Common Rail – впрыск XXI века

Ужесточение законодательных экологических требований, предъявляемых к дизелям, заставило моторостроителей интенсивно совершенствовать топливоподачу. Сегодня мы представляем вам систему будущего, родившуюся на свет в Европе.

Дизель Peugeot DW10ATED c непосредственным впрыском топлива

На тяжелой технике дизели обосновались давно и прочно. Но в области более легких машин – легковых автомобилей, пикапов, легких фургонов и даже автопогрузчиков с грузоподъемностью до 3 тонн – им пришлось вытеснять моторы, потребляющие более легкое топливо – бензин. В конце XX века конкуренция между бензиновыми и дизельными двигателями заметно обострилась. Создатели бензиновых моторов добились отличных результатов, выпустив на рынок новейшее поколение двигателей с непосредственным впрыском бензина в камеру сгорания. Их экономичность почти достигла «дизельных» величин... но не тут- то было.

Почти все европейские и японские разработчики легких дизелей, работая в тесном контакте с фирмой Bosch – мировым лидером в производстве топливной аппаратуры, подготовили рыночную «бомбу»: принципиально новую схему подачи топлива, дающую дизелю буквально «второе дыхание» и новые силы для борьбы за существование в рыночной нише легких машин. Речь идет о системе Common Rail (в переводе с английского – общая магистраль).

Название Common Rail подчеркивает разницу между способами подачи топлива в старых и новых конструкциях. Во-первых, за основу для внедрения новой системы был взят двигатель с непосредственным впрыском топлива как изначально более экономичный и успешно изживающий «старые болезни» – «жесткость» работы, повышенный уровень вибраций и шумность.

Элементы системы Common Rail двигателя Peugeot DW10ATED

Во-вторых, был создан блок управления, который с помощью своих многочисленных программ позволил качественно улучшить работу всей системы питания. И, наконец, был изменен сам принцип работы всей этой системы.

В обычных системах питания для впрыска каждой порции топлива ТНВД должен повышать давление в соответствующем топливопроводе и форсунке. Поскольку производительность насоса зависит от числа оборотов кулачкового или, что то же самое, коленчатого вала, результат в каждом конкретном случае получается далеко не оптимальным. Отметим, что так же далека от идеальной и работа форсунки. Ее запорная игла открывается под действием ударной волны в топливной магистрали, а закрывается под действием пружины. В новой системе все иначе.

Топливо постоянно находится под высоким давлением в общей для всех форсунок топливной магистрали (отсюда и название принципа работы – Common Rail). В ней блок управления дизелем поддерживает, меняя производительность насоса, давление на уровне 1350 бар (около 1350 кгс/см², приведены данные для дизелей Peugeot, для двигателей других фирм давление может несколько отличаться, но оно всегда превышает 1000 кгс/см² – ред.) при различных режимах работы двигателя, то есть независимо от его оборотов и нагрузки при любой последовательности впрыска по цилиндрам.

Взаимное расположение поршня (в разрезе), клапанов, форсунки и свечи накаливания

Форсунки также претерпели существенные изменения. Они оснащены специальными электромагнитными (у Mercedes-Benz – пьезоэлектрическими) клапанами и управляются по гибкому алгоритму в соответствии с конкретными условиями работы дизеля. Высокое давление, под которым топливо впрыскивается в цилиндр, создается уже при самом малом числе оборотов коленвала. Благодаря ему, а также электронному управлению процессом впрыска достигается значительно лучшая подготовка смеси в цилиндрах, что приводит к уменьшению расхода топлива и снижению токсичности выхлопных газов.

В системе Common Rail электроника регулирует момент впрыска, количество впрыскиваемого топлива и сам закон его подачи. Именно этим и достигается оптимальный на каждом конкретном режиме работы дизеля результат. Общая магистраль оборудована датчиком давления и обратным клапаном, перепускающим топливо обратно в бак.

Любопытно, что работа топливного насоса с разной производительностью, малой при низких оборотах и высокой на больших, сказалась на уровне шума, производимого дизелем.

Взаимное расположение форсунки с пятью отверстиями и камеры сгорания (Peugeot DW10ATED)

Замеры показали, что переход на систему Common Rail позволил уменьшить его на 10%. Кстати, концерны PSA и Daimler Benz на своих дизелях, оборудованных новой системой топливоподачи, пошли в отношении снижения шума еще дальше. Их предложение – переход на так называемый пилотный впрыск.

Он происходит за доли секунды перед впрыском основной порции топлива и нужен для предварительного разогрева камеры сгорания. В этом случае топливо быстрее воспламеняется, а давление и температура возрастают не так быстро, что снижает «жесткость» работы двигателя и его шум.

Концерны Daimler Benz, FIAT, PSA, Toyota, General Motors (Opel) и ряд других или уже начали выпуск дизелей с топливной системой Common Rail, или близки к началу их выпуска. Достигнуты отличные выходные показатели дизелей нового поколения: расход топлива улучшен на 10–15%, мощность возросла на 40% и это при существенном снижении выбросов вредных веществ в атмосферу.

Несомненно, новые показатели этих дизелей делают их более конкурентоспособными в борьбе с бензиновыми двигателями.

Принципиальна схема системы питания дизеля Common Rail:

a – электронный коммутатор; b – датчики: температуры масла, температуры охлаждающей жидкости, температуры засасываемого в цилиндры воздуха, давления воздуха после турбокомпрессора; c – датчик положения кулачков распредвала; d – форсунки (каждая с пятью отверстиями); e – общая топливная магистраль; f – электронасос для подачи топлива; g – фильтр первичной очистки топлива; h – топливный бак; i – датчик частоты вращения коленвала; j – датчик положения педали акселератора или нагрузки на двигатель; k – топливный фильтр; l – топливный насос высокого давления (1350 бар при 3200 об/мин); m – подогреватель топлива; 1 – топливная магистраль низкого давления; 2 – топливная магистраль высокого давления; 3 – магистраль возврата топлива; 4 – электропровода