Топливная система современных дизельных двигателей⁠⁠

Современные дизельные топливные системы – наверное одни из самых сложных и деликатных из всех систем современного автомобиля. Долгие годы развития систем впрыска топлива привели к появлению так называемых «коммонрейл» систем (систем с «общей (топливной) магистралью» или аккумуляторная топливная система по-русски, но я её буду называть коммнорейл потому что я ленивая жопа) – характерная особенность как раз та самая аккумуляторная рейка в которую ТНВД (топливный насос высокого давления) нахерачивает сколько то тысяч атмосфер (последнее поколение топливных систем ездит до 2500 атмосфер) что бы потом распределить его по инжекторам.

Общий вид ТС:

Из важного: 2 – (чаще всего) электрический насос в баке; 4 – ТНВД; 5 – топливная рейка-аккумулятор; 8 – инжектор(ы). Более темные трубки – трубки высокого давления; более светлые – обратка (с инжекторов, рейки и ТНВД) а так же давление подачи из насоса в баке

.

Некоторые системы имеют разную конструкцию (например в моем пассате Б6 2008 года аж два насоса подкачки, что бы я больше платил денег для обслужвания системы неиначе) но в целом принцип остается тем же самым. Накачать топливо в ТНВД – ТНВД создает давление в рейке – инжекторы используют это давление – в камере сгорания происходит бум.

Теперь из элементов:

Электрический насос в баке

Ничего особенного, на пассажирских авто преимущественно электрический, служит для того что бы транспортировать топку из бака в ТНВД через фильтр. Особенностью дизельной топливной системы является то, что элементы смазываются дизельным топливом (одна из причин того, что налив в дизельный бак бензинового топлива всю топливную систему придется покупать заново), поэтому насос подкачки работает всегда при повернутом ключе зажигания и прокачивает примерно в 3 раза больше топлива чем может прокачать ТНВД при макисмальной производительности.

ТНВД

Насос плунжерного типа (то есть давление нагнетается мини-поршнем) с приводом от двигателя (зубчатый или цепной привод). Для пассажирских авто большая часть соверменных насосов – одноплунжерные, до тех пор пока позволяет пропускная способность и нагрузка на цилиндр. Для обычного обывателя Пикабу – в ваших тачках стоят насосы с одним плунжером. Главная задача ТНВД – сжимать топку и поставлять её в рейку. Делает это насос просто, изящно и со вкусом.

Большая овальная хрень посередине – это кулачковый вал, который действует на плунжер сжимая пружину и приводя плунжен в движение. Приводится вал от двигателя. Как можно видеть на картинке – в насосе три дырки. Две желтые – подача топлива от насоса подкачки и обратка из ТНВД (как я уже говорил – все смазывается дизельным топливом, включая насос, поэтому надо возвращать излишки топлива назад в бак). Оранжевая дырка – подача топлива в рейку под высоким давлением.

При движении зеленого цилиндра вниз открывается зеленый клапан выше, часть «желтого» топлива из верха насоса перетекает в камеру цилиндра. При движении цилиндра вверх топливо сжимается и поставляется в рейку. За количеством топлива следит удивленный китаец справа сверху на насосе – небольшой соленойд, который регулирует количества топлива которое может засосать цилиндр.

Обратка просто обратка, ничего особенного.

Инжекторы

Люди почему то настаивают на русском слове «форсунка» что по моему мнение в корне не правильно – форсунка открыта всегда, когда как инжектор открывается только в определенном случае и почти сразу же закрывается. Длина каждого цикла впрыска – от 1 до 2 мс, количество топлива которое попадает в цилндр при каждом впрыске – от 1 до 350 мм3 (350 мм3 это примерно 1/10 чайной ложки воды) – поэтому на инжекторы возлагается задача быть ОЧЕНЬ ТОЧНЫМИ. Интересно знать, что игла (золотник?) в инжекторе приводится в движение исключительно гидравлически – управление инжектором происходит электрически, но движение производится путем стравливания давления из камеры вокруг конца иглы. Что бы не быть голословным:

Это схема пьезоэлектрических инжекторов последнего поколения. Из важного: 1 – подача топлива из рейки; 2 – обратка топлива из инжектора; 16 – камера, в которой регулируется давление вокруг головы инжектора; Fs – давление топлива, которое закрывает инжектор; Fd – давление топлива, которое открывает инженктор; 19 – специальный клапан, который регулирует обратку из камеры высокого давления

Впрыск происходит следующим образом: во всей части высокого давления в инжекторе давление одинаковое, до момента когда пьезоэлектрический актюатор 17 не открывает клапан 19 стравливая давление из камеры 16. Почти сразу же происходит разбалансировка давления и сила Fd превышает силу Fs – игла поднимается и происходит впрыск топлива после чего давление опять становится одинаковым и игла закрывает отверстие.

Важно понимать, что скорость распространения волны давления в жидкости очень важна когда идет речь о впрыске 0.01 мл топлива – а так же важно знать другие параметры топлива, такие как например температура для правильного расчета длительности поднятия иглы. Этим всем занимается система управления двигателя, и в этом лежит очень большая часть работы над управлением мотором.

Соль пьезоэлектрических инжекторов заключается в их быстродействии – и как следствие, количество циклов пре- и пост- впрысков:

Пре-впрыски позволяют улучшит звуковые и вибрационные качества двигателя, как бы подготавливая камеру сгорания, пост-впрыски позволяют понизить уровни выбросов. На картинке выше – 5 циклов впрыска; новые системы могут увеличить число впрысков до 7 или даже 9. Только вдумайтесь, мотор работает на 5000 оборотов в минуту – почти 100 раз в секунду; то есть инжектору нужно делать 5 впрысков каждые 0.02 секунды (50 Гц – раз в два оборота)!

Топливная рейка-аккумулятор

Я специально оставил эту штуку напоследок. Кажется что это самый простой элемент топливной системы – ну а че там, просто палка с дыркой посередине, несколько отврестий и клапан на конце:

(мне Бош не платили что бы я их рекламировал, честно а жаль)

Но не тут-то было. Это один из самых важных элементов системы впрыска (хотя как их можно разделять вообще? Они все важны, без них машина не поедет)

Давайте разберемся в начале как оно работает.

ТНВД накачивает топку через отверстие со стрелкой вниз, отверстия со стрелкой вверх – к инжекторам; светло-серая херня на конце – обратка топливная (и клапан, который стравливает давление). Просто? Просто.

Но вся соль заключается в моменте, когда нам приходится впрыскивать минимальное количество топлива (одна-две капли) 50 раз в секунду. Важно знать не только общее давление в рейке (датчик на картинке слева) но так же важно знать где в каждый момент времени находится волна (волны) давления, которые поступают от ТНВД – ведь от этого меняется длительность подъема иглы инжектора! Ведь если волна давления прямо рядом с инжекторным отверстием, то в инжектор поступит чуть больше давления – значит длительность впрыска должна быть меньше! И наоборот – а теперь все это надо учесть для всех 4 инжекторов, несколько накладывающихся волн, переотражение их от стенок, а так же ТНВД который все это время продолжает гнать топку – ну и нельзя забывать о длине трубок до самих инжекторов – ведь в них происходит затухание давления.

Так же важно понимать сам процесс изготовления рейки – ведь не только важно знать что отверстие к инжектору от 3 до 3.015 мм, но так же важно знать насколько точно и куда процесс изготовления кладёт этот разброс размеров – например, изза очень точного процесса большая часть отверстий от 3.007 до 3.009 мм. Так же надо принимать во внимание внутренний размер полости и его разброс – и сразу же настройка рейки перестает быть тривиальным заданием и превращается в математическую гимнастику.

Заключение

Дизели развивались долго, и их топливные системы прошли огромный путь от массивных рядных насосов до элегантных систем коммнорейл. Да, я понимаю, надежность старых насосов была монументальная, но увы – прогресс требует жертв, поэтому имеем что имеем.

Что интересно – бензиновые движки тоже перешли на прямой впрыск топлива, только из-за низких давлений система у них пока попроще. Но это пока.

На этом всё, надеюсь вам было интересно. Опять же, если есть вопросы – задавайте, могу узнать у коллег/сам попробую ответить.

Удачи.