Układy zasilania silników wysokoprężnych koncernu V.A.G cz. 2.
Mariusz LeśniewskiPierwsza generacja pompowtryskiwaczy z elektromagnetycznym zaworem sterującym, stosowana w silnikach 1.2 TDI oraz 1.9 TDI koncernu Volkswagena, przeznaczona była do współpracy z jednostkami posiadającymi po dwa zawory na cylinder. Sposób ich mocowania (za pomocą jednej śruby), jak i cechy konstrukcyjne nie pozwoliły do końca wyeliminować wibracji i hałasu, które generowały w trakcie pracy.
- Wprowadzenie w 2004 roku silnika 2.0 TDI z szesnastozaworową głowicą wymagało gruntownych modyfikacji pompowtryskiwaczy oraz zmianę technologii montażu w nowej głowicy.
- Czterocylindrowa rzędowa jednostka 2.0 TDI zaprojektowana była na bazie silnika 1.9 TDI, a wzrost pojemności skokowej uzyskano dzięki zwiększeniu średnicy cylindra.
- Głowica posiada dwa wałki rozrządu napędzane jednym paskiem zębatym o wzmocnionej konstrukcji.
- W szesnastozaworowym silniku 2.0 TDI głowica została usztywniona przez zastosowaniu aluminiowej oprawy łożysk wałków rozrządu.
- Zakresy ciśnień wtrysku uległy rozszerzeniu i zawierają sięw granicach od 130 barów dla przedwtrysku do 2200 barów dla wtrysku głównego.
Wprowadzenie w 2004 roku silnika 2.0 TDI z szesnastozaworową głowicą wymagało gruntownych modyfikacji pompowtryskiwaczy oraz zmianę technologii montażu w nowej głowicy, więc koncern Volkswagena zdecydował się na zastosowanie ich drugiej generacji o oznaczeniu PDE-P2.
Silnik 2.0 TDI – pompowtryskiwacze z zaworem elektromagnetycznym drugiej generacji PDE-P2
Czterocylindrowa rzędowa jednostka 2.0 TDI zaprojektowana była na bazie silnika 1.9 TDI, a wzrost pojemności skokowej uzyskano dzięki zwiększeniu średnicy cylindra. Całkowicie nowym elementem jest aluminiowa głowica wykonana w technice 4-zaworowej o poprzecznym przepływie ładunku. Silnik generuje moc 103 kW przy 4000 obr./min, spełniając normę spalin Euro 4. Głowica posiada dwa wałki rozrządu napędzane jednym paskiem zębatym o wzmocnionej konstrukcji. Zawory umieszczono pionowo, po dwa ssące i dwa wydechowe dla każdego cylindra. Specjalna konstrukcja rolkowych popychaczy dźwigniowych ułożyskowanych na osiach pozwala na zamykanie i otwieranie grupy zaworów danego cylindra przestrzennie obróconych o 45 stopni w osi silnika (ilustracja 1). Pompowtryskiwacze zabudowano centralnie nad wnękami tłoków silnika, co pozwoliło zwiększyć wydajność tworzenia mieszanki, jednocześnie zmniejszając zużycie paliwa. Wałek rozrządu zaworów wydechowych steruje pracą pompowtryskiwaczy za pośrednictwem rolkowych popychaczy dźwigniowych, natomiast wałek rozrządu zaworów ssących przekazuje napęd pompie tandemowej. Nowe pompowtryskiwacze drugiej generacji dzięki swej kompaktowej budowie zostały umieszczone w głowicy silnika centralnie i pionowo nad wnękami w tłokach za pomocą dwóch śrub. Poprzednia generacja pompowtryskiwaczy mocowana była w głowicy tylko jedną śrubą, co wpływało bezpośrednio na generowanie hałasu i przenoszenie go w fazie wtrysku. Dodatkowo często dochodziło do „wybijania” aluminiowego gniazda w głowicy silnika, gdzie pompowtryskiwacz był osadzony, gdyż jedna śruba nie gwarantowała stabilnego mocowania.
W szesnastozaworowym silniku 2.0 TDI głowica została usztywniona przez zastosowaniu aluminiowej oprawy łożysk wałków rozrządu (ilustracja 2), ponadto oprawa ta spełnia rolę bazy mocującej osie dźwigniowych popychaczy pompowtryskiwaczy.
Dzięki takiej konstrukcji sam pompowtryskiwacz jest przytwierdzony stabilnie, a jego wycentrowanie względem wnęki w tłokach zapewnia stożkowe gniazdo mocujące, co pozwoliło na wyeliminowanie pierścienia uszczelniającego i termoizolacyjnego uszczelniacza. Pompowtryskiwacze pierwszej generacji podczas swej pracy emitowały hałas, którego źródłem – poza oscylacjami ciśnienia paliwa w komorze wysokociśnieniowej – są mechaniczne uderzenia tłoczka wyrównującego oraz iglicy zaworu i iglicy rozpylacza. Zadaniem tłoczka wyrównującego jest regulacja czasu i dawki wtrysku wstępnego. Aby obniżyć poziom hałasu generowanego przez tłoczek wyrównujący, w nowych pompowtryskiwaczach zastosowano hydrauliczny hamulec, który pozwala na zmniejszenie ciśnienia paliwa w przestrzeni nad tłoczkiem, dzięki czemu sam tłoczek jest skutecznie wyhamowywany, zanim jeszcze uderzy w zderzak. W zakresie obciążeń częściowych silnika zwiększone zostały ciśnienia wtrysku paliwa.
