Układy wtryskowe wysokiego ciśnienia w silnikach HDI.docx

Układy wtryskowe wysokiego ciśnienia w silnikach HDI
Niniejszy materiał jest skondensowanym zbiorem przemyśleń i doświadczeń zebranym przez ok. 2 lata funkcjonowania forum. Ma na celu wyjaśnienie i praktyczne przybliżenie wysokiego i niskiego ciśnienia paliwa Klubowiczom, którzy mają z tym niejakie problemy. Po prostu artykuł „schodzi pod strzechy” i niczego nie owija w bawełnę. Nie jest podobny, mam nadzieję, do uczonego bełkotu różnych magików i wszelkiej maści mechesów, którzy „wiedzą, że dzwonią, tylko nie wiadomo w którym kościele”. Dlatego zapraszam do dyskusji i uzupełniania tematu przez Klubowiczów, chcących podzielić się własnymi doświadczeniami. Niech więc będzie to temat otwarty i dynamicznie rozwijany.

      W układach paliwowych Common Rail (CR), po polsku „wspólna szyna”, montowanych w silnikach HDI (High Diesel Injection – wysokociśnieniowy wtrysk oleju napędowego), występują obecnie 3 systemy wtryskowe:
- BOSCH
- DELPHI
- SIEMENS
Przykładowy układ wtryskowy CR przedstawia rysunek poniżej.

Poszczególne systemy charakteryzują się jednolitą zasadą działania, polegającą na wytwarzaniu bardzo wysokiego ciśnienia paliwa (200-2000 bar, inaczej 20-200 MPa) przez pojedynczą lub kilka pomp wysokiego ciśnienia (10). Pojedyncza pompa wysokiego ciśnienia jest w stanie zasilić do 8 wtryskiwaczy. Przy większej ilości wtryskiwaczy stosuje się dwie lub więcej pomp, które tłoczą paliwo do osobnych zasobników. Ilustracją działania systemu CR jest film animowany YT pt.: Common Rail Systems and electro-hydraulic injectors.
       Pompy WC wszystkich typów i producentów posiadają z reguły maksymalnie trzy tłoczki promieniowe i cylinderki („pary precyzyjne”). Modyfikacje pomp polegają głównie na zmniejszaniu ilości tłoczków i cylinderków do dwóch, a nawet jednej pary, jak w pompie Bosch CP 4.1 (obrazek poniżej), przy zachowaniu maksymalnego, osiągalnego ciśnienia do 2000 bar (200 MPa).

 Działanie pompy CP4.1 pokazuje animacja YT tutaj.
Dzięki zastosowaniu pojedynczego tłoczka zmniejsza się o ponad 20% tarcie wewnętrzne, co pozwala uniknąć w znacznym stopniu groźnego zjawiska „zdzierania” warstewek metalu, wskutek braku właściwości smarnych oleju napędowego. Niedomaganie to znane jest w pompach z 3-ma tłoczkami jako wydzielanie złotych wiór (opiłek) metalu, które następnie krążą po całym obwodzie paliwowym poprzez system przelewowy do zbiornika. Po czym zasysane są z powrotem do układu wtryskowego, przyczyniając się do zakłóceń sterowania i regulacji wtrysku paliwa. Prowadzi to bezpośrednio do nierównomiernych obrotów, a także w skrajnym wypadku, do zatrzymania motoru na skutek zapychania się filtrów oraz sitek w elementach sterujących, jak: regulator wydatku i regulator ciśnienia.

