x, в тех случаях, где это требуют правила, без негативных последствий относительно экономичности за пределами таких зон. Кроме того возможно уменьшение портовых сборов при низком количестве выбросов NO_x.