что, зачем и почему — АвтоТехДизель

Система дизельного впрыска COMMON RAIL. Устройство и принцип действия

Система Common Rail – это система впрыска топлива под высоким давлением. Ее называют также аккумуляторной системой впрыска. Понятие «Common Rail» означает дословно «общая рейка» или «общая рампа», под которой подразумевается общий для всех форсунок топливный аккумулятор высокого давления. В этой системе разделены процессы подачи топлива под высоким давлением и процессы впрыска. Необходимая для впрыска подача топлива под высоким давлением производится специальным насосом высокого давления. Топливо накапливается в аккумуляторе высокого давления, из которого оно подводится через короткие трубопроводы к форсункам. К преимуществам системы Common Rail относятся: практически свободный выбор давления впрыскивания для каждого режима работы двигателя, возможность впрыска топлива под высоким давлением при низких частотах вращения вала двигателя и при частичных нагрузках, управляемое начало впрыска с подачей предварительной дозы, отделенной от основной порции топлива.

Устройство

Топливная система состоит из двух контуров: контура низкого давления, включающего электронасос в топливном баке, компенсационный бачок, топливный фильтр и шестеренный насос, и контура высокого давления, включающего насос высокого давления, аккумулятор (Rail), форсунки и предохранительный клапан.

Включенные в контур низкого давления электронасос и шестеренный насос обеспечивают подачу топлива из бака через компенсационный бачок и фильтр к насосу высокого давления. Этот насос подает топливо в аккумулятор (Rail) под высоким давлением, необходимым для впрыска топлива. Из аккумулятора высокого давления топливо поступает к форсункам, через которые оно впрыскивается в камеры сгорания двигателя.

Дизельная форсунка с электронным управлением

Форсунки предназначены для впрыска топлива в камеры сгорания в нужном количестве и в нужный момент. Они управляются блоком управления топливной системой дизеля с непосредственным впрыском. В исходном состоянии форсунка закрыта. Ее электромагнитный клапан при этом обесточен. Якорь электромагнитного клапана прижимается пружиной к его седлу. Игла распылителя форсунки прижимается к ее седлу силой давления топлива, действующего на поршень мультипликатора сверху, и превышающей силу давления, действующую на значительно меньшую площадь иглы снизу.

Впрыск топлива производится по команде блока управления системой впрыска дизеля. При этом на электромагнитный клапан подается напряжение. Как только создаваемое электромагнитом усилие превышает силу затяжки пружины клапана, якорь электромагнита поднимается, открывая выпускной дроссель.

В результате топливо из камеры управления вытекает через дроссель в сливную магистраль. Впускной дроссель препятствует быстрому уравниванию давлений в топливоподводящем канале и в камере управления. При этом сила давления, действующая на поршень мультипликатора, снижается до уровня, при котором она преодолевается силой давления на иглу распылителя. В результате игла поднимается и начинается впрыск топлива. Впрыск топлива заканчивается, как только блок управления системой впрыска дизеля прекращает подавать напряжение на электромагнитный клапан форсунки. При этом электромагнитный клапан обесточивается. Пружина электромагнитного клапана вновь прижимает его якорь к седлу, перекрывая сливной дроссель. Давление топлива в камере управления повышается до его уровня в аккумуляторе. При этом давление в камере управления равно давлению, действующему на иглу распылителя.

Это означает восстановление равенства давлений топлива в камере управления и в контуре высокого давления. Ввиду большей площади поршня мультипликатора действующая на него сила вызывает посадку иглы распылителя на ее седло. Таким образом процесс впрыска заканчивается, после чего игла распылителя остается неподвижной.

Дизельный топливный насос высокого давления — ТНВД

Дизельный топливный насос высокого давления или сокращённо ТНВД необходим для создания высокого давления дизельного топлива до 1700 бар. На валу насоса высокого давления находится эксцентрик. Вращение эксцентрика преобразуется посредством установленной на нем шайбы в возвратно-поступательное движение плунжеров трех насосных элементов.

При движении плунжера в направлении к валу увеличивается объем надплунжерного пространства и соответственно уменьшается давление в нем. При этом топливо, подаваемое шестеренным насосом под давлением, поступает через впускной клапан в надплунжерное пространство.

С началом движения плунжера от эксцентрикового вала происходит повышение давления топлива в надплунжерном пространстве. В результате тарелка впускного клапана прижимается к его седлу, перекрывая выход топлива из надплунжерного пространства. Дальнейшее перемещение плунжера сопровождается нарастанием давления топлива. При повышении давления в надплунжерном пространстве до его величины в аккумуляторе открывается выпускной клапан, через который топливо поступает в контур высокого давления.

Причины неисправности форсунок Common Rail

Форсунки системы Common Rail относят к наиболее продвинутой системе подачи топлива для дизельных двигателей. Но периодически и им необходимо проводить плановый ремонт. Сбой в работе форсунок может произойти по следующим причинам:

1. Износ детали. Срок работы форсунки Common Rail примерно 150 000-200 000 км.
2. Качество топлива. Наличие в нём воды, присадок, а порой и бензина.
3. Неправильная эксплуатация, замена и ремонт форсунок.

Наиболее часто у форсунок из строя выходят — клапан-мультипликатор и распылитель. Точную причину сбоя в работе форсунки помогут определить только в сервисном центре. Самостоятельно показания к ремонту можно понять по следующим факторам:

• Двигатель долго заводится, особенно в прогретом состояние;
• «Троит» двигатель;
• Повышенная дымность выхлопа;
• Повышенный расход топлива.
• Уменьшение тяги дизельного двигателя.

