Принцип работы тнвд коммон рейл

Автомобили

Система впрыска Common Rail

Общие сведения о системе питания Common Rail

Система впрыска Common Rail (Common Rail в переводе с английского – "общий путь", "общая рампа") является современной системой впрыска топлива дизельных двигателей. Впрочем, аналог такой системы применяется и в бензиновых двигателях с принудительным впрыском топлива, т. е. инжекторных двигателях.
Разработчиками системы Common Rail являются специалисты известной германской фирмы Bosch. На серийных автомобилях с применением электронного управления такие системы появились в 1997 году.
В настоящее время работы по применению систем Common Rail ведутся практически во всех фирмах-производителях ТПА (R.Bosch, Lucas, Siemens, L’Orange).

Основное принципиальное отличие системы Common Rail от рассмотренной в предыдущей статье классической системы питания заключается в том, что топливо к форсункам подается не непосредственно от ТНВД, а от общего накопителя – топливной рампы. Топливная рампа (аккумулятор топлива) представляет собой толстостенный цилиндрический сосуд, способный выдерживать высокое давление, развиваемое ТНВД. В рампе поддерживается постоянное давление топлива с помощью ТНВД и регулятора давления, и каждая форсунка соединена топливопроводом с рампой.
В нужный момент блок управления формирует управляющий сигнал на электромагнитный (или пьезоэлектрический) клапан форсунки, форсунка открывается и топливо впрыскивается в цилиндр.
Таким образом, главной отличительной особенностью системы Common Rail является разделение процессов создания давления и впрыска топлива, что позволяет получить ряд преимуществ в работе.

Принцип работы тнвд коммон рейл

Применение данной системы позволяет снизить расход топлива, токсичность отработавших газов, уровень шума дизеля, а также значительно улучшить его динамические характеристики. По сравнению с обычным дизелем система Common Rail позволяет снизить расход топлива до 40% при уменьшении токсичности отработавших газов и снижении шумности при работе на 10 %.
Главным преимуществом системы Common Rail является возможность управления подачей топлива посредством компьютера (электронного блока управления), что позволяет осуществлять широкий диапазон регулирования давления, количества и момента начала впрыска топлива.

Конструктивно система впрыска Common Rail составляет контур высокого давления топливной системы классического дизельного двигателя. В системе используется непосредственный впрыск топлива, т.е. дизельное топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания.
Система Common Rail включает топливный насос высокого давления, клапан дозирования топлива, регулятор давления топлива (контрольный клапан), топливную рампу и форсунки. Все элементы объединяют топливопроводы.

Топливный насос высокого давления (ТНВД) служит для создания высокого давления топлива и его накопления в топливной рампе. На современных дизелях, оборудованных системой питания Common Rail применяют топливные насосы высокого давления радиально-плунжерного или плунжерного типа.

Клапан дозирования топлива регулирует количество топлива, подаваемого к топливному насосу высокого давления в зависимости от потребности двигателя. Клапан конструктивно объединен с ТНВД.

Регулятор давления топлива предназначен для управления давлением топлива в системе, в зависимости от нагрузки на двигатель. Он устанавливается в топливной рампе.

Топливная рампа предназначена для выполнения нескольких функций: накопления топлива и содержание его под высоким давлением, смягчения колебаний давления, возникающих вследствие пульсации подачи от ТНВД, распределения топлива по форсункам.

Форсунка – важнейший элемент системы, непосредственно осуществляющий впрыск топлива в камеру сгорания двигателя. Форсунки связаны с топливной рампой топливопроводами высокого давления. В системе используются электрогидравлические форсунки или пьезофорсунки.
Впрыск топлива электрогидравлической форсункой осуществляется за счет управления электромагнитным клапаном. Активным элементом пьезофорсунки являются пьезокристаллы, значительно повышающие скорость работы форсунки.

Управление работой системы впрыска Common Rail обеспечивает система управления дизелем, которая объединяет датчики, блок управления двигателем и исполнительные механизмы систем двигателя. Основными исполнительными механизмами системы впрыска Common Rail являются форсунки, клапан дозирования топлива, а также регулятор давления топлива.

