Системы подачи топлива для дизельных двигателей всегда были очень сложными и требовали сложной технологии производства. В легковых автомобилях последовательно применялись рядные и роторные насосы, последние либо с впрыском в форкамеру, либо с непосредственным впрыском. Однако ни одно из решений не было оптимальным. Форкамера обеспечивала более высокую культуру работы двигателя, но сравнительно большой расход топлива. Экономичность прямого впрыска окупалась тяжелой работой двигателя и большим шумом. Эти дилеммы продолжались до второй половины 1990-х гг.
Именно тогда Fiat и Bosch представили первый серийный вариант системы впрыска топлива Common Rail для легкового автомобиля, что оказалось прорывом в развитии дизельных двигателей. Производством и дальнейшим развитием совместно разработанной системы занималась компания Bosch, став лидером рынка, поставляющим продукцию некоторым из крупнейших производителей автомобилей в мире. Автомобильная премьера системы Common Rail состоялась в 1997 году в Alfa Romeo 156 (автомобиль концерна Fiat) и в Mercedes C-класса 220 CDI. Система Common Rail быстро завоевала рынок и к 1999 году Bosch произвела уже 1 миллион таких систем впрыска. Denso и Lucas (Delphi), а затем Bosch предложили конкурентоспособные системы Common Rail для легковых автомобилей. Хотя Denso использовала Common Rail в грузовиках в 1995 году. В настоящее время, после нескольких лет производства,
В системе Common Rail дизель всасывается из топливного бака под давлением около 4 бар и проходит через фильтр к насосу высокого давления. Поршневой насос сжимает топливо до огромного давления, даже в новейших системах, до 1800 бар. От ТНВД топливо поступает в гидроаккумулятор (аккумулятор давления), так называемый общие рельсы. Эта рейка подключена ко всем форсункам. В результате при открытии форсунки топливо впрыскивается в камеру сгорания под давлением, почти равным давлению в рампе. Аккумулятор давления (common rail) обеспечивает стабильность давления при открытии форсунки, что позволяет осуществлять очень частые впрыски без падения давления.
Идея системы Common Rail довольно проста и существует уже несколько десятилетий. Однако его внедрение в серийное производство потребовало освоения передовых технологий производства и соответствующей передовой управляющей электроники. Насос высокого давления, создающий давление более тысячи бар, и форсунки, время открытия которых составляет миллисекунды, требуют сложной конструкции и высокой точности изготовления. Все это контролируется электронным контроллером, который постоянно рассчитывает дозу инъекции и контролирует работу помпы и инъекторов. В отличие от других систем впрыска, очень быстрая работа всей системы и полная свобода времени впрыска позволяет разделить дозу в течение одного цикла сгорания. В результате вместо одной большой дозы вводят несколько меньших.
Типы систем Common Rail
В течение нескольких лет производства концепция Common Rail все еще находится в стадии разработки. Краткую историю этого развития можно проиллюстрировать на примере Bosch. Система Common Rail, представленная в 1997 году, допускала максимальное давление в рампе до 1350 бар и работала с электромагнитными форсунками. В качестве насоса высокого давления использовался трехпоршневой радиальный насос. В 2001 году появилась система второго поколения, в которой максимальное давление впрыска было увеличено до 1600 бар, а доза могла делиться на 5 меньших. В 2003 году была представлена система третьего поколения, позволяющая добиться давления впрыска до 1800 бар. Высокоточное управление обеспечивают сверхбыстрые пьезоэлектрические форсунки. Этот тип системы работает с однопоршневым насосом высокого давления.
Клапан регулирования давления отвечает за регулирование давления в резервуаре. С годами он изменил свое местоположение. В первых системах он располагался на рампе и открывался при необходимости для снижения давления впрыска. Недостатком этого типа решения была необходимость того, чтобы насос накачивал весь объем топлива в резервуаре, так что насос потреблял излишне много энергии. В более поздних решениях этот клапан был перенесен на насос, благодаря чему можно сбросить давление до поступления топлива в резервуар (система показана на чертеже). Также подходят системы с двумя вентилями: на рейке и на насосе. Это решение дорогое, но обеспечивает высокую точность управления.
Системы Common Rail, используемые в легковых автомобилях, очень похожи друг на друга. В зависимости от типа и размера двигателя применяются насосы с соответствующим расходом и форсунки с соответствующим количеством отверстий, обычно от 6 до 8.
Преимущества системы Common Rail
Использование аккумулятора давления и электронной системы управления позволило системе Common Rail свободно формировать дозу впрыска. За счет разделения дозы впрыска на несколько меньших, повышается эффективность работы двигателя и снижается шум. Это правда, что при высоких дозах (полная нагрузка) инъекционные дозы не делятся из-за скорости всего явления. Очень высокое давление впрыска, несравнимое с линейным насосом, и даже роторный насос обеспечивает хорошее распыление дозы. В результате сгорание топлива становится более эффективным, и можно достичь большей мощности до того, как сгорание будет сопровождаться характерным черным дымом. Кроме того, простота регулировки давления впрыска и угла впрыска позволяет очень точно настроить двигатель, обеспечивая низкий уровень выбросов вредных компонентов.
В системах Common Rail впрыск топлива может происходить независимо от положения коленчатого вала. Эта функция оказалась очень полезной при использовании сажевого фильтра DPF. Когда в фильтре скапливается количество сажи, грозящее его засорением, возникает так называемый впрыск топлива, т.е. впрыск дозы топлива в выхлопной газ, выходящий из цилиндра. Это топливо поступает в сажевый фильтр, воспламеняя в нем сажу. Точная дозировка топлива позволяет контролировать регенерацию фильтра DPF.
Недостатками систем Common Rail, безусловно, являются высокие производственные затраты, которые всегда были высокими для дизельных насосов. Кроме того, прецизионные пары насосов высокого давления и форсунок, работающих под высоким давлением, очень чувствительны к качеству топлива. Теоретически недостатком систем Common Rail является высокая потребляемая мощность для привода насоса высокого давления, которая может достигать нескольких ватт. На практике, однако, экономия за счет эффективности системы перевешивает потери, связанные с приводом насоса.
Дополнительные сигналы управления двигателем
Для работы двигателя Common Rail требуется три основных датчика. Первый и самый очевидный — это датчик скорости. Информация о частоте вращения двигателя является основой практически всех расчетов, выполняемых контроллером двигателя. Второй датчик - датчик фаз газораспределения. Это позволяет контроллеру распознавать текущее положение определенного поршня, например, находится ли он в такте сжатия и следует впрыскивать топливо, или, возможно, во время такта выпуска. Этих двух датчиков достаточно, чтобы двигатель работал на холостом ходу. Работа двигателя под нагрузкой (в том числе на повышенных оборотах) требует подключения датчика положения педали акселератора, сообщающего, какой крутящий момент требуется водителю в данный момент.
Однако современные дизельные двигатели расходуют с датчиками. Это в основном связано с их высокой производительностью и снижением выбросов вредных соединений при горении. Одним из таких датчиков является расходомер, который измеряет количество воздуха, всасываемого двигателем. Функция расходомера в дизельном двигателе сильно отличается от функции в бензиновом двигателе, и ее часто путают. Расходомер отвечает только за количество отработавших газов, поступающих в двигатель из системы рециркуляции отработавших газов (которая используется для снижения выброса оксидов азота NOx). Поскольку в дизельном двигателе лямбда-коэффициент не обязательно должен быть равен 1, количество воздуха, поступающего в двигатель, не учитывается при расчете дозы топлива. Каждый расходомер также оснащен датчиком температуры всасываемого воздуха.
Датчиком, отвечающим за высокую производительность двигателя, является датчик давления наддува, так называемый Датчик MAP (абсолютное давление в коллекторе). Он измеряет давление воздуха, сжатого турбонагнетателем, и проверяет, соответствует ли оно количеству впрыскиваемого топлива. Дополнительно в турбокомпрессорах с изменяемой геометрией выхлопа используются датчики положения этих рулей.
Будущее систем Common Rail
В Европе системы Common Rail полностью доминируют на рынке дизельных автомобилей. Даже концерну Volkswagen после многих лет убеждения клиентов в пользу насос-форсунок пришлось признать превосходство системы Common Rail. В настоящее время, после нескольких лет разработки концепции, новейшие двигатели оснащаются системами с пьезоэлектрическими форсунками, постепенно заменяющими электромагнитные форсунки. Следующим шагом в развитии технологии Common Rail являются так называемые форсунки. давление наддува. Система этого типа существенно отличается от классической Common Rail тем, что в ресивере находится давление 1300 бар, а форсунки способны повышать это давление до 2000 бар.