Особливості пристрою і переваги паливної системи Common Rail

У сучасних автомобілях використовуються паливні системи з примусовим уприскуванням. Якщо раніше така модифікація була тільки в дизельних силових агрегатах, то сьогодні багато бензинові двигуни отримують одну з різновидів уприскування. Детально вони описані в іншому огляді.

Зараз зосередимося на розробці, яка отримала назву Common Rail. Подивимося, як вона з'явилася, в чому її особливість, а також які в ній переваги і недоліки.

Що таке паливна система Common Rail

Словник переводить поняття Common Rail, як «акумуляторна паливна система». Її особливість в тому, що паркан порції дизпалива виробляється з резервуара, в якому паливо знаходиться під великим тиском. Рампа розташована між ТНВД і форсунками. Впорскування здійснюється за рахунок того, що форсунка відкриває клапан, і паливо під тиском вивільняється в циліндр.

Даний тип паливної системи є самою останньою сходинкою в еволюції дизельних силових агрегатів. У порівнянні з бензиновим аналогом дизель економічніший, так як впорскування палива здійснюється безпосередньо в циліндр, а не у впускний колектор. А з даною модифікацією ефективність силового агрегату підвищується в рази.

Паливний уприскування «Коммон рейл» дозволив підвищити економічність автомобіля на 15% в залежності від налаштувань режиму роботи ДВС. При цьому зазвичай побічним ефектом економічності мотора є зниження його продуктивності, але в даному випадку потужність агрегату навпаки збільшується.

Причина тому криється в якості розподілу палива всередині циліндра. Всім відомо, що ККД двигуна безпосередньо залежить не стільки від кількості що надходить палива, скільки від якості його змішування з повітрям. Так як під час роботи мотора процес вприскування відбувається за лічені частки секунди, необхідно, щоб пальне максимально швидко змішалося з повітрям.

Для прискорення цього процесу використовується розпорошення палива. Так як магістраль за паливним насосом має високий тиск, дизпаливо розпорошується через форсунки ефективніше. Від згоряння повітряно-паливної суміші відбувається з більшою ефективністю, від чого двигун демонструє збільшення ККД в кілька разів.

Історія

Впровадженню даної розробки послужило посилення екологічних стандартів для автовиробників. Однак основна ідея з'явилася ще в кінці 60-х рр минулого століття. Її прототип розробив швейцарський інженер Роберт Хубер.

Трохи пізніше цю ідею допрацював співробітник Федерального інституту технологій Швейцарії, Марко Гансер. Цю розробку використовували співробітники компанії Denzo і створили паливну систему з рампою. Новинка отримала нехитру назву Common Rail. В останні роки 1990-х розробка з'явилася в комерційному транспорті на моторах EDC-U2. Таку паливну систему отримали вантажні автомобілі Hino (модель Rising Ranger).

У 95-му році іншим виробникам теж стала доступна ця розробка. Інженери кожного бренду допрацьовували систему і адаптували під особливості власної продукції. Однак першопрохідцем у застосуванні даного уприскування на автомобілях компанія Denzo вважає себе.

Ця думка оскаржує інший бренд, FIAT, який в 1987-му році запатентував прототип дизельного двигуна з безпосереднім уприскуванням (модель Chroma TDid). У тому ж році співробітники італійського концерну почали вести роботу над створенням електронного уприскування, який має схожий принцип роботи з Коммон рейл. Правда, система отримала назву UNIJET 1900сс.

Сучасний варіант уприскування функціонує за тим же принципом, що і первісна розробка, незалежно від того, хто вважається її винахідником.

Конструкція

Розглянемо пристрій даної модифікації паливної системи. Контур з високим тиском складається з наступних елементів:

• Магістраль, здатна витримати великий тиск, у багато разів перевищує показник компресії в двигуні. Вона виконана у вигляді цілісних трубок, до яких під'єднані всі елементи контуру.
• ТНВД - насос, який створює потрібний напір в системі (в залежності від режиму роботи двигуна цей показник може становити більше 200 МПа). Цей механізм має складний пристрій. У сучасному виконанні його робота заснована на плунжерній парі. Детально про неї розповідається в іншому огляді. Про будову та принцип роботи паливного насоса також розповідається окремо.
• Паливна рейка (рампа або акумулятор) - невеликий резервуар з товстостінного матеріалу, в якому накопичується пальне. До неї за допомогою топливопроводов приєднуються форсунки з розпилювачами та інше обладнання. Додаткова функція рампи - демпфіровать коливання пального, що виникають в процесі функціонування насоса.
• Датчик тиску палива і регулятор. Ці елементи дозволяють контролювати і підтримувати потрібний напір в системі. Так як насос постійно працює, поки заведений мотор, він постійно закачує солярку в магістраль. Щоб її не розірвало, регулятор здійснює скидання надлишку робочої середовища в обратку, яка з'єднана з баком. Детально про те, як працює регулятор тиску, розповідається тут.
• Форсунки подають необхідну порцію палива в циліндри агрегату. Розробники дизельних двигунів вирішили розташувати ці елементи безпосередньо в голівці блоку циліндрів. Цей конструктивний підхід дозволив одночасно вирішити кілька складних питань. По-перше, це мінімізує втрати палива: у впускному колекторі системи розподіленого упорскування незначна частина пального залишається на стінках колектора. По-друге, дизель запалюється немає від свічки напруження і не від іскри, як в бензиновому моторі - його октанове число не дозволяє застосувати таке запалювання (що таке октанове число, читайте тут). Поршень сильно стискає повітря, коли виконується такт стиснення (закриті обидва клапана), в результаті чого температура середовища підвищується до декількох сотень градусів. Як тільки форсунка розпилює паливо, від високої температури воно самозаймається. Так як в цьому процесі потрібна ідеальна точність, пристрої оснащуються електромагнітними клапанами. Вони спрацьовують від сигналу, що надходить з ЕБУ.
• Датчики стежать за роботою системи і подають відповідні сигнали на блок управління.
• Центральним елементом в Common Rail є ЕБУ, який синхронізується з «мізками» всієї бортової системи. У деяких моделях авто він інтегрований в головний блок управління. Електроніка може фіксувати не тільки показники мотора, але і інших вузлів авто, завдяки чому більш точно розраховується кількість повітря і палива, а також момент розпилення. Електроніка програмується на заводі. Як тільки ЕБУ отримує від датчиків потрібну інформацію, активується заданий алгоритм, і всі виконавчі механізми отримують відповідну команду.
• Будь-яка паливна система в своїй магістралі має фільтр. Він встановлюється перед паливним насосом.