Оборудование необходимое для проведения ремонтных работ

Далеко не последнюю роль на обеспечение качества проводимого ремонта оказывают инструменты, применяемые при ремонте форсунок систем Common Rail, а так же специальные стенды для проведения диагностики форсунок Common Rail на основании тест-плана завода изготовителя. Для этих задач мы предлагаем безмензурочный стенд CR305, который позволяет произвести диагностику по всем возможным режимам работы форсунки на основании тест-плана завода изготовителя. Режимы: leak test — проверка герметичности форсунок, VL test — проверка открытия давления и объема топлива , LL test — проверка максимального давления и объема топлива, VE test — проверка давления и объема топлива по параметрам. Стенд CR 305, укомплектован всем необходимы для работы с любым типом форсунок Bosch, Delphi, Siemens, Denso с верхним и боковым подводом топлива. Так же для проведения предварительной (первичной) диагностики форсунок существуют комплекты CRtest, которые позволяют определить состояние форсунки и возможность ее последующей диагностики на безмензурочном стенде и ее ремонтопригодности. Если у Вас есть стенд для ТНВД, можно приобрести специальную оснастку для систем Common Rail и проводит диагностику непосредственно на стенде для ТНВД. После определения неисправности форсунок производится ремонт.

На этапе ремонта понадобится специальные наборы инструментов для разборки/сборки форсунок, специальные индикаторные головки для измерения хода анкера. Стапель для удобства работы с форсункой. Все это оборудование представлено в разделе «Инструмент для Common Rail». Так же Вы можете увидеть варианты диагностики и способы применение оборудования в разделе «Видео».

13.08.2021 Все статьи

ОСОБЕННОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ «COMMON RAIL» ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ЕЁ ЗАВОЗДУШИВАНИИ Группа компаний ИНФРА-М — Эдиторум

Введение

 

Развитие современного автомобилестроения связано с разработкой и внедрением новых топливных систем дизельных двигателей, позволяющих существенно повысить эффективность эксплуатации автотранспортных средств. К таким топливным системам можно отнести системы «Common Rail» 4-го поколения корпорации «Robert Bosch GmbH», обеспечивающие соответствие колесных транспортных средств пятому и шестому экологическим классам. Однако для обеспечения таких высоких экологических стандартов существенно повышаются требования к эксплуатации и техническому обслуживанию указанных топливных систем. Нарушение правил эксплуатации транспортного средства, несвоевременное и некачественное техническое обслуживание топливной системы способны вызвать катастрофические виды изнашивания её деталей вследствие попадания воздуха в систему (завоздушивания), что приводит к отказу дизельного двигателя автомобиля и дорогостоящему ремонту. В современной научно-технической литературе отсутствуют научно обоснованные рекомендации по предотвра-щению таких отказов. Поэтому исследования в данном направлении являются актуальными.

 

 

 

Анализ условий работы деталей пар трения топливной системы Bosch «Common Rail» 4-го поколения 

 

Рассмотрим устройство системы Bosch «Common Rail» 4-го поколения (рис. 1).

Данная система имеет две модификации топливного насоса высокого давления (ТНВД): СР4. 1 — с одним плунжером и СР4.2 — с двумя плунжерами. В ней могут применяться пьезофорсунки или электромагнитные топливные форсунки (1) с возможностью работы при 2000 атм. В форсунках игла и корпус распылителя образуют прецизионную пару трения (зазор в сопряжении составляет несколько микрометров). Игла (2) совершает тысячи возвратно-поступательных движений в минуту, поэтому попадание каких-либо загрязнений с топливом в форсунку недопустимо.

ТНВД (3) предназначен для создания в топливной магистрали давления, необходимого для работы системы впрыска (форсунок). Привод насоса осуществляется через зубчатый ремень от коленчатого вала. С помощью двух кулачков, развёрнутых на приводном вале (4) на 180°, скачок давления топлива формируется синхронно с впрыском во время рабочего такта конкретного цилиндра. Для снижения трения при передаче усилия от приводных кулачков к плунжеру насоса между ними установлен ролик (5), соединенный с толкателем (6) плунжера (7). Толкатель плунжера, плунжер и соответствующие отверстия в корпусе (8) ТНВД образуют прецизионные пары трения, смазочным материалом которых является дизельное топливо.

Топливный насос низкого давления (ТННД, 9) подаёт насосу высокого давления топливо в количестве, необходимом для каждого режима работы двигателя. Через дозирующий клапан (10) топливо попадает в область высокого давления. Управление клапаном осуществляется от блока управления двигателем. Кулачки приводного вала приводят плунжер (7) насоса в возвратно-поступательное движение. При возвратном движении плунжера объём камеры сжатия увеличивается. По этой причине давление в камере сжатия падает по сравнению с давлением топлива в корпусе насоса. Под действием этого перепада давления впускной клапан (11) открывается, и топливо затекает в камеру сжатия. После начала движения плунжера в прямом направлении давление в камере сжатия возрастает, и впускной клапан закрывается. Как только давление в камере сжатия превысит давление в топливной рампе, открывается выпускной (обратный) клапан (12), и топливо начинает поступать в рампу (13).

 

Давление топлива в магистрали низкого давления регулируется с помощью перепускного клапана (14), который расположен на входе в ТНВД. ТННД подаёт топливо из топливного бака (15) через фильтр тонкой очистки (16) к ТНВД под давлением около 5 атм. Перепускной (редукционный) клапан удерживает давление топлива на входе в ТНВД на уровне 4,3 атм. Топливо, подаваемое ТННД, давит на плунжер перепускного клапана, удерживаемого пружиной. Когда давление превышает 4,3 атм, перепускной клапан открывается, и топливо поступает в обратный топливопровод. Избыток топлива, таким образом, стекает обратно в топливный бак.

