Содержание
В описании практически любого современного автомобиля, оснащенного дизельной силовой установкой, можно увидеть информацию, что в двигателе используется система впрыска Common Rail. Причем встречается она на любой технике, использующей этот вид топлива, от легковых автомобилей до карьерных и сельскохозяйственных машин. Но далеко не все знают, в чем особенность этой системы, благодаря чему она получила такое широкое распространение и какие у нее достоинства и отрицательные качества.
Система впрыска Common Rail сейчас считается самой передовой технологией обеспечения подачи дизтоплива в дизельных силовых установках. Появилась она сравнительно недавно, первый автомобиль, оснащенный этой системой, выпустили в 1997 году. Но при этом Common Rail стремительно набрал популярность и практически все дизельные установки им сейчас оснащаются. Помимо указанного названия, имеется еще одно – аккумуляторная топливная система.
Особенность системы, ее составные части
Если в целом посмотреть на устройство Common Rail, то можно обнаружить очень сильное сходство с инжекторными бензиновыми системами питания, особенно непосредственного впрыска. По сути, конструкторы просто позаимствовали все положительные качества, которыми обладает инжектор, и перенесли их на дизельную установку, но с учетом особенностей работы этого типа мотора.
Особенность этой системы, по отношению к классической механической, заключена в предварительном аккумулировании давления топлива перед подачей его в цилиндры. Отсюда и название – аккумуляторная топливная система.
Как и ранее на дизельных моторах, система питания делится на два контура – низкого и высокого давления. Дополнительно в конструкцию Common Rail добавили электронную часть, осуществляющей контроль и управление исполнительной частью.
Контур низкого давления
Эта составляющая конструктивно практически не изменилась. В его состав входят:
- бак,
- фильтрующие элементы (грубой и тонкой очистки);
- насос подкачки топлива;
- топливные трубопроводы.
Контур низкого давления
Дополнительно в этот контур включены еще некоторые детали – охладитель и подогреватель топлива, а также отсекатель. Об этих составных частях – ниже.
Контур высокого давления
А вот этот контур конструктивно значительно изменился, поскольку в него добавились новые составные элементы. Устройство этой части включает в себя:
- ТНВД;
- магистраль высокого давления;
- центральный магистральный трубопровод (рампа);
- форсунки;
- датчик и клапан регулировки давления.
Контур высокого давления
Суть этой конструкции заключена в том, что насос высокого давления качает топливо не к каждой форсунке по отдельности, как это было в механической системе, а закачивает его в магистральный трубопровод (рампу). А уже из нее оно подается на форсунки.
Использование в конструкции рампы позволяет поддерживать давление дизтоплива перед подачей в требуемом значении, при этом обороты мотора не оказывают на него никакого влияния. Это свою очередь оказывает положительное влияние на процесс подачи топлива при разных режимах функционирования мотора.
Основными рабочими элементами в этом контуре, как и раннее, являются ТНВД и форсунки.
Насос имеет механический привод, а количество плунжерных пар, создающих давление, может варьироваться от 1 до 3. Примечательно, что в таком насосе, поскольку нет надобности качать для каждой форсунки, на некоторых режимах плунжерные пары могут отключаться.
А вот форсунки конструктивно изменились. В Common Rail применяются электрогидравлические форсунки, оснащенные электромагнитными или пьезоэлектрическими клапанами управления. Применение их позволило обеспечить многократный впрыск, повышающий эффективность работы силовой установки.
Электронная составляющая
Что касается электронной части, то она практически полностью идентична используемой на инжекторных моторах. То есть, состоит она из электронного блока управления и ряда датчиков:
- давления в магистральном трубопроводе;
- скорости вращения коленвала;
- положения акселератора (педали газа);
- расхода воздуха;
- лямбда-зонда;
- температуры дизтоплива и воздуха.
На некоторых моторах применяется еще ряд других датчиков. Назначение электронной части идентично бензиновому мотору. Датчики передают информацию о работе систем и механизмов силовой установки и ряд других параметров. Поступающие данные блок сравнивает с табличными, занесенными в память, и на основе этого подает импульс на срабатывание форсунок.
