Главной особенностью этих систем является разделение узла создающего давление (ТНВД – аккумулятор) и узла впрыска (форсунки). Первым промышленным образцом аккумуляторной топливной системы с электронным управлением без мультипликаторов давления, названный Common Rail (общий путь, т.е. общая для форсунок магистраль, аккумулятор), явилась совместная разработка фирм Robert Bosch GmbH, Fiat, Elasis. На серийных автомобилях с применением электронного управления они появились в 1997 году. По сравнению с обычным дизелем система «коммон рейл» позволяет снизить расход топлива на 40% при уменьшении токсичности отработавших газов на 10 %.

Рис.1. Схема системы питания дизельных двигателей «коммон рейл»: 1 – топливный бак; 2 – топливопроводы слива; 3 – ТНВД; 4 – регулятор давления; 5 – топливопровод высокого давления; 6 – топливоподкачивающий насос; 7 – фильтр; 8 – гидроаккумулятор; 9 – датчик давления; 10 – предохранительный клапан; 11 – электрогидравлическая форсунка; 12 – датчик педали акселератора; 13 – датчик частоты вращения и положения коленчатого вала; 14 – температурный датчик; 15 – блок управления 

На рис. показано расположение элементов системы питания «коммон рейл» на двигателе.

Рис.2. Расположение элементов системы питания «коммон рейл» на двигателе:

1 – термоанеметрический пленочный расходомер массы воздуха; 2 – блок управления; 3 – насос высокого давления; 4 – топливная распределительная магистраль; 5 –форсунка; 6 – датчик частоты; 7 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 8 – топливный фильтр; 9 – датчик педали управления подачей топлива

С помощью топливоподкачивающего насоса 6 (рис.1) 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. В нем размещают также регулятор производительности и подкачивающий насос. От ТНВД топливо под давлением 1350-1600 кгс/см2 поступает в гидроаккумулятор 8, откуда под высоким давлением поступает на электрогидравлические форсунки 11. Излишки топлива от форсунок и ТНВД сливаются в топливный бак 1 через топливопроводы слива 2. Блок управления 15, получая информацию по входным параметрам (с датчиков), задает значения выходных параметров используя заложенную программу (воздействует на исполнительные механизмы), что в целом необходимо для получения требуемых характеристик двигателя. 

Количество топлива подаваемого в цилиндры двигателя через форсунки зависит от сигнала электронного блока управления 15, в зависимости от режима работы двигателя. В блок управления поступает информация от различных датчиков: температуры двигателя, температуры поступающего воздуха, датчика частоты вращения и положения коленчатого вала двигателя, датчика положения педали акселератора, датчика расходомера воздуха, датчика давления воздуха и др. 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.

Из-за особенностей процесса сгорания, присущих дизельным двигателям с турбонаддувом, для уменьшения шума и снижения выброса окислов азота, в цилиндры двигателя, перед впрыском основной дозы топлива, подается небольшая капля топлива 1-2 мм3 «пилотный впрыск», которая плавно перетекает в распыление остальной части топлива. Предварительный впрыск разогревает камеру сгорания, что позволяет топливу воспламеняться быстрее. Давление и температура при этом возрастают медленнее чем при обычном впрыске, что уменьшает «жесткость» работы двигателя и его шум с одновременным снижением выбросов окислов азота. Характер процесса двойного впрыска показан на рис . 

Рис.3. График процесса двойного впрыска и характер распыления топлива

Кроме двухфазного впрыска в системах «коммон рейл» применяются четырех и пяти фазные впрыски. При четырехфазном впрыске за один рабочий цикл проводится четыре впрыска: два предварительных – для оптимизации температуры в каме¬ре сгорания, один основной и один поствпрыск – для повышения темпе¬ратуры отработавших газов.