Liczba możliwych odstępów między wytryskiem wstępnym a głównym oraz wtryskiem paliwa może oscylować w przedziale od sześciu do dziesięciu stopni w skali obrotów wału korbowego silnika. Zastosowanie szesnastozaworowej głowicy w silniku 2.0 TDI wymagało użycia pompy tandemowej o nowej konstrukcji, napędzanej wałkiem rozrządu zaworów dolotowych. Pompa tandemowa stanowi wspólny zespół pomp – paliwa i podciśnienia. Wysoką sprawność zapewnia pompa paliwa typu gerotorowego, pozwalająca na uzyskanie ciśnienia paliwa o maksymalnej wartości 11,5 bara przy 4000 obrotów wału korbowego. Dla ustalenia zrównoważonego podziału sił w elektrozaworach pompowtryskiwaczy niezbędne jest utrzymanie ciśnienia paliwa od strony dolotu na pułapie ok. 1 bara przez zawór regulacji ciśnienia w pompie tandemowej.
Pompowtryskiwacze z zaworem piezoelektrycznym PPD 1.1 dla silnika 2.0 TDI o mocy 125 kW
W silniku 2.0 TDI o mocy 125 kW wykonanym w technice czterech zaworów na cylinder zastosowano zmodyfikowane pompowtryskiwacze sterowane zaworami piezoelektrycznymi. Modyfikacja pompowtryskiwaczy nie polegała jedynie na zmianie elektromagnetycznego zaworu sterującego na piezoelektryczny, lecz swoim zakresem objęła mechanizmy regulacji przebiegu wtrysku paliwa. Wyeliminowano całkowicie zespół tłoczka wyrównującego, co pozwoliło na zmniejszenie przestrzeni wysokociśnieniowej pompowtryskiwacza. Uwzględnione zmiany w sterowaniu jak i w budowie wewnętrznej nie wpłynęły znacząco na kształt i sposób montażu – w dalszym ciągu pompowtryskiwacz zamocowany był za pomocą dwóch śrub, co umożliwia adaptację do czterozaworowych aluminiowych głowic silnika (ilustracja 3).
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Główną rolę odgrywa piezoelektryczny zawór sterujący, dzięki któremu kontrola poszczególnych faz wtrysku paliwa odbywa się znacznie precyzyjniej i prawie cztery razy szybciej niż zaworem elektromagnetycznym. Możliwe stało się szybkie zamykanie i otwieranie piezoelektrycznego zaworu sterującego w trakcie następujących faz wtrysku, jak i zrealizowanie indywidualnych ciśnień wtrysku dla danej fazy.
Zakresy ciśnień wtrysku uległy rozszerzeniu i dolny pułap charakterystyczny dla trybu przedwtrysku jest już dostępny od 130 barów (w wersji z elektromagnetycznym zaworem od 160 barów), natomiast górny limit dla trybu wtrysku głównego w trakcie maksymalnego obciążenia to 2200 barów (przy zastosowaniu elektromagnetycznego zaworu do 2050 barów). Osiągnięcie tak szerokiego zakresu ciśnień wtrysku paliwa pozwoliło na podniesienie mocy silnika 2.0 TDI z 100 kW do 125 kW oraz ograniczenie emisji spalin. Hałas generowany w czasie nagłych oscylacji ciśnienia wtrysku paliwa w pompowtryskiwaczach jest częściowo przenoszony przez ich napęd na silnik i przyczynia się do charakterystycznej dla silników wysokoprężnych pracy na biegu jałowym. Zjawisko to zostało ograniczone, gdyż piezoelektryczny pompowtryskiwacz podlega szybkiemu wysterowaniu w stosunku do elektromagnetycznego i umożliwia szeroką zmianę ciśnienia paliwa w poszczególnych fazach jego wtrysku. Ponadto pompowtryskiwacze z zaworem piezoelektrycznym PPD 1.1 pozwalają uzyskać zmienną liczbę przedwtrysków, która może mieścić się w zakresie od 0 do 2 cykli przy zachowaniu dowolnej dawki od pułapu minimalnego ok. 0,5 mm3. Dla porównania: pompowtryskiwacz z zaworem elektromagnetycznym PDE-P2 może zrealizować tylko jeden przedwtrysk o dawce w granicach od 1 do 3 mm3. Przekrój pompowtryskiwacza typu PPD 1.1 przedstawia ilustracja 4.
Komponent sterujący, czyli zawór piezoelektryczny, to wspólny zespół obejmujący element piezoelektryczny zamknięty w obudowie ze złączem elektrycznym, multiplikatorem, jak i iglicą zaworu. Napięcie sterujące powoduje wydłużenie elementów piezoelektrycznych ułożonych w stos i rozdzielonych metalowymi płytkami. Aby efektywnie poruszyć iglicę zaworu (uzyskać skok roboczy 0,1 mm), zastosowano układ mikrodźwigni w formie multiplikatora przesunięcia. Położenie spoczynkowe multiplikatora i związane z nim otwarcie zaworu następuje w fazie braku wysterowania elementu wykonawczego i wycofania iglicy zaworu przez sprężynę. Z kolei podanie napięcia do elementu wykonawczego, czyli jego wysterowanie, wywołuje wydłużenie stosu elementów piezoelektrycznych i nacisk popychacza na multiplikator, który zamyka zawór iglicy, inicjując wzrost ciśnienia paliwa.
O Autorze
