Двигатели Toyota - Common Rail

Двигатель 1CD-FTV стал первым дизельным двигателем Toyota, выполненным по технологии Common Rail. Он должен заменить собой предыдущие дизельные двигатели "среднего калибра", ранее представленные серией C. Область его применения пока ограничивается европейскими моделями Corolla (CDE110 и CDE120), Avensis (CDT220 и CDT250), Avensis Verso / Picnic (CLM20), Previa (CLR30), RAV4 (CLA20) - на внутреннем рынке японцы практически отказались от дизелей на легковых автомобилях.
Двигатель 2C-T 3C-TE 1CD-FTV
Рабочий объем, см3 1975 2184 1995
Мощность, л.с. 88/4000 94/4000 110-116/4000
Крутящий момент, Нм 177/2200 206/2200 250/1800-3000
Степень сжатия 23,0 22,6 18,6
Диаметр цилиндра, мм 868682,2
Ход поршня, мм 859494

Нетрудно заметить, что новый движок очень заметно прибавил в характеристиках, вплотную приблизившись к бензиновым двигателям того же объема по мощности и значительно превосходя их по моменту. Однако надо сразу отметить, что по динамическим показателям машина с таким мотором по-прежнему им заметно уступает.

Мотор 1CD стал действительно совершенно новой конструкцией, унаследовав у серии "C" только некоторые компоновочные особенности. Рассмотрим теперь его основные системы...

1.1. Головка блока цилиндров
Головка блока, традиционно изготавливаемая из алюминиевого сплава, имеет несколько радикальных отличий от ГБЦ обычных дизелей.
Во-первых, уже из наименования двигателя понятно, что здесь не два, а четыре клапана на цилиндр, и два распределительных вала. Благодаря этому увеличилась площадь выпускных и выпускных каналов, улучшилось наполнение цилиндров.
Во-вторых, "D-4D" означает "четырехтактный дизель с системой Common Rail и непосредственным впрыском топлива в цилиндр" (иначе - с неразделенными камерами сгорания). Если ранее форсунка и свеча накаливания "выходили" в вихревую камеру (в ГБЦ), то теперь форсунка подает топливо прямо в цилиндр.
Что ж, если и раньше тойотовские турбодизели не отличались долговечностью головок, то как теперь покажут себя новые, с еще более тонкими перемычками клапанов - покажет время.


1.2. Блок цилиндров
Блок цилиндров по-прежнему отливается из чугуна и не имеет гильз, небольшие изменения коснулись только толщины стенок и ребер жесткости.

1.3. Поршень
Поршень довольно существенно уменьшился в диаметре по сравнению с серией "C" (двигатель теперь стал "длинноходным"), в него переместилась и камера сгорания. Другие новшества - нирезистовая вставка под верхнее компрессионное кольцо, канал для охлаждения и нанесенное на юбку поршня антифрикционное покрытие.


1.4. Коленчатый вал
Коленвал выполнен, как обычно, полноопорным, с закаленными током высокой частоты шейками.

1.5. Привод ГРМ
Механизм с двумя распредвалами и четырьмя клапанами на цилиндр приводится при помощи ремня, вращающего вал выпускных клапанов, а затем уже через шестерни приводится и распредвал впускных клапанов.
От выпускного распредвала приводится также и вакуумный насос (надо полагать, что его новая версия будет не столь ненадежна, как на дизелях серии "C").


Регулировка зазора по-прежнему осуществляется при помощи шайб, расположенных над толкателем (для регулировки нет необходимости снимать валы).


Ремень привода ГРМ теперь получил автоматический гидронатяжитель (что не слишком хорошо для долговечности), а заменять его рекомендуется каждые 150 тысяч километров (а вот это неплохо).


Примечание. При замене ремня метки на шкивах должны располагаться следующим образом:

1.6. Система смазки
Масляная система не претерпела особых изменений по сравнению с обычными двигателями. В ней имеется жидкостный маслоохладитель, форсунки охлаждения поршней и датчик уровня масла. Заправочная емкость - 5,9 литров при замене вместе с фильтром или 6,7 литров на сухом двигателе.


