Файл: Перспективы развития системы топливоподачи Common Rail.pdf

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет»
(ФГБОУ ВО «КубГТУ»)
Кафедра транспортных процессов и технологических комплексов
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине Перспективы развития конструкций автомобилей и техники на тему «Перспективы развития системы топливоподачи Common Rail»
Выполнил студент
Рябоконь В.Ю. курса 1 группы 21-ЗММ-ЭТ1
Допущен к защите________________________
(дата)
Руководитель (нормоконтролер) работы
__________________________________________________ Поляков П.А.
(должность, подпись, дата)
Защищен______________________
Оценка_______________________
(дата)
Члены комиссии:
_________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
(должность, подпись, дата, расшифровка подписи)
Краснодар 2022 г

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
3
ТПиТК 23.04.03.175 ПЗ
Разраб.
Рябоконь
Провер.
Поляков
Реценз.
Н. Контр.
Федотов
Утверд.
Перспективы развития системы топливоподачи
Common Rail
Лит.
Листов
24
КубГТУ каф. ТПиТК
21-ЗММ-ЭТ1
Реферат
Отчет содержит: 23 листа, 11 рис., 11 источников,
СИСТЕМА
ТОПЛИВОПОДАЧИ
COMMON
RAIL
BOSCH,
ФОРСУНКА,
ТОПЛИВНЫЙ
НАСОС
ВЫСОКОГО
ДАВЛЕНИЯ,
НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ
ВПРЫСК,
ДИЗЕЛЬНЫЙ
ДВИГАТЕЛЬ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Объектом исследования данной курсовой работы является система топливоподачи Common Rail Bosch и перспективы ее развития.
В ходе исследования данной темы были рассмотрены и проанализированы различные виды форсунок, применяемых в системе
Common Rail.

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
4
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Содержание
Введение………………………………………………………………….....5 1 Термины и определения…………………………………………………6 2 Сокращения…………………………………………………………...…..7 3 История создания системы топливоподачи Common Rail и ступени совершенствования…………………………………………….....8 4 Принцип действия системы топливоподачи. Основные характеристики и параметры………………………………...…………...12 5 Особенности конструкции основных элементов систем топливоподачи……………………………………………………...……..14 6 Перспективы развития Common Rail………………….…………….....21
Заключение…………………………………………………………..……23
Список используемой литературы………………………………..……...24

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
5
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Введение
Издавна в мире существует тенденция к снижению расхода топлива автомобилями для того, чтобы предотвратить глобальное потепление и сократить выбросы выхлопных газов, влияющие на здоровье человека.
Дизельные автомобили признали во всем мире благодаря хорошей экономии топлива, обеспечиваемой дизельным двигателем. Соединения, содержащиеся в выхлопных газах, содержащих выхлопные газы, такие как оксид кислорода, свинец, сера, сажа, должны соответствовать современным экологическим нормам. По этой причине с 1950-х годов активно внедряются технологии повышения экологичности дизельных двигателей.
Дизельный двигатель с системой топливоподачи Common Rail - это самый продвинутый шаг в эволюции дизельных двигателей с прямым впрыском. В отличие от классических дизельных ДВС низкого давления, такой тип двигателя оснащен топливным аккумулятором - рейкой, по которой дизельное топливо подается под высоким давлением и затем распределяется между электрическими форсунками. Крайние поколения систем Common Rail выделяются использованием новых технологий, которые позволяют впрыскивать топливо непосредственно в цилиндры при еще более высоком рабочем давлении.