Принцип действия
Теперь о том, как работает Common Rail. Первый контур особо рассматривать нечего. В его задачу входит очистка и подача топлива к ТНВД. Единственное, что можно отметить, так это то, что топливоподкачивающий насос может быть механическим, интегрированным в ТНВД, или же электрическим, установленным отдельно в топливную магистраль.
Принцип работы ТНВД тоже остался прежним. Имеющиеся в конструкции плунжерные пары при работе сжимают дизтопливо, из-за этого повышается давление, и выталкивают его дальше. Но если раннее, в классической системе, водитель регулировал количество дизтоплива, которое будет подвергаться сжатию, то в Common Rail такой надобности нет. В ней плунжерные пары работают со определенными порциями топлива, которые не изменяются. Единственное, на создаваемое насосом давление может повлиять блок управления, при надобности отключив плунжерную пару.
Из ТНВД дизтопливо, уже сжатое, по магистрали подается в рампу. За счет установленных на этой рампе датчика и клапана регулировки осуществляется аккумуляция (наращивание) давления до требуемых значений.
Происходит это так: насос, независимо от работы силовой установки постоянно качает топливо, за счет этого давление в магистральном трубопроводе постоянно возрастает. При этом значение давления постоянно контролируется ЭБУ благодаря датчику. Подержание его в требуемом диапазоне для того или иного режима работы силовой установки осуществляется клапаном регулировки. Если давление возрастает выше нормы, электронный блок подает сигнал на открытие этого клапана и часть топлива по сливной магистрали сбрасывается в бак, тем самым и производится регулировка.
Помимо аккумуляции давления, рампа выполняет еще одну функцию – сглаживает «толчки» дизтоплива, закачиваемого насосом и устраняет колебания давления при его падении при впрыске.
Топливо сливается не напрямую, а проходит через охладитель, поскольку при сжатии оно достаточно сильно разогревается. Что касается подогревателя, то он включен в первый контур и обеспечивает нагрев дизтоплива для повышения его текучести при сниженных температурах окружающей среды. В задачу же отсекателя входит прекращение подачи дизтоплива на ТНВД в случае возникновения нарушения в системе.
Топливная рампа посредством магистралей соединена с всеми форсунками. А далее уже при надобности происходит открытие той или иной форсунки для впрыскивания порции дизтоплива в камеру сгорания.
Особенности работы форсунок
Но форсунки в системе впрыска Common Rail функционируют не так, как на механической схеме. Если раннее их открытие осуществлялось за счет превышения определенного значения давления, то здесь этим процессом полностью управляет ЭБУ.
Принцип работы электрогидравлических форсунок следует рассмотреть несколько подробнее. Открытие для подачи топлива осуществляется все так же – за счет давления, но сам принцип работы несколько иной.
Суть такова: на запорной игле распылителя сделан ободок, который играет роль поршня. Топливо под давлением подается и под этот поршень, и над ним. За счет равности давления и усилия пружины игла прижата к седлу и распылитель закрыт.
Пространство над иглой объединено каналом с магистралью слива. Но в этом канале размещается электромагнитный или пьезоэлектрический клапан, который перекрывает его.
Срабатывание форсунки делается за счет подаваемого электрического сигнала с блока. Он, поступая на клапан, приводит к его открытию, при этом канал отпирается и топливо из пространства над иглой уходит в сливную магистраль. В результате появляется разница давления и дизтопливо, находящееся под иглой, преодолевая усилие пружинки, приподнимает ее, открывая отверстия распылителя – происходит впрыск. Как только сигнал с ЭБУ пропадет, давление сразу же выровняется, и форсунка закрывается.
Подача топлива
Уже упоминалось, что система впрыска Common Rail использует многократную подачу дизтоплива в цилиндр за один рабочий цикл мотора. Всего применяется три вида впрыска – предварительный, основной и дополнительный.
Предварительный впрыск «подготавливает» среду. Небольшое количество топлива, впрыснутое чуть раньше, приводит к возрастанию давления и температуры в камере сгорания. В дальнейшем это обеспечивает легкое и плавное воспламенение основной части горючей смеси. Благодаря этому впрыску шумность работы дизельной силовой установки снижается.
