Common Rail – что это? Особенности, принцип работы и преимущества

Популярность дизельных двигателей объясняется сочетанием экономичности и высокого КПД. Одной из причин впечатляющих эксплуатационных характеристик стала разработка системы впрыска Common Rail, которая совершенно заслуженно входит в число наиболее прогрессивных и передовых технологий подачи топлива в силовую установку. Сегодня ею оборудованы практически все дизельные ДВС, которые используются на транспортных средствах различного вида, начиная с автомобилей и заканчивая мощными сельскохозяйственными или дорожно-строительными машинами.

Определение

Common Rail представляет собой систему впрыска топлива для дизельного двигателя. Главной отличительной особенностью выступает общая магистраль или рампа, расположенная между ТНВД и форсунками. Именно она и дала название устройству, так как common rail переводится в английского как «общий путь» или «общая магистраль». Такая конструкция позволяет подавать дизтопливо под давлением, увеличивая общую эффективность работы двигателя.

Датой появления системы считается 1996 год, когда разработка компании Bosch была впервые установлена на серийный автомобиль. Популярность двигателей, оснащенных Common Rail, объясняется способностью достигать требуемой мощности при низком потреблении дизельного топлива. По стандартным оценкам использование системы уменьшает расход солярки на 15% при одновременном увеличении мощности двигателя на 40%.

Дополнительным и в современных условиях весьма важным достоинством рассматриваемой конструкции подачи топлива выступает соответствие современных экологическим стандартам. Заметное уменьшение токсичности выхлопных газов и низкий уровень издаваемое в процессе эксплуатации шума – вот еще две не менее серьезные причины востребованности и широкого распространения дизельных двигателей с использованием Common Rail.

Конструктивные особенности

Устройство Common Rail в значительной степени напоминает систему подачи топлива в инжекторных бензиновых двигателях. Перед впрыском дизельного топлива в цилиндры происходит аккумулирование давления, в результате чего такую конструкцию нередко называют аккумуляторной топливной системой.

Конструкция Common Rail предусматривает три основных элемента: стандартные для любого дизельного двигателя контуры высокого и низкого давления, а также дополняющий их электронный блок контроля и управления. Контур низкого давления практически не отличается от обычных системы и состоит из стандартного набора частей, включающего:

• топливный бак;
• топливный фильтр;
• подкачивающий насос;
• комплект соединительных трубопроводов.

Основные отличия Common Rail от обычного дизельного двигателя заключаются в устройстве контура высокого давления, состоящего из таких элементов:

• насос, который заменяет стандартный ТНВД и оснащается контрольным клапаном;
• аккумуляторный узел или рампа, также оборудованная датчиком для контроля давления. Она изготавливается в виде достаточно длинной двухслойной трубы, на которой размещаются штуцеры, предназначенные для фиксации форсунок;
• форсунки;
• комплект соединительных трубопроводов.

Важное значение для эффективной эксплуатации рассматриваемой системы имеет работа электронного блока управления или ЭБУ. Он включает в себя несколько датчиков, в автоматическом режиме передающих сигналы о следующих параметрах и характеристиках двигателя:

• положения распределительного и коленчатого вала;
• положение педали «газа»;
• уровень давления наддува;
• температура воздуха и охлаждающей жидкости;
• уровень давления топлива;
• массовый расход воздуха.

Анализ полученных данных производится ЭБУ также в автоматическом режиме, результатом чего становятся определение требуемого количества топлива, времени открытия форсунки и других рабочих параметров системы. После этого подается команда на начало впрыска и цикл повторяется по новой.

Принцип действия Коммон Рейл

Описанное выше устройство Common Rail обеспечивает простую и при этом эффективную работу двигателя. Сначала подкачивающий насос, входящий в контур низкого давления, засасывает дизельное топливо из бака. Далее оно очищается, проходя через фильтр, и поступает в контур высокого давления.

Затем горючее перемещается в аккумуляторный узел, где его давление повышается. Максимальное значение этого показателя составляет 135 МПа и контролируется автоматикой. После поступления команды от ЭБУ на впрыск контролирующий клапан открывается и топливо поступает бак через трубопроводы, соединенные с форсунками на рампе. На каждой форсунке устанавливается отдельный электромагнитный клапан или соленоид, управляющий ее работой, что является еще одной важной отличительной особенностью системы.

