Jakie są rodzaje układów wtryskowych Common Rail (CR Bosch, Delphi, Denso, Siemens)

Układy wtryskowe Common Rail są stosowane przez różnych producentów i istnieją różne ich wersje opracowane przez różne firmy - oto kilka przykładów:
Układ CR Bosch: Bosch jest jednym z wiodących producentów układów wtryskowych Common Rail. Ich układ CR charakteryzuje się wysoką precyzją wtrysku, wysokim ciśnieniem paliwa i doskonałą kontrolą parametrów wtrysku.
Układ CR Delphi: Delphi to kolejny znany producent układów wtryskowych Common Rail. Układ CR Delphi również zapewnia wysokie ciśnienie wtrysku i precyzyjną kontrolę parametrów. Charakteryzuje się również niezawodnością i trwałością.
Układ CR Denso: Denso to japoński producent, który również oferuje układy wtryskowe Common Rail. Układ CR Denso cechuje się wysoką wydajnością, niezawodnością i dokładnym sterowaniem parametrów wtrysku.
Układ CR Siemens: Siemens (obecnie Continental) to kolejna firma produkująca układy wtryskowe Common Rail. Układ CR Siemens/Continental oferuje zaawansowane sterowanie wtryskiem paliwa, wysokie ciśnienie i precyzję wtrysku.
Wszystkie te firmy oferują różne warianty układów Common Rail, które mogą różnić się nieco w parametrach technicznych, konstrukcji i funkcjonalności. Każdy z tych producentów stara się zapewnić wysoką wydajność, oszczędność paliwa i niskie emisje spalin w swoich układach Common Rail.

Wysoko ciśnieniowe (zasobnikowe) układy wtryskowe Common Rail

W związku z nieustającym zmniejszaniem zużycia paliwa, zmniejszenia hałasu generowanego przez silnik wysokoprężny a także do zmniejszenia emisji szkodliwych substancji spalin do atmosfery, w życie wchodzą coraz to ostrzejsze wymagania, które głównie dotyczą układów wtryskowych. Dzisiejsze wymagania są tak zaostrzone, że układ wtryskowy może je spełnić tylko poprzez zaimplementowanie w nim najnowszych rozwiązań np. Bardzo dokładne rozpylenie paliwa w komorze spalania a także wielofazowość wtrysku (podczas jednego cyklu dochodzi do wielokrotnego wtrysku paliwa). Na obecną chwilę, jedynym układem który spełnia takie kryteria, jest zasobnikowy układ wtryskowy Common Rail. Jego główną zaletą w porównaniu z innymi układami jest to, że paliwo znajduje się cały czas pod wysokim ciśnieniem w zasobniku. Bardzo ważną rolę w układzie Common Rail pełnią wtryskiwacze, których są dwa rodzaje: wtryskiwacze elektromagnetyczne (są stosowane od samego początku powstania układu Common Rail) oraz wtryskiwacze piezoelektryczne (nowej generacji wtryskiwacze, stosowane od 2004 roku). Ważnym elementem obok wtryskiwaczy jest również sterownik EDC, który odpowiednio pozwala wykorzystać potencjał tego układu wtryskowego. Układ Common Rail jest powszechnie stosowanym układem wtryskowym w silnikach wysokoprężnych samochodów osobowych.

Rodzaje układów wtryskowych Common Rail

Zaostrzające się wymagania silników o zapłonie samoczynnym (ZS) spowodowały konieczność zwiększenia ciśnienia wtrysku, zmniejszenia czasu potrzebnego do uruchomienia wtryskiwacza a także konieczność ciągłego kształtowania krzywej przebiegu momentu obrotowego podczas pracy na różnych prędkościach obrotowych silnika. Wszystkie te zadania dały efekt, w postaci zmniejszonego zużycia paliwa, zmniejszenia emisji szkodliwych substancji a co najważniejsze, uzyskano znaczący wzrost mocy i momentu obrotowego silnika. To z kolei, spowodowało upowszechnienie się silników ZS na tak dużą skalę, że nawet niektórzy producenci decydują się na montaż takich jednostek w samochodach klasy wyższej, bądź z sportowym zacięciem (Audi SQ5 TDI).
Układ wtryskowy Common Rail Bosch, Delphi, Denso, Siemens (CR) należy do jednego z bardziej rozwiniętych układów wtryskowych w historii. Głównymi zaletami tego układu jest możliwość zmiany i dostosowania ciśnienia a także chwili wtrysku. Zrealizowano między innymi, poprzez separację pompy wysokiego ciśnienia od wtryskiwaczy.
Zastosowanie:
Zasobnikowy układ wtryskowy CR (Common Rail) zastosowany został w pojazdach:
Osobowych: od bardzo oszczędnych, wyposażonych w silniki o pojemności tylko 0.8 litra, które generują około 41 KM i 100 Nm przy średnim zużyciu paliwa wynoszącym około 3.5 l/100 km, aż do samochodów wysokiej klasy, w których pojemność silników oscyluje w granicy 4 litrów, a produkują 245 KM i aż 560 Nm.
Lekkie użytkowe: których silniki osiągają zazwyczaj moc 41 KM z jednego cylindra.
Ciężkie użytkowe lokomotywy, jednostki pływające: ich silniki generują 272 KM z jednego cylindra.