При основном впрыске в камеру сгорания подается рабочая порция дизтоплива, которая и обеспечивает работу силовой установки.
Дополнительный впрыск происходит уже на цикле рабочего хода, после того, как смесь сгорела. В задачу этого впрыска входит увеличение температуры отработанных газов, обеспечивая сгорание частиц сажи в сажевом фильтре. Тем самым повышается экологичность выхлопа.
График впрыска топлива
Интересно, что ЭБУ может регулировать многократный впрыск, подстраивая подачу под определенные условия работы силовой установки. К примеру, на холостом ходу предварительных впрысков топлива может быть два, чтобы обеспечить более лучшие условия для сгорания основной порции дизтоплива. При средней же нагрузке предварительно топливо подается только раз, а при максимальной подготовка уже не требуется.
Как видно, водитель на процесс работы системы Common Rail практически не влияет. Даже нажимая на педаль акселератора, он просто подает сигнал на ЭБУ, который затем обработается и учтется при формировании импульса на открытие форсунок. Вся работа системы питания полностью контролируется и регулируется электронной частью.
Достоинства и недостатки
Несмотря на то, что эта система питания дизеля, сравнительно «молодая», но уже существует несколько ее поколений. Причем разница между ними сводится лишь к давлению впрыска. Ведь чем оно выше, тем лучше наполняемость цилиндра за единицу времени (форсунка сможет больше впрыснуть), а это в свою очередь – больший выход мощности. Так, у первого поколения Common Rail рабочее давление составляло 1350 Бар, а у четвертого – уже 2200 Бар.
Система впрыска Audi 3-го поколения
Широкое распространение эта система питания получила благодаря ряду преимуществ перед классической:
- Высокая точность дозировки топлива. Электронный блок полностью контролирует параметры работы силовой установки и мгновенно реагирует на изменение режима работы, подстраивая под него подачу топлива. Тем самым достигается еще большая экономичность двигателя при лучшем выходе мощности.
- Давление в системе поддерживается в строго заданных параметрах, что обеспечивает нормальное наполнение цилиндров независимо от скорости вращения коленчатого вала и режима работы (особенно это важно на холостом ходу, и при малых оборотах).
- В этой системе не требуется подстраивать работу ТНВД под рабочие циклы, его задача – лишь нагнетать в рампу топливо, а за всем остальным следит ЭБУ. К тому же ТНВД конструктивно проще, поэтому легче поддается ремонту.
- Возможность использования многократного впрыска. Многоразовая подача топлива за один рабочий цикл обеспечивает оптимизацию процессов сгорания в камере сгорания, что снижает шумность работы мотора и повышает его экологичность.
Благодаря таким преимуществам эта система питания и стала столь востребованной, тем более, что она полностью вписывается в нормы экологичности Евро-4.
Но и без недостатков не обошлось. Они у этой системы такие:
- Более сложная конструкция форсунок сказывается на ресурсе их работы;
- Система в случае разгерметизации контура высокого давления полностью перестает функционировать. Если раннее зависание одной из форсунок в открытом положении становилось причиной перебоев, но сам двигатель продолжал работать, то в Common Rail при заклинивании клапана управления сработает отсекатель и мотор прекратит работать;
- Система питания Common Rail более требовательна к чистоте топлива.
Пока система Common Rail считается самой лучшей для использования на дизельных двигателях, и альтернатива ей вряд ли скоро появиться.
Система впрыска Common Rail является прогрессивной системой впрыска, которая применяется в большинстве современных дизельных двигателей. Данная система предусматривает разделение всех процессов при подаче и впрыске топлива. Система данного типа была разработана ведущими специалистами компании Bosch.
Использование подобной системы позволяет в значительной степени снизить расход дизтоплива, уменьшить токсичность и шумность дизелей. Именно поэтому к существенным преимуществам системы Common Rail можно отнести широкий диапазон утанавливаемого давления при подаче топлива на различных рабочих режимах двигателя, а также контроль над моментом впрыска.