Для регулирования давления в рампе используется регулятор давления топлива (17), на котором имеется фильтр тонкой очистки в виде металлической сетки. Избыточное топливо через регулятор давления возвращается в обратный топливопровод. На рампе имеется датчик давления топлива (18), который связан с электронным блоком управления двигателем.

Из проведенного анализа следует, что все пары трения системы Bosch «Common Rail» 4-го поколения смазываются дизельным топливом, содержащим противоизносные присадки. Нарушение режима смазывания топливом (например, при завоздушивании) приводит к контактированию поверхностей трения с образованием продуктов изнашивания в виде металлических частиц и выходу из строя всей топливной системы. Таким образом, необходимым условием долговременной работы пар трения данной топливной системы является недопущение попадания в неё существенных объемов воздуха (завоздушивания), приводящих к катастрофическим видам изнашивания деталей прецизионных пар трения.

 

 

Причины завоздушивания топливных систем «Common Rail» дизельных двигателей

 

Процесс попадания воздуха в топливную систему в большинстве случаев обусловлен следующими причинами:

1. Некачественное техническое обслуживание или ремонт топливной системы, приводящие к её разгерметизации. Разгерметизация вызывает постоянное попадание воздуха в топливную систему. Такое явление может произойти при замене топливного фильтра тонкой очистки, снятии и установке топливных форсунок, топливопроводов высокого давления, подаче дизельного топлива в систему питания двигателя из внешней ёмкости в ходе ремонтных работ.

Усугубляют последствия завоздушивания топливной системы работы по запуску двигателя с помощью стартера и применением средства облегчения запуска — аэрозольной смеси (эфира).

При этом топливная система двигателя выходит из строя в течение нескольких часов.

2. Нарушение правил эксплуатации автотранспортного средства, обусловленное применением солярки, не соответствующей температуре окружающего автомобиль воздуха, и низким уровнем топлива в баке транспортного средства.        Наиболее опасна эксплуатация автомобиля с малым количеством летней солярки в баке в условиях низких температур (ниже –15 °С). Проанализируем, что произойдет в исследуемой топливной системе, в которой находится летнее дизельное топливо объемом 8-10 л, при температуре ниже –15 °С.

 

         Обычно температура застывания летнего дизельного топлива составляет от –10 до –15 °С [1; 2]. При более низкой температуре такое дизельное топливо полностью теряет свою подвижность из-за кристаллизации углеводородов, что приводит к прекращению подачи топлива к двигателю. Это вызывает остановку двигателя и невозможность его последующего запуска.

        При уровне топлива в топливном баке около 8-10 л в топливо погружен не весь топливный насос низкого давления, расположенный в топливном баке, а только его приемный фильтр.

         При движении автомобиля с таким объемом топлива при интенсивном ускорении (торможении), на подъемах (спусках) или участках дороги с поперечным уклоном воздух может засасываться насосом в топливную магистраль низкого давления, что недопустимо для топливной системы Вosch «Common Rail» СР4 из-за возможности ее завоздушивания и последующего отказа двигателя.

         После остановки прогретого двигателя дизельное топливо остается в топливной системе при условии её герметичности. При этом температура топлива в топливопроводах низкого давления в рассматриваемых условиях составляет +10…+20 °С [3-5]. Длина топливопровода низкого давления в автомобиле составляет около 5 м. При охлаждении топлива, например до –20 °С, его объем уменьшается [1; 2] и давление в топливопроводе существенно падает. Это приводит к формированию в нем воздушных пробок вследствие попадания воздуха через топливный насос низкого давления, который, как было указано ранее, полностью не погружен в топливо и окружен воздухом, а также выделения из дизельного топлива растворенного в нём воздуха [2].

          Так как температурный коэффициент объемного расширения летнего дизельного топлива равен около 0,001 °С^–1 и изменение коэффициента растворимости воздуха в топливе составит 0,01 м³/м³ [2], то при охлаждении солярки на 30 °С (от +10 до –20 °С) в 5-метровом топливопроводе общая длина воздушных пробок составит 0,001·30·5+0,01·5 = 0,2 м.

        Парафиновые пробки в застывшем дизельном топливе, а также образовавшиеся в нем воздушные пробки препятствуют запуску дизельного двигателя, оборудованного топливной системой Вosch «Common Rail» СР4.

         Следует отметить, что парафиновые пробки в застывшем дизельном топливе растворяются при его нагреве выше температуры застывания топлива и работоспособность системы восстанавливается [3-5], однако для удаления воздушных пробок требуются дополнительные работы по развоздушиванию (прокачиванию) топливной системы. В противном случае детали рассматриваемой топливной системы получают критические дефекты, и она полностью выходит из строя.

 

 

Особенности изнашивания и дефекты деталей пар трения топливной системы «Common Rail», обусловленные её завоздушиванием

 

Представленные ниже результаты были получены в ходе автотехнических экспертиз автомобилей марок «Киа» и «Хёндай», оборудованных топливной системой Вosch «Common Rail» СRDi с одноплунжерным топливным насосом высокого давления СР4.1.

Попадание воздуха в исследуемую топливную систему двигателя (завоздушивание) вызывает кавитационное изнашивание металлической сетки (показана стрелками) фильтра регулятора давления топливной рампы (рис. 2, 3).

Такой вид изнашивания наблюдается при наличии пузырьков воздуха в потоке жидкости (в дизельном топливе) [6; 7]. При прохождении такой жидкости через регулятор давления топливной рампы воздушные пузырьки смыкаются («схлопываются») и металлические поверхности подвергаются гидравлическим ударам, которые приводят к образованию на них повреждений в виде характерных углублений и язв (рис. 4). При этом на фильтре регулятора давления топливной рампы обнаруживаются частицы металла (продукты изнашивания деталей ТНВД вследствие попадания воздуха), которые застряли в нем при прохождении загрязненного дизельного топлива (рис. 5). Регулятор давления с указанными дефектами подлежит замене.

