Wtryskiwacze Common Rail.docx

Wtryskiwacze Common Rail

Wtryskiwacze BOSCH, DELPHI i SIEMENS nie są wymienne między sobą mimo identycznej zasady działania i zbliżonych parametrów. W silnikach HDI występują wszystkie trzy systemy, generują tę samą moc, moment obrotowy i zużycie paliwa, a jednak nie da się w żaden sposób dopasować najmniejszego nawet elementu z poszczególnych firm.
Wtryskiwacze CR sterowane są elektrycznie przez sterownik za pośrednictwem odpowiedniego przekaźnika, a energię czerpią z akumulatora (w fazie rozruchu), po czym w czasie jazdy ładowane są naprzemiennie silne kondensatory (wewnątrz sterownika), które następnie zasilają wtryskiwacze. Funkcjonują dwa sposoby zasilania elektrycznego:
-szybkie zawory elektrohydrauliczne (I, II generacja),
-siłowniki piezoelektryczne (III generacja).
     Generalnie zadanie wtryskiwaczy jest znane: wtryskiwać rozpylone paliwo do komory spalania pod bardzo wysokim ciśnieniem sięgającym panującemu w zasobniku (od 200 do 2000 bar) za pomocą od 5 do 8 otworków wtryskowych. Zdolnością nieosiągalną dla starszych, klasycznych wtryskiwaczy klasy TDI oraz pompowtryskiwaczy VW/Audi, jest wielokrotny wtrysk paliwa (od 3 do 5) w jednym cyklu pracy lub jednej fazie wtrysku. Wówczas dawka wtrysku jest podzielona na kilka części i zależy w 100% od sterowania komputerem. Dysponuje on tzw. mapami wtrysku, czyli po prostu programem (scenariuszem) wtrysku paliwa. Wielkość wtryskiwanej dawki paliwa zależy od następujących czynników:
-czasu trwania impulsu elektrycznego podawanego przez komputer na zawory elektrohydrauliczne (siłowniki piezoelektryczne);
-ciśnienia paliwa w zasobniku;
-szybkości otwierania się wtryskiwacza – kryterium uzależnione od zaworu sterującego, czy jest to zawór elekromagnetyczny, czy piezoelektryczny. Znacznie szybszy jest zawór piezoelektryczny, który umożliwia 5-krotny wtrysk podczas gdy elektromagnetyczny – 3-krotny.
     Wtrysk wielokrotny paliwa ma decydujący wpływ na hałas spalania oraz emisję spalin. Na przykład bardzo późny dotrysk, możliwy do wykonania jedynie przez wtryskiwacze CR i sterowany przez komputer, podwyższa temperaturę spalin i służy do wypalania sadzy w filtrach FAP (rys. „Schemat sterowania i regulacji silnika CR”).


Chodzi o to, że wtryskiwacze i układ wtryskowy nie są specjalnie dostosowane mechanicznie czy tuningowane, aby wykonały dotrysk w fazie wypalania FAP. Wtryskiwacze, pompa WC, regulatory paliwa, są identyczne - czy jest to silnik z FAP, czy bez, co pokazuje rysunek powyżej. Po prostu wszystkim kieruje komputer, który ma specjalną procedurę w matrycach wtryskowych. 
     
      Wtryskiwacze CR pracują na zasadzie serwohydraulicznej tj. impuls elektryczny inicjuje różnicę ciśnień, co pozwala unieść igłę w rozpylaczu. Jednym słowem, wtrysk paliwa realizuje samo ciśnienie paliwa, przez co nie trzeba wielkich sił do dynamicznego ruchu we wtryskiwaczu. Poniżej zamieszczono schemat przykładowego wtryskiwacza elektrohydraulicznego.