 Istnieje również groźba zablokowania wszystkich wtryskiwaczy po kolei. Powodem jest brak możliwości sterowania wtryskiem przez komputer. Pierwotną przyczyną jest prawie zawsze zbytnia suchość paliwa, do którego dodawany jest denaturat, rozpuszczalnik, spirytus albo, omyłkowo, benzyna. Olej napędowy ma za zadanie bowiem, oprócz napędzania motoru, smarowanie i schładzanie całego układu. Nie ma osobnego obwodu smarowania olejem silnikowym, tak jak np. w siłowniach statkowych, silnikach maszyn budowlanych, itp.  Szkody powstałe w wyniku zdecydowanie celowej praktyki zależą od procentu dodatku do oleju napędowego. Przyjmuje się, że jeśli dolewka sięga 30%, powoduje emisję wiór w niewielkim stopniu. Widać w rezultacie na dnie filtra paliwa jako „złota mąka”. Wiórki występują pojedynczo i mają znikomy wpływ na zakłócenie obrotów. Jeżeli dodatku jest powyżej 30%, to im więcej, tym gorzej. Zwiększa się intensywność produkowania wiór przez pompę WC, co przekłada się na większe niebezpieczeństwo całkowitego zatarcia się pompy oraz zniszczenia wszystkich wtryskiwaczy z powodu zablokowania przepływu paliwa. Jeżeli zastosowane we wtryskiwaczach sitka (tzw. filtry sztabkowe) zatrzymują na sobie wióry, to jest szansa uratowania ich poprzez wymianę tych filtrów i następnie płukanie wtryskiwaczy. Przedostanie się wiór do dławików dopływu i odpływu paliwa  o średnicy ludzkiego włosa (patrz schematy wtryskiwaczy CR w dalszej części) doprowadza praktycznie do wyeliminowanie ich jako aparatów wtryskowych, zdolnych do sekwencyjnego wtrysku paliwa. Wtryskiwacze nadają się w najlepszym razie do regeneracji.
       Problem paliwa złej jakości zdaje się nie mieć końca, o czym świadczą tematy coraz częściej otwierane przez Klubowiczów. Jedyną szansą uratowania pompy WC przed zatarciem jest dolewanie prewencyjne na własną rękę do tankowanego paliwa środków smarnych, takich, jak w wątkach tutaj i tutaj. Można również użyć MIXOLU, znanego z silników 2-suwowych. Wykluczone jest natomiast dolewanie środków czyszczących, myjących, poprawiających zapłon zimą itd., dlatego, że właśnie zawierają aktywne rozpuszczalniki wysuszające paliwo.  Stosowanie tych płynów ma sens jedynie w "klasycznych" turbodieslach, gdzie ewentualny nagar (zakoksowanie) wtryskiwaczy powstaje przy relatywnie niższym ciśnieniu wtrysku (do 400 bar). Natomiast wtrysk pod ciśnieniem 2000 bar praktycznie wyklucza nagar. Raczej możemy się spodziewać kawitacji tj. wypłukiwania warstewek metalu z końcówek wtryskiwaczy itp. wskutek olbrzymiej siły przepływu paliwa. Wówczas nie tylko ewentualnie powstały nagar jest porywany przez wtryskiwane paliwo, ale również niszczona struktura powierzchni metalu, z jakiego zbudowana jest końcówka wtryskiwacza lub igła. W dłuższej perspektywie czasowej mówimy o zwiększeniu się luzów i przecieków wewnętrznych we wtryskiwaczach i nie tylko - spowodowanych właśnie korozją lub raczej erozją kawitacyjną.
     Niektórzy sceptycznie odnoszą się w ogóle do stosowania środków wspomagających smarowanie pompy WC, podczas gdy rzekomo, sam olej napędowy powinien im to zapewnić. Dodatkowe smarowanie ma się, jakoby, przyczyniać np. do zmniejszenia żywotności FAP (filtra cząstek stałych), ponieważ powstaje zbyt dużo sadzy, która zapycha te filtry. Otóż problem wyjaśnia się sam. Jeżeli tankuje się złe paliwo, to wydzielanie sadzy jest skrajnie większe, aniżeli  ze środkiem smarnym w niewielkich ilościach. Dolewka 30% rozpuszczalnika, w porównaniu z zaledwie 1% MIXOLU (0,5 l na 50 l paliwa w zbiorniku), jest oczywistą, bezdyskusyjną dysproporcją, co widać jako chmurę czarnego, białego lub burego dymu - w przypadku oszukańczych dolewek . Ale absolutnie nie dlatego, że ktoś dolał coś ratującego pompę WC, ale dlatego, że w paliwie jest rozpuszczalnik lub inny syf. Dodatek 1% środka smarnego (co jest przecież olbrzymią dawką), w ogóle nie wywołuje jakiegokolwiek mierzalnego zadymienia, co mogę poświadczyć osobiście, gdyż używam na co dzień LIQUI MOLY. Sonda mierząca zadymienie spalin, włożona do rury wydechowej, nie wykazuje podwyższenia współczynnika lambda.
      Tak więc na wszelki wypadek powinniśmy wozić stale ze sobą w bagażniku butelkę ze środkiem smarnym. Nigdy nie zaszkodzi to motorowi, wtryskiwaczom, itd., a uratuje pompę WC przed zatarciem czy produkowaniem wiór na własną i innych podzespołów zgubę.
Objawami zacierania się pompy WC słyszalnymi nawet dla niewprawnego kierowcy jest zwiększona hałaśliwość w okolicach pompy WC, a także charakterystyczne, "jękliwe" odgłosy, zwalniające lub przyspieszające w miarę zmian obrotów motoru. Można je nazwać „błaganiem o pomoc” przez pompę WC i w pełni oddaje to sens tego, o czym mowa.

Budowa pompy wysokiego ciśnienia (WC)
Bez wątpienia pompa WC (po angielsku High Pressure Pump) jest centralnym podzespołem w motorze HDI i nie tylko. Ma za zadanie wytworzyć bardzo wysokie ciśnienie paliwa przy pomocy od jednego do, maksimum, trzech tłoczków promieniowych (w pompie DELPHI  - 2-ch tłoczków wewnątrz „wirującej krzywki" lub 2-ch tłoczków promieniowych - III-cia generacja).
     Podczas rozruchu, ciśnienie osiągane przez pompy WC wszystkich producentów, wynosi 180-200 bar (18-20 MPa), przy 1,5-4 obrotów wału korbowego, sprawnym akumulatorze, rozruszniku oraz czujnikach wtryskowych, jak: czujnik temperatury cieczy chłodzącej, czujnik GMP i prędkości obrotowej wału korbowego, czujnik położenia wałka rozrządu, czujnik ciśnienia paliwa.
Po zapłonie i w czasie jazdy pompa WC dostarcza maksymalne ciśnienie od 1350 (I-sza generacja HDI) do 2000 bar (III-cia generacja).
Paliwo pod wysokim ciśnieniem przechodzi krótką rurką do zasobnika paliwa (5 – rys. 1).
Mózgiem jest sterownik wtryskowy (12), który steruje wtryskiem paliwa, wykonywanym przez wtryskiwacze, a także reguluje ciśnienie paliwa za pomocą generalnie dwóch zaworów: regulatora wydatku i regulatora ciśnienia.
      Pompa WC w systemie CR nie zasila bezpośrednio wtryskiwaczy, jak w klasycznym turbodieslu, o czym stale przypominam, ze względu na częste pomyłki, popełnianie nawet przez zawodowych mechaników. Nie bierze udziału w rozdzielaniu paliwa na wtryskiwacze. Nie podlega więc jakimkolwiek mechanicznym regułom rozrządu tj. np. blokowaniu w GMP, gdyż rolę „rozdzielacza wtrysków” paliwa na wtryskiwacze metodą elektrohydrauliczną (serwohydrauliczną) przejmuje całkowicie komputer.
      Ustawianie w układzie rozrządu jest niesłychanie ważne dla pomp rozdzielaczowych wtryskowych w "klasycznych" motorach z zapłonem samoczynnym, ponieważ pompa, oprócz wytwarzania ciśnienia (400-900 bar), rozdziela sekwencyjnie porcje paliwa dla każdego wtryskiwacza osobno, czterema rurkami po kolei. Od tego zależy czy motor pracuje cicho, równo i nie kopci. Jeżeli coś się przestawi w pompie rozdzielaczowej, np. krzywka przesunie się o pewien kąt, to wszystkie wtryskiwacze dostają paliwo albo za późno, albo za wcześnie. Mówimy zatem o regulacji pompy rozdzielaczowej w sensie synchronizacji rozrządu, faz wtrysku, itd. Natomiast pompa wysokiego ciśnienia systemu CR  nie posiada możliwości regulacji czy synchronizacji rozrządu, gdyż przekazuje (przetłacza) paliwo za pomocą jednej rurki do zasobnika (5). Nie może być zatem blokowana w GMP (Górny Martwy Punkt), gdyż to nie ma kompletnie sensu.
Pompę WC możemy porównać do każdej innej pompy przetłaczającej jak np. fekalii. Czy pompę fekalii ustawia się w jakimś rozrządzie?
Dlatego bardzo ważne jest przy wymianie lub ustawianiu rozrządu w silniku HDI, że blokada w GMP odbywa się w dwóch punktach (wał korbowy i wałek rozrządu), a nie trzech, jak w klasycznych dieslach.
     Pompa WC jest jakby sercem motoru, od której  zależy czy w ogóle samochód jedzie. Tak jak u człowieka, praca serca decyduje, czy on żyje, czy nie. Jeżeli pompa WC wytwarza dostateczne ciśnienie paliwa, to z pewnością jest ono wykorzystane znakomicie poprzez niezależne od rozrządu sterowanie wtryskiwaczami (1-4) przez komputer wtryskowy. Jeżeli jednak nie ma ciśnienia, to nie ma wtrysku, bo wtryskiwacze nie mają skąd wziąć paliwa. Dlatego mówimy, że pompa WC jest centralnym, strategicznym podzespołem motoru HDI, bez której nic nie funkcjonuje. Tak jak człowiek, którego spotyka zawał serca, często umiera. Krótko mówiąc, bezwzględnie najważniejsze jest, czy pompa WC jest całkowicie sprawna. Aby dobrze spełniała swoje zadanie musi mieć zapewnione dostateczne smarowanie ze strony paliwa.
W tym wypadku więc nie jest ważne czy wtryskiwacze produkują nagar lub czy podczas mrozów tworzy się parafina w ropie.  Nie możemy myśleć kategoriami silnika tradycyjnego, gdzie pompy wtryskowe posiadają osobne smarowanie obiegiem oleju silnikowego, a wtryskiwaczom dokucza nagar ze źle spalonego oleju napędowego.
      Dlatego jeszcze raz powracam do tej kwestii dla dobra nas, użytkowników HDI: najważniejsza jest pompa WC. Unikajmy zatem zbyt suchego paliwa. Starajmy się zapewnić jej maksymalne smarowanie, jak tylko to jest możliwe. Nie stosujmy środków poprawiających zapłon zimą. Nie dolewajmy do ON płynów czyszczących układy wtryskowe z nagaru. Wiemy już, że ta sprawa jest prawie niemożliwa do wystąpienia w CR – zbyt duże ciśnienia.
Poniżej zamieszczony jest rysunek schematyczny pompy WC tzw. I-ej generacji (motory 2,0 HDI 90/110 KM z układami wtryskowymi BOSCH i SIEMENS – lata 1997-2003). 

Charakterystycznym elementem pompy WC I-ej generacji BOSCH i SIEMENS jest zawór wyłączania 3-go tłoczka promieniowego (5). Jeżeli sterownik (12) zasila elektrycznie zawór (5), to trzpień naciskowy otwiera zawór wlotowy (7) i utrzymuje go stale w pozycji „otwarty”. Wówczas paliwo niskiego ciśnienia (kolor zielony) cały czas utrzymuje się na poziomie „niskie ciśnienie” i nie przechodzi przez zawór wylotowy (6) do przestrzeni wysokiego ciśnienia (kolor czerwony), mimo stale pracującego tłoczka (2). Zatem tłoczek nie jest fizycznie odłączany, jak sugeruje nazwa, lecz pracuje jakby bezproduktywnie. Z chwilą jednak wyłączenia zasilania zaworu (5) przez sterownik, trzpień naciskowy przestaje utrzymywać zawór wlotowy (7) w pozycji „otwarty”, który automatycznie, pod naporem narastającego ciśnienia od tłoczka, zamyka się, czyli uniemożliwia spadek ciśnienia. Odtąd tłoczek zaczyna normalnie przetłaczać paliwo do obwodu wysokiego ciśnienia. Ilustrują to 2 krótkie filmiki YT: tutaj i tutaj.
      Ten sposób regulacji ciśnienia paliwa i w pewnym sensie sterowania pompą WC występuje we wszystkich silnikach HDI do roku mniej więcej 2003. Jest dość kłopotliwym rozwiązaniem, ponieważ mamy stale do czynienia z udarowym działaniem pompy WC, która raz pracuje ze 100% wydajnością, a raz zmniejszoną o 1/3. O wyłączaniu i włączaniu 3-go tłoczka decyduje sterownik (12 – rys. 1) na podstawie mapy wtrysku, w zależności od chwilowego obciążenia silnika. 
      Po roku 2000 firma BOSCH, a za nią SIEMENS, modyfikują pompy WC, odchodząc od sekcji odłączania 3-go tłoczka. Zastępuje ją inny zawór elektromagnetyczny po stronie niskiego ciśnienia, nazywany rozmaicie przez producentów: dozownik niskiego ciśnienia lub zawór dławienia ssania, a w nomenklaturze programu diagnostycznego Peugeot Planet – regulator wydatku (4 - rysunek poniżej).

Po stronie wysokiego ciśnienia występuje zawór regulacyjny wysokiego ciśnienia (5, a w PP - regulator ciśnienia.
      DELPHI stosuje od początku regulator wydatku (3 - rysunek poniżej) jako jedyny i główny zawór regulacyjny ciśnienia sterowany elektrycznie przez komputer. Mechaniczny "zawór nadciśnieniowy" (5) spełnia rolę zaworu bezpieczeństwa i otwiera się powyżej 1600-1800 bar, w zależności od generacji.

 Jednak nie zawsze wszystko odbywa się tak jednomyślnie. Druga generacja Common Rail (2003-2007) charakteryzuje się dużymi zmianami w panującej modzie. Mianowicie, firma BOSCH i SIEMENS, odchodzą od regulacji po stronie wysokiego ciśnienia (zawór regulacyjny wysokiego ciśnienia), dając pierwszeństwo regulatorowi wydatku jako głównemu "moderatorowi" ciśnienia paliwa, naśladując tym samym DELPHI. ZRWC schodzi do roli mechanicznego zaworu nadmiarowego. Tłumaczy się to potanieniem kosztów, uproszczeniem regulacji ciśnienia paliwa, a także mniejszą modyfikacją programu komputera.
W sumie możemy spotkać kilka rozwiązań w tych samych motorach. Często nie jesteśmy w stanie odróżnić jednego patentu od drugiego. ZRWC w porównaniu do "zaworu nadciśnieniowego" rozpoznajemy po wtyczce i kablu elektrycznym.
Końcówka II-ej i III-cia generacja HDI przywraca do łask zawór regulacyjny wysokiego ciśnienia, jednak nie we wszystkich wersjach HDI. Pierwszeństwo w regulacji przypada nadal regulatorowi wydatku (1 – rysunek poniżej) z oczywistych powodów – obsługiwane jest niskie ciśnienie, a nie wysokie, wymagające znacznie większych sił.

  ZRWC (2) w pompach WC I-ej generacji jest zaworem podstawowym + sekcja odłączania 3-go tłoczka. Natomiast począwszy od II-ej generacji pozostaje zaworem wspomagającym dla "regulatora wydatku" (1), szczególnie w sytuacjach ekstremalnych, np. szybki upust paliwa, gdy zagrożony jest motor (nie człowiek). Chodzi np. o gwałtowne hamowanie, albo groźba pożaru, gdzie potrzebny jest szybki spadek ciśnienia w obwodzie wtryskowym.
ZRWC montowany jest niekoniecznie na pompie WC, tak jak w SIEMENS, lecz także w zasobniku (8 – rys. 1). Rozwiązanie to stosuje jedynie BOSCH. DELPHI, jak wspomniałem, od początku nie używa ZRWC. Na życzenie klienta jednak jest gotów do zamontowania ZRWC, z tym, że podraża to oczywiście koszty oraz komplikuje znacznie oprogramowanie. W wersjach podstawowych DELPHI wstawia zawór mechaniczny, który ma spełniać funkcję zaworu bezpieczeństwa (otwarcie przy przekroczeniu ciśnienia 1600-1800 bar).   
Poniżej zamieszczona jest fotka i schemat budowy zaworu regulacyjnego wysokiego ciśnienia, stosowany w układach wtryskowych BOSCH.

UWAGA! Regulacja i sterowanie ciśnieniem paliwa przy pomocy w/w zaworów elektromagnetycznych nie jest regulacją pompy WC (z wyjątkiem sekcji wyłączania 3-go tłoczka), mimo, iż są one zamontowane na niej.
Niezrozumienie tego prowadzi często do poważnych błędów diagnostycznych na zasadzie: „jak coś jest zamontowane na pompie, tzn. że to nią steruje i reguluje”.  Po czym wyciągane są mylne wnioski, że skoro występują zakłócenia ciśnienia paliwa, bo np. regulator ciśnienia (ZRWC) ma zapchane sitko, to winna jest pompa WC i dlatego trzeba ją wymienić. Jest to niewybaczalny mistake w diagnozie. Jeżeli ZRWC zamontujemy np. w zasobniku (8 – rys. 1), zamiast na pompie, to jego awaria skutkuje również wymianą pompy WC?
Możemy to porównać do działania spryskiwaczy ogrodowych albo pompy strażackiej. Jeżeli wyobrazimy sobie pompę pożarową jako pompę WC, jeden wąż podłączony do niej  i czwórnika jako rurkę paliwa prowadzącą do zasobnika, z którego wyprowadzone są cztery węże do sikawek jako rurki do wtryskiwaczy – to mamy typowy układ wtryskowy Common Rail (rys. 5).

Pompa pożarowa, tak jak pompa WC (1), wytwarza ciśnienie. Ciśnienie przechodzi odcinkiem węża (2) do czwórnika, tak jak w CR do zasobnika (3). Z czwórnika ciśnienie rozdziela się jednakowo na wszystkie cztery sikawki tak jak na wtryskiwacze (5). Jeżeli podczas gaszenia pożaru robi się dziura w odcinku węża (2), albo na pompie pożarowej (1), albo na czwórniku (3), albo na którymś wężu (4) doprowadzającym do sikawki, to spada ciśnienie w obwodzie, mimo, że pompa (1) pracuje bezbłędnie. Czyli ulega zakłóceniu ciśnienie, a nie szwankuje pompa. Jeżeli zatkamy dziurę palcem albo na pompie (1), albo w którymkolwiek miejscu na wężu (2 lub 4), to nie regulujemy pompy tylko ciśnienie. Palec staje się tym właśnie regulatorem ciśnienia (1a) lub wydatku (po stronie niskiego ciśnienia), a nie instrumentem regulacji pompy, mimo, że jest na niej zamontowany. W ten prosty sposób wyjaśniamy raz na zawsze, że palec (1a) możemy sobie wsadzić byle gdzie, a nawet w wiadome miejsce... To jednak niczego nie zmienia jeśli chodzi o wydajność czy sprawność pompy. Czyli per analogiam, używając dwóch palców z żelaznymi opuszkami do zatykania dziur jako kulek z kotwicami w regulatorach ciśnienia (1a) i wydatku (11 – rys. 1), sterujemy i regulujemy ciśnieniem paliwa w obwodzie wtryskowym lecz w żadnym wypadku nie regulujemy pompy WC. Mówiąc zatem obrazowo, sterowanie i regulacja ciśnienia paliwa przy pomocy zaworów elektromagnetycznych odbywa się na zasadzie „palca w dziurze”. Jeżeli jeszcze do „palca w dziurze” dołączymy elastyczną rurkę, to umożliwiamy odejście paliwa, żeby nie lało się na ziemię tylko do zbiornika. Mówimy wtedy, że jest to regulacja i sterowanie za pomocą przelewu. Typowe sterowanie za pomocą przelewu występuje we wtryskiwaczach, o czym będzie mowa.
      Twórcami wysokiego ciśnienia w pompie WC, jak wiadomo, są tłoczki (2 – rys. 6) i cylinderki (3), nazywane „parami precyzyjnymi”. 


Trick techniczny polega na tym, żeby nie narażając pompy na zatarcie, umożliwić jednocześnie wytwarzanie bardzo wysokiego ciśnienia. Zadanie to zdolne są wykonać jedynie tłoczki bez pierścieni uszczelniających, nie tak jak normalne tłoki silnikowe. Po prostu tłoczki są „gołe”, bez żadnych dodatkowych uszczelek  – identycznie jak tłoczki hamulcowe. Następnie tłoczki spasowuje się indywidualnie z cylinderkami tak, aby nie było żadnych przecieków paliwa pomiędzy ściankami. Stąd płynie nazwa „pary precyzyjne”, bo tłoczki i cylinderki są dobierane parami i nie są wymienne między sobą. Tłoczki i cylinderki są wykonane ze stali wys...