Особенности устройства и преимущества топливной системы Common Rail

В современных автомобилях используются топливные системы с принудительным впрыском. Если раньше такая модификация была только в дизельных силовых агрегатах, то сегодня многие бензиновые двигатели получают одну из разновидностей впрыска. Подробно они описаны в другом обзоре.

Сейчас сосредоточимся на разработке, которая получила название Common Rail. Посмотрим, как она появилась, в чем ее особенность, а также какие в ней достоинства и недостатки.

Что такое топливная система Common Rail

Словарь переводит понятие Common Rail, как «аккумуляторная топливная система». Ее особенность в том, что забор порции дизтоплива производится из резервуара, в котором топливо находится под большим давлением. Рампа расположена между ТНВД и форсунками. Впрыск осуществляется за счет того, что форсунка открывает клапан, и топливо под давлением высвобождается в цилиндр.

Данный тип топливной системы является самой последней ступенью в эволюции дизельных силовых агрегатов. По сравнению с бензиновым аналогом дизель более экономичен, так как впрыск топлива осуществляется непосредственно в цилиндр, а не во впускной коллектор. А с данной модификацией эффективность силового агрегата повышается в разы.

Топливный впрыск «коммон рейл» позволил повысить экономичность автомобиля на 15% в зависимости от настроек режима работы ДВС. При этом обычно побочным эффектом экономичности мотора является снижение его производительности, но в данном случае мощность агрегата наоборот увеличивается.

Причина тому кроется в качестве распределения топлива внутри цилиндра. Всем известно, что КПД двигателя напрямую зависит не столько от количества поступающего горючего, сколько от качества его смешивания с воздухом. Так как во время работы мотора процесс впрыска происходит за считанные доли секунды, необходимо, чтобы горючее максимально быстро смешалось с воздухом.

Для ускорения этого процесса используется распыление топлива. Так как магистраль за топливным насосом имеет высокое давление, дизтопливо распыляется через форсунки более эффективно. Сгорание воздушно-топливной смеси происходит с большей эффективностью, от чего двигатель демонстрирует увеличение КПД в несколько раз.

История

Внедрению данной разработки послужило ужесточение экологических стандартов для автопроизводителей. Однако основополагающая идея появилась еще в конце 60-х гг прошлого столетия. Ее прототип разработал швейцарский инженер Роберт Хубер.

Немного позже эту идею доработал сотрудник Федерального института технологий Швейцарии, Марко Гансер. Эту разработку использовали сотрудники компании Denzo и создали топливную систему с рампой. Новинка получила незамысловатое название Common Rail. В последние годы 1990-х разработка появилась в коммерческом транспорте на моторах EDC-U2. Такую топливную систему получили грузовые автомобили Hino (модель Rising Ranger).

В 95-м году другим производителям тоже стала доступная эта разработка. Инженеры каждого бренда дорабатывали систему и адаптировали под особенности собственной продукции. Однако первопроходцем в применении данного впрыска на автомобилях компания Denzo считает себя.

Это мнение оспаривает другой бренд, FIAT, который в 1987-м году запатентовал прототип дизельного двигателя с непосредственным впрыском (модель Chroma TDid). В том же году сотрудники итальянского концерна начали вести работу над созданием электронного впрыска, который имеет схожий принцип работы с коммон рейл. Правда, система получила название UNIJET 1900сс.

Современный вариант впрыска функционирует по тому же принципу, что и первоначальная разработка, независимо от того, кто считается ее изобретателем.

Конструкция

Рассмотрим устройство данной модификации топливной системы. Контур с высоким давлением состоит из следующих элементов:

• Магистраль, способная выдержать большое давление, во много раз превышающее показатель компрессии в двигателе. Она выполнена в виде цельных трубок, к которым подсоединены все элементы контура.
• ТНВД – насос, создающий нужный напор в системе (в зависимости от режима работы двигателя этот показатель может составлять больше 200 МПа). Этот механизм имеет сложное устройство. В современном исполнении его работа основана на плунжерной паре. Подробно о ней рассказывается в другом обзоре. Об устройстве и принципе работы топливного насоса также рассказывается отдельно.
• Топливная рейка (рампа или аккумулятор) – небольшой резервуар из толстостенного материала, в котором накапливается горючее. К ней при помощи топливопроводов подсоединяются форсунки с распылителями и другое оборудование. Дополнительная функция рампы – демпфировать колебания горючего, возникающие в процессе функционирования насоса.
• Датчик давления топлива и регулятор. Эти элементы позволяют контролировать и поддерживать нужный напор в системе. Так как насос постоянно работает, пока заведен мотор, он постоянно закачивает солярку в магистраль. Чтобы ее не разорвало, регулятор осуществляет сброс излишка рабочей среды в обратку, которая соединена с баком. Подробно о том, как работает регулятор давления, рассказывается здесь.
• Форсунки подают необходимую порцию топлива в цилиндры агрегата. Разработчики дизельных двигателей решили расположить эти элементы непосредственно в головке блока цилиндров. Этот конструктивный подход позволил одновременно решить несколько сложных вопросов. В-первых, это минимизирует потери топлива: во впускном коллекторе системы распределенного впрыска незначительная часть горючего остается на стенках коллектора. Во-вторых, дизель воспламеняется не от свечи накала и не от искры, как в бензиновом моторе – его октановое число не позволяет применить такое зажигание (что такое октановое число, читайте здесь). Поршень сильно сжимает воздух, когда выполняется такт сжатия (закрыты оба клапана), в результате чего температура среды повышается до нескольких сотен градусов. Как только форсунка распыляет топливо, от высокой температуры оно самовоспламеняется. Так как в этом процессе нужна идеальная точность, устройства оснащаются электромагнитными клапанами. Они срабатывают от сигнала, поступающего с эбу.
• Датчики следят за работой системы и подают соответствующие сигналы на блок управления.
• Центральным элементом в Common Rail является ЭБУ, который синхронизируется с «мозгами» всей бортовой системы. В некоторых моделях авто он интегрирован в главный блок управления. Электроника может фиксировать не только показатели мотора, но и других узлов авто, благодаря чему более точно рассчитывается количество воздуха и топлива,  а также момент распыления. Электроника программируется на заводе. Как только ЭБУ получает от датчиков нужную информацию, активируется заданный алгоритм, и все исполнительные механизмы получают соответствующую команду.
• Любая топливная система в своей магистрали имеет фильтр. Он устанавливается перед топливным насосом.