Наличие в системе ЭБУ позволяет с высоким уровнем точности управлять как параметрами давления топлива, так и количеством сжигаемого горючего. Следствием этого выступает максимальная отдача при сгорании топлива, которая сопровождается уменьшением его расхода при одновременном увеличении КПД дизельного двигателя. В качестве приятного и полезного бонуса происходит сокращение токсичности выхлопа.

Вывод

Популярность и широкое распространение Common Rail объясняется очевидными преимуществами системы перед любыми альтернативными вариантами. Большая часть достоинств уже была озвучена выше, однако, для большей наглядности целесообразно еще раз обратить на них внимание. Итак, наиболее важными плюсами рассматриваемой системы выступают:

• высокий КПД двигателя, который достигается за счет более эффективного сжигания топлива;
• существенное (до 15%) сокращение расхода горючего;
• еще более серьезное (до 40%) увеличение мощности двигателя;
• снижение показателей токсичности выхлопных газов, что позволяет двигателю полностью соответствовать современным экологическим стандартам.

Сочетание настолько впечатляющих характеристик выступает лучшим и весьма наглядным объяснением того, что практически все дизельные двигатели оснащаются сегодня Common Rail. Более того, возможности технологии далеко не исчерпаны, что позволяет надеяться на дальнейшее совершенствование системы.

Устройство и принцип работы системы Common Rail

                                                       Схема и детали системы

  Высокое давление 230-1800 бар.

  Давление в обратной магистрали форсунок, 10 bar.

  Давление в напорной магистрали, Давление в обратной магистрали.

1. Подкачивающий топливный насос.
Осуществляет постоянную подкачку топлива в напорную магистраль.

2. Топливный фильтр с клапаном предварительного подогрева.
Клапан предварительного подогрева препятствует при низких температурах окружающей среды засорению фильтра кристаллизующимися парафинами.

3. Дополнительный топливный насос.
Подаёт топливо из напорной магистрали к топливному насосу.

4. Сетчатый фильтр.
Предохраняет насос высокого давления от попадания инородных частиц.

5. Датчик температуры топлива.
Измеряет текущую температуру топлива.

6. Насос высокого давления (ТНВД).
Создаёт давление, необходимое для работы системы впрыска.

7. Клапан дозирования топлива.
Регулирует количество топлива, которое необходимо подать в аккумулятор высокого давления.

8. Регулятор давления топлива.
Регулирует давление топлива в магистрали высокого давления.

9. Аккумулятор давления (топливная рампа). 
Накапливает под высоким давлением топливо,необходимое для впрыска во все цилиндры.

10. Датчик давления топлива.
Измеряет текущее давление топлива в магистрали высокого давления.

11. Редукционный клапан.
Поддерживает давление в обратной магистрали форсунок системы впрыска на уровне 10 бар. Такое давление необходимо для работы форсунок.

12. Форсунки.

                                       Система впрыска Common Rail

Система впрыска Common Rail представляет систему впрыска топлива для дизельных двигателей с аккумулятором высокого давления. Термин «Common Rail» означает «общая балка или рампа» и служит для обозначения общей топливной рампы
(аккумулятора давления) для всех форсунок ряда цилиндров.

В данной системе процесс впрыска отделён от процесса создания высокого давления. Необходимое для системы впрыска высокое давление создаётся с помощью отдельного топливного насоса высокого давления (ТНВД).
Топливо, находящееся под высоким давлением, накапливается в аккумуляторе давления (топливной рампе)
и через короткие топливопроводы высокого давления подаётся к форсункам.
Управление системой впрыска Common Rail осуществляется системой управления двигателя Bosch EDC.

Система впрыска Common Rail располагает большими возможностями для регулирования давления и параметров впрыска в соответствии с режимом работы двигателя. Это создает хорошие предпосылки для удовлетворения постоянно растущих требований к системе впрыска в плане улучшения экономичности, снижения токсичности ОГ и шумности двигателя.

Форсунки

В данной системе впрыска Common Rail используются пьезоэлектрические форсунки.

