Добрый день, если вы интересуетесь дизельными моторами, хотите узнать "что там у них" и "куда катится мир" добро пожаловать под кат.
В последнее время я получил несколько чуднЫх комментариев по системе питания дизельных двигателей Common-Rail, и решил чуть расшить поле знаний интересующихся читателей.
Как известно раньше небо было голубее и трава зеленее :-) . В дизельных двигателях стояли классические механические топливные насосы с небольшим пиковым давлением в 500-900 атм., а распылители форсунок были с несколькими достаточно крупными отверстиями (3 отверстия в тракторах и 4 отверстия в автотранспорте), диаметр отверстий в распылителе достигали 0,3-0,35 мм. Затем произошло два важных изменения:
Изменение 1) с 1960-х годов, вначале в США, затем в Европе законодатели начали ужесточать нормы токсичности выхлопных газов автомобилей. Официальная причина, чтобы уменьшить количество смога в городах от выхлопа автомобилей:
Существует еще "конспирологическая" тока зрения, что нормы Евро придумали НАТОвцы чтобы ограничить конкуренцию и не допустить на свой рынок советские "самые лучшие и дешевые" автомобили.
Изменение 2) В 1980-х годах, благодаря буму в микропроцессорной индустрии (к сожалению вначале пропущенной в СССР), появились достаточно компактные и быстродействующие блоки управления.
Эти "достижения" науки и законов, заставили автопроизводителей остановить производство форкамерных двигателей и создавать новые системы подачи топлива. Одной из таких систем является Common-Rail, в которой топливный насос высокого давления нагнетает топливо в топливную рампу - трубопровод относительного большого объема и давление топлива в которой почти постоянно -, а подача топлива в камеру сгорания производится через форсунки (инжекторы) с электронно-управляемыми клапанами.
Важно помнить, что это система питания для дизельного двигателя:
Нечто похожее на Common-rail сейчас имеется и у бензиновых двигателей. Ее общее обозначение - GDI (Gasoline Direct Injection) - Система непосредственного впрыска бензина. Благодаря желанию маркетологов заработать больше денег, каждый "автозавод" старается называть эту систему круче чем у других, например Toyota — D4, Mercedes-benz — CGI, Mitsubishi — GDI, Renault — IDE, Opel — SIDI и т.п.
Наиболее важное отличие между Common-Rail и GDI это гораздо большее давление в топливной рампе. Как следствие у них различные конструкции топливных клапанов и разная механическая прочность элементов. Чтобы причины были понятны, приведу два примера:
В бензиновых двигателях топливо поджигается (по научному воспламеняется) искрой свечи зажигания, поэтому до подачи искры это самое топливо должно быть очень хорошо перемешано с воздухом. Как следствие подача топлива в GDI производится задолго до воспламенения - т.е. топливо подается в тактах впуска и до середины такта сжатия когда давление внутри цилиндра не превышает 10-20 атмосфер. Поэтому давление топлива в топливной рампе редко бывает выше 30-40 атм.
Прим.: в тексте буду использовать понятные для рядовых читателей показатели. Переводной коэффициент "для автомехаников" 1 атм = 1 кг (1 кг*с/см2), для "знатоков" 1 атм = 101,3 кПа
В дизельных двигателях топливо начинает подаваться в конце такта сжатия (давление в цилиндре достигает 20-30 атм) и продолжает подаваться до конца такта активного сгорания (давление в цилиндре может достигать 70-150 атм).
Для примера представьте, вы надуваете воздушный шарик "рот в рот". Вначале в шарике нет давление и вы его легко надуваете, по мере увеличения размера шарика и роста давления внутри него, вам становится все труднее его надувать. Причем вы должны очень быстро надувать шарик, чтобы слюни залетали как можно дальше в шарик вместе с потоком вдуваемого воздуха, а не оседали у горловины.
Чтобы топливо качественно распылялось (создавало красивый факел) и далеко залетало внутрь камеры сгорания, давление топлива должно быть намного выше чем давление воздуха внутри камеры сгорания.
Как я отметил выше давление в классических топливных насосах достигало 500-900 атм и этого было достаточно для работы дизеля.
Теперь немного как ужесточение норм токсичности (см. Изменение 1) повлияло на систему топливоподачи. Ниже график изменения норм токсичности Евро:
Обратите внимание, что в разных странах законодатели обычно концентрируют внимание на контроле двух показателей - выбросы окислов азота (NOx) и несгоревших (твердых) частиц углерода (Сажи). Причины вполне объективны:
- NOх по своему действию похож, но в несколько раз сильнее действия углекислого газа (CO2), он сильно влияет на здоровье людей, усиливает парниковый эффект планеты и разрушает озоновый слой и т.п. Подробности в Википедии
- твердые частицы сажи вредны не только механическим загрязнением атмосферы и легких у людей, но особенно тем, что сажа на себе выносит из камеры сгорания канцерогенные частицы бенз(а)пирена, который "вроде как" вызывает рак у людей.
Для знатоков. Я намеренно оставляю "за кадром" окись углерода (CO) и несгоревшие углеводороды (CH), тк. борьба с ними выглядит более простой.
Уверен вас интересует вопрос: Как бороться с сажей и Nox?
На первый взгляд нет ничего сложного, достаточно начать впрыск топлива чуть раньше, при этом уменьшается выброс сажи, но резко увеличивается выброс NOx (направление В). И наоборот, запаздывание с началом впрыска топлива (уменьшение угла опережения впрыска) уменьшает NOx и увеличивает выброс сажи (направление А).
Поэтому для уменьшения суммарного выброса NOx и Сажи (направление С) необходимы конструктивные изменения в двигателе и в топливоподаче. В последние десятилетия были испробовано множество способов уменьшения токсичности дизельных двигателей - сажевые фильтры, бульбураторы, солярка + вода, присадки, рециркуляция выхлопных газов (EGR)..., и в настоящее время выработался общий подход:
- Увеличение литровой мощности двигателя - степени наддува с применением ОНВ (Интеркулера), 4-х клапанные головки, стальные головки поршней.
Повышает общую эффективность работы двигателя и приводит к относительному снижению выбросов всех токсичных веществ на единицу мощности/работы. - Уменьшение среднего размера топливных капель в топливном факеле - повышение давления впрыска топлива, оптимизация распылителей и их отверстий.
Позволяет повысить эффективность двигателя, сократить образование Сажи без роста NOx - Оптимизация формы камеры сгорания (изменение формы выборки в поршне)
- Оптимизация программы подачи топлива и многостадийный впрыск
- После введения Евро-4 и Евро-5 стало необходимым использовать нейтрализацию выхлопных газов (SCR, AdBlue)
- Т.д и т.п. (оставил для любителей искать недостатки и пропущенные запятые :-)
Причем отдельно система Common Rail в основном развивается:
- Увеличение давление впрыска:
- 1 поколение – давление 1100-1400 атм
- 2 поколение – давление 1400-1600 атм
- 3 поколение – давление 1600-1800 атм
- 4 поколение – давление 2000-2200 атм - Совершенствование системы управления, переход с электромагнитных клапанов на пьезоуправление и уменьшение паразитного расхода топлива на управление
- Оптимизация распылителей, топливных факелов и программы подачи топлива.
Достоинства Common-rail:
- Высокое быстродействие и возможность многостадийного впрыска топлива
2. Индивидуальное управление каждым цилиндром и возможность подстройки работы отдельных цилиндров двигателя и даже их отключение на холостом ходу.
3. Масштабируемость и управляемость. Для системы почти не важно количество цилиндров в двигателе и их объем, момент начала и характер подачи топлива. Эти параметры можно настроить "перезалив" прошивку блока управления.
Недостатки Common Rail:
- Как ни странно - Низкое давление впрыска и ограничения по дальнейшему его увеличению.
Жесткость топливной рейки и топливопроводов с текущими пока не позволяют повысить давление в топливной рейке более 2200-2500 атм. Предполагаю, если не найдутся пути решения проблемы, это может стать причиной перехода грузовиков на насос-форсунки. - Значительные потери топлива (которое находится под высоким давлением !!!) на управление форсунок.
Особенность работы этих форсунок, то что форсунки находятся под постоянным давлением и у закрытых форсунок имеется постоянная утечка небольшой доли топлива в дренаж (см. анимацию ниже). Эта утечка зависит от типа и номинального быстродействия форсунки, и может достигать 300% от номинального расхода топлива работающего под нагрузкой двигателя.
На анимации обратите внимание. Перед началом основной подачи топлива в камеру сгорания, открывается электромагнитный клапан и спускает в дренаж топливо из надигольного пространства (Control chamber).
Для примера несколько снимков сделанных мной лично.
Они не совсем относятся к Common Rail, но дают представление о развитии техники и воздействии топливных факелов на стенки камеры сгорания:
1. Пример машины Икарус с однодырчатым распылителем (ОДНО отверстие в распылителей КАРЛ !!!. Прошлый век.)
На фотографии надо смотреть на следы ударов топливных факелов - характерные зоны с измененными нагарами
2. Пример работы форсунки старенького КАМАЗа с 4-х дырчатым распылителем. Сейчас КАМАЗ-ы гораздо более современные.
3. Пример относительного современной Скании с 6-и дырчатым распылителем
Следы ударов топливных факелов видны в виде "розочки" в центральной части поршня.
PS. Все указанные выше давления приведены для режимов "полного газа", максимальной мощности или максимального крутящего момента. На режиме холостого хода, во время диагностики, блок управления обычно снижает давление топлива в рампе чтобы не расходовать ресурс насоса, форсунок и прочих систем двигателя.
PPS Это моя пилотная статья, прошу не быть строгими и не душить "на корню" порыв моей души -:)