 

Завоздушивание топливной системы Вosch «Common Rail» не допускается, поскольку приводит к отказу топливного насоса высокого давления вследствие ускоренного изнашивания его деталей, при этом продукты изнашивания загрязняют всю топливную систему.

После разборки топливного насоса высокого давления в ходе визуального осмотра его деталей были обнаружены повреждения (дефекты) в виде царапин и натиров на плунжере (рис. 6), толкателе плунжера (рис. 7, 8), на кулачке приводного вала ТНВД (рис. 9), в отверстии корпуса ТНВД под толкатель плунжера (рис. 10, 11).

Выявленные дефекты формируются при контактировании друг с другом металлических деталей насоса из-за отсутствия смазочного материала (дизельного топлива) вследствие попадания воздуха в топливную систему, то есть имеет место адгезионное изнашивание деталей ТНВД. ТНВД с такими дефектами необходимо заменить.

Повреждение толкателя плунжера в ходе контактирования с алюминиевым (менее твердым) корпусом ТНВД объясняется образованием на поверхности трения оксида алюминия (Al₂О₃) в ходе коррозионно-механического изнашивания. Такой оксид существенно тверже стали, из которой изготовлен толкатель [8-10], и он активно образуется при попадании воздуха в топливную систему.

Образовавшиеся продукты изнашивания деталей ТНВД и абразивные частицы оксида алюминия, попавшие вместе с топливом в топливопроводы высокого давления и далее к форсункам, повреждают иглы топливных форсунок. Этот факт подтверждается исследованием цилиндрических поверхностей иглы разукомплектованной электромагнитной форсунки (рис. 12). На рис. 13 видны расположенные перпендикулярно друг к другу следы финишной механической обработки иглы и царапины от попадавших внутрь форсунки продуктов изнашивания деталей ТНВД. Часто наблюдается заклинивание игл форсунок из-за изнашивания деталей ТНВД.

Так как работа неисправных форсунок в системах Вosch «Common Rail» последних поколений блокируется ограничителями (аварийными клапанами) подачи топлива при заклинивании игл в открытом состоянии или при завоздушивании внутреннего пространства форсунок, это также не позволяет запустить двигатель.

Таким образом, адгезионное и коррозионно-механическое изнашивание деталей ТНВД вследствие завоздушивания приводит к абразивному изнашиванию поверхностей трения форсунок и в конечном итоге к отказу дизельного двигателя.

 

Основные выводы и рекомендации

 

На основании проведенных исследований можно утверждать следующее:

1. Нарушение режима смазывания топливом подвижных сопряжений системы Вosch «Common Rail» при завоздушивании приводит к контактированию поверхностей трения с образованием продуктов изнашивания в виде металлических и абразивных частиц и выходу из строя всей топливной системы.

2. При завоздушивании топливной системы происходит кавитационное изнашивание фильтра регулятора давления топливной рампы, адгезионное и коррозионно-механическое изнашивание плунжера, толкателя плунжера и корпуса топливного насоса высокого давления. Поверхности указанных деталей получают дефекты в виде углублений, язв, царапин и натиров.

3. Продукты изнашивания деталей топливного насоса высокого давления вызывают абразивное изнашивание поверхностей трения форсунок и их заклинивание. На поверхностях трения игл форсунок формируются риски и царапины, не совпадающие со следами финишной абразивной обработки.

4. После замены топливного фильтра тонкой очистки и каких-либо ремонтных работ для удаления воздушных пробок необходимо проводить дополнительные работы по развоздушиванию (прокачиванию) системы Вosch «Common Rail» СР4.

5. Не следует допускать применения дизельного топлива, не соответствующего температуре окружающего автомобиль воздуха, и низкого (менее ¼) уровня топлива в баке транспортного средства.

6. Проводить работы по техническому обслуживанию и ремонту топливной системы Вosch «Common Rail» 4-го поколения следует только в сервисных центрах, имеющих соответствующий допуск корпорации «Robert Bosch GmbH» к работе с указанными системами и необходимое технологическое оборудование.

Все, что вам нужно знать о системе впрыска Common-Rail — TrueNorth

12 мая

Написано гостевым пользователем

Использование более новых двигателей дает значительные преимущества, когда речь идет об экономии топлива. Однако, как мы знаем, не у всех есть ресурсы для работы с новым оборудованием. Если вы обнаружите, что используете более старые технологии, в этой статье излагаются передовые методы обслуживания этих систем и объясняется, почему более новые и более эффективные тракторы могут быть полезны для вашего бизнеса. Как говорит автор Джон Бакстер, в конце концов, такие знания делают сидение за кофейной стойкой на стоянке для грузовиков и общение с другими водителями более увлекательным. 😁

Первая система Common-Rail: ACRS

До 2007 года американские производители двигателей единогласно использовали топливные форсунки с приводом от распределительного вала. Однако в 2007 году Detroit Diesel заменил Series 60 и был увеличен до 14 литров с помощью DD15. У DD15 была революционная система впрыска под названием «ACRS» или Amplified Common Rail System.

Система Common Rail не была совершенно новой концепцией — такие системы использовались на первых судовых дизелях. Но насос-форсунки взяли верх из-за высокого давления, которое они создают внутри твердого металлического корпуса, а не тонкой металлической трубы. Немецкие инженеры знали, что традиционные формы для литья под давлением никогда не будут эффективны в будущем, и они также знали, что металлургия — наука о том, как делать металлы легкими и прочными, — прошла долгий путь. Они поняли, что новая система впрыска может решить один недостаток насос-форсунок — их склонность работать лучше всего только при более высоких оборотах.

