Требования к системам впрыска дизель­ного топлива постоянно растут. Более высокие давления впрыскивания, по­вышенные скорости срабатывания форсунок и гибкое адаптирование про­цесса к условиям эксплуатации автомо­биля делают дизель мощным, эконо­мичным и малотоксичным.

Кроме того, система впрыска все больше интегриру­ется в общую электронную систему уп­равления автомобилем. Это позволило начать использование дизелей на авто­мобилях высшего класса.

Одной из таких высокоразвитых си­стем впрыска является аккумуляторная система Common Rail, главным преиму­ществом которой является широкий диапазон изменений давления топлива и момента начала впрыскивания. Все это реализуется путем разделения про­цессов создания давления и обеспече­ния впрыскивания.

 

Применение системы Common Rail

 

Аккумуляторная система Common Rail используется на дизелях с непосредствен­ным впрыском топлива в следующих слу­чаях:

• Легковые автомобили: широкая гам­ма двигателей — от трехцилиндро­вых (800 см³, 30 кВт (41 л.с.), 100 Н·м) до восьмицилиндровых (3900 см³, 108 кВт (245 л. с.), 560 Н·м);
• Легкие грузовые автомобили: дви­гатели мощностью до 30 кВт на ци­линдр;
• Тяжелые грузовые автомобили, те­пловозы и суда: двигатели мощно­стью до 200 кВт на цилиндр.

 

Эта система позволяет обеспечить более широкие, в отличие от вариантов с механическим приводом ТНВД, требова­ния по впрыску топлива, а именно:

• Расширенные границы применяе­мости;
• Повышенное давление впрыскива­ния (до 1600 бар);
• Изменяемый момент начала впры­скивания;
• Обеспечение предварительного и дополнительного впрыскивания (даже очень позднего);
• Регулирование давления впрыски­вания (230-1600 бар) в зависимо­сти от условий эксплуатации авто­мобиля.

 

Вместе с тем, аккумуляторная система создает важнейшие предпосылки для по­вышения удельной мощности, снижения расхода топлива, а также для уменьшения уровнен шума и эмиссии отработавших газов.

 

Конструкция системы Common Rail

 

Аккумуляторная система Common Rail включает в себя (рис. «Принципиальная схема управления работой дизеля с аккумуляторной системой впрыска Common Rail»):

 

• Контур низкого давления, а также агрегаты подачи топлива;
• Контур высокого давления, вклю­чая ТНВД, топливный аккумулятор высокого давления, форсунки и ма­гистрали высокого давления;
• Система электронного регулирова­ния работы дизеля, датчики управ­ления и исполнительные механиз­мы;
• Системы подачи воздуха и отвода отработавших газов.

 

 

 

 

Важнейшим элементом аккумулятор­ной системы впрыска является форсунка с быстродействующим электромагнит­ным клапаном. Он открывает и закрыва­ет распылитель, регулируя процесс впрыскивания топлива в каждом цилиндре R отличие от прочих систем впрыска с уп­равлением электромагнитными клапана­ми, в аккумуляторной системе Common Rail впрыскивание топлива в камеру сго­рания происходит при открытом элект­ромагнитном клапане.

 

Все форсунки подсоединены к топливному аккумулятору высокого дав­ления, отсюда и название системы. Ее мо­дульное исполнение облегчает адаптацию к конкретному двигателю.

 

Принцип действия системы Common Rail

 

Действие аккумуляторной системы впрыска топлива основано на том, что процессы создания высокого давления и обеспечения впрыскивания разделены. Система электронного регулирования ра­боты дизеля раздельно управляет рабо­той всех узлов.

 

Создание высокого давления

 

Непрерывно работающий ТНВД с при­водом от дизеля создает потребное давле­ние впрыскивания, обеспечивая некую постоянную величину давления в топ­ливном аккумуляторе, независимо от ча­стоты вращения коленчатого вала и рас­хода топлива. Это означает, что ТНВД ра­ботает в постоянном режиме, с меньши­ми пиками крутящего момента и мень­шей пиковой производительностью, чем в традиционных системах впрыска. Соот­ветственно, его размеры также могут быть существенно компактнее.

Регулирование давления происходит с помощью клапана регулирования дав­ления и/или управлением на входе в ТНВД. Находящееся в аккумуляторе вы­сокого давления топливо подготовлено к впрыскиванию.

 

Впрыскивание

 

Топливо из аккумулятора по коротким магистралям высокого давления посту­пает к форсункам, которые впрыскивают его непосредственно в камеры сгорания цилиндров двигателя. Каждая форсунка состоит в основном из распылителя и бы­стродействующего электромагнитного клапана, который управляет распылите­лем через механический привод. Элект­ромагнитные клапаны приводятся в дей­ствие сигналами от блока управления ра­ботой дизеля.