Принцип действия системы впрыска Common Rail

Принцип работы системы питания Common Rail достаточно прост, и попытки ее применения известны достаточно давно – более полувека назад. Тем не менее, максимального эффекта от использования такой системы питания удается получить лишь с помощью компьютерного управления работой двигателя, поэтому широкое распространение подобные системы получили лишь недавно. Рассмотрим подробнее работу Common Rail.

С помощью топливоподкачивающего насоса 6 топливо прокачивается через фильтр 7 с влагоотделителем и подается в радиально-плунжерный насос высокого давления 3, который с помощью эксцентрикового вала приводит в движение три плунжера.
Топливный насос высокого давления напрямую связан с распределительным валом и подает порцию топлива в рампу при каждом обороте, а не так как в обычном двигателе один раз за два оборота.
От ТНВД топливо под большим давлением поступает в гидроаккумулятор 8, откуда под высоким давлением поступает на электро- или пьезогидравлические форсунки 11, управляемые компьютером. Излишки топлива от форсунок и ТНВД сливаются в топливный бак 1 через топливопроводы слива (обратный слив) 2.

Принцип работы тнвд коммон рейл

В нужный момент блок управления 15 дает команду соответствующим форсункам на начало впрыска и обеспечивает определенную продолжительность открытия клапана форсунки. В зависимости от режимов работы двигателя блок управления двигателем корректирует параметры работы системы впрыска.

Начало впрыска и количество топлива, подаваемого в цилиндры двигателя через форсунки, зависит от начала и продолжительности сигнала электронного блока управления 15, формируемого на основании информации от датчиков. Этот сигнал зависит от нескольких параметров, в первую очередь – от режима работы двигателя.
Система управления дизелем включает датчики оборотов двигателя, положения коленчатого вала (датчик Холла), положения педали акселератора, расходомер воздуха, температуры охлаждающей жидкости, давления воздуха, температуры воздуха, давления топлива, кислородный датчик (лямбда-зонд) и некоторые другие.

Читайте также:  Ремонт демпферного маховика своими руками

Давление в системе регулируется по сигналу блока управления с помощью регулятора 4. На холостом ходу оно минимальное, что снижает шум работы форсунок и ТНВД, а при разгоне максимальное для обеспечения лучшей приемистости.

Многократный впрыск в системе Common Rail

Поскольку давление впрыска не зависит от оборотов двигателя и нагрузки, фактическое начало, давление и продолжительность впрыска могут быть свободно выбраны в широком диапазоне значений.
Кроме того, появляется возможность применения предварительного впрыска (или даже нескольких впрысков), регулируемого в зависимости от потребностей двигателя, что приводит к существенному сокращению шума двигателя наряду с улучшением процесса сгорания и сокращением выброса вредных веществ с отработавшими газами.

С целью повышения эффективной работы двигателя в системе Common Rail реализуется многократный впрыск топлива в течение одного цикла работы двигателя. При этом различают: предварительный впрыск, основной впрыск и дополнительный впрыск.

Предварительный впрыск небольшого количества топлива производится перед основным впрыском для повышения температуры и давления в камере сгорания, чем достигается ускорение самовоспламенения основного заряда, снижение шума и токсичности отработавших газов. В зависимости от режима работы двигателя производится:

  • два предварительных впрыска – на холостом ходу;
  • один предварительный впрыск – при повышении нагрузки;
  • предварительный впрыск не производится – при полной нагрузке;
  • основной впрыск обеспечивает работу двигателя в режиме частичных и номинальных нагрузок.

Дополнительный впрыск производится для повышения температуры отработавших газов и сгорания частиц сажи в сажевом фильтре (регенерация сажевого фильтра).

Достоинства и недостатки системы Common Rail

Как уже отмечалось выше, использование в дизелях системы питания Common Rail вместо классической системы питания дает ощутимый прирост мощности, экологичности и экономичности двигателю. Уменьшение расхода топлива, выброса вредных веществ, шума, наряду с повышением динамических показателей достигается возможностью компьютерного управления всеми процессами впрыска, что невозможно осуществить в традиционных системах питания, даже самых сложных и совершенных.

