Контур высокого давления аккумулятор­ной системы Common Rail делится на три части, создания давления, его аккумули­рования и дозировки топлива (рис. «Аккумуляторная система впрыска Common Rail для четырехцилиндрового дизеля» и «Контур высокого давления аккумуляторной системы впрыска Common Rail»). Топливный насос высокого давления снабжен клапаном регулирования давле­ния и клапаном отключения плунжерной секции. С помощью ТНВД высокое давле­ние аккумулируется в специальной каме­ре — аккумуляторе давления, оснащен­ном датчиком давления, клапаном огра­ничения давления (перепускным клапа­ном) и ограничителем пропускной спо­собности. Форсунки служат для своевре­менной подачи топлива в нужном количе­стве. Магистрали высокого давления свя­зывают все эти части друг с другом.

 

 

Топливный насос высокого давления

 

Основной функцией любого ТНВД яв­ляется обеспечение подачи топлива к форсункам под необходимым давлени­ем, на любых режимах работы двигате­ля и в течение вcero срока эксплуата­ции транспортного средства. Система Common Rail отличается тем, что в ней ТНВД лишен распределительных функций и необходим лишь для созда­ния резерва топлива и быстрого повы­шения давления в топливном аккуму­ляторе.

ТНВД создает постоянное давление величиной до 1600 бар для аккумулятора высокого давления (Rail). Предваритель­но сжатое топливо по сравнению с обыч­ными системами впрыска не сжимается в процессе впрыскивания.

 

Устройство

 

В аккумуляторных системах легковых ав­томобилей используется радиальный плунжерный ТНВД, который создает вы­сокое давление топлива независимо от величины цикловой подачи.

ТНВД аккумуляторной системы впрыска устанавливается преимущест­венно на том же месте, что и обычные распределительные ТНВД традиционных систем питания дизелей. Он приводится в действие двигателем через муфту, шес­терню. цепь или зубчатый ремень, а час­тота вращении вала ТНВД не превышает 3000 мин^-1 и напрямую связана переда­точным отношением с частотой враще­ния коленчатого вала. ТНВД смазывается проходящим через него топливом.

Клапан 3 регулирования давления (рис. «Контур высокого давления аккумуляторной системы впрыска Common Rail») в зависимости от имеющегося подкапотного пространства устанавлива­ется либо непосредственно на ТНВД, ли­бо отдельно.

 

 

Три плунжера 3, радиально располо­женные по окружности через 120° (рис. «ТНВД системы впрыска Common Rail (схема, поперечный разрез)»), сжимают топливо внутри ТНВД. Три рабочих хода каждого плун­жера за один оборот вала ТНВД позволя­ют обеспечить незначительную и равно­мерную нагрузку на вал привода с эксцентриковыми кулачками. Крутящий момент, достигающий величины 16 Н·м, составляет около 1/9 от амплитуды мо­мента, необходимого для привода распре­делительного ТНВД обычного типа Та­ким образом, система Common Rail спо­собна функционировать при гораздо меньших энергозатратах.

 

 

Необходимая для привода ТНВД мощность возрастает пропорционально потребной частоте вращения вала привода насоса и давле­нию в аккумуляторе высокого давления. На дизеле рабочим объемом 2,0 л ТНВД (при механическом КПД около 90%) по­требляет мощность порядка 3,8 кВт при номинальной частоте вращения коленча­того вала и давлении 1350 бар в аккуму­ляторе высокого давления. Более высокая мощность требуется по причине утечек, расхода на управление форсунками и об­ратного слива топлива через клапан регу­лирования давления.

 

Принцип действия

 

Топливоподкачивающий насос подает го­рючее к ТНВД через фильтр с сепарато­ром воды. Пройдя через дроссельное от­верстие защитного клапана 14 (рис. «ТНВД системы впрыска Common Rail (схема, продольный разрез)»), топливо, используемое также для смазки и охлаждения деталей ТНВД, движется к плунжерам по системе каналов. Вал 1 привода с эксцентриковыми кулачками 2 одновременно заставляет поступательно двигаться все три плунжера 3.

