Układy zasilania silników wysokoprężnych koncernu VAG cz. 1.
VolkswagenSystem bezpośredniego wysokociśnieniowego wtrysku paliwa opartego na pompo-wtryskiwaczach sterowanych elektronicznie zadebiutował w 1999 roku w trzycylindrowym Volkswagenie Lupo 3L.
- System bezpośredniego wysokociśnieniowego wtrysku paliwa opartego na pompo-wtryskiwaczach sterowanych elektronicznie zadebiutował w 1999 roku w trzycylindrowym Volkswagenie Lupo 3L.
- Rewolucyjna jak na ówczesne czasy technologia zastosowana w samochodzie osobowym łącząca pompę, wtryskiwacz i element sterujący w jeden kompaktowy zespół (pompowtryskiwacz) pozwalała na osiągnięcie tych rezultatów dzięki wysokiemu ciśnieniu wtrysku paliwa dochodzącemu do 2050 barów.
- Pierwsze czterocylindrowe silniki z układem wtrysku bezpośredniego wyposażone w pompowtryskiwacze to jednostki 1.9 TDI o aluminiowych 8-zaworowych głowicach.
- Zastosowanie pompowtryskiwaczy w miejsce rozdzielaczowej pompy wtryskowej pozwoliło na zmniejszenie zużycia paliwa oraz ograniczyło emisję spalin.
Zastosowanie tego charakterystycznego układu zasilania w samochodach Audi, Volkswagena, Seata, Škody i Mitsubishi na przestrzeni ponad 10 lat pozwoliło na podniesienie pułapu wtrysku paliwa z 2050 do 2200 barów. Ewolucja systemu objęła swoim zakresem obszar konstrukcji silnika i elektroniki sterującej.
Silnik 1.2 TDI
Trzycylindrowa jednostka o pojemności 1.2 l, do której zaimplementowano pierwotnie system wtrysku bezpośredniego z pompowtryskiwaczami, to konstrukcja posiadająca aluminiowy blok i głowicę wyposażoną w turbosprężarkę ze zmienną geometrią oraz chłodnicę powietrza doładowującego. Główną ideą przyświecającą niemieckim inżynierom było stworzenie silnika charakteryzującego się niewielkim średnim zużyciem paliwa oscylującym w granicach 3 l oleju napędowego na 100 km. Rewolucyjna jak na ówczesne czasy technologia zastosowana w samochodzie osobowym łącząca pompę, wtryskiwacz i element sterujący w jeden kompaktowy zespół (pompowtryskiwacz) pozwalała na osiągnięcie tych rezultatów dzięki wysokiemu ciśnieniu wtrysku paliwa dochodzącemu do 2050 barów. Ponadto sam proces wtrysku sterowany zaworem elektromagnetycznym można było podzielić na kilka faz z uwzględnieniem: przedwtrysku i wtrysku głównego. Pompowtryskiwacz umieszczony był w głowicy silnika, co pozwoliło wyeliminować przewody wysokociśnieniowe oraz związane z nimi procesy pulsacji ciśnienia. Główny problem stanowiła jednak kultura pracy samej jednostki napędowej obniżona przez wyższy niż w czterocylindrowym silniku poziom drgań i wibracji. Zjawisko to usiłowano wyeliminować poprzez zastosowanie wału wyrównoważającego, co dodatkowo skomplikowało budowę tego niewielkiego silnika. Późniejsze zastosowanie pompowtryskiwaczy w silnikach czterocylindrowych pozwoliło na dopracowanie układu zasilania i osiągnięcie lepszych rezultatów.