Zasobnikowy układ wtryskowy CR zdjęcie:

Układ wtryskowy CR ma dużo zalet w porównaniu z tradycyjnymi układami wtryskowymi, np.:
O wiele wyższe ciśnienie wtrysku, ok. 180 MPa, a w najnowszych rozwiązaniach nawet 200 MPa;
Możliwość dostosowania ciśnienia w zależności od warunków pracy silnika;
Zmienny początek wtrysku;
Możliwość realizacji wtrysku wielokrotnego.
Dzięki zastosowanym rozwiązaniom (wymienione wyżej), zasobnikowy układ wtryskowy Common Rail pozwolił na znaczne zwiększenie mocy, zmniejszenie zużycia paliwa, zmniejszenia emisji szkodliwych substancji a także do znaczącego zmniejszenia hałasu generowanego przez silnik.

Jak zbudowane są układy wtrysku Common Rail

W sterowaniu silnikiem z układem wtryskowym CR biorą udział trzy różne układy:
Obwód niskiego ciśnienia z elementami zasilania paliwem;
Obwód wysokiego ciśnienia z pompą wysokiego ciśnienia, zasobnikiem ciśnienia, wtryskiwaczami i przewodami wtryskowymi;
Elektroniczny układ sterowania EDC z czujnikami, sterownikiem oraz nastawnikami.

Elektroniczny układ sterowania EDC:

Jednym z najważniejszych elementów w całym układzie wtryskowym CR są bez wątpienia wtryskiwacze, które mogą być elektromagnetyczne bądź piezoelektryczne, odpowiedzialne są za otwieranie i zamykanie rozpylacza. Powoduje to możliwość regulacji wtrysku dla każdego cylindra oddzielnie. Wtryskiwacze są połączone z zasobnikiem paliwa wysokiego ciśnienia, od którego wywodzi się również nazwa układu Common Rail (ang. wspólna szyna). Cechą rozpoznawalną tego układu jest możliwość precyzyjnego dostosowania ciśnienia paliwa do każdej prędkości obrotowej silnika. Regulacja tego ciśnienia może odbywać się poprzez regulator ciśnienia na szynie lub poprzez dozownik paliwa.

Jak działa układ wysokiego ciśnienia CR

W układzie wtryskowym CR, proces tworzenia ciśnienia a wtrysk paliwa jest rozdzielony. Ciśnienie wtrysku jest generowane niezależnie od prędkości obrotowej silnika oraz dawki paliwa. Poszczególnymi elementami steruje sterownik EDC.

Jak powstaje ciśnienie w układach Common Rail

Rozdzieleniu procesu wytwarzania ciśnienia a wtrysku paliwa sprzyja duża objętość zasobnika, w którym cały czas znajduje się paliwo pod wysokim ciśnieniem, które jest cały czas gotowe do wtrysku. Dzięki temu rozwiązaniu, moment tłoczenia jest równomierny, co sprzyja napędowi pompy wysokiego ciśnienia, która w przypadku pojazdów osobowych występuje jako promieniowa tłoczkowa, a w przypadku pojazdów użytkowych jak rzędowa.

