Wtrysk i zapłon w dieslu (cz. 1)

DRiV Automotive/Beru
Maciej Blum
21.12.2020
Reklama
Reklama

Silnik Diesla bazuje na samoczynnym zapłonie paliwa. Aby ten dochodził do skutku, konieczne jest zachowanie kilku warunków.

 

  • ​Silnik Diesla bazuje na samoczynnym zapłonie paliwa.
  • Zapłon samoczynny następuje dopiero wtedy, gdy temperatury w komorze spalania sięgają ponad 750°C. Dla diesla są one jednak nieosiągalne bez doprowadzenia dodatkowego ciepła.
  • Aby zimny silnik mógł zostać uruchomiony, trzeba albo podgrzać powietrze zasysane.
  • Najnowsze systemy zapłonu w silniku Diesla wyposażone są w opcję dożarzania świec żarowych, która pomaga dopalić resztki paliwa rozpylone w cylindrze.
  • Za wtrysk i prawidłowe rozpylenie paliwa odpowiadają wtryskiwacze lub pompowtryskiwacze oraz pompy wtryskowe lub pompy wysokociśnieniowe.
Reklama

Podstawowym z nich jest prawidłowe rozpylenie paliwa, a drugim sprężenie znajdującego się w cylindrze powietrza do takiego stopnia, aby jego temperatura przekroczyła temperaturę samozapłonu rozpylonego paliwa.

Samoczynny zapłon paliwa wymaga zaistnienia określonych warunków w silniku. Nie oznacza to jednak, że warunki zewnętrzne pozostają bez znaczenia. Wtryskiwane paliwo ma niską temperaturę (zwłaszcza w zimie), natomiast sprężane powietrze jest skutecznie chłodzone właśnie przez rozpylane w nim paliwo oraz przez samą masę metalowych elementów silnika. Dodatkowo podczas samego rozruchu silnika prędkość obrotowa wału korbowego, a co za tym idzie prędkość liniowa tłoków w cylindrach, jest na tyle mała, że sprężające się powietrze nie zdąży się dostatecznie ogrzać, a część z niego się rozpręży przez nieszczelności w miejscu złożenia tłoka z cylindrem.

Zapłon samoczynny następuje dopiero wtedy, gdy temperatury w komorze spalania sięgają ponad 750°C. Dla diesla są one jednak nieosiągalne bez doprowadzenia dodatkowego ciepła. Aby zimny silnik mógł zostać uruchomiony, trzeba albo podgrzać powietrze zasysane, albo zainstalować źródło zapłonu w komorze spalania. W silnikach wysokoprężnych montowanych w samochodach osobowych pomocą przy zimnym starcie służą trzpieniowe świece żarowe. Wtryskiwane paliwo paruje przy nagrzanym do około 850°C zagłębionym w komorze spalania trzpieniu świecy żarowej i zapala się. Wytworzone ciepło rozpoczyna proces spalania.

Żarzenie wstępne

Po uruchomieniu silnika zasilane świece są też wystawione na działanie temperatury spalania, czyli są nagrzewane od wewnątrz i od zewnątrz. Świece żarowe zdolne do dożarzania działają także przy pełnym ładowaniu alternatora. Chociaż ich temperatura szybko wzrasta, to jednak dzięki spirali regulacyjnej obniżona zostaje ich temperatura żarzenia do wartości bezpiecznej i gwarantującej nieprzepalenie się świecy.

Najnowsze systemy zapłonu w silniku Diesla wyposażone są w opcję dożarzania, która pomaga dopalić resztki paliwa rozpylone w cylindrze. Dożarzanie pozwala także na opóźnienie zapłonu, dzięki czemu zmniejsza się hałas podczas spalania. Układy podtrzymywania żarzenia działają zazwyczaj do momentu osiągnięcia przez silnik temperatury na poziomie 60oC. W nowoczesnych konstrukcjach silników osiągnięcie takiej temperatury pracy przy temperaturze zewnętrznej na poziomie -30oC trwa nie dłużej niż 3 minuty.