      Paliwo dochodzi do wtryskiwacza z zasobnika pod bardzo wysokim ciśnieniem rurką i króćcem (1) – kolor czerwony. Rozdziela się na dwie drogi: do komory sterującej (6) i komory ciśnieniowej (16). Ciśnienie jest jednakowe w obydwu komorach i nic się nie dzieje, bo tłoczek sterujący (11) ma 50% większą powierzchnię niż kryza igły (15) i wobec tego jeszcze bardziej wciska igłę (12) do rozpylacza (17). Wtrysk jest możliwy tylko wtedy, gdy w jakiś sposób tłoczek (11) „odpuści” nacisk na igłę z góry i wówczas ciśnienie paliwa w komorze ciśnieniowej (16) wypchnie igłę z gniazda rozpylacza, odsłaniając kanaliki wtryskowe (19). Ruch igły i otwarcie wtryskiwacza jest realizowany w następujący sposób:
- podanie impulsu prądowego (ok. 20 A i 80 V) na zawór sterujący (8) powoduje uniesienie kotwicy (9) z kulką (10);
- kulka (10) odsłania otworek (dławik) odpływu paliwa (5), który ma większą średnicę niż dławik dopływu paliwa (4);
- paliwo wydostaje się przez dławik odpływu (5) do przelewu (3) (kolor fioletowy) i do zbiornika;
- następuje spadek ciśnienia w komorze sterującej (6);
- ponieważ dławik dopływu (4) ma mniejszą średnicę niż dławik odpływu (5), to ciśnienie nie zdąży się wyrównać z ciśnieniem z zasobnika;
- powstaje różnica ciśnień pomiędzy komorą sterującą (11) (mniejsze ciśnienie) a komorą ciśnieniową (większe ciśnienie);
- większe ciśnienie wyrywa igłę z gniazda (wypycha ją do góry – czarne strzałki);
- następuje wtrysk paliwa na czas trwania impulsu prądowego .
     Sedno sprawy tkwi w dwóch dławikach (4 i 5) o niejednakowych średnicach otworów. Jeśli kulka (10) odsłania dławik odpływu (5) (większa średnica), to paliwo ucieka szybciej niż zdąży wpłynąć przez dławik dopływu (4) (mniejsza średnica). Na czas równy z czasem i odległością uniesienia kulki (10) odbywa się podawanie paliwa do cylindra. Wtrysk jest wiernym odzwierciedleniem ruchu zaworu i trwa tak długo, jak długo zawór odsłania przelew. Ciśnienie wtrysku jest tak duże, jak duża jest odległość kulki (10) nad otworem (5). 
     Przez analogię z „palcem w dziurze” regulatorów ciśnienia i wydatku można wyobrazić sobie identyczne sterowanie w przypadku wtryskiwacza tak jak sikawki strażackiej. Jeżeli mamy 4 prądownice i w każdą wetknięty palec (9) w dziurę (5 – dławik odpływu), to jesteśmy gotowi normalnie do sterowania wtryskiem. Jeżeli zaczniemy tym palcem ruszać odtykając/zatykając otwór (5), to uzyskamy efekt wtrysku – nie ciągłego lania. W pozycji neutralnej będziemy trzymać palce na wszystkich czterech dziurach we wtryskiwaczach (silnik 4-cylindrowy). W układzie wtryskowym jest to równoznaczne z brakiem zasilania elektrycznego na cewki elektromagnetyczne (8) z komputera wtryskowego, z wyjątkiem wtryskiwacza DELPHI, o czym za chwilę. Wówczas płyn nie ucieka na przelew (3), gdyż sprężyna (7) na to nie pozwala. Z końcówek (17, 19) nie wypływa ani kropla. Wtryskiwacze ani drgną, mimo, że panuje bezpośredni nacisk ogromnego ciśnienia do 2000 bar (kolor czerwony). Jeżeli teraz oderwiemy na krótką chwilę palec (9) od którejś dziury (podanie zasilania na cewkę elektromagnetyczną), to momentalnie powstaje różnica ciśnień pomiędzy komorą sterującą (6) a komorą ciśnieniową (16). Ciśnienie (czarne strzałki napierające na kryzę igły (15) w komorze ciśnieniowej (16) wypycha (wyrywa) igłę z gniazda. Płyn wystrzeliwuje z wtryskiwacza. Ponownie przykładamy palec (9) do dziury (5). Odpowiada to stanowi, że komputer zdejmuje zasilanie elektryczne ze styków (2). W tej samej chwili tłoczek sterujący (11) wtłacza igłę z powrotem do gniazda. W ten sposób cykl powtarza się w takt „klikania” zaworów sterujących, z idealną częstotliwością kilka miliardów razy w ciągu całego żywota silnika.
    Jaką rolę wobec tego odgrywa sprężyna igły (13)? Zabezpiecza ona jedynie przed cofnięciem się powietrza lub spalin do wnętrza wtryskiwacza w fazie rozruchu. Wówczas nie ma jeszcze wysokiego ciśnienia paliwa w obwodzie – rozrusznik dopiero zaczyna kręcić pompą wysokiego ciśnienia. Zatem sprężyny igieł we wtryskiwaczach CR nie biorą udziału w procesie wtrysku, tak jak dzieje się w klasykach i pompowtryskach. Dzięki temu wyeliminowano czynnik opóźniający, bezwładny w stosunku do szybkiej elektroniki.
Poniżej zilustrowane są różnice pomiędzy wtryskiwaczem elektrohydraulicznym BOSCH i SIEMENS

(motory HDI I-ej i II-giej generacji).

