Анатолій Окоча, канд. техн. наук, доцент, Олександр Лавріненко, канд. техн. наук, доцент, НУБіП України
Законодавчі екологічні вимоги (Euro-VI, Tier-IV, Euro Stage IV), економічність та даунсайзінг дизельних двигунів автотракторної техніки дедалі підвищуються, що ставить виробників перед потребою їхнього подальшого вдосконалення. Одним із факторів такого поліпшення є акумуляторна паливна система, яку частіше називають системою Common Rail.
Загальні відомості
Common Rail – у перекладі з англійської означає «загальна рейка, або рампа», «загальна магістраль». Принцип роботи цієї системи полягає у подаванні палива до форсунок від загального акумулятора високого тиску (паливної рампи). У цій системі процеси подавання палива під високим тиском та впорскування відокремлені. Необхідну для впорскування кількість палива під високим тиском подає насос високого тиску. Паливо накопичується у паливній рампі, яка виконує роль стабілізатора тиску в контурі. У рампі весь час підтримується постійний об’єм палива, яке перебуває не під пульсуючим тиском, а під постійним. Із рампи паливо надходить до форсунок паливопроводами. Керовані електронікою електрогідравлічні форсунки із електромагнітним або п’єзоелектричним приводом клапанів, що керують процесом подавання палива, впорскують дизельне паливо під високим тиском у циліндри. Електронний блок керування зчитує інформацію про положення педалі подавання палива, тиск у рампі, температурний режим двигуна, його навантаження тощо, розраховує розмір порції палива і безпосередньо момент його подавання. Залежно від конструкції форсунок та класу двигуна за один цикл може впорскуватися до 9 порцій палива.
Довідка
Даунсайзінг (анг. downsizing) – у дослівному перекладі означає «скорочення, зменшення розмірів». Щодо двигуна – зменшення робочого об’єму двигуна без погіршення його технічних характеристик (потужності та крутого моменту).
Однією із важливих особливостей системи Common Rail є незалежність процесу впорскування палива від кута повороту колінчастого вала та від режиму роботи двигуна. А це дає змогу досягати високого тиску впорскування на перехідних режимах задля задоволення сучасних і перспективних екологічних вимог.
Основні функції системи полягають в оптимальному й правильному керуванні процесом упорскування дизельного палива у потрібний момент і в оптимальній кількості, а також за відповідного тиску, що забезпечується електронною системою керування. Система Common Rail дає змогу економити паливо завдяки підвищеному його тиску і, відповідно, тоншому і рівномірному його розпиленню у камері згоряння. Це, своєю чергою, сприяє повнішому й ефективнішому згорянню робочої суміші з мінімальним утворенням шкідливих речовин та збільшенням потужності. Водночас у процесі впорскування підтримується постійний високий тиск у магістралі, що забезпечує точне дозування палива.
Розвиток системи впорскування Common Rail здійснюється шляхом збільшення тиску впорскування, у результаті чого можна більше подати палива до циліндрів за один і той самий проміжок часу і, відповідно, реалізувати вищу потужність. Сьогодні виділяють чотири покоління системи:
– перше – 140 МПа (з 1999 р.),;
– друге – 160 МПа (з 2001 р.);
– третє – 180 МПа (з 2005 р.);
– четверте – 220 МПА (з 2009 р.).
За прогнозами компанії Robert Bosch GmbH, частка дизельних двигунів із системою Common Rail на ринку у 2016 р. досягне 83% (у 2008 р. ця цифра становила всього 24%). Тож нині практично кожен виробник дизельних двигунів різних класів, від малих легкових і до великих суднових, використовує систему Common Rail та позначає її власною абревіатурою. Ось лише деякі з них: Daimler: CDI, CRD; Fiat: JTD, Ecotec CDTi, TTiD, DDiS; Ford Motor: TDCi; General Motors: CDTi, VCDi; Hyundai та Kia: CRDi; Mazda: CiTD; Mitsubishi: DI-D; Toyota: D-4D; Skoda: TDI; Volkswagen Group: TDI.
Системи впорскування палива (інжекторні) використовують і на бензинових двигунах, однак їхня конструкція та робота відрізняються від дизельних, але про це ми розповімо в іншій статті.
Будова й принцип роботи системи
Будова. Паливна система (рис.) складається із двох контурів: низького тиску – електронасос (1) у паливному баку та паливний фільтр (2) і контуру високого тиску – паливний насос високого тиску (ПНВТ) (3), клапан дозування (4), датчик тиску палива (5), паливна рампа (6), регулятор тиску палива (контрольний клапан) (7), форсунки (8). Усі елементи з’єднані паливопроводами і приводяться в дію системою електронного регулювання роботи двигуна із датчиками керування та виконавчими механізмами.
Рис. Загальна будова системи Common Rai
ПНВТ (3) служить лише для створення високого тиску (величина якого може бути різною, й у кожного виробника своя) палива і подавання його до паливної рампи. Він на відміну від класичного ПНВТ не виконує функції дозування палива та регулювання моменту його впорскування.
Клапан дозування (4) конструктивно об’єднаний із ПНВТ і регулює кількість палива, яке надходить до ПНВТ залежно від потреби (режиму роботи) двигуна, зливаючи його надлишок у бак. Датчик тиску (5) слідкує за тиском палива у контурі високого тиску.
Паливна рампа (6) виконує декілька функцій: накопичення палива та утримання його під високим тиском; зм’якшення коливань тиску, що виникають внаслідок пульсації подавання від ПНВТ; розподілення палива між форсунками.
Регулятор тиску (7) встановлено у паливній рампі й призначений він для: регулювання тиску і накопичення палива у системі залежно від навантаження двигуна; зменшення коливання тиску, яке відбувається від подавання ПНВТ.
Форсунки (електромагнітні або п’єзоелектричні) (8) – один із найважливіших елементів системи. Вони безпосередньо впорскують паливо у камеру згоряння двигуна. А впорскування палива електрогідравлічними форсунками здійснюється електромагнітним клапаном. Активним елементом п’єзофорсунки є п’єзокристали, які значно підвищують швидкість її роботи.
Роботу системи впорскування Common Rail забезпечує система електронного керування двигуном, що об’єднує блок керування, датчики (положення і частоти обертання колінчастого вала двигуна, положення педалі акселератора, температури холодильної рідини, тиску й температури повітря, тиску палива та ін.) й виконавчі механізми систем двигуна. Блок керування двигуном враховує і прораховує щосекунди різні фактори: температуру, тиск, крутний момент, тиск на педаль подавання палива тощо. На основі цих даних система керування регулює момент упорскування, кількість палива та сам принцип його подавання. Саме цим і досягається оптимальний для кожного режиму роботи двигуна результат.
Принцип роботи. Паливо з бака забирається електронасосом низького тиску (1) (див. рис.) і через паливний фільтр (2) надходить до ПНВТ (3), який подає його у паливну рампу (6). На основі сигналів, що надходять від датчиків, блок керування двигуном визначає необхідну кількість палива, яку ПНВТ постачає через клапан дозування (4) для підтримання необхідного тиску у рампі залежно від витрати палива. Паливна рампа (6) з’єднана паливопроводами високого тиску з електромагнітними або п’єзоелектричними форсунками (8). У необхідний момент блок керування дає команду відповідним форсункам розпочати впорскування палива і забезпечує певну тривалість відкриття клапана форсунки. Відповідно до режиму роботи двигуна блок керування коректує параметри роботи системи впорскування. Для підвищення ефективності роботи двигуна у системі Common Rail відбувається багаторазове впорскування палива протягом одного робочого циклу двигуна, яке за фазами подавання поділяється на попереднє, основне та додаткове впорскування.
Попереднє впорскування незначної кількості палива здійснюється перед основним для підвищення температури і тиску в камері згоряння, чим досягається прискорення самозаймання основного палива, зниження шуму й токсичності відпрацьованих газів. Залежно від режиму роботи двигуна здійснюється:
– два попередніх впорскування – на холостому режимі;
– одне попереднє впорскування – за збільшення навантаження;
Основне впорскування забезпечує роботу двигуна під час його повного навантаження.
Додаткове впорскування здійснюється задля підвищення температури відпрацьованих газів і згоряння часток сажі у сажовому фільтрі (регенерація сажового фільтра).
Переваги системи Common Rail
– тиск, за якого відбувається впорскування палива, можна безперевно підтримувати незалежно від частоти обертання колінчастого вала двигуна, і він залишається практично постійно високим протягом усього циклу подавання палива, що особливо важливо для стабілізації горіння на холостому ходу і на малий обертах під час роботи з частковим навантаженням;
– момент початку й кінця подавання палива може регулюватися у широких межах, що дає змогу точніше дозувати паливо, а також здійснювати подавання його декількома порціями протягом робочого циклу задля повнішого згоряння;
– більш високий ККД двигуна (близько 45%) порівняно з традиційними системами (до 35%), у результаті чого підвищується потужність двигуна до 40%;
– двигун працює тихіше (шум знижується приблизно на 10%);
– робота двигуна стає більш м’якою, що підвищує довговічність його циліндро-поршневої групи;
– завдяки вдосконаленому подаванню палива, його витрата зменшується на 10 – 15%;
– великий крутний момент;
– вміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах зменшується до 50%.
Недоліки Common Rail
– підвищені вимоги до чистоти та якості дизельного палива. Найбільш уразливими деталями системи є форсунки, регулятор високого тиску і клапан аварійного зменшення тиску. За виходу з ладу однієї або декількох із цих деталей можливі такі дефекти: пуск двигуна ускладнюється або стає неможливим; з’являються «провали» під час руху; робота двигуна стає жорсткою, виникає підвищена димність. Несправність форсунок може призвести до серйозних неполадок, таких як прогорання й оплавлення поршня;
– складніші форсунки потребують відносно частішої заміни порівняно з традиційними;
– велика кількість різного виду датчиків, активаторів та інших елементів керування ускладнює будову й технічне обслуговування системи;
– відносно висока ціна деталей і запасних частин системи;
– неможливість провести ремонт або налагодження системи власноруч, тому що потрібні спеціальні стенди та інструменти;
– все ще недостатній рівень кваліфікації персоналу для діагностики, ремонту й налагодження систем Common Rail у багатьох спеціалізованих сервісах.
l