Дизельный ДВС, оснащенный данным типом топливной системы работает по особенному принципу. В классическом исполнении производится впрыск всей порции топлива. Наличие топливного аккумулятора позволяет обеспечить распределение одной порции на несколько частей, пока мотор выполняет один цикл. Эта методика называется многократным впрыском.

Ее суть сводится к тому, что перед подачей основного количества солярки производится предварительный впрыск, который еще сильнее разогревает рабочую камеру, а также повышает в ней давление. Когда распыляется остальная часть горючего, оно более эффективно воспламеняется, благодаря чему ДВС с системой коммон рейл демонстрирует высокий крутящий момент, даже когда уровень оборотов коленвала низкий.

В зависимости от режима работы часть топлива будет поступать один раз или два. Когда двигатель работает на холостых оборотах, прогрев цилиндра осуществляется благодаря двойному предварительному впрыску. Когда повышается нагрузка, осуществляется один предвпрыск, благодаря чему на основной цикл остается больше горючего. Когда двигатель работает на максимальной нагрузке, предварительный впрыск не выполняется, а задействуется вся порция топлива.

Перспективы развития

Стоит отметить, что данная топливная система совершенствовалась по мере повышения компрессии силовых агрегатов. На сегодняшний день автовладельцам предлагается уже 4-е поколение Common Rail. В нем топливо находится под напором в 220 МПа. Эта модификация устанавливается на автомобили, начиная с 2009-го года.

Предыдущие три генерации имели такие параметры давления:

1. Начиная с 1999-го, давление в рампе составляло 140МПа;
2. В 2001-м году этот показатель увеличился на 20МПа;
3. Спустя 4 года (2005г.) автомобили начали комплектоваться третьим поколением топливных систем, которые были способны создавать напор в 180МПа.

Увеличение давления в магистрали позволяет осуществить впрыск большего объема дизтоплива за тот же промежуток времени, что и в предыдущих разработках. Соответственно, это повышает прожорливость машины, но и прирост мощности заметно увеличивается. По этой причине некоторые рестайлинговые модели получают мотор, идентичный предыдущему, но с увеличенными параметрами (о том, чем рестайлинг отличается от модели следующего поколения, рассказывается отдельно).

Повышение эффективности такой модификации осуществляется за счет более точной электроники. Такое положение вещей позволяет заключить, что четвертое поколение это еще не вершина совершенства. Однако повышение эффективности топливных систем спровоцировано не только стремлением автопроизводителей удовлетворить запросы экономных автомобилистов, но в первую очередь повышением экологических стандартов. Данная модификация обеспечивает более качественное сгорание дизеля, благодаря чему автомобиль способен пройти контроль качества, прежде чем сойдет с конвейера.

Достоинства и недостатки системы Common rail

Современная модификация данной системы позволила повысить мощность агрегата за счет распыления большего количества топлива. Так как в современных авто производители устанавливают большое количество всевозможных датчиков, электроника стала более точно определять количество дизтоплива, необходимого для работы ДВС на конкретном режиме.

Это основное преимущество коммон рейл перед классическими модификациями ТС с насос-форсунками. Еще один плюс в пользу инновационному решению – ее легче ремонтировать, так как она имеет более простое устройство.

К недостаткам относится дороговизна установки. Также она требует более качественного топлива. Еще один минус в том, что форсунки имеют более сложную конструкцию, поэтому у них меньший рабочий ресурс. Если выйдет из строя какая-то из них, клапан в ней будет постоянно открыт, из-за чего нарушится герметичность контура и система отключится.

Более подробно об устройстве и разных вариантах исполнения топливного контура высокого давления рассматривается в следующем видео:

Принцип работы компонентов топливного контура системы Common Rail. Часть 2

Вопросы и ответы:

Какое давление в Коммон Рейл? В топливной рампе (трубка-аккумулятор) топливо подается под низким давлением (от вакуумного до 6 Атм.) и во втором контуре под высоким давлением (1350-2500 бар.)

Чем отличается Коммон Рейл от тнвд? В топливных системах с ТНВД насос сразу распределяет топливо по форсункам. В системе Common Rail  топливо закачивается в аккумулятор (трубку), и из него распределяется по форсункам.

Кто придумал Коммон Рейл? Прототип топливной системы типа Common Rail  появился на закате 1960-х годов. Ее разработал швейцарец Роберт Хубер. В последствии технологию развивал Марко Гансер.