Co powoduje regulację wysokiego ciśnienia systemie CR

W układach wtryskowych CR zastosowanych w pojazdach osobowych, ciśnienie paliwa jest regulowane za pomocą zaworu regulacyjnego, umieszczonego w obwodzie wysokiego ciśnienia. Paliwo, które zostanie niewykorzystane do wtrysku, powraca do obwodu niskiego ciśnienia poprzez zawór regulacyjny ciśnienia. Pozwala to na bardzo szybkie dostosowanie ciśnienia do danych warunków pracy silnika. Regulacja tego typu była stosowana w pierwszych układach wtryskowych CR. Zawór regulacyjny ciśnienia często był montowany na zasobniku paliwa, a czasami nawet bezpośrednio na pompie wysokiego ciśnienia.

Inny rodzaj regulacja dawki od strony zasysania paliwa

Kolejną możliwością regulacji ciśnienia paliwa w zasobniku jest regulacja dawki od strony zasysania paliwa. Dozownik, umieszczony jest zazwyczaj na obudowie pompy wysokiego ciśnienia, odpowiedzialny jest za dokładne tłoczenia dawek paliwa do zasobnika, utrzymując przy tym wymagane przez układ wtryskowy ciśnienie. Zawór redukcyjny pełni funkcję zabezpieczenia przed zbyt wysokim ciśnieniem w zasobniku paliwa. Przedstawiony sposób regulacji powoduje mniejszy pobór mocy z silnika na napęd pompy wysokiego ciśnienia, co z kolei przekłada się na mniejsze zużycie paliwa. Przy tego typu regulacji, temperatura paliwa powracającego jest znacznie niższa, niż w przypadku regulacji w obwodzie wysokiego ciśnienia.

Rozpylacze - wtrysk paliwa w układzie CR

Wtryskiwacze mają za zadanie bezpośrednio dostarczyć paliwo do komory spalania. Paliwo pobierają z zasobnika, z którym są połączone krótkimi przewodami wysokiego ciśnienia. Wtryskiwacz zbudowany jest z rozpylacza i zaworu elektromagnetycznego szybkiego działania, który steruje pracą rozpylacza. Zawór jest z kolei sterowany przez sterownik silnika. Dawka wtryskiwanego paliwa zależy od czasu otwarcia rozpylacza a także od ciśnienia w układzie wtryskowym. Wtryskiwana dawka paliwa jest wprost proporcjonalna do czasu otwarcia elektromagnetycznego zaworu.

Jakie są możliwości zwiększenia mocy systemów Common Rail

Dzięki rozdzieleniu procesu wytwarzania ciśnienia a wtrysku możliwe stało się ciągłe rozwijanie silników spalinowych poprzez dobór ciśnienia wtrysku do charakterystyki silnika. Maksymalne ciśnienie generowane przez układ CR to 180 MPa a w najnowszych układach już nawet 200 MPa. Układ wtryskowy CR dzięki zastosowaniu wtrysku wstępnego i wtrysku wielokrotnego, umożliwił dalsze zmniejszanie emisji szkodliwych substancji a także do znaczącej redukcji hałasu silnika ZS. Za pomocą szybkodziałającego zaworu elektromagnetycznego, możliwe jest wykonanie 5 wtrysków w trakcie jednego cyklu. Igła rozpylacza jest zamykana hydraulicznie, co znacznie skraca czas zakończenia wtrysku.

Sterowanie i regulacja

 Podstawowe funkcje, które realizuje układ wtryskowy CR to sterowanie wtryskiem paliwa, właściwym momentem wtrysku, dawką i wymaganym ciśnieniem wtrysku. Gwarantują tym samym pozytywne pod względem zużycia paliwa parametry.

Jak wygląda sterowanie, regulacja, działanie układu Common Rail

Sterownik silnika zbiera sygnały z czujników położenia pedału przyspieszenia a także informacje o chwilowych warunkach pracy silnika i prędkości pojazdu, takie jak:
- prędkość obrotowa i kąt obrotu wału korbowego silnia,
- ciśnienie paliwa w zasobniku wysokiego ciśnienia,
- ciśnienie doładowania,
- temperatury powietrza w kolektorze dolotowym, cieczy chłodzącej i paliwa,
- masa powietrza dopływającego do silnika,
- prędkość jazdy itp.
Sterownik silnika następnie przetwarza sygnały wejściowe i oblicza synchronicznie do kolejności pracy sygnały sterujące dla zaworu regulującego ciśnienie lub dozownika paliwa, wtryskiwaczy i pozostałych nastawników (elementów wykonawczych).
Wymagane krótkie czasy uruchamiania wtryskiwaczy można zrealizować poprzez zoptymalizowany zawór elektromagnetyczny wysokiego ciśnienia i specjalne sterowanie. Układ kątowo-czasowy sterownika oblicza chwilę wtrysku na podstawie sygnałów z czujników prędkości obrotowej wału korbowego i wału rozrządu. Elektroniczny układ EDC pozwala na precyzyjne dawkowanie wtrysku, a ponadto sterowanie dodatkowymi elementami, wpływającymi na komfort jazdy.

