коррекция форсунок common rail что это такое
Система впрыска топлива Common Rail дизельных ДВС.
Система впрыска Common Rail является самой современной системой впрыска топлива дизельных двигателей. Работа системы Common Rail основана на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления – топливной рампы, наподобие бензиновых ДВС (Common Rail в переводе означает общая рампа). Система впрыска разработана специалистами фирмы Bosch.
Наибольшее распространения получили четыре типа систем COMMON RAIL, названным по имени их производителя. BOSCH, DELPHI, DENSO и SIEMENS. Каждый автопроизводитель имеет собственную аббревиатуру, которая обозначает как систему, так и ее отдельные элементы :
BMW : D-двигатели (также используются Land Rover как TD4)
Cummins и Scania : XPI
Cummins : CCR
Daimler : CDI (для автомобилей Chrysler и Jeep — CRD)
Fiat : Fiat, Alfa Romeo и Lancia — JTD (MultiJet, JTDm, Ecotec CDTi, TiD, TTiD, DDiS, Quadra-Jet)
Ford Motor : TDCi Duratorq и Powerstroke
General Motors : Opel/Vauxhall — CDTi и DTi для Isuzu
General Motors : Daewoo/Chevrolet — VCDi (VM Motori — Ecotec CDTi)
Honda : i-CTDi
Hyundai и Kia : CRDi
Mahindra : CRDe
Maruti Suzuki : DDiS
Mazda : CiTD
Mitsubishi : DI-D
Nissan : dCi
PSA Peugeot Citroen : HDI, HDi (Volvo S40/V50 использует двигатели PSA 1,6D & 2,0D, JTD)
Renault : dCi
SsangYong : XDi
Subaru : TD
Tata : DICOR
Toyota : D-4D
Volkswagen Audi Group (Skoda) : TDI. CR в 2005 году пришла на смену насос-форсункам.
Volvo : D3, D4 и D5
Применение данной системы позволяет достигнуть снижения расхода топлива, токсичности отработавших газов, уровня шума дизеля. Главным преимуществом системы Common Rail является широкий диапазон регулирования давления топлива и момента начала впрыска, которые достигнуты за счет разделения процессов создания давления и впрыска.
Конструктивно система впрыска Common Rail составляет контур высокого давления топливной системы дизельного двигателя. В системе используется непосредственный впрыск топлива, т.е. дизельное топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Система Common Rail включает топливный насос высокого давления, клапан дозирования топлива, регулятор давления топлива (контрольный клапан), топливную рампу и форсунки. Все элементы объединяют топливопроводы.
1. топливный бак
2. топливный фильтр
3. топливный насос высокого давления
4. топливопроводы
5. датчик давления топлива
6. топливная рампа
7. регулятор давления топлива
8. форсунки
9. электронный блок управления
10. сигналы от датчиков
11. усилительный блок (на некоторых авто)
Топливный насос высокого давления (ТНВД) служит для создания высокого давления топлива и его накопления в топливной рампе. Современные топливные насосы высокого давления — плунжерного типа. Клапан дозирования топлива регулирует количество топлива, подаваемого к топливному насосу высокого давления в зависимости от потребности двигателя. Клапан конструктивно объединен с ТНВД.
Регулятор давления топлива предназначен для управления давлением топлива в системе, в зависимости от нагрузки на двигатель. Он устанавливается в топливной рампе. Топливная рампа предназначена для выполнения нескольких функций: накопления топлива и содержание его под высоким давлением, смягчения колебаний давления, возникающих вследствие пульсации подачи от ТНВД, распределения топлива по форсункам. Форсунка важнейший элемент системы, непосредственно осуществляющий впрыск топлива в камеру сгорания двигателя. Форсунки связаны с топливной рампой топливопроводами высокого давления. В системе используются электрогидравлические форсунки или пьезофорсунки. Впрыск топлива электрогидравлической форсункой осуществляется за счет управления электромагнитным клапаном. Активным элементом пьезофорсунки являются пьезокристаллы, значительно повышающие скорость работы форсунки.
