Система питания дизельного двигателя Common Rail (коммон рейл), назначение, устройство и принцип работы

Коммон рейл

Здравствуйте, уважаемые читатели! В статье подробно описана система питания дизельного двигателя Common Rail (коммон рейл), назначение, устройство, принцип работы, обзор и различия существующих дизельных систем.

Система впрыска Common Rail заменила на автомобилях систему с механическим распределением топлива. Современное, более прогрессивное устройство системы питания дизельного двигателя, позволило снизить выброс вредных веществ и расход топлива, одновременно увеличив мощностные характеристики силового агрегата.

Применение топливного коллектора с топливопроводами и электронного управления впрыском обеспечило увеличение рабочего давления топлива в системе питания и снижение уровня шума работы двигателя (ДВС), повлияв на комфорт водителя и пассажиров при езде.

Содержание

Назначение системы питания Common Rail (коммон рейл)

Для уменьшения количества вредных выбросов к современным системам впрыска предъявляются требования по снижению расхода топлива и шумообразования. Назначение системы питания дизельного двигателя –  впрыснуть максимально точное количество топлива под высоким давлением.

Распылители топливных форсунок (инжекторов) превращают топливо в мелкодисперсную  взвесь, которая оптимально распределяется по всему объему камеры сгорания, что при сгорании уменьшает содержание несгоревших углеводородов (CH), снижает количество окиси углерода (CO) и частиц сажи. 

Благодаря оптимальному смесеобразованию уменьшается расход топлива, также при  помощи предварительного впрыска происходит значительное снижение типичных детонационных шумов, возникающих в дизельном двигателе, и уменьшение выбросов окиси азота (NOX).

Достигнуть необходимых требований и выполнить все условия позволило изобретение и применение аккумуляторной системы Common Rail для питания дизельных двигателей внутреннего сгорания. К работе системы Common Rail и её регулированию предъявляются следующие требования: 

  • обеспечение высокого давления впрыска;
  • формирование объема впрыскиваемого топлива;
  • многократный впрыск;
  • адаптированные для каждого режима эксплуатации объемы впрыскиваемого топлива;    
  • параметры начала впрыска и давления наддува;
  • регулируемая EGR (рециркуляция отработанных газов);
  • малые отклонения от момента впрыска и объема впрыскиваемого топлива;
  • высокая  точность на протяжении всего времени эксплуатации;
  • взаимодействие с другими системами, например, системой поддержания курсовой устойчивости, PATS (пассивным иммобилайзером);
  • регулировка частоты оборотов ДВС на холостом ходу независимо от нагрузки;
  • широкие возможности для диагностики;
  • алгоритмы устранения неисправностей.

В устройство системы питания дизельного двигателя коммон рейл входят три основных компонента – это топливный насос высокого давления (ТНВД), топливный коллектор (топливная рампа) и топливные форсунки с электрическим управлением.

Система питания дизельных двигателей

В составе системы впрыска common rail в большинстве автомобилей в баке установлен электрический насос, обеспечивающий подачу топлива к ТНВД, который создает давление в топливной рампе (топливный коллектор), далее топливо, распределяемое через топливопроводы, поступает к электрическим форсункам.

Создание необходимого давления впрыска не связано с частотой вращения двигателя и количеством впрыскиваемого топлива. Процесс нагнетания давления и впрыска происходит независимо друг от друга.

Педаль акселератора механически не связана с ТНВД, поэтому водитель не оказывает непосредственного влияния на количество впрыскиваемого топлива. Расчет количества подаваемого топлива в камеру сгорания зависит от различных факторов:

  1. Положение педали акселератора.
  2. Температура двигателя.
  3. Нагрузка двигателя.
  4. Влияние на выбросы отработавших газов.
  5. Защита ДВС и коробки передач от повреждений.
  6. Неисправности в системе.

С учетом этих данных модуль управления двигателем (PCM) рассчитывает количество впрыскиваемого топлива, варьируя момент и давление впрыска. 

В программу PCM внедрена концепция безопасности, благодаря которой, при возникновении отклонений и сбоев в системе происходит ограничение мощности путем уменьшения количества впрыскиваемого топлива.

Для уменьшения вредных выбросов в отработавших газах и расхода топлива необходима точная работа системы впрыска и широкий диапазон регулировки параметров двигателя. К работе системы common rail поэтому предъявляются следующие требования:

  1. Впрыск должен быть точно выверен по времени – незначительные отклонения от нормы оказывают влияние на расход, токсичность ОГ и на шумы, возникающие при сгорании.
  2. Давление впрыска адаптируется независимо от режима работы ДВС.
  3. Количество впрыскиваемого топлива и момент впрыска точно рассчитан в соответствии с техническим состоянием деталей системы впрыска.

Например, из-за неисправной форсунки может происходить неконтролируемый довпрыск, который приводит к повышенным выбросам отработавших газов и повышенному расходу топлива. 

Простой основной впрыск

У двигателей с топливным насосом распределительного типа впрыск происходит за счет простого основного впрыска, который механическим путем с помощью конструкции форсунок реализуется за две переходящие друг в друга фазы (принцип корпуса форсунки с двумя пружинами).

На рисунке ниже показан ход иглы форсунки и характер изменения давления в цилиндре с предварительным впрыском.

График давления

При изменении характеристики давления в соответствии с компрессией происходит лишь плавный подъем давления при сгорании в зоне перед верхней мертвой точкой (OT).

С началом сгорания характеристика подъема становится очень крутой, и резкий подъем давления усиливает шумы при сгорании.

Предварительный впрыск топлива

В автомобилях с системой впрыска Common-Rail с определенного момента времени перед основным впрыском производится электрически управляемый предварительный впрыск. Под предварительным впрыском подразумевается впрыск небольшого количества топлива в цилиндр перед основным впрыском.

Давление в цилиндре

Небольшое количество впрыснутого топливо воспламеняется, подогревает верхнюю часть цилиндра и создает тем самым оптимальный температурный режим  для создания в камере сгорания предварительных условий. Это способствует более быстрому воспламенению смеси во время основного впрыска, не допуская резкого повышения температуры и давления при сгорании.

Непрерывное создание давления для сгорания и уменьшение за счет этого шумообразования при сгорании, сокращение выбросов окисей азота в ОГ, является преимуществом системы коммон рейл перед механическим распределением подачи топлива. 

Так как в системе Common-Rail создание давления и впрыск разделены между собой, то появилась возможность значительно расширить фазу предварительного впрыска, и тем самым улучшить плавности работы двигателя. Современные форсунки позволяют работать с несколькими предварительными впрысками. Чем больше предварительных впрысков, тем меньше шумообразование.

Довпрыск в автомобилях с системой DPF (сажевого фильтра)

У автомобилей с системой DPF,  в дополнение к предварительному и основному впрыску, применяются еще в зависимости от необходимости два довпрыска  во время процесса регенерации сажевого фильтра.

Впрыск топлива

Ранний довпрыск используется в определенных диапазонах нагрузки / частоты оборотов ДВС после фазы основного впрыска. В первую очередь данный довпрыск необходим  для увеличения температуры ОГ во время процесса регенерации сажевого фильтра,  дополнительно к этому происходит дожигание частиц сажи, образовавшихся во время регенерации.

Поздний довпрыск происходит только непосредственно перед UT (нижней мертвой точкой) и также служит для увеличения температуры ОГ. В отличие от раннего довпрыска, топливо при позднем довпрыске не сжигается, а испаряется под действием остаточного тепла отработавших газов. Данная смесь топлива и отработанных газов направляется через выпускной тракт системы выпуска ОГ.

В катализаторе окисления происходит реакция паров топлива с остаточным кислородом (начиная с определенной температуры) и их сгорание, происходит продолжительный нагрев катализатора окисления, благодаря чему происходит регенерация сажевого фильтра.

Функция превышения максимального крутящего момента

Дизельные ДВС развивают большой крутящий момент в широком диапазоне оборотов. Это достигается за счет равномерно хорошего наполнения цилиндра горючей смесью (работа без дроссельной заслонки) и высокого давления при сгорании.

В некоторых моделях автомобилей используется функция превышения максимально допустимого крутящего момента (называется еще и функцией наддува при избыточном давлении). Она позволяет при быстром ускорении превышать на непродолжительный промежуток времени максимально указанную отметку крутящего момента (в зависимости от калибровки больше на 15 - 35 Нм).

При обгонных маневрах, например, превышение максимального крутящего момента на непродолжительный промежуток времени просто выгодно. Ускорение автомобиля рассчитывается по сигналу о скорости автомобиля, поступающего от датчика CKP (положения коленчатого вала). 

Во время ускорения PCM активирует функцию превышения максимально допустимого крутящего момента в диапазоне оборотов ДВС 1700 -- 3500 об/мин.

Норма токсичности ОГ Евро IV с DPF и без него

В секторе дизельных ДВС норма токсичности Евро IV достигается двумя различными методами. Первый метод заключается в максимальном снижении выбросов ОГ при помощи мер по конструктивному усовершенствованию двигателей для соблюдения предписанных максимально допустимых параметров токсичности.

К мерам по конструктивному усовершенствованию ДВС для снижения выбросов ОГ, к примеру, относятся:

  • дальнейшая оптимизация рециркуляции ОГ при помощи электрически регулируемой системы EGR с дросселированием всасываемого воздуха;
  • оптимизация формы камеры сгорания и характеристик впрыска.

Наряду с мерами по конструктивному усовершенствованию ДВС при осуществлении второго метода прибегают к помощи системы DPF. Благодаря использованию DPF выброс частиц сажи сокращается на 99 %.

Достигнутые при сокращении результаты находятся значительно ниже максимально разрешенных параметров токсичности по европейским нормам Евро IV. Из этого можно сделать вывод о том, что использование DPF имеет большое значение для обеспечения соблюдения параметров токсичности, а для  соответствия же европейским нормам токсичности Евро IV его наличие не обязательно.

Неисправности системы питания

С помощью интегрированного в ТНВД топливоподкачивающего насоса топливо засасывается из бака через топливный фильтр. ТНВД уплотняет топливо и нагнетает его в топливную рампу. В зависимости от требований к впрыску топлива форсунками создается необходимое давление. Утечка топлива от форсунок и/или возврат топлива от ТНВД направляется обратно в топливный бак.

Основные неисправности системы питания дизельного двигателя связаны с негерметичностью или закупоркой топливопроводов. Попадание инородных тел, перегиб трубопровода или негерметичные соединения могут послужить причиной отказа работы силового агрегата. Кроме того, в систему низкого давления может проникать воздух в результате повышенного разрежения, обусловленного закупориванием элементов и трубопроводов.

При отсутствии подкачивающего насоса в топливном баке, “завоздушивание” топливной магистрали становится особенно актуально при некорректной замене фильтрующего элемента топливного фильтра во время проведения технического обслуживания автомобиля, после которого двигатель запустить невозможно. Прокачка топливной системы дизельного двигателя без подкачивающего насоса производится с помощью специального инструмента.

Уменьшением подачи топлива системой низкого давления могут послужить неисправный клапан или трубопроводы системы вентиляции и удаления воздуха из бака. Воздух в топливной системе дизельного двигателя может послужить возникновению неисправностей:

  • затрудненный пуск двигателя;
  • двигатель запускается, но сразу глохнет;
  • неровная работа на холостом ходу;
  • потеря мощности;
  • двигатель не запускается.

При заданном остатке топлива в баке, для предупреждения водителя о необходимости заправки, модуль управления силовым агрегатом вводит рывки двигателя. Таким образом водитель предупреждается о необходимости заправить автомобиль.

Для автомобилей с EOBD: если PCM из-за пустого топливного бака вводит рывки двигателя, то для этой фазы EOBD (Европейская система бортовой диагностики) деактивируется. Таким образом предотвращается индикация этих мнимых неисправностей.

При наличии топлива в баке менее 15% режим динамического программирования и адаптации ТНВД, клапана дозирования ТНВД и форсунок может не активироваться.

Фильтрация топлива в системе с электромагнитными форсунками

Закрепленный в зажимах головки блока цилиндров со стороны привода топливный фильтр имеет электрический подогреватель.

Топливный фильтр

Для удаления воды из фильтра в верхней части корпуса имеется дренажный винт, с помощью которого необходимо удалять воду согласно интервалам ТО.

Электрический биметаллический предпусковой подогреватель работает независимо от PCM. При включении зажигания, через реле предпускового подогрева, происходит активация нагревательного элемента в зависимости от температуры топлива на момент пуска.

Если температура ниже диапазона от 0 до – 4C, электрическая цепь замыкается через биметаллические контакты, и нагревательный элемент активируется.

Схема подогрева

Биметаллические контакты снова размыкают электрическую цепь при температуре от 1 до 5C и заканчивают фазу подогрева.

Фильтрация топлива в системе с пьезоэлектрическими форсунками

Топливный фильтр изготовлен из пластмассы и установлен стороной впуска к передней стороне ДВС. 

Для защиты от повреждений при фронтальном столкновении перед фильтром установлен предохранительный щиток. Для удаления воды из фильтра на корпусе имеется дренажный винт.

Устройство фильтра

Для предварительного подогрева топлива в холодное время года в фильтр встроен подпружиненный термоклапан, который определяет количество топлива, направляемое обратно в бак, и, соответственно, топливо, напрямую стекающее обратно в фильтр.

Температура возврата топлива < 10C – термоклапан в сжатом положении. Байпас к фильтру широко открыт. Проходное сечение возврата топлива слегка приоткрыто. 

Большая часть возврата топлива поступает через широко открытый байпас в фильтр.  Малая часть топлива возвращается обратно к баку через приоткрытое проходное сечение выпуска возвратного топливопровода.

Устройство клапана

Температура возврата топлива > 20C – термоклапан смещен против силы упругости пружины. В этом положении байпас к фильтру только немного открыт. Проходное сечение возврата топлива теперь широко открыто. 

Большая часть возврата топлива течет по широко открытому выпуску возвратного топливопровода. Только малая часть возврата топлива может через слегка приоткрытый байпас стечь в фильтр.

Возможные причины неисправностей: топливный фильтр может закупориваться в результате загрязнения, кроме того, в результате нарушения герметичности фильтра в топливную систему низкого давления может проникать воздух. Влияние неисправностей: 

  • затрудненный пуск при теплом и холодном ДВС; 
  • неровная работа ДВС в режиме холостого хода; 
  • двигатель не запускается; 
  • двигатель запускается, но сразу глохнет;
  • двигатель не развивает мощность.

Система питания дизельного двигателя Common Rail Bosch

В системе Common Rail  Bosch нашли применение различные ТНВД в зависимости от конструкции форсунок.

Ниже будет рассмотрено устройство ТНВД коммон рейл и работа первых, самых распространенных моделей CP3.2 и CP1H, которые используются в дизельных двигателях внутреннего сгорания автомобилей разных брендов. 

Модели насосов

Подкачивающий насос

Подкачивающий насос – это насос шестеренного типа, который снабжает необходимым топливом ТНВД. 

Основные конструктивные детали – две находящиеся в зацеплении шестерни, вращающиеся друг навстречу другу и подающие топливо, защемленное во впадинах между зубьями, из полости всасывания в полость нагнетания.

Подкачивающий насос

Контактная линия шестерен между полостью всасывания и полостью нагнетания уплотнена, что исключает возможность обратного перетекания топлива. 

Подача насоса примерно пропорциональна частоте вращения двигателя. В этой связи требуется регулирование подачи. Для регулирования подачи в насос интегрирован дроссельный клапан.

Перепускной дроссельный клапан

Создание высокого давления (до 1800 бар) вызывает высокую температурную нагрузку на отдельные детали ТНВД, поэтому, для обеспечения выносливости механические детали должны обильно смазываться.

Дроссельный клапан

  • A Низкая частота вращения коленчатого вала. 
  • B Возрастающая частота вращения коленчатого вала. 
  • C Высокая частота вращения коленчатого вала. 
  • 1 Давление подкачивающего насоса. 
  • 2 Время. 
  • 3 Нажимная пружина. 
  • 4 Дроссель. 
  • 5 К камерам высокого давления. 
  • 6 Управляющий золотник. 
  • 7 Смазка/охлаждение/удаление воздуха – топливный насос. 
  • 8 Байпасное охлаждение насоса. 
  • 9 Байпас обратного потока к подкачивающему насосу.

Перепускной дроссельный клапан спроектирован так, чтобы при любом режиме эксплуатации обеспечить оптимальное смазывание и, соответственно, охлаждение.

При низкой частоте вращения (низкое давление подкачивающего насоса) управляющий золотник лишь немного смещается со своего седла. 

Потребность в смазке/охлаждении, соответственно, мала. Открывается малая подача топлива через дроссель на конце управляющего золотника для смазки/охлаждения насоса.

Топливный насос снабжен автоматической вентиляцией. Через дроссель отводится воздух, который может находиться в насосе. 

С ростом частоты вращения (ростом давления подкачивающего насоса) управляющий золотник сильнее поджимает нажимную пружину. При растущей частоте вращения требуется усиленное охлаждение насоса. При заданном давлении открывается байпасное охлаждение насоса и расход насоса увеличивается.

Теперь байпасное охлаждение насоса полностью открыто (максимальное охлаждение). Избыток топлива через байпас обратного потока возвращается в полость всасывания подкачивающего насоса. Вследствие этого максимальное внутреннее давление подкачивающего насоса составляет 6 бар.

Работа системы питания дизельного двигателя

Привод ТНВД осуществляется от приводного вала. На приводном валу жестко смонтирован эксцентрик, который перемещает три плунжера насоса возвратно-поступательно в соответствии с профилем кулачка эксцентрика.

Насос в разрезе

На впускной клапан подается топливо от подкачивающего насоса. Если переходное давление превышает внутреннее давление камеры высокого давления (плунжер в положении OT (верхняя мертвая точка)), то впускной клапан открывается. Теперь топливо нагнетается в камеру высокого давления, вследствие чего плунжер насоса перемещается вниз (ход всасывания).

Если пройдена UT (нижняя мертвая точка) плунжера, то впускной клапан закрывается вследствие возросшего давления в камере высокого давления. Топливо больше не может проходить в камеру высокого давления. Как только давление в камере превысит давление в рампе, открывается выпускной клапан, и топливо через топливопроводы нагнетается в рампу (ход подачи).

Плунжер насоса подает топливо до тех пор, пока не будет достигнута OT. Затем давление падает, и выпускной клапан закрывается. Оставшееся топливо более не находится под давлением; плунжер насоса движется вниз. Если давление в камере высокого давления ниже переходного давления, впускной клапан снова открывается, и процесс начинается сначала.