Рис. 4. Четырехфазный впрыск

Рис. 5. Радиально-плунжерный ТНВД фирмы «Бош»

1 – эксцентриковый вал; 2 – прецизионная втулка; 3 – плунжер; 4 – впускной клапан; 5 – электромагнит впускного клапана; 6 – выпускной клапан; 7 – электромагнит регулятора давления; 8 – седло клапана регулятора; 9 – предохранительный клапан с противодренажным отверстием

Насос имеет компоновку в виде звездообразной схемы (радиально-плунжерный) и состоит из эксцентрикового приводного вала 1, трех плунжеров 3, расположенных под углом 120°, впускного трубопровода с предохранительным клапаном 9 и противодренажным отверстием, впускного клапана 4 с электромагнитом 5, выпускного шарикового клапана 6 и регулятора давления управляемого электромагнитом 7. Применение насоса с тремя плунжерами, позволяет произвести три рабочих хода за один оборот при небольших затратах мощности на привод и обеспечивает равномер-ную подачу топлива. Для сравнения крутящий момент на привод насоса звездообразной схемы составляет 16 Нм, что соответствует 1/9 от момента привода для насоса распределительного типа. В связи с этим к приводу таких насосов предъявляются значительно менее жесткие требования, чем к насосам обычного типа.

При вращении приводного вала 1, эксцентрик вала, набегая или сбегая передвигает толкатель вместе с плунжером 3. При движении плунжера вниз в надплунжерном пространстве создается разрежение и топливо через впускной топливопровод и открытый при этом впускной клапан 4 поступает в надплунжерное пространство. При движении плунжера вверх над ним создается высокое давление за счет относительно короткого хода плунжера и подбора его диаметра, впускной клапан при этом закрывается, а шариковый выпускной клапан 6 открывается и топливо поступает в гидроаккумулятор. Давление, производимое насосом не зависит от количества топлива подаваемого в цилиндры. Насос крепится на двигателе и приводится в действие с помощью зубчатой передачи, цепью или ременной передачей с максимальной частотой вращения 3000 об/мин. Смазка внутренних движущихся деталей насоса производится от поступающего топлива.

Повышение давление на впуске выше пределов срабатывания предохранительного клапана (0,5…1,5 кгс/см2)

При превышении давлении в системе, в электромагнит 7 регулятора давления поступает соответствующий сигнал от блока управления и якорь электромагнита, в зависимости от величины сигнала, перемещается на определенную величину, открывая необходимое сечениеканала слива топлива.

Для обеспечения необходимой производительности насоса на различных режимах работы двигателя одна из секций насоса может выключаться с помощью электромагнитного клапана 5. Шток клапана по сигналу блока управления выдвигается и блокирует впускной клапан 4, поэтому при движении плунжера вверх давление над плунжером не возрастает и топливо в гидроаккумулятор не подается. Электромагнитный клапан может также дросселировать (изменять проходное сечение) прохождение топлива на входе. Дросселирование и выключение секций насоса необходимо для снижения затрат мощности, так как применение стравливания топлива с использованием регулятора давления приводит к непроизводительным потерям мощности. Фирма «Сименс» использует аналогичные насосы, но в них используются электромагнитный клапан позволяющий дросселировать прохождение топлива на входе в каждую секцию.

Топливоподкачивающие насосы. В качестве топливоподкачивающих насосов в системах «коммон рейл» применяются шестеренчатые с механическим приводом (внешнего зацепления) и роторные (роликовые) насосы с автономным электроприводом. Топливоподкачивающие насосы могут быть объединены с ТНВД или устанавливаться отдельно, в том числе погруженных в топливный бак. Давление топлива подаваемого топливоподкачивающими насосами составляет 5…8 кгс/см2.

Насос состоит из герметично закрытого корпуса, внутри которого установлен непосредственно сам насос 3 и электродвигателя 4, приводящего во вращение насос. Редукционный клапан 2предохраняет систему от чрезмерного повышения давления, а обратный клапан 5 препятствует стеканию топлива в бак после остановки насоса.

