Dlaczego stosujemy zasobnik (szyna) paliwa wysokiego ciśnienia Common Rail – naprawa, budowa jak działają. Bosch, Delphi, Denso, Siemens

Zasobnik paliwa wysokiego ciśnienia, znany również jako szyna paliwa Common Rail, jest stosowany w silnikach wysokoprężnych w celu dostarczenia paliwa do wtryskiwaczy w precyzyjny i kontrolowany sposób. W tradycyjnych układach wtryskowych, gdzie nie ma szyny paliwowej, ciśnienie paliwa jest generowane przez pompę wtryskową i jest zależne od obrotów silnika. W przypadku Common Rail, paliwo jest przechowywane w zasobniku pod wysokim ciśnieniem, niezależnie od obrotów silnika. Dzięki temu można osiągnąć bardziej precyzyjny i elastyczny wtrysk paliwa, co przekłada się na lepszą wydajność silnika, zmniejszenie emisji spalin i poprawę ekonomii paliwowej. Dzięki przechowywaniu paliwa pod wysokim ciśnieniem w zasobniku, pompie wtryskowej nie trzeba generować dużych impulsów ciśnienia przy każdym wtrysku. To zmniejsza hałas, który jest generowany przez tradycyjne układy wtryskowe, gdzie pompa musi generować wysokie ciśnienie za każdym razem. Można też zmieniać czas i ilość paliwa wtryskiwanego w każdym cyklu pracy silnika, co umożliwia optymalne dostosowanie do różnych warunków pracy. Poprawiona kontrola wtrysku umożliwia również bardziej efektywne spalanie paliwa, co może przyczynić się do zmniejszenia zużycia paliwa. Wszystkie te korzyści sprawiają, że szyna paliwa Common Rail jest popularnym rozwiązaniem w silnikach wysokoprężnych.

1. W jakim celu stosowane są zasobniki, szyny Common Rail?

Zasobnik paliwa wysokiego ciśnienia magazynuje paliwo przetłoczone z pompy wysokiego ciśnienia. Objętość zasobnika jest tak dobrana, że umożliwia tłumienie drgań ciśnienia powstających w wyniku tłoczenia paliwa przez pompę oraz wtrysku. W ten sposób zapewnione jest stałe ciśnienie przy otwarciu wtryskiwacza. Z jednej strony objętość zasobnika musi być na tyle duża, aby spełnić to wymaganie, a z drugiej strony musi być na tyle mała, aby zapewnić błyskawiczny wzrost ciśnienia podczas rozruchu silnika. W celu spełnienia podanych warunków podczas projektowania przeprowadza się odpowiednie obliczenia symulacyjne. Oprócz magazynowania paliwa innym zadaniem zasobnika paliwa jest rozdział paliwa do poszczególnych wtryskiwaczy.

Zasobnik paliwa:

1. Zasobnik paliwa
2. Przewód dopływu paliwa
3. Czujnik ciśnienia paliwa w zasobniku
4. Zawór regulujący ciśnienie w zasobniku
5. Odpływ paliwa z zasobnika
6. Wtryskiwacze
7. Wtrysk dawki paliwa do komory spalania

Zasobnik paliwa jest w kształcie rury z ogranicznikami przepływu (opcjonalnie) i możliwością wbudowania czujnika ciśnienia oraz zaworu regulującego ciśnienie w zasobniku.

2. Przebieg pracy i działanie

Sprężone dzięki pompie wysokiego ciśnienia paliwo wędruje do zasobnika paliwa, w którym jest magazynowane, a następnie zasila wszystkie wtryskiwacze. Stąd też nazwa tego układu (ang. Common Rail – Wspólna szyna). Chwilowe ciśnienie paliwa w zasobniku jest mierzone czujnikiem ciśnienia, wkręconym w zasobnik i regulowane do żądanej wartości zaworem regulacyjnym. Zawór redukcyjny ciśnienia jest stosowany w niektórych układach wtryskowych, a jego zadaniem jest ograniczenie ciśnienia paliwa w zasobniku do maksymalnie dopuszczalnej wartości. Za pomocą przewodów wysokiego ciśnienia, sprężone paliwo dostarczane jest do wtryskiwaczy. Objętość zasobnika jest stale wypełniona paliwem pod wysokim ciśnieniem. Występująca wskutek wysokiego ciśnienia ściśliwość paliwa jest wykorzystywana do uzyskania efektu magazynowania paliwa w zasobniku. Mimo pobierania z zasobnika paliwa niezbędnego do wtrysku, ciśnienie w zasobniku pozostaje w przybliżeniu stałe.

3. W jakim celu i dlaczego stosujemy czujniki wysokiego ciśnienia paliwa Common Rail

Czujnik wysokiego ciśnienia CR:

Czujnik ciśnienia paliwa w zasobniku mierzy ciśnienie w zasobniku układu wtryskowego CR. Maksymalne ciśnienie robocze w tym układzie wynosi 200 MPa. Ciśnienie paliwa, regulowane w obwodzie regulacji, jest niezależne od obciążenia i prędkości obrotowej oraz w przybliżeniu stałe. Ewentualne odchylenia od wartości znamionowej wyrównuje zawór regulacyjny ciśnienia.

W silnikach iskrowych o wtrysku bezpośrednim czujnik ciśnienia paliwa mierzy ciśnienie w zasobniku układu bezpośredniego wtrysku benzyny MED-Motoronic, które niezależnie od obciążenia i prędkości obrotowej wynosi 5 – 20 MPa. Zmierzona wartość ciśnienia jest następnie porównywana z ciśnieniem znamionowym, co stanowi podstawę do regulacji ciśnienia w zasobniku. Niezależna od prędkości obrotowej i obciążenia wartość znamionowa ciśnienia jest zapisana w sterowniku komputera, gdzie może być tylko odczytywana w celu porównania z aktualnymi wartościami ciśnienia. Wartość tę można zmienić poprzez zawór regulacyjny ciśnienia w zasobniku.

Czujnik wysokiego ciśnienia mierzy ciśnienie płynu hamulcowego w modulatorze hydraulicznym układów bezpieczeństwa jazdy, które zazwyczaj wynosi 25 MPa. Maksymalne ciśnienie może wzrastać do 35 MPa. Pomiar ciśnienia i jego nadzór są realizowane przez sterownik, który wykorzystuje tę informację zmierzone przez czujnik.

Rdzeń czujnika stanowi stalowa przepona z umieszczonymi na niej tensometrami pomiarowymi. Zakres pomiaru czujnika jest zależny od grubości tej przepony (grubsza przepona dla wyższych ciśnień, cieńsza dla niższych). Jeśli mierzone ciśnienie przez kanał działa na jedną stronę przepony, wskutek jej odkształcenia rezystory zmieniają swoją rezystancję (ok. 20 µm przy 150 MPa). Następnie wytworzone napięcie wyjściowe 0 – 80 mV jest doprowadzane przy pomocy przewodów do układu przetwarzającego czujnika, gdzie sygnał zostaje wzmocniony do 0 – 5 V i przesyła go do sterownika, który na tej podstawie oblicza wartość ciśnienia za pomocą zapisanej w jego pamięci charakterystyki.

4. Jak możemy regulować ciśnienie paliwa - zawór regulacyjny ciśnienia paliwa Bosch. Analogicznie działają zawory ciśnienia paliwa Delphi, Denso, Siemens

Zadaniem zaworu regulacyjnego ciśnienia jest ustalanie i utrzymywanie stałego ciśnienia w zasobniku paliwa niezależnie od obciążenia i prędkości obrotowej silnika. Regulacja trwa w następujący sposób:
- przy zbyt wysokim ciśnieniu zawór otwiera się, co powoduje, że część paliwa opuszcza zasobnik paliwa i trafia bezpośrednio do zbiornika paliwa,
- przy zbyt niskim ciśnieniu zawór zamyka się, co powoduje odcięcie obwodu niskiego ciśnienia od obwodu wysokiego ciśnienia.

Zawór regulacyjny ciśnienia jest mocowany do pompy wysokiego ciśnienia lub zasobnika paliwa. Kotwica zaworu dociska kulkę zaworu do gniazda, odcinając tym samym obwód wysokiego ciśnienia od obwodu niskiego ciśnienia. Docisk kotwicy jest realizowany za pomocą sprężyny, której działanie wspomaga po włączeniu elektromagnesu dodatkowa siła działająca na kotwicę. W celu smarowania i chłodzenia, kotwica omywana się stale paliwem.

Zawór regulacyjny ciśnienia DRV1:

Zawór regulacyjny ciśnienia ma dwa układy regulacji:
- elektryczny układ regulacji wolnego działania,
- mechaniczno-hydrauliczny układ regulacji szybkiego działania.