Дроссель нулевой подачи

Между кольцевым каналом, который соединен с впускным клапаном камеры высокого давления и клапаном дозирования, расположен дроссель нулевой подачи.

Дроссель топлива

Даже в полностью закрытом положении клапан дозирования не герметичен. А именно, под давлением подкачивающего насоса небольшой объем утечек попадает дальше в кольцевой канал к камерам высокого давления. 

Вследствие этого открываются впускные клапаны, и в системе высокого давления может возникнуть нежелательный подъем давления. Во избежание этого дроссель нулевой подачи оснащен калиброванным отверстием. Таким образом излишек топлива направляется обратно в полость всасывания подкачивающего насоса.

Топливная рампа (Common Rail): конструкция и назначение

Топливная рампа изготовлена из кованой стали и выполняет следующие задачи: накапливает топливо под высоким давлением и минимизирует колебания давления.

Вследствие рабочих перемещений в камерах высокого давления ТНВД и открывания и закрывания электромагнитных клапанов в форсунках возникают колебания давления в системе.

Топливная рампа

Поэтому рампа сконструирована так, чтобы, с одной стороны, обеспечить достаточный объем, благодаря которому свести колебания давления к минимуму, с другой стороны, объем рампы достаточно мал, чтобы можно было по возможности в кратчайший срок создать давление, необходимое для быстрого пуска. 

Подаваемое ТНВД топливо по трубопроводу достигает аккумулятора высокого давления. Через четыре топливопровода, имеющих одинаковую длину, топливо попадает к отдельным форсункам.

Таким образом, если топливо отбирается из рампы для процесса впрыска, давление в рампе поддерживается почти постоянным. Чтобы система управления двигателем могла точно определить дозу впрыска в зависимости от фактического давления в рампе, в ней устанавливается датчик давления.

Топливопроводы высокого давления

Топливопроводы высокого давления соединяют ТНВД с топливной рампой и топливную рампу с отдельными форсунками.

Топливные трубки

Радиусы изгиба точно согласованы с системой, и их не следует изменять. После снятия одного (или нескольких топливопроводов) его (их) следует обязательно заменить. 

Причина: вследствие деформации штуцеров старых топливопроводов при повторной их затяжке может возникнуть неплотность.

Форсунки common rail bosch (общие сведения)

В зависимости от типа двигателя нашли применение различные форсунки: форсунки с электромагнитными клапанами или пьезоэлектрические форсунки.

С помощью форсунок осуществляется управление началом впрыска и количеством впрыскиваемого топлива.

Момент впрыска рассчитывается системой углового опережения в PCM. Основными входными параметрами для этого служат сигналы датчика CKP (положение коленчатого вала) и датчика CMP (положение распределительного вала).

Форсунки common rail электромагнитными клапанами

Чтобы понимать принцип работы форсунки коммон рейл, необходимо знать функциональные блоки, из которых состоят форсунки – это распылитель форсунки, гидравлическая сервосистема и электромагнитный клапан.

Дизельная форсунка

Повторное использование уплотнительных колец камеры сгорания не допускается. Подробное описание порядка надлежащей установки уплотнительных колец, а также пластмассовых колец можно найти в литературе по техническому обслуживанию.

Топливо от подсоединения высокого давления через подводящий канал направляется в форкамеру распылителя, а также через впускной дроссель в управляющую камеру клапана. Управляющая камера клапана соединена с возвратом топлива через выпускной дроссель, который может открываться электромагнитным клапаном.

Когда форсунка закрыта (электромагнитный клапан обесточен), выпускной дроссель закрыт шариком клапана, поэтому топливо не может выйти из управляющей камеры клапана.

Устройство форсунки

В этом положении в форкамере распылителя и в управляющей камере клапана устанавливается одинаковое давление (баланс давления). На иглу распылителя действует дополнительно усилие собственной пружины, поэтому игла распылителя остается закрытой (гидравлическое давление и усилие пружины иглы распылителя). Топливо не попадает в камеру сгорания.

Форсунка открывается при активации электромагнитного клапана – открывается выпускной дроссель. За счет этого возрастает давление в управляющей камере клапана, а также гидравлическое усилие, действующее на управляющий золотник клапана.

Как только гидравлическая сила в управляющей камере клапана станет меньше гидравлической силы в форкамере распылителя и пружины иглы распылителя, игла распылителя открывается. Топливо через отверстия распылителя впрыскивается в камеру сгорания. На рисунке (ниже) показана схема топливной системы дизельного двигателя с форсунками управляемыми электромагнитными клапанами. 

Схема системы

Спустя заданный PCM срок подача электропитания к электромагнитному клапану прерывается – форсунка закрывается. После этого выпускной дроссель снова закрывается. С закрытием выпускного дросселя в управляющей камере клапана через впускной дроссель восстанавливается давление из топливной рампы.

Это повышенное давление с большим усилием воздействует на управляющий золотник клапана. Эта сила и сила упругости пружины иглы распылителя теперь превосходят силу в форкамере распылителя и игла распылителя закрывается. Скорость закрывания иглы распылителя определяется расходом впускного дросселя. Впрыск прекращается, как только игла распылителя достигает своего нижнего упора.

Косвенное приведение в действие иглы распылителя посредством системы гидравлического сервопривода применяется, когда усилие, необходимое для быстрого открывания иглы распылителя с помощью электромагнитного клапана, не может быть создано напрямую.

Для этого дополнительно к объему впрыскиваемого топлива, в возврат топлива через дроссели управляющей камеры, подается требуемый "управляющий объем". Дополнительное к управляющему объему, имеются объемы утечек на перемещение иглы распылителя и управляющего золотника клапана. Эти объемы утечек также отводятся в возвратную магистраль.

Нужно ли прописывать форсунки после их замены (common rail)

Внутри гидравлической сервосистемы находятся разные дроссели с чрезвычайно маленьким диаметром, отвечающие технологическим допускам. Эти допуски на изготовление учитываются в поправочном коэффициенте на наружной поверхности форсунки.

Поправочный коэффициент

Чтобы обеспечить оптимальное дозирование, о замене форсунки необходимо сообщить PCM. Кроме того, форсунки должны конфигурироваться после опробования нового программного обеспечения PCM через заводскую (дилерскую) программу установленную в мультимарочном сканере или ноутбуке. 

