Двигатели common rail

За последние 15 лет дизельные двигатели прошли настоящую эволюцию. Они прошли путь от зловонных шумных и грязных агрегатов до современных форм. Посмотрите, сколько дизелей продается сегодня во всем мире!

Дизельные двигатели
Базовый дизайн бензинового и дизельного двигателя остается одинаковым. Оба имеют по два или по четыре клапана, которые подают смесь в цилиндры, те двигают коленвал. Но в дизеле газовая смесь не воспламеняется за счет свечи зажигания, она только сжимается. Как только цилиндр подается в верхнюю точку топливо распыляется из инжектора в камеру сгорания, где оно смешивается с горячим сжатым воздухом и самовоспламеняется. Для этого сила сжатия в дизельном двигателе должна быть во много раз сильнее, чем в бензиновом. Обычно используется отношение компрессии от 16:1 до 24:1, что создает давление на уровне 150 бар. Оно генерирует температуру в 250 градусов, поскольку при такой температуре начинается горение большинства газов, нетрудно сделать вывод, что воспламенение начинается как только цилиндр достигнет верхней точки, где фиксируется максимальное давление.

Дизельные двигатели сконструированы так, чтобы развивать высокие обороты на низких скоростях работы двигателя, что приводит к высокой экономии топлива. Это достигается за счет использования технологии Common rail вместе с эффективной технологией турбонаддува. На диаграмме показано как оборотистость повысилась с 70 Nm/литра до 182 Nm/литра за последние 20 лет. А потребление топлива упало на 60%! Если провести сравнение с бензиновыми двигателями (которые работают по стехиометрическому принципу 14,7:1), в дизелях используется очень обедненная смесь. Отношение воздуха к топливу в дизелях на полной нагрузке колеблется от 17:1 до 29:1, а на холостом ходе или без нагрузки до 145:1. Однако в камере сгорания локализованная смесь меняет свое отношение. Невозможно достигнуть однородной смеси топлива и воздуха в пределах камеры сгорания. Для сокращения числа отклонений состава смеси впрыск представляет собой серию мелких впрысков топлива. Высокая сила давления создает хорошую сегментацию топлива.

Впрыск
Дизеля не имеют дроссельной заслонки. Вместо этого, процесс сгорания контролируется следующими факторами:
⋅ Синхронизация впрыска
⋅ Продолжительность впрыска
⋅ Карта впрыска по инжекторам
С помощью электронного блока управления в системах common rail можно контролировать каждый фактор индивидуально.

Синхронизация впрыска
Синхронизация впрыска является основным фактором контроля выхлопа, потребления топлива и шумности. Оптимальная синхронизация начала впрыска зависит от нагрузки на двигатель. В автомобильных двигателях, которые работают без нагрузки, точка оптимального угла зажигания находится от 2-х градусов коленвала перед верхней точкой цилиндра до 4 градусов после того, как цилиндр пройдет верхнюю мертвую точку. В условиях частичной нагрузки угол колеблется от 6 градусов до верхней точки и до 4 градусов после верхней точки. На полной нагрузке угол зажигания должен быть в пределах 6-15 градусов до верхней мертвой точки. Продолжительность горения 40-60 градусов оборота коленвала. Если впрыск произошел слишком рано, то сгорание произойдет в момент, когда поршень еще поднимается. Это приведет к снижению эффективности и увеличит расход топлива. Быстрый подъем цилиндра увеличит шумность. Позднее зажигание снижает обороты и приводит к неполному сгоранию и выбросу несгоревших гидрокарбонов.

Продолжительность впрыска
В обычных двигателях количество впрыскиваемого топлива прямо пропорционально времени открытия инжектора. В дизеле впрыск варьируется в зависимости от потока топлива в зависимости от разницы давления впрыска и в камере сгорания, плотности топлива (в зависимости от температуры), динамических свойств давления топлива. Также контроль осуществляется и через открывание инжектора.

Карта впрыска
Дизельные инжектора на подают топливо в камеру сгорания за одно открытие. Они имеют несколько фаз: Первая фаза предварительного впрыска — короткий импульс, который снижает шумность и позволяет сократить выброс Nox. Основная часть топлива подается во время основной фазы впрыска, а затем происходит финальный впрыск топлива. Он необходим для сокращения вредного выхлопа путем его выжига в каталическом конвертере-накопителе, поднимает температуру выхлопного газа для регенерации фильтра взвешенных частичек. Он происходит вплоть до 180 градусов оборота коленвала. Объем впрыска колеблется в пределах 1 мм³ до 50 мм³ на полной нагрузке. Продолжительность впрыска 1-2 миллисекунды.