 

 

Топливоподкачивающий насос созда­ет давление подачи, превышающее вели­чину, на которую рассчитан защитный клапан (от 0,5 до 1,5 бар). Последний от­крывает перепускной канал 15, по которо­му топливо через впускной клапан 5 по­ступает в камеру 4 над плунжером, дви­жущимся вниз (то есть совершающим впуск). Когда НМТ плунжера пройдена, впускной клапан закрывается. Топливо в надплунжерном пространстве сжимается плунжером, идущим вверх. Когда возрастающее давление достигнет уров­ня, соответствующего тому, что поддер­живается в аккумуляторе высокого давле­ния, открывается выпускной клапан 7. Сжатое топливо поступает в контур вы­сокого давления.

Плунжер ТНВД подает топливо до тех пор, пока не достигнет своей ВМТ (ход подачи). Затем давление падает, выпуск­ной клапан закрывается. Плунжер начи­нает движение вниз.

Когда величина давления в надплун­жерном пространстве опускается ниже ве­личины давления подкачки, впускной кла­пан открывается и процесс повторяется.

 

Мощность подачи

 

Так как ТНВД рассчитан на большую ве­личину подачи, на холостом ходу при час­тичных нагрузках возникает избыток сжатого топлива, которое через клапан регулирования давления и магистраль об­ратного слива возвращается в топливный бак. Здесь давление топлива падает, и по­тенциальная энергия потока топлива ис­сякает. Поскольку топливо под давлением нагревается, то под влиянием температу­ры топлива, поступающего из магистрали обратного слива, постепенно повышается температура топлива в баке. Соответст­венно снижается КПД системы.

 

Отключение плунжерной секции

 

При отключении одной плунжерной сек­ции 3 сокращается количество топлива, которое подается в аккумулятор высоко­го давления. Если электромагнитный кла­пан 6 отключения плунжерной секции за­действован, то встроенный в его якорь штифт нажимает на впускной клапан 5, постоянно держа его в открытом положе­нии. Поступившее в надплунжерное про­странство топливо не сжимается во вре­мя хода подачи, повышения давления не происходит, выпускной клапан не откры­вается. Соответственно топливо не по­ступает в контур высокого давления, а возвращается в контур низкого давления.

При снижении потребной мощности отключение одной из плунжерных сек­ций позволяет регулировать производи­тельность ТНВД.

 

Передаточное отношение

 

Величина подачи топлива к аккумулято­ру высокого давления пропорциональна частоте вращения вала привода ТНВД, которая, в свою очередь, непосредствен­но зависит от частоты вращения колен­чатого вала дизеля. Соотношение частот вращения валов к двигателю устанавли­вается при адаптации системы впрыска. Передаточное отношение между привод­ным и коленчатым валами подбирается таким образом, чтобы избыток подавае­мого топлива был невелик, но в режиме полной нагрузки полностью удовлетво­рялась потребность в горючем. Возмож­ные значения этого передаточного отно­шения составляют 1:2 и 2:3.

 

Клапан регулирования давления

 

Клапан регулирования давления устанав­ливает величину давления в аккумулято­ре высокого давления в зависимости от нагрузки на двигатель.

При слишком высоком давлении в аккумуляторе клапан открывается и часть топлива из аккумулятора отводит­ся через магистраль обратного слива на­зад к топливному баку.

При падении давления в аккумулято­ре клапан закрывается и размыкает кон­туры высокого и низкого давления.

 

Устройство

 

Клапан регулирования давления (рис. «Клапан регулирования давления») крепится через фланец к корпусу ТНВД или аккумулятора высокого давления. Якорь 2 прижимает шарик 1 клапана к седлу под действием пружины клапана 4 так, чтобы разъединить контуры высоко­го и низкого давления. Включенный элек­тромагнит 3 перемещает якорь, прикла­дывая дополнительное усилие к прижа­тию шарика к седлу

Весь якорь омывается топливом, ко­торое смазывает трущиеся поверхности и отводит лишнее тепло.