Paliwo pod wysokim ciśnieniem w zasobniku lub na wyjściu pompy wysokiego ciśnienia dopływa do zaworu regulacyjnego ciśnienia. W związku z tym, że napięcie nie jest przyłożone do elektromagnesu, nie wywiera on żadnej siły, co powoduje, że parcie wynikające z ciśnienia paliwa jest mniejsze od siły sprężyny, zawór regulacyjny ciśnienia otwiera się w zależności od wydatku ciśnienia. Sprężyna jest odpowiednio dobrana by ustalać ciśnienie na poziomie 10 MPa.

W przypadku zapotrzebowania na większe ciśnienie w obwodzie wysokiego ciśnienia siła sprężyny musi zostać dodatkowa wspomagana przez elektromagnes. Zawór regulacyjny ciśnienia zostaje włączony i tym samym zamyka się aż do chwili osiągnięcia stanu równowagi między siłą parcia wynikającą z ciśnienia paliwa a siłami elektromagnesu i sprężyny. Zawór pozostając w pozycji otwartej, utrzymuje ciśnienie paliwa na stałym poziomie. Zmienny wydatek tłoczenia pompy oraz pobór paliwa z obwodu wysokiego ciśnienia przez wtryskiwacze jest wyrównywany różnym stopniem otwarcia zaworu. Siła elektromagnesu jest proporcjonalna do prądu sterującego. Zmiana tego prądu polega na modulacji szerokości impulsu. Częstotliwość taktowania jest dostatecznie wysoka, aby uniknąć zakłócających ruchów kotwicy oraz wahań ciśnienia w zasobniku paliwa.

W pierwszej generacji układów wtryskowych CR stosowany był zawór regulacyjny ciśnienia DRV1. Układy drugiej i trzeciej generacji działają według zasady dwóch nastawników, według której ciśnienie paliwa w zasobniku jest ustawiane przez dozownik oraz przez zawór regulacyjny ciśnienia. W tych układach stosuje się zawór regulacyjny ciśnienia DRV2 lub jego odmianę DRV3 dla wyższych ciśnień. Dzięki temu, paliwo mniej się nagrzewa, przez co można wyeliminować chłodzenie paliwa.
Zawór regulacyjny ciśnienia DRV2/3 różni się od zaworu DRV1 następującymi cechami:
- twarde uszczelnienie granicy wysokiego ciśnienia (krawędziowe),
- zoptymalizowany obwód elektromagnesu, przez co zmniejszono zapotrzebowanie na prąd,
- elastyczny sposób zabudowy (dowolne ukierunkowanie złącza elektrycznego).

Zawory redukcyjne ciśnienia

Uszkodzenie tego zaworu powoduje spadek ciśnienia na magistrali. Bardzo często ignorowany zawór w diagnostyce układu Common Rail, a ma on kluczowe znaczenie dla prawidłowego działania systemu CR w utrzymaniu prawidłowego ciśnienia na szynie. Sprawdzenie polega na wychwyceniu nieszczelności zaworu (przeciek paliwa na stronę powrotną, przelewową). Zawór redukcyjny ciśnienia ma taki sam cel do realizacji co zawór nadciśnieniowy z tym że, najnowsza generacja zaworów redukcyjnych posiada tryb awaryjny. Zawór redukcyjny poprzez otwieranie odpływu reguluje ciśnieniem paliwa w zasobniku. Wspomniany tryb awaryjny polega na tym, że w zasobniku paliwa pozostaje część paliwa, co pozwala na dalsze poruszanie się pojazdem, lecz z ograniczonymi mocno parametrami.

Zawór redukcyjny zbudowany jest z następujących części:
- korpusu z gwintem zewnętrznym do wkręcenia w zasobnik,
- złącza przewodu przelewowego do zbiornika paliwa,
- ruchomego tłoczka,
- sprężyny.

1. Zawór,
2. Tłoczek zaworu,
3. Obwód niskiego ciśnienia,
4. Korpus zaworu,
5. Sprężyna,
6. Podkładka.

Korpus posiada otwór od strony połączenia z zasobnikiem, który jest zamykany stożkowo zakończoną końcówką tłoczka w gnieździe wewnątrz korpusu. Gdy ciśnienie w zasobniku jest prawidłowe, sprężyna dociska tłoczek do gniazda, zamykając tym samym odpływ z zasobnika paliwa. W przypadku osiągnięcia ciśnienia maksymalnego siła parcia wynikająca z wysokiego ciśnienia paliwa działa na tłoczek, który zostaje przesunięty, skutkując otwarcie odpływu z zasobnika. Paliwo mogąc się rozprężyć, odpływa kanałem odpływowym z zasobnika paliwa, wędrując bezpośrednio do zbiornika paliwa. Efektem tego jest spadek ciśnienia paliwa w zasobniku.