1.7. Система охлаждения
Остается только надеяться, что самое слабое место серии "C" было все же улучшено с появлением нового двигателя. Заметное отличие - в расширительном бачке теперь поддерживается избыточное давление, так что охлаждающая жидкость не контактирует с воздухом, а значит не испаряется и не стареет столь быстро.

1.8. Впуск и выпуск
На впуске теперь установлен "паук" с воздуховодами равной длины и резонатором, дроссельная заслонка получила электропривод, появился воздухо-воздушный интеркулер (промежуточный охладитель).

Для уменьшения выбросов оксидов азота (NOx) применяется система EGR, которая за счет перепуска некоторого количества отработавших газов на впуск снижает максимальную температуру в цилиндре.


Количество перепускаемых газов регулируется клапаном EGR с шаговым электродвигателем вместо вакуумного привода и жидкостным охлаждением (что позволяет снизить температуру ОГ и увеличить их перепуск).


1.9. Турбокомпрессор
Турбокомпрессор двигателя 1CD-FTV существенно отличается от традиционного.


Привычного механизма перепуска газов здесь нет, зато появилась система изменения геометрии... Нет, до изменения угла установки лопаток на турбине тойотовцы еще не дошли, но вот направляющие лопатки уже появились - через них отработавшие газы проходят к турбине. Поскольку скорость вращения турбины зависит от скорости течения газов, то на холостом ходу, когда количество выхлопных газов мало, лопатки "закрываются" с помощью пневмопривода, образуя относительно небольшой зазор, через который газы проходят на выпуск.


При небольшой нагрузке пневмопривод перемещает управляющее кольцо, при этом поворачиваются шарнирно соединенные с ним лопатки, которые частично закрываются. В результате поддерживается наиболее подходящая скорость истечения газов через турбину.


При высокой нагрузке лопатки перемещаются в открытое положение, благодаря чему поддерживается требуемое давление наддува.


1.10. Модификации
Несколько версий двигателя 1CD-FTV различаются между собой. Здесь мы рассматриваем вариант, используемый на автомобиле RAV4 CLA20.
Вариант 1CD-FTV на Avensis отличается обычной турбиной, клапаном EGR с вакуумным приводом, стандартным генератором, обычным натяжителем ремня и несколько меньшей мощностью.
Вариант 1CD-FTV на Previa 30 главным образом отличается наличием балансирного механизма с шестеренным приводом.

2.1. Топливная система
На двигателе 1CD-FTV Toyota впервые применила схему Common Rail. В отличие от обычной дизельной системы с ТНВД распределительного типа, здесь топливо подается при помощи ТНВД в общую топливную рампу, а впрыскивается в цилиндры через форсунки с электронным управлением, напоминающие форсунки бензинового двигателя. Одно из основных отличий - существенно выросшее давление топлива (вместо ~200 атмосфер в обычном двигателе - здесь 1350).
1 - электронный блок управления двигателем, 2 - усилитель форсунок, 3 - датчик давления топлива, 4 - топливная рампа,
5 - ограничитель давления, 6 - обратный клапан, 7 - форсунка, 8 - ТНВД, 9 - топливный бак, 10 - датчики.

2.2. ТНВД
ТНВД в схеме Common Rail абсолютно не похож на традиционный Bosch VE.

1 - датчик температуры топлива, 2 - SCV (э/м перепускной клапан), 3 - регулятор давления, 4 - плунжер B, 5 - диск привода, 6 - плунжер A,
7 - толкатель, 8 - подкачивающий насос.

В корпусе размещены подкачивающий насос, управляющие клапаны и сам двукхкамерный насос высокого давления, направляющий диск которого представляет собой эллипс.

2 - SCV (э/м перепускной клапан), 3 - регулятор давления, 4 - плунжер B, 5 - диск привода, 6 - плунжер A, 7 - толкатель, 8 - подкачивающий насос, 9 - напорный клапан, 10 - обратный клапан.