Устройство системы Common Rail
Система впрыска данного типа является двухконтурной, в состав которой входят:
- контур ВД (высокого давления), оснащенный топливным насосом высокого давления (ТНВД); форсунки, дозирующий клапан, контрольный клапан (регулятор давления), рампа и аккумулятор;
- контур НД (низкого давления) с топливным электронасосом; компенсационный бачок, фильтр, насос шестеренного типа
Из топливного бака с помощью насоса низкого давления топливная смесь проходит через фильтр и компенсационный бачок и попадает в ТНВД. Далее топливный насос перекачивает дизтопливо в аккумулятор под высоким давлением. Из аккумулятора топливо поступает в форсунки, а в дальнейшем распрыскивается в камеру сгорания.
Топливный насос
ТНВД используется для подачи топлива в топливную рампу под высоким давлением до 1600 бар.
Форсунки
Основным назначением форсунок является подача ТС в камеру сгорания через впускные клапаны. Форсунки соединяются с рампой при помощи топливных подводов. В подобной системе используется два вида форсунок – пьезофорсунки и электрогидравлические форсунки.
Дозирующий клапан
Клапан данного типа предназначен для замера нужного объема дизтоплива, поступающего в топливный насос.
Контрольный клапан
Такой клапан используется для контроля над давлением топлива, которое создается в топливной системе при различных рабочих режимах двигателя. Клапан располагается на рампе.
Рампа
Рампа выполняет несколько функций – накапливает дизтопливо под высоким давлением, а также выравнивает любые скачки давления, которые появляются во время распределения топлива по форсункам.
Блок управления
Все рабочие процессы, которые происходят в топливной системе дизельных двигателей, контролируются блоком управления. Сама же система управления состоит из блока управления, датчиков и механизмов исполнения.
В системе Common Rail, впрочем, как и в любой другой топливной системе предусмотрены стандартные входные датчики для определения количества оборотов двигателя, температурного режима поступающего воздуха, давления топливной смеси, уровня кислорода, температуры жидкости-хладагента, положения педали акселератора и др.
К механизмам исполнения можно отнести форсунки, клапан дозирования ТС и контрольный клапан.
Принцип работы системы Common Rail
В данной системе впрыска предусмотрена многократная подача топлива на протяжении одного рабочего цикла ДВС. Итак, подача топлива в Common Rail включает в себя три этапа впрыска – предварительный, основной и дополнительный.
На этапе предварительного впрыска топливо подается в небольшом количестве с целью повышения температуры и давления внутри камеры. Это позволяет ускорить воспламенение топливной смеси, снизить уровень шума и токсичности двигателя.
Количество предварительных впрысков зависит от рабочих режимов двигателя:
- для работы двигателя вхолостую допускается два предварительных впрыска;
- для работы двигателя на высоких оборотах допускается только один предварительный впрыск;
- для работы двигателя на полной мощности предварительный впрыск исключен.
Основная подача топлива обеспечивает прохождение всех основных рабочих циклов двигателя.
Дополнительный впрыск необходим только для увеличения температуры выхлопных газов и удаления микрочастиц сажи в предназначенном для этого фильтре.
Система постоянно совершенствуется, и основным параметром, который успешно удалось изменить, является уровень рабочего давления подачи топлива.
Если еще в 1999 году максимальное давление для подачи топлива составляло 140 МПа, то в 2009 году оно достигло уровня в 220 МПа. Здесь все просто, чем выше уровень давления, тем больше объем топлива подается в систему, а, значит, выше мощность ДВС.
Аккумуляторная топливная система или система типа «коммон рэйл» (англ. common rail — общая магистраль) — система подачи топлива, применяемая в дизельных двигателях. В системе типа common rail насос высокого давления нагнетает дизельное топливо под высоким давлением (до 300 МПа, в зависимости от режима работы двигателя) в общую топливную магистраль существенного объёма (аккумулятор) [1] .
Управляемые электроникой электрогидравлические форсунки с электромагнитным или пьезоэлектрическим приводом управляющих клапанов впрыскивают дизельное топливо под высоким давлением в цилиндры. В зависимости от конструкции форсунок и класса двигателя, может впрыскиваться до 9 порций топлива за 1 цикл.
Одной из ключевых особенностей систем common rail является независимость процессов впрыскивания от угла поворота коленчатого вала и от режима работы двигателя, что делает возможным достижение высокого давления впрыскивания на частичных режимах, что необходимо для удовлетворения современных и перспективных экологических требований.