В насос-форсунках используются плунжеры, подобные длинным поршням, для проталкивания топлива через крошечные отверстия или «отверстия», просверленные в чашке в нижней части блока. Плунжеры приводятся в движение кулисными рычагами распределительного вала. Это означает, что определенное количество топлива поступает в двигатель на каждые, скажем, 3 градуса поворота коленчатого вала, что согласуется с исходной дизельной идеей о постепенном введении топлива по мере опускания поршня. Эти форсунки могут делать удивительные вещи, и при оборотах, приближающихся к 1800 оборотам в минуту, регулируемым для двигателей той эпохи, они могут быстро создавать давление, значительно превышающее 30 000 фунтов на квадратный дюйм (для давления в фунтах на квадратный дюйм). Высокое давление ускоряет горение и минимизирует образование сажи. Низкого уровня образования сажи особенно трудно добиться при высоком уровне рециркуляции отработавших газов, поэтому высокое давление впрыска является важной целью разработчиков дизельных двигателей.

Проблема в том, что подобная система теряет большую часть своей мощности при работе двигателя на низких, экономичных оборотах. Система, производящая 35 000 фунтов на квадратный дюйм при 1800 об/мин, будет производить менее 25 000 фунтов на квадратный дюйм при 1200 об/мин.

Введите систему Common Rail. В системе ACRS был мощный насос, производивший около 13 000 фунтов на квадратный дюйм. Он перекачивал топливо под постоянным давлением в рампу — трубу диаметром около ¾ дюйма. Рейка была соединена с форсунками в каждом цилиндре.

В форсунках ACRS используется другой поршень с двумя секциями — верхней частью большего диаметра и нижней частью меньшего диаметра. Топливо, выпущенное под давлением 13 000 фунтов на квадратный дюйм в камеру над верхней частью плунжера, заставит его опуститься, когда ECM откроет клапан, чтобы впустить топливо и начать впрыск. Камера под плунжером также имела топливо и типичное расположение небольших отверстий на ее дне. Поскольку нижняя часть плунжера была меньшего диаметра, сила была сосредоточена, и инжектор мог создавать давление впрыска до 38 000 фунтов на квадратный дюйм. Система была разработана таким образом, что клапан, пропускающий топливо в верхнюю камеру, мог дросселировать топливо и производить «формирование скорости», что означало, что форсунка могла вкачивать топливо с меньшей скоростью и смягчать начало сгорания и ранние стадии сгорания. сжигание. Это помогло снизить пиковое давление и температуру в цилиндре и снизить выбросы NOx. После того, как поршень начал опускаться, он полностью открылся бы, если бы это было необходимо, чтобы быстро сжечь топливо, поскольку поршень начал бы двигаться вниз, чтобы произвести максимальную мощность.

Такая система также может останавливать и запускать впрыск для расширения горения при сохранении давления топлива для обеспечения хорошего сгорания. Условия меняются в зависимости от нагрузки и оборотов.

MaxxForce

Вскоре после этого, также в 2007 году, Navistar представила двигатели MaxxForce, в том числе N13, двигатель для грузовиков класса 8. Многие компоненты двигателя поставлялись MAN, немецким производителем, который первым лицензировал оригинальные дизельные двигатели. Они предоставили блок цилиндров из более легкого чугуна, известного как чугун с уплотненным графитом. Двигатель имел немного другую форму системы Common Rail, которая не усиливала давление внутри форсунки, а использовала трубопровод, чтобы выдерживать полное давление во всей системе. Отчасти из-за усовершенствованной системы впрыска двигатель мог развивать максимальный крутящий момент до 1000 об/мин, в то время как большинство двигателей не могли этого сделать ниже 1200 об/мин. Обе системы впрыска описаны ниже вместе с системой, принятой Cummins, поскольку они имеют схожую конструкцию.

2010

В 2010 году все производители должны были соответствовать значительно более низким стандартам Nox, которые снизились почти на 90%. Cummins был одним из производителей двигателей, который пытался соответствовать стандарту путем внесения внутренних изменений в двигатель. Тем не менее, в конце концов, они приняли то, к чему пошла большая часть отрасли, — процесс, называемый селективным каталитическим восстановлением. SCR использует DEF или жидкость для выхлопных газов дизельных двигателей для смешивания внутри каталитической камеры при высоких температурах с выхлопными газами двигателя. Эта камера следует за DPF и, таким образом, расположена там, где выгорание сажи увеличивает теплоту выхлопных газов, что помогает работе SCR.

DEF содержит мочевину, химическое вещество, которое превращается в аммиак в каталитической камере SCR. Затем аммиак соединяется с Nox (Nox относится к оксидам азота, комбинации азота из воздуха с кислородом) в выхлопных газах с образованием безвредного азота и воды. Компания Cummins обнаружила уникальный медный цеолитный катализатор, который, как они утверждали, делает процесс SCR более эффективным, и решила присоединиться ко всей остальной отрасли, за исключением Navistar, и полагаться на SCR для соответствия стандартам Nox 2010 года. Проблема с соблюдением стандартов Nox в цилиндре заключается в том, что горящее топливо не может стать слишком горячим, что снижает эффективность двигателя и другие аспекты чистого сгорания.

Кроме того, как упоминалось выше, конкуренты Cummins, как Detroit Diesel, так и Navistar с двигателями MaxxForce, уже имели систему впрыска Common Rail. Итак, Cummins работала со шведской компанией Scania над разработкой своей системы Common Rail XPI.