К существенным недостаткам системы Common Rail следует отнести сложность обслуживания, требующего от технического персонала высокой квалификации и необходимость применения специального оборудования для тестирования работы системы. Поэтому, если автомобиль эксплуатируется в условиях ограниченного технического сервиса невысокого уровня, надежнее использовать классическую систему питания.

Следует отметить, что система питания Common Rail подвергает моторное масло значительным тепловым нагрузкам. Из-за более интенсивного горения верхняя часть (головка) поршней нагревается гораздо сильнее, чем у классического дизельного двигателя. Если головка поршня у классического дизеля непосредственного впрыска нагревается до 320-350 °C, при работе с системой питания Common Rail – свыше 400 °С.
В результате моторное масло выгорает и окисляется значительно интенсивнее. По этой причине в смазочной системе дизелей с впрыском типа Common Rail необходимо использовать синтетические или полусинтетические моторные масла.

Перспективы развития системы питания Common Rail

Совершенствование системы питания Common Rail осуществляется по пути увеличения давления впрыска. Очевидно, что чем выше давление в системе в момент впрыска, тем больше топлива успевает попасть в цилиндр за равный промежуток времени и, соответственно, реализовать большую мощность двигателя. Кроме того, впрыск под большим давлением обеспечивает высокое качество распыливания топлива форсункой, что благотворно сказывается на процессах смесеобразования и горения.
В современных двигателях повышение давления впрыска ограничивается прочностью аккумулятора топлива (рампы) и топливопроводов высокого давления, которые подвержены пульсирующим и вибрационным нагрузкам при работе двигателя и способны разрушиться.
Тем не менее, за полтора десятка лет инженерными решениями удалось увеличить давление на впрыске более, чем в полтора раза – у современных дизелей с системой питания Common Rail оно достигает 220 МПа и даже более.

Высокое давление впрыска надежнее обеспечить, используя систему питания типа насос-форсунка, о которой пойдет рассказ в следующей статье.

В 1936 году на одном из парижских авиашоу был продемонстрирован дизельный двигатель L.Coatalen. Уникальность мотора заключалась в том, что вспрыскивание топливной смеси в цилиндры производилось не гидроспособом, а методом открытия дросселя форсунки с применением гидравлического аккумулятора. Нагнетание горючего в него происходило автономным от системы ТНВД способом. Это и был первообраз Common Rail. Его создатели на несколько десятилетий опередили свое время.

Принцип работы тнвд коммон рейл

Что такое Common Rail?

Это система подачи топливной смеси, используемая в дизелях. Инжекция горючего происходит под повышенным давлением при помощи мощного насоса. Рабочее давление доходит до 300 МПа. Эта характеристика зависит от режима работы мотора. Впрыск горючего в цилиндры происходит при помощи гидравлических форсунок, которыми управляет электроника. За цикл может произойти вспрыскивание 9 порций горючего. Частота вспрыскиваний зависит от типа силового агрегата и конструкции форсунок.

Отличительная особенность Комон Рэйл – независимость процедуры вспрыскивания топлива от угла прокручивания коленвала и от режима работы силового агрегата. Достигается значительное давление впрыска в частичном режиме. Сейчас это важно ввиду повышенных требований экологического плана.

Как работает система Коммон Рейл

Принцип работы Common Rail такой: электронасос подает топливную смесь к ТНВД. Подача совершается под давлением 2,6-7 бар, и давление продолжает нагнетаться. Оно может достичь и 600 бар, если прокручивать двигатель стартером. А запуск мотора приведет к нагнетанию давления до 1500-2000 бар.

Принцип работы тнвд коммон рейл

В рейке давление все время поддерживается на нужном уровне. Управляет уровнем специальный датчик. Излишки топливной смеси поступают в магистраль возвратного слива. Регулирующее устройство размещают как в корпусе ТНВД, так и в топливной рейке. В рейке может находиться дроссель быстрого сброса топлива, способный предотвратить образование трещин на стенках при возникновении нештатной ситуации.

Читайте также:  Ваз 21102 реле стартера где находится

На некоторых системах стоят температурные датчики для более точной работы. Иногда встречается отдельная форсунка, которая нужна для увеличения дозировки топливной смеси и прожигания отложений в сажевом фильтре. Есть системы, где прожиг сажевых отложений в фильтре осуществляется путем изменения подаваемой в цилиндры дизеля топливной массы или корректировки момента впрыска при помощи ЭБУ.

