Что такое Common Rail

Что такое Common Rail?
Ужесточение законодательных экологических требований, предъявляемых к дизелям,
заставило моторостроителей интенсивно совершенствовать топливоподачу. Речь пойдёт о
системе, появившейся на свет в Европе в 1997 году.
На тяжелой технике дизели обосновались давно и прочно. Но в области более легких машин –
легковых автомобилей, пикапов, легких фургонов и даже автопогрузчиков с
грузоподъемностью до 3 тонн – им пришлось вытеснять моторы, потребляющие более легкое
топливо – бензин. В конце XX века конкуренция между бензиновыми и дизельными
двигателями заметно обострилась. Создатели бензиновых моторов добились отличных
результатов, выпустив на рынок новейшее поколение двигателей с непосредственным
впрыском бензина в камеру сгорания. Их экономичность почти достигла «дизельных»
величин... но не тут- то было.
Почти все европейские и японские разработчики дизелей, работая в тесном контакте с фирмой
Bosch – мировым лидером в производстве топливной аппаратуры, подготовили рыночную
«бомбу»: принципиально новую схему подачи топлива, дающую дизелю буквально «второе
дыхание». Речь идет о системе Common Rail (в переводе с английского – общая магистраль).
Использование системы впрыска топлива Common Rail – популярный метод снижения
токсичности ОГ двигателей в соответствии с новейшими нормами Tier и Stage. Что же это за
система?
Дизель Peugeot DW10ATED c непосредственным впрыском топлива
Common Rail – это метод впрыска топлива в камеру сгорания под высоким давлением, не
зависящим от частоты вращения двигателя или нагрузки. Обычно система Common Rail
состоит из резервуара – аккумулятора высокого давления (или трубопровода, иногда его
называют рампой), топливного насоса, электронного блока управления (ЭБУ) и комплекта
форсунок, соединенных с общим трубопроводом высокого давления. Открытием-закрытием
форсунок управляет ЭБУ, который также рассчитывает оптимальный момент и длительность
впрыска, обеспечивающие наивысшие эффективные показатели двигателя на всех режимах
работы при любой частоте вращения, вплоть до холостого хода, последовательность работы
форсунок, включая длительность периодов перед основным впрыском топлива и после него.
Такое управление процессом впрыска при помощи электронного оборудования можно
использовать для уменьшения токсичности ОГ (особенно NОx) и шума двигателя. При
давлении топлива до 1,350 бар новые ТНВД и более совершенные блоки контроля позволяют
производить более чистые и мощные двигатели, чем когда либо ранее.
Дизель Peugeot DW10ATED
c непосредственным впрыском
топлива
Элементы системы Common Rail
двигателя Peugeot DW10ATED
Почему необходимо применять электронику? Традиционные механические системы впрыска
топлива имеют существенный недостаток: давление впрыска зависит от частоты вращения
двигателя и нагрузочного режима. Это значит, что при низкой нагрузке давление впрыска
падает, в результате топливо при впрыске плохо распыляется, попадая в камеру сгорания
слишком крупными каплями, которые оседают на ее внутренних поверхностях. Из-за этого
уменьшается КПД сгорания топлива и повышается уровень токсичности ОГ.
Название Common Rail подчеркивает разницу между способами подачи топлива в старых и
новых конструкциях. Во-первых, за основу для внедрения новой системы был взят двигатель с
непосредственным впрыском топлива как изначально более экономичный и успешно
изживающий «старые болезни» – «жесткость» работы, повышенный уровень вибраций и
шумность.
В обычных системах питания для впрыска каждой порции топлива ТНВД должен повышать
давление в соответствующем топливопроводе и форсунке. Поскольку производительность
насоса зависит от числа оборотов кулачкового или, что то же самое, коленчатого вала,
результат в каждом конкретном случае получается далеко не оптимальным. Отметим, что так
же далека от идеальной и работа форсунки. Ее запорная игла открывается под действием
ударной волны в топливной магистрали, а закрывается под действием пружины. В новой
системе все иначе.