Дизельний ДВС, оснащений даним типом паливної системи працює по особливому принципом. У класичному виконанні проводиться впорскування всієї порції палива. Наявність паливного акумулятора дозволяє забезпечити розподіл однієї порції на кілька частин, поки мотор виконує один цикл. Ця методика називається багаторазовим уприскуванням.

Її суть зводиться до того, що перед подачею основної кількості солярки проводиться попередній впорскування, який ще сильніше розігріває робочу камеру, а також підвищує в ній тиск. Коли розпорошується решта пального, воно більш ефективно запалюється, завдяки чому ДВС з системою Коммон рейл демонструє високий крутний момент, навіть коли рівень оборотів коленвала низький.

Залежно від режиму роботи частина палива буде надходити один раз або два. Коли двигун працює на холостих обертах, прогрів циліндра здійснюється завдяки подвійному попередньою упорскуванню. Коли підвищується навантаження, здійснюється один предвприск, завдяки чому на основний цикл залишається більше пального. Коли двигун працює на максимальному навантаженні, попередній впорскування не виконується, а задіюється вся порція палива.

Перспективи розвитку

Варто відзначити, що дана паливна система вдосконалювалася в міру підвищення компресії силових агрегатів. На сьогоднішній день автовласникам пропонується вже 4-е покоління Common Rail. У ньому паливо знаходиться під напором в 220 МПа. Ця модифікація встановлюється на автомобілі, починаючи з 2009-го року.

Попередні три генерації мали такі параметри тиску:

1. Починаючи з 1999-го, тиск в рампі становило 140МПа;
2. У 2001-му році цей показник збільшився на 20МПа;
3. Через 4 роки (2005р.) Автомобілі почали комплектуватися третім поколінням паливних систем, які були здатні створювати напір в 180МПа.

Збільшення тиску в магістралі дозволяє здійснити уприскування більшого обсягу дизпалива за той же проміжок часу, що і в попередніх розробках. Відповідно, це підвищує ненажерливість машини, але і приріст потужності помітно збільшується. З цієї причини деякі рестайлінгові моделі отримують мотор, ідентичний попередньому, але зі збільшеними параметрами (про те, чим рестайлінг відрізняється від моделі наступного покоління, розповідається окремо).

Підвищення ефективності такої модифікації здійснюється за рахунок більш точної електроніки. Такий стан речей дозволяє зробити висновок, що четверте покоління це ще не вершина досконалості. Однак підвищення ефективності паливних систем спровоковано не лише прагненням автовиробників задовольнити запити економних автомобілістів, але в першу чергу підвищенням екологічних стандартів. Дана модифікація забезпечує більш якісне згоряння дизеля, завдяки чому автомобіль здатний пройти контроль якості, перш ніж зійде з конвеєра.

Переваги та недоліки системи Common rail

Сучасна модифікація даної системи дозволила підвищити потужність агрегату за рахунок розпилення більшої кількості палива. Так як в сучасних авто виробники встановлюють велику кількість всіляких датчиків, електроніка стала більш точно визначати кількість дизпалива, необхідного для роботи ДВС на конкретному режимі.

Це основна перевага Коммон рейл перед класичними модифікаціями ТЗ з насос-форсунками. Ще один плюс на користь інноваційному рішенню - її легше ремонтувати, так як вона має більш простий пристрій.

До недоліків відноситься дорожнеча установки. Також вона вимагає більш якісного палива. Ще один мінус в тому, що форсунки мають більш складну конструкцію, тому у них менший робочий ресурс. Якщо вийде з ладу якась із них, клапан в ній буде постійно відкритий, через що порушиться герметичність контуру і система відключиться.

Більш докладно про пристрій і різних варіантах виконання контуру горіння високого тиску розглядається в наступному відео:

Принцип роботи компонентів контуру горіння системи Common Rail. Частина 2

Питання та відповіді:

Який тиск у Коммон Рейл? У паливній рампі (трубка-акумулятор) паливо подається під низьким тиском (від вакуумного до 6 Атм.) та у другому контурі під високим тиском (1350-2500 бар.)

Чим відрізняється Коммон Рейл від ТНВД? У паливних системах з ТНВД насос одразу розподіляє паливо по форсунках. У системі Common Rail паливо закачується в акумулятор (трубку) і з нього розподіляється по форсунках.

Хто вигадав Коммон Рейл? Прототип паливної системи типу Common Rail з'явився наприкінці 1960-х років. Її розробив швейцарець Роберт Хубер. Згодом технологію розвивав Марко Гансер.