Управление работой системой впрыска Common Rail обеспечивает система управления дизелем, которая объединяет датчики, блок управления двигателем и исполнительные механизмы систем двигателя. Система управления дизелем включает датчики оборотов двигателя, Холла, положения педали акселератора, расходомер воздуха, температуры охлаждающей жидкости, давления воздуха, температуры воздуха, давления топлива, кислородный датчик (лямбда-зонд) и другие. Основными исполнительными механизмами системы впрыска Common Rail являются форсунки, клапан дозирования топлива, а также регулятор давления топлива.
Принцип действия системы впрыска Common Rail
На основании сигналов, поступающих от датчиков, блок управления двигателем определяет необходимое количество топлива, которое топливный насос высокого давления подает через клапан дозирования топлива. Насос накачивает топливо в топливную рампу. Там оно находится под определенным давлением, обеспечиваемым регулятором давления топлива. В нужный момент блок управления двигателем дает команду соответствующим форсункам на начало впрыска и обеспечивает определенную продолжительность открытия клапана форсунки. В зависимости от режимов работы двигателя блок управления двигателем корректирует параметры работы системы впрыска.
С целью повышения эффективной работы двигателя в системе Common Rail реализуется многократный впрыск топлива в течение одного цикла работы двигателя. При этом различают: предварительный впрыск, основной впрыск и дополнительный впрыск.
Предварительный впрыск небольшого количества топлива производится перед основным впрыском для повышения температуры и давления в камере сгорания, чем достигается ускорение самовоспламенения основного заряда, снижение шума и токсичности отработавших газов. В зависимости от режима работы двигателя производится:
2 предварительных впрыска — на холостом ходу;
1 предварительный впрыск — при повышении нагрузки;
0(предварительный впрыск не производится) — при полной нагрузке.
Основной впрыск обеспечивает стабильную работу двигателя.
Дополнительный впрыск производится для повышения температуры отработавших газов и улучшения сгорания частиц сажи в сажевом фильтре (регенерация сажевого фильтра).
Развитие системы впрыска Common Rail осуществляется по пути увеличения давления впрыска:
1 поколение – 140 МПа, с 1999 года;
2 поколение – 160 МПа, с 2001 года;
3 поколение – 180 МПа, с 2005 года;
4 поколение – 220 МПа, с 2009 года.
Чем выше давление в системе впрыска, тем больше топлива можно впрыснуть в цилиндр за равный промежуток времени и, соответственно, реализовать большую мощность.
ТНВД является одним из основных ко элементов в конструкции системы впрыска двигателя. Он выполняет, как правило, две важнейшие функции: 1- нагнетание определенного количества топливной жидкости; 2- регулирование по времени начала впрыскивания. С момента появления аккумуляторных систем впрыска работа по регулированию времени начала впрыска была возложена на управляемые электроникой форсунки.
Основу ТНВД составляет плунжерная пара. Данный механизм составляет поршень (другое название- плунжер) и цилиндр (другое название — втулка) совсем небольшого размера. Плунжерную пару изготавливают из стали высокого качества и делают это с высочайшей точностью. Так, что между плунжером и втулкой имеется минимальный зазор (сопряжение прецизионное). В системе Common Rail используется Магистральный ТНВД.
С конструктивной точки зрения магистральный насос может иметь 1(один), 2(два) или 3(три) плунжера. Приводы плунжеров осуществляются с помощью использования кулачкового вала либо кулачковой шайбы.
При вращательном движении кулачкового вала (эксцентрика кулачковой шайбы) под действием возвратной пружинки плунжер двигается вниз. Увеличивается объем компрессионной камеры и уменьшается давление в ней. Под воздействием разряжения воздуха открывается клапан впуска, и топливная жидкость поступает в камеру. При движении плунжера вверх происходит возрастание давления в камере, клапан впуска закрывается. При создании определенного давления открывается клапан выпуска и топливная жидкость поступает в рампу. Управление подачей топливной жидкости производится в зависимости от потребностей двигателя и осуществляется с помощью клапана дозирования топливной жидкости. В исходном (обычном) положении этот клапан открыт. Но по сигналу электронного блока управления он закрывается на определенную ширину, тем самым регулируется количество затекающей в компрессионную камеру топливной жидкости.