Топливная система Common Rail на 15-литровом двигателе Cummins ISX в разрезе. Топливная рампа — это длинная труба, расположенная справа. Более тонкие трубки, которые соединяются с ним, проходят снизу и соединяются с тонкими трубками слева от рампы, проводя топливо через головку блока цилиндров к форсункам (не показаны).

Интересная система, которую Cummins использовала до 2010 года, имела то преимущество, что предлагала более мягкое начало сгорания, но не могла использовать какую-либо форму раздельного впрыска. Встреча 2010 года потребовала разбиения каждого цикла впрыска на несколько отдельных впрысков, чтобы цилиндр не перегревался. Также требовался предварительный впрыск — небольшой выброс топлива задолго до максимального сжатия, который не воспламенялся, но готовил почву для немедленного воспламенения основного топливного заряда после начала впрыска. Лучшие системы Common-Rail могут смягчить начало сгорания с помощью предварительного впрыска (и сделать это даже более эффективно, чем система с открытым цилиндром Cummins)9. 0043 и настраивают его на отдельные импульсы, чтобы горящий топливный заряд не перегревался. Отсюда и решение.

Как работают системы Common-Rail

Так как же выглядят эти системы Common-Rail? Хотя дизельное топливо как жидкость трудно сжимается, оно лишь слегка эластично. Итак, имея более прочные металлические трубы, чем когда-либо прежде, инженеры разработали топливную рампу — длинную трубу относительно большого диаметра (более половины дюйма), которая была намного больше, чем трубы, ранее использовавшиеся в дизельных системах впрыска. Эта труба проходит по всей длине двигателя и сообщается с инжекторным клапаном в каждом цилиндре, который имеет электрический игольчатый клапан. Эти клапаны могут быть быстро открыты и закрыты ECM. Труба будет питаться насосом с приводом от коленчатого вала с несколькими поршнями, которые будут попеременно непрерывно и плавно перекачивать топливо в рельсовую систему. Насос будет управляться во многом так же, как впрыск управлялся в электронных насос-форсунках — электрические клапаны открывались, а затем закрывались, когда поршни поднимались и вытесняли топливо из насоса в трубопровод, ведущий к рампе. Разница заключалась в том, что накачка будет непрерывной, а не будет происходить только на несколько градусов, когда поршень выходит за пределы верхней точки в начале каждого рабочего такта.

Если бы требовалось больше топлива, клапаны были бы закрыты дольше, и, например, когда водитель разгоняется до крейсерской скорости на шоссе и нажимает на педаль газа, клапаны начинают закрываться после более короткого хода каждого поршня . Датчик, который измерял давление в рампе, отправлял сигнал давления в ECM, чтобы постоянно контролировать давление и поддерживать его на желаемом уровне. Таким образом, давление в рампе можно было поддерживать постоянным. Хотя при каждом срабатывании каждой форсунки будут небольшие изменения давления или «импульсы», одновременно срабатывает только одна форсунка, а количество топлива, впрыскиваемого при каждом открытии клапана, минимально по сравнению с объемом рампы, при котором давление остается стабильным.

Также должен быть клапан сброса давления, такой как предохранительный клапан на котле, для сброса избыточного давления, если электроника недостаточно хорошо контролировала давление или произошел сбой датчика. Но суть в том, что с такой системой ECM мог выдавать желаемое давление топлива на уровне все раза, даже когда двигатель работал на холостом ходу.

Преимущества систем Common-Rail

Способность откачивать топливо из рампы при 30 000–35 000 фунтов на квадратный дюйм на всех оборотах — мечта инженера-дизелиста. Проблема здесь в том, что прежние системы с насос-форсунками не могли обеспечить максимальное давление вплоть до пикового крутящего момента двигателя, который составляет 1200 об/мин или ниже. В более ранних системах, хотя топливо подавалось с соответствующей скоростью, падение давления по-прежнему означало более плохое смешивание с воздухом в цилиндре. Это означало больше выбросов сажи, ограничения крутящего момента на низких оборотах и ​​то, насколько медленно двигатель может вращаться, сохраняя при этом хорошую топливную экономичность и производительность.

Меньше выбросов твердых частиц

Современная система Common Rail подает топливо под максимальным или любым другим давлением, даже при 1000 об/мин или меньше. И, поскольку игла с электроприводом может разбивать впрыскиваемую порцию топлива на несколько отдельных частей, система по-прежнему может удерживать давление в цилиндре от слишком быстрого и слишком высокого уровня. Это помогает снизить выбросы Nox и удерживает нагрузки двигателя в определенных пределах. Возможность подавать топливо за тот же период времени, но, возможно, за 3 струи высокого давления, а не с одной струей более низкого давления, также означала меньше выбросов твердых частиц, поскольку топливо более эффективно распылялось и смешивалось с воздухом. Как вы можете себе представить, если ваше топливо защищено от гелеобразования, эта система запустит ваш двигатель даже при низких температурах наружного воздуха.

Более холодный цилиндр и более тихий двигатель

Система также может несколько снижать давление, чтобы подавать топливо более постепенно и сохранять цилиндр еще более холодным (поддерживая пиковое давление и пиковые температуры, производящие NOx, намного ниже), когда грузовик крейсерский, когда требуемая мощность и крутящий момент значительно ниже. Это также делает двигатель тише.

Меньший вес и мощность двигателя

Кроме того, поскольку насос общей топливной рампы постоянно нагнетает топливо, просто поддерживая давление в рампе, резкое повышение и понижение давления и почти резкие колебания крутящего момента необходимы для привода распределительного вала, приводящего агрегат в действие. форсунки уходят. Фактически, там, где распределительные валы были адаптированы только для управления клапанами, или в случае Cummins, когда отдельный распределительный вал форсунки полностью исчез, двигатель потерял до 200 фунтов веса. Мощность, необходимая для привода топливной системы, также была снижена. Для привода насоса Common-Rail требуется менее 15 л.с. А насос с общей топливной рампой означает, что установка накладных расходов включает только регулировку коромыслов клапанов.