Рис.6. Электрический бензонасос:

1 – вход бензина; предохранительный клапан; 3 – насос; 4 – якорь; 5 – обратный клапан

Принцип работы насоса поясняют схемы на рис. 7. Ротор насоса 2 расположен эксцентрично относительно корпуса 4 и вращается вместе с якорем электромотора. Ролики перемещаются в канавках ротора, постоянно прижимаясь к опорной поверхности статора.

При вращении ротора увеличивается объем серповидной полости, ограниченной поверхностью статора 4, ротором 2 и двумя роликами, расположенными выше и ниже впускного отверстия 1. При этом указанная полость заполняется топливом. Когда ротор, а вместе с ним иролики займут положение, показанное на рис. б, объем серповидной полости между роликами будет уменьшаться, что обеспечивает подачу топлива в нагнетательную магистраль.

Рис.7. Схема работы насоса:

а – всасывание топлива; б – нагнетание топлива; 1 – вход топлива; 2 – ротор насоса; 3 – ролики; 4 – опорная поверхность роликов; 5 – выход топлива.

Форсунка системы «Коммон рейл» фирмы «Бош» состоит из электромагнита 11 и его якоря 10, маленького шарикового управляющего клапана 8, запорной иглы 2, распылителя 3, поршня управляющего клапана 5, подпружиненного штока 9. Шарик клапана прижимается к седлу с усилием пружины и электромагнита. Сила пружины рассчитана на давление до 100 кг/см2, что значительно ниже давления в линии высокого давления (250…1600 кг/см2), поэтому только при приложении усилия электромагнита шариковый клапан не отойдет от седла, отделяя аккумулятор от линии слива. Игла распылителя форсунки в нерабочем состоянии прижимается к седлу пружиной распылителя – это предотвращает попадание воздуха в форсунку при пуске двигателя. 

Рис.8. Разрез электрогидравлической форсунки фирмы Бош

1 – отводящий дроссель; 2 – игла; 3 – распылитель; 4 – пружина запирания иглы; 5 – поршень управляющего клапана; 6 – втулка поршня; 7 – подводящий дроссель; 8 – шариковый управляющий клапан; 9 – шток; 10 – якорь; 11 – электромагнит; 12 – пружина клапана

В отличие от бензиновых электромеханических форсунок, в форсунках «коммон рейл»электромагнит при давлении 1350 – 1600 кгс/см2 не в состоянии поднять запорную иглу, поэтому используется принцип гидроусиления рис.. Позиции на рис. соответствуют позициям разреза форсунки.

Рис.9. Принцип действия электрогидравлической форсунки:

а – форсунка в закрытом состоянии; b – форсунка в открытом состоянии; c – фаза закрытия форсунки

При создании давления в аккумуляторе, оно действует как на конусную поверхность иглы, так и на поршень управляющего клапана (рис 9. а). Поскольку площадь рабочей поверхности поршня на 50% больше площади конусной поверхности иглы, игла распылителя продолжает прижиматься к седлу.

При подаче напряжения от блока управления на электромагнит 11, шток 9 якоряштока поднимается и открывается шариковый управляющий клапан 8 (рис. 9. b). Давление в камере управления 7 падает в результате открытия дроссельного отверстия и топливо пропускается из зоны над поршнем управляющего клапана в зону слива. Давление на поршень управляющего клапана падает, так как подводящее дроссельное отверстие управляющего клапана имеет меньшее сечение чем отводящее. Запорная игла 2 при этом под действием высокого давления в кармане распылителя 3 открывается. Количество подаваемого топлива зависит от времени подачи напряжения в электромагнит 11, а значит от времени открытия шарикового управляющего клапана 8. При прекращении подачи напряжения на электромагнит 11, якорь под действием пружины опускается вниз, при этом шариковый управляющий клапан закрывается, давление в камере управления 4 восстанавливается через специальный жиклер (рис. 9. с). Под действием давления топлива на поршень управляющего клапана 5, имеющего диаметр больше диаметра иглы, последняя закрывается.

