ДВС и его виды. Часть 8. Продолжение про ТНВД и Common Rail⁠⁠

Педыдущие части

ДВС и его виды

ДВС и его виды. Часть 2

ДВС и его виды. Часть 3

ДВС и его виды. Часть 4.

ДВС и его виды Часть 4 (продолжение)

ДВС и его виды. Часть 5. Современные системы впрыска, применяемые датчики.

ДВС и его виды. Часть 6. Дизель

ДВС и его виды. Часть 7. Механический впрыск, Common Rail.

Итак, продолжаем тему.

В комментариях просили дополнить некоторыми нюансами, исполняю)

Среди механических форсунок есть одна их интересная разновидность. Это двухпружинные форсунки, и главная их особенность - осуществление предвпрыска топлива.

В их конструкции предусмотрено две пружины. Первая отвечает за давление начала предвпрыска, при достижении которого игла преодолевает давление более слабой пружины и приоткрывается на 0.01-0.03мм, осуществляя начальный впрыск небольшой порции топлива. При достижении номинального давления топлива, игла своим уступом, уперевшись в шайбу основной пружины и преодолевая суммарное сопротивление двух пружин открывается на полный впрыск. На картинке последовательно изображены эти этапы. И да, это совсем не коммон рейл и даже не его подобие) Данная схема позволяет значительно повысить плавность работы моторов с непосредственным впрыском, так как предвпрыск позволяет заранее плавно поднять давление в цилиндре, снизив ударное действие при впрыске основной порции топлива.

Такие форсунки часто оснащаются распылителями хитрой конструкции, благодаря которой игла в двух положениях открывает разное количество дюз, для сохранения качественного распыления топлива при низком давлении топлива в первой фазе впрыска.

С механическими форсунками закончили, переходим к механическим ТНВД.

ТНВД бывают трех основных типов.

1. Рядные, к которым мы отнесем одиночные, рядные и V-образные

2. Распределительные. к которым отнесем торцевые и роторные.

3. Магистральные (используются с аккумуляторным впрыском common rail).

Основу и сердце любого ТНВД составляет плунжерная пара. Парой ее называют, потому-что она состоит из цилиндра и поршня, подогнанных друг к другу с прецизионной точностью, так как уплотнение достигается микроскопическим зазором.

В плунжерной паре есть три топливных канала:

1. подающий

2. выходной

3. канал отсечки.

Плунжер имеет внутренний канал, соединенный со спирально нарезанным по его поверхности каналом отсечки, поворотом корпуса плунжерной пары достигается совпадение спиральной нарезки с каналом отсечки подачи топлива при различном ходе плунжера, таим образом производится регулировка количества цикловой подачи топлива на форсунку. Наглядно можно посмотреть гифку

Плунжер приводится в движение кулачковым распределительным валом. Поворот корпуса плунжерных пар в многоцилиндровых моторах осуществляется единой зубчатой или пазово-шипной рейкой, которую так и называют - топливная рейка. Топливную рейку двигает педаль газа, которая на дизеле правильно называется - педаль подачи топлива или педаль регулятора оборотов если ТНВД оснащен таковым. Прямой привод используется только в очень простых конструкциях, подавляющее количество ТНВД оснащаются автоматическим регулятором. И тут мы коснулись коренного различия в управлении тягой бензинового и дизельного мотора.

Как в комментах заметили, в бензиновом моторе происходит количественное регулирование приготовления рабочей смеси, а в дизеле - качественное. То есть мы помним, что бензиновый мотор оснащен дроссельной заслонкой, которая связана с педалью газа и регулирует КОЛИЧЕСТВО подаваемого в двигатель топлива, а так как качество смеси (массовое соотношение топлива к воздуху) в бензиновом моторе можно принять за постоянное стехиометрическое с небольшими отклонениями, регулируем мы количество заряжаемой в цилиндр топливо-воздушной смеси. В дизельном моторе дроссельной заслонки нет, и наполнение цилиндров воздухом всегда максимально, а регулируем мы количество подаваемого топлива, изменяя КАЧЕСТВО рабочей смеси, поэтому регулирование зовется качественным.