Форсунка (инжектор), являясь элементом конструкции системы впрыскивания, предназначена для того, чтобы качественно дозировать подачу топливной жидкости, его распыление в камере сгорания (коллекторе впуска) и образование топливно-воздушной смеси. Форсунки используются в системах впрыска как бензиновых, так и дизельных двигателей. На современных вариантах двигателей устанавливаются форсунки с электронным управлением впрыскивания. В зависимости от того, каким способом осуществляется впрыскивание, различают нижеприведённые виды форсунок:
1. электромагнитные
2. электрогидравлические
3. пьезоэлектрическая
Устанавливается, как правило, на бензиновые двигатели, в том числе оборудованные системой непосредственного впрыска. Имеет достаточно простое и надежное устройство. Оно включает электромагнитный клапан с иголкой и сопло.
Работа электромагнитной форсунки осуществляется так: в соответствии с заложенным в него алгоритмом электронный блок управления точно обеспечивает подачу напряжения на обмотку возбуждения клапана в нужный момент. При всём этом создается электромагнитное поле, оно, преодолевая усилия пружинки, втягивает якорь с иголкой и освобождает сопло. В результате производится впрыск топливной жидкости. С исчезновением напряжения пружка возвращает иголку форсунки на седло.
Используется на дизельных двигателях, в том числе на оборудованных системой впрыскивания Common Rail. В конструкцию электрогидравлической форсунки входит электромагнитный клапан, камера управления, впускной и сливной дроссели.
Принцип работы этой форсунки основан на использовании давления топлива, как при впрыскивании, так и при его прекращении. В начальном положении электромагнитный клапан обесточен и закрыт, иголка форсунки прижата к седлу по средствам силы давления топливной жидкости на поршень в камере управления. Впрыскивание топливной жидкости не происходит. При этом давление топлива на иголку, ввиду разности площадей контакта, меньше давления на поршень. По точной команде электронного блока управления запускается работа электромагнитного клапана, открывая сливной дроссель. Топливная жидкость из камеры управления идёт через дроссель к сливной магистрали. Впускной дроссель при этом препятствует быстрому выравниванию давлений в камере управления и в магистрали впуска. Давление на поршень снижается, а давление топлива на иглу не претерпевает изменений. Игла поднимается, происходит впрыск топливной жидкости.
Пьезоэлектрическая форсунка (пьезофорсунка)
Это самое совершенное устройство, обеспечивающее впрыск топливной жидкости. Форсунка устанавливается на дизельных двигателях, оборудованных системой впрыска Common Rail.
К преимуществам пьезофорсунки относят: быстроту срабатывания (в 4 раза быстрее электромагнитного клапана), как следствие этого, возможность многократного впрыскивания топливной жидкости в течение одного цикла работы, точную дозировку впрыскиваемой топливной жидкости. Всё вышеперечисленное стало возможным благодаря использованию пьезоэффекта в управлении форсункой. Он основан на изменении длины пьезокристалла, которое происходит под действием напряжения. Конструкция самой пьезоэлектрической форсунки включает следующие элементы : пьезоэлемент, толкатель, клапан переключения и иголку. Все они помещены в корпус.
В работе форсунки данного вида, так же как и в электрогидравлическом аналоге, используют гидравлический принцип. В начальном положении иголка сидит на седле в результате высокого давления топливной жидкости. Во время подачи электрического сигнала на пьезоэлемент, увеличивается его длина. Передается усилие на поршень толкателя, открывается переключающий клапан и топливная жидкость поступает в сливную магистраль. Давление выше иглы снижается. Иголка за счет давления в нижней части поднимается, таким образом производится впрыск топливной жидкости.