На входе топлива в форсунку установлен аварийный ограничитель подачи топлива. Он предотвращает опорожнение аккумулятора через форсунку с зависшей иглой или клапаном управления, а также повреждение соответствующего цилиндра дизеля. В нем используется принцип возникновения разницы давлений по обе стороны от клапана 1 (рис. 10. ) при прохождении топлива через его жиклеры 2. Сечение жиклеров, затяжка пружины 3 и диаметр клапана подобраны помаксимальной продолжительности и расходу, т.е. подаче топлива.

Рис. 10.  Аварийный ограничитель подачи топлива через форсунку

Одним из путей совершенствования системы «коммон рейл» является уменьшение быстродействия открытия форсунки. Минимальное время открытия форсунки для электромагнита с подвижным сердечником составляет 0,5 мс, что не позволяет оперативно изменять подачу топлива. Для более быстрого срабатывания форсунки концерн «Сименс», разработал пьезокерамический инжектор, который работает вчетверо быстрее.

Известно, что при подаче электрического напряжения на пьезокерамическую пластинку, она на несколько микрон изменяет свою толщину. Пьезоэлемент, являющийся исполнительным элементом форсунки, представляет собой параллелепипед длиной 30…40 мм, состоящий из спеченных между собой 300 керамических пластинок (кристаллов).

Рис.11. Пьезоэлемент

Для усиления пьезоэффектав керамику добавляют палладиум и цирконий. После подачи напряжения он удлиняется в общей сложности на 0,04 мм. Пьезоэлемент потребляет энергию только при подаче напряжения и регенерирует ее при выключении напряжения, таким образом являясь регенератором энергии. 

Изобретателям немецкой фирмы удалось создать 280-слойный пакет из пьезокерамики, расширяющийся на 80 мкм всего за 0,1 мс - достаточно, чтобы воздействовать на иглу форсунки с усилием 6300 Н. При этом для управления используют напряжение бортовой сети автомобиля. Электрогидравлическая форсунка концерна с пьезоэлементом «Сименс» показана на (рис. 12).

Рис. 12. Разрез электрогидравлической форсункифирмы Siemens:

1 - пьезоэлемент; 2 - рычажной мультипликатор перемещения; 3 - шток; 4 - клапан управления; 5 - жиклер камеры управления; 6 - мультипликатор гидрозапирания; I - рычажной мультипликатор перемещения в исходном положении; II- то же во время впрыска.

Принцип работы форсунки «Сименс» аналогичен работе форсунки «Бош», за исключением регулирования давления в камере управления. Вместо электромагнита здесь применяется пьезоэлемент 1. Для увеличения хода клапана используется механический рычажный мультипликатор перемещения 2. При срабатывании пьезоэлемента 1, в результате его расширения, происходит перемещение и поворот рычажного мультипликатора перемещения 2, который в свою очередь перемещает шток 3, при этом последний открывает клапан управления 4. Давление в камере управления падает и запорная игла под действием высокого давления в кармане распылителя открывается.В начале своего хода (поз I) через рычажный мультипликатор передается максимальное усилие, противодействующее высокому давлению перемещение при этом минимальное а/b ≈ 1. В конце хода усилие уменьшается, а ход увеличивается в а/b > 1 раз (позиция II).