Принцип работы тнвд коммон рейл

Устройство

Система Common Rail состоит из следующих компонентов:

  1. Насос для подкачивания топливной смеси. Производит подачу топливной смеси в трубопровод.
  2. 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.
  3. Датчики температуры и давления. Первый служит для измерения настоящей температуры топливной смеси, а второй — для измерения давления в магистрали.
  4. ТНВД. Обеспечивает давление, при котором работает система впрыска.
  5. Дозировочный топливный и редукционный клапаны. Дозировочный клапан регулирует подачу горючего в топливную рампу, а топливный меняет магистральное давление.
  6. Регулятор давления горючего и форсунки.

Чем отличается от ТНВД

Основное отличие в том, что подача горючего производится от одной топливной рампы ко всем форсункам сразу. Нужно регулировать цикл подачи в зависимости от пропускной способности отдельной форсунки. Это требует настройки ЭБУ после смены форсунок.

Принцип работы тнвд коммон рейл

Одно из главных преимуществ Commonrail – возможность поддерживать давление независимо от скорости оборотов коленвала. Давление всегда поддерживается на высоком уровне – это дает важность корректировать сгорание при работе мотора с неполной нагрузкой.

При использовании аккумуляторной системы инжекции горючего начало и окончание процесса полностью контролируются ЭБУ. Можно производить точную дозировку топливной смеси либо во время цикла осуществлять подачу горючего порционно – что важно для его полного выгорания. Механизм очень надёжен — при этом он гораздо проще, чем ТНВД, ремонтировать его легче.

Однако конструкция форсунок здесь более замысловатая, и менять их приходится чаще. Если одна из форсунок выйдет из строя, вся система утратит работоспособность. Поэтому Коммон Рейл важно использовать только с качественным горючим.

Типы впрыска

Всего есть 3 типа впрыска:

  1. Предварительный. Производится перед главным для повышения температурного режима в камере сгорания. Позволяет снизить шум при работе силового агрегата. Частота предварительного впрыска зависит от режима работы мотора. Например, на холостых оборотах он осуществляется 2 раза, на повышенных — 1 раз, а при полноценной нагрузке не производится вообще.
  2. Основной. Обеспечивает работу силового агрегата.
  3. Добавочный. Необходим для понижения токсичности выхлопа. Электронной системе приходит сигнал с датчика подачи кислорода, далее производится впрыск еще одной дозы горючего. Дожиг оставшихся вредных веществ происходит в сажевом фильтре.

Принцип работы тнвд коммон рейл

Поколения Common Rail

Первое поколение увидело свет в 1999 году. Агрегаты выдавали давление 145 МПа. Через пару лет появилось еще одно поколение с давлением в 160 МПа. В 2005 году вышла третья серия устройств подачи топливной смеси. А сегодня есть уже и четвертое поколение с форсунками, работающими под давлением 220 МПа.

Заключение

У Common Rail очень большой потенциал. Горючее становится всё дороже, и экономичность двигателя выходит на первый план. Не так давно компания Bosch выпустила стомиллионный силовой агрегат со впрыском Commonrail для дизелей и легковых машин. Компания планирует дальше модернизировать систему и выпускать новые ее версии, которые будут отвечать возрастающим требованиям автолюбителей.

Принцип работы тнвд коммон рейлРис.3 a-Регулирование на стороне высокого давления посредством клапана регулирования давления; b-Регулирование давления на стороне всасывания дозирующим устройством, закрепленном на фланце ТНВД; c-Регулирование давления на стороне всасывания дозирующим устройством и дополнительное управление клапаном регулирования давления;
1-ТНВД; 2-Впуск топлива; 3-Возврат топлива; 4-Клапан регулирования давления; 5-Аккумулятор топлива; 6-Датчик давления в аккумуляторе; 7-Штуцеры подсоединения форсунок; 8-Штуцер линии возврата топлива; 9-Предохранительный клапан; 10-Дозирущее устройство; 11-Клапан регулирования давления.