Форсунки. Часть 1, теоретическая: Обучение малому впрыску, корректировки
У нас и у эльководов регулярно публикуются отчеты вида: «Провел обучение малому впрыску, такие цифры корректировок — это хорошо или плохо?» В поисках ответов на вопрос, я прочитал различные документы от Denso, плюс накопилось некоторое количество экспериментальных данных по двум комплектам форсунок. Результатами хочу поделиться в этом отчете. Отчет я разделил на две части — теоретическую и экспериментальную. В этой, теоретической, некий обзор про обучение и корректировки. В экспериментальной выложу хронику корректировок по двум комплектам форсунок, с отчетом по диагностике и замене: где-что-почем: Форсунки. Часть 2, практическая: Диагностика на стенде, замена, обучение малому впрыску
Обучение малому впрыску
Зачем нужно обучение малому впрыску? Что именно значат и как используются корректировки малого впрыска? Рекомендую почитать сервис мануал от Denso: Operation. Common Rail System, часть информации я взял из него.
Проблема первая. Чем выше давление в топливной рампе, тем быстрее, а значит больше и/или в наиболее оптимальный момент времени можно подать топливо в цилиндр. На нашем моторе 4D56U рабочий диапазон давлений в рампе составляет от 30MПа (300атм) на холостом ходу до, в теории, 180МПа (1800атм) при максимальной нагрузке, хотя я не наблюдал значений выше 160МПа даже при пиковых нагрузках. С другой стороны, большое давление в системе создает следующую проблему: От момента начала подачи топлива в цилиндр до момента воспламенения смеси проходит некоторое время, сократить которое нельзя конструктивно. Чем выше давление топлива в системе, тем больше топлива успевает поступить в цилиндр за этот промежуток времени, и тем взрывообразней происходит воспламенение топлива. По официальной версии Denso, работа в таком режиме сопровождается увеличенным выбросом NO и неприятным «детонационным» звуком. Не удивлюсь, если кроме звука с мотором приключается какая-нибудь более серьезная незадокументированная печаль )
Для решения этой проблемы за некоторое время до основного впрыска в цилиндр подается небольшое количество топлива — предварительный впрыск (pilot injection). В таком режиме импульс основного впрыска уже не вызывает взрывной рост давления с его негативными последствиями. В некоторых моторах предварительный впрыск осуществляется в виде нескольких импульсов.
Проблема вторая. Даже новые форсунки сходят с конвейера с индивидуальными особенностями, влияющими на их фактическую подачу топлива. То есть, подключив новые форсунки к стенду с заданным фиксированным давлением топлива и подав на них одинаковые управляющие импульсы, даже новые форсунки в общем случае выдадут разное количество топлива. Поэтому форсунки калибруют еще на заводе: измеряют фактическую подачу форсунки в нескольких режимах, и сравнивают с эталонной подачей, которая ожидается от форсунок в этих режимах.
Именно эти отклонения от эталонной подачи зашифрованы и нанесены в виде цифрового и QR кода на разъемах наших форсунок. Данный код прописывают в энергонезависимую память блока управления (ECU) для каждой форсунки на заводе или при замене/ремонте форсунок. Опираясь на данные в этом коде ECU определяет на сколько именно необходимо открыть каждую форсунку с учетом ее индивидуальных особенностей, чтобы подать в цилиндр расчетное количество топлива.
Третья проблема. Общий объем топлива подаваемый в цилиндр на нашем моторе 4D56U составляет: на холостом ходу — 6-8мм3/р.такт, в режиме средней нагрузки — 40-50 мм3/р.такт, в пиковой нагрузке — 90-100мм3/р.такт. Типичный объем предвпрыска составляет 2.0-2.5 мм3 на один рабочий такт. Если даже заранее откалибровать столь малый объем подачи на заводе при изготовлении форсунки и затем внести поправки в ECU, они достаточно быстро «поплывут» в ходе эксплуатации форсунки из-за износа и загрязнения. Если фактический объем топлива предвпрыска будет некорректным, то вернется первая проблема: при переподаче топлива будет «греметь» и отравлять экологию уже сам предвпрыск, при недоподаче снова «загремит» основной впрыск. Снимать и калибровать форсунки каждые N километров на стенде — дорогое удовольствие. Для решения этой проблемы инженеры Denso придумали некий обходной маневр — процедуру обучения малому впрыску.
Допустим у нас есть мотор, работающий на холостом ходу без полезной нагрузки. Все форсунки подают топливо в строгом соответствии с таблицами, прописанными в ECU и их индивидуальными корректировками (кодами), сам мотор создает строго нормативную нагрузку (трение, генератор, итд). Тогда корректировки подачи топлива вообще не потребуются – такой идеальный мотор будет работать с заданными оборотами ХХ. Со временем из-за износа или загрязнения форсунки начнут подавать количество топлива, не соответствующее расчетному. Из-за этого обороты двигателя будут ниже или выше заданных оборотов ХХ. Для приведения скорости вращения коленвала к заданной потребуется откорректировать общую подачу топлива путем изменения длительности открытия форсунок. Этот эффект и используется при обучении малому впрыску. То есть при обучении в роли калибровочного стенда выступает сам мотор, а ECU подбирает значения корректировок, добиваясь равномерного вращения коленвала на холостом ходу с заданной частотой.
Вроде все просто. Но мотор то тоже неидеальный. Вряд ли есть два мотора, полностью одинаковых по внутренним потерям (трение, компрессия), плюс может возникнуть дополнительная нагрузка (генератор, ГУР, ваккумник). Эти потери/нагрузка потребует дополнительного количества топлива, которое тоже учтется в проведенной ECU корректировке продолжительности впрыска. Но нам для корректировки предварительного впрыска нужна только та часть, которая компенсирует особенности подачи форсунок и не нужна часть корректировки, обусловленная дополнительной внешней нагрузкой или отсутствием масла индивидуальными особенностями мотора. Нагрузочную часть корректировки необходимо как-то исключить. Denso придумала и запатентовала следующее решение patents.google.com/patent/US6694945. В процессе обучения малому впрыску на холостом ходу на форсунки подается серия из нескольких одинаковых импульсов.
«Форсуночная» составляющая корректировки, обусловленная индивидуальными изменениями характеристик форсунок, постоянна для каждого импульса и не зависит от числа импульсов в серии. То есть если форсунка «тормозит» при открытии на 10 микросекунд относительно новой, она будет это делать одинаково на каждом импульсе в серии. «Нагрузочная» составляющая корректировки наоборот будет убывать обратно пропорционально числу импульсов в серии, так как дополнительный объем топлива, обусловленный доп. нагрузкой, не зависит от числа импульсов, и ECU распределит его равномерно по всем импульсам в серии. За счет разного характера зависимости от числа импульсов в серии, проведя измерения при разном числе импульсов в серии, можно отделить форсуночную составляющую от нагрузочной. Забегая вперед, в практическую часть, я провел следующий эксперимент: выполнил обучение с включенными доп. потребителями (свет, моторчик печки) и без них — корректировки в пределах погрешности не изменились. То есть при обучении малому впрыску дополнительная нагрузка действительно «отфильтровывается». Главное, чтобы эта доп. нагрузка была постоянной — не менялась в процессе обучения. Поэтому кондей, музыку и другие «нестабильные» потребители необходимо выключить.
Значения корректировок малого впрыска у одной отдельно взятой форсунки будут разными при разных давлениях топлива. В общем случае, чем выше давление при обучении — тем меньше длительность импульса, а значит меньше (по модулю) и сама корректировка этого импульса. Поэтому процедуру обучения проводят при различных значениях давления в топливной рампе. На нашем моторе процедура обучения выполняется для пяти базовых значений давлений: 30, 60, 90, 120 и 150 МПа. Величина корректировок для промежуточных давлений в рабочих режимах определяется интерполяцией.
Сама процедура обучения запускается либо «вручную», командой по OBD разъему, либо автоматически по достижению критериев: превышению пробега с момента предыдущего обучения или некорректной работе мотора. По завершении обучения корректировки сохраняются в энергонезависимую память ECU и не меняются до успешного завершения следующей процедуры обучения. Учет значений корректировок ведется в виде миллисекунд. В рабочих режимах двигателя ECU применяет данные корректировки с поправочными коэффициентами к длительности импульса предварительного впрыска.
