Common Rail – факты и мифы

Несмотря на то, что с момента внедрения систем питания Common Rail прошло несколько десятилетий, многие пользователи машин все еще испытывают опасения по поводу их использования. Оправданы ли они? 

Исторический взгляд
Хотя сегодня это может показаться невероятным, система Common Rail присутствовала в двигателях с самого начала их истории. В 1913 году, через 21 год после того, как Рудольф Дизель получил патент на свой двигатель, британская компания Vickers запатентовала ранний вариант системы с общим топливным баком, поддерживающим постоянно повышенное давление, соответствующее давлению впрыска. Британцы использовали то, что было доступно на тот момент, т.е. форсунки и регуляторы с механическим управлением. Решение Виккерса было полностью лишено какой-либо электроники. Это оправдывалось не только техникой того времени, но и использованием разработанной системы, которая должна была привести в действие тихоходные корабельные агрегаты.

В то же время Томас Гафф получил патент на аналогичную систему питания, но для двигателей с искровым зажиганием. Графф использовал в своем двигателе инжектор с катушечным управлением, который подавал топливо непосредственно в камеру сгорания (одно из первых решений с непосредственным впрыском). Отказ от механического регулятора и форсунок позволил добиться существенно более высоких скоростей вращения – от максимальных нескольких сотен оборотов в минуту до нескольких тысяч. Однако двигатель Томаса был намного меньше и мог использоваться для привода транспортных средств, движущихся по суше, или машин на заводах.

Это вдохновило дизайнеров Брукса Уокера и Гарри Кеннеди, которые, приняв на вооружение форсунки с электрическим управлением Graff, модифицировали систему, разработанную Vickers, что дало начало системе Common Rail, какой мы ее знаем сегодня. Их решение нашло получателя в лице компании «Атлас-Империал Дизель Моторс». И вот «Дизель с Common Rail» дебютировал на рынке еще до того, как Роберт Бош представил ТНВД. (1921 г. - насос переменной производительности Prosper L'Orange, 1927 г. - насос R.Bosch)

Однако трудности с созданием достаточно высокого давления и управлением форсунками, а также внедрение других, более эффективных и вместе с тем более простых на тот момент систем: ТНВД, системы ПЛН (насос – линия – форсунка), замедлили развитие работ. на КР, который использовался только для питания двухтактных корабельных и железнодорожных агрегатов.

Лишь в 1980-х и 1990-х годах, когда начались интенсивные исследования по совершенствованию культуры труда и повышению эффективности подразделений ЗС, многие компании пришли к выводу, что используемые до сих пор системы достигли предела своих возможностей. Недавно разработанные решения, такие как насос-форсунки, оказались тупиковыми. На этом фоне Common Rail неожиданно вышел в лидеры, выполнив все условия для дизеля, пригодного для XXI века. Так еще одно изобретение из древних времен обрело новую жизнь и статус «новинки».

Трудный дебют
Системы подачи топлива Common Rail (CR) в настоящее время являются широко применяемым решением и фактически единственным в современных дизельных энергоблоках. Однако даже сегодня, более чем через два десятилетия после появления первого грузовика Hino Ranger с системой CR от Denso (1995 г.) или первого легкового автомобиля с системой CR (Fiat-Magneti Marelli-Centro Ricerche-Elasis), который Alfa Romeo 156 2.4 JTD (1997 г.), мы все еще ищем машины: тракторы, грузовики, комбайны и т.д., в характеристиках которых есть пункт «приведено в действие: насос». Почему?

Главным образом потому, что CR обычно ассоциируется с высокой чувствительностью к качеству топлива, частотой отказов и высокими затратами на ремонт. Мы проверили цену на форсунки системы CR для 6-цилиндрового двигателя одной из ведущих марок тракторов на рынке. Каталожная цена одной форсунки составляет 1600 злотых. Если мы умножим это на 6, добавим стоимость замены и калибровки, мы легко сможем превысить 10 000. злотый. С другой стороны, системы CR сейчас достаточно хорошо доработаны и отказы слышны не так часто, а также у них есть множество неоспоримых преимуществ, которых нет у обычных инжекторных систем.

Каково это на самом деле? Мы начинаем серию статей, направленных на ответы на основные вопросы, такие как: каковы наиболее распространенные причины выхода из строя CR и какое влияние на это может оказать пользователь машины, что выходит из строя и какие затраты на ремонт следует учитывать в случае возникновения неисправности данной неудачи. В самом начале стоит взглянуть на то, что такое печально известный CR, как он работает и что мы получили от его использования. С этого мы и начнем.

МНОГО ПРЕИМУЩЕСТВ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ
Система Common Rail позволила сделать то, что было недостижимо для конкурирующих систем впрыска. Использование аккумулятора, хранящего топливо под высоким давлением независимо от оборотов двигателя, и уменьшение задач отдельных узлов открыло перед конструкторами новые функции, упростив всю систему.

То, что мы можем почувствовать непосредственно с точки зрения пользователя, — это лишь верхушка горы возможностей движка CR. Начиная с таких очевидных и легко ощущаемых проблем, как более равный труд, меньший расход топлива, значительно меньший выброс вредных веществ и снижение шума при работе, через менее очевидные преимущества, такие как меньшее тепловыделение, ведь речь ведь не идет об обогреве помещения. воздух, но переводя энергию топлива в мощность и крутящий момент, а это гораздо выгоднее в случае двигателей CR.Благодаря возможности управления дозой топлива и ее делением (в первых версиях на 3 дозы) можно было влияют на то, как двигатель генерирует мощность и момент. На данный момент получаю 90 процентов Максимальный крутящий момент уже при 1200 об/мин не представляет собой ничего особенного, а поддержание такого высокого уровня крутящего момента практически до максимальных оборотов двигателя давало пользователям машины как повышенную экономичность, так и возможность работать в широком диапазоне оборотов.

Контроль того, что и когда попадает в камеру сгорания, является мощным инструментом. В последнее время его используют в основном для борьбы с выбросом нежелательных продуктов сгорания или для введения таких удобств, как возможность временного увеличения мощности, так называемого повышение или усиление. Поэтому неудивительно, что системы CR захватили практически все сегменты дизельных двигателей, предлагаемых сегодня. Основными поставщиками систем являются: Bosch, Denso, Delphi, Continental AG (ранее Siemens VDO), Cummins, L’Orange. Многие компании специализируются на производстве отдельных компонентов, например Heinzmann (полоски/батарейки), Magneti Marelli или Sagem (электроника). К этой группе продолжают присоединяться и другие компании, такие как: Deutz, MAN, Scania, которые в сотрудничестве с различными университетами или крупными производителями создают свои собственные CR-системы.

Общий топливный бак
«Common Rail», содержащийся в английском названии, на самом деле является общим для всех форсунок гидроаккумулятором, в котором хранится топливо, подаваемое насосом высокого давления. Дизельное топливо из этого резервуара находится под очень высоким давлением (в зависимости от поколения максимум от 120 до даже 250 МПа), всегда доступным для каждой из форсунок, соединенных с ним кабелями.

Разумеется, система оснащена многочисленными датчиками и регулирующими клапанами, благодаря которым блок управления (ЭБУ) может на основе загруженного программного обеспечения решить, каким должно быть значение давления – для корректной работы не всегда будет необходимо максимальное значение. Здесь стоит отметить, что системы CR нового поколения работают на основе очень интенсивного потока информации: нагрузка на вал, состав выхлопных газов, температура, давление впрыска, поправки, возникающие в результате калибровки форсунок. Эта и другая информация представляет собой «входные данные» для алгоритмов, управляющих работой компонентов.

Два насоса
В предыдущих решениях, например в случае секционных или распределительных насосов, давление зависело от текущих оборотов двигателя, а доза топлива определялась корректором. В случае с CR задача насосов в некоторой степени упростилась, хотя недооценивать это не следует. В типовой системе, предназначенной для работающей машины, имеются два насоса: подающий насос и насос высокого давления (НВД). Иногда оба насоса могут быть совмещены в одном корпусе, но классической системой является система, в которой подающий насос (часто электрический) расположен у топливного бака, а насос высокого давления - у двигателя (приводится от двигателя через шестерни или редуктор). пояс). Задача первого - подача топлива из бака через комплект фильтров (в различной комплектации - например фильтр предварительной очистки перед насосом, фильтр тонкой очистки после него или оба после насоса) к насосу высокого давления, который отвечает за обеспечение должного давления внутри гидроаккумулятора, т.е. так называемого рельсы.

Характер работы насоса непостоянен (контроллер сам определяет, какое давление необходимо в данный момент), в этом есть свои преимущества и недостатки. Преимуществом является, конечно, возможность продления ее срока службы, если использовать «эко»-режимы или работать с ограниченными оборотами: меньшее давление в системе означает более медленный износ уплотнений, меньшую нагрузку на ротор, подшипники и т. д. К сожалению, когда мы захотите резко увеличить обороты и насосу придется подавать большее давление, в аккумуляторе появятся волновые явления (скачок давления), вызывающие нарушение работы форсунок и клапанов. Производители защищаются от такого рода явлений, используя системы, которые изменяют характер шаговых сигналов, которые мы посылаем педалью газа, а в случае самых больших агрегатов инжектор иногда оснащается собственным дополнительным аккумулятором для подавления вышеперечисленного. упомянутые эффекты.

Значительная нагрузка на насос высокого давления при работе на максимальных параметрах двигателя также может привести к повышенному износу ротора. Речь идет о так называемом питтинг, в результате которого ПКВ может стать источником металлических опилок, которые будут подаваться дальше. Поэтому по мере увеличения давления вводились дополнительные фильтры: непосредственно после PWC и/или на форсунках.

РОЛЬ ИНЖЕКТОРОВ В СИСТЕМЕ
Если вопросы, связанные с работой аккумулятора и насоса высокого давления, вполне очевидны и их можно понять по аналогии с рабочей гидросистемой (есть элемент, создающий давление, и есть его накопитель), то роль форсунок более очевидна. сложный. Именно этот элемент зачастую определяет надежность всей системы, ведь форсунки работают в самой неблагоприятной среде и в экстремальных условиях. Можно сказать, что они по определению составляют самое слабое звено во всей цепочке, которой является система Common Rail.

Мы снова можем понять, как работает инжектор в системе CR, по аналогии с силовой гидравликой, но теперь нам следует представить себе гидравлический клапан. Когда мы переводим рычаг в открытое положение, рабочая жидкость начинает поступать в ресивер, например гидроцилиндр, но в случае с нашей форсункой вместо ручного рычага мы имеем электромагнитный или пьезоэлектрический привод, управляемый компьютер, позволяющий открывать и закрывать подачу топлива в цилиндр.

СОЛЕНОИДНЫЙ ИНЖЕКТОР
В случае электромагнитных форсунок исполнительным элементом является электромагнит, расположенный в его верхней части. Он соединен с подвижным ползунком с пластиной на конце, разделяющей пространства с разным давлением. Второй подвижный элемент представляет собой штифт с поршнями разного диаметра: в верхней части больше, в нижней части меньше. На поверхности поршня действуют разные давления. Высшее (например, в аккумуляторе) преобладает в верхней части, куда подается топливо, и пониженное в нижней части. Благодаря этому положение форсунки по умолчанию закрыто (топливо не попадает в двигатель). Только когда компьютер подает напряжение на катушку магнита, он начинает поднимать ползунок вверх, и образовавшийся зазор позволяет топливу течь и изменять давление в системе. Затем весь штифт перемещается в открытое положение. Подключенная к нему игла открывает канал, ведущий к наконечнику форсунки, в котором имеются отверстия, распыляющие топливо внутрь камеры сгорания. Избыточное топливо, используемое для управления, поступает по обратным магистралям в бак. Мы имеем дело с сочетанием электромагнитного и гидравлического управления с топливом в качестве рабочего тела.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ – В ДЕСЯТЬ РАЗ БЫСТРЕЕ
Ничем не отличается и пьезоэлектрические форсунки, хотя их конструкция несколько иная. Здесь нет ни штыря, как у электромагнитного предшественника, ни электромагнита. Вместо этого это пьезоэлектрический материал, который меняет свои размеры под воздействием приложенного к нему напряжения, что позволяет ему переместить небольшой распределительный щиток в положение, открывающее поток топлива в дополнительной цепи управления. Его задача – окончательно открыть и закрыть иглу, контролирующую дозу топлива, подаваемого в камеру сгорания. Введение системы с дополнительным гидропреобразователем было необходимо, поскольку силы, создаваемые в пьезоэлектрике, недостаточно велики, чтобы просто заменить электромагнит.

Почему было решено сделать такое головокружительное усложнение уже проверенной системы? Что ж, самым большим преимуществом пьезоэлектрических инжекторов является их значительная скорость (открытие и закрытие), обусловленная очень низкой инерцией и быстрым откликом пьезоэлектрика. Это привело к возможности разделения впрыскиваемого топлива на 5 или даже 8 доз, распределенных по времени, при этом электромагнитный инжектор мог выполнить максимум 3 из них. Более точный контроль дозы топлива позволил улучшить сгорание. условиях и повышенную эффективность, а это приносит прямые выгоды, такие как меньший расход топлива, больший крутящий момент, доступный в более широком диапазоне скоростей вращения, большую мощность и меньшее количество вредных компонентов выхлопных газов.

В теории все звучит красиво и просто, особенно если мы еще имеем в виду нашу аналогию в виде коллектора грубой очистки или гидроклапана, небольшое запотевание которого редко является серьезной проблемой, ведь некоторые протечки всегда допустимы. Правильно, утечки. Точность изготовления и размеров являются ключевыми вопросами в случае форсунок CR, а утечки или неточная посадка абсолютно недопустимы. Точность обработки некоторых деталей форсунок выражается в нанометрах. Недаром такими элементами занимаются кафедры точной механики. И здесь мы попали в слабое место всей системы CR...