Развитием форсунок с пьезоэлементом стало перенесение управляющего клапана в нижнюю часть форсунки (рис.13)

Рис. 13. Схема форсунки с пьезоэлементом второго поколения:

1 – отвод топлива; 2 – подвод топлива; 3 – пьезоэлектрический элемент; 4 – управляющий поршень; 5 – управляющий клапан; 6 – гайка распылителя

Благодаря тому, что пьезофорсунки имеют намного меньшее время срабатывания, чем традиционные электромагнитные, стало возможным разделение горючей смеси на несколько отдельных микродоз: после многократных предварительных впрыскиваний очень небольших количеств горючей смеси следуют либо основное впрыскивание, либо при необходимости многие так называемые «послевпрыскивания». Время между предварительным впрыскиванием и основным впрыскиванием составляет 100мс. Объем топлива, попадающего в цилиндр в момент каждого предварительного впрыскивания, составляет 1,5 мм3. Это делается для равномерного распределения давления в камере сгорания и, соответственно, уменьшения шума, создаваемого в процессе сгорания. После впрыскивания, в свою очередь, служат для снижения токсичности отработавших газов. Если в конце цикла сгорания произвести еще одно впрыскивание в цилиндр, то оставшиеся частицы сгорают лучше. Кроме того, в случае, когда во впускной системе установлен фильтр для улавливания несгоревших частиц, такая технология за счет высокой температуры способствует его очистке. Это особенно актуально для двигателей с большим рабочим объемом. 

Если в первом поколении систем впрыска высокого давления Common Rail с электрогидравлическими форсунками давление впрыска составляло порядка 1350 бар, то для второго поколения с пьезогидравлическими форсунками давление возросло до 1650 бар.

Более того, сейчас стало возможным использовать до семи тактов впрыска вместо трёх за один рабочий процесс. Благодаря этому появляются новые возможности для увеличения номинальной мощности двигателя и еще более точного контроля за составом отработавших газов.

Назначение аккумулятора – накапливать необходимое количество топлива для обеспечения его потребления форсунками на всех режимах работы двигателя. Чтобы нагнетательные топливопроводы идущие к форсункам не были длинными, аккумулятор закрепляют на голове блока. Аккумулятор изготавливается в виде толстостенного трубопровода с внутренним диаметром 10 мм, наружным 18 мм, длиной 280… 600 мм, объемом 22…47 мл. 

Регулятор давления. В системах «коммон рейл» фирм «Бош» и «Сименс» применяется электроуправляемый клапанный регулятор давления, который должен обеспечивать точное поддержание заданного для данного режима давления в аккумуляторе. Клапан может устанавливаться как в ТНВД позиция 4 (см. рис ТНВД), так и на аккумуляторе. Давление в аккумуляторе поддерживается усилим пружины 4 (рис. 14 ), которая через шток 2 воздействует на шариковый клапан 1. Электромагнитом 3 создается дополнительное запирающее усилие.

Рис.14. Электроуправляемый редукционный клапан

Изменением продолжительности периодического обесточивания клапана регулируется средний по времени расход топлива на слив и, следовательно давление в аккумуляторе. Регулятор давленияв системах «коммон рейл» фирм «Бош» и «Сименс»является вторым каналом регулирования давления аккумулятора после блокирования впускного клапана ТНВД.

Предохранительный (редукционный) клапан 10 (рис.15.) предназначен для стравливания топлива из аккумулятора при превышении давления выше допустимого. Онсрабатывает при неисправном регуляторе давления. При превышении давления в аккумуляторе свыше допустимого клапан 2, преодолевая усилие пружины 3 открываете сливную магистраль и давление в аккумуляторе уменьшается.Давление срабатывания клапана регулируется поворотом винта 4.

Рис. 15. Предохранительный клапан

Датчик давления топлива в аккумуляторе 9 служит для передачи сигнала давления топлива в блок управления. Он состоит из мембраны 2 и электронной платы 1.

Рис. 16. Датчик давления в аккумуляторе

Мембрана 2 приварена к корпусу и снабжена полупроводниковым первичным преобразователем. Она может прогибаться до 1 мм при давлении 1500 кгс/см2. Перемещение мембраны, зависящее от давления топлива, вызывает изменение сигнала регистрируемого в электронной плате и передаваемого в блок управления.

Поделиться с друзьями.