Управление форсунками осуществляется исполнительным механизмом, основанном на использовании пьезоэлемента. Скорость переключения такого механизма во много раз выше, чем у форсунки с электромагнитным клапаном.

Кроме того, масса подвижной иглы у распылителя пьезоэлектрической форсунки примерно на 75 % меньше, чем у форсунки с электромагнитным приводом.

Это обеспечивает пьезоэлектрическим форсункам следующие преимущества:

* короткое время переключения
* возможность произвести несколько впрысков в течение рабочего такта
* точность дозировки впрыска

                                  Работа пьезофорсунки Common Rail

 И для интереса. Как изготавливается форсунка Common Rail Piezo на заводе.

                                                  Процесс впрыска

Высокая скорость переключения пьезоэлектрической форсунки позволяет гибко и с высокой точностью управлять фазами впрыска и дозировать подачу топлива. Благодаря этому управление процессом впрыска топлива может осуществляется в точном соответствии с потребностью двигателя в определённый момент времени. За время такта может быть произведено до пяти отдельных впрысков.

                                                               ТНВД

Насос высокого давления представляет собой одноплунжерный насос. Привод насоса осуществляется через зубчатый ремень коленвала с частотой, равной частоте оборотов двигателя. ТНВД предназначен для создания в топливной магистрали давления до 1800 бар, необходимого для работы системы впрыска. С помощью двух кулачков, развёрнутых на приводном вале на 180°, скачок давления формируется синхронно с впрыском во время рабочего такта конкретного цилиндра. Это обеспечивает равномерную нагрузку привода насоса и снижает колебания давления в области высокого давления.
Для снижения трения при передаче усилия от приводных кулачков к плунжеру насоса между ними установлен ролик.

                                   Устройство насоса высокого давления

Схематическое представление насоса высокого давления.

 Вернутся к началу страницы

Система впрыска топлива Common Rail

Система впрыска топлива Common Rail

Ханну Яаскеляйнен, Магди К. Хайр

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

• Компоненты системы впрыска топлива Common Rail
• Регулятор давления в системе впрыска Common Rail

Abstract : В системе Common Rail топливо подается к форсункам из аккумулятора высокого давления, называемого Rail. Рейка питается топливным насосом высокого давления. Давление в рампе, а также начало и конец сигнала, активирующего форсунку для каждого цилиндра, контролируются электроникой. Преимущества системы Common Rail включают в себя гибкость в управлении моментом впрыска и скоростью впрыска.

• Введение
• Концепция Common Rail
• Система Common Rail Dynamics
• Управление системой Common Rail
• Системы впрыска Common Rail для больших двигателей

Достоинства архитектуры системы впрыска топлива Common Rail были признаны с момента разработки дизельного двигателя. Ранние исследователи, в том числе Рудольф Дизель, работали с топливными системами, которые содержали некоторые из основных характеристик современных систем впрыска дизельного топлива с общей топливной рампой. Например, в 1913, патент на систему впрыска топлива Common Rail с механическими форсунками был выдан компании Vickers Ltd. из Великобритании [2092] . Примерно в то же время в Соединенных Штатах Томасу Гаффу был выдан еще один патент на топливную систему для двигателя с искровым зажиганием и непосредственным впрыском цилиндра с использованием электромагнитных клапанов с электрическим приводом. Расход топлива измерялся путем контроля времени открытия клапанов [2085] . Идея использования инжекторного клапана с электроприводом на дизельном двигателе с топливной системой Common Rail была разработана Бруксом Уокером и Гарри Кеннеди в конце 19 века.20s и применялся к дизельному двигателю компанией Atlas-Imperial Diesel Engine Company of California в начале 1930-х годов

Работа над современными системами впрыска топлива Common Rail была начата в 1960-х годах Societe des Procedes Modernes D’Injection (SOPROMI) [2086] . Тем не менее, пройдет еще 2-3 десятилетия, прежде чем давление со стороны регулирующих органов подстегнет дальнейшее развитие, и технология созреет, чтобы стать коммерчески жизнеспособной. Технология SOPROMI была оценена компанией CAV Ltd. в начале 19 века.70-х годов, и было обнаружено, что он не дает больших преимуществ по сравнению с существующими системами P-L-N, использовавшимися в то время. Значительная работа по-прежнему требовалась для повышения точности и возможностей соленоидных приводов.