Во-вторых, был создан блок управления, который с помощью своих многочисленных
программ позволил качественно улучшить работу всей системы питания. И, наконец, был
изменен сам принцип работы всей этой системы.
Топливо постоянно находится под высоким давлением в общей для всех форсунок топливной
маги-страли (отсюда и название принципа работы – Common Rail). В ней блок управления
дизелем поддерживает, меняя производительность насоса, давление на уровне 1350 бар (около
1350 кгс/см2, приведены данные для дизелей Peugeot, для двигателей других фирм давление
может несколько отличаться, но оно всегда превышает 1000 кгс/см2) при различных режимах
работы двигателя, то есть независимо от его оборотов и нагрузки при любой
последовательности впрыска по цилиндрам.
Форсунки также претерпели существенные изменения. Они оснащены специальными
электромагнитными (у Mercedes-Benz – пьезоэлектрическими) клапанами и управляются по
гибкому алгоритму в соответствии с конкретными условиями работы дизеля. Высокое
давление, под которым топливо впрыскивается в цилиндр, создается уже при самом малом
числе оборотов коленвала. Благодаря ему, а также электронному управлению процессом
впрыска достигается значительно лучшая подготовка смеси в цилиндрах, что приводит к
уменьшению расхода топлива и снижению токсичности выхлопных газов.
В системе Common Rail электроника регулирует момент впрыска, количество впрыскиваемого
топлива и сам закон его подачи. Именно этим и достигается оптимальный на каждом
конкретном режиме работы дизеля результат. Общая магистраль оборудована датчиком
давления и обратным клапаном, перепускающим топливо обратно в бак. Любопытно, что
работа топливного насоса с разной производительностью, малой при низких оборотах и
высокой на больших, сказалась на уровне шума, производимого дизелем.
Замеры показали, что переход на систему Common Rail позволил уменьшить его на 10%.
Кстати, концерны PSA и Daimler Benz на своих дизелях, оборудованных новой системой
топливоподачи, пошли в отношении снижения шума еще дальше. Их предложение – переход
на так называемый пилотный впрыск.
Он происходит за доли секунды перед впрыском основной порции топлива и нужен для
предвари-тельного разогрева камеры сгорания. В этом случае топливо быстрее
воспламеняется, а давление и температура возрастают не так быстро, что снижает «жесткость»
работы двигателя и его шум.
Концерны Daimler Benz, FIAT, PSA, Toyota, General Motors (Opel) и ряд других или уже
начали выпуск дизелей с топливной системой Common Rail, или близки к началу их выпуска.
Достигнуты отличные вы-ходные показатели дизелей нового поколения: расход топлива
улучшен на 10–15%, мощность возросла на 40% и это при существенном снижении выбросов
вредных веществ в атмосферу.
Несомненно, новые показатели этих дизелей делают их более конкурентоспособными.
Взаимное расположение поршня (в разрезе), Взаимное расположение форсунки с пятью
клапанов, форсунки и свечи накаливания отверстиями и камеры сгорания (Peugeot
DW10ATED)
Принципиальная схема системы питания дизеля Common Rail:
a – электронный коммутатор; b – датчики: температуры масла, температуры охлаждающей жидкости,
температуры засасываемого в цилиндры воздуха, давления воздуха после турбокомпрес-сора; c – датчик
положения кулачков распредвала; d – форсунки (каждая с пятью отверстиями); e – общая топливная магистраль;
f – электронасос для подачи топлива; g – фильтр первичной очи-стки топлива; h – топливный бак; i – датчик
частоты вращения коленвала; j – датчик положения педали акселератора или нагрузки на двигатель; k –
топливный фильтр; l – топливный насос высо-кого давления (1350 бар при 3200 об/мин); m – подогреватель
топлива; 1 – топливная магистраль низкого давления; 2 – топливная магистраль высокого давления; 3 –
магистраль возврата топлива; 4 – электропровода