Дизельный впрыск вчера и сегодня: почему у нас Common Rail, а помпа-форсунка сдохла?

В 1998 году дизельная система впрыска Common-Rail впервые появилась в двигателях легковых автомобилей. Каково было его дальнейшее развитие и что ему предшествовало?
Когда вы посмотрите сегодня на любой легковой автомобиль с дизельным двигателем и сосредоточитесь на технических характеристиках и на коробке с надписью «подготовка смеси» или «впрыск топлива», вы всегда найдете там соединение с общей топливной магистралью. Это можно условно перевести как «общий путь», который в основном отражает суть этой технологии.

В отличие от всех ранее использовавшихся технологий впрыска дизельного топлива, здесь используется напорный бак Common Rail. В его случае сохраняется высокое давление, необходимое для впрыска и одновременного распыления дизельного топлива. Впервые функция Common Rail разделяет функции повышения давления и впрыска топлива.
Существует несколько причин, по которым система Common Rail стала широко использоваться и со временем полностью вытеснила все конкурирующие системы с рынка дизельных двигателей для легковых автомобилей. На протяжении всей разработки дизельных двигателей их создатели старались постоянно увеличивать давление впрыска. По мере его увеличения можно было распылять дозу топлива на все более мелкие частицы. Только так можно было обеспечить еще более совершенное сгорание. Определенное повышение давления впрыска произошло уже при переходе от непрямого впрыска к прямому впрыску. Если вам нужны конкретные цифры, например, мы упомянем двигатель VW 1.9 TD мощностью 55 кВт и его преемник 1.9 TDI мощностью 66 кВт. Оба были приспособлены к третьему поколению гольфа, но старый двигатель имел давление впрыска от 150 до 158 бар, а новый, с прямым впрыском, имел давление впрыска от 190 до 200 бар.
На порядок выше!
По сравнению с давлением впрыска даже оригинального двигателя Fiat 1.9 JTD с Common Rail, это забавные значения. В конце концов, тысяча девятьсот девяноста может похвастаться давлением 1350 бар. Так что на порядок больше. Основной причиной внедрения системы Common Rail стала возможность значительно увеличить давление впрыска. Это шло рука об руку с производительностью предлагаемых дизельных двигателей в сочетании с более низким расходом топлива.
По мере того, как требования к чистоте выхлопных газов и производительности двигателей в совокупности росли, росло и давление впрыска. Это не заняло много времени, и версия с общей топливной магистралью с соленоидом «подтянула» его до 1600 бар, позже даже до 1800 бар.
В третьем поколении системы Common Rail управление форсунками было изменено с соленоидов на более точный и быстрый тип с использованием пьезоэлемента. Первая версия CRS3.1 имела давление 1600 бар, более поздняя версия CRS3.2 позволяла увеличить давление до 1800 бар, то есть как с соленоидом, и, наконец, CRS3.3 предлагала давление до 2000 бар. Кроме того, последние двигатели с общей топливной магистралью идут намного выше. Несмотря на появление пьезоинжекторов, соленоиды все еще используются. Они дешевле и надежнее в контексте, поскольку не выходят из строя в части управления из-за электрического короткого замыкания. Кроме того, после профессионального ремонта электромагнитные форсунки стоят около двух третей от стоимости профессионально отремонтированных пьезо-форсунок.

