Рязань (ул. Яхонтова 15а)
06.10.2021

Топливная аппаратура дизелей.

Варьирование количества цилиндров и рабочего объема двигателя, использование различных вариантов наддува, разнообразие конфигураций камер сгорания, рядный и распределительный тип топливной аппаратуры… За более чем вековую историю существования дизеля инженеры не раз меняли его конструкцию, почти всегда преследуя одни и те же цели — увеличение мощности/момента и снижение вредных выбросов. Были даже диковинные конструкции с вертикальным расположением цилиндров, двумя коленвалами и поршнями, двигавшимися навстречу друг другу. Однако несколько десятилетий активных экспериментов подвели неутешительный итог — существенно форсировать дизель можно, лишь значительно подняв давление впрыска топлива, к тому же сделав его фазированным. С тех пор начались поиски по конкретному направлению — топливной аппаратуре. Известно, чем они окончились. А как со времени полностью механических ТНВД изменилась надежность?

Справедливости ради отметим, что опыты с топливной аппаратурой начали проводить далеко не вчера. И если применение разных видов топливных систем (рядной и распределительной) никак не могло повлиять на качество распыла смеси, то устройство камеры сгорания — безусловно. Ведь для чего выполнялась форкамера (фото ниже), как не для воспламенения стартовой порции топливовоздушной смеси, которая потом правильно разожжет горючее в основном объеме.

А все эти выемки в днище поршня, при отсутствии пространства над ВМТ выполняющие функции камеры сгорания.

К слову, появившееся именно на дизелях подобное решение впоследствии применялось на бензиновых моторах с непосредственным впрыском. Сложная конфигурация днища поршня позволяла как надо закрутить топливовоздушную смесь, подав ее к свече зажигания.

К сожалению, расположение камеры, в которой происходил поджог солярки с воздухом, не могло существенно повлиять на мощность, экономичность и экологичность. Отмечалось только, что форкамерные дизели работают мягче, однако хуже пускаются и отличаются повышенным топливным аппетитом. А дизели с непосредственным впрыском (форсунка «бьет» прямо в выемку в днище поршня) обладают противоположными качествами. Со временем от форкамер отказались из-за описанных выше недостатков и технологических сложностей при изготовлении «головок» блоков цилиндров. Но, как вы понимаете, это лишь незначительно подкорректировало характеристики дизелей. Да и то не по тем параметрам, которые требовалось «подтянуть».

В конце 80-х и начале 90-х годов прошлого века на помощь призвали двухфазный впрыск топлива. Как минимум с ним ставили опыты компании Isuzu и MAN. В распылителях форсунок они устраивали по два отверстия. Одно, поменьше, подавало топливо в центр камеры сгорания. Второе, побольше — на ее стенки. А с появлением электронного управления впрыском получилось подавать часть солярки в конце такта сжатия. Вкупе это позволяло сделать воспламенение горючей смеси более управляемым, контролируемым.

Электроника — не панацея

Производители топливной аппаратуры и, в частности, насосов высокого давления, бросились экспериментировать над их конструкциями. Так, у Zexel появился оригинальный ТНВД, устанавливавшийся на Mitsubishi Fuso и мицубисиевский же дизель 4M41 (Pajero).

Этот прихотливый, требовательный к качеству топлива и трудно настраиваемый узел попил много крови обладателям бэушных джипов. Одно время он пропадал из продажи, а запчастей на него, похоже, никогда не было. Отдельные структуры (например, в украинском городе Чугуеве и нашем Санкт-Петербурге) предлагали его восстановление. Многие — перевод 4M41 на механическую аппаратуру (безуспешный). Актуальным считается его ремонт с использованием деталей от 24-вольтового насоса Fuso. Такая процедура тянет на 80 000 рублей, однако новый насос более чем вдвое дороже.

В Bosch предложили свою головную боль — насос VP44, который устанавливали на ниссановские ZD30 и YD25, на 2,5-литровые V-«образники» Audi, фордовские и баварские дизели.

Он нес массу конструктивно заложенных проблем, основной из которых было плохое охлаждение блока управления, расположенного на самом ТНВД — если система завоздушилась. И устройство регулирования момента опережения впрыска, которое зачем-то засунули в самый низ насоса. Вся грязь и вода неизбежно попадали к нему. Узел стоит более 400 000 рублей…

При этом подобные поиски не решали одной важной задачи. Для того, чтобы получить качественно иной уровень горения, нужно было соответствующим образом распылить топливо. А для этого — существенно поднять давление в топливной системе. Надо сказать, что даже механические ТНВД могли развивать до 600 бар, подавая на форсунки всего 120–190 бар. Нужно было больше! Но насос ведь привязан к оборотам двигателя, к режиму его работы. Значит, не дает постоянно одинаковое давление. Как следствие, в магистралях возникнет пульсация жидкости, которая при значительном увеличении давления разрушит топливопроводы.

Практически одновременно, в начале — середине 90-х, производители грузовиков предложили сразу два решения этой проблемы. В Европе и за океаном были разработаны насос-форсунки (фото ниже). А Caterpillar сконструировал свою HEUI (Хьюи) — систему, где впрыск осуществлялся благодаря повышенному давлению масла. И то, и другое непродолжительное время казалось панацеей. Тем не менее быстро наряду с плюсами (возможностью давать высокое давление топлива) показало свои негативные качества, приговорившие, по сути, обе конструкции.

Так, насос-форсунки, совместившие в себе оба ключевых узла, были способны развивать большое давление. Например, на фольксвагеновской 16-клапанной «четверке» объемом 2,0 л — до 2000 бар. А магистралей-то нет!