Описание системы
В отличие от традиционных дизельных двигателей, которые управляются блоком управления, common rail подает топливо на форсунки через накопительную рампу, поэтому они похожи на бензиновые двигатели. Поскольку разделены функция образования высокого давления и функция впрыска, системы common rail могут подавать топливо в широком диапазоне угла зажигания и уровня давления. Диаграмма показывает простую систему common rail. Механический насос (1) создает давление, которое подает топливо в рампу (3). Клапан контроля потока топлива (4) поддерживает давление на уровне, которое задано блоком управления (8). Рампа подает топливо на инжектора (5). Датчики информируют ЭБУ о достигнутом давлении (2), скорости двигателя (9), положении распредвала (10), уходе педали акселератора (11), давлении надува (12), температуре впускного воздуха (13), температуре охлаждающей жидкости (14). Позиции 6 и 7 — топливный фильтр и топливный бак. Более сложные системы используют дополнительные датчики: cкорости, внешней температуры, широкополосный кислородный датчик, датчик разницы давления (определяет засорение катализатора или фильтра частичек в выхлопе). На диаграмме не указаны свечи накаливания. Они используются, только если внешняя температура падает ниже 0 градусов. Блок управления может контролировать давления турбины, рециркуляцию выхлопного газа и заслонки впускного коллектора.

Компоненты cистемы common rail:

• Насос высокого давления
Высокое давление до 2000 бар создается насосом ТНВД. Насос приводится в движение коленвалом обычно представляет собой радиально расположенные цилиндры как показано на рисунке. Насос смазывается топливом и потребляет 3,8Ватт мощности. Поэтому поток топлива может различаться в зависимости от нагрузки на двигатель, а каждый поршень насоса может выключаться. Это возможно с помощью соленоида, который держит клапан поршня в открытом состоянии. Однако, когда один из поршней выключается, подача топлива становится более неустойчива, чем когда работают все три цилиндра.

• Клапан контроля давления
Клапан контроля давления представляет собой соленоидный клапан, которых охлаждается топливом. Степень открытия клапана регулируется шириной импульса на частоте 1KHz. Если клапан не активирован, внутренняя пружина держит давление на уровне 100Бар. Если клапан активирован, то сила электромагнита давит на пружину и клапан закрывается, давление увеличивается. Этот клапан также играет роль механического демпфера, который смягчает импульсы высокого давления, когда на насосе ТНВД работает менее трех поршней.

• Рампа
Рампа направляет топливо к инжекторам. Она довольно массивна, чтобы внутреннее аккумулированное давление было независимо от открытия инжекторов. На раме устанавливается датчик давления, который предохраняет от излишне высокого давления, которое может быть опасно, а также перепускной клапан сброса давления.

• Инжектора
Внешне инжектора похожи на стандартные инжектора от бензинового двигателя, но они сильно отличаются внутри. На рисунке изображен такой инжектор. Для работы инжекторов используется гидравлическая система, поскольку они работают под большим давлением. Обмотка соленоида контролирует не иглу открытия, а движение небольшого шарика, который регулирует поток топлива от контрольной камеры внутри всего корпуса инжектора. Продолжительность жизни инжектора в системах common rail это очень важный фактор. Bosch определяет ее как 1 млн. открытий и закрытий.

• Выхлоп

Для сокращения выхлопа используются пять компонентов:

1. Устройство двигателя
Форма двигателя, камеры сгорания, расположение инжекторов, микроскопические отверстия для впрыска – все это призвано сократить производство загрязняющих атмосферу компонентов. Точный контроль скорости двигателя, количество топлива в впрыске, время впрыска, давление, температура и соотношение топливо к воздуху необходимы для снижения показателей NOx, частиц, гидрокарбонов и моноксида карбона.

2. Рециркуляция выхлопа
В процессе рециркуляции часть выхлопного газа подается обратно в камеру сгорания. Это необходимо для сокращения Nox. В камере сгорание сокращается концентрация кислорода, меньше газа идет в выхлопную трубу и понижается температура выхлопа. Рециркуляция может достигать 50% выхлопного газа.

3. Катализатор
Катализатор используется для снижения выброса СО и СН, расщепляя их на воду и диоксид карбона. Катализатор должен быстро нагреваться, поэтому он располагается близко к двигателю. Также используется аккумулятор NOx. В зависимости от дизайна, частицы NOx могут сохраняться в нем от 30секунд до нескольких минут. NOx взаимодействует с металлом поверхности аккумулятора и формирует нитраты, когда двигатель работает на бедной смеси (меньше воздуха). Однако хранение может происходить только в короткий промежуток времени и затем необходима регенерация фильтра. Для этого двигатель начинает работать на богатой смеси (примерно отношение 13,8:1). Определение времени регенерации и ее завершения – комплексное. Она может быть измерена по количеству аккумулированного NOx по температуре катализатора или с помощью специального датчика, который располагается ниже катализатора и следит за его эффективностью. Окончание регенерации определяется по датчику кислорода – изменение сигнала от высокого содержания кислорода до низкого дает сигнал о завершении регенерации. Для нормальной работы в холодных условиях используется подогреватель.

4. Выборочное сокращение выброса
Один из самых интересных подходов к сокращения выброса – использование специального вещества, например, мочевины, для впрыска его в выхлоп. В специальном катализаторе мочевина превращается в аммиак который реагирует с NOx и расщепляет его на азот и воду. Эта система настолько эффективна, что NOx сокращается до таких размеров, когда более бедная смесь может использоваться. Это экономит топливо. Резервуар с мочевиной необходимо пополнять во время сервисных работ.

5. Фильтры частиц
Фильтр выхлопных частиц создаются из специальных керамических материалов. По мере накопления осадка они регенерируются под температурой 600 градусов. Эта температура превышает обычную температуру выхлопа. Для ее достижения используется замедление зажигания и уменьшение потока воздуха, чтобы повысить градус выхлопа.

Однако, как работает система common rail?

Для этого необходимы следующие компоненты:
⋅ Очень высокое давление (до 2000 бар)
⋅ Изменение количества впрыскиваемого топлива, контроль давления во впускном коллекторе, и начала впрыска.
⋅ Предварительная и финальная стадии впрыска
⋅ Температурный режим смеси воздух/топливо в момент пуска
⋅ Контроль холостого хода в зависимости от нагрузки двигателя
⋅ Точность в течение всего цикла впрыска

Как и в бензиновом двигателе, водитель напрямую не контролирует объем впрыскиваемого топлива. Движение педали акселератора принимается как запрос на обороты и объем впрыскиваемого топлива зависит от статуса работы двигателя, его температуры, эффекта на выброс, работу другой системы (например, трэкшен контроля).

На рисунке показаны типичные входящие и выходящие сигналы в системе Bosch common rail.

Функции управления:

• Пуск двигателя
Количество впрыскиваемого топлива и начало синхронизации впрыска, необходимого для пуска определяются по температуре двигателя и скорости вращения коленвала на пуске. Специальные программы используются для очень холодной температуры и для высокогорья. Иногда турбина может отключаться, поскольку ее вращение, даже небольшое, может затребовать мощность, которой не хватит для пуска.

• Движение
В условиях нормального движения, количество впрыскиваемого топлива определяется по датчику положения педали акселератора, скорости двигателя, температуре топлива и впускного воздуха. Однако могут использоваться и другие факторы и карты впрыска, которые принимают в расчет лимиты по выхлопу, дымность, механический перегруз и перегрев (включая смоделированную и реальную температуру выхлопного газа, масла охлаждения, турбины и инжекторов). Начало контроля впрыска — это функция скорости двигателя, количества впрыскиваемого топлива, температуры двигателя и внешнего давления.

• Контроль Холостого Хода
Настройка холостого хода зависит от температуры двигателя, напряжения АКБ, работы кондиционера. Холостой ход – функция закрытого цикла, где ЭБУ мониторит реальную скорость двигателя и продолжает регулировать подачу топлива до тех пор, пока не будет достигнут заданный уровень.

• Лимит Оборотов
В отличие от бензинового двигателя, где подача топлива перекрывается как только обороты достигают заданного максимума, в дизеле система управления сокращает подачу топлива по мере возрастания оборотов двигателя и приближения к пику. При достижении максимума оборотов количество подаваемого топлива равно нулю.

• Демпфирование
Резкие неожиданные изменения в оборотах двигателя могут привести к нестабильной работе и прерывистому движению автомобиля. Для этого используется активное подавление нестабильности. Существуют два подхода. Во-первых, отфильтровываются любые неожиданные движения педали акселератора. Во вторых, ЭБУ определяет нестабильность и активно компенсирует его путем увеличения количества впрыскиваемого топлива, когда двигатель снижает скорость и и уменьшает подачу, когда скорость увеличивается.

• Контроль мягкой работы
Поскольку механически цилиндры отличаются, вклад каждого цилиндра во вращение разный. Разница может выражаться в резкости хода и повышенному выхлопу. Система контроля мягкости хода измеряет разницу в скорости двигателя и определяет ее разницу. Она сравнивает скорость сразу после впрыска со средней скоростью двигателя. Если скорость падает, то в этот цилиндр увеличивается подача топлива. Если скорость увеличивается, то подача топлива в конкретный цилиндр сокращается.

• Контроль датчика Кислорода закрытого цикла
Как и в бензиновом двигателе, дизель использует контроль замкнутого цикла кислородный датчика. Однако в дизелях широкополосный кислородник используется для расчета смеси 60:1. Такой датчик состоит из комбинации ячеек Нернста продольного гальванотермомагнитный эффекта и кислородного насоса. Поскольку датчик производит сигнал по мере концентрации давления выхлопного газа и концентрации кислорода, он может быть компенсирован за счет разницы давления выхлопного газа. Сигнал меняется по мере времени работы и для компенсации используется сравнение измеренной концентрации кислорода в выхлопе и расчетной величины сигнала датчика, когда он чувствует воздух. Компенсация используется на максимальных нагрузках двигателя. Если есть разница, то применяется обедняющая коррекция. Управление по замкнутому циклу используется для короткосрочной и долгосрочной адаптации бедной смеси. Это особенно важно для лимитирования дыма, когда количество измеренного в газе кислорода сравнивается с заданной по карте впрыска величиной. Обратный сигнал датчика также используется для определения достижения эффекта рециркуляции.

• Контроль давления топлива и его потока
Давление в рампе регулируется по замкнутому циклу. Датчик давления на рампе контролирует давление в режиме реального времени и ЭБУ поддерживает его желаемый уровень путем изменения широтной модуляции клапана контроля давления топлива. На высоких скоростях двигателя, когда требуется меньше топлива, ЭБУ выключает один из поршней насоса высокого давления. Это снижает температуру топлива и механическую нагрузки на насос.

• Другие Контрольные Сигналы
В дополнение к вышеуказанному контроль дизельной системы Common Rail включает следующие элементы:
⋅ Свечи накаливания для пуска в условиях температуры ниже нуля
⋅ Свечи накаливания, которые подогревают охлаждающую жидкость в холодных условиях
⋅ Специальные заслонки для впускного воздуха, которые создают турбулентность воздуха во время его входа в камеру сгорания
⋅ Управление давления в турбине
⋅ Управление вентиляторами охлаждения

• Работа Инжекторов
Как правиле включение инжектора проходит пять фаз:
⋅ На первом этапе инжектор включается быстро путем подачи высокого тока с 100вольтового конденсатора. Максимальная сила тока ограничивается 20амперами и поддерживается на этом уровне для контроля времени открытия инжектора.
⋅ Второй этапе называется «пиковая сила тока». На нем сила тока для включения инжекторов передается от конденсатора на аккумулятор. Пик силы тока продолжает поддерживаться на уровне 20Ампер.
⋅ 12-ти амперный импульс для поддержки инжектора в открытом состоянии. Индуктивный всплеск генерируется сокращением силы тока через инжектор от пика к удержанию тока и направляется к конденсатору и запускает перезарядку.
⋅ Когда инжектор отключается, индуктивный пик появляется снова в сторону конденсатора.
⋅ В промежутках между фазами в сигнале инжектора появляется пик закрытия инжектора. Используемой силы тока недостаточно для открытия инжектора и индуктивные всплески используются для полной зарядки конденсатора, пока он не зарядится до 100 Вольт.

Дата добавления: 2015-07-15