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
6
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
1 Термины и определения
В данной выпускной квалификационной работе применяются следующие термины с соответствующими определениями:
1 Топливный насос высокого давления (ТНВД) – основной узел системы топливоподачи дизельного двигателя, предназначенный для подачи в цилиндры топлива под определенным давлением и в определенный момент цикла, точно отмеренных порций топлива, соответствующих данной нагрузке приложенной к коленчатому валу.
2 Техническое обслуживание (ТО) – профилактическое мероприятие, цель которого предупредить и отдалить момент достижения автомобилем и его элементами предельного состояния.
3 Аккумуляторная топливная система (Сommon Rail) — система подачи топлива, применяемая в дизельных двигателях.
4. Пьезоэлектричество — эффект продуцирования веществом
(кристаллом) электрической силы при изменении формы.
5. Форсунка, инжектор — механический распылитель жидкости или газа. Управляемый электромагнитный клапан.
6. Электронный блок управления (контроллер) — ЭБУ расположен под панелью приборов и представляет собой управляющий центр электронной системы управления двигателем.
7. Топливная рампа — элемент системы подачи топлива бензиновых инжекторных и дизельных аккумуляторных двигателей, в котором происходит накопление топлива для последующего его распределения по форсункам.

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
7
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
2 Сокращения
В данной выпускной квалификационной работе применяются следующие сокращения с соответствующими расшифровками:
1.
CR – система топливоподачи Common Rail
2.
ТВС – топливовоздушная смесь
3.
ОГ – отработавшие газы
4.
ТНВД – топливный насос высокого давления
5.
УОВ – угол опережения впрыска

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
8
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
3 История создания системы топливоподачи Common Rail и
ступени ее совершенствования
Система топливоподачи Common Rail - это самая современная система впрыска топлива дизельного ДВС. Принцип действия системы Common
Rail основан на подаче топлива к форсункам от топливной рампы, наподобие бензиновых ДВС (Common Rail в переводе с английского означает общая рампа). Система топливоподачи была разработана инженерами фирмы Bosch.
Наиболее популярными на сегодняшний день являются четыре типа систем Common Rail, названным по имени их производителя: Bosch, Delphi,
Denso и Siemens.
История создания системы Common Rail
Швейцарец Роберт Хубер в конце 1960-х годов изобрел опытный образец системы Common Rail. Потом Марко Гансер из Швейцарского
Федерального Института Технологии в Цюрихе продолжил работу над этой системой. В начале 90-х годов японцы Доктор Шохей Ито и Масахико
Мияки из Корпорации Denso, разработали систему Common Rail для коммерческого транспорта и внедрили ее в систему ECD-U2, использующуюся на грузовиках Hino Rising Ranger, а затем в 1995 году продали свою технологию другим корпорациям. Поэтому Denso считает себя новатором в адаптации системы Common Rail к новым требованиям автомобилестроения. Весомость данного факта оспаривает итальянский концерн FIAT, который регистрирует создание первого в мире автомобиля с прототипом дизельного ДВС с прямым впрыском в 1987 году (Chroma
TDid). В этот же период времени итальянцы начинают исследование над полностью электронным дизелем с принципом CR. Концепция получила название Unijet 1900 см
3

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
9
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Рисунок 1 – Прототип Common Rail Unijet 1900 cм
3
В настоящее время система CR работает по тому же принципу. Она управляется ЭБУ, который открывает каждый инжектор электронно, а не механически. Эта технология была разработана совместными усилиями компаний Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat и Elasis. Затем, Fiat изобрел прототип и принципиальную конструкцию системы в начале 1990-х годов
(название проекта Unijet), права на нее в 1993 году были проданы немецкому производителю Robert Bosch GmbH для завершения проектирования массового продукта. В общем и целом, это было большой ошибкой компании FIAT, потому что новая технология в будущем стала очень выгодна. Но итальянский концерн был в то время в плачевном финансовом состоянии и не имел денежных ресурсов для завершения выполненых работ. Стоит отметить, что итальянцы первыми применили

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
10
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата систему Common Rail в 1997 на Alfa Romeo 156 1.9 JTD (второе поколение системы СR с многоточечным впрыском Multijet), а только затем она появилась на Mercedes-Benz C 220 CDI. В начале 2000-х Fiat применили принцип Multijet на самом малобъемном на то время четырех-цилиндровом дизельном двигателе с объёмом 1300 см
3
. Двигатели с CR находят применение в энергетике, судостроении и при проектировке локомотивов.
Система Cooper-Bessemer GN-8 показала усовершенствованную систему
Common Rail, где используется гидравлический контроль.
Развитие системы впрыска Common Rail осуществляется по пути увеличения давления впрыска:
Рисунок 2 - 1 поколение СР1 – 140 МПа, с 1999 года;
Рисунок 3 - 2 поколение СР1Н – 160 МПа, с 2001 года;

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
11
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Рисунок 4 - 3 поколение СР3 – 180 МПа, с 2005 года;
Рисунок 5 - 4 поколение СР4 – 220 МПа, с 2009 года.
Таким образом, можно сделать вывод, что чем выше будет рабочее давление впрыска, тем большее количество горючего топлива можно впрыснуть в камеру сгорания за равный промежуток времени и, соответственно, получать наибольшую мощность

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
12
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
4 Принцип действия системы топливоподачи. Основные
характеристики и параметры
Работа аккумуляторной системы топливоподачи основана на том, что впрыскивание топлива и процессы создания высокого давления разделены.
Раздельно действием всех элементов топливной системы контролирует система электронного регулирования работы дизеля.
Рисунок 6 – Общая схема топливной системы топливоподачи Common
Rail
Бесперебойно функционирующий ТНВД с приводом от ДВС производит потребное давление впрыска, обеспечивая постоянную величину давления в топливной рампе, независимо от частоты вращения коленвала и расхода ТВС. Следовательно, ТНВД работает в постоянном режиме, с

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
13
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата наименьшими пиками крутящего момента и наименьшей пиковой производительностью, чем в классических системах впрыска. Поэтому, его габаритные размеры могут быть существенно компактнее, чем у классического ТНВД. Регулировка давления происходит с помощью клапана регулирования давления и/ или управлением на входе в ТНВД. Находящееся в рампе высокого давления ТВС подготовлена к впрыскиванию. Топливо из аккумулятора по топливопроводам высокого давления поступает к форсункам, которые производят его впрыск непосредственно в камеры сгорания ДВС. Каждая форсунка состоит в основном из распылителя и быстродействующего электромагнитного клапана, который управляет распылителем через механический привод. Электромагнитные клапаны приводятся в рабочее действие импульсами от ЭБУ работой дизеля. Объем впрыскиваемого топлива при постоянном рабочем давлении в топливной рампе пропорционально времени включения электромагнитного клапана и не зависит при этом от частоты вращения коленвала ДВС или частоты вращения вала ТНВД.
Основным параметром Common Rail является рабочее давление впрыска топлива в камеру сгорания ДВС. Оно увеличивалось в ходе технического прогресса и эволюции системы:
1 поколение – 140 МПа, с 1999 года;
2 поколение – 160 МПа, с 2001 года;
3 поколение – 180 МПа, с 2005 года;
4 поколение – 220 МПа, с 2009 года.

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
14
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
5
Особенности конструкции основных элементов систем
топливоподачи
ТНВД
Наиболее популярен и эффективен на сегодняшний день топливный насос фирмы Bosh серии СP4. ТНВД CP4 предназначен для создания в топливной магистрали рабочего давления до 1800 МПа, необходимого для работы системы впрыска. С помощью двух кулачков, развёрнутых на приводном вале на 180°, импульс рабочего давления формируется одновременно с впрыском во время рабочего такта конкретного цилиндра.
Это помогает обеспечить равномерную нагрузку на привод насоса и снижает колебания рабочего давления в области высокого давления.
Рисунок 7 – ТНВД фирмы Bosch серии СР4
Между приводными кулачками и плунжером насоса устанавливают ролик, который помогает снизить трение при передаче усилия. Для обеспечения каждого режима работы ДВС установлен дополнительный топливный насос, который подает необходимое количество ТВС. Через

