Именно тогда Fiat совместно с Bosch представили первую серийную версию системы впрыска топлива Common Rail для легкового автомобиля, которая оказалась прорывом в развитии дизельных двигателей. Производство и дальнейшее развитие совместно разработанной системы взяла на себя компания Bosch, став лидером рынка, поставляющим продукцию нескольким крупнейшим мировым производителям автомобилей. Автомобильная премьера системы Common Rail состоялась в 1997 году в автомобилях Alfa Romeo 156 (автомобиль Fiat) и Mercedes C-class 220 CDI. Common Rail быстро завоевал рынок и к 1999 году компания Bosch выпустила уже 1 миллион систем впрыска этого типа. За Bosch последовали Denso и Lucas (Delphi), предложившие конкурентоспособные системы Common Rail для легковых автомобилей. Хотя Denso в 1995 году использовала Common Rail в грузовиках. В настоящее время, спустя несколько лет производства, когда около половины вновь проданных автомобилей — дизельные, мы можем увидеть, насколько сильно повлияла система Common Rail на автомобильную промышленность.
Общий принцип работы
Идея работы системы Common Rail довольно проста и известна уже несколько десятилетий. Однако внедрение его в серийное производство потребовало освоения передовой технологии производства и соответственно совершенной управляющей электроники. Насос высокого давления, создающий давление более тысячи бар, и форсунки со временем открытия в миллисекунды требуют сложной конструкции и высокой точности производства. Все это контролируется электронным контроллером, который постоянно рассчитывает дозу впрыска и контролирует работу насоса и форсунок. В отличие от других систем впрыска, очень быстрая работа всей системы и полная свобода времени впрыска позволяют разделить дозу в течение одного цикла сгорания. В результате вместо одной большой дозы вводится несколько меньших. Это снижает шум и ограничивает выброс вредных веществ.
Типы систем Common Rail
Клапан регулирования давления отвечает за регулирование давления в баке. С годами он менял свое местоположение. В первых системах он располагался на рейке, открываясь, когда нужно было снизить давление впрыска. Недостатком такого решения была необходимость сжимать насосом весь объем топлива в баке, из-за чего насос потреблял неоправданно много энергии. В более поздних решениях этот клапан был перенесен в насос, благодаря чему можно сбросить давление до того, как топливо достигнет бака (расположение показано на рисунке). Применяются также системы с двумя клапанами: на рейке и на насосе. Такое решение дорогое, но обеспечивает высокую точность управления.
Системы Common Rail, используемые в легковых автомобилях, очень похожи. В зависимости от типа и размера двигателя используются насосы соответствующего объема и форсунки с соответствующим количеством отверстий, обычно от 6 до 8.
Конструкция форсунки Common Rail электромагнитного типа.
Преимущества системы Common Rail
Использование резервуара под давлением и электронной системы управления предоставило системе Common Rail беспрецедентную возможность свободно формировать дозу впрыска. Разделив дозу впрыска на несколько меньших, увеличивается КПД двигателя и снижается шум. Правда, при больших дозах (полная нагрузка) дозы инъекций не делятся из-за быстроты всего явления. Очень высокое давление впрыска, несравнимое с линейным или даже ротационным насосом, обеспечивает хорошее распыление дозы. Благодаря этому сгорание топлива происходит более эффективно и можно достичь большей мощности до того, как сгорание начнет сопровождаться характерным черным дымом. Кроме того, простота регулировки давления впрыска и угла опережения впрыска позволяет очень точно калибровать двигатель, обеспечивая низкий уровень выбросов вредных компонентов. Все эти особенности позволяют создать двигатель, отличающийся высокой культурой эксплуатации, высоким крутящим моментом и мощностью, низким расходом топлива и низким уровнем выбросов вредных соединений.
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, угрожающее его засорением, происходит так называемое довпрыск топлива, т.е. впрыскивание дозы топлива в выхлопные газы, выходящие из цилиндра. Это топливо поступает в сажевый фильтр, воспламеняя сажу внутри. Точная дозировка топлива позволяет контролировать регенерацию фильтра DPF.
К недостаткам систем Common Rail можно отнести высокую себестоимость производства, которая всегда была высокой для дизельных мотопомп. Кроме того, прецизионные пары насосов высокого давления и форсунок, работающих под высоким давлением, очень чувствительны к качеству топлива. Теоретическим недостатком систем Common Rail является требование высокой мощности для привода насоса высокого давления, которая может достигать нескольких ватт. Однако на практике экономия за счет эффективности системы превышает потери на привод насоса.
Дополнительные сигналы управления двигателем
Двигателю, оснащенному системой Common Rail, для работы необходимы три основных датчика. Первый и самый очевидный — датчик скорости вращения. Информация о частоте вращения двигателя является основой практически всех расчетов, выполняемых контроллером двигателя. Второй датчик — датчик фаз газораспределения. Это позволяет контроллеру распознавать текущее положение конкретного поршня, например, находится ли он во время такта сжатия и необходимо впрыскивать топливо, или, возможно, во время такта выпуска. Этих двух датчиков достаточно, чтобы двигатель мог работать на холостом ходу. Работа двигателя под нагрузкой (в том числе и на повышенных оборотах) требует подключения датчика положения педали акселератора, который сообщает, какой крутящий момент требуется водителю в данный момент. Разумеется, каждый двигатель оснащен датчиком давления масла и датчиком температуры охлаждающей жидкости.
Однако современные дизельные двигатели оснащены датчиками. В основном это связано с их высокой производительностью и сниженными выбросами вредных продуктов сгорания. Одним из таких типов датчиков является расходомер, который измеряет количество воздуха, всасываемого двигателем. Функция расходомера в дизельном двигателе совершенно иная, чем в бензиновом, и ее часто путают. Расходомер отвечает только за количество выхлопных газов, поступающих в двигатель из системы рециркуляции выхлопных газов (которая используется для снижения выбросов оксидов азота NOx). Поскольку в дизельном двигателе коэффициент лямбда 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 так называемый датчик давления наддува. Датчик MAP (абсолютное давление в коллекторе – абсолютное давление в коллекторе). Он измеряет давление воздуха, сжатого турбокомпрессором, проверяя, соответствует ли оно количеству впрыскиваемого топлива. Кроме того, в турбокомпрессорах с изменяемой геометрией выхлопных газов используются датчики положения лопаток.
Будущее систем Common Rail
В Европе топливные системы Common Rail полностью доминируют на рынке дизельных автомобилей. Даже концерн Volkswagen после многих лет убеждения клиентов использовать насос-форсунки был вынужден 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 форсунки с так называемым повышение давления. Этот тип системы существенно отличается от классической Common Rail тем, что в напорном резервуаре давление составляет 1300 бар, а форсунки способны повысить это давление до 2000 бар.