При ходе всасывания плунжеры, следуя профилю направляющего диска, расходятся, SCV открывается и топливо поступает в напорную камеру.

1 - напорная камера, 2 - плунжер,
3 - направляющий диск, 4 - топливо, 5 - SCV,
6 - толкатель, 7 - плунжер.

После того, как диск повернулся на 90 градусов, SCV перекрывает входной канал и начинается ход нагнетания.


Объем поступающего к плунжеру топлива регулируется при помощи SCV, благодаря чему блоку управления удается поддерживать требуемое давление в топливной рампе.

2.3. Топливная рампа
В топливной рампе установлен датчик давления топлива и механический ограничитель давления. Надо отметить, что датчик давления конструктивно выполнен "одноразовым" и не должен вворачиваться повторно, а регулировка ограничителя давления выполняется однократно еще на заводе.


2.4. Форсунки
Конструкция форсунки 1CD-FTV не столь изощренная, как на свежем дизеле от Isuzu (4JX1), но тем не менее сильно отличается и от обычной дизельной, и от обычной бензиновой. Само собой, что при таком чудовищном давлении в рампе простой электромагнитный клапан был бы слабоват, поэтому управление форсункой "электрогидравлическое".

В закрытом состоянии клапан удерживается пружиной, при этом топливо в управляющей камере удерживает в нижнем положении поршень, который, в свою очередь, через пружину фиксирует в закрытом положении иглу (давление топлива, воздействующее на иглу снизу, недостаточно для ее открытия).

При подаче тока на обмотку, клапан втягивается и открывает канал, по которому топливо про ходит к нижней части поршня. В результате уменьшается давление в управляющей камере и нарастает давление под поршнем, в результате чего тот поднимается. Одновременно с этим открывается запорная игла форсунки и происходит впрыск топлива.

1 - электромагнитный клапан, 2 - обмотка, 3 - управляющая камера, 4 - игла, 5 - поршень, 6 - топливо.

Как можно заметить, форсунка представляет собой сложный механизм, построенный на тонком балансе сил пружин и давления топлива и его дросселировании в тонких каналах. Качество нашей солярки известно, поэтому на долгое поддержание этого баланса можно не рассчитывать.

2.5. Система управления

Схема системы управления двигателем. 1 - датчик положения педали акселератора, 2 - от замка зажигания, 3 - сигнал стартера, 4 - сигнал кондиционера, 5 - от датчика скорости, 6 - от генератора, 7 - от разъема DLC3, 8 - электронный блок управления двигателем, 9 - топливный бак, 10 - датчик температуры топлива, 11 - топливный фильтр, 12 - ТНВД, 13 - клапан SCV, 14 - датчик давления топлива, 15 - топливная рампа, 16 - промежуточный охладитель (интеркулер), 17 - реле блока управления форсунками, 18 - блок управления форсунками (усилитель форсунок), 19 - расходомер воздуха, 20 - датчик атмосферной температуры, 21 - клапан EGR, 22 - форсунка, 23 - охладитель EGR, 24 - пневмопривод управления турбокомпрессором, 25 - датчик положения распределительного вала, 26 - клапан управления разрежением (пневмопривода турбокомпрессора), 27 - вакуумный насос, 28 - датчик температуры охлаждающей жидкости, 29 - датчик положения коленчатого вала, 30 - дроссельная заслонка, 31 - датчик температуры воздуха на впуске, 32 - датчик давления наддува, 33 - электропневмоклапан датчика давления наддува, 34 - свеча накаливания, 35 - реле свечей накаливания.

Расположение компонентов. 1 - датчик давления топлива, 2 - электропневмоклапан (датчика давления наддува), 3 - свеча накаливания, 4 - усилитель форсунок, 5 - датчик положения распределительного вала, 6 - электронный блок управления двигателем, 7 - форсунка, 8 - расходомер воздуха, 9 - датчик давления наддува, 10 - разъем DLC3, 11 - датчик положения педали акселератора, 12 - клапан EGR, 13 - датчик температуры воздуха на впуске, 14 - дроссельная заслонка, 15 - датчик температуры охлаждающей жидкости, 16 - клапан управления разрежением, 17 - датчик положения коленчатого вала.