Содержание
Конструкция и принцип действия [ править | править код ]
Топливо из топливного бака забирается топливоподкачивающим насосом (низкого давления), и через топливный фильтр поступает в топливный насос высокого давления (ТНВД). ТНВД подаёт топливо в напорную магистраль, которая играет роль аккумулятора давления. Блок управления регулирует производительность ТНВД для поддержания необходимого давления в магистрали по мере расхода топлива.
Топливная магистраль соединяется топливопроводами с форсунками. В каждую форсунку встроен управляющий клапан — электромагнитный или пьезоэлектрический. По команде от блока управления клапан открывается, впрыскивая необходимую порцию топлива в цилиндр.
Сравнение с другими системами подачи топлива [ править | править код ]
- В отличие от традиционной системы подачи топлива, используется одноканальный ТНВД, постоянно подающий топливо в магистраль;
- Необходимо корректировать цикл работы исходя из пропускной способности каждой форсунки, из-за чего требуется настройка электронного блока после каждой замены форсунок.
- Давление, при котором происходит впрыск топлива, можно поддерживать вне зависимости от скорости вращения коленчатого вала двигателя и оно остаётся практически постоянно высоким в течение всего цикла подачи топлива, что особенно важно для стабилизации горения на холостом ходу и на малых оборотах при работе с частичной нагрузкой;
- При использовании аккумуляторной системы подачи топлива момент начала и конца подачи может в широких пределах регулироваться ЭБУ. Это позволяет более точно дозировать топливо, а также осуществлять подачу топлива несколькими порциями в течение рабочего цикла — для более полного сгорания топлива;
- Конструкция common rail проще, чем у системы ТНВД с форсунками, её ремонтопригодность выше.
- Более сложные форсунки, которые требуют относительно частой замены, по сравнению с традиционной системой подачи топлива;
- Система перестаёт работать при разгерметизации любого элемента высокого давления, например, при неисправности одной из форсунок, когда её клапан постоянно находится в открытом положении;
- Более высокие требования к качеству топлива, чем у традиционных систем.
Таким образом, для удовлетворения перспективных экологических нормативов, таких как Euro-VI, Tier-IV, Euro Stage IV для тяжёлых дизелей, системы common rail были признаны наиболее подходящими для дизелей всех классов.
Носители системы [ править | править код ]
На данный момент до 70 % всех выпускаемых дизельных двигателей оснащается системами common rail, и эта доля растёт [2] . По прогнозам компании Robert Bosch GmbH доля системы CR на рынке к 2016 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, Delphi, L’Orange, Scania.
История [ править | править код ]
Впервые система непосредственного впрыска топлива на дизельных двигателях была разработана и внедрена в 1939 году советскими инженерами при создании двигателя семейства В-2 на Харьковском паровозостроительном заводе.
Прототип системы common rail был создан в конце 1960-х годов Робертом Хубером в Швейцарии, далее технологию разрабатывал доктор Марко Гансер из Швейцарской высшей технической школы Цюриха.
В середине 1990-х годов доктор Шохей Ито и Масахико Мияки из корпорации Denso разработали систему common rail для коммерческого транспорта и воплотили её в системе ECD-U2, которая стала использоваться на грузовиках Hino Rising Ranger; в 1995 году они продали технологию другим производителям. Поэтому Denso считается пионером в адаптации системы common rail к нуждам автомобилестроения.
Современные системы common rail работают по тому же принципу. Они управляются блоком электронного управления, который открывает каждый инжектор электронно, а не механически. Эта технология была детально разработана общими усилиями компаний Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat и Elasis. После того, как Fiat разработал дизайн и концепцию системы, она была продана немецкой компании Robert Bosch GmbH для разработки массового продукта. Это оказалось большим просчетом Fiat, поскольку новая технология стала очень выгодна, но в то время итальянский концерн не имел финансовых ресурсов для завершения работ. Тем не менее, итальянцы первые применили систему common rail в 1997 году на Alfa Romeo 156 1.9 JTD и только потом она появилась на Mercedes-Benz C 220 CDI.