Альтернатива в виде системы насос-форсунка
Успешная установка системы Common Rail на дизельные двигатели легковых автомобилей с конца 1990-х годов разрушила конкурентную систему, использующую так называемые комбинированные форсунки, технологию, в которой каждый цилиндр имеет собственный блок впрыска высокого давления. Комбинированные форсунки или система «насос-форсунка» особенно ассоциируются с двигателями Volkswagen. Последний Mohican, знаменитый четырехцилиндровый 1.9 TDI-PD, закончился сразу после появления стандарта Евро 5, то есть в 2011 году.
Комбинированные форсунки якобы были запатентованы еще в 1911 году, а в США их начали использовать вместе с локомотивными двигателями в 1930-х годах. Комбинированные форсунки вошли в двигатели легковых автомобилей во второй половине 1990-х годов.
Однако VW Group была не единственной, кто использовал технологию комбинированных форсунок в легковых автомобилях. С 1998 года Land Rover также был одним из пользователей пятицилиндрового Td5. И в то время как VW Group полагалась на технологию от Bosch или позже в некоторых двигателях 2.0 TDI 16V на Siemens (более совершенные пьезоэлектрические PPD вместо соленоидов), англичане обратились к системе Delphi. Он характеризовался давлением впрыска 1500 бар. Так что довольно низкие пропорции этих систем. В конце концов, упомянутый 1.9 TD-PD дожил до 2050 бар. А двигатели 2.0 TDI с блоками PPD в Passat B6, например, давали даже 2200 бар!
В комбинированных форсунках высокое давление дизельного топлива, необходимое для подачи его в камеру сгорания, создается непосредственно в комбинированном блоке, установленном на головке блока цилиндров. Поршень в блоке приводится в движение кулачком через коромысло. В состав блока входит соленоид или пьезоклапан (блоки Siemens PPD), который регулирует начало впрыска, а также его длину.
Volkswagen Group уже много лет выступает за использование комбинированных форсунок. Интересно, что Audi с 1999 года предлагала восьмицилиндровый двигатель 3.3 TDI с системой Common Rail только в 2008 году.… Почему не продолжалась разработка системы с комбинированными форсунками, это очень интересный вопрос. Может быть, потому что его возможности исчерпаны. Как вы, наверное, знаете, двигатели TDI-PD постоянно критикуют за высокий уровень шума. Это произошло из-за принципа впрыска, который, в отличие от системы Common Rail, обеспечивает высокое давление не постоянно, а только тогда, когда кулачок сжимает поршень комбинированного блока. В результате введенная доза не может быть разделена на несколько частей. Блоки PD с соленоидным приводом всегда впрыскивают дизельное топливо с одним основным впрыском и без или с двумя дополнительными, так называемыми распылителями. Установки PPD позволили увеличить количество основных впрысков до двух, к которым было добавлено до двух распылителей. Целью было снизить скорость распространения давления расширения в цилиндре, которое вызывало вышеупомянутое невозделывание и шум в прессе. Кроме того, двигатели, оснащенные блоками ППД, всегда имели кассету с балансировочными валами (так называемый модуль AGW).
Конечный упор для комбинированных форсунок выдавался только стандартом Евро 5. Основной причиной проблем было отсутствие постоянного давления, что позволяет успешно управлять регенерацией фильтра дополнительной дозой дизельного топлива. Для того, чтобы комбинированные форсунки могли это сделать, им требовалось высокое давление впрыска. Однако он был недоступен с момента прохождения кулачком коромысла, сжимающего поршень в комбинированном инжекторном блоке.

А что было до этого?
До того, как производители автомобилей применили на практике систему Common Rail или комбинированные форсунки, этому предшествовало относительно быстрое развитие в области дизельных технологий. В те времена, когда дизельное топливо использовалось под капотом легковых автомобилей, использовался непрямой впрыск дизельного топлива с помощью рядного ТНВД. Позже он был заменен роторным насосом с распределителем.
Первый революционный акт произошел в 1988 году, когда Fiat представил в легковых автомобилях дизельный двигатель с непосредственным впрыском дизельного топлива. Это был легендарный четырехцилиндровый двигатель 2.0 TD id (на самом деле был 1.9) мощностью 68 кВт. Менее чем через год к ним присоединилась Audi со своим пятицилиндровым двигателем 2,5 TDI мощностью 85 кВт. Интересно, например, что в тяжелых коммерческих автомобилях непосредственный впрыск применялся десятилетиями раньше. Примером может служить решение MAN. В двигателях с прямым впрыском уже использовались только роторные насосы с распределителем, либо с осевым смещением (Bosch VP / VE 30), либо с радиальным (Bosch VP 44, Lucas Rotodiesel). Изначально насосы устраивала механическая регулировка дозы дизельного топлива. Однако позже, с появлением стандарта выбросов Евро 3, он был вынужден перейти на электронное управление с помощью электромагнитного клапана. Возможно, самый последний могиканец, Используя эту устаревшую в то время технологию, ныне покойный автопроизводитель Rover / MG, который до 2005 года предлагал двигатель 2.0 из так называемой серии L. С насосом Bosch VP 30 он достиг 74 кВт, что соответствовало стандарту Euro 3. Но это история.
А как насчет дизелей в машинах? Учитывая недавние и текущие события, которые повлияли на дизельные двигатели в Америке, а затем и в Европе, вопрос в том, что будет с развитием дизелей. В конце концов, интерес к ним был и есть почти исключительно в Европе. Массовой экспансии на другие континенты еще не произошло и, вероятно, не будет. Но посмотрим…