Двигатель Toyota 1CD-FTV

Дизельный двигатель 1CD FTV, оснащенный непосредственным впрыском топлива Common Rail, был представлен корпорацией Toyota в 1999 году. Агрегат предназначался для установки на легковые автомобили. Одновременно началось производство унифицированного мотора 1KD с увеличенным объемом, который применялся на коммерческих машинах. К 2007 году выпуск силового агрегата 1CD прекратился.

Характеристики

Модификации

Моторные заводы Toyota выпускали несколько вариантов силовых агрегатов:

Применяемость

Toyota Avensis, первое поколение (T220)

Toyota Avensis, второе поколение (T250)

Toyota Corolla, восьмое поколение (E110)

Toyota Corolla, девятое поколение (E120, E130)

Toyota Corolla Verso, второе поколение (E120)

Toyota Corona, десятое поколение (T210)

Toyota Previa, второе поколение (XR30, XR40)

Toyota Rav 4, второе поколение (XA20)

Конструкция

Силовой агрегат 1CD FTV представляет собой рядный 4-цилиндровый дизель, оснащенный системой подачи воздуха под давлением. Конструкция блока предусматривает поперечное расположение в моторном отсеке. Мотор приспособлен к работе с механическими и автоматическими трансмиссиями.

Блок цилиндров

Мотор оснащен чугунным блоком, зеркала цилиндров выполнены непосредственно в теле отливки. На боковой поверхности имеются ребра жесткости. Сверху установлена алюминиевая головка блока, в которой расположены 2 распределительных вала. Каждый цилиндр имеет по 4 клапана, впускные и выпускные каналы разнесены по разным сторонам головки. В ней имеется форсунка, впрыскивающая топливо непосредственно в камеру сгорания. Для обеспечения легкого запуска при отрицательных температурах использованы свечи накаливания.

Алюминиевый поршень имеет камеру сгорания, выполненную в днище. Дополнительно сделаны выемки для тарелок клапанов. Верхнее компрессионное кольцо установлено в канавку, сформированную вставкой из износоустойчивого материала (нирезиста). В теле поршня имеется полость для дополнительного охлаждения, на юбку напылено антифрикционное покрытие. Стальной коленчатый вал имеет 5 опор, коренные и шатунные шейки закалены при помощи технологии ТВЧ.

Привод ГРМ

Привод газораспределительного механизма реализован посредством зубчатого ремня. Настройка натяжения автоматическая, выполняется при помощи гидравлического регулятора. Вращение от ременной передачи получает выпускной распредвал, вал впуска связан с ним шестеренной передачей. Привод ГРМ используется для вращения вала насоса высокого давления и масляной помпы.

На хвостовике выпускного вала расположен вакуумный насос. Изменение зазора между кулачком и толкателем клапана осуществляется при помощи шайб, которые устанавливаются на внешнюю поверхность толкателя.

Топливная система

На моторах 1CD FTV применяется оригинальный насос ТНВД, объединяющий в 1 корпусе несколько узлов. В состав конструкции входят: помпа подкачки топлива, модуль распределительных и управляющих клапанов и главный насос высокого давления (состоящий из 2 рабочих камер). В схеме насоса используется направляющий диск, выполненный в форме эллипса. Плунжеры насоса управляются внешней стороной диска, обеспечивая подачу топлива под давлением в специальную камеру. В топливном канале имеется клапан, предотвращающий обратный сток жидкости.

Дополнительные клапаны изменяют объем топлива, подаваемого в полость насоса. Конструкция позволяет поддерживать необходимое значение давления в полости рампы, которая применяется для подачи горючего на форсунки. Топливная рампа оснащена сенсором и предохранительным ограничителем давления, который настроен при производстве узла. Конструкция электронного сенсора не допускает повторной установки детали (не обеспечивается герметичность стыка).

Стекающее из рампы и форсунок топливо прогревается теплом от работающего двигателя. Для снижения температуры жидкости используется специальный модуль, расположенный под днищем автомобиля. Форсунки 1CD имеют электрогидравлическое управление, позволяющее поднимать рабочее давление впрыска. Из-за наличия в конструкции каналов с малым сечением устройство требует топлива высокого качества. Примеси и грязь засоряют протоки и выводят форсунку из строя.

Впуск и выпуск

Впускные каналы выполнены в виде съемного коллектора, имеющего воздуховоды различной длины. В конструкции имеется резонатор, снижающий шумность при работе двигателя. Дроссельный узел оснащен заслонкой с электрическим приводом, обеспечивающим точное регулирование потока.

Для понижения токсичности выхлопных газов применена система рециркуляции EGR, отводящая часть потока обратно на впуск, что позволяет снизить температуру в цилиндрах. Регулировка интенсивности выполняется шаговым электромотором, перемещающим шток клапана. Для снижения температуры отводимых выхлопных газов применяется охлаждение антифризом.