Количество впрыскиваемого топлива при постоянном давлении в топливном аккумуляторе пропорционально времени включения электромагнитного клапана и не зависит при этом от частоты враще­ния коленчатого вала двигателя или час­тоты вращения вала ТНВД (регулирова­ние впрыскивания по времени).

 

Управление и регулирование

 

Блок управления работой дизеля учи­тывает с помощью датчиков положение педали газа и конкретные параметры эксплуатации автомобиля. К ним относятся среди прочих:

• Угол поворота коленчатого вала;
• Частота вращения распредели­тельного вала;
• Давление в топливном аккумуля­торе;
• Давление воздуха во впускном трубопроводе;
• Температура воздуха на впуске, то­плива и охлаждающей жидкости;
• Расход воздуха;
• Скорость движения автомобиля и т. д.

 

Блок управления обрабатывает вхо­дящие сигналы и за короткое время ге­нерирует сигналы управления для ТНВД, форсунок и других исполнитель­ных механизмов, таких, как турбонагне­татель или клапан рециркуляции отработавших газов.

Требуемое быстрое действие включе­ния форсунок достигается благодари оп­тимизации работы электромагнитных клапанов и особой системы регулирова­ния.

Система «угол — время» сравнивает временной момент впрыскивания с пока­заниями датчиков положения коленчато­го и распределительного валов во время работы двигателя (управление по време­ни). Система электронного регулирова­ния работы дизеля подразумевает стро­гую дозировку впрыскивания. Кроме то­го, она предоставляет возможность для широкого использования дополнитель­ных функций, которые улучшают пара­метры движения автомобиля.

 

Основная функция системы электронного регулирования

 

Основной функцией системы электрон­ного регулирования является управле­ние впрыскиванием дизельного топли­ва в нужный момент в необходимом ко­личестве и с необходимым давлением, что обеспечивает умеренный расход то­плива и малый уровень шума работы дизеля.

 

Дополнительные функции системы электронного регулирования

 

Дополнительные управляющие и регу­лирующие функции системы электрон­ного регулирования предназначены для уменьшения уровня эмиссии отработавших газов и рас­хода топлива или повышения комфор­та и безопасности движения, напри­мер:

• Регулирование рециркуляции отработавших газов;
• Регулирование давления наддува;
• Регулирование скорости автомо­биля;
• Электронная защита от угона и т. д.

 

Интеграция системы электронного регулирования в общую систему управ­ления автомобилем открывает ряд но­вых возможностей (например, обмен данными с системами управления авто­матической коробкой передач или кон­диционером).

Система диагностики подразумевает использование собранных и системати­зированных данных при диагностике не­исправностей автомобиля.

 

Конфигурация блоков управления

 

Так как стандартный блок управления ра­ботой дизеля имеет шесть каскадов упра­вления форсунками, для дизелей с большим числом цилиндров предусмат­ривается установка двух блоков управле­ния. Они соединяются в группу «веду­щий — ведомый» через внутреннюю ши­ну, благодаря чему увеличивается мощ­ность микроконтроллеров. Некоторые функции исполняются лишь определен­ным блоком управления (например, уп­равление коррекцией величины цикло­вой подачи), другие могут гибко перерас­пределяться между блоками (например, опрос датчиков).

 

Системы рециркуляции и очистки отработавших газов

 

Управление рециркуляцией отработавших газов

 

Легковые автомобили

 

Рециркуляция отработавших газов явля­ется эффективным средством для умень­шения уровня выбросов NO_x в отработавших газов. Часть отработавших газов через перепускной клапан направля­йся во впускной тракт, причем их охлаж­дение предоставляет дополнительные преимущества. Для дизелей легковых ав­томобилей, где рециркуляция отработавших газов допуска­ется в нижней части диапазона нагрузок, этот способ используется давно.

 

Грузовые автомобили

 

Дизели грузовых автомобилей сегодня в большинстве своем оснащаются турбонаг­нетателями. При высокой нагрузке у этих двигателей, как правило, отсутствует пере­пад давлений между выпускным трактом перед турбиной и впускным трубопрово­дом после нагнетателя. Так как на грузовых автомобилях система рециркуляции подает охлажденные отработавшие газы во впускной тракт и в верхней части диапазона нагрузок, необхо­димо применять дополнительные механиз­мы, например, турбонагнетатель с изменя­емой геометрией, регулируемый сопловый аппарат или предохранительный клапан.