В топливной системе Common Rail функции создания давления и впрыска топлива разделены. Давление впрыска создается независимо от частоты вращения двигателя и количества впрыскиваемого топлива. Каждый из этих компонентов управляется системой электронного управления (EDC).

Создание давления

Функции создания давления и впрыска топлива разделяются посредством аккумулятора топлива. Топливо под давлением подаётся в полость аккумулятора и, таким образом, оказывается готовым к впрыску. Необходимое давление впрыска создается постоянно работающим ТНВД с приводом от двигателя. Давление топлива в аккумуляторе поддерживается независимо от частоты вращения двигателя и количества впрыскиваемого топлива. Благодаря почти равной подаче топлива размеры ТНВД и момент сопротивления привода могут быть значительно меньше, чем в обычных топливных системах. Это выражается в значительно меньшей нагрузке на привод ТНВД. ТНВД в системе Common Rail обычно имеет конструкцию радиально плунжерного типа. В двигателях коммерческих автомобилей иногда устанавливаются рядные многоплунжерные ТНВД.

Регулирование давления в аккумуляторе топлива

Применяемый метод регулирования давления определяется типом топливной системы.

Регулирование на стороне высокого давления ТНВД

В топливных системах легковых автомобилей требуемое давление в аккумуляторе топлива регулируется на стороне высокого давления клапаном регулирования давления (4 на рис. 3а). Топливо, которое не используется для впрыска, возвращается обратно в ступень низкого давления через этот клапан. Такой вид контура регулирования обеспечивает быструю реакцию давления в аккумуляторе для изменения рабочей точки (рабочего режима) (например, в случае изменения нагрузки).

Регулирование на стороне высокого давления применялось в первых поколениях системах Common Rail. Клапан регулирования давления устанавливается преимущественно на аккумуляторе топлива. В некоторых вариантах систем, клапан устанавливается непосредственно на корпусе ТНВД.

Читайте также:  Первое то на форд фокус 3

Регулирование на стороне всасывания

Другой способ управления давлением в аккумуляторе является регулирование подачи топлива на стороне всасывания ТНВД (рис. 3b).

Дозирующее устройство 10, закрепленное на фланце корпуса ТНВД, обеспечивает точно установленную величину подачи к аккумулятору топлива, для того чтобы поддерживать необходимое давление впрыска топлива в системе. В случае возникновения опасной ситуации предохранительный клапан 9 предотвращает дальнейшее повышение давления в аккумуляторе (выше максимально допустимого давления).

Регулирование подачи топлива на стороне всасывания предусматривает уменьшение величины подачи при повышении давления в аккумуляторе и снижение мощности на привод насоса. Это оказывает положительное влияние на расход топлива. Одновременно понижается температура топлива, которое отводит обратно в топливный бак, в отличии от способа регулирования на стороне высокого давления.

Регулирование давления на стороне всасывания дозирующим устройством и дополнительное управление клапаном регулирования давления (система с двумя управляющими устройствами)

В системе с двумя управляющими устройствами (рис. 3с) осуществляется комбинированное управление путём регулирования давления на стороне всасывания посредством дозирующего устройства и регулирования на стороне высокого давления через клапан регулирования давления (см. раздел «Топливная система Common Rail легковых автомобилей»).

Впрыск топлива

Форсунки впрыскивают топливо непосредственно в камеры сгорания двигателя. Подача топлива к форсункам происходит по коротким линиям высокого давления, подсоединенным к аккумулятору топлива. Электронный блок управления двигателя регулирует положение управляющего элемента (клапана, якоря), встроенного в форсунку, который управляет открытием и закрытием распылителя форсунки.

Количество впрыскиваемого топлива определяется временем открытия насос форсунки и давления в системе. При постоянном давлении количество впрыскиваемого топлива пропорционально времени открытия управляющего элемента и, следовательно, не зависит от частоты вращения двигателя или ТНВД (контролирующей по времени впрыск).

Потенциальная гидравлическая мощность

Разделение функций создания давления и впрыска топлива открывает в будущем возможность повышения степеней свободы в процессе сгорания по сравнению обычными топливными системами. Давление впрыска топлива более или мене свободно выбирается в пределах программы карты характеристик. В настоящее время максимальное давление впрыска, составляет 1600 бар с предполагаемым повышением в будущем до 1800 бар.