 

Принцип действия

 

Клапан регулирования давления имеет два контура:

• Медленный (электрический) кон­тур регулирует среднюю изменяю­щуюся величину давления в акку­муляторе высокого давления:
• Быстрый (гидромеханический) кон­тур выравнивает высокочастотные колебания давления.

 

Клапан регулирования давления отключен

 

От аккумулятора или на выходе ТНВД топливо под высоким давлением подает­ся ко входу клапана. Так как обесточен­ный электромагнит не развивает ника­ких усилий, сила давления топлива пре­одолевает силу действия пружины. Кла­пан открывается и остается в таком по­ложении большее или меньшее время в зависимости от цикловой подачи. Пру­жина подобрана таким образом, чтобы устанавливалось давление топлива око­ло 100 бар.

 

Клапан регулирования давления включен

 

Если необходимо повысить величину давления, то сила действия электромаг­нита дополняет силу давления пружи­ны. Якорь смещается вниз, уменьшая диаметр проходного сечения, до тех пор, пока объединенное усилие элект­ромагнита и пружины не уравновесит­ся давлением топлива. Затем якорь ос­тается в этом положении, поддерживая постоянное давление. Величина давле­ния может варьироваться в зависимо­сти от изменения величины подачи то­плива в аккумулятор. Давление в клапа­не может снижаться также из-за увели­чения расхода топлива, впрыскиваемо­го через форсунки.

Усилие электромагнита пропорцио­нально силе управляющего тока. Измене­ние продолжительности периодического обесточивания клапана осуществляется широтно-импульсной модуляцией. Бла­годаря этому регулируется расход топли­ва на слив. Тактовая частота в 1 кГц дос­таточна для того, чтобы избежать возму­щающих движений якоря и соответст­венно колебаний давления в топливном аккумуляторе.

В более современных системах впры­ска регулирование давления происходит дозировкой количества топлива, подан­ного к ТНВД. Таким образом, уменьша­ются энергетические потери.

 

Аккумулятор высокого давления (Rail)

 

Аккумулятор высокого давления (Rail) содержит топливо под высоким давлени­ем. Одновременно аккумулятор смягчает колебания давления, которые возникают из-за пульсирующей подачи со стороны ТНВД, а также из-за работы форсунок во время впрыскивания. Этим обеспечива­ется постоянство давления впрыскива­ния при открытии форсунки.

Распределение топлива по форсункам также входит в функции аккумулятора.

 

Устройство

 

Аккумулятор 1 высокого давления в об­щем виде имеет форму трубки (рис. «Клапан регулирования давления»). В зависимости от конструкции двигателя конкретное исполнение аккумулятора может иметь разные формы. На аккуму­лятор могут устанавливаться датчик 3 да­вления топлива и клапан 4 ограничения давления. В качестве дополнительного оборудования могут устанавливаться ог­раничители 6 расхода топлива и клапан регулирования давления, если он не рас­положен на ТНВД.

 

 

Принцип действия

 

Топливо из ТНВД направляется через ма­гистраль высокого давления к впускному штуцеру 2 аккумулятора. Ия аккумулято­ра оно распределяется по отдельным форсункам.

Давление внутри аккумулятора изме­ряется датчиком давления топлива и ограничивается клапа­ном регулирования давления до некой ма­ксимально допустимой величины в зави­симости от параметров системы впрыска. Через ограничитель расхода топлива, кото­рый дросселирует поток топлива, послед­нее под давлением поступает к форсункам. Объем аккумулятора постоянно напол­нен топливом, находящимся под давле­нием. Величина этого давления поддер­живается на постоянном уровне даже при больших нагрузках на двигатель, ко­гда возрастает расход топлива через фор­сунки.

 

Клапан ограничения давления

 

Клапан ограничения давления поддержи­вает определенную величину давления в аккумуляторе, выполняя фактически роль редукционного (предохранительно­го) клапана.