Но указанный пример — один из немногих. Крупные детали с трудом оставляют место под четыре клапана на цилиндр. К тому же привязаны к распредвалу, отчего ими сложно реализовать многофазный впрыск.

У HEUI, которую впоследствии принял на вооружение Isuzu и оснастил ею приснопамятный 4JX1, топливный насос давал бензиновые пять бар. Но в форсунках поверх солярки через плунжерную пару располагалось масло. Давление создавалось именно что дополнительным масляным насосом высокого давления. Иными словами, всякая пульсация топлива отсутствовала.

А подводила Хьюи по уплотнениям между соляркой и маслом. Доходило до того, что джипы Isuzu и Opel не просто вставали из-за потери давления для впрыска — наливали в поддон два уровня. Бывали случаи «капиталок». В общем, идея выглядела интересной, но в эксплуатации оказалась нежизнеспособной. Да и давление давала не сказать чтобы слишком много. Между тем теоретические выкладки той системы, что используется сейчас повсеместно, появились еще век назад.

Три возраста… рампы

Считается, что британцы из фирмы Vickers нечто подобное common rail, то есть системе с общей магистралью (рампой) или, как ее еще называют, аккумулятором давления, даже применяли на подводных лодках в Первую мировую войну. Потом инженеры рассуждали на тему, как это удобно — развязать подачу топлива и обороты двигателя. И создавали опытные образцы.

Наконец, в 1995 году Denso воплотила идею в жизнь — дизель Hino Ranger получил первый управляемый электроникой серийный common rail. Спустя два года итальянская фирма Magneti Marelli представила свою систему, использовавшуюся на Alfa Romeo 156.

И примерно тогда же документацией на common rail обзавелся Bosch. Однозначно приобрел, но история прямо не указывает на то, у кого. Именно с конца 90-х топливная аппаратура с рампой (куда накачивается топливо и которая держит большое давление, выдавая солярку форсункам) начала завоевывать дизели. К производству первого поколения common rail, как это назвали впоследствии, подключились Delphi и Siemens. Хотя некоторые автокомпании далеко не сразу перешли на этот тип. Тот же 4M41 получил рампу лишь в 2006-м. Несмотря на это, разные фирмы по-своему исполняли узел. А вот — от Denso, кстати, единственный с алюминиевым корпусом. Кроме того, соединения плунжерных пар здесь выполнено снаружи, по трубкам. В то время как на изделиях других компаний — по корпусу, через внутренние уплотнения. И именно они стали общим слабым звеном насосов common rail того поколения. Были и свои, фирменные нюансы. Скажем, у Siemens проблемным считается клапан высокого давления. У Denso — подкачивающий насос, дающий стружку, которая изнашивает форсунки.

Узел так называемого второго поколения common rail легковушкам и джипам не достался. Третья же генерация (начало 2000-х) разрабатывалась, кажется, специально для гражданского, а не коммерческого транспорта. Давление в ней с 1200 бар подняли до 1600–1800 бар. Оставив материалом корпуса тот же чугун, количество частей корпуса сократили до двух, все так же пристыковав сзади подкачивающий насос. Принципиальным отличием стало то, что отныне внешняя часть плунжерных пар являлась корпусом ТНВД. В целом изменения дали лучшую герметичность по внутренним уплотнениям, однако исключили возможность отдельного восстановления плунжерных пар. Во второй половине 2000-х появился common rail четвертого поколения, способный работать с давлением от 1800 до более чем 2000 бар (заявляется, что некоторые системы из современных могут держать до 2500). Впрочем, принципиальным отличием от предыдущих генераций стало то, что теперь в исключительно алюминиевом корпусе располагалась либо одна (для рядных «четверок») плунжерная пара, либо две (для «шестерок»).

Считается, что Bosch в освоении такого типа ТНВД стал первым. Потом подключилась компания Delphi, которая к концу нынешнего десятилетия серьезно потеснила немцев на рынке. Не исключено, популярность можно объяснить тем, что насосы этой фирмы оказались надежнее. У Bosch стаканчики плунжеров первое время были связаны с кулачком вала через вот такой ролик, который со временем изнашивался. Потом сопряжение переделали, а у Delphi оно сразу выполнялось по-иному и служило весь срок работы насоса.

Кажется, что эти составляющие за всю историю менялись куда меньше ТНВД и топливных систем в целом. Сама их работа, на обывательский взгляд, предполагала простые и типовые решения. В реальности форсунки также эволюционировали, не говоря уже о том, что каждый производитель по-своему решал отдельные их узлы.

Долгое время, пока топливная аппаратура была чисто механической, форсунки управлялись исключительно давлением.

Когда на дизели пришла управляющая электроника, они стали электромагнитными.

В нынешнем веке производители постепенно пришли к пьезофорсункам.

В них рабочим элементом, поднимающим иглу распылителя для подачи топлива, выступает столбик из пьезокристаллов. Под воздействием на него тока он меняет свою длину. По сравнению с электромагнитной форсункой срабатывает в пять раз быстрее.

По-разному выполнялись и выполняются распылители. В частности, по покрытию иглы специальным износоустойчивым материалом. И мультипликатор — узел, собственно и обеспечивающий открытие иглы и подачу топлива в камеры сгорания. Они имеют разную конструкцию и разный ресурс. Ну а общее у них то, что сопряжение, каналы и прочее выполнены с точностью до микрона. Не зря ремонтники в работе используют микроскопы. Вот дырчатый или сетчатый фильтр — последний редут на пути грязи в форсунку. Невооруженным взглядом и под сильным увеличением:

Понятно, что ресурс деталей с подобной прецизионностью здорово привязан к чистоте и вообще качеству топлива. Но есть и конструктивные особенности, ограничивающие пробег до ремонта или замены.