Przy żarzeniu wstępnym silny prąd najpierw płynie przez końcówkę przyłączeniową i spiralę regulacyjną do spirali grzejnej, która szybko się nagrzewa i powoduje żarzenie strefy grzejnej. Żarzenie szybko się rozprzestrzenia – i po dwóch do pięciu sekundach trzpień żarowy żarzy się prawie do korpusu świecy. Powoduje to dodatkowe zwiększenie temperatury podgrzanej już prądem spirali regulacyjnej. Na skutek tego jej elektryczny opór zwiększa się, a prąd maleje, co zapobiega uszkodzeniu trzpienia żarowego. Dzięki temu nie jest możliwe przegrzanie świecy żarowej w fazie żarzenia wstępnego. Jeżeli kierowca nie uruchomi teraz pojazdu, po pewnym czasie świeca zostanie wyłączona przez sterownik czasu żarzenia. Samoregulujące trzpieniowe świece żarowe chronią się więc same przed przegrzaniem poprzez ograniczenie dopływu prądu z akumulatora do świecy za sprawą rosnącej temperatury. Jeżeli świece żarzą się też po uruchomieniu silnika, czyli jeżeli występuje dalsze żarzenie lub dożarzanie podczas pracy silnika, ogranicza to tworzenie białego lub niebieskiego dymu i nie występują drgania silnika związane z zimnym zapłonem.

Na kłopoty - ogień

Reklama

Aby zlikwidować problem zapłonu w silnikach wysokoprężnych, stosowano kilka metod. Zazwyczaj problemu z rozruchem nie miały diesle z wtryskiem bezpośrednim, czyli z komorą wirową w denku tłoka. W tym przypadku stosowano nieznacznie większy stopień sprężania, a dzięki stworzeniu komory w denku tłoka tworzone było labiryntowe zabezpieczenie przed ujściem gazów z komory spalania, co dodatkowo ułatwiało ich sprężenie podczas suwu. Na wypadek bardzo niskich temperatur w kolektorze dolotowym stosowano element grzewczy w postaci świecy płomieniowej.

Tłok z komorą wirową
Tłok z komorą wirową i wtryskiem bezpośrednim. Źródło: Domena publiczna/Saurer

Świeca płomieniowa ogrzewa powietrze w kolektorze dolotowym. Zasilana jest ona paliwem oraz energią elektryczną. Podczas rozruchu dostarczany jest do niej prąd, który nagrzewa jej żarnik. Po osiągnięciu temperatury żarzenia paliwo dociera przez zawór elektromagnetyczny do strefy odparowania świecy żarowo-płomieniowej. Dzięki temu powstaje płomień podgrzewający później zasysane powietrze i umożliwiający tym samym również w niskich temperaturach pewny, komfortowy i bezpieczny dla środowiska rozruch na zimno.

Nie tylko płomień

W silnikach z wtryskiem pośrednim, czyli z komorą wirową w głowicy, też można było zmniejszyć objętość komory, aby zwiększyć stopień sprężania, jednak w tym przypadku dynamika gazów oraz przekroje kanałów, przez które one przepływały, znacznie komplikowały konstrukcję głowicy. Łatwiejsze okazało się użycie dodatkowych elementów grzewczych w postaci świec żarowych.

W zależności od rodzaju wtrysku paliwa (pośredni lub bezpośredni) świece żarowe zamontowane są w głowicy w komorze wirowej lub w taki sposób, aby paliwo było wtryskiwane w jej bezpośrednią okolicę.

Pośrednio czy bezpośrednio

Do podstawowych typów komór spalania, stosowanych w silnikach z zapłonem samoczynnym należą:
· komory niedzielone z wtryskiem bezpośrednim: formowane w rozmaitych kształtach, umieszczane w głowicach lub denkach tłoków,
· komory wirowe: zapewniające lepsze wymieszanie paliwa z powietrzem; konstrukcje te są okupione jednak większym jednostkowym zużyciem paliwa i utrudnionym rozruchem,
· komory wstępne: powodujące dwufazowe, łagodne zapalanie się strumienia paliwa, co sprzyja szybkobieżności i eksploatacyjnej trwałości, ale wiąże się też z dużym zużyciem paliwa, utrudnionym rozruchem i niskim średnim ciśnieniem w cylindrach.

Pompy i wtrasykiwacze

Za wtrysk i prawidłowe rozpylenie paliwa odpowiadają wtryskiwacze lub pompowtryskiwacze oraz pompy wtryskowe lub pompy wysokociśnieniowe. Pierwszym rozwiązaniem stosowanym w silniku Diesla był wtryskiwacz połączony przewodem ciśnieniowym z pompą wtryskową, która była zsynchronizowana z wałem korbowym silnika. W odpowiednim momencie przetłaczała ona dawkę paliwa do wtryskiwacza czopikowego, który rozpylał je w cylindrze. Geometria wtryskiwacza jest dobrana w taki sposób, aby odpowiednio rozpylił on paliwo i nie uległ przy pracy zanieczyszczeniu lub zatkaniu. Jego zadaniem jest także odizolowanie układu zasilania od ciśnień panujących w cylindrze. To oznacza, że wtryskiwacz musi przez cały czas swojej pracy zachować odpowiednią szczelność.

Pierwszym rodzajem pompy wtryskowej była pompa rzędowa. Od 1927 r. stanowiła podstawowy element układu wtryskowego w silniku Diesla. W sekcjach pompy tłoczki zwiększały ciśnienie paliwa, które było dostarczane do poszczególnych wtryskiwaczy. Pompa posiadała regulator obrotów. W latach 80. wprowadzono elektroniczne sterowanie (EDC), które poprawiło efektywność pomp rzędowych. Pompa ta uzyskiwała ciśnienia wtrysku do 1100 barów. Do końca XX wieku pompy rzędowe stanowiły podstawowe rozwiązanie w samochodach ciężarowych. Produkowano też pompy typu "M" do samochodów osobowych Mercedes-Benz. Podstawową wadą pompy rzędowej jest niski zakres prędkości obrotowych, przy których pracuje ona prawidłowo. Dzieje się tak ze względu na dużą bezwładność pracujących w jej wnętrzu sekcji tłoczących napędzanych wałkiem krzywkowym.

Pompy rzędowe zostały wyparte przez pompy rozdzielaczowe, pompowtryskiwacze i układy pompa-przewód-wtryskiwacz, o poprawionej precyzji sterowania i większych ciśnieniach wtrysku.

Wtryskiwacz i świeca żarowa
Wtryskiwacz wtryskujący paliwo oraz świeca żarowa w cylindrze. Źródło: Robert Bosch

Małe, szybkoobrotowe silniki Diesla potrzebują układu wtryskowego o wysokich osiągach, krótkim czasie wtrysku, niewielkich wymiarach i niskiej masie. Pompy rozdzielaczowe spełniały te wymagania - były niewielkie i wytwarzały wystarczające ciśnienie wtrysku na poziomie do 150 bar, co było w zupełności wystarczające w silnikach z komorą wstępną w głowicy. Pierwsza pompa rozdzielaczowa wyprodukowana przez firmę Bosch miała premierę w 1960 roku.
Pompy rozdzielaczowe można podzielić na osiowe i promieniowe. Określenie to mówi, w którym kierunku odbywa się tłoczenie paliwa wewnątrz pompy. W pompie osiowej paliwo tłoczone jest wzdłuż osi pompy, natomiast w pompie promieniowej - prostopadle do osi.

Promieniowe tłoczenie paliwa w pompie wtryskowej zostało opatentowane jeszcze przed wojną przez angielską firmę Lucas. Ze względu na ochronę patentową firma Bosch musiała stworzyć pompę tłoczącą paliwo w inny sposób. Tak powstała pompa osiowa. Z wierzchu była ona trudna do odróżnienia od pompy promieniowej, natomiast znacznie różniła się wnętrzem.

Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama