Система подачи топлива в дизельных двигателях: разновидности и отличия

Устройство

Дизели используют свойство солярки воспламеняться при высоком давлении. Именно поэтому особенностью устройства топливной системы у дизелей является наличие необходимости поддерживания высокого давления в системе.

При этом такие силовые агрегаты не имеют классических свечей накаливания, которые в бензиновых моторах воспламеняют смесь в цилиндрах.

Устройство топливной системы состоит из следующих элементов:

• Фильтр грубой и тонкой очистки;
• Топливный бак;
• Подкачивающий насос;
• Топливный насос высокого давления;
• Форсунки.

В зависимости от конкретной модификации силового агрегата топливная система дизельного двигателя может иметь различные дополнительные элементы. Автовладельцу лишь необходимо знать какая компрессия должна быть в моторе его автомобиля.

Устройство системы питания у дизельного двигателя отличается простотой.

Принцип работы следующий:

1. Из бака топливо при помощи топливного насоса высокого давления и дополнительного подкачивающего насоса помпового или шестеренчатого типа заканчивается в систему, проходя первоначально через фильтр грубой очистки, в котором из топливной смеси удаляются крупные включения.
2. Непосредственно перед топливным насосом располагается уже фильтр тонкой очистки.
3. Топливо через форсунки попадает в цилиндры, где под действием высокого давления, которое возникает за счет движения поршней, воспламеняется, что и приводит в движение поршни и коленвал.

За создание в системе колоссального давления отвечает ТНВД. Для начала разберем, что такое ТНВД. Большинство модификаций таких топливных насосов высокого давления приходит в движение от вращающегося вала, который связан с распредвалом. Конструкция топливного насоса высокого давления состоит из нескольких секций, число которых соответствует количеству цилиндров.

Непосредственно за подачу топлива в ТНВД отвечает подкачивающий насос, который забирает солярку из топливного бака. За дополнительное увеличение давления в системе отвечает специальный плунжер, который конструктивно находится за насосом высокого давления. Этот плунжер нагнетает топливо в форсунки, которые распыляют мельчайшие частички солярки внутри камеры сгорания.

Следует сказать, что использование сразу нескольких фильтрующих элементов обусловлено зависимостью долговечности и беспроблемности эксплуатации силового агрегата от качества используемого топлива

Именно поэтому вопросам качества используемой солярки необходимо уделить должное внимание

Сегодня не редкость изготовление топлива с большим содержанием серы. Удалить из топлива такую серу с помощью фильтрующих элементов невозможно. Тогда как такая сера в солярке приводит к появлению нагара в топливной системе дизельного двигателя.

Производительность и расход топлива

Очень часто мы слышим о том, что ездить на автомобилях с дизельными двигателями гораздо выгоднее, чем на бензиновых моделях. Но на самом деле все не так однозначно. Во-первых, новый дизельный автомобиль всегда будет дороже аналогичной версии с бензиновым ДВС. Во-вторых, стоимость дизельного топлива практически сравнялась с ценой бензина. В-третьих, стоимость ремонта дизельного агрегата в случае его поломки существенно выше, чем у бензинового двигателя. О возможности использования газобаллонного оборудования на бензиновых ДВС поговорим позже, но это тоже серьезный способ экономии.

Расход топлива дизельного мотора действительно значительно меньший. Но производительность – это козырь бензинового двигателя. В то же время дизельные ДВС могут похвастаться стабильной тягой практически во всем диапазоне оборотов, чего не скажешь об их бензиновых аналогах.

Отличия бензинового и дизельного двигателей

Но перед тем, как перейти к описанию принципа действия и конструкции топливной системы дизельного двигателя, целесообразно перечислить основные различия между двумя самыми распространенными видами силовых агрегатов. К их числу относятся такие:

1. Механизм работы. В бензиновом двигателе, включая самую востребованную разновидность – инжектор, воспламенение топливовоздушной смеси происходит посредством искры, вырабатываемой свечой, при температуре около 500 градусов, создающейся за счет нагнетания давления. Аналогичный процесс в дизеле осуществляется за счет самовоспламенения, происходящего при более высокой температуре – на уровне 900 градусов. Последняя достигается за счет сжатия исключительно воздуха, поступающего в камеру сгорания, внутри которой затем распыляется дизельное топливо.
2. КПД. Ключевое отличие, которое выражается в сниженном примерно на 15-20% расходе топлива, характерном для дизеля. В результате – даже с учетом выравнивания стоимости бензина и качественного дизельного топлива, использование рассматриваемого двигателя оказывается заметно экономичнее.
3. Экологичность. Еще один критерий, который в сегодняшних условиях приобретает особую актуальность. Дизельный ДВС в современной комплектации минимизирует количество вредных выбросов.
4. Безопасность. Дизельное топливо испаряется медленнее, что в сочетании с отсутствием системы зажигания сводит к минимуму или полностью исключает риск возгорания.
5. Срок службы. В случае использования качественного горючего дизель намного более долговечен, чем силовой агрегат на бензине.

Приведенный выше перечень содержит преимущества дизельного двигателя над бензиновым. Но можно выделить и несколько недостатков. Главный из них – более сложная конструкция, следствием которой выступают сразу два минуса. Первый – удорожание стоимости, конкретное значение которого зависит от модели ДВС. Второй – высокие требования к качеству и регулярности технического обслуживания транспортного средства, которое предусматривает частую замену фильтров и масла.

Дополнительным недостатком, характерным для российских климатических условий, становится сложность запуска при серьезных отрицательных температурах. Выбор в пользу дизельного или бензинового двигателя зависит от персональных предпочтений будущего владельца автомобиля.

Единственное, что необходимо отметить в завершение раздела – это присутствие весьма внушительного перечня достоинств для каждого из вариантов. Именно благодаря этому дизель широко используется для комплектования самых разных видов транспортных средств и спецтехники.

Элементы системы распределенного впрыска

Конечно, стоит перечислить все компоненты, с помощью которых работает эта система:

• Бензонасос. Работа бензонасоса заключается в подачи бензина в специальную рампу, в которой давление поддерживается на постоянном уровне за счет регулятора давления механического типа. В некоторых моделях регулятор давления и бензонасос совмещены;
• Форсунки, которые оборудованы специальными электромагнитными клапанами с возможностью регулировки производительности;
• Зажигательный модуль, с помощью которого происходит регуляция искрообразования. Обычно имеет два канала, работающих независимо друг от друга, с помощью которых происходит воспламенение смеси отдельно в 1 и 4, а также во 2 и 3 цилиндрах;
• Клапан предохранения, который необходим для защиты всех элементов системы от повышенного давления впрыска, оно наблюдается при температурном расширении топливной смеси;
• Регулятор холостого хода, который обеспечивает поддержание заданных оборотов;
• Вентилятор системного охлаждения, обороты которого регулируются электрически;
• Датчик расхода, с помощью которого подается информация на бортовой компьютер;
• Адсорбер, который необходим для регуляции паров бензина.

Система впрыска

Подачи топлива с впрыском во впускной трубопровод

В бензиновых двигателях используются системы подачи топлива с впрыском во впускной трубопровод различ­ной конфигурации, работающие при типичном значении давления 300 — 400 кПа (3-4 бар).

Система с возвратом топлива

Подача топлива и создание давления впрыска осуществляется электроприводным топливным насосом (см. рис. «Система подачи топлива с впрыском во впускной трубопровод с возвратом топлива в топливный бак» ). Топливо засасывается из топливного бака и, пройдя через топливный фильтр, по топливопроводу высокого давления поступает в смонтированную на двигателе то­пливную рампу. Из топливной рампы топливо подается к форсункам. Регулятор давления то­плива, установленный на рампе, поддерживает постоянный перепад давления между топлив­ными форсунками и впускным трубопроводом независимо от абсолютного давления во впуск­ном трубопроводе, т.е. нагрузки двигателя.

Излишки топлива возвращаются в топлив­ный бак по возвратной линии, подсоединенной к регулятору давления топлива. Избыточное то­пливо, нагретое в моторном отсеке, вызывает повышение температуры топлива в топливном баке. При этом увеличивается выделение па­ров топлива. В соответствии с требованиями к защите окружающей среды пары топлива собираются системой улавливания паров то­плива. Далее они направляются в угольный фильтр для временного хранения до возврата во впускной трубопровод для сжигания в двигателе ().

Система без возврата топлива

В такой системе подачи топлива регулятор давления располагается в топливном баке или вблизи него, что исключает необходи­мость в линии возврата топлива из двига­теля в топливный бак.

Поскольку регулятор давления топлива, за счет места его установки, не связан с впуск­ным трубопроводом, относительное давление впрыска не зависит от нагрузки двигателя. Это учитывается при вычислении продолжитель­ности впрыска в блоке управления двигателем

В топливную рампу подается только такое количество топлива, которое подлежит впры­ску. Излишнее топливо, подаваемое электроприводным топливным насосом, возвращается прямо в топливный бак, не проходя длинный путь через моторный отсек. Таким образом, нагрев топлива в топливном баке и, следова­тельно, выделение паров топлива значительно ниже, чем в системах с возвратом топлива.

В связи с этими преимуществами в на­стоящее время в основном используются системы подачи без возврата топлива.

Подача топлива без возврата топлива с регулированием по потребности

В системе подачи топлива с регулированием по потребности топливный насос подает только количество топлива, требуемое в данный мо­мент времени для двигателя и необходимое для создания требуемого давления. Регулирова­ние давления топлива осуществляется блоком управления двигателем в режиме замкнутого регулирования. Текущее давление топлива регистрируется датчиком низкого давления (см. рис. «Система подачи топлива с впрыском во впускной трубопровод с регулированием по потребности» ). Это исключает необходимость в регуляторе давления топлива. Регулирование объемного расхода топлива осуществляется посредством изменения напряжения питания топливного насоса, осуществляемого специаль­ным модулем в блоке управления двигателем.

Система снабжена предохранительным клапаном, предотвращающим чрезмерное повышение давления даже после отсечки подачи топлива или выключения двигателя.

Регулирование по потребности позволяет избежать подачи избыточного топлива и, сле­довательно, свести к минимуму требуемую производительность топливного насоса. Это дает снижение расхода топлива по сравнению с системами с неуправляемым электроприводным топливным насосом. Применение таких систем позволяет в еще большей степени сни­зить температуру топлива в топливном баке.

Еще одно преимущество системы регули­рованием по потребности заключается в воз­можности регулирования давления топлива. С одной стороны, давление может быть уве­личено во время пуска горячего двигателя во избежание образования пузырьков паров топлива. С другой стороны, прежде всего, на двигателях с наддувом появляется возмож­ность впрыска как очень больших, так и очень малых количеств топлива, повышая давление топлива при полной нагрузке и снижая его при низкой нагрузке двигателя.

Кроме того, измерение давления топлива в та­кой системе дает дополнительные возможности диагностики по сравнению с другими системами. За счет учета текущего давления топлива при вычислении продолжительности впрыска обе­спечивается более точное дозирование топлива.

Носители системы

На данный момент[когда?

] до 70 % всех выпускаемых дизельных двигателей оснащается системамиcommon rail , и эта доля растёт. По прогнозам компании Robert Bosch GmbH доля системы CR на рынке к 2021 году достигнет 83 %, а в 2008 году их число составляло лишь 24 %. Таким образом, сегодня практически каждый производитель двигателей всех классов: от малых легковых и до крупных судовых, освоил применение аккумуляторных систем.

Среди производителей топливоподающей аппаратуры и систем common rail

в частности, лидерами являются следующие компании: R. Bosch, Denso, Siemens VDO, Delphi, L’Orange, Scania.

Форсунки

Большинство современных моделей дизелей используют специальные форсунки высокого давления, которые позволяют максимально качественно распрыскивать топливную смесь внутри цилиндра. Следует сказать, что чем мельче частички топливной смеси, тем устойчивее работа силового агрегата.

Современные форсунки изготавливаются с многочисленными отверстиями, поэтому распыление топливной смеси происходит во всех направлениях равномерно. Такие форсунки в процессе эксплуатации автомобиля могут выходить из строя, что приводит к необходимости их замены.

Для чего нужна топливная система?

В системах с общими рельсами топливо подается на двигатель под давлением с электронным управлением. Это обеспечивает уровень гибкости, который может быть использован для ведущих классов управления выбросами, потребления энергии и топлива. Топливо в электронном управляемом двигателе хранится при переменном давлении в цилиндре или «рельсе», соединенном с топливными инжекторами двигателя через отдельные трубы, что делает его «общей шиной» для всех форсунок. Давление контролируется топливным насосом, но это топливные форсунки, работающие параллельно с топливным насосом, которые контролируют время впрыска топлива и количество впрыскиваемого топлива.

Подача топлива в камеру сгорания выполняется форсунками под колоссальным давлением. В том числе и за счет такого высокого давления создаваемого форсунками происходит воспламенение топливной смеси.

Требования к дизельной топливной смеси

В отличие от ранее механические системы полагаются на топливный насос для давления, времени и количества. Непрямая система впрыска в старых двигателях вводила топливо в камеру предварительного сгорания, которая затем подавала основную камеру сгорания. Это позволяет в любое время допускать множественные инъекции при любом давлении, обеспечивая гибкость, которая может быть использована для повышения мощности, расхода топлива и контроля выбросов. Опыт, накопленный за последние 10 лет, гарантирует, что мы предоставим компетентный и способный продукт на переднем крае решений для первичных двигателей.

“Именно в высоком давлении в системе и состоит основное отличие дизельного силового агрегата от бензинового мотора. Если в бензиновых силовых агрегатах воспламенение бензина происходит за счет искры от свечей зажигания, то в дизелях смесь воспламеняется самостоятельно за счет высокого давления.

Что входит в топливную систему дизельного двигателя

Для большей наглядности механизма действия дизеля необходимо рассмотреть основные элементы топливной системы. Это позволит лучше понять, за счет чего достигается настолько эффективная работа двигателя.

Топливный бак

Предназначен для размещения и хранения дизельного топлива, которое часто называют просто – соляркой. Соединяется с топливной системой посредством трубопроводов. Ключевые требования к баку – прочность, надежность и вместимость. Последний параметр определяет максимальную дальность поездки, но регламентируется итоговой массой топливной емкости, которая зависит от грузоподъемности транспортного средства.

Топливоподкачивающий насос

Другое часто используемое название – топливный насос низкого давления или ТННД. Единственная функция устройства – забор топлива и его последующее перемещение к фильтрам грубой и тонкой очистки. После этого очищенное горючее направляется в отсек высокого давления, а дальнейшая транспортировка осуществляется посредством ТНВД.

Фильтры очистки

Топливный фильтр – это важный элемент современных дизельных моторов. Чистота и качество используемой солярки оказывают непосредственное влияние как на КПД, так и на срок эксплуатации дизеля. Именно поэтому горючее – даже самое качественное – в обязательном порядке проходит очистку, как минимум, двумя фильтрами.

Топливный насос высокого давления (ТНВД)

Обеспечивает перемещение солярки в отсеке высокого давления. Сначала горючее поступает по трубопроводам от фильтров к форсункам. Затем происходит его распыление и впрыскивание в камеру сгорания. Характерной особенностью дизелей выступает подача топлива с запасом.

В результате излишки отводятся вместе с воздухом, не попавшим в камеру сгорания, в бак по специальному трубопроводу, который называется дренажным. Ключевой функцией ТНВД выступает нагнетание давления топлива, необходимого для самовоспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания. Без точного выполнения этого условия невозможно добиться требуемой эффективности работы всего двигателя.

В их число входит как современная автоматика, управляющая работой устройства, так и большое количество комплектующих – от вращающегося вала с кулачками до поршня-плунжера, обеспечивающих эффективность двухступенчатой процедуры впрыска топлива в камеры сгорания.

Форсунки

Не меньшее значение для достижения необходимого уровня КПД дизеля имеет еще один элемент топливной системы – топливные форсунки, которые установлены на каждом цилиндре двигателя. Их функциональное предназначение – смешивание горючего с воздухом в нужной пропорции с последующим точным дозированием смеси, поступающей в камеру сгорания.

Оно достигается за счет специальных распределителей, позволяющих не только дозировать нужный объем горючего, но и распылить его в процессе прохождения через форсунку. Именно за счет этого активируется процесс самовоспламенения и последующего сгорания топливовоздушной смеси.

Современные дизели обычно комплектуются форсунками с двумя типами распределителей – шрифтовыми или многодырчатыми. Независимо от конструктивных различий, речь идет об эксплуатации в очень сложных и тяжелых условиях. Они выражаются в непосредственном контакте с камерой сгорания и, как следствие, серьезных нагрузках от воздействия высоких температур и давления.

Добиться выполнения обоих условий удается только при очень высокой точности изготовления отдельных деталей, причем в качестве сырья используются специальные сплавы. Они обладают повышенными характеристиками в части прочности и жаростойкости.

Основные типы топливных систем дизеля

Наибольшее распространение получили 4 типа топливных систем дизельных моторов:

• рядный ТНВД
• ТНВД распределительного типа
• насос-форсунки
• система Common Rail

Рядный ТНВД – проверенное десятилетиями решение, которое активно применяется на грузовой и специальной технике с дизельными моторами. В основе этой системы подачи топлива находится работа плунжерной пары. Цилиндр движется в гильзе, создавая давление и сжимая топливо до необходимых показателей. Как только они достигнуты, открывается специальный клапан, подающий топливо на форсунку, которая впрыскивает его в цилиндр. Плунжер в это время движется вниз, открывает канал для впуска горючего в пространство гильзы с помощью топливоподкачивающего насоса, и цикл повторяется.

Работа самого плунжера становится возможна благодаря кулачковому валу, который приводится от мотора. Кулачки «толкают» клапана, а мкфта опережения впрыска, соединяющая ТНВД и двигатель, корректирует работу топливной системы.

Неоспоримые достоинства системы подачи топлива с рядными ТНВД – их ремонтопригодность и доступность обслуживания.

ТНВД распределительного типа конструктивно напоминает рядный топливный насос. Отличие заключается в количестве плунжерных пар. Если в рядном ТНВД одна пара идет на один цилиндр, то в распределительном работы одной плунжерной пары достаточно, чтобы обслуживать два, три, и даже шесть цилиндров. Это достигается через опцию вращения плунжера вокруг оси. Вращаясь, плунжер поочередно открывает выпускные клапана, подавая горючее на форсунки нескольких цилиндров.

Эволюция распределительных ТНВД привела к тому, что появились уже роторные топливные насосы: в них плунжеры помещаются в ротор и в процессе работы движутся навстречу двуг другу, пока ротор вращает их, распределяя тем самым топливо по камере сгорания.

Преимущество системы подачи топлива с распределительным ТНВД – компактность самого устройства. Недостатки – сложность настройки, применение схем электронного управления и корректировки работы.

Система подачи топлива в цилиндр с помощью насос-форсунок вообще исключает необходимость ТНВД как отдельного элемента. В этом случае, форсунка и насосная секция – это один узел в общем корпусе.

В результате достигается легкость регулировки подачи топлива в конкретный цилиндр, а при выходе из строя одной насос-форсунки, остальные продолжают работать, что облегчает ремонт. Конструктивно, насос-форсунки приводят в действие плунжеры распредвал ГРМ в головке блока цилиндров.

Система подачи топлива насос-форсунками распространена не только на грузовых, но и на легковых автомобилях. К недостаткам ее можно отнести высокую стоимость запчастей, а также крайнюю чувствительность к качеству дизельного топлива. Мельчайшие примеси в горючем могут легко вывести из строя насос-форсунку, что отражается на стоимости эксплуатации такого решения в личном автомобиле.

Система Common Rail стала своего рода прорывом в части решения механизма подачи топлива в дизельных ДВС. Эта система позволяет экономить топливо при высоком КПД дизеля, что и сделало ее такой популярной. Common Rail придумали инженеры Bosch еще в 90-х годах. Сегодня большинство дизельного транспорта оснащается именно Коммон Реил.

Главное отличие этой системы – наличие аккумулятора высокого давления в общей магистрали. Туда топливо нагнетается отдельным ТНВД, чтобы затем под постоянным давлением подаваться на форсунки. Именно постоянство давления дает возможность быстро и эффективно впрыскивать горючее в цилиндр. Как результат – производительная, мягкая и комфортная работа дизельного двигателя. Бонусом – упрощение конструкции самого ТНВД в системе Common Rail.

Управляется работа системы отдельным ЭБУ: группа датчиков сообщает контроллеру, сколько и как скоро нужно подать дизельное топливо в цилиндры. С другой стороны, сложность и недостаток Коммон Реил обусловлена как раз умной электроникой и принципом работы системы. Поэтому владельцам таких решений стоит выбирать качественное топливо и своевременно менять топливные фильтры.

О том, как еще продлить жизнь вашего дизельного двигателя, мы писали здесь.

Если вы в поиске качественных запчастей для своего дизельного двигателя, проверьте наш каталог

Какой экономичнее?

Подавляющее большинство дизельных машин потребляют в городе, на шоссе или в смешанном цикле меньше топлива, чем их бензиновый аналог. Такое различие заключается в системе сгорания в цилиндрах топливовоздушной смеси:

• на смесь бензиновых двигателей оказывается меньшее давление, за счет чего температура её сгорания ниже – порядка 500C0;
• высокая степень сжатия в цилиндрах дизельного двигателя доводит смесь до отметки в 900C0.

Отсюда следует, что агрегаты, работающие на солярке, обладают большим процентом сгорания и скоростью образования топливовоздушной смеси. Таким образом, если двигатель затрачивает меньше топлива для получения энергии идущей на создание необходимого крутящего момента – его экономичность выше.

Современный легковой автомобиль на дизельном топливе проезжает на 30% больше, чем его бензиновый собрат. Ко всему прочему, стоимость бензина на автозаправочных станциях превышает стоимость дизеля, что тоже сокращает затраты.

Насос-форсунки

В СВДТ с насос-форсунками форсунки и плунжеры составляют единую конструкцию. Запуск узла осуществляется от распредвала (за счёт механической рейки + регуляторов или чаще электромагнитных клапанов — последние обеспечивают лучшую производительность и точность дозирования топливной смеси).

Давление можно увеличивать максимально быстро и при этом — на существенные значения. Это возможно благодаря тому, что магистрали высокого давления у СВДТ с насос-форсунками — очень короткие, а усилие от кулачков через коромысло направлено непосредственно к насос-форсунке.

Впрыск — многофазный:

Предварительный. Обеспечивает смеси дальнейшую плавность сгорания.

Основной. Осуществляется при целенаправленном движении плунжера вниз, направлен на качественное смесеобразование во всех режимах работы ДВС. чем больше давление, тем больше дизеля впрыскивается в камеру ДВС.

Дополнительный — очищающий. Плунжер продолжает двигаться вниз. Из фильтра интенсивно уходит сажа.
Кстати, у ряда автомобилистов часто возникает вопрос. “Сажа? Но откуда?” Ведь многие годы дизельные ДВС называли более чистыми, нежели бензиновые

Однако во внимание не бралось одно существенное «но». При сильном разгоне образуется достаточно много сажи.

Особенно эта проблема актуальна для решений с механическим управлением дозирования топливной смеси. Если же речь идёт о решениях, управляемых электроникой, всё существенно лучше, выхлопы — чище. А вот весомый плюс всех решений с насос-форсунками, так это то, что производитель может позволить более высокую мощность ДВС, нежели в случае с рядным и распределительным насосом, дизтоплива водителю требуется меньше, уровень шума существенно уменьшается.