СИСТЕМА ДИЗЕЛЯ

Как работает Common Rail

ТНВД, рампа и форсунки дизеля: как создаётся давление и управляется впрыск топлива.

Как работает Common Rail: устройство и принцип работы

Насос высокого давления подаёт топливо в общую рампу. Рампа сглаживает пульсации, а блок управления отдельно задаёт момент и длительность открытия каждой форсунки. Обратная магистраль возвращает лишнее топливо в бак.

Учебная реконструкция: давления, температуры и графики условные; модель объясняет принцип работы.

Как дизель получает топливо

Давление — это распыл. Чем выше давление, тем мельче капли и лучше сгорание. Отверстия форсунки около 0,12 мм, давление до 1800 бар.
Рампа отделяет давление от оборотов. В старых системах давление росло с оборотами. Здесь насос заполняет рампу, а блок держит нужное давление на любом режиме.
Форсунка управляется гидравликой. Электромагнит слишком слаб, чтобы поднять иглу против 1800 бар. Он только сбрасывает давление над иглой — остальное делает само топливо.
Несколько впрысков за такт. Пилотный впрыск прогревает камеру, основной даёт мощность, поздний помогает сажевому фильтру. Отсюда тихая работа современного дизеля.

Детали в модели «Дизель: топливная система Common Rail»

Топливный насос высокого давления. Вал насоса крутит шестерня от привода газораспределения (через паразитную шестерню). Эксцентрик на валу водит кольцо с лысками, и оно по очереди толкает два плунжера Ø7 мм на ходу 7 мм. Плунжер идёт вниз — топливо от клапана дозирования входит через впускной клапан; идёт вверх — сжимает его и через нагнетательный клапан в штуцере отдаёт в трубку к рампе, под давлением до 1800 бар. Смазывается самим дизельным топливом.
Клапан дозирования (SCV). Электромагнитный клапан на входе в насос: топливо от фильтра входит в гильзу через боковые окна, золотник открывает их больше или меньше. Без тока клапан открыт полностью; блок управления подаёт 0,7–1,7 А, якорь толкает золотник и прикрывает окна, чтобы в плунжеры, а значит и в рампу, шло ровно столько топлива, сколько нужно.
Топливная рампа (аккумулятор). Кованая толстостенная труба объёмом около 20 мл со штуцерами снизу: от насоса и к четырём форсункам. Сглаживает пульсации насоса и держит одинаковое давление для всех форсунок; стоит на двух кронштейнах на головке.
Датчик давления в рампе. Тензодатчик на конце рампы. По его сигналу блок управляет клапаном дозирования; сигнал растёт с давлением в пределах 0,5–4,5 В, около 4,5 В — верх шкалы.
Ограничитель давления. Механический клапан: открывается примерно на 20 % выше максимального давления и сбрасывает топливо в обратку, затем закрывается при 300–500 бар.
Форсунки. Форсунка стоит в колодце головки на медной шайбе, её прижимает скоба. Топливо от рампы идёт по каналу к распылителю и через входной дроссель Z — в камеру управления над поршнем иглы. Электромагнит поднимает якорь, и шарик открывает сливной дроссель A: топливо уходит в обратку быстрее, чем входит через Z, давление над поршнем падает, и давление вокруг иглы поднимает её. Ток выключен — шарик садится, камера снова под давлением рампы, игла закрывается. Впрыск длится 0,2–1,5 мс, за такт бывает 2–5 впрысков.
Топливный фильтр с отстойником. Тонкость фильтрации 3–5 мкм: топливо проходит гофрированную бумагу снаружи внутрь и уходит к насосу из центральной трубки. Внизу прозрачный отстойник для воды с датчиком и сливной пробкой, сверху ручная подкачка и разъём подогревателя (в мороз он не даёт парафину забить бумагу).
Бак и подкачивающий насос. Электрический насос стоит в стакане модуля в баке и подаёт 2–4 бар к фильтру и ТНВД; стакан держит топливо у заборной сетки на поворотах и при малом остатке. Там же датчик уровня с поплавком. Через обратку в бак возвращается лишнее топливо и утечки форсунок.

Показ по шагам

Три давления. Насос в баке даёт 3 бар через фильтр к ТНВД, ТНВД поднимает до 1800 бар, рампа держит его для всех форсунок. Обратка возвращает лишнее топливо и утечки форсунок в бак.
ТНВД в разрезе. Эксцентрик на валу водит кольцо, оно толкает плунжеры по очереди. На входе — клапан дозирования: он решает, сколько топлива попадёт в плунжеры, а значит, какое будет давление.
Рампа и датчик. Датчик меряет давление, блок сравнивает его с картой и меняет ток клапана дозирования. Смотрите показания справа.
Форсунка открывается. Ток включает электромагнит: якорь поднимает шарик, топливо из камеры управления уходит через дроссель A в обратку быстрее, чем входит через дроссель Z. Камера над поршнем светлеет — давление сброшено, и давление рампы вокруг иглы поднимает её. Красное — давление рампы, светлое — слив. На графике — тот же цилиндр №1: сначала короткий пилотный впрыск, потом основной.
Игла поднимается. Давление над поршнем упало — давление рампы в камере распылителя поднимает иглу, и из отверстий распылителя бьют струи топлива. Ток выключен — шарик садится, камера управления снова краснеет, и игла закрывается.
Полная нагрузка. При полном газе давление растёт до 1800 бар, а основной впрыск становится длиннее: подача за такт до 55 мм³.