Система управления стала практически полностью электронной. Педаль акселератора больше не связана механически с ТНВД (ее положение контролируется датчиком), на шкивах коленвала и распредвала появились, соответственно, датчики положения коленчатого и распределительного валов (первый также является и датчиком ВМТ).

Впрыск топлива в цилиндры осуществляется в две стадии - сначала небольшой заряд, затем основной, благодаря чему обеспечивается более равномерное нарастание давление в цилиндре, снижаются вибрации и шумы.

Управление системой рециркуляции отработавших газов и дроссельной заслонкой осуществляется не пневмоприводами, а электродвигателями.

1 - дроссельная заслонка, 2 - привод дроссельной заслонки, 3 - клапан EGR, 4 - охладитель EGR, 5 - выпускной коллектор, 6 - впускной коллектор, 7 - электронный блок управления двигателем.

Применение турбокомпрессора с "изменяемой геометрией" позволило управлять давлением наддува в зависимости от условий работы двигателя (частота вращения, объем впрыскиваемого топлива, атмосферное давление, температура охлаждающей жидкости).

Датчик давления наддува способен измерять и барометрическое давление - для этого служит электропневмоклапан, переключающий забор воздуха на атмосферу в те моменты, когда не происходит впрыск топлива (на холостом ходу или при замедлении).

1 - электронный блок управления двигателем, 2 - пневмопривод турбокомпрессора, 3 - датчик давления наддува, 4 - электропневмоклапан, 5 - вакуумный насос, 6 - клапан управления разрежением.

Появились и новые диагностические коды, ранее не встречавшиеся на тойотовских дизелях:
34 (2) - Система турбонаддува
34 (3) - Привод лопаток турбокомпрессора (заклинивание в закрытом состоянии)
34 (4) - Привод лопаток турбокомпрессора (заклинивание в открытом состоянии)
51 - Цепь выключателя стоп-сигналов
71 - Цепь управления EGR
89 - Блок управления электрооборудованием кузова

2.6. Генератор
В 2000-2002 годах Toyota начала переход на генераторы нового типа.
Новый статор выполнен по схеме "сегментный проводник", где вместо одной непрерывной обмотки в тело статора внедрены спаянные между собой сегменты. В результате снизилось сопротивление и уменьшились размеры статора.


Второе нововведение - наличие двух обмоток, фазы которых смещены друг относительно друга на 30 градусов, благодаря чему повышается стабильность выходного напряжения и уменьшаются электромагнитные наводки.

1 - регулятор напряжения, 2 - замок зажигания, 3 - блок управления двигателем, 4 - индикатор зарядки АКБ.
Кроме того, в шкив генератора установлена обгонная муфта, позволяющая снизить воздействие на ремень в переходных режимах. А натяжение ремня осуществляется хитроумным автоматическим натяжителем.

Следующими тойотовскими двигателями с Common Rail стали 1KD-FTV и 2KD-FTV, пришедшие на смену дизелю 1KZ-TE. Первый из этих двигателей известен по японским и европейским моделям Land Cruiser Prado (KDJ95, KDJ125) и HiLux Surf (KDN185, KDN215), второй - популярен на европейских Dyna, HiAce, HiLux.
Двигатель 1KZ-TE1KD-FTV2KD-FTV
Рабочий объем, см3298229822492
Мощность, л.с.130/3600166-170/3400102-120/3600
Крутящий момент, Нм331/2000410/1800-2600200-320/
1600-2400
Степень сжатия23,018,418,5
Диаметр цилиндра, мм969692
Ход поршня, мм10310393,8

Новый трехлитровый дизель очень заметно прибавил в характеристиках, вплотную приблизившись к бензиновым двигателям того же объема по мощности и значительно превосходя их по моменту. Однако надо сразу отметить, что по динамическим показателям машина с таким мотором по-прежнему им ощутимо уступает.

Нетрудно догадаться, что двигатели KD унаследовали ряд конструктивных особенностей от двигателя 1KZ, а по топливной системе очень похожи на 1CD-FTV. Так что постараемся останавливаться подробнее только на значимых отличиях двигателей KD.

1.1. Головка блока цилиндров. Как и 1CD-FTV, моторы KD получили по 4 клапана на цилиндр, два распредвала и неразделенные камеры сгорания (непосредственный впрыск топлива в цилиндр).

1.2. Поршень. Поршень нового двигателя содержит в себе камеру сгорания, канал охлаждения и вставку по верхнее кольцо (нирезистовую для 2KD и из спецсплава для 1KD).


1.3. Привод ГРМ. Сложный шестеренно-ременный привод ГРМ с балансирными валами сохранился от двигателя 1KZ, а дополнительно появившийся распредвал приводится обычной шестеренной передачей от своего "напарника". Заменять ремень рекомендуется каждые 150.000 км.

1 - шкив распредвала, 2 - шестерня балансирного вал №1, 3 - шестерня масляного насоса, 4 - шестерня коленчатого вала, 5 - шестерня балансирного вал №2, 6 - шестерня привод ТНВД, 7 - шестерня вакуумного насоса, 8 - промежуточная шестерня, 9 - ведущий шкив ГРМ, 10 - гидронатяжитель, 11 - ремень привода ГРМ.

1.4. Впуск и выпуск. Система впуска представляет собой весьма сложную комбинацию различных механизмов, которая сделала бы честь любому бензиновому двигателю.

1 - воздушный фильтр, 2 - расходомер воздуха, 3 - промежуточный охладитель (интеркулер), 4 - клапан EGR, 5 - привод дроссельной заслонки, 6 - охладитель EGR, 7 - впускной коллектор, 8 - турбокомпрессор, 9 - резонатор.

Все 1KD оснащены воздухо-воздушным интеркулером (промежуточным охладителем), а вот большинство вариантов 2KD этого устройства лишены.

Во впускном тракте установлена дроссельная заслонка с электронным управлением, которая при работе двигателя служит для регулирования перепуска отработавших газов, а в момент глушения мотора закрывается, снижая уровень шума и вибраций.

Впускной коллектор 1KD оборудован механизмом изменения геометрии - заслонки с пневмоприводом, по принципу действия полностью сходные с бензиновыми двигателями LeanBurn. На низких оборотах один из впускных каналов перекрывается, в результате поток формирует вихрь на входе в цилиндр.

1 - пневмопривод, 2 - заслонки клапана SCV, 3 - перепускной канал. 1 - впускной клапан, 2 - заслонка клапана SCV, 3 - впускной коллектор, 4 - пневмопривод, 5 - вакуумный насос, 6 - электропневмоклапан.

1.5. Турбокомпрессор. На двигателе 1KD используется тот же принцип изменения геометрии турбины, что и на 1CD-FTV, однако вместо пневмопривода здесь установлен электродвигатель, а обратная связь осуществляется при помощи датчика положения направляющих лопаток.

1 - колесо турбины, 2 - электродвигатель, 3 - датчик положения лопаток, 4 - шестеренный механизм привода, 5 - тяга электропривода, 6 - ограничитель, 7 - тяга, 8 - направляющие лопатки.

Двигатель 2KD имеет классическую турбину постоянной геометрии с обычным механизмом перепуска газов (waste gate).

1 - вязкостный нагреватель, 2,7 - промежуточный шкив, 3 - насос ОЖ, 4 - коленвал, 5 - натяжитель, 6 - генератор, 8 - кондиционер.

1.6. Привод навесных агрегатов. В стремлении сделать привод всего навесного оборудования одним общим ремнем, тойотовские инженеры не побили рекорд Chrysler и VW по числу шкивов, но сделали схему максимально сложной и перегружающей ремень. К тому же, заклинивание любого из шкивов автоматически означает полную неподвижность машины из-за остановки насоса охлаждающей жидкости.
На свежих тойотовских дизелях появилось довольно интересное устройство - дополнительный вязкостный нагреватель.
1 - двигатель, 2 - опора, 3 - ЭБУ двигателя, 4 - электропневмоклапан.

1.7. Опоры двигателя. Тойотовцы решили перенять традиции установки регулируемых опор у других японских производителей. Трудно сказать, действительно ли имело смысл строить еще одну вакуумную систему с электронным управлением и насколько она эффективна, но по крайней мере предполагалось получить двойной эффект - с одной стороны минимизировать вибрации на холостом ходу, с другой - повышать "жесткость" установки силового агрегата при активной езде.

2.1. Топливная система. На двигателях KD используется схема Common Rail, во многом аналогичная используемой на 1CD-FTV. Максимальное давление топлива здесь еще больше - до 1600 атмосфер.

2.2. ТНВД. Топливный насос Common Rail серии KD несколько отличается от ТНВД двигателя 1CD-FTV.

1 - трубка возврата топлива, 2 - к топливной рампе, 3 - от топливного фильтра, 4 - датчик температуры топлива, 5 - клапан SCV (э/м перепускной клапан).
1 - плунжер, 2 - нагнетательный клапан,
3 - кулачок, 4 - подкачивающий насос.
Здесь насос также двух-плунжерный, но уже однокамерный, а привод осуществляется более традиционным способом - при помощи центрального вращающегося кулачка.
1 - клапан SCV, 2 - плунжер, 3 - кулачок,
4 - к рампе.
На такте всасывания топливо поступает в напорную камеру через клапан SCV и открывающийся впускной обратный клапан, на такте нагнетания плунжер создает давление в напорной камере, впускной обратный клапан закрывается, выпускной - открывается, и топливо поступает в рампу. Второй плунжер работает аналогичным образом, но в противофазе с первым.
Объем поступающего к плунжеру топлива регулируется при помощи SCV, благодаря чему блоку управления удается поддерживать требуемое давление в топливной рампе.



2.2. Форсунки. Форсунки двигателей KD аналогичны по конструкции и принципу действия форсункам 1CD-FTV. Стоит заметить, что даже такая процедура, как их замена, на двигателях Common Rail усложнилась значительно - каждая форсунка имеет свою точно выверенную подачу, указанную в маркировке как корректирующий код, поэтому после их установки требуется обязательно перепрограммировать ЭБУ двигателя.

1 - электромагнитный клапан, 2 - управляющая камера, 3 - плунжер, 4 - игла.

2.3. Система управления. Серия KD внесла разнообразие и в диагностические коды тойотовских двигателей:
49 (P0087) - Слишком низкое давление топлива в рампе
78 (P0088) - Слишком высокое давление топлива в рампе
78 (P0093) - Утечка в топливной магистрали высокого давления
49 (P0190,2,3) - Датчик давления в рампе
97 (P0200) - Цепь форсунок
78 (P0627) - Цепь управления топливным насосом
78 (P1229) - Топливная система
89 (P1601) - Корректирующий код форсунок (ПЗУ)

Расположение компонентов. 1 - форсунка, 2 - расходомер воздуха, 3 - свеча накаливания, 4 - привод управления геометрией турбины, 5 - датчик давления, 6 - датчик положения педали акселератора, 7 - датчик давления на впуске, 8 - клапан EGR, 9 - шаговый двигатель, 10 - ЭБУ двигателя, 11 - блок управления геометрией турбины, 12 - клапан SCV, 13 - регулятор давления, 14 - усилитель форсунок, 15 - датчик температуры охлаждающей жидкости, 16 - датчик температуры воздуха на впуске, 17 - датчик положения распределительного вала , 18 - датчик температуры топлива, 19 - датчик давления в рампе, 20 - датчик положения коленчатого вала. © autodata.ru