Budowa wtryskiwacza Common Rail

Oto bardzo uproszczona lista elementów budowy wtryskiwacza systemu Common Rail:

• korpus wtryskiwacza
• krociec dolotu paliwa
• nakrętka i korpus rozpylacza
• krociec przelewu
• zawleczki
• cewka elektrozaworu
• elementy iglicy
• kołki ustalające
• uszczelki
• podkładki
• sprężyna zaworu
• zwora elektromagnesu
• elementy komory sterującej
• zespół kulki zaworu

Oczywiście elementy budowy wtryskiwaczy różnych producentów mogą się różnić. Podobnie znaczne różnice w budowie i mechanizmie działania będą prezentowały wtryskiwacze elektromagnetyczne i piezoelektyczne.

1. Historia powstania układu zasilania silnika Common Rail

  Świat diesli zmienił się w roku 1997, kiedy to dzięki współpracy włoskich inżynierów z Japończykami powstał układ zasilania silnika Common Rail. Innowacyjna zmiana w technologii wykorzystywanej w konstrukcji silników samozapłonowych doczekała się oczywiście odpowiedzi konkurencji, w postaci niemieckich pompowtryskiwaczy, ale biorąc pod uwagę, że pompowtryskiwaczy nie produkuje się już od niemal 10 lat, a Common Rail święci tryumfy, nietrudno domyślić się kto zwyciężył w tej batalii. Co sprawiło, że Common Rail przetrwał ekologiczną zawieruchę, co tak wyjątkowego jest w jego konstrukcji, że osiągi dotarły do pułapu nieosiągalnego dla żadnego innego systemy zasilania silnika? Zapraszam do treści artykułu, w którym postaram się wyjaśnić fenomen wtryskiwaczy Common Rail.

  Debiut Common Raila miał swoje miejsce w stajniach włoskiego Fiata w Alfie Romeo, a konkretnie w modelu 156 z silnikiem UniJet. Jak zapewne wiadomo pasjonatom, głównym czynnikiem determinującym właściwe parametry spalania w komorze silnika jest odpowiednie rozpylenie paliwa gwarantujące największą powierzchnię mieszanki paliwo-powietrze. Odpowiedzialnym za to parametrem jest ciśnienie wtrysku paliwa, które podawane jest przez wtryskiwacz do silnika. Do tej pory za zadanie to odpowiadały pompy jednostkowe i rozdzielaczowe, jednak wraz z wprowadzeniem Common Raila zadaniem tym miała zająć się pompa wysokiego ciśnienia. Osiągi pierwszych common rail dziś już nie zachwycają, mimo że na tamte czasy to był przełom technologiczny, ponieważ 150 MPa ciśnienia wtrysku nie osiągał żaden inny układ zasilania silnika diesla.

2. Najistotniejsze elementy układu Common Rail

Dla pełnego obrazu sytuacji, przed jaką postawił użytkowników pierwszy Common Rail należy opisać jego budowę. Common Rail składa się z 5 najważniejszych elementów:

• pompy niskiego ciśnienia
• pompy wysokiego ciśnienia
• zbiornika wysokiego ciśnienia
• wtryskiwaczy
• sterownika.

3. Pompa niskiego ciśnienia

  Pompa niskiego ciśnienia pracuje w zbiorniku paliwa, zazwyczaj umieszczona jest pod powierzchnią paliwa, dużo rzadziej znajdziemy ją na boku baku lub pod podwoziem. Przeważnie jest to prosta zębata elektryczna pompa, która jako czynnik chłodzący i smarujący wykorzystuje olej napędowy. Jeśli zadbamy o ilość paliwa w baku, producenci nie przewidują uszkodzeń podzespołu (mimo to, pompa ta jednak ma określoną żywotność), ponieważ to właśnie eksploatacja pojazdu przy jednoczesnym braku paliwa, powoduje uszkodzenia takie jak zatarcie łożysk lub nawet spalenie pompy. Zadaniem pompy niskiego ciśnienia jest zapewnienie pompie wysokiego ciśnienia odpowiedniej ilości czynnika tłoczonego oraz utrzymanie odpowiedniego ciśnienia wewnętrznego pompy, które powinno oscylować w okolicy 10 barów, aby zagwarantować prawidłową pracę pompy.

