Система впрыска Common Rail

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.

Электрогидравлическая форсунка

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:

1. 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.
2. 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).
3. 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.
4. 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.