Wtryskiwacz piezoelektryczny (schemat poniżej) charakteryzuje się większą szybkością działania, mniejszą wagą, większą sztywnością konstrukcji i mniejszymi masami dynamicznymi. 


Większą szybkość od 2 do 3 razy w porównaniu z wtryskiwaczem elektromagnetycznym daje siłownik piezoelektryczny (14). Po przyłożeniu napięcia taktującego, zmienia się kształt kwarcu (elementu piezoelektrycznego) – tu wydłuża się, albo jak mówią niektórzy, po prostu "rusza się". Pozostaje on w tym stanie tak długo, jak długo jest przyłożone napięcie. Po zaniku napięcia element piezoelektryczny powraca do położenia wyjściowego. Jeżeli do jednego końca siłownika piezoelektrycznego przymocujemy grzybek (10), to będzie on się poruszał w takt rozszerzania/kurczenia piezoelektryka. Wówczas grzybek będzie odpowiednio zasłaniał i odsłaniał otwór przelewu, inicjując wtrysk paliwa. Czyli znów normalne sterowanie zaworem typu przelewowego.
     Z uwagi na bardzo małe odkształcenia kryształu piezoelektryka nie wystarcza to do wykonania wtrysku paliwa. Dlatego siłownik jest zbudowany z 300 kryształów ułożonych w stos, co umożliwia skok ok. 0,04 mm. Skok ten jest dalej powiększany przez wzmacniacz hydrauliczny (12). Jest to coś w rodzaju teleskopu hydraulicznego lub hydraulicznego regulatora luzów zaworowych w głowicy cylindrów, tylko "w drugą stronę". Maleńki ruch grzybka rzędu ułamków mm zostaje wzmocniony hydrauliką ciśnienia, przez co przemieszczanie się paliwa we wtryskiwaczu ulega przyspieszeniu i spotęgowaniu. Wskutek tego igła jest wyrywana z gniazda znacznie silniej i na większy dystans, niż gdyby była bez siłownika.
     Dalsze różnice w porównaniu do wtryskiwacza elektrohydraulicznego:  kulkę (10) z kotwicą (9) zastąpiono grzybkiem (10) ze sprężyną we wtryskiwaczu piezoelektrycznym. Dlaczego to ma być tak istotne? Przecież i tu i tam chodzi o to, aby "zatkać dziurę", więc co za różnica, że przymyka się ją "z wierzchu" czy "od spodu"? Przywołajmy przykład z wężem strażackim i wtykaniem "palca w dziurę". Czy jest łatwiej przyciskać palec na zewnątrz dziury, chcąc zatamować przeciek, czy wprowadzić od wewnątrz grzybek, który będzie podtrzymywany na patyczku, przewleczonym przez dziurkę? Otóż zdecydowanie lepiej jest drugim sposobem. Jeśli wetkniemy grzybek od spodu i przytrzymamy cięgłem (patyczkiem), żeby nam nie uciekł gdzieś, to po prostu samo ciśnienie wepchnie grzybek do dziury. W zaworze elektrohydraulicznym wraz ze wzrostem ciśnienia trzeba coraz silniej naciskać palec, aby powstrzymać parcie ciśnienia. Dlatego cewka elektromagnetyczna jest duża i ciężka. Bo musi być silna, żeby poskromić bardzo wysokie ciśnienie. Natomiast rozwiązanie z grzybkiem natychmiast uwidacznia zaletę braku jakichkolwiek nadmiernych sił. Grzybek przecież zamyka samo ciśnienie. Nie potrzeba więc sprężyny, przynajmniej tak mocnej jak w przypadku zaworu elektromagnetycznego. Również wypychanie grzybka (rozpoczęcie wtrysku) wymaga mniej energii niż w przypadku cewki elektromagnetycznej. A to pociąga za sobą drugą zaletę, że w miejsce potężnej cewki elektromagnetycznej można użyć czegoś mniejszego. Do tego celu służy właśnie siłownik piezoelektryczny, który jest o wiele lżejszy w porównaniu z cewką elektromagnetyczną, a ponadto znacznie szybszy, sprawniejszy i z fantastyczną powtarzalnością. Oznacza, że tę samą czynność jest w stanie wykonać miliardy razy z precyzją zegara kwarcowego. Oznacza również, że wtryskiwacz może być otwierany 5-krotnie w jednym wtrysku i do tego podawać nierówne porcje, a nie 3-krotnie jak w poprzedniku. Po trzecie, zastosowanie grzybka a nie kulki, umożliwia płynną regulację wszystkich parametrów wtrysku. Grzybek powoduje, że jeden z trzech otworków (6, 7 oraz „krawędź natarcia” z grzybkiem 10)  ma zmienną, płynną średnicę otworu. W ślad za tym idzie sterowanie zróżnicowanej dawki wtrysku, nie tylko w układzie czasowym ale ilościowym - w sposób bezstopniowy, z nierównym podziałem na kilka porcji, w zależności od obciążenia silnika, jego obrotów itd.     W porównaniu wzajemnym konstrukcji trzech firm wtryskiwacze BOSCH i SIEMENS reprezentują podobną "filozofię", zwłaszcza I i II-ej generacji. We wtryskiwaczach SIEMENS III-ej generacji brak jest jedynie wzmacniacza hydraulicznego, tak jak w BOSCH.