Zastosowanie silników wysokoprężnych

W początkowym okresie rozwoju motoryzacji, prym w napędzie samochodów wiodły silniki benzynowe, które stanowiły jedyne źródło napędu. Dopiero w 1927 roku, silnik wysokoprężny został po raz pierwszy zastosowany w pojazdach ciężarowych a w 1936 roku w samochodach osobowych. W pojazdach użytkowych był powszechnie używany ze względu na trwałość i mniejsze zużycie paliwa, ale w pojazdach osobowych to silniki benzynowe były najbardziej popularne. Aż do momentu wprowadzenia silników doładowanych z wtryskiem bezpośrednim, co zaowocowało nagłym wzrostem ich popularności a następnie ich ekspansję w samochodach osobowych. Na obecną chwilę, udział silników wysokoprężnych w nowo rejestrowanych pojazdach osobowych w Europie wynosi 50%.

Ekonomika

Zacząć należy od tego, że silniki o zapłonie samoczynnym w porównaniu z silnikami o zapłonie iskrowym, zużywają mniej paliwa co jest efektem większej sprawności silnika ZS. Kolejną kwestią, która ma znaczenie dla naszych portfeli jest fakt, że w wielu krajach UE, olej napędowy jest tańszy od benzyny. Dlatego ktoś, kto robi duże przebiegi wybiera samochód z silnikiem ZS pomimo jego większej nieco ceny.

Cichy przyjemny styl jazdy samochodami z silnikami diesla

Prawie każdy producent ma w swojej ofercie doładowane silniki wysokoprężne, które już przy bardzo małych prędkościach obrotowych osiągają duże napełnienie cylindra silnika. Pozwala to na większą dawkę wtrysku co z kolei przenosi się pozytywnie na przebieg i wartość momentu obrotowego. Jego korzystny przebieg pozwala czerpać większą przyjemność z jazdy. Nowej generacji silniki ZS wyzbyły się miana „klekoczącego dymiarza”.

Common Rail sprzyja środowisku naturalnemu (mała emisja spalin – filtry cząstek stałych PDF , FAP)

Duże zadymienie spalin to cecha charakterystyczna dla silników o starszej konstrukcji, która z kolei nie tyczy się już nowych silników ZS. Osiągnięto to poprzez ulepszony układ wtryskowy oraz zastosowanie elektronicznego sterowania (EDC). Umożliwiło to tworzenie bardzo dokładnych dawek paliwa i dostosowywanie ich do aktualnych warunków pracy silnika. Nowe silniki wysokoprężne bez trudu przechodzą najostrzejsze wymagania dotyczące czystości spalin. Katalizatory utleniające, eliminujące tlenek węgla i węglowodory ze spalin, są standardowym wyposażeniem aktualnie produkowanych pojazdów. Obecnie, na standardowym wyposażeniu samochodów z silnikami ZS, są filtry cząstek stałych, które wyłapują cząstki sadzy.

Typowa charakterystyka współczesnego silnika ZS:

Korekta i funkcje dawki paliwa CR 

Chcąc dopasować parametry wtrysku, stosuje się wiele funkcji korekcyjnych takich jak np.:
- dostosowanie dawki paliwa,
- kalibracja dawki zerowej,
- regulacja wyrównania dawki,
- dostosowanie średniej wielkości dawki.

Funkcje dodatkowe towarzyszące korektom wtrysku mające na celu poprawieniu parametrów silnika diesla z CR

Chcąc ograniczyć emisję szkodliwych składników spalin, zmniejszenia zużycia paliwa, przy zwiększeniu komfortu podróżowania, stosuje się dodatkowe funkcje sterująco-regulacyjne np.:
- regulacja recyrkulacji spalin (EGR),
- regulacja ciśnienia doładowania,
- regulacja prędkości jazdy,
- elektroniczna blokada silnika (immobilizer).
Dzięki połączeniu układu EDC z ogólnym układem sterowania pojazdu, stworzono wiele nowych możliwości np. wymiana danych z układem klimatyzacji.