Wysoka precyzja rozpylenia paliwa to lepsze spalanie

Wysoka precyzja rozpylenia paliwa to lepsze spalanie Raven Media – Maciej Blum
3.6.2022

Wtryskiwane do cylindra silnika wysokoprężnego paliwo jest rozpylane przez wtryskiwacz. Im drobniejsze rozpylenia paliwa, tym dokładniej jest ono spalane oraz tym mniej występuje emisji jego niespalonych resztek, czyli węglowodorów i sadzy. Jednym ze sposobów podniesienia stopnia rozpylenia paliwa jest zwiększenie ciśnienia wtrysku. Są jednak pewne limity. 

 

  • Ze względu na skomplikowaną budowę wtryskiwaczy elektromagnetycznych wśród producentów można zaobserwować trend, który polega na stosowaniu hydraulicznego wzmocnienia ciśnienia wtrysku we wtryskiwaczach tego typu.
  • Wtryskiwacze typu HADI wykorzystują specjalny tłok, który zwiększa ciśnienie do ponad 2500 barów, czyli do poziomu osiąganego przez wtryskiwacze piezoelektryczne. 
  • Dzięki technologii piezoelektrycznej możliwe jest osiągnięcie ciśnienia wtrysku nawet na poziomie 3000 barów.
Reklama

Na porządku dziennym są silniki wyposażone w układ wtryskowy typu Common Rail, który pracuje z ciśnieniem roboczym na poziomie 1800 barów. Tak wysokie ciśnienie wtrysku niesie za sobą konieczność produkcji podzespołów układu wtryskowego z zachowaniem szczególnych wymogów wymiarowych i czystościowych.

Jeśli chodzi o pompę wysokociśnieniową, to jedyny problem, z jakim można się spotkać, polega na niewłaściwym doborze materiału oraz kształtu bieżni w sekcji tłoczącej skutkujący łuszczeniem się jej podczas pracy. Swego czasu był to dość powszechny przypadek w silnikach TDCi. W przypadku uszkodzenia pompy wysokiego ciśnienia (zacierania się rolek tłoczących na bieżni) powstają opiłki, które są transportowane z paliwem do listwy zasilającej i dalej do wtryskiwaczy. Następnie opiłki są transportowane przewodami zwrotnymi do zbiornika paliwa, co skutkuje całkowitym zanieczyszczeniem układu paliwowego.

Jedynym rozwiązaniem tego problemu jest wymiana pompy wysokiego ciśnienia oraz dokładne czyszczenie układu paliwowego, a nawet wymiana przewodów i zbiornika paliwa. Wtryskiwacze – nawet te ze starych silników Diesla – są wykonane z tak dużą precyzją, że już jeden dostający się do nich opiłek działa niszcząco. W przypadku zaobserwowania opiłków w paliwie dostarczanym do wtryskiwaczy wina leży praktycznie zawsze po stronie pompy. Przed nią bowiem zamontowany jest filtr paliwa, który wcześniej wyłapuje wszystkie nieczystości w nim zawarte.

Układ zasilania Common Rail CRS3-20/-25 z wtryskiwaczami piezoelektrycznymi
Układ zasilania Common Rail CRS3-20/-25 z wtryskiwaczami piezoelektrycznymi. Źródło: Bosch

 

Warto wiedzieć
Historia ciśnienia wtrysku w silnikach Diesla
  • Do 100 barów: cel na początku prac rozwojowych w 1922 r.,
  • Ponad 100 barów: pierwsza seryjna pompa rzędowa (ciężarówka MAN, 1927 r.),
  • 300 barów: pompa rozdzielaczowa VE (VW Golf D, 1975 r.),
  • 900 barów: pompa rozdzielaczowa z tłokiem osiowym (Audi 100 TDI, 1989 r.),
  • 1500–1750 barów: promieniowa, wielotłoczkowa  pompa wtryskowa VP 44,
  • (Opel Vectra, Audi A6 2.5 TDI, 1996 r.; BMW 320d, 1998 r.),
  • 1350 barów: Common Rail (Alfa-Romeo 156 2.4 JTD, 1997 r.),
  • 2050 barów: pompowtryskiwacz (VW Passat TDI, 1998 r.),
  • Ponad 2000 barów: Common Rail z wtryskiwaczami piezoelektrycznymi (pierwsze zastosowanie: Audi A6 3.0 TDI, 2003/4),
  • 2500 barów: system Common Rail CRS3-25 (od 2014 r. stosowany seryjnie).

Co naprawiać, a czego już nie?

Wtryskiwacze elektromagnetyczne w większości przypadków dają się naprawić przez wymianę uszkodzonych elementów. W przypadku wtryskiwaczy piezoelektrycznych producenci są zdania, że ich naprawiać się nie powinno. Wynika to właśnie z rygorów stawianych przez precyzję wykonania oraz wymaganą czystość montażu. Ich ewentualna naprawa musi się odbywać w warunkach najwyższej czystości.

>>>>>Urządzenia do kontroli wtryskiwaczy<<<<<

Ze względu na skomplikowaną budowę wtryskiwaczy elektromagnetycznych wśród producentów można zaobserwować trend, który polega na stosowaniu hydraulicznego wzmocnienia ciśnienia wtrysku we wtryskiwaczach tego typu.

W 2007 r. wprowadzono do produkcji czwartą generację układu Common Rail do samochodów ciężarowych. W Europie jest ona dostępna od 2011 r. Nowością było zastosowanie hydraulicznego układu wzmacniania ciśnienia we wtryskiwaczach (HADI – Hydraulically Amplified Diesel Injector – wtryskiwacz ze wzmocnieniem hydraulicznym).