Дальнейшее развитие дизельных систем Common Rail началось в 1980-х годах. К 1985 году компания Industrieverband Fahrzeugbau (IFA) из бывшей Восточной Германии разработала систему впрыска Common Rail для своего грузовика W50, но прототип так и не был запущен в серийное производство, и через пару лет от проекта отказались.0032 [2096] . Примерно в то же время General Motors также разрабатывала систему Common Rail для своих легких двигателей IDI [2174] . Однако с отменой их программы создания легких дизельных двигателей в середине 1980-х дальнейшее развитие было остановлено.

Несколькими годами позже, в конце 1980-х и начале 1990-х годов, OEM-производители двигателей инициировали ряд проектов развития, которые позже были реализованы производителями оборудования для впрыска топлива:

• Компания Nippondenso усовершенствовала систему Common Rail для грузовых автомобилей [2093] [2094] , который они приобрели у Renault и который был введен в производство в 1995 году в грузовиках Hino Rising Ranger.
• В 1993 году Bosch — возможно, из-за некоторого давления со стороны Daimler-Benz — приобрела технологию UNIJET, первоначально разработанную усилиями Fiat и Elasis (дочерняя компания Fiat), для дальнейшей разработки и производства [2099] . Система Common Rail для легковых автомобилей Bosch была запущена в производство в 1997 году для модели Alfa Romeo 156 9 98 модельного года.0032 [194] и Mercedes-Benz C-класса.
• Вскоре после этого Лукас объявил о контрактах Common Rail с Ford, Renault и Kia, производство которых начнется в 2000 году.

• В 2003 году компания Fiat представила систему Common Rail следующего поколения, способную выполнять 3-5 впрысков/такт двигателя для двигателя Multijet Euro 4.

Дополнительную информацию об истории систем Common Rail можно найти в литературе [2178] [2940] .

Цель этих программ развития началась в конце 1980-х/начале 1990-х годов была разработка топливной системы для будущего легкового автомобиля с дизельным двигателем. В начале этих усилий было очевидно, что в будущих дизельных автомобилях будет использоваться система сгорания с непосредственным впрыском из-за явного преимущества в экономии топлива и удельной мощности по сравнению с распространенной в то время системой сгорания с непрямым впрыском. В задачи разработок входили комфорт вождения, сравнимый с комфортом автомобилей, работающих на бензине, соответствие будущим ограничениям выбросов и улучшение экономии топлива. Рассматривались три группы архитектур топливной системы: (1) распределительный насос с электронным управлением, (2) насос-форсунка с электронным управлением (EUI или насос-форсунка) и (3) система впрыска Common Rail (CR). В то время как усилия по каждому из этих подходов привели к коммерческим топливным системам для серийных автомобилей, система Common Rail давала ряд преимуществ и в конечном итоге стала доминировать в качестве основной топливной системы, используемой в автомобилях малой грузоподъемности. Эти преимущества включали:

• Давление топлива не зависит от частоты вращения двигателя и условий нагрузки. Это позволяет гибко контролировать как количество впрыскиваемого топлива, так и время впрыска, а также обеспечивает лучшее проникновение распыления и смешивание даже при низких оборотах двигателя и нагрузках. Эта особенность отличает систему Common Rail от других систем впрыска, в которых давление впрыска увеличивается с частотой вращения двигателя, как показано на рис. 1 [289] . Эта характеристика также позволяет двигателям развивать более высокий крутящий момент при низких оборотах двигателя, особенно если используется турбонагнетатель с изменяемой геометрией (VGT). Следует отметить, что, хотя системы Common Rail могут работать с максимальным давлением в рампе, поддерживаемым постоянным в широком диапазоне скоростей вращения и нагрузок двигателя, это делается редко. Как обсуждается в другом месте, давление топлива в системах Common Rail можно контролировать в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя, чтобы оптимизировать выбросы и производительность, не подвергая риску срок службы двигателя.