4. Pompa wysokiego ciśnienia

  Pompa wysokiego ciśnienia to prawdziwe serce całego układu zasilania silnika samozapłonowego. Zadaniem pompy wysokiego ciśnienia jest utrzymanie stałego chwilowego wysokiego poziomu sprężonego paliwa w zasobniku wysokiego ciśnienia. Pompy wysokiego ciśnienia różnią się swoją budową, zależnie od tego, jaka firma je produkowała. Na przykład pompa Bosch CP4 – najnowsza generacja pomp wysokiego ciśnienia wykorzystywanych w układzie Common Rail niemieckiej produkcji zbudowana jest następująco: na korpusie pompy umieszczone są tłoczki, które wprawiane w ruch za pomocą obracającego się na wałku napędowym pompy pierścieniu krzywkowym na mimośrodzie, sprężają paliwo i podają je przez przewody wysokiego ciśnienia do zbiornika. Natomiast na przykład pompa firmy Delphi, pracuje już w sposób zupełnie odmienny (prócz najnowszego modelu, który konstrukcję ma zbliżoną do pompy CP3). Sprężanie odbywa się w głowicy pompy, która jest nieruchoma, a pracę wykonuje kręcący się na rolkach zainstalowanych na głowicy kosz, wyposażony w krzywki, które naciskają na rolki, które naciskają na tłoczki, które powodują sprężanie paliwa. Niezależnie od budowy zadanie pompy jest identyczne, a mianowicie sprężenie paliwa do pożądanej wartości i przetłoczenie go do zbiornika wysokiego ciśnienia. Prawdę mówiąc, pompa wysokiego jest podzespołem najbardziej narażonym na zużycie ze względu na najintensywniejszą w układzie pracę i położenie w najbardziej newralgicznej części całego układu. Z powodu ciśnienia, do jakiego sprężane jest paliwo, które obecnie sięga nawet ponad 200 MPa, w pompie panują specyficzne warunki. Wysoka różnica ciśnień pomiędzy częścią wysokiego ciśnienia gdzie znajduje się paliwo już przetłoczone i częścią wewnątrz pompy powoduje, że pojawiają się uszkodzenia kawitacyjne. Uszkodzenia takie prowadzą do powstawania opiłków z łuszczącego się korpusu pompy, co w połączeniu z krystalizującą się w niskich temperaturach parafiną prowadzi do zwiększania oporów pracy, co może prowadzić do wzrostu temperatury pracy, wypalania tłoczków, a nawet zapychania się przewodów paliwowych.

5. Zbiornik wysokiego ciśnienia

  Zbiornik wysokiego ciśnienia to najtrwalszy ze wszystkich elementów z układu Common Rail, ponieważ jest w swojej konstrukcji najmniej skomplikowany i szczerze, to niewiele jest elementów, które mogą ulec uszkodzeniu. Zbiornik Common Rail, wspólna listwa, element, od którego nazwę wziął cały układ, składa się ze zbiornika wysokiego ciśnienia i króćców, 1 dopływowego z pompy wysokiego ciśnienia i odpływowych w ilości takiej, ile jest cylindrów. Listwa nie ma szczególnych zadań oprócz wytrzymywania wysokiego ciśnienia. Kontrola ilości paliwa pompowanego i wtryskiwanego to zadanie wspólne wtryskiwaczy, pompy i sterownika silnika, więc niewiele więcej można na temat zbiornika CR dodać.

Wtryskiwacze

  Najciekawszym elementem całego układu są wtryskiwacze. Jest to jeden z najmniejszych i najbardziej skomplikowanych podzespołów pracujących w silniku. Zadaniem wtryskiwaczy jest odpowiednie rozpylenie dawki paliwa w komorze spalania. "Odpowiednie" definiuje odpowiedni zasięg i kąt wierzchołkowy rozpylenia. Paliwo pod ciśnieniem trafia do komory w korpusie wtryskiwacza, następnie, dzięki sygnałowi ze sterownika otwierany jest zawór elektromagnetyczny (o piezoelektrykach za chwilę, temat to tak ciekawy, że wymaga należytego potraktowania), co oznacza, że pod wpływem działania elektromagnesu, talerzyk w korpusie wtryskiwacza przyciągany jest do magnesu, pokonując siłę sprężyny dociskowej, co zwalnia kulkę z zaworu kulowego, co umożliwia ruch trzpienia, co z kolei umożliwia podniesienie się iglicy w końcówce wtryskiwacza i dostęp sprężonego paliwa do otworków dyszy wtryskiwacza. Budowa końcówki wtryskiwacza, oprócz ciśnienia sprężonego paliwa i rodzaju zakończenia iglicy jest głównym czynnikiem określającym parametry wtrysku, takie jak kąt i zasięg wtrysku. Dysze dzielą się na jedno i wielootworkowe, a zakończenia iglic na zakończenia czopikowe (stożkowe i cylindryczne). W przypadku wtryskiwaczy piezoelektrycznych usunięto z konstrukcji elektrozawór, a jego zadanie wykonuje stos piezoelektryczny (kryształy kwarcu na przemian z metalowymi blaszkami), który pod wpływem stresu mechanicznego generuje ładunki elektryczne, które sterują siłownikiem piezoelektrycznym. Takie wtryskiwacze można znaleźć w najnowszych generacjach Common Rail. Charakteryzują się one dużo większą częstotliwością wtrysków paliwa na jeden cykl pracy tłoka. Ważną informacją jest, że we wtryskiwaczach elektromagnetycznych jest kilka elementów zwanych regulacyjnymi i najczęściej są to podkładki, które określają jaką wartością mają charakteryzować się ruchy elementów takich jak trzpień czy kulka zamykająca zawór pod talerzykiem, czego we wtryskiwaczach piezoelektrycznych nie znajdziemy. Są one zbyt precyzyjnie skonstruowane, żeby możliwy był demontaż. Najistotniejszym w konstrukcji wtryskiwacza jest dokładność jego wykonania (skok kulki nie przekracza 50 mikrometrów, a dobór podkładek określają różnice nawet 1 mikrometra), i to definiuje ich cenę, która, jak wiedzą wszyscy użytkownicy diesla, potrafi zaskoczyć. Aby uniknąć konieczności wymiany albo regeneracji podzespołu należy dbać o stan filtrów i jakość wykorzystywanego paliwa. Zanieczyszczenia obecne naturalnie w oleju napędowym działają w podobny sposób jak miażdżyca, stopniowo zmniejszając światło poprzez osadzanie się na ściankach kanalików parafiny, aż do całkowitego ich zamknięcia (co potęgują powstające w pompie paliwa opiłki).

  Nie ma sposobu, aby w pełni ustrzec się przed następstwami zanieczyszczeń oleju napędowego. Mimo że, diesle ogólnie uznawany jest za niezawodny, to niestety z układem zasilania silnika nie ma tak dobrej sytuacji. Pompowtryskiwacze miały fabrycznie zaplanowane 150 tysięcy przebiegu nim będą nadawały się do regeneracji bądź do wymiany, Common Rail niestety nie przekracza zazwyczaj 40 tysięcy i nadaje się przynajmniej do czyszczenia. Wspominając znów o kosztach wymiany, nie można, nie wspomnieć o regeneracji tego podzespołu. Wtryskiwacze można z silnika wymontować i wyczyścić, wymienić zużyte elementy i zamontować na powrót w silniku, a osiągi takiego regenerowanego podzespołu nie będą odbiegały od fabrycznie nowego. Jest to rozwiązanie tańsze niż wymiana i, co najważniejsze, skuteczne. Termochemiczne czyszczenie pod zwiększonym ciśnieniem, w połączeniu z myjką ultradźwiękową pozwala na pozbycie się parafiny i opiłków, uszczelnienia i podkładki wymienia się w celu odzyskania pierwotnej szczelności, a cewa elektromagnetycznego zamka może być wymieniana. Takiej możliwości we wtryskiwaczach piezoelektrycznych niestety nie ma, a cały proces regeneracji musi sprowadzić się do wyczyszczenia takiego wtryskiwacza.

6. Sterownik silnika - ECU

  Ostatnim elementem wchodzącym w skład systemu Common Rail jest sterownik silnika zwany ECU, czyli Electronic Control Unit, który kiedyś składał się z dwu sterowników – dla pompy i dla silnika, lecz w nowoczesnych systemach jest już tylko jeden. Odpowiada na przykład za pracę zaworu elektromagnetycznego, dawkę paliwa, czy interpretację informacji z czujników w silniku. Najczęstszą przyczyną nieprawidłowej pracy sterownika są skorodowane styki lub wypięcie się złącz, choć czasem uszkodzenia bywają znacznie poważniejsze i konieczna jest jego wymiana.