Для повышения давления в системе впуска используется турбокомпрессор. В конструкции узла отсутствует классический перепускной клапан для регулировки интенсивности наддува. Вместо него применены направляющие лопатки, которые изменяют скорость потока газов, подаваемых на рабочее колесо турбины. Лопатки размещены на специальном управляющем кольце, имеющем пневматический привод.

Для обеспечения работы нагнетателя на низких оборотах лопатки устанавливаются в закрытое положение, оставляя для потока газов небольшой зазор. Таким образом поддерживаются необходимые обороты и производительность компрессора в режиме холостого хода двигателя. По мере роста нагрузок колесо с лопатками поворачивается, изменяя скорость потока газов. При большой нагрузке каналы полностью открыты.

Система управления

В конструкции силового агрегата используется электронный блок управления двигателем. Педаль газа не имеет механической связи с системой подачи топлива. Вместо этого применены сенсоры и исполнительные электронные устройства. В конструкции мотора снижено число пневмоприводов, взамен используются шаговые электрические двигатели.

Для обеспечения работы электроники в бортовой сети установлен генератор с модернизированной схемой обмоток статора. Новая конструкция обеспечивает стабильное напряжение и пониженный уровень электромагнитных помех. В приводе ротора применена обгонная муфта, снижающая нагрузки на поликлиновый ремень привода.

Впрыск топлива в цилиндры выполняется в 2 шага — сначала подается небольшая порция топлива, а затем поступает основной объем. За счет этого удалось обеспечить равномерное увеличение давления в цилиндре, снизился шум при работе. В некоторых режимах основной объем топлива впрыскивается за несколько этапов.

Корректировка давления наддува выполняется в зависимости от внешних условий, температуры силового агрегата, количества подаваемого топлива и угла открытия дроссельной заслонки. В корпусе нагнетателя имеется специальный клапан, регулирующий подачу воздуха при движении накатом или работе на оборотах холостого хода. Проверка системы управления проводится при помощи диагностического оборудования. Из-за этого появились коды ошибок, ранее не применявшиеся компанией Toyota.

Система смазки

На моторе применена принудительная система смазки с подачей масла под давлением. Запас жидкости находится в стальном поддоне двигателя, оснащенном датчиком аварийного уровня. Разъем для подключения сенсора выведен на боковую поверхность поддона. Объем масла в моторе составляет 6,7 л, при замене требуется около 6,0 л.

В конструкции агрегата дополнительно применен жидкостный маслоохладитель и смонтированы форсунки, подающие жидкость на внутреннюю поверхность поршней. Масляный фильтр — сменной конструкции, устанавливается параллельно двигателю на специальном переходном патрубке.

Система охлаждения

Система охлаждения жидкостная, закрытого типа. Для циркуляции антифриза применяется насос, в контуре установлен термостат, регулирующий потоки жидкости. Расширительный бачок герметичный, с избыточным внутренним давлением. Для охлаждения сжатого воздуха в системе наддува применяется воздухо-воздушный интеркулер, установленный перед радиатором системы охлаждения.

Авто-потроха: что у машинок внутри?

Устройство и принцип действия автомобильных технологий, узлов и агрегатов

Дизель D-4D 1CD-FTV

Двигатель 1CD-FTV (бренд D-4D) является первым дизелем фирмы Toyota, выполненным по технологии Common Rail. Предназначен для замены предыдущих средних дизелей серии «C». Область его применения ограничена европейскими моделями Corolla (CDE110 и CDE120), Avensis (CDT220 и CDT250), Avensis Verso / Picnic (CLM20), Previa (CLR30), RAV4 (CLA20), т. к. на внутреннем рынке японцы практически отказались от дизелей на легковых автомобилях.

В отличие от обычных дизелей с ТНВД распределительного типа, в дизеле 1CD-FTV топливо подается при помощи ТНВД в общую топливную рампу и впрыскивается в цилиндры через форсунки с электронным управлением, аналогичные форсункам бензинового двигателя (см. «Common Rail: дизельный впрыск«). Ключевое отличие — давление впрыска (1350 атмосфер вместо обычных 200).

Характеристики 1CD-FTV

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.

Есть несколько вариантов этого же двигателя:

Конструкция 1CD-FTV

Топливная система

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.

Также применяется специальное устройство для охлаждения топлива (Fuel Cooler), которое расположено под днищем автомобиля.

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.

Топливная рампа

В топливной рампе установлен датчик давления топлива и механический ограничитель давления.

Датчик давления конструктивно выполнен одноразовым и не должен вворачиваться повторно, а регулировка ограничителя давления выполняется однократно еще на заводе.