Исходя из этого, разница заключается в том, что в бензиновом моторе мы педалью газа регулируем отдаваемую мощность. а в дизельном моторе мы регулируем скорость вращения коленчатого вала. То есть, нажимая на газ в бензинке, мы повышаем отдаваемую мощность, и раскрутится она до таких оборотов, пока сопротивление не сравняется с отдаваемой мощностью, а нажимая на педаль в дизеле мы грубо говоря говорим регулятору оборотов - "хочу 3000 оборотов" и регулятор уже автоматически управляет передвижением топливной рейки, меняя цикловую подачу топлива, для достижения заданного числа оборотов. Поэтому механические дизеля создают ощущение "подрыва" даже при небольшом нажатии на педаль, так как нажали мы немного, а регулятор оборотов может выкрутить цикловую подачу на максимум, как будто мы топнули в пол. Но это опять-же сильно зависит от настройки регулятора. Но кто ездил на ЯМЗ-238, те знают этот пинок под жопу при поглаживании педали подачи)))

Рядные или V-образные ТНВД состоят из таких отдельных секций на каждый цилиндр, приводимых кулачковым валом.

Топливная рейка как вариант выглядит подобным образом

Такие ТНВД помимо центробежного автоматического регулятора оборотов оснащаются центробежной муфтой опережения впрыска топлива, которая устанавливается на входном валу ТНВД и при увеличении оборотов доворачивает распределительный вал на опережение, делая подачу топлива более ранней, чтобы оно успело полностью сгореть с максимальной эффективностью.

Кроме этого ТНВД зачастую оборудуется ТННД (топливный насос низкого давления), который приводится от отдельного кулачка распределительного вала и отвечает за снабжение ТНВД топливом из бака.

К недостаткам такого типа ТНВД стоит отнести большие габариты и большую зависимость от равномерного качества изготовления плунжерных пар, так как малейшие огрехи вызовут разбег в выдаваемом давлении и цикловой подаче по цилиндрам.

Преходим к ТНВД распределительного типа, которые получили огромное распространение на легковых машинах, где необходима компактность, которой не располагают рядные насосы.

Первой рассмотрим торцевую конструкцию. Главной ее особенностью является наличие одной единственной плунжерной секции на все цилиндры, что дает огромный выигрыш в компактности и в единстве качества цикловой подачи по цилиндрам, так как плунжерная пара одна на всех.

В таких ТНВД поршень плунжерной пары осуществляет не только обратно-поступательные движения, но и вращается, а его корпус, который называется распределительной головкой - неподвижен.

В таких ТНВД плунжер имеет продольные прорези по количеству цилиндров, которые при вращении открывают или запирают подающий канал, кулачковый диск у основания плунжера при вращении попадает своими выступами на ролики роликового кольца, благодаря чему совершает обратно-поступательные движения, поворачиваясь подающим отверстием поочередно к каждому выходу к форсункам и осуществляет подачу топлива. Регулирование подачи топлива осуществляется дозирующей муфтой, которая скользит по шейке плунжера, открывая канал отсечки, передвижением муфты управляет центробежный регулятор оборотов. Также ТНВД оборудован автоматом опережения впрыска топлива, который перемещает роликовое кольцо, меняя момент начала движения плунжера.

Такие ТНВД нередко оснащаются электронным управлением, берущим на себя функции регулятора оборотов и автомата опережения.

Также на входном валу устанавливается роторно-лопастной ТННД, так как в таких ТНВД отсутствует кулачковый вал.

С началом применения таких ТНВД, началась их чувствительность к качеству топлива, так как плунжер имеет большое количество продольных прорезей и вращается с большой скоростью, любая песчинка может полностью вывести плунжерную пару из строя, а так как она у нас одна на весь мотор - мы теряем подвижность, в отличии от рядных ТНВД, обладающих рекордной живучестью. Также данные ТНВД не слишком в восторге от современной солярки, отвечающей нормам ЕВРО-5, с очень низким содержанием серы, которая повышает смазывающие способности топлива, которым смазывается ТНВД.

Второй разновидностью распределительных ТНВД являются роторные.