Прописка форсунок common rail осуществляется вводом 8-значного поправочного коэффициента (разделен на два четырехзначных блока на форсунке) в PCM с помощью диагностического прибора с учетом соответствующего цилиндра.

Примечание: если поправочные коэффициенты не вводятся должным образом, могут возникнуть следующие неисправности:

  • увеличенное выделение черного дыма; 
  • неровная работа ДВС в режиме холостого хода; 
  • громкие шумы в процессе сгорания; 
  • двигатель не запускается.

Влияние неисправностей форсунки (форсунок) (механические дефекты): повышенный выброс черного дыма, потеря герметичности форсунки, усиление детонационных стуков вследствие закоксовывания игл распылителей, не ровная работа ДВС в режиме холостого хода. 

Ремонт дизельных форсунок common rail с электромагнитными клапанами производится в специализированных мастерских – заменяются сопла распылителей и подбираются шайбы для регулировки количества впрыскиваемого горючего с последующей проверкой на стенде для проверки форсунок common rail.

Пьезоэлектрическая форсунка common rail

Топливные форсунки смонтированы в головке блока цилиндров и выступают внутрь по центру отдельных камер сгорания. 

Пьезо форсунка

Открытие и закрытие форсунки выполняется с помощью пьезоэлемента, который расположен внутри форсунки.

Пьезоэлектрическая форсунка включается примерно в четыре раза быстрее, по сравнению с форсункой, управляемой электромагнитом. Это дает следующие преимущества:

  • уменьшенное шумовыделение (до 3 дБ); 
  • снижение расхода топлива (до 3%); 
  • снижение выброса отработавших газов (до 20%); 
  • повышение мощности ДВС (до 7%); 
  • повышение плавности хода.

В пьезоэлектрических форсунках управляющий клапан управляет иглой распылителя косвенно. Косвенно означает, что открытие и закрытие иглы распылителя происходит через гидравлический контур. Гидравлический контур состоит из области низкого и области высокого давления. 

Устройство инжектора

Управляющий клапан – это переходное устройство между областью высокого давления и областью низкого давления. При этом желательная доза впрыскиваемого топлива регулируется длительностью открытия управляющего клапана.

Рассмотрим три этапа работы управляющего клапана. Если пьезоэлемент не активирован PCM, управляющий клапан находится в исходном положении. Это означает, что область высокого давления отделена от области низкого давления. На иглу распылителя действует давление топливной рампы плюс усилие пружины. Распылитель форсунки закрыт (впрыск отсутствует).

При активации пьезоэлемента открывается управляющий клапан и закрывается байпас. Давление в управляющей камере теперь не может быть сброшено в возвратную магистраль. Благодаря соотношению расходов выпускного и впускного дросселя давление в управляющей камере понижается. 

Управляющий клапан

  • A Исходное положение. 
  • B Игла распылителя открыта. 
  • C Игла распылителя закрыта. 
  • 1 Управляющий клапан. 
  • 2 Выпускной дроссель. 
  • 3 Управляющая камера. 
  • 4 Впускной дроссель. 
  • 5 Игла распылителя. 
  • 6 Байпас. 
  • a Давление топлива в топливной рампе. 
  • b Давление утечки топлива. 
  • c Давление управляющей камеры.

Теперь давление топливной рампы на иглу распылителя превышает давление в управляющей камере и усилие пружины. Игла распылителя открывается и начинается впрыск.

Если PCM разряжает пьезоэлемент, управляющий клапан снова освобождает байпас. Через впускной и выпускной дроссели управляющая камера снова заполняется. Через байпас быстро повышается давление в управляющей камере. 

Как только давление управляющей камеры плюс усилие пружины снова станет выше, чем давление топливной рампы на иглу распылителя, игла распылителя закрывается и впрыск заканчивается. На рисунке (ниже) показана схема топливной системы дизельного двигателя с пьезоэлектрическими форсунками.

Схема управления

Гидравлический соединитель выполняет следующие функции: преобразование и усиление хода пьезоэлемента; компенсация возможных зазоров; прекращение впрыска в случае размыкания электрических контактов форсунки (например, при обрыве кабеля в процессе впрыска).

По своим функциям гидравлический соединитель подобен гидравлическому толкателю. Подпорное давление топлива вокруг гидравлического соединителя составляет около 10 бар. Подпорный клапан расположен в дренажном топливопроводе. 

Пьезоэлемент не активирован – в этом режиме давление в гидравлическом соединителе уравновешивается давлением его окружающей среды (около 10 бар).

Гидравлический соединитель

Пьезоэлемент активирован – поршень пьезоэлемента смещается вниз. За счет этого возрастает давление в гидравлическом соединителе. При этом небольшой объем утечек стекает из гидравлического соединителя через зазор направляющей поршня в контур низкого давления форсунки.

При повышении давления в гидравлическом соединителе поршень управляющего клапана перемещается вниз вдоль гидравлического буфера и начинает впрыск.

По окончании процесса впрыска недостача в соединителе снова заполняется. Это происходит в обратном направлении через направляющий зазор поршня. Подпорное давление около 10 бар имеет важное значение для корректной работы форсунки. 

Прописка форсунок common rail (поправочные коэффициенты для форсунок)

Внутри гидравлической сервосистемы расположены калиброванные отверстия с крайне малым диаметром. Эти отверстия различаются по производственным допускам на изготовление. 

Кроме того, существуют допуски на соединения механических, гидравлических и электрических компонентов. На заводе каждая форсунка проверяется и затем относится к одной из категорий. В зависимости от категории форсунке присваивается поправочный коэффициент.

Прописка форсунок

10-значный поправочный коэффициент выгравирован на головке форсунки (стрелка). Чтобы обеспечить точное дозирование, о замене форсунки необходимо сообщить PCM в обязательном порядке.

Прописка форсунок common rail осуществляется вводом поправочного коэффициента с помощью диагностического прибора. При вводе необходимо проследить за тем, чтобы был корректно указан цилиндр, в котором устанавливается форсунка.

Влияние неисправностей форсунки (механические дефекты): повышенный выброс черного дыма; потеря герметичности форсунки; усиление детонационных стуков вследствие закоксовывания игл распылителей. Ремонт форсунок коммон рейл с пьезоэлементами не предусмотрен.