Форсунки

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

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. При таком большом давлении в рампе простой электромагнитный клапан слишком слаб, 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.

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

Особенности впрыска

Двухфазный впрыск топлива призван максимально уменьшить выбросы вредных веществ. На рисунке ниже показана осциллограмма работы двигателя 1CD-FTV на холостом ходу:

По времени эти фазы впрыска топлива также различаются:

При предварительном («пилотном») впрыске топлива в камеру сгорания впрыскивается небольшое количество топлива (1 до 5 кубических миллиметров). Впрыск может осуществляться в пределах 90 градусов до ВМТ. Особенность: если впрыск происходит в пределах от 20 до 45 градусов до ВМТ, то в этом случае вполне возможен быстрый выход из строя самого двигателя, его механической части, так как при этих углах впрыска топливо не успевает испариться и в виде капель будет оседать на стенках цилиндра и поверхности поршня, что приведет к разжижению моторного масла.

Обычный «дизель» работает шумно и с копотью. Применение предварительного впрыска дает возможность получения более плавной «кривой» увеличения давления, что влияет и на шумность работы двигателя, и на выброс вредных отработавших газов. Это также уменьшает период задержки воспламенения основной фазы впрыска топлива.

Очень важное условие для снижения шумности двигателя играет точное временное и массовое дозирование топлива для первой фазы впрыска топлива (предварительный впрыск). В случае нарушения этих условий возрастает и шумность двигателя, и его дымность. Все это имеет своей конечной целью снижение выброса вредных отработавших газов.

При нажатии на педаль газа вид впрыска начинает меняться:

На изображении выше видно, как при нажатии на педаль газа двухфазный впрыск (позиция 1) переходит в однофазный (позиция 2). Меняется также и время между импульсами (см. ниже):

Время открытия форсунки при однофазном впрыске при 1250 RPM составляет 1.09 ms (погрешность измерений около 10 мкс):

Есть у этого двигателя знакомая нам по «обычному» впрыску т. н. «отсечка» (набираем обороты, а потом резко «бросаем» педаль газа):

«Отсечка» для разных регулировок тоже разная, но в принципе должна начинаться от 1800 оборотов и продолжаться до 1200 оборотов. А вот далее аналогию проводить уже нельзя, потому что после «отсечки» вид впрыска существенно отличается от «обычного»:

Мы видим «пачки» импульсов, при помощи которых система управления плавно переводит двигатель в работу на ХХ.

При запуске двигателя также используется двухфазный впрыск топлива:

Это позволяет добиться надежности «холодного» пуска двигателя, стабильности оборотов на еще «не горячем» двигателе и снижения эмиссии CH_x.
Временные показатели на рисунке не проставлены вследствии того, что они будут различными для различных температур, сортов «дизельного» топлива, применяемого моторного масла и так далее. По этим же причинам величина оборотов двигателя при «холодном» запуске будет также различная.

На рисунке указаны «двухфазный впрыск — 1» и «двухфазный впрыск — 2»:

Здесь все зависит от многих факторов, но основным является температура охлаждающей жидкости и температура топлива.

Система управления

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.

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).

Появились и новые диагностические коды, ранее не встречавшиеся на тойотовских дизелях:

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. Натяжение ремня осуществляется хитроумным автоматическим натяжителем.

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 распредвала. 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.

Если и раньше тойотовские турбодизели не отличались долговечностью головок, то как теперь покажут себя новые, с еще более тонкими перемычками клапанов — покажет время.

Блок цилиндров

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

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.

Коленчатый вал

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

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 (хорошо бы более надежный, нежели 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:

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.

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.

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).

Турбокомпрессор

Турбокомпрессор двигателя 1CD-FTV существенно отличается от традиционного.

Привычного механизма перепуска газов здесь нет, зато появилась система изменения геометрии, построенная на открытии-закрытии направляющих лопаток, через которые газ проходит к турбине (т. е. угол установки лопаток на турбине постоянный). 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.

Недостатки 1CD-FTV

В целом 1CD-FTV не содержит серьезных технических ляпов. Традиционное отсутствие ремонтных размеров делают двигатель практически одноразовым, но это уже скорее фирменный знак Тойоты.

Однако данный двигатель предназначен для использования в гейропе. Качество отечественного дизельного топлива очень нестабильно, в нем могут присутствовать вода и механические включения. Вода в виде мелкодисперсной смеси быстро выводит из строя форсунки. Мелкие инородные тела, попав в ТНВД, становятся превосходным абразивом, вызывая постепенную потерю давления в топливной системе и затем поломку насоса.

Также нарекания вызывает нестабильная работа датчика, отвечающего за давление масла в системе. При штатных показателях, определяемых тестовым манометром, датчик часто сигнализирует о аварийной ситуации.