Топливная система Common Rail допускает дальнейшее снижение вредных выбросов с ОГ путём внедрения предварительных впрысков или многофазного впрыска топлива, а также значительное снижение шума сгорания. Многофазный впрыск топлива, до пяти в одном цикле, может быть генерирован управляющими сигналами, обеспечивающими очень быстрое многократное срабатывание управляющего элемента. Быстрое прекращение впрыска топлива обеспечивается также гидравлическим воздействием на иглу распылителя при её посадке на седло (закрытие распылителя форсунки).

Управление и регулирование

Принцип действия

Электронный блок управления двигателя определяет положение педали акселератора и текущий рабочий режим двигателя и автомобиля посредством датчиков (см. Раздел «Электронное управление дизелей»). Полученные блоком управления данные включают в себя:

  • Частоту вращения и угловое положение коленчатого вала;
  • Давление в аккумуляторе топлива;
  • Давление воздушного заряда;
  • Температуру воздуха на впуске, температуру охлаждающей жидкости и топлива;
  • Массовый расход воздуха;
  • Скорость автомобиля и т.д.

Электронный блок управления обрабатывает входные сигналы датчиков и в соответствии с процессом сгорания рассчитывает управляющие сигналы для клапана регулирования давления или дозирующего устройства, форсунок и других приводов (например, клапан рециркуляции ОГ – EGR, исполнительные устройства регулирования расхода ОГ в турбине турбокомпрессора и т.д.)

Время переключения форсунок, которое желательно получить наименьшим, достигается с использованием оптимизированных переключающих клапанов высокого давления и специальных управляющих систем.

Система «угол/время» сопоставляет угол опережения впрыска топлива, установленный на основе входных сигналов датчиков коленчатого и распределительных валов, с режимом работы двигателя (контроль времени). Электронная система управления дизеля (EDC) обеспечивает точное дозирование количества впрыскиваемого топлива. Кроме того, система EDC имеет потенциальные возможности применения дополнительных функций, которые могут улучшить реакцию и приспособляемость двигателя.

Основные функции

Основные функции предусматривают точное управление углом опережения впрыска и цикловой подачей топлива при заданных (контрольных) давлениях впрыска. Следовательно, эти функции обеспечивает низкий расход топлива и плавную работу дизеля.

Корректирующие функции для расчета впрыска топлива

Некоторое число корректирующих функций служит для компенсации расхождений между системой впрыска топлива и режимом работы двигателя (см. Раздел «Электронное управление дизелей»):

  • Компенсации величины подачи топлива форсункой;
  • Калибровка нулевой подачи;
  • Управление компенсацией подачи топлива;
  • Адаптация средней величины подачи.

Дополнительные функции

Дополнительные управляющие функции в разомкнутых и замкнутых системах управления выполняют задачи снижения эмиссии вредных веществ и расхода топлива или обеспечения дополнительной безопасности и приспособляемости двигателя. Вот некоторые примеры:

  • Управление рециркуляцией ОГ;
  • Регулирование давления наддува;
  • Управление системой поддержания скорости;
  • Электронный иммобилайзер и .т.д.

Внедрение EDC во все системы автомобиля открывает множество новых возможностей, например, обмен данными с системой управления трансмиссией или системой кондиционирования воздуха.

Диагностический интерфейс позволяет анализировать сохранённые данные систем при техническом обслуживании автомобиля.

Конфигурация электронного блока управления

Поскольку электронный блок управления двигателя обычно имеет максимально только восемь выходных каскадов для форсунок, двигатели с числом цилиндров больше восьми оснащаются двумя электронными блоками управления. Они связаны внутри сети как «masterslave» (главный/подчиненный) через внутренний высокоскоростной интерфейс шины CAN. В результате достигается высокая обрабатывающая способность микропроцессоров. Некоторые функции постоянно размещаются в специальных блоках управления (например, управление компенсацией подачи топлива). Другие функции могут динамически включаться в тот или другой блок управления в зависимости от ситуации (например, для определения сигналов датчиков).

Добавить комментарий

1 + 2 =