Фильтрация топлива в системе Siemens Common Rail

В системе Siemens Common-Rail находят применение различные топливные фильтры в зависимости от варианта двигателя. Работа и особенности технического обслуживания очень близки.

Оба фильтра оснащены водоотделителем, чтобы периодически удалять воду из фильтра согласно интервалам технического обслуживания. Кроме того оба фильтра оснащены предпусковым подогревом топлива, который включается при низких температурах наружного воздуха.

Фильтрация топлива

Предпусковой подогреватель управляется биметаллическим элементом и функционирует независимо от PCM. 

Управляемый биметаллическим элементом предпусковой подогреватель при включенном зажигании (ключ зажигания в положении II) активируется независимо от того, работает двигатель или нет.

В зависимости от температуры наружного воздуха биметалл замыкает электрическую цепь. Нагревательный элемент в предпусковом подогревателе активируется.

Предпусковой подогреватель

Примечание: От подкачивающего насоса в ТНВД вместе с топливом засасывается некоторая часть воздуха из топливного бака. Однако пузырьки воздуха очень малы и невидимы.

В фильтре маленькие пузырьки успокаиваются и собираются в большие воздушные пузыри. Эти воздушные пузыри время от времени отделяются от фильтровального материала и засасываются дальше в ТНВД. 

Они видны через прозрачную трубку. Эта форма сепарации абсолютно нормальна. Поэтому визуальная проверка выделения воздушных пузырей через прозрачную трубку НЕ может использоваться для диагностики неисправностей топливной системы дизельного двигателя.

Влияние неисправностей: затрудненный пуск при теплом и холодном двигателе; не ровная работа ДВС в режиме холостого хода; двигатель не запускается; двигатель запускается, но сразу глохнет; двигатель не развивает мощность.

Система питания дизельного двигателя Common Rail Siemens

Интегрированный подкачивающий насос в ТНВД засасывает дизельное топливо через фильтр из топливного бака. Подкачивающий насос подает топливо далее к клапану дозирования и к смазочному клапану. 

Питание ТНВД

Если клапан дозирования закрыт, открывается клапан-регулятор давления на входе и направляет излишек поданного топлива обратно к полости всасывания подкачивающего насоса. 

Смазочный клапан откалиброван так, чтобы постоянно обеспечивать достаточную смазку и охлаждение во внутреннем пространстве насоса. 

С помощью электромагнитного клапана дозирования управляемого PCM определяется доза топлива, направляемая к камерам высокого давления (насосные элементы). На рисунке (ниже) показана схема топливной системы дизельного двигателя фирмы Сименс.

Схема Сименс

Камеры высокого давления образуют три насосных элемента, расположенных под углом 120 градусов (вытесняющих элемента). В канале высокого давления между камерами высокого давления и выходом высокого давления к рампе расположен клапан регулирования давления. 

Этот электромагнитный клапан, управляемый PCM, регулирует давление, которое в конечном счете, через выход высокого давления достигает рампы. Клапан регулирования давления направляет избыток поданного топлива в возвратную магистраль и, соответственно, назад к баку.

Функция создания высокого давления (ход всасывания)

Три насосных плунжера перемещаются эксцентриком, посаженным на вращающийся вал привода ТНВД. Если клапан дозирования открывает впуск к камерам высокого давления, давление топлива от подкачивающего насоса передается к впускным клапанам камер высокого давления. 

Создание давления

  • A Всасывание топлива. 
  • B Подача топлива. 
  • C Подача топлива от клапана дозирования. 
  • D Выход топлива к кольцевому трубопроводу высокого давления. 
  • 1 Впускной клапан. 
  • 2 Выпускной клапан. 
  • 3 Поршень. 
  • 4 Приводной вал. 
  • 5 Эксцентрик.

Если переходное давление превышает внутреннее давление камеры высокого давления (плунжер в положении OT), то впускной клапан открывается.Теперь топливо нагнетается в камеру высокого давления, вследствие чего плунжер насоса перемещается вниз (ход всасывания).

Функция создания высокого давления (ход подачи)

Если плунжер проходит UT, то впускной клапан закрывается вследствие возросшего давления в камере высокого давления. Топливо больше не может проходить в камеру высокого давления.

Как только давление в камере высокого давления превысит давление в канале высокого давления, открывается выпускной клапан, и топливо через подсоединение высокого давления нагнетается в канал высокого давления (ход подачи).

Плунжер насоса подает топливо до тех пор, пока не будет достигнута OT. Затем давление падает, и выпускной клапан закрывается. Оставшееся топливо более не находится под давлением. Плунжер насоса перемещается вниз. Если давление в камере высокого давления ниже переходного давления, впускной клапан снова открывается, и процесс начинается сначала.

Инструкции по обслуживанию (только некоторые варианты): после замены ТНВД необходимо восстановить адаптированные значения клапана дозирования с помощью диагностического прибора.

Топливная рампа и топливопроводы высокого давления

Вследствие рабочих перемещений в камерах высокого давления ТНВД, а также открывания и закрывания форсунок, возникают колебания давления. Топливная рампа изготовлена из кованой стали и выполняет следующие задачи: накапливает топливо под высоким давлением и минимизирует колебания давления.

Рампа  с трубками

Поэтому рампа сконструирована так, чтобы, с одной стороны, обеспечить достаточный объем, благодаря которому колебания давления сводятся к минимуму. С другой стороны, объем рампы все-таки достаточно мал, чтобы можно было по возможности в кратчайший срок создать давление, необходимое для быстрого пуска.

Подаваемое ТНВД по трубопроводу высокого давления топливо достигает рампы (аккумулятора высокого давления). Если топливо забирается из рампы для процесса впрыска, давление в рампе поддерживается почти постоянным.

Чтобы система управления двигателем могла точно определить дозу впрыска в зависимости от фактического давления в рампе, в ней устанавливается датчик давления. В условиях сервиса датчик давления нельзя снимать с топливной рампы. При неисправном датчике давления необходимо менять рампу вместе с датчиком.

Топливопроводы имеют одинаковую длину и соединяют ТНВД с рампой и рампу с отдельными форсунками. Радиусы изгиба точно согласованы с системой, и их не следует изменять. После снятия одного или нескольких топливопроводов, его (их) следует обязательно заменить. Причина: вследствие деформации штуцеров старых топливопроводов при повторной их затяжке может возникнуть неплотность.