Ważne jest jedynie w odniesieniu do wtryskiwacza piezoelektrycznego BOSCH, że funkcjonowanie wzmacniacza hydraulicznego wymusza ciśnienie przelewu paliwa do zbiornika aż 10 bar (1 MPa), które jest utrzymywane zaworkiem ze sprężyną w obsadzie króćca przelewu (15). Jest to warunek zupełnie odmienny od dotychczasowego, gdzie ciśnienie przelewu ma być minimalne, żeby po prostu nie hamować przepływu paliwa do zbiornika. Dlatego podczas testu przelewowego wtryskiwaczy należy ten fakt uwzględnić i rozpoznać dokładnie, czy nasze przelewy mają być jak najmniejsze, czy aż 10 bar, bo jest to BOSCH III-ej generacji.

Nieco odmienną „szkołę” konstrukcyjną reprezentuje DELPHI w swoim wtryskiwaczu "In Line", od kilku lat wprowadzanym do naszych motorów (rys. poniżej). 


Brak jest ciężkiego tłoczka sterującego (11 – „Schemat ideowy wtryskiwacza elektrohydraulicznego”). Zamiast niego działa szybki zawór sterujący (3 – rys. powyżej), który zasłania/odsłania kanalik dolotowy paliwa (4) za pomocą wyżłobienia (5) w takt impulsowania elektrycznego na cewkę elektromagnetyczną zaworu (1). W ten sposób komputer wytwarza różnicę ciśnień (dławik dopływu i dławik odpływu) pomiędzy komorą sterującą (6), a komorą ciśnieniową (7). W momencie ruchu zaworu sterującego (3) do góry/do dołu, ciśnienie w komorze (7) podnosi/opuszcza igłę (8), otwierając/zamykając tym samym wtryskiwacz (10).
Niewątpliwą zaletą są małe masy dynamiczne, co sprawia, że nie potrzeba dużych sił do sterowania wtryskiem.
     Inną ciekawostką jest gwint na powierzchni igły, podczas gdy BOSCH i SIEMENS stosuje tzw. kryzę, czyli podfrezowanie igły, dające powierzchnię nośną. Gwint spełnia podobne zadanie, tj. umożliwia podparcie dla ciśnienia wypychającego paliwa. Gdyby nie było kryzy lub gwintu, to dosłownie paliwo nie miałoby się o co "zaczepić". Jednak w odróżnieniu od kryzy, gwint wymusza ruch obrotowy igły podczas skoku do góry i w dół, co zapobiega jakoby osadzaniu się nagaru w dolnej części rozpylacza. Wyjaśniliśmy jednak, że nagar (zakoksowanie) przy tak wielkich ciśnieniach (tu 1600 bar, inaczej 160 MPa) i intensywności przepływu paliwa nie jest raczej możliwy – prędzej erozja kawitacyjna. Wobec tego ten szczegół da się wyjaśnić po prostu tradycją technologiczną.
     Najistotniejszą różnicę stanowi sposób sterowania elektrycznego wtryskiwacza. Mianowicie, wtrysk następuje, gdy zasilanie elektryczne jest obniżane – odwrotnie niż w BOSCH i SIEMENS. Jeżeli zawór elektromagnetyczny jest w pozycji spoczynkowej (słaby prąd), to zawór sterujący (3) opada w dół pod naciskiem sprężyny. Wyżłobienie (5) zaworu sterującego (3) odsłania kanalik dolotowy paliwa (4). Następuje spadek ciśnienia w komorze sterującej (6), gdyż paliwo ucieka do przelewu (2 – żółty kolor) szybciej poprzez dławik odpływu (większa średnica), niż wpływa przez dławik dopływu (mniejsza średnica). Po czym unosi się igła (8), bo ciśnienie w komorze ciśnieniowej (7) jest większe niż w komorze sterującej (6). Otwiera się wtryskiwacz i paliwo jest wtryskiwane do komory spalania poprzez kanaliki wtryskowe (11). Gdy sterownik podwyższa napięcie zasilające na cewkę elektromagnetyczną, to zawór sterujący (3) wędruje do góry i zasłania kanalik dolotowy paliwa (4) swoim dolnym zgrubieniem. Ciśnienia momentalnie wyrównują się w obydwu komorach (6 i 7). Igła (8) opada w dół pod działaniem sprężyny (9) oraz nacisku ciśnienia (6) na główkę igły. Koniec wtrysku. Słowem, wtryskiwacz działa tylko wtedy, gdy nie jest zasilany elektrycznie. Ta zupełnie zaskakująca metoda i niespotykana nigdzie na świecie w żadnym, seryjnym wtryskiwaczu, jest podyktowana, jak widać na obrazku, po prostu konstrukcją samego zaworu sterującego. Nie ma on żadnej kulki, ani ciężkiej kotwicy tudzież grzybka na podobieństwo wtryskiwacza BOSCH lub SIEMENS, tylko wyżłobienie, „wcięcie” – jak w kobiecej talii. Ponadto trzeba użyć bardzo niedużej siły, aby wykonać ruch sterujący zaworu (3).
     Kolejny skok technologiczny firma DELPHI prezentuje we wtryskiwaczu tym razem piezoelektrycznym (rysunek poniżej). 