Silnik 1.9 TDI
Pierwsze czterocylindrowe silniki z układem wtrysku bezpośredniego wyposażone w pompowtryskiwacze to jednostki 1.9 TDI o aluminiowych 8-zaworowych głowicach (po dwa zawory na cylinder), bazujące na konstrukcji wcześniejszej generacji silnika 1.9 TDI o mocy 81 kW z układem zasilania obsługiwanym przez rozdzielaczową pompę wtryskową sterowaną elektronicznie. Zastosowanie pompowtryskiwaczy w miejsce rozdzielaczowej pompy wtryskowej pozwoliło na zmniejszenie zużycia paliwa oraz ograniczyło emisję spalin przy zachowaniu tej samej pojemności skokowej silnika. Dzięki lepszej kontroli nad procesem wtrysku dawki paliwa do cylindra oraz jej podziałowi na poszczególne fazy zwiększeniu uległa moc jednostkowa, poprawiła się charakterystyka momentu obrotowego jednostki, a co za tym idzie praca silnika stała się bardziej „miękka”. Głowica silnika uległa gruntownej modyfikacji, by sprostać wymogom zabudowania zespołu czterech pompowtryskiwaczy wraz z nowym wałkiem rozrządu, który posiada dodatkowe krzywki sterujące ich pracą (ilustracja 1) za pośrednictwem rolkowych popychaczy dźwigniowych. Sam wałek rozrządu napędzany był przez wał korbowy paskiem rozrządu. Nowa konstrukcja głowicy pozwoliła na montaż pompy tandemowej, która odbierała napęd od wałka rozrządu. Pompa tandemowa to element zawierający w sobie dwie odrębne pompy: podciśnieniową i paliwową. Zadaniem pompy podciśnieniowej jest dostarczanie wymaganego podciśnienia do serwa układu hamulcowego, natomiast pompa paliwowa o specjalnej konstrukcji łopatkowej podaje paliwo ze zbiornika paliwa do zespołu pompowtryskiwaczy.
Kanały dostarczające i odprowadzające paliwo do poszczególnych pompowtryskiwaczy umieszczono we wnętrzu głowicy silnika, co wyraźnie skomplikowało jej budowę. Pompowtryskiwacz jest zamontowany do głowicy pod kątem za pomocą jednej śruby (ilustracja 2), taki sposób montażu umożliwiał jednak wybijanie się aluminiowego gniazda mocowania pompowtryskiwacza i był źródłem przenoszonego hałasu.
Podczas naprawy wymagającej ponownego zamontowania pompowtryskiwacza ważny jest jego właściwy, czyli prostopadły, montaż oraz przestrzeganie zalecenia wymiany poszczególnych śrub jak i O-ringów uszczelniających zespół pompowtryskiwacza (oznaczenie nr 13 na ilustracji 3). Niestosowanie się do wskazówek serwisowych może skutkować uszkodzeniem głowicy lub samego pompowtryskiwacza.
Zasada działania pompowtryskiwacza
Budowę i zasadę działania pompowtryskiwaczy stosowanych w silnikach 1.9 TDI przedstawia ilustracja 3. Krzywka pompowtryskiwacza (oznaczenie nr 9 na ilustracji 3) umieszczona na wałku rozrządu obracając się, napędza rolkowy popychacz dźwigniowy (10). Ruch popychacza powoduje przesunięcie się tłoka (8) w górę pod wpływem zadziałania sprężyny tłoka (12). Odpowiedni dobór profilu krzywki pompowtryskiwacza zapewnia wolniejsze tempo ruchu tłoka w fazie napełniania paliwem powiększającej się komory wysokiego ciśnienia (5). Zawór elektromagnetyczny (7) nie jest jeszcze wysterowany. Fazę rozpoczęcia przedwtrysku poprzedza wysterowanie i zamknięcie elektromagnetycznego zaworu sterującego (7) oraz przesunięcie tłoka (8) w dół. Jest to moment, który inicjuje proces wzrostu ciśnienia paliwa do pułapu ok. 160 barów, po czym na skutek nacisku paliwa na iglicę rozpylacza (1) następuje jej otwarcie i rozpoczęcie przedwtrysku. Zakończenie fazy przedwtrysku realizowane jest za pomocą otwarcia elektromagnetycznego zaworu sterującego (7). Liczba cykli przedwtrysku ustalana jest przez sterownik silnika i może wahać się pomiędzy 1 lub 2 cyklami w zależności od warunków pracy silnika. Początek fazy wtrysku głównego realizowany jest podczas kontynuacji ruchu tłoka (8) w dół, następuje zamknięcie elektromagnetycznego zaworu sterującego (7) i narastanie ciśnienia paliwa. Osiągnięcie wysokiego pułapu ciśnienia paliwa wspomaga działanie sprężyny rozpylacza (2), dzięki czemu rozpylacz (1) jest w stanie otworzyć się przy wartości znacznie większej niż podczas fazy przedwtrysku. Podczas generowania maksymalnej mocy silnika główne ciśnienie wtrysku może dochodzić do wartości 2050 barów.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Zakończenie fazy wtrysku głównego inicjuje otwarcie elektrozaworu sterującego (7), następuje nagły spadek ciśnienia paliwa w rozpylaczu i paliwo przepływa do kanału doprowadzającego.