Что ломается и как это проявляется

Большой обратный слив форсунки. Признаки: двигатель долго крутится стартером, прежде чем завестись, особенно горячий. Под нагрузкой не тянет, ошибка «давление в рампе ниже заданного». Что проверить: тест обратного слива: от каждой форсунки в мензурку за минуту на холостом. Норма — до 20–40 мл/мин, у неисправной в разы больше. Неисправную форсунку ремонтируют или меняют.
Подклинивает клапан дозирования. Признаки: двигатель дёргается при ровном газе, может заглохнуть при резком сбросе педали. Ошибки «давление выше заданного» и «давление ниже заданного» по очереди. Что проверить: сравнить заданное и фактическое давление в рампе на сканере, ток клапана. Промыть или заменить клапан, заменить фильтр, проверить топливо на стружку.
Забит фильтр / парафин. Признаки: холостой ход нормальный, а при разгоне и на подъёме двигатель теряет тягу и может заглохнуть. В мороз — не заводится. Что проверить: разрежение или давление на входе ТНВД, состояние фильтра, сезонность топлива. Заменить фильтр, слить воду из отстойника, заправляться зимним топливом.
Ошибка датчика давления. Признаки: двигатель работает громче и «жёстче» или наоборот не набирает обороты; горит индикатор, мощность ограничена. Что проверить: напряжение датчика при выключенном двигателе (около 0,5 В) и на холостом. Сравнение с исправным. Датчик часто меняют только вместе с рампой.
Ограничитель давления не держит. Признаки: пуск и холостой ход почти нормальные, но при разгоне двигатель не тянет: давление в рампе не поднимается выше 1100–1200 бар. Ошибка «давление в рампе ниже заданного», обратный слив большой. Что проверить: сканером поднять заданное давление (тест рампы) и смотреть на отсоединённую обратную трубку ограничителя: у исправного из неё не течёт. Течёт — ограничитель заменить (на некоторых рампах только вместе с рампой).
Подтекает игла форсунки. Признаки: неровный холостой ход, чёрный дым, металлический стук на прогреве. Уровень масла растёт — в нём солярка. Что проверить: тест балансировки форсунок на сканере (коррекции цилиндров), обратный слив, анализ масла. Форсунку ремонтируют или меняют, кодируют в блок.

Упрощения модели

ТНВД показан с двумя плунжерами и шестерёнчатым приводом через паразитную шестерню; коленвал и остальной привод не нарисованы. Бывают насосы с тремя плунжерами и с дозированием на выходе.
Форсунка показана электромагнитной; пьезофорсунки работают по тому же принципу быстрее.
Головка, форсунки, рампа и насос нарисованы примерно в 1,7 раза крупнее, чем на легковом дизеле, а бак меньше; бак, фильтр и двигатель стоят гораздо ближе друг к другу, чем в машине, трубки и шланги укорочены. Кузов, крепления бака и фильтра, поршни и проводка не нарисованы.
Внутренности форсунки нарисованы крупнее: дроссели Z и A (в жизни 0,2–0,3 мм), ход шарика и иглы (сотые и десятые доли миллиметра) увеличены. В режиме «очень медленно» гидравлическая задержка растянута (шарик открывается за 0,1 с, камера управления опустошается за 0,2 с, игла поднимается ещё 0,3 с), а около впрыска картинка замедляется ещё втрое, чтобы пилотный и основной впрыски шли раздельно; ток включается раньше на ту же задержку, и игла идёт по графику. Резкий сброс давления в рампе при отпускании педали показан упрощённо: давление падает, но этот слив не виден и не входит в показание «Слив в обратку».
Карта давлений и подачи условная, графики давления в цилиндре — качественные. Вал насоса на картинке крутится медленнее, чем в жизни. Золотник клапана дозирования нарисован упрощённо: на рисунке он перекрывает окна между 1,0 и 1,5 А, а в расчёте подача уменьшается плавно до 1,7 А, поэтому на холостом ходу окна выглядят закрытыми, хотя немного топлива проходит.
Датчик давления показан мембраной с тензоэлементом, ограничитель — шариковым клапаном с пружиной. Два столбика над датчиком при его неисправности — схема, а не деталь: давление в рампе и то, что показывает датчик. Корка парафина на фильтре нарисована толще, чем бывает, чтобы её было видно в разрезе.
Не откручивайте трубки высокого давления на работающем двигателе: струя топлива опасна.