Корректировки основного впрыска
Перед экспериментальной частью стоит еще затронуть тему корректировок основного впрыска и диагностки по ним. На эту тему есть хорошая статья на дизельном форуме.
При работе мотора в реальных условиях нагрузка на мотор варьируется даже в режиме ХХ. Например, если включить ближний свет, это будет стоить папаше Дорсету еще 500$ около 1.5мм3 топлива на рабочий такт. ECU должен уметь корректировать подачу топлива для компенсации этой доп нагрузки на холостом ходу. За это отвечает логический модуль Idle Speed Control (ISC). Идея проста — добавлять или убавлять объем впрыскиваемого топлива пока усредненные обороты ХХ не совпадут с требуемыми. Похоже на обучение малому впрыску, но вместо «учебной» серии из N импульсов на форсунки уже идут «боевые» двойки импульсов предвпрыск + основной впрыск. В данном примере ISC подаст дополнительный объем топлива 1.5мм3/р.такт, то есть по каждой форсунке будет плюсовая корректировка +1.5мм3. Это уже достаточно большое количество, сравнимое с объемом предварительного впрыска. ECU распределяет эту корректировку между основным и предварительным впрыском: основная доля корректировки добавляется к объему основного впрыска и лишь небольшая часть – к объему предварительного впрыска.
Допустим в нашем моторе форсунки в режиме ХХ подают избыточное количество топлива, не соответствующее их калибровкам (переливают). Тогда ISC подберет корректировку равную разности между топливом требуемым дополнительной нагрузкой и избыточным, неучтенным, количеством топлива, подаваемым форсунками. Например, если на холостом ходу все форсунки переливают на 2мм3/р.такт и доп нагрузки нет, то корректировка ISC составит ‑2мм3/р.такт. При включении доп нагрузки 1.5мм3/р.такт суммарная корректировка составит ‑0.5мм3/р.такт. Отслеживая параметр корректировки ISC или изменение суммарной подачи топлива на ХХ можно сделать некоторые выводы о состоянии форсунок. Отрицательная корректировка ISC, или внезапно уменьшившийся общий объем топлива, рассчитанный ECU “к подаче”, на холостом ходу — признак льющих форсунок. С плюсовой корректировкой или увеличившимся объемом топлива на ХХ не все однозначно — это могут быть и загрязненные форсунки и доп. нагрузка на мотор.
В ряде электронных систем управления параметры суммарной корректировки топлива на ХХ (ISC) и межцилиндровой корректировки (FCCB) на ХХ можно мониторить в диагностических целях. Например у TLC на моторах 1GD-FTV, 1KD-FTV — это параметры Injection Feedback Value for Idle и Injection Feedback Value #. В некоторых системах, например BMW, межцилиндровую корректировку можно мониторить и под нагрузкой, параметр selective mass adjustment.
А теперь плохая новость: Все это — не про наш мотор 4D56U. По крайней мере я не нашел каких-либо упоминаний о поцилиндровой корректировке в режиме нагрузки, равно как и PID’ов для мониторинга поцилиндровых корректировок хотя бы на холостом ходу. Все что у нас есть — это значения корректировок малого впрыска. Можно ли как-то оценить состояние форсунок с помощью них — в следующем отчете.
При обучении малому впрыску ECU подбирает значения корректировок малого (1-2мм3) впрыска, используя в качестве калибровочного стенда сам мотор. Данные корректировки необходимы ECU для подачи точного количества топлива в импульсе предварительного впрыска. Корректировки компенсируют изменения характеристик форсунок, возникающие со временем из-за износа и/или загрязнения.
Кроме корректировок малого впрыска в некоторых системах управления применяются общие и поцилиндровые корректировки основного впрыска, измеряемые в режиме ХХ и/или под нагрузкой. Данные корректировки можно использовать для предварительной диагностики состояния форсунок. В ECU двигателя 4D56U данный тип корректировок отсутствует / недоступен для мониторинга.
Выражаю благодарность Эдуарду napic за ответы на ряд вопросов при подготовке отчета.