     W roku 2010 wchodzi do seryjnej produkcji wtryskiwacz nowej generacji, w którym są zaledwie dwie części ruchome: igła (1) i siłownik piezoelektryczny (6) z tłoczkiem (2).  Siłownik jest zanurzony w otaczającym paliwie wysokiego ciśnienia (kolor czerwony). Stanowi to pewnego rodzaju dodatkowy zasobnik paliwa oprócz rail’u. Czyli wtryskiwacz posiada stale gotowy do wtrysku zapas paliwa już wewnątrz. Tłoczek (2) z siłownikiem piezoelektrycznym (6) w pozycji spoczynkowej, a więc niezasilany elektrycznie, zajmuje dolne położenie. W komorze sterującej (3) panuje ciśnienie równe ciśnieniu zasobnika (kolor czerwony), ponieważ tłoczek nie jest ciasno spasowany lecz posiada lekki, ściśle określony luz. Kiedy sterownik zasila elektrycznie siłownik (6), to tłoczek (2), bezpośrednio umocowany do siłownika, wykonuje ruch do góry w takt kurczenia się piezoelektryka. Powiększa się objętość komory sterującej (3). Jeżeli wzrasta objętość, to następuje spadek ciśnienia, a więc powstaje różnica ciśnień pomiędzy komorą sterującą (3) (mniejsze ciśnienie), a komorą ciśnieniową (4) (większe ciśnienie). W tym czasie ciśnienia usiłują wyrównać się, jednak paliwo przeciska się wokół tłoczka wolniej niż paliwo w komorze ciśnieniowej (4). Ta różnica czasowa, to jest jednocześnie różnica ciśnień, co pozwala wykonać wtrysk paliwa. Ciśnienie wykonuje samo całą pracę (wyrwanie igły z gniazda). My jedynie ruszamy tłoczkiem (2).
     Zwraca uwagę inny szczegół techniczny, mianowicie, brak przelewu. Obwód wysokiego ciśnienia (kolor czerwony) nie ma połączenia z niskim ciśnieniem. Paliwo jest wydalane tylko jedną drogą – poprzez rozpylacz (5)  i kanaliki wtryskowe do komory spalania, a nie tak jak  BOSCH i SIEMENS – dwoma: do komory spalania i do przelewu (patrz poprzednie schematy wtryskiwaczy). Pozwala to uniknąć wielu usterek wynikających ze stosowania zaworów przelewowych (przecieki) i prowokujących różne zakłócenia wtrysku.
Na obecnym etapie nie jesteśmy w stanie ocenić, czy to działa dobrze, czy źle, bo okres próbny jest zbyt krótki. W praktyce można wypowiedzieć się miarodajnie co najmniej po 10 latach. Jednak z rysunku widać, że może być to naprawdę rewelacja, gdyż wszystko co proste bywa niezawodne.
Poniżej pokazane są wtryskiwacze wszystkich 3 firm w naturalnej skali.

           
     Strategia przyszłościowa DELPHI zmierza generalnie do potanienia kosztów produkcji silników Common Rail. Firma planuje m.in. zbudować tani i efektywny system wtryskowy do 3-cylindrowego silnika CR, jak w folderze reklamowym .pdf: Diesel Unit CR System...