Двигатель Paccar MX13 вышел в 2010 году. Этот двигатель имеет распределительный вал в блоке для снижения его профиля. В течение нескольких лет она использовала насосы для подачи топлива к форсункам, по одному на каждый цилиндр. Эти высокопроизводительные насосы имели электрические клапаны подачи, поэтому клапаны были установлены как на форсунках, так и на насосах (на обоих концах коротких линий подачи жира), чтобы обеспечить более точную работу. Однако в 2013 году Paccar разработала систему Common-Rail. Единственное отличие от систем Navistar и Cummins заключалось в том, что в ней использовались два насосных агрегата, приводимых в действие распределительным валом, для подачи рейки по более коротким линиям, чем те, которые использовались с насосами с приводом от коленчатого вала. В двигателе используются двухсекционные насосы — этого достаточно для обеспечения плавной работы.

До 2017 года у Volvo была надежная и высокопроизводительная форма насос-форсунки с приводом от распределительного вала. Они исключительно хорошо работали на низких оборотах, поскольку у них было два регулирующих клапана, один для подачи на форсунку, а другой для сброса давления, а не только один. . Работа клапанов может быть скоординирована, а подача топлива дросселирована таким образом, чтобы поддерживать достаточное давление для хорошей производительности при низких оборотах и ​​в то же время обеспечивать максимальную производительность при регулируемых оборотах.

Система Common Rail на Volvo D13, которая была новой в 2017 году. Топливная рампа представляет собой длинную блестящую трубу в верхней/центральной части фотографии с заглушкой (для датчика давления) справа и двумя меньшие трубки, идущие к форсункам, подключенным к нему.

Но в 2017 году Volvo перешла на систему Common Rail, в которой рейка размещалась под крышкой кулачка. Как показано выше, они умело спроектировали систему, в которой три из шести форсунок объединены с насосными агрегатами, приводимыми от распределительного вала. Насосы используют общие линии, соединяющие эти три форсунки с рампой, чтобы иногда питать рампу, а в другое время отправлять топливо обратно к этим трем форсункам. Новая система работает тише старой и может разбивать топливный заряд, направляемый в каждый цилиндр, на более мелкие части, чем раньше. Это единственная система с общей топливной рампой, в которой коромысла, приводимые в движение распределительным валом, приводят в действие насосы агрегата, и их необходимо регулировать с помощью клапанов при работе верхних головок. Это изменение сопровождалось внедрением их «волнового поршня», который имеет выступы в стенке камеры сгорания, которые направляют брызги топлива обратно к центру камеры, тем самым предотвращая скопление топлива на стенках камеры и копоти. Новый поршень позволил увеличить степень сжатия в двигателях Volvo на один пункт до 18:1. Поскольку Mack MP8 использует аналогичную архитектуру, хотя и имеет другие кривые крутящего момента и мощности, их двигатель использует эту новую технологию.

Снижение скорости

Настоящим вознаграждением за все это является «снижение скорости», созданное Volvo. Наличие системы впрыска, которая может обеспечить идеальное давление при 1000 об/мин и даже ниже, в сочетании с превосходной аэродинамикой новейших тракторов означает, что крейсерские обороты продолжают падать. До турбонаддува многие дизели должны были развивать скорость выше 1800 об/мин. По мере развития систем впрыска крейсерские обороты упали до 1600, затем 1500, а затем 1300, в зависимости от размера двигателя.

Но с автоматическими коробками передач, способными время от времени переключаться на более низкие передачи, которые могут потребоваться на типичных автомагистралях между штатами, и с идеальным сгоранием даже до 900 об/мин, последние грузовики теперь движутся со скоростью 1150 или даже чуть более 1000 об/мин. В последнем предложении Volvo используется концепция турбокомпаунда, в которой используется вторая турбина для рекуперации энергии выхлопных газов после турбонагнетателя и привода коленчатого вала. Двигатель может развивать максимальную мощность и крутящий момент при меньшем расходе топлива в цилиндры. В результате меньшая нагрузка на цилиндры позволяет развивать крейсерские обороты на уровне 1060 об / мин или ниже.

Заключительные мысли

Поскольку низкие обороты помогают двигателю легче дышать, уменьшают трение и лучше используют энергию сгорания, которая не успевает за поршнем при более высоких оборотах, силовые агрегаты с пониженной скоростью спасают многих дальнобойщиков и небольших автотранспортные компании много денег на свои счета за топливо. Они также обеспечивают водителю более спокойную езду. Но без впрыска Common Rail это было бы невозможно.

Оборудование

Гость

Непосредственный впрыск Common Rail: функции, детали, работа

В современных дизельных двигателях используется система впрыска Common Rail. Системы Common Rail предлагают уровень гибкости, который можно использовать для достижения лучшего в своем классе контроля выбросов, мощности и топливной экономичности. Производители оригинального оборудования (OEM) теперь могут проектировать для обеспечения максимальной производительности и ценности для конечного пользователя для широкого спектра машин и приложений.

Благодаря гибкости, которую они обеспечивают при соблюдении самых строгих стандартов контроля за загрязнением окружающей среды, все большее число современных дизельных двигателей используют топливные системы прямого впрыска Common Rail (CRDi). Топливо подается в двигатель под давлением и с электронной точностью в системах Common Rail. Это дает уровень гибкости, который можно использовать для достижения лучшего в своем классе контроля выбросов, мощности и расхода топлива.

В этой статье вы узнаете определение, функции, компоненты, схему, работу, преимущества и недостатки системы прямого впрыска Common Rail.