Данные насосы проще в устройстве, однако менее надежны, и они уже все только с электронным управлением. Эти насосы были закатом эры механических ТНВД.

В них также присутствует одна насосная секция, зачастую состоящая из двух плунжеров, которые нагнетают топливо в общую камеру высокого давления, которая находится во вращающемся распределительном вале, который поочередно соединяет насосную секцию с форсунками. Регулирование количества впрыскиваемого топлива осуществляется электромагнитным клапаном, выполняющим сброс давления из камеры в соответствии с заданной цикловой подачей. Регулирование опережения впрыска осуществляется перемещением кулачковой обоймы при помощи сервопривода.

Как видим, устройство стало до безобразия простым. Эти ТНВД благодаря электронному управлению достигли максимума в качестве смесеобразования и управления подачей топлива для классических топливных систем. И были довольно неприхотливыми. Основные проблемы связаны с износом роликов-толкателей плунжеров, так как они испытывают большие нагрузки и перемещаются с большой скоростью, а смазываются топливом, стремительно теряющим свои смазывающие свойства.

И тут мы подошли к революции в мире топливных систем,  к Common Rail.

Эта система не так страшна, как ее описывают, при правильном уходе очень долговечна и не требует внимания. Однако требовательна к качеству фильтрации топлива, это ее единственный "минус", в остальном эта система позволила обрести дизелям настоящую быстроходность, экономичность, плавность работы. Дизеля резко отхватили большой процент у бензиновых моторов только благодаря Common rail.

Кардинальное отличие этой системы заключается в том, что регулирование подачи больше не осуществляется давлением выдаваемым ТНВД, что позволило резко поднять давление топлива, которое стало достигать 2000 атмосфер.

ТНВД в таких системах стал предельно прост, из него вытряхнули все лишнее, оставив только насосные секции.

Теперь ТНВД не занимается распределением топлива, опережением впрыска, дозированием, теперь всем этим занимается электронный блок управления двигателем. А ТНВД только качает топливо в топливную рампу, откуда оно подается к электромагнитным топливным форсункам, на рампе устанавливается датчик давления топлива и регулятор давления. Также в некоторых вариациях датчиков и регуляторов может стоять несколько.

Топливная рампа зовется аккумулятором давления, откуда система и получила название - аккумуляторный впрыск. Также Common Rail означает - общая рампа.

Упростился ТНВД, зато усложнилась форсунка, став помимо этого очень дорогой.

Форсунки бывают двух типов.

Электромагнитные (попроще)

и Пьезоэлектрические

Пьезофорсунки это последнее слово в топливных системах. В отличии от электромагнитной, где как мы уже изучали, сердечник под действием магнитного поля открывает перепускной канал и стравливает давление топлива с обратного конца иглы, давая ей возможность подняться, вместо электромагнита с сердечником используется пьезоэлемент из спеченных керамических пластинок, который под действием разряда может менять свои размеры, открывая перепускной клапан, при этом из-за прецизионных размеров пьезоэлемента и запорного клапана, между ними устанавливается гидрокомпенсатор.

Такие форсунки практически неремонтопригодны, однако обладают сумасшедшим быстродействием, позволяющим осуществить впрыск топлива до десяти раз за цикл!

При изготовлении такой форсунки на заводе, она проходит испытание на производительность, после чего ей присваивается корректировочный код, который выглядит так

Этот код необходимо прописывать в блок управления двигателя при замене форсунки, для того чтобы он мог скорректировать время впрыска. Поэтому просто так взять и поменять форсунку не выйдет)

Топливо в цилиндр в системе CR подается в три этапа

1. Предвпрыск

2. Основной впрыск

3. Поствпрыск

Предвпрыск производится при движении поршня к верхней мертвой точке и может состоят из 1-4 отдельных порций топлива, это позволило очень плавно наращивать давление в цилиндре и практически избавиться от характерного дизельного тарахтения, моторы стали работать гораздо мягче. При полной нагрузке на двигатель предвпрыск как правило не производится.

Далее происходит впрыск основной порции топлива, который и обеспечивает рабочий ход, основной впрыск также может состоять из нескольких порций топлива. Все это направлено на борьбу с резким ростом давления. Режимов впрысков великое множество, все зависит от условий и множества факторов.