  Рисунок 1 . Зависимость между давлением впрыска и частотой вращения двигателя в различных системах впрыска

• Снижение требований к пиковому крутящему моменту топливного насоса. По мере развития высокоскоростных двигателей с непосредственным впрыском (HSDI) большая часть энергии для смешивания воздуха с топливом исходила от импульса распыления топлива, в отличие от вихревых механизмов, используемых в более старых системах сгорания IDI. Только системы впрыска топлива под высоким давлением могли обеспечить энергию смешивания и хорошую подготовку к распылению, необходимые для снижения выбросов твердых частиц и углеводородов. Чтобы генерировать энергию, необходимую для впрыска топлива примерно за 1 миллисекунду, обычный распределительный насос должен был бы обеспечивать гидравлическую мощность почти 1 кВт за четыре (в 4-цилиндровом двигателе) импульсов по 1 мс за один оборот насоса, что создает значительную нагрузку на насос. приводной вал [922] . Одна из причин тенденции к использованию систем Common Rail заключалась в том, чтобы свести к минимуму требования к максимальному крутящему моменту насоса. В то время как требования к мощности и среднему крутящему моменту насоса Common Rail были схожими, подача топлива под высоким давлением осуществляется в аккумулятор, и, таким образом, пиковый расход (и пиковый крутящий момент, необходимый для привода насоса) не обязательно должен совпадать с событие впрыска, как в случае с насосом-распределителем. Поток нагнетания насоса можно распределить на более продолжительную часть цикла двигателя, чтобы поддерживать требуемый крутящий момент насоса более равномерным.
• Улучшено качество шума. Двигатели DI характеризуются более высоким пиковым давлением сгорания и, следовательно, более высоким уровнем шума, чем двигатели IDI. Было обнаружено, что улучшенный шум и низкие выбросы NOx лучше всего достигаются за счет введения предварительного впрыска. Легче всего это было реализовано в системе Common Rail, которая обеспечивала стабильную подачу небольшого количества запального топлива во всем диапазоне нагрузки/скорости двигателя.

###

5 советов по диагностике системы впрыска топлива Common Rail

Переход от традиционных (механических) систем впрыска дизельного топлива старой школы к современной компьютеризированной топливной системе Common-Rail высокого давления (HPCR) требует изменения мышления и изменения процедур диагностики.

Мы все слышали фразу «старую собаку нельзя научить новым трюкам», но мы собираемся сделать вас умнее, предложив вам наши 5 советов, чтобы старые дизельные собаки могли выполнять несколько новых трюков. ухищрения.

Совет 1. Не пережимайте и не пережимайте линию возврата топлива

Опытные тюнеры насосов знают, что ранние топливные насосы Bosch (насосы VE и насосы P) можно заставить увеличить давление впрыска путем ограничения обратного потока топлива. Этот тип «модификации» мог сойти с рук благодаря стилю насоса и более низкому давлению, которым были ограничены эти насосы.

Этот же трюк нельзя применить к системам HPCR.

Если у вас есть двигатель с топливной системой HPCR, и вы попытаетесь ограничить поток топлива насоса CP3, насос создаст такое большое давление в корпусе, что фактически выбьет уплотнения приводного вала и контрольные пробки прямо из насоса. ! Насос CP3 в значительной степени зависит от линии возврата топлива, чтобы сбросить избыточное давление топлива, которое создается внутри насоса, и отправить его обратно в бак.

Опять же, НЕ перекрывайте возвратную топливную магистраль при выполнении диагностических проверок, а в некоторых случаях (с модифицированными насосами CP3) вам действительно потребуется УВЕЛИЧИТЬ размер обратной топливной линии, чтобы справиться с дополнительным потоком.

Совет 2. Не допускайте избыточного давления на входе топлива

Все мы любим зарабатывать деньги и ездить в отпуск — чем больше, тем лучше. Больше не всегда лучше, когда речь идет о давлении топлива HPCR — слишком высокое давление топлива на входе может создать такие же проблемы, как и перекрытие обратного топливопровода. Существует «эффект умножения» давления топлива, подаваемого в насос — если вы подаете топливо в насос под слишком высоким давлением, оно создаст огромное давление (до 40 000 фунтов на квадратный дюйм) и может привести к разрыву уплотнений, повреждению насоса CP3 внутри. или повредить форсунки. Если вы используете CP3 в высокопроизводительном приложении, мы настоятельно рекомендуем установить манометр подачи топлива, чтобы обеспечить постоянное правильное давление топлива.