 

Очистка отработавших газов

 

Это очистка отработавших газов становится весьма актуальной для соответствия все более ожесточающимся требованиям по параметрам отработавших газов относится прежде всего к легковым и тяжелым грузовым автомобилям. Многие системы еще разрабатываются, и остается открытым вопрос, какие из них будут применяться. Повсеместно используется, как правило высокая эластичность системы впрыска. Аккумуляторная система питания дизеля в этом смысле предоставляет особенно много возможностей:

 

• Дизельный окислительный нейтрализатор уменьшает прежде всего эмиссию углеводородов (СН) и оксида углерода (СО), а также частично летучих углеводородных фракций;
• Различные фильтры частиц задер­живают сажевые частицы в отработавших газов (на­пример, существует система фильт­рации частиц с непрерывным реге­нерированием);
• Каталитический нейтрализатор уменьшает содержание NO_x. В на­стоящее время этот агрегат адап­тируется для применения на дизе­лях легковых автомобилей;
• Селективный нейтрализатор умень­шает содержание NO_x с помощью аммиака. Последний выделяется в гидролиз-катализаторе (или водо­родном катализаторе) из мочевины, являющейся средством снижения токсичности. В новых системах во­дородный и селективный нейтрали­заторы объединены в единый блок.

 

В комбинированных системах (назы­ваемых также четырехкомпонентными системами) объединено несколько раз­личных агрегатов, позволяющих одно­временно уменьшить эмиссию NO_x, СН и СО, а также частиц сажи. Эти системы, однако, требуют очень точного управле­ния работой дизеля.

 

Системная схема для легкового автомобиля

 

На рис. «Аккумуляторная система впрыска для легковых автомобилей» показаны все агрегаты аккуму­ляторной системы впрыска, установлен­ной на восьмицилиндровом дизеле лег­кового автомобиля в полной комплекта­ции. В зависимости от типа автомобиля и вида использования некоторые узлы не применяются.

 

 

 

 

Двигатель, его система управления и агрегаты высокого давления 16. ТНВД 23. Блок управления работой дизеля (ведущий) 24. Блок управления работой дизеля (ведомый) 25. Топливный аккумулятор высокого давления 26. Датчик давления в аккумуляторе 27. Форсунка 28. Штифтовая свеча накаливания 29. Дизель М — крутящий моментА — Датчики и исполнительные механизмы 1. Датчик положения педали газа 2. Датчик-выключатель сцепления 3. Контакты тормозов 4. Устанавливающий элемент регулятора скорости автомобиля 5. Выключатель стартера и свечей накаливания 6. Датчик скорости автомобиля 7. Датчик частоты вращения коленчатого вала 8. Датчик температуры охлаждающей жидкости 9. Датчик температуры воздуха на впуске 10. Датчик давления воздуха во впускном трубопроводе 11. Пленочный измеритель массового расхода воздуха В — Панель приборов 12. Комбинированная панель приборов с выдачей сигналов о расходе топлива, частоте вращения коленчатого вала и т. д. 13. Панель управления компрессором кондиционера 14. Диагностический монитор 15. Таймер работы свечей накаливания Шина CAN (серийный интерфейс на автомобиле!

С — Снабжение топливом (контур низкого давления) 17. Топливный фильтр с клапаном перетока 18. Топливный бак с фильтром грубой очистки и топливо подкачивающим насосом 19. Датчик уровня топливаD — Дополнительные системы 20. Дополнительное дозирование 21. Дополнительный контрольно-управляющий прибор 22. Дополнительный бак Е — Снабжение воздухом 30. Охладитель рециркулирующих отработавших газов 31. Регулятор давления наддува 32. Турбонагнетатель (здесь — с изменяемой геометрией турбины VTG) 33. Регулировочная заслонка 34. Исполнительный механизм рециркуляции отработавших газов 35. Вакуумный насос F — Очистка отработавших газов 36. Датчик температуры отработавших газов 37. Нейтрализатор окислительный 38. Сажевый фильтр 39. Датчик перепада давлений 40. Подогрев отработавших газов 41. Датчик уровня NО, 42. Широкополосный лямбда зонд 43. Аккумулирующий нейтрализатор NО, 44. Двухрежимный лямбда зонд 45. Каталитически очищаемый сажевый фильтр

 

Чтобы иметь наглядное представле­ние о системе, датчики и исполнительные механизмы (А) конструктивно на схеме не представлены. Исключение составля­ют датчики и оборудование для очистки отработавших газов (F) и датчик давления топлива в акку­муляторе, так как их конструктивное рас­положение необходимо указать для пони­мания работы всей схемы.

