Коммон рейл в автомобиле — особенности и принцип работы

Статья про систему Коммон Рейл: ее особенности, принцип работы, достоинства и недостатки. В конце статьи — видео о системе впрыска Common Rail.

Содержание статьи:

Окунемся в историю
Составляющие Common Rail
Технология работы системы впрыска
Основной недостаток
Достоинства Коммон Рейл
Видео о системе впрыска Common Rail

Еще в начале прошлого века после появления дизельных двигателей появился вопрос снижения количества вредных выбросов и уменьшения расхода горючего. В течение многих лет велись работы по совершенствованию дизелей. И совсем недавно некоторые автомобильные концерны начали устанавливать на свои продукты систему впрыска топлива Коммон Рейл. Что это и как это работает? Давайте разбираться.

Что такое топливная система Common Rail

Дословно термин Common Rail переводится на русский как общая магистраль. Главной конструктивной особенностью этой системы является наличие топливной рампы, в которой происходит аккумуляция топлива до его дальнейшей подачи в форсунки дизельного двигателя. В силу этой особенности подобные системы также называют аккумуляторными. Впервые она была представлена компанией Bosch в 1996 году.

Устройство топливной системы Common Rail

Конструктивно система Коммон Рейл делится на контуры низкого и высокого давления и состоит из следующих элементов:

Подкачивающий топливный насос. Он подает дизельное топливо из бака в напорную магистраль.
Топливный фильтр, оснащенный клапаном для предварительного прогрева при низких температурах.
Вспомогательный топливный насос. Выполняет перекачку топлива от нагнетательной магистрали.
Сетчатый фильтр.
Температурный датчик. Фиксирует уровень прогрева топлива в системе.
ТНВД (топливный насос высокого давления) – чаще всего применяется насос распределительного типа.
Дозирующий клапан. Он регулирует количество топлива, попадающего в рампу.
Регулятор давления дизтоплива. Необходим для поддержания заданных показателей давления топлива в магистрали высокого давления.
Топливная рампа или аккумулятор. Фактически представляет собой трубку, по длине которой расположены штуцеры крепления форсунок.
Датчик давления. Расположен в магистрали высокого давления. Он фиксирует и передает соответствующие данные ЭБУ (электронный блок управления) двигателя.
Редукционный, или перепускной клапан. Позволяет поддерживать показатель давления в обратной магистрали на уровне 1 МПа, что обеспечивает правильную работу форсунок.
Топливные форсунки. Бывают двух типов: электрогидравлические или пьезоэлектрические. Первые управляются электромагнитным клапаном, а вторые оснащены пьезокристаллами, что позволяет существенно повысить скорость их работы.

Более 70% всех производимых сегодня дизельных двигателей оснащается топливными системами Common Rail.

Принцип и особенности работы системы Common Rail

Принцип работы такой же как и во всех дизельных системах. Подача дизельного топлива осуществляется под давлением в камеру сгорания цилиндра и под силой сжатия воспламенения его. А вот главной особенностью и преимуществом системы Common Rail является большой диапазон регулировок впрыска и давления топлива на моменте подачи топлива в камеру сгорания, что осуществляется в топливной рампе при помощи подачи и регулировок подачи топлива датчиком подачи топлива в рампу и контрольным клапаном установленными на самой магистрали.

Конструктивная особенность системы Коммон Рейл

Сложность всей системы Common Rail является широкий диапазон регулирования давления топлива и момента начала впрыска, которые достигнуты за счет разделения процессов создания давления и впрыска. Так же стоит отметить, что в системе за один цикл работы двигателя производится многократный впрыск топлива. Существует три вида впрыска топлива, один из которых является основным, который обеспечивает работу двигателя. Так же есть предварительный и вспомогательный, из которых, первый отвечает за увеличение температуры и давления в камере сгорания. Второй служит для максимального сгорания топлива и сажи в сажевом фильтре после прохождения цикла работы двигателя.

Читать еще: Характеристики и цена нового Porsche Cayenne 2018

Для того чтобы Вы представляли себе эту систему целиком, распишу из чего она состоит перечислив все основные элементы системы.