 

Устройство и принцип действия

 

Механический клапан ограничения дав­ления (рис. «Клапан ограничения давления (схема)») включает следующие кон­структивные элементы:

• Корпус 7 с наружной резьбой для вворачивания в аккумулятор и с внутренней резьбой для вворачи­вания упора сердечника клапана и присоединения магистрали обрат­ного слива;
• Подвижный сердечник 4 клапана;
• Пружина 5 клапана.

 

Корпус клапана со стороны аккуму­лятора имеет канал, запираемый конусом сердечника клапана. Пружина 5 плотно прижимает конус к седлу клапана при нормальном рабочем давлении, так что аккумулятор остается закрытым. В слу­чае, когда величина давления в аккумуля­торе превысит рабочее значение, конус под действием давления отходит от седла и находящееся под высоким давлением топливо через перепускные каналы 3 от­водится в магистраль обратного слива. В результате давление топлива в аккумуля­торе снижается.

 

Рис. Клапан ограничения давления (схема) 1. Канал высокого давления; 2. Конус сердечника клапана; 3. Перепускной канал 4. Сердечник клапана; 5. Пружина клапана; 6. Упор сердечника клапана; 7. Корпус клапана; 8. Отверстие упора сердечника клапана; 9. Полость магистрали обратного слива.

Рис. Ограничитель расхода топлива (схема) 1. Канал со стороны аккумулятора высокого давления; 2. Ограничительная шайба; 3. Сердечник ограничителя; 4. Пружина ограничителя; 5. Корпус ограничителя; 6. Канал со стороны форсунки; 7. Седло сердечника ограничителя; 8. Дроссельное отверстие.

 

Ограничитель расхода топлива

 

Ограничитель расхода топлива в системе Common Rail применяют, в частности, на двигателях тяжелых грузовых автомоби­лей. Он предназначен для предотвраще­ния маловероятного случая, когда фор­сунка увеличивает продолжительность впрыскивания, например в случае зависания иглы. Чтобы выполнить эту за­дачу, ограничитель при превышении мак­симально допустимого количества посту­пающего из аккумулятора топлива пере­крывает магистраль к соответствующей форсунке.

 

Устройство

 

Ограничитель расхода топлива (рис. «Ограничитель расхода топлива (схема)») состоит из металлического корпуса 5 с двумя наружными резьбами — для ввин­чивания в аккумулятор высокого давле­ния и для соединения с магистралью, ве­дущей к форсунке.

Внутри ограничителя расхода топли­ва находится сердечник 3, который пру­жина 4 отжимает в направлении аккуму­лятора высокого давления. Сердечник уп­лотняется по стенке корпуса. Продоль­ный канал, имеющий в сердечнике пере­менный диаметр, заканчивается попереч­ными перепускными дроссельными от­верстиями 8 с точно подобранной пропу­скной способностью.

 

Принцип действия

 

Работа в обычном режиме

 

На (рис. «Ограничитель расхода топлива (схема)» и «Ограничитель расхода топлива (работа в обычном режиме и с малой утечкой топлива)») в положении покоя сердечник 3 упира­ется в ограничительную шайбу 2. От­крытие форсунки в момент впрыскива­ния топлива немного снижает давление в ведущей к ней магистрали. В результа­те сердечник под действием потока топ­лива из аккумулятора смещается к фор­сунке (на рис. 3 — вниз), вытесняя при этом смещении некоторое количество топлива для поддержания необходимого давления в магистрали. Когда впрыски­вание завершается, сердечник останав­ливается, не доходя до седла 7. Затем пружина 4 отжимает его назад в исход­ное положение против потока топлива, продолжающего перетекать к уже закрывшейся форсунке через дроссель­ные отверстия 8.

 

 

Параметры пружины и дроссельных отверстий подобраны таким образом, что даже при максимальной подаче топлива (включая защитный резерв) сердечник способен вернуться в исходное положе­ние, в котором пребывает до начала сле­дующего цикла впрыскивания.