Read more: Understanding diesel engine

Contents

Что такое непосредственный впрыск Common Rail?

Дизельные двигатели, как правило, обладают явным преимуществом высокой топливной экономичности и низким уровнем выбросов CO2. В результате был создан ряд новых технологий по ограничению вредных выбросов. Система непосредственного впрыска топлива Common Rail Direct Injection (CRDI) является одной из таких технологий. В этой конструкции сгорание начинается в основной камере сгорания, расположенной в полости в верхней части днища поршня.
В этой системе используются быстродействующие форсунки с электронным управлением, обеспечивающие впрыск дизельного топлива в пять раз точнее, чем в стандартной системе впрыска. В результате происходит большее снижение содержания твердых частиц и NOx, что повышает эффективность использования топлива и крутящий момент. В результате снижается шум двигателя и вибрация.

В 1997 году компания Bosch представила первую систему Common Rail. Система получила свое название от общего резервуара высокого давления (common rail), который подает бензин во все цилиндры. Давление топлива должно создаваться отдельно для каждого впрыска в традиционных дизельных системах впрыска. Система Common Rail, с другой стороны, разделяет создание давления и впрыск, гарантируя, что топливо всегда доступно при надлежащем давлении для впрыска.

Применение

Система Common Rail подходит для всех типов дорожных транспортных средств с дизельным двигателем, от городских автомобилей (таких как Fiat Panda) до автомобилей представительского класса (таких как Audi A8). BOSCH, Delphi, Denso и Siemens VDO являются ведущими производителями современных систем Common Rail (в настоящее время принадлежат Continental AG).

Функции

Ниже перечислены основные функции системы прямого впрыска Common Rail в ее различных применениях:

Подача топлива:

Корпус ТНВД содержит такие детали насоса, как цилиндр и поршень. Когда кулачок поднимает поршень, топливо сжимается до высокого давления и поступает в форсунку.

Регулировка количества топлива:

Независимо от скорости вращения или нагрузки всасывание воздуха в дизельных двигателях почти постоянно. Мощность и расход топлива колеблются, когда количество впрыскиваемого топлива изменяется в зависимости от частоты вращения двигателя, в то время как момент впрыска остается постоянным. Педаль акселератора используется для изменения мощности двигателя, которая почти пропорциональна количеству впрыска.

Регулировка момента впрыска:

Интервал между моментом впрыска, воспламенения и сгорания топлива и достижением максимального давления сгорания называется задержкой воспламенения. Поскольку этот период времени практически не зависит от частоты вращения двигателя, для регулировки и изменения момента впрыска используется таймер, обеспечивающий оптимальное сгорание.

Распыление топлива:

Топливо тщательно смешивается с воздухом, когда оно нагнетается ТНВД, а затем распыляется из форсунки, что улучшает воспламенение. Конечным последствием является полная горючесть.

Подробнее: Понимание двухтактных дизельных и бензиновых двигателей

Компоненты системы прямого впрыска Common Rail

Основные компоненты системы прямого впрыска Common Rail включают:

• Топливный насос высокого давления — нагнетает топливо до высокого давления
• Трубка высокого давления – подает топливо к форсунке
• Форсунка – впрыскивает топливо в цилиндр
• Подкачивающий насос – всасывает топливо из топливного бака
• Топливный фильтр – фильтрует топливо
• Блок управления двигателем

Схема CRDi

Принцип работы

Работа системы прямого впрыска Common Rail CRDi менее сложна и понятна. Система Common Rail состоит из аккумулятора давления (или, другими словами, топливопровода), расположенного вдоль блока цилиндров. Многоцилиндровый топливный насос высокого давления питает рампу. Электромагнитные клапаны используются для включения форсунок. Оба электромагнитных клапана и топливный насос управляются электронным способом.

Давление впрыска в системе впрыска Common Rail не зависит от частоты вращения двигателя и нагрузки. В результате управление параметрами впрыска упрощается. Для снижения шума двигателя и выбросов NOx обычно используется предварительный впрыск. Поток топлива регулируется игольчатым клапаном в форсунках. Давление топлива обеспечивается как сверху, так и снизу игольчатого клапана. Сбрасывая часть давления сверху, давление снизу вытолкнет иглу из своего гнезда. Затем топливо будет выливаться через отверстия форсунок.

Подробнее: Система впрыска топлива в автомобильных двигателях

Посмотрите видео ниже, чтобы узнать больше о том, как работает система прямого впрыска Common Rail:

Преимущества и недостатки системы прямого впрыска Common Rail

Преимущества:

Ниже приведены преимущества двигателя CRDi в различных областях его применения:

• Он производит на 25 % больше мощности и крутящего момента, чем обычный двигатель с непосредственным впрыском.
• Начальные вложения минимальны.
• Можно подобрать лучше.
• Сводит шум и вибрацию к минимуму.
• Можно увеличить пробег.
• Выбросы минимальны.
• Уменьшено количество потребляемого топлива.
• Можно добиться лучших результатов.

Недостатки:

Несмотря на хорошие преимущества системы CRDi, все же существуют некоторые ограничения. Ниже приведены недостатки прямого впрыска Common Rail в различных вариантах его применения:

Присоединяйтесь к нашей рассылке

• Дорогое транспортное средство
• . гибкости, которую можно использовать для достижения лучшего в своем классе контроля выбросов, мощности и топливной экономичности. Производители оригинального оборудования (OEM) теперь могут проектировать для обеспечения максимальной производительности и ценности для конечного пользователя для широкого спектра машин и приложений. Это все для этой статьи, где объясняются определение, применение, функции, компоненты, схема, работа, преимущества и недостатки прямого впрыска Common Rail.