Рекомендуемое давление подачи для двигателей с CP3 и CP4:

• Dodge/Cummins ’03–’16 (5,9 л и 6,7 л) не менее 8 фунтов на квадратный дюйм / не более 15 фунтов на квадратный дюйм.
• GMC/Duramax ’01–’16 (6,6 л) не менее 8 фунтов на кв. дюйм / не более 10 фунтов на кв. дюйм.
• Ford/Powerstroke ’11–’16 (6,7 л) не менее 8 фунтов на квадратный дюйм / не более 10 фунтов на квадратный дюйм.

Совет 3. Сведите к минимуму образование конденсата и загрязнение водой – долейте!

Все мы знаем, что дизельное топливо гигроскопично (впитывает воду). Поэтому неудивительно, что основная причина отказов топливной системы дизельных двигателей №1: загрязнение водой.

По этой причине, если ваш двигатель не будет использоваться более 30 дней, мы настоятельно рекомендуем полностью заправить топливные баки (чтобы обеспечить минимальное количество воздуха для сбора конденсата), а также заменить топливо. фильтрует чаще, если двигатель долго простаивает.

Вода (конденсат) скапливается на стенках топливного бака, образуя небольшие капельки влаги, которые образуются при ежедневном нагреве и охлаждении окружающего воздуха. Чем больше разница температур, тем быстрее собирается вода. Обычно для образования конденсата внутри незапущенного топливного бака требуется около 28–30 дней. Эта влага будет накапливаться в топливе и начнет создавать ржавчину и водоросли внутри топливного бака и, в конечном счете, загрязнит все внутренние компоненты топливной системы.

При длительном хранении мы рекомендуем использовать присадку к дизельному топливу Stanadyne Performance Formula, которая содержит компонент стабилизатора топлива и мягкий биоцид для продления срока службы хранящегося топлива и подавления роста водорослей.

Совет 4. Регулярно меняйте топливные фильтры и улучшайте фильтрацию.

Форсунки HPCR тщательно изготавливаются в соответствии со строгими стандартами и многократно тестируются, прежде чем они попадут в коробку для продажи на прилавке. Если форсунка не пройдет эти строгие испытания, ее придется разобрать, чтобы начать все заново.

Компания Bosch использует материалы высочайшего качества, чтобы обеспечить долгий срок службы форсунок (измерение компонентов с точностью до 4 знаков после запятой!). Крайне важно защитить эти очень чувствительные компоненты от повреждений, чрезмерного износа или загрязнения. Приобретайте запчасти Bosch reman в нашем магазине дизельных запчастей.

Не существует присадок, которые могли бы удалить воду из дизельного топлива (продукты на основе спирта или продукты на основе метилгидрата не используются в дизельном топливе), ваш верный друг и ваша первая линия защиты вашего двигателя — вода- разделительный топливный фильтр.

Мы предлагаем менять топливный фильтр при каждой ВТОРОЙ замене масляного фильтра.

Одна из наших претензий к OEM-производителям заключается в том, что они устанавливают систему топливных фильтров, которая соответствует абсолютным минимальным стандартам защиты от фильтрации, которые им могут сойти с рук. Если вы серьезно относитесь к защите своих инвестиций (и хотите, чтобы вам реже приходилось обращаться к дилеру для ремонта), улучшение системы фильтрации топлива на вашем двигателе похоже на покупку расширенной гарантии — ваш двигатель и ваш кошелек будут рады, что вы это сделали.

Совет 5. Верните специально настроенные грузовики на склад для диагностики.

Индивидуальная настройка программного обеспечения для грузовиков последних моделей вывела мир дизельных двигателей на новый уровень производительности и ожиданий клиентов. Существует множество хорошо спроектированных продуктов, которые могут значительно повысить производительность и даже увеличить пробег вашего грузовика, но в неумелых руках неподготовленный человек может нанести серьезный ущерб за считанные секунды.