Через шину CAN в блоке «Панель приборов» (В) возможен обмен данными с самым различными блоками, такими как:

• Стартер;
• Генератор;
• Электронная противоугонная сис­тема;
• Управление автоматической короб­кой передач;
• Управление противобуксовочной системой;
• Программатор электронной стаби­лизации.

 

Панель 12 приборов и панель 13 упра­вления кондиционером также могут быть подключены к шине CAN. Для очистки отработавших газов может использовать­ся одна из трех комбинированных систем (а, b или с).

 

Системная схема для грузового автомобиля

 

На рис. «Аккумуляторная система впрыска для грузовых автомобилей» показаны все агрегаты аккуму­ляторной системы впрыска, установлен­ной на шестицилиндровом дизеле грузо­вого автомобиля в полной комплекта­ции. К зависимости от типа автомобиля и вида использования некоторые узлы не применяются.

 

 

Двигатель, его система управления и агрегаты контура высокого давления 22. ТНВД 29. Блок управления работой дизеля (ведущий) 30. Топливный аккумулятор высокого давления 31. Датчик давления топлива в аккумуляторе 32. Форсунка 33. Реле 34. Дополнительные агрегаты (например, тормоз замедлитель, заслонка моторного тормоза, стартер, вентилятор) 35. Дизель 36. Штифтовая свеча накаливания (альтернатива сетке накаливания) М — крутящий моментА — Датчики и исполнительные механизмы 1. Датчик положения педали газа 2. Датчик выключения сцепления 3. Контакты тормозов 4. Контакт моторного тормоза 5. Контакт стояночного тормоза 6. Переключатель условий (например, регулятора скорости автомобиля, двухрежимного регулятора, понижения частоты вращения или крутящего момента) 7. Выключатель стартера и свечей накаливания 8. Датчик частоты вращения вала турбокомпрессора 9. Индуктивный датчик частоты вращения коленчатого воле 10. Датчик частоты вращения распределительного вала 11. Датчик температуры топлива 12. Датчик температуры охлаждающей жидкости 13. Датчик температуры нагнетаемого воздуха 14. Датчик давления воздуха во впускном трубопроводе 15. Датчик расхода воздуха 16. Датчик перепада давлений на воздушном фильтре   В — Панель приборов 17. Панель управления компрессором кондиционера 18. Генератор 19. Диагностический дисплей 20. Управляющий прибор SCR 21. Воздушный компрессор Шина CAN (серийный интерфейс на автомобиле, до трех штук)

С — Снабжение топливом (контур низкого давления) 23. Топливоподкачивающий насос 24. Топливный фильтр с датчиками давления и уровня воды в водосборнике 25. Радиатор блока управления 26. Топливный бак с фильтром грубой очистки 27. Датчик ограничения давления 28. Датчик уровня топливаD — Снабжение воздухом 37. Охладитель рециркулирующих отработавших газов 38. Регулировочная заслонка 39. Регулятор рециркулирующих отработавших газов с клапаном и датчиком позиционирования 40. Радиатор нагнетаемого воздуха с перепуском для холодного пуска 41. Турбонагнетатель (здесь VTG) с датчиком позиционирования 42. Регулятор давления наддува   Е — Очистка отработавших газов 43. Датчик температуры отработавших газов 44. Окислительный нейтрализатор 45. Датчик перепада давлений 46. Сажевый фильтр 47. Датчик сажи 48. Датчик уровня в баке для средств понижения токсичности 49. Бак для средств понижения токсичности 50. Подкачивающая помпа для средств понижения токсичности 51. Форсунка для средств понижения токсичности 52. Датчик NОх 53. Нейтрализатор SCR 54. Датчик NH3 55. Конечный нейтрализатор 56. Каталитически очищаемый сажевый фильтр CSF 57. Гидролизный нейтрализатор

 

Чтобы иметь наглядное представле­ние, датчики и исполнительные механиз­мы (А) конструктивно не представлены. Исключение составляют датчики и обо­рудование для очистки отработавших газов (F) и датчик давления топлива в аккумуляторе, так как их конструктивное расположение не­обходимо указать для понимания работы всей схемы.

Через шину CAN в блоке «Панель при­боров» (В) возможен обмен данными с различными блоками (например, управле­нием автоматической коробкой передач, противобуксовочной системой, програм­мой стабилизации, датчиком качества масла, тахографом, состоянием радара, уп­равлением автомобиля, координацией уп­равления торможением, управлением за­слонками — до 30 приборов). Через шину CAN могут быть подсоединены также ге­нератор 18 и компрессор кондиционера 17. Для очистки отработавших газов может быть использо­вана одна из трех систем (а, Ь или с).