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
15
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата дозирующий клапан ТВС попадает в область высокого давления двигателя.
Кулачки приводного вала приводят плунжер насоса в возвратно- поступательное движение. При возвратном движении плунжера объём камеры сжатия увеличивается. Из-за этого давление в камере сжатия падает по сравнению с давлением топлива в корпусе насоса. Под действием этого перепада давления создается разряжение и впускной клапан открывается, затем ТВС попадает в камеру сжатия. После начала движения плунжера в прямом направлении давление в камере сжатия возрастает, и впускной клапан закрывается. Как только давление в камере сжатия превысит давление в рампе, открывается выпускной (обратный) клапан, и топливо начинает поступать в рампу. Клапан дозирования топлива встроен в насос высокого давления. Он управляет подачей топлива в магистраль высокого давления в зависимости от потребности двигателя. Клапан дозирования топлива регулирует количество топлива, которое нужно закачать для создания скачка высокого давления. Преимущество этой конструкции состоит в том, что
ТНВД должен формировать импульсы давления только тогда, когда это необходимо для работы ДВС. Это позволяет снизить мощность, потребляемую насосом высокого давления, и исключить ненужный нагрев топлива. В обесточенном состоянии клапан дозирования топлива открыт. Для ограничения дозы топлива, подаваемого в камеру сжатия, управление клапана осуществляется от ЭБУ двигателя сигналом с широтноимпульсной модуляцией. С помощью такого импульсного сигнала клапан дозирования периодически закрывается. В зависимости от коэффициента заполнения сигнала изменяется положение сердечника, и, тем самым, регулируется количество ТВС в камере сжатия ТНВД. В случае отказа клапана, мощность двигателя уменьшается и система управления двигателя переходит в аварийный режим.

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
16
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Топливная рампа
Топливная рампа с датчиком давления топлива системы CR служит для аккумулирования топлива и распределения его по электромагнитным топливным форсункам.
ТВС в ней содержится под высоким давлением, и одновременно с этим топливная рампа смягчает колебания рабочего давления, которые возникают из-за пульсирующей подачи со стороны ТНВД, а также из-за работы электромагнитных форсунок во время впрыскивания. Этим обеспечивается постоянство рабочего давления впрыскивания при открытии форсунки.
Рисунок 8 – Топливная рампа фирмы Bosch
Топливо из ТНВД направляется через топливопровод высокого давления к впускному штуцеру топливного аккумулятора высокого давления.
Из рампы ТВС распределяется по выпускным штуцерам к отдельным электромагнитным топливным форсункам.
Рабочее давление ТВС внутри топливного аккумулятора измеряется датчиком давления топлива и ограничивается клапаном регулирования давления до максимально допустимой величины в зависимости от

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
17
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата параметров системы впрыска и под давлением поступает к электромагнитным топливным форсункам. Объем топливного аккумулятора постоянно наполнен ТВС, находящейся под давлением.
Величина рабочего давления в рампе всегда поддерживается на постоянном уровне даже при больших нагрузках на ДВС, когда возрастает расход ТВС. ТНВД системы Common Rail создает постоянное рабочее давление величиной до 1450 МПа для топливного аккумулятора высокого давления
Форсунка
Форсунка или инжектор является одной из главных частей системы впрыска и предназначена для дозированной подачи топлива и ТВС путем распыла в камере сгорания.
На современных
ДВС, как бензиновых, так и дизельных устанавливаются форсунки с электронным управлением впрыска.
По способу осуществления впрыска форсунки делятся на:

электромагнитная;

электрогидравлическая;

пьезоэлектрическая.
Электромагнитная форсунка
Электромагнитная форсунка устанавливается, как правило, на бензиновых двигателях, в том числе и с системой непосредственного впрыска.
Устройство электромагнитной форсунки
Электромагнитная форсунка работает следующим образом.
Электронный блок управления подает напряжение на обмотку возбуждения

ТПиТК 23.04.03 175
Лист
18
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата клапана. Под воздействием электромагнитного поля якорь на пружине и игла втягиваются внутрь, освобождая сопло. При этом происходит впрыск топлива. После прекращения подачи напряжения игла под воздействием пружины возвращается в исходное положение и закрывает сопло.
Рисунок 9 – Устройство электромагнитной форсунки
Электрогидравлическая форсунка
Электрогидравлическая форсунка используется на дизельных двигателях, в том числе оборудованных системой топливоподачи CR.
Принцип действия электрогидравлической форсунки