Форсунки common rail 

В зависимости от варианта ДВС находят применение форсунки различного конструктивного исполнения. Базовая конструкция, а также работа, тем не менее, в значительной степени одинакова.

Инжектор устройство

A Топливная форсунка.  B Топливная форсунка. C Головка форсунки. Гидравлическая сервосистема. E Распылитель форсунки. 1 Разъем для PCM. 2 Пьезоэлектрическое исполнительное устройство. 3 Штуцер топливопровода. 4 Уплотнительное кольцо камеры сгорания. 5 Код стандарта выбросов. 6 Подсоединение возврата топлива. 7 Фиксатор. Соединитель возврата топлива. 9 Уплотнительное кольцо круглого сечения. 10 Крепежный зажим соединителя. 11 Пластмассовая втулка.

Заданное PCM начало впрыска и доза впрыска осуществляется форсунками с пьезоэлектрическим управлением. В зависимости от оборотов коленвала и загрузки ДВС, с PCM на форсунки подается открывающее напряжение около 70 В. Пьезоэффект позволяет увеличить напряжение в пьезоэлементе до примерно 140 В.

При любом режиме работы ДВС форсунки впрыскивают в камеры сгорания требуемую дозу на рабочий такт. Кратчайшее время переключения (около 200 мкс) обеспечивает быструю реакцию на изменение рабочего режима. Вследствие этого количество впрыскиваемого топлива дозируется очень точно.

Форсунки состоят из трех конструктивных групп: головка форсунки, содержащая, в том числе, пьезоэлектрическое исполнительное устройство, гидравлическая сервосистема и распылитель. Ремонт форсунок коммон рейл с пьезоэлементами не предусмотрен.

Форсунки не должны разбираться, так как это ведет к выходу их из строя. При работающем ДВС ни в коем случае нельзя вынимать из форсунки штекер комплекта проводов. При прерывании тока пьезоэлектрическое исполнительное устройство остается в затянувшейся фазе зарядки еще некоторое время, т.е. распылители по-прежнему открыты. Эффект: длительный впрыск и повреждение двигателя! При техническом обслуживании заменяются уплотнительные кольца камеры сгорания.

Поступающее под высоким давлением из топливной рампы топливо через впуск высокого давления попадает в управляющую камеру и форкамеру распылителя.

Пьезоэлектрическое исполнительное устройство обесточено, и отверстие для возврата топлива закрыто грибом клапана под давлением пружины.

Гидравлическая сила, оказывающая в этом положении давление на иглу распылителя за счет высокого давления в управляющей камере через управляющий золотник, превышает гидравлическую силу, действующую на иглу распылителя, так как площадь управляющего золотника в управляющей камере больше площади иглы распылителя в форкамере распылителя. Игла распылителя форсунки закрыта (впрыск отсутствует).

Нулевая подача

Запитанное током от PCM пьезоэлектрическое исполнительное устройство удлиняется (фаза зарядки) и давит на поршень клапана. Гриб клапана открывает отверстие, связывающее управляющую камеру с возвратом топлива.

Вследствие этого происходит падение давления в управляющей камере, и гидравлическая сила, действующая на иглу распылителя, теперь превосходит силу, действующую на управляющий золотник в управляющей камере.

За счет этого игла распылителя перемещается вверх, форсунка открывается и через отверстия распылителя топливо подается в камеру сгорания. В заданный PCM момент времени пьезоэлектрическое исполнительное устройство деактивируется. 

Впрыск топлива

Поршень клапана смещается обратно вверх, и гриб клапана закрывает управляющую камеру. Как только давление в управляющей камере превысит давление в форкамере распылителя, игла распылителя закрывает отверстия распылителя, и впрыск завершается.

Топливный фильтр

Функция предпускового подогрева топлива функционирует через регулирующий клапан, управляемый биметаллическим элементом. Регулирование топливного потока осуществляется при температурах топлива между 15 и 45°C.

Температура топлива ниже 15°C: управляемый биметаллическим элементом регулирующий клапан полностью открыт; определенное количество возврата топлива от ТНВД через регулирующий клапан снова направляется напрямую к фильтру.

Подключение фильтра

Температура топлива выше 45°C: управляемый биметаллическим элементом регулирующий клапан полностью закрыт; полный поток возвратного топлива течет в топливный бак мимо фильтра.

После замены фильтра с датчиком наличия воды, необходимо выполнить сброс параметров значения для датчика наличия воды с помощью диагностического прибора.

Система питания дизельного двигателя Common Rail Denso

ТНВД – это переходное устройство между системой низкого давления и системой высокого давления. Назначение ТНВД – постоянное снабжение достаточно уплотненным топливом на всех рабочих режимах и в течение всего срока службы автомобиля.

Схема дизеля

На рисунке показана схема топливной системы дизельного двигателя фирмы Denso. Подкачивающий насос засасывает топливо из топливного бака через впуск топлива. Через клапан-регулятор давления на входе настраивается давление внутренней полости насоса. 

За счет этого обеспечивается достаточная смазка и охлаждение компонентов ТНВД. Избыток топлива через клапан-регулятор давления на входе направляется обратно в полость всасывания подкачивающего насоса.

Часть топлива от подкачивающего насоса передается к клапану дозирования топлива. Проходное сечение клапана дозирования определяет количество топлива, проходящего в камеры высокого давления. 

ТНВД дизеля

Малое дросселирующее отверстие в перепускном дроссельном клапане служит для автоматического удаления воздуха из ТНВД. Вся система низкого давления настроена так, чтобы через перепускной дроссельный клапан определенное количество топлива перетекало обратно в бак – это поддерживает охлаждение ТНВД.

Для создания высокого давления служат всего две камеры высокого давления с соответствующими плунжерами. Привод плунжеров насоса осуществляется от кулачка эксцентрика, вращаемого приводным валом. ТНВД нагнетает постоянно системное высокое давление для рампы.

С помощью эксцентрикового кулачка вращательное движение приводного вала преобразуется в возвратно-поступательное движение. Кольцо эксцентрикового кулачка передает возвратно-поступательное движение на плунжеры насоса (фото ниже).