W tym układzie pompa wtryskowa generuje mniejsze ciśnienie niż układy wtrysku trzeciej generacji. Najwyższe ciśnienie jest wytwarzane we wtryskiwaczu i wynosi od 2200 do 2500 barów. Proces tworzenia ciśnienia przebiega więc dwustopniowo – najpierw w pompie, a następnie we wtryskiwaczu.

Powiązane firmy

Reklama

Wtryskiwacze typu HADI wykorzystują specjalny tłok, który zwiększa ciśnienie do ponad 2500 barów, czyli do poziomu osiąganego przez wtryskiwacze piezoelektryczne. Ma to niebagatelne znaczenie, jeśli chodzi o żywotność pompy wysokiego ciśnienia oraz możliwość odchudzenia elementów układu zasilania.

Dla przykładu, w Mercedesie Actrosie pompa wysokiego ciśnienia CPN 5 dostarcza paliwo pod ciśnieniem 900–1000 barów. W zakresie niskich obciążeń czterostykowy (dwucewkowy) wtryskiwacz CRIN 4.2 pracuje z wykorzystaniem jednej cewki sterującej bez wzmocnienia ciśnienia wtrysku. Gdy wymagane jest wyższe ciśnienie wtrysku – na przykład przy dużym obciążeniu – wysterowana zostaje druga cewka, co skutkuje podniesieniem ciśnienia wtrysku do 2700 barów.

Wtryskiwacze piezoelektryczne

W systemach Common Rail pierwszej i drugiej generacji wtryskiwacze były sterowane elektromagnetycznie. Iglicę zaworu uruchamiała w nich jedno- lub dwuczęściowa zwora elektromagnesu zasilanego impulsami elektrycznymi formowanymi przez elektroniczny sterownik. W najnowszych generacjach układów wtryskowych Common Rail stosuje się wtryskiwacze piezoelektryczne, w których wykorzystywane jest zjawisko odkształcania się kryształów określonych materiałów pod wpływem przyłożonego do nich napięcia elektrycznego.

Budowa wtryskiwacza piezoelektrycznego na przykładzie wtryskiwacza Bosch
Budowa wtryskiwacza piezoelektrycznego na przykładzie wtryskiwacza Bosch. Dzięki technologii piezoelektrycznej możliwe jest osiągnięcie ciśnienia wtrysku nawet na poziomie 3000 barów. Problemem jest jednak to, że jest to wtryskiwacz wyjątkowo trudny w naprawie. 1 – Przyłącze doprowadzenia paliwa, 2 – złącze instalacji elektrycznej, napięcie zasilania 110–148 V, 3 – filtr palcowy, 4 – przyłącze powrotu paliwa, 5 – stos piezoelektryczny, 6 – tłok pośredni, 7 – tłok zaworu, 8 – sprężyna tłoka zaworu, 9 – zawór przełączający, 10 – płytka dławika, 11 – sprężyna iglicy, 12 – miedziana uszczelka wtryskiwacza w oprawie głowicy, 13 – iglica. Źródło: Bosch

Wtryskiwacz elektromagnetyczny składa się z 3 głównych części:

  • rozpylacza otworkowego,
  • kulkowego zaworu otwieranego elektromagnesem i zamykanego sprężyną powrotną,
  • wspomagającego otwieranie hydraulicznego układu, w którym funkcję płynu roboczego pełni olej napędowy.

Paliwo dopływa z wysokociśnieniowego zbiornika przez złącze wtryskiwacza do kanału rozpylacza i równocześnie przez dodatkowy dławik do hydraulicznej komory sterującej. Drugi dławik odpływowy łączy tę komorę z paliwowym przewodem powrotnym. Gdy elektromagnes unosi kulkę, odrywając ją od jej szczelnie dopasowanego gniazda, następuje udrożnienie kanału przelewowego. Skutkiem tego jest gwałtowny spadek ciśnienia w komorze sterującej, co powoduje hydrauliczne uniesienie iglicy zaworu głównego i wtrysk paliwa przez rozpylacz. W pracy wtryskiwacza wyróżnić więc można następujące fazy:

  • zawór iglicowy zamknięty wysokim ciśnieniem paliwa,
  • otwieranie zaworu (początek wtrysku),
  • pełne otwarcie zaworu,
  • zamykanie się zaworu (koniec wtrysku).

Mimo odmiennej konstrukcji wtryskiwacze piezoelektryczne działają w podobnych cyklach, tylko zmiany faz następują szybciej. Dla wszystkich zatem generacji wtryskiwaczy Common Rail badanie ich funkcjonowania sprowadza się do oscyloskopowej kontroli przebiegów elektrycznych inicjujących poszczególne fazy pracy.

Sposób podłączenia oscyloskopu do instalacji CR w samochodzie
Sposób podłączenia oscyloskopu do instalacji CR w samochodzie. 1 – Oscyloskop, 2 – zasilanie z akumulatora, 3 – dodatnia sonda napięciowa pierwszego kanału, 4 – ujemna sonda napięciowa pierwszego kanału, 5 – cęgi prądowe, A – akumulator pojazdu, B – wtryskiwacz Common Rail, C – złącze elektryczne wtryskiwacza, D – przewód zasilający paliwem, E – przewód przelewowy. Źródło: Bosch
Ilustracja 6. Przebieg sygnału prądu sterującego wtryskiwaczem Common Rail.
Przebieg sygnału prądu sterującego wtryskiwaczem Common Rail. Źródło: Bosch
Przebieg sygnału prądu sterującego wtryskiwaczem Common Rail przy dłuższej podstawie czasu niż na ilustracji 6. Źródło: Bosch
 Przebieg sygnału napięcia sterującego wtryskiwaczem Common Rail
 Przebieg sygnału napięcia sterującego wtryskiwaczem Common Rail. Źrodło: Bosