Технология COMMON RAIL BOSCH

Дизельные системы COMMON RAIL типа BOSCH

После получения технологии прямого впрыска дизельного двигателя с системой COMMON RAIL компании ROBERT BOSCH Gmbh удалось с успехом разработать эффективную схему контроля впрыска, которая получила наибольшее распространение и в мире, благодаря своей простоте и надежности. Системы COMMON RAIL от BOSCH классифицируются по типам насоса высокого давления и могут иметь несколько разновидностей в зависимости от задач двигателя. Системы управления топливоподачей BOSCH могут быть трех типов: с регулированием давления в рампе на стороне высокого давления, регулирование потока топлива на стороне высокого давления при выходе топлива из ТНВД и так называемый «двойной контроль», когда регулировка происходит с помощью датчика контроля потока в ТНВД и посредством регулятора давления на топливной рампе с помощью дозирующего клапана на линии низкого давления на входе в ТНВД.

Регулятор давления топлива является частью топливной рампы или расположен на корпусе ТНВД. Клапан на насосе располагается после выпускного штуцера подачи топлива в рампу и отводит часть топлива в линию обратки. Клапан состоит из соленоида и подпружиненного штока, который упирается в шарик для перекрытия сливного канала. Открытие форсунок и работа плунжеров приводят к сильным гидравлическим колебаниям топлива. Шарик в клапане призван гасить эти колебания. Если давление в клапане больше 100 бар, то пружина сжимается и топливо утекает в магистраль обратки. Под управлением сигнала частоты с ЭБУ соленоид двигает шток вперед и он перекрывает слив в обратку, повышая давление в линии. Если ЭБУ не управляет клапаном, то давление находится на уровне 100 бар. Если клапан на рампе, то он находится на линии слива топлива в магистраль обратки и регулирует топливо по сигналу частотной модуляции с блока управления двигателем.

Также на рампе устанавливается датчик измерения давления. Он с высокой точностью и за соответственно короткое время измеряет мгновенное давление топлива в рампе и передает в ЭБУ сигнал напряжения, соответствующий имеющемуся давлению. Датчик функционирует вместе с регулятором давления топлива в замкнутом контуре регулирования. Также в рампе может располагаться датчик температуры топлива. Его сопротивление при температуре 25 градусов — 2400 Ом, при температуре 80 градусов — 270 Ом.

Обычно в двигателях с системой Bosch СР1 используются форсунки электромагнитного типа CRI 1 и CRI 2. Принцип работы в следующем:
Топливо из рампы под высоким давлением через трубку направляется к форсунке и далее по топливной галерее в форкамеру распылителя, а также через впускной дроссель в управляющую камеру клапана. Управляющая камера клапана соединена с линией возврата топлива в бак через выпускной дроссель, который может открываться электромагнитным клапаном. В закрытом состоянии (электромагнитный клапан обесточен) выпускной дроссель закрыт шариком клапана, поэтому топливо не может выйти из управляющей камеры клапана. В этом положении в форкамере распылителя и в управляющей камере клапана устанавливается одинаковое давление (баланс давления). На иглу распылителя действует дополнительно усилие собственной пружины, поэтому игла распылителя остается закрытой (гидравлическое давление и усилие пружины иглы распылителя). Топливо не попадает в камеру сгорания. При активации электромагнитного клапана открывается выпускной дроссель. За счет этого возрастает давление в управляющей камере клапана, а также гидравлическое усилие, действующее на управляющий золотник клапана. Как только гидравлическая сила в управляющей камере клапана станет меньше гидравлической силы в форкамере распылителя и пружины иглы распылителя, игла распылителя открывается. Топливо через отверстия распылителя впрыскивается в камеру сгорания. Спустя заданное программой время подача электропитания к электромагнитному клапану прерывается. После этого выпускной дроссель снова закрывается. С закрытием выпускного дросселя в управляющей камере клапана через впускной дроссель восстанавливается давление из топливной рампы. Это повышенное давление с большим усилием воздействует на управляющий золотник клапана. Эта сила и сила упругости пружины иглы распылителя теперь превосходят силу в форкамере распылителя и игла распылителя закрывается. Скорость закрывания иглы распылителя определяется расходом впускного дросселя. Впрыск прекращается, как только игла распылителя достигает своего нижнего упора. Косвенное приведение в действие иглы распылителя посредством системы гидравлического сервопривода применяется, когда усилие, необходимое для быстрого открывания иглы распылителя с помощью электромагнитного клапана, не может быть создано напрямую. Для этого дополнительно к объему впрыскиваемого топлива в возврат топлива через дроссели управляющей камеры подается требуемый «управляющий объем». Дополнительное к управляющему объему имеются объемы утечек на перемещение иглы распылителя и управляющего золотника клапана. Электромагнитные форсунки калибруются во время производства и имеют несколько вариантов кодировки. Ранние версии разделены на классы (например, Х, Y, Z у Hyundai) и в случае замены классы форсунок необходимо комбинировать по определенному принципу. В более поздних системах используется код : 8-значный (ЕВРО IV) или 9-значный (ЕВРО V), который представляет собой поправочный коэффициент для коррекции топлива и выгравирован на поверхности головки топливной форсунки. В случае замены форсунок в память ЭБУ необходимо вводить новый код. Также необходимо вводить коды форсунок при замене ЭБУ на новый в память нового блока.

Привод топливного насоса осуществляется от приводного вала, а конструкция, в целом, аналогична CP1. На приводном валу жестко смонтирован эксцентрик, который перемещает три плунжера насоса возвратно-поступательно в соответствии с профилем кулачка эксцентрика. На впускной клапан подается давление топлива от подкачивающего насоса. Если переходное давление превышает внутреннее давление камеры высокого давления (плунжер превышает положение TDC (верхняя мертвая точка)), то впускной клапан открывается. Заполнение камеры высокого давления функционирует комбинировано: С одной стороны, топливо под воздействием переходного давления нагнетается в камеру высокого давления. Давление при этом зависит от проходного сечения клапана дозирования топлива. С другой стороны, топливо при движении плунжера вниз засасывается в камеру высокого давления. Если пройдена BDC (нижняя мертвая точка) плунжера, то впускной клапан закрывается вследствие возросшего давления в камере высокого давления. Топливо больше не может проходить в камеру высокого давления. Как только давление в камере высокого давления превысит давление в топливной рампе, открывается выпускной клапан, и топливо через подсоединение высокого давления нагнетается в топливную рампу (ход подачи). Плунжер насоса подает топливо до тех пор, пока не будет достигнута TDC. Затем давление падает, и выпускной клапан закрывается. Оставшееся топливо более не находится под давлением; плунжер насоса движется вниз. Если давление в камере высокого давления ниже переходного давления, впускной клапан снова открывается, и процесс начинается сначала.Линия подачи топлива под высоким давлением в рампу имеет ответвление, которое проходит через Клапан регулировки давления для слива лишнего топлива в бак. Клапан установлен или сбоку или позади ТНВД в зависимости от конструкции.

Клапан дозировки топлива встроен в насос высокого давления. Он обеспечивает необходимое регулирование давления топлива в области высокого давления. Клапан дозировки топлива регулирует количество топлива, которое поступает в насос высокого давления. Преимущество системы состоит в том, что насос высокого давления должен создавать только то давление, которое необходимо для рабочей ситуации на данное время. Таким образом, сокращается потребляемая мощность насоса высокого давления и предотвращается ненужный разогрев топлива. В обесточенном состоянии клапан дозировки открыт. Дозирующий плунжер усилием пружины сдвинут в сторону и предоставляет минимальное поперечное сечение к насосу высокого давления. Через него только небольшое количество топлива проходит в камеру сжатия насоса высокого давления. Для увеличения количества подаваемого топлива к насосу высокого давления, клапан дозировки топлива управляется импульсным сигналом (PWM) блока управления дизельной системы впрыска. PWM-сигналом клапан дозировки топлива синхронно закрывается. Благодаря этому за клапаном создается давление, которое воздействует на регулирующий плунжер. Вариацией сигналов изменяется давление и вместе с этим положение плунжера. Давление падает и регулирующий плунжер сдвигается вправо. Это увеличивает подачу топлива к насосу высокого давления. В случае отказа клапана двигатель переходит в аварийный режим и мощность его резко падает.

Принцип создания высокого давления в целом идентичен типу СР1Н. Также на рампе находится датчик измерения давления. В нем находится чувствительный элемент, который состоит из стальной мембраны и тензодатчика. Давление топлива воздействует на чувствительный элемент. При изменении давления изменяется прогиб стальной мембраны и также вместе с этим меняет сопротивление и тензодатчик. Электронный блок обработки данных вычисляет по сопротивлению сигнал напряжения и передает его на блок управления дизельной системы впрыска. C помощью запрограммированных в памяти блока управления характеристик подсчитывается текущее давление топлива. При отказе в работе датчика давления топлива блок управления дизельной системы впрыска подсчитывает значение давления по умолчанию. Мощность падает.

Регулировочный клапан давления топлива находится на топливной рампе. Регулировочным клапаном устанавливается давление топлива в области высокого давления. При этом им управляет блок управления дизельной системы впрыска. В зависимости от режима работы двигателя давление составляет от 230 до 1800 бар. При слишком высоком давлении топлива регулировочный клапан открывается и часть топлива из топливной рампы через обратную магистраль попадает в топливный бак. При слишком низком давлении регулировочный клапан закрывает и герметизирует область высокого давления от обратной магистрали. Если регулировочный клапан не управляется, то игла клапана под действием клапанной пружины придавлена в свое гнездо. Этим область высокого давления отделена от обратной магистрали. Клапанная пружина сконструирована так, что в топливной рампе создается давление топлива приблизительно 80 бар. Если давление топлива в топливной рампе больше усилия клапанной пружины, то регулировочный клапан открывается и топливо течет по обратной магистрали в топливный бак. Для создания рабочего давления от 230 до 1800 бар в топливной рампе, регулировочным клапаном управляет пусковой сигнал (PWM) блока управления дизельной системы впрыска. За счет этого в магнитной катушке возникает магнитное поле. Якорь клапана притягивается и придавливает иглу клапана в ее гнездо. Силе давления топлива в топливной рампе и дополнительно усилию пружины клапана противостоит магнитная сила. В зависимости от нажимного отношения управления, изменяется проходное сечение к магистрали обратного течения и вместе с этим количество возвращающегося топлива. Кроме того, за счет этого выравниваются перепады давления в топливной рампе. При отказе регулировочного клапана давления топлива двигатель не будет работать, поскольку не будет создаваться необходимое для впрыска высокое давление топлива.

На некоторых модификациях системы в цепи низкого давления может находится температурный датчик топлива. По сигналу датчика температуры топлива блок управления дизельной системы подсчитывает плотность топлива. Она является величиной коррекции для подсчета необходимого для впрыска количества топлива, регулировки давления топлива в топливной рампе и для регулировки количества топлива, которое поступает в насос высокого давления. При отказе датчика температуры топлива блок управления дизельной системы подсчитывает постоянное значение по умолчанию. При слишком высокой температуре в подающей магистрали, для защиты насоса высокого давления мощность двигателя ограничивается. Этим также косвенно уменьшается количество сжатого в насосе высокого давления топлива и таким образом температура топлива падает.

Некоторые типы систем имеют клапан постоянного давления. Клапан постоянного давления является абсолютно механическим клапаном. Он находится между обратными магистралями от клапанов впрыска и обратной магистралью топливной системы. Клапан постоянного давления в обратной топливной магистрали со стороны клапанов впрыска поддерживает давление топлива приблизительно на уровне 10 бар. Это давление топлива необходимо для работы клапанов впрыска. При работе двигателя топливо поступает от клапанов впрыска через обратные магистрали к клапану постоянного давления. При давлении топлива свыше 10 бар шарик под усилием пружины поднимается из своего гнезда. Топливо протекает через открывшийся клапан в обратную топливную магистраль к топливному баку.

Еще одна важная отличительная особенность системы CP3 — это применение пьезофорсунок, которые относятся к поколению CRI 3. Скорость включения пьезофорсунок этого типа в 4 раза быстрее, чем у предыдущего поколения элекстромагнитных форсунок CRI 2. Кроме того, технология применения пьезофорсунок по сравнению с электромагнитными клапанами впрыска имеет приблизительно на 75% меньше подвижной массы на игле распылителя. Из этого складываются преимущества очень короткого времени включения, возможности большого количества циклов впрыска в течение рабочего такта и точно дозируемое количество топлива. За счет очень короткого времени включения пьезофорсунок можно гибко и точно управлять фазами и циклами впрыска. Благодаря этому процесс впрыска можно приспособить к соответствующим требованиям условий работы двигателя. В течение каждого процесса впрыска может производиться до пяти частичных циклов впрысков. Перед основным впрыском в камеру сгорания впрыскивается небольшое количество топлива. Это способствует повышению температуры и давления в камере сгорания. За счет этого сокращается задержка самовоспламенения основного впрыска и вместе с этим снижается быстрое возрастание давления и его пик. Следствием этого являются незначительные шумы сгорания топлива и низкий уровень токсичности выхлопных газов. Число, время и количество впрыскиваемого топлива для предварительного впрыска зависят от режима работы двигателя. В холодном двигателе и при низком числе оборотов по шумовым причинам происходят два предварительных впрыска. При более высокой нагрузке и высоком числе оборотов проходит только один предварительный впрыск для уменьшения уровня токсичности выхлопных газов. При полной нагрузке и высоком числе оборотов не происходит предварительного впрыска, поскольку для высокого коэффициента полезного действия должно впрыскиваться большое количество топлива. После предварительного впрыска и короткой паузы в камеру сгорания впрыскивается основное количество топлива. Уровень давления впрыска всего процесса остается примерно равным. Для регенерации сажевого фильтра происходят два пост впрыска. За счет их повышается температура выхлопных газов, которая необходима для сгорания частиц сажи в сажевом фильтре.

Для управления клапаном впрыска применяется пьезопривод. Он находится в корпусе клапана и управляется электрическим соединением блока управления системы впрыска. Пьезопривод имеет высокую скорость включения, он включается за менее чем, десятитысячную долю секунды. Для управления пьезоприводом используется обратный пьезоэлектрический эффект. Пьэзопривод состоит из множества пьезоэлементов, для достижения достаточно большого хода контактов управления клапанами впрыска. При подаче напряжения пьезопривод расширяется до 0,03 мм. (Для сравнения: человеческий волос имеет диаметр приблизительно 0,06 мм). К пьезоприводам подается напряжение от 110 до 148 В. Модуль сопряжения состоит из соединительной и клапанной колбы. Модуль связи действует как гидравлический цилиндр. Он очень быстро гидравлически преобразовывает линейное расширение пьезопривода и приводит в действие клапан переключения. Гидравлической передачей клапан переключения мягко открывается и за счет этого происходит точное управление впрыском. Преимущества гидравлической передачи: незначительная сила трения, амортизация подвижных конструктивных элементов, компенсация изменения длины конструктивных элементов за счет теплового расширения и отсутствие механического воздействия на иглу распылителя. Модуль сопряжения является гидравлической системой, в которой силы соотносятся друг к другу как площади колб. В модуле сопряжения площадь соединительной колбы больше площади клапанной колбы. Клапанная колба приводится, таким образом, в действие силой соединительной колбы. Отношение площади соединительной колбы к площади клапана переключения во много раз больше. За счет этого клапан переключения приводится в действие против давления топливной рампы от модуля сопряжения. Давление топлива в модуле сопряжения поддерживается клапаном постоянного давления в обратной магистрали приблизительно на уровне 10 бар. Это давление топлива служит в качестве воздушной подушки для гидравлической передачи между колбой соединения и клапанной колбой. В состоянии покоя клапан впрыска закрыт. Пьезопривод выключен. В пространстве управления выше иглы распылителя и к клапану переключения подается высокое давление топлива. Клапан переключения за счет высокого давления топлива и усилия пружины клапана переключения прижат в своем гнезде. За счет этого высокое давление топлива отделено от обратной топливной магистрали. Игла распылителя закрывается усилием пружины и высоким давлением топлива в пространстве управления выше распылителя. В обратной топливной магистрали давление топлива составляет приблизительно на уровне 10 бар, которое поддерживается клапаном постоянного давления в обратной магистрали клапанов впрыска. Начало впрыска проводит ЭБУ. При этом он посылает управляющие сигналы на пьезопривод. Пьезопривод расширяется и передает усилие на соединительную колбу. Движением соединительной колбы назад, в модуле сопряжения создается гидравлическое давление, которое через клапанную колбу воздействует на клапан переключения. Клапан переключения открывается гидравлическим усилием модуля сопряжения и освобождает путь высокому давлению топлива в обратную магистраль. Топливо в области управления через сливной дроссель попадает в обратную магистраль. При этом резко падает давление топлива выше иглы распылителя. Игла распылителя поднимается и начинается впрыск. Завершение впрыска происходит, когда блок ЭБУ больше не подает управляющие сигналы на пьезопривод. Пьезопривод возвращается в свое исходное положение. Обе колбы модуля сопряжения двигаются вверх, а клапан переключения прижимается в своем гнезде. За счет этого перекрывается путь высокому давлению топлива к обратной магистрали. Через дроссель подачи топливо поступает в область управления выше иглы распылителя. Давление топлива в области управления снова растет до уровня топливной рампы и закрывает иглу распылителя. Процесс впрыска завершен и клапан впрыска находиться снова в состоянии покоя. Количество впрыскиваемого топлива определяется длительностью нахождения под управлением пьезопривода и давлением топливной рампы. Благодаря быстрым промежуткам включения пьезопривода можно совершить большее число циклов впрыска за рабочий такт и точно определить количество впрыскиваемого топлива.
На каждой форсунке нанесен семизначный код для адаптации. Это значение для адаптации может состоять из букв и/или цифр. Значение (IMA код) определяется при изготовлении клапана впрыска на испытательном стенде. Оно представляет разность заданной величины и описывает этим параметры работы клапана впрыска. C помощью значения IMA ЭБУ дизельной системы впрыска может точно рассчитать необходимое время срабатывания для впрыска топлива через каждый отдельный клапан форсунки. За счет регулировки количества топлива для впрыска выравниваются различные параметры работы форсунок, которые возникают на основе производственных допусков. Целями данных коррекций количества впрыскиваемого топлива являются: сокращение расхода топлива, сокращение количества выхлопных газов, тихая работа двигателя. Насосы типа СР3 используются как на легковых, так и на коммерческих автомобилях. Версии СР3.1 ~ СР3.4 отличаются размером и уровнем давления в зависимости от выполняемой автомобилем задачи. Версия СР3.4 используется только на грузовиках и автобусах. В лёгких грузовиках и коммерческих автомобилях других типов (пикапы) могут также использоваться ТНВД, первоначально спроектированные для легковых автомобилей. Особенностью топливных систем тяжёлых грузовиков, а также грузовиков средней грузоподъёмности, является топливный фильтр, расположенный на стороне давления. Он устанавливается между шестерёнчатым топливоподкачивающим насосом и ТНВД и благодаря большей ёмкости для отсеиваемых частиц, допускает длительный интервал замены фильтрующего элемента. В любом случае ТНВД требует внешнего соединения на впуске топлива, даже если шестерёнчатый топливоподкачивающий насос закреплён на фланце ТНВД.

В версии системы CP4.2 используется двухплунжерная конфигурация ТНВД. Причина в сокращении нагрузки на плунжер и тем самым продлении жизни насосу. Максимальное давление впрыска составляет 2000 бар. В расположенных со смещением 90° плунжерных парах поочерёдно (в противофазе) происходят ходы всасывания и подачи топлива. При рабочих ходах топливо попеременно подаётся в левую и правую топливные рампы. Клапан дозирования топлива равномерно распределяет поступающее в ТНВД топливо по впускным каналам обоих плунжерных пар. Клапан дозирования топлива выполнен как часть ТНВД и управляет количеством топлива, подаваемого к плунжерным парам. Преимущество такой схемы заключается в том, что ТНВД подаёт в тракт высокого давления только то количество топлива, которое непосредственно требуется двигателю в данный момент в текущем режиме работы, и не больше. Это снижает потребляемую ТНВД мощность и позволяет избежать ненужного нагрева топлива. Клапан расположен вертикально между двумя плунжерами. По мере вращения приводного вала, эксцентрик нажимает сначала на поршень одного плунжера, потом второго. Принцип сжатия топлива и стратегия впрыска идентичны системе СР4.1.