Работа ТНВД

  • A Плунжер насоса 1 
  • B Плунжер насоса 2. 
  • C К топливной рампе. 
  • 1 Впускной клапан. 
  • 2 Выпускной клапан. 
  • 3 Кулачок эксцентрика. 
  • 4 Кольцо кулачка эксцентрика. 
  • 5 Клапан дозирования. 
  • 6 Приводной вал. 

Плунжеры насоса расположены под углом 180 градусов. Вследствие этого при возвратно-поступательном движении перемещение плунжера А осуществляется точно в обратном порядке перемещению плунжера В.

Эксцентриковый кулачок сообщает движение «вверх»: плунжер А перемещается в направлении OT, при этом оказывает давление на топливо и подает его через выпускной клапан в рампу. Под давлением подачи впускной клапан прижимается к седлу. 

Плунжер В под действием растягивающего усилия пружины перемещается в направлении UT. Вследствие высокого давления в рампе выпускной клапан прижимается к седлу. Внутреннее давление насоса открывает впускной клапан и топливо стекает в камеру высокого давления.

После замены ТНВД или клапана дозирования необходимо выполнить адаптацию топливного насоса с помощью диагностического прибора.

Эксцентриковый кулачок сообщает движение «вверх»: плунжер А перемещается в направлении OT, при этом оказывает давление на топливо и подает его через выпускной клапан в рампу. Под давлением подачи впускной клапан прижимается к седлу.

Плунжер В под действием растягивающего усилия пружины перемещается в направлении UT. Вследствие высокого давления в рампе выпускной клапан прижимается к седлу. Внутреннее давление насоса открывает впускной клапан и топливо стекает в камеру высокого давления.

Топливная рампа и топливопроводы высокого давления

Топливная рампа выполняет следующие задачи: накапливает топливо под высоким давлением и минимизирует колебания давления.

Аккумулятор с клапаном

Вследствие рабочих перемещений в камерах высокого давления ТНВД, а также открывания и закрывания электромагнитных клапанов в форсунках, возникают колебания давления в системе высокого давления.

Поэтому, рампа сконструирована так, чтобы, с одной стороны, обеспечить достаточный объем, благодаря которому свести колебания давления к минимуму, с другой стороны, объем рампы достаточно мал, чтобы можно было по возможности в кратчайший срок создать давление, необходимое для быстрого пуска.

Подаваемое ТНВД топливо по трубопроводу достигает аккумулятора высокого давления. Через четыре топливопровода, имеющих одинаковую длину, топливо попадает к отдельным форсункам. Если топливо забирается из рампы для процесса впрыска, давление в рампе поддерживается почти постоянным. 

В случае неисправности, датчик давления нельзя заменять отдельно. В случае неисправности необходимо всегда заменять рампу полностью.

Топливопроводы соединяют ТНВД с рампой и рампу с отдельными форсунками. Радиусы изгиба топливопроводов точно согласованы с системой, и их не следует изменять. 

После снятия одного или нескольких топливопроводов, его (их) следует обязательно заменить. Причина: вследствие деформации штуцеров старых топливопроводов при повторной их затяжке может возникнуть неплотность.

Клапан ограничения давления функционирует как одноходовой клапан. Это означает, что после однократного срабатывания он становится негерметичным и должен быть заменен. 

Клапан ограничения давления не может заменяться отдельно. В случае неисправности, рампа должна заменяться полностью. Частая причина срабатывания клапана ограничения давления – это неисправный клапан дозирования топлива.

Срабатывание клапана ограничения давления регистрируется PCM, после чего записывается соответствующий DTC  и активируется MIL (контрольная лампа неправильного функционирования систем снижения токсичности выбросов).

Форсунки common rail Denso

С помощью форсунок устанавливается начало впрыска и количество впрыскиваемого топлива. Чтобы добиться оптимального начала впрыска и точной дозы впрыска, устанавливаются специальные форсунки с гидравлической серво системой и электрическим управляющим устройством (электромагнитным клапаном).

Управление форсунками осуществляется непосредственно PCM. PCM определяет количество впрыскиваемого топлива и опережение впрыска. Функциональные блоки, из которых состоят форсунки: распылитель, гидравлическая сервосистема, и электромагнитный клапан.

Форсунка денсо

ПРИМЕЧАНИЕ: Повторное использование уплотнительных колец камеры сгорания не допускается. Подробное описание порядка надлежащей установки форсунок можно найти в текущей литературе по обслуживанию.

Влияние неисправностей форсунки (форсунок) (механические дефекты): повышенный выброс черного дыма; потеря герметичности форсунки; усиление детонационных стуков вследствие закоксовывания игл распылителей; не ровная работа ДВС в режиме холостого хода

Прописка форсунок common rail Denso

На рисунке ниже показана форсунка (вид сверху). После замены одной или нескольких форсунок необходимо выполнить следующие сервисные функции с помощью диагностического прибора: ввод поправочных коэффициентов форсунок и настройка опережения впрыска форсунок.

Внутри гидравлической сервосистемы находятся разные дроссели с чрезвычайно маленьким диаметром, отвечающие технологическим допускам. Эти допуски на изготовление учитываются в поправочном коэффициенте, указанном на корпусе форсунки.

Маркировка форсунки

Чтобы обеспечить оптимальное дозирование, о замене форсунки необходимо сообщить PCM. Кроме того, форсунки должны конфигурироваться после опробования нового программного обеспечения PCM. Это осуществляется вводом 16-значного поправочного коэффициента в PCM с учетом соответствующего цилиндра.

Если поправочные коэффициенты не вводятся должным образом, могут появиться следующие признаки неисправностей: увеличенное выделение черного дыма; не ровная работа ДВС в режиме холостого хода; громкие шумы в процессе сгорания; двигатель не запускается.

Чтобы ДВС работал с возможно меньшим шумом, создаваемым в процессе сгорания, необходимо предварительно оптимально настроить опережение впрыска каждой форсунки. С помощью сервисной функции "Настройка опережения впрыска форсунок" регистрируется ускорение каждого цилиндра и при необходимости адаптируется опережение впрыска. 

Common rail: принцип работы управления силовым агрегатом (РСМ)

PCM – это основа системы управления двигателем коммон рейл. Он получает электрические сигналы датчиков и задающих устройств, анализирует их и рассчитывает на их основе управляющие сигналы для исполнительных устройств.