Но есть еще поствпрыск, и о нем чуть более развернуто.

Дизельные моторы всегда грешили экологией, особенно обильными выбросами различных оксидов азота и сажи. Оксиды азота образуются при большом избытке кислорода и высокой температуре. Что в бензиновых моторах происходит при переобеднении рабочей смеси. А дизелю вообще свойственна работа на сверхбедной смеси, так как регулирование качественное и доступ воздуха в мотор неограничен.

Если с выбросами соединений углерода успешно борется каталитический нейтрализатор, с соединениями азота он ничего поделать не может, и тут пришлось искать выход. А выход один - снизить температуру в камере сгорания и уменьшить количество кислорода на режимах неполной мощности. Так родилась система  EGR или система рециркуляции отработавших газов.

Принцип прост - направить часть отработаших газов обратно во впуск, тем самым заместив часть воздуха инертным газом, снизив содержание кислорода и одновременно понизив температуру в камере сгорания, плюсом отработавшие газы перед попаданием во впуск проходят через жидкостный теплообменник, остывая и ускоряя прогрев мотора. Чтобы улучшить засасывание отработавших газов, к дизелю прикрутили дроссельную заслонку, которая в момент активации EGR прикрывается, ограничивая доступ воздуха и создавая отрицательное давление во впускном коллекторе. Таким образом мы получаем сильное снижение гадких азотосодержащих выбросов и лепим шильдик евро пять)  Но не сразу, так как при обогащении топливной смеси у нас возникает вторая проблема - сажа, которая типа канцероген. Так вот, чтобы уменьшить ее содержание, нужно обеднить смесь, а тут опа, привет оксид азота. Ситуация патовая, но не совсем. Чтобы бороться с сажей, придумали перед катализатором ставить сажевый фильтр, который грубо говоря представляет из себя сетку, улавливающую частицы сажи, и тут нам пригодился поствпрыск. Сажевый фильтр рано или поздно забивается, от чего растет противодавление в выхлопной системе, и ЭБУ запускает процедуру регенерации фильтра, при которой посредством поствпрыска, вытесняемые выхлопные газы щедро сдабриваются порцией топлива, которое попадает в сажевый фильтр и выжигает эту сажу оттуда. Из выхлопной трубы при этом идет нехилый такой дымосрал, который здорово пугает несведущих автовладельцев. Наверняка многие видели такое явление на дороге. Прерывать этот процесс и паниковать не стоит, дайте мотору докоптить до конца.

Кстати так выглядит забитый фильтр

А так машина обычно сообщает о процессе

А так это выглядит

Сажу побороли, а чего делать с оксидом азота? А вот для этого немцы придумали систему SCR, при которой в выхлопной тракт осуществляется впрыск водного раствора мочевины,

после смешивания мочевины с выхлопом указанная смесь попадает в нейтрализатор SCR ( selective catalytic reduction). Такой нейтрализатор отличается тем, что работает по избирательному принципу. Аммиак, который находится в составе мочевины для дизеля, вступает в реакцию с окислами азота под воздействием катализирующего слоя в нейтрализаторе и высокой температуры до 300 градусов по Цельсию. Результатом становится разложение окислов азота на азот и воду. Также в нейтрализаторе догорают и другие токсичные соединения. Похожая схема применяется и на легковых автомобилях мерседес.

Так что неэкологичность дизельных моторов это совсем не миф, и гадят они знатно, из-за чего их пришлось буквально обмотать фильтрами, катализаторами и ЕГРами. Но благодаря этим системам и современному впрыску Common Rail, сильно оптимизировавшим процесс сгорания в дизелях, их получилось сделать тихими, экономичными, мощными, высокооборотистыми и отвечающими всем последним экологическим нормам.

А CR вполне надежен, главное заливать более-менее нормальное топливо и ответственно относиться к замене топливных фильтров и отстойников, не допускать попадания в топливную систему твердых частиц и воды. Иногда снимать впускной тракт и убирать оттуда все, что там натворил ЕГР, и будет счастье.

Ну все, серия постов про массовые ДВС окончена, надеюсь, вам было интересно) До встречи)