 

Работа с большой утечкой топлива

 

Если расход топлива при впрыскивании значительно превышает необходимый уровень, то под действием сильного по­тока топлива сердечник садится в седло и перекрывает доступ топлива к форсунке. До остановки двигателя сердечник оста­ется в этом положении, а затем пружина возвращает его назад.

 

Работа с малой утечкой топлива

 

Если расход топлива при впрыскивании (рис. «Ограничитель расхода топлива (работа в обычном режиме и с малой утечкой топлива)») незначительно превышает необходимый уровень, то после нескольких циклов впрыскивания сердечник ограничителя постепенно смещается к седлу, а затем точно так же, как и в случае с большой утечкой топлива, перекрывает подачу то­плива к форсунке до остановки дизеля.

 

Форсунка

 

Форсунки связаны с аккумулятором ко­роткими магистралями высокого давле­ния. Так же, как и на дизелях с непосред­ственным впрыском топлива, форсунки системы Common Rail устанавливаются с зажимными скобами в головке цилиндра. Тем самым допускается возможность ус­тановки форсунок системы Common Rail на дизели с непосредственным впрыском топлива без кардинальной модернизации головок.

Требуемые момент начала впрыскивания и величина подачи топлива обеспечива­ются форсунками с электромагнитным клапаном. Момент начала впрыскивания в координатах «угол-время» устанавлива­ется системой электронного регулирова­ния работы дизеля. Необходимы также два датчика: один измеряет частоту вра­щения коленчатого вала, другой предна­значен для распознавания цилиндров и определения фаз на распределительном валу.

В дальнейшем планируется примене­ние форсунок с пьезоэлементом вместо электромагнитного клапана.

 

 

Конструкция

 

Форсунка состоит из следующих функци­ональных блоков:

• Бесштифтовой распылитель;
• Гидравлическая сервосистема;
• Электромагнитный клапан.

 

Топливо подается по магистрали 9 высокого давления (рис. «Форсунка (принцип действия)» а) через подво­дящий канал к распылителю форсунки, а также через дроссельное отверстие 10 по­дачи топлива — в камеру 5 управляюще­го клапана. Через дроссельное отверстие 8 отвода топлива, которое может откры­ваться электромагнитным клапаном, ка­мера соединяется с магистралью 1 обрат­ного слива топлива.

При закрытом дроссельном отвер­стии 8 (рис. «Форсунка (принцип действия)» а) гидравлическая сила, дей­ствующая сверху на поршень 11 управля­ющего клапана, превышает силу давле­ния топлива снизу на конус 6 иглы рас­пылителя. Вследствие этого игла прижи­мается к седлу распылителя и плотно за­крывает отверстия 7 распылителя. В ре­зультате топливо не попадает в камеру сгорания.

При срабатывании электромагнит­ного клапана якорь электромагнита сдвигается вверх (на рис «Форсунка (принцип действия)»), открывая дроссельное отверстие 8 (рис. «Форсунка (принцип действия)» b). Соот­ветственно снижаются как давление в ка­мере управляющего клапана, так и гид­равлическая сила, действующая на пор­шень управляющего клапана. Под дейст­вием давления топлива на конус 6 игла распылителя отходит от седла, так что топливо через отверстия 7 распылителя попадает в камеру сгорания цилиндра. Такое непрямое управление иглой при­меняют по той причине, что непосредст­венного усилия электромагнитного кла­пана недостаточно для быстрого подъе­ма иглы распылителя. Управляющая по­дача — это дополнительное количество топлива, предназначенного для подъема иглы, которое после использования от­водится в магистраль обратного слива топлива.

Кроме управляющей подачи сущест­вуют утечки топлива через иглу распыли­теля и направляющую поршня управля­ющего клапана. Все это топливо отводит­ся в магистраль обратного слива, к кото­рой присоединены все прочие агрегаты системы впрыска, и возвращается в топ­ливный бак.

 

Принцип действия

 

Цикл работы форсунки можно разделить на четыре рабочих такта:

• Форсунка закрыта (с подачей высо­кого давления);
• Форсунка открывается (начало впрыскивания);
• Форсунка полностью открыта;
• Форсунка закрывается (конец впрыскивания).

 

Эти рабочие состояния определяются распределением сил в конструктивных элементах форсунки. При неработающем двигателе и отсутствии давления в акку­муляторе пружина прижимает иглу рас­пылителя к седлу, закрывая форсунку.

 

 

Форсунка закрыта (состояние покоя)

 

В состоянии покоя напряжение на элект­ромагнитный клапан не подается (рис. «Форсунка (схема)» а).

Когда шарик 4 клапана прижимается пружиной к седлу (рис. «Форсунка (принцип действия)» а), дроссельное отверстие 8 закрыто. В камере управляю­щего клапана создается высокое давле­ние. То же давление создается в камере распылителя. Сила давления на торцевую поверхность поршня управляющего кла­пана и сила пружины распылителя дер­жат иглу распылителя в закрытом состо­янии, сопротивляясь усилию, которое развивает топливо, давящее на конус 6 иглы распылителя.

 

Форсунка открывается (начало впрыскивания)

 

Форсунка находится в состоянии покоя. В момент подачи на катушку электромаг­нита так называемого тока страгивания электромагнитный клапан быстро срабатывает (рис. «Форсунка (принцип действия)» b и «Форсунка (схема)» Ь). Малое время открывания форсун­ки может достигаться изменением соот­ветствующих параметров в блоке управ­ления форсунками. Усилие электромаг­нита преодолевает силу пружины, якорь сдвигается, и шарик клапана открывает дроссельное отверстие. Затем величина тока страгивания снижается до величины тока удержания, которая гораздо меньше. Через дроссельное отверстие топливо из камеры управляющего клапана перетека­ет в магистраль обратного слива.

Дроссельное отверстие 7 подачи топ­лива (рис.»Форсунка (схема)» а) предотвращает полное вы­равнивание давления, благодаря чему да­вление в камере управляющего клапана снижается до меньшей величины, чем давление в камере распылителя. Пони­женное давление в камере управляющего клапана и действие пружины, которая давит на поршень управляющего клапа­на, преодолеваются давлением в камере распылителя на конус иглы распылителя, за счет чего сдвигается поршень управ­ляющего клапана вместе с иглой распы­лителя. Начинается впрыскивание топ­лива.

Скорость открытия распылителя оп­ределяется различием интенсивности по­тока топлива в дроссельных отверстиях 6 и 7. Поршень управляющего клапана до­стигает верхнего положения и опирается там на топливную подушку, возникаю­щую из-за потока топлива между отвер­стиями 6 и 7. Теперь распылитель фор­сунки полностью открыт, и топливо впрыскивается в камеру сгорания под да­влением, которое приблизительно соот­ветствует давлению в аккумуляторе. В этот момент распределение сил в форсун­ке подобно распределению сил во время фазы открывания.

Количество впрыснутого топлива пропорционально времени включения электромагнитного клапана и не зависит ни от частоты вращения коленчатого вала двигателя, ни от режима работы ТНВД (впрыскивание, управляемое по времени).

 

Форсунка закрывается (конец впрыскивания)

 

Когда электромагнитный клапан обесто­чивается, якорь силой пружины запира­ния клапана прижимается вниз и шарик клапана запирает дроссельное отверстие 8 (рис. «Форсунка (принцип действия)» с). При этом диск якоря сжимает возвратную пружину, которая демпфиру­ет действие пружины запирания клапана с тем, чтобы избежать смятия седла при резкой посадке шарика клапана.

После перекрытия дроссельного от­верстия отвода топлива давление в каме­ре управляющего клапана вновь достига­ет тон же величины, что и в аккумулято­ре. Это повышенное давление смещает вниз поршень управляющего клапана вместе с иглой распылителя. Когда игла плотно примыкает к седлу распылителя и запирает его отверстия, впрыскивание прекращается. Скорость открытия отвер­стий распылителя определяется интенсивностью потока, идущего через  дроссельное отверстие подачи топлива.