Paliwo dostarczane jest kanałami w głowicy silnika – oznaczenie V – (ilustracja 3), odpływ następuje poprzez kanał oznaczony literą R.
Dodatkowo oznaczenia indeksami:
- 6 – iglica zaworu elektromagnetycznego pompowtryskiwacza,
- 11 – obszar głowicy silnika,
- 14 – tłoczek zamykający.
Zespół pompowtryskiwacza jest chłodzony dzięki cyrkulacji paliwa pomiędzy kanałami dopływowym i odpływowym.
Schemat układu zasilania paliwa silnika 1.9 TDI z pompowtryskiwaczami przedstawiony został na ilustracji 4.
Paliwo ze zbiornika paliwa (1) trafia do filtra (2), następnie dociera do zaworu zwrotnego (3). Rolą tego zaworu (3) jest zapobieganie cofaniu się paliwa w sytuacjach, gdy silnik nie pracuje. Strumień paliwa dociera do króćca łopatkowej pompy paliwa, skąd przetłaczany jest do poszczególnych pompowtryskiwaczy (7) zabudowanych w głowicy silnika (6). W przypadku, gdyby ciśnienie paliwa przekroczyło wartość 7,5 bara, aktywuje się zawór ograniczający (4), którego zadaniem jest ochrona pompy i podzespołów układu paliwowego przed nagłym wzrostem ciśnienia paliwa poprzez otwarcie by-passu łączącego ze stroną ssącą pompy.
Specjalny kanał (12) umożliwia swobodny przepływ pęcherzy oparów paliwa z pompy w kierunku powrotnego strumienia paliwa z głowicy. Jeśli w układzie paliwowym znajduje się powietrze, w sytuacji gdy zbiornik paliwa jest prawie pusty, zawór ograniczający ciśnienie (8) pozostaje zamknięty a odpowietrzenie jest realizowane za pomocą zwężki (11). Czujnik temperatury paliwa (9) wysyła sygnał odpowiadający wartości jego temperatury do sterownika silnika, a chłodnica paliwa (10) wbudowana w obieg utrzymuje temperaturę paliwa powracającego z głowicy na wymaganym poziomie. Sama chłodnica (10) jest zabudowana z zespołem filtra paliwa i wymiana ciepła przebiega na zasadzie wymiennika ciepła typu ciecz–ciecz, gdzie strumień płynu z układu chłodzenia pojazdu jest czynnikiem chłodzącym. Powiązanie układu chłodzenia paliwa z układem chłodzenia silnika pozwala stosunkowo szybko obniżyć temperaturę samego paliwa, zapobiegając tworzeniu się szkodliwych oparów i korków termicznych w obiegu systemu zasilania. Niezwykle istotną rolę spełnia filtr paliwa (2), gdyż wysokociśnieniowy wtrysk bezpośredni realizowany za pomocą zespołu pompowtryskiwaczy jest wrażliwy na wszelkiego rodzaju zanieczyszczenia oraz cząstki wody. Przestrzeganie interwałów jego wymiany to warunek konieczny do zachowania układu wtryskowego w należytym stanie. Warto również wspomnieć, że na przebieg procesu wtrysku, jak i jego jakość, ma wpływ stan wałka rozrządu, czyli właściwy profil krzywki sterującej. Ponadnormatywne zużycie wałka rozrządu lub dźwigni rolkowego popychacza może być przyczyną spadku wydajności zespołu pompowtryskiwaczy. Weryfikacja układu zasilania poza komputerową diagnostyką powinna obejmować również w swoim zakresie oględziny tych elementów pod kątem typowo mechanicznego zużycia.
O Autorze