Основной элемент в системе – ТНВД (Топливный насос высокого давления) который как и на всех дизельных автомобилях устанавливается и в автомобилях с системой Коммон Рейл, данный элемент из низкого давления переводит топливо в контур высокого давления и при помощи дозирующего клапана избытки топлива отправляет его обратно в топливный бак;
Топливная рампа – она и называется аккумулятором потому что в ней создается и аккумулируется давление, перераспределяя его по форсункам;
Распределение и регулировка давления происходит при помощи клапана регулятора, который дозирует порции топлива в топливную рампу;
Форсунка, является неотъемлемым элементом системы. А в данной системе форсунки управляют объемом топлива поступающего в цилиндр. Является форсунка одной из дорогих частей системы. Во первых этих элементов ровно столько, сколько в двигателе цилиндров и сложив все стоимости форсунок, вытекает не маленькая сумма. Используется два вида форсунок в зависимости от производителя:
- Пьзофорсунка;
- Электрогидравлическая форсунка.

Устройство

Система Common Rail состоит из следующих компонентов:

Насос для подкачивания топливной смеси. Производит подачу топливной смеси в трубопровод.
Топливный и сетчатый фильтрующие механизмы. В конструкции первого предусмотрен клапан промежуточного нагрева. При пониженной температуре воздуха он препятствует засорению фильтра кристаллизированными частицами. Сетчатый фильтр защищает ТНВД от проникновения инородных частиц.
Датчики температуры и давления. Первый служит для измерения настоящей температуры топливной смеси, а второй — для измерения давления в магистрали.
ТНВД. Обеспечивает давление, при котором работает система впрыска.
Дозировочный топливный и редукционный клапаны. Дозировочный клапан регулирует подачу горючего в топливную рампу, а топливный меняет магистральное давление.
Регулятор давления горючего и форсунки.

Секрет эффективности Common Rail

Существует два главных фактора, которые обеспечивают высокую эффективность системы, это:

Разделение цикловой подачи на такты.
Впрыск горючего под высоким давлением.

В классических системах топливо подавалось большими порциями при низком давлении, которое редко превышало 700-800 бар. В результате дизель полностью не сгорал, что снижало эффективность двигателя. При использовании циклов, удалось поделить горючее на мелкодисперсные частицы — они активнее обогащаются кислородом и лучше сгорают. Благодаря такому принципу работы дизельного двигателя удалось повысить мощность силового агрегата без вмешательства в его конструкцию.

Цикловая подача горючего означает, что оно подаётся не одной большой порцией, а несколькими маленькими (от двух до семи). Можно выделить:

предварительный впрыск — увеличивает температуру камеры сгорания и подготавливает её для основной подачи горючего;
основной впрыск;
дополнительный впрыск — применяется для прожига сажевого фильтра.

Помимо экономии топлива получилось добиться уменьшения шума работы движка и снижения вибраций.

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.

Читать еще: Нежелательные звуки в машине — что может стучать и биться?

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.

Роль насоса, форсунок и их устройство

Именно последние вместе с насосом ТНВД являются одними из основных отличительных особенностей системы. Форсунки применяются пьезоэлектрического принципа действия. Такой механизм переключается намного быстрее, чем у форсунок, оборудованных электромагнитным клапаном. У пьезоэлектрической форсунки игла весит на ¾ меньше, чем у ее электромагнитного аналога. Благодаря этому достигаются следующие преимущества:

быстрота переключения;
совершение нескольких впрысков на протяжении одного и того же такта;
точная дозировка.

С высокой скоростью переключения становится возможным точнее корректировать фазы впрыска и дозировать подачу горючего. Именно поэтому впрыск идеально подстраивается под потребности дизель-мотора в том или ином режиме его работы.

Еще одна интересная деталь — ТНВД. Это устройство одноплунжерного типа. Его привод связан зубчатым ремнем с коленвала, а частота подстроена под частоту оборотов мотора. Он создает высокое давление в агрегате, которое может достигать 1800 бар — именно такое необходимо для эффективного впрыска. Пара кулачков, которые развернуты на 180 градусов способствует созданию скачка давления вместе с впрыском в течение рабочего такта отдельно взятого цилиндра. Благодаря этому формируется равномерная нагрузка привода насоса, а также снижаются колебания давления.

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.

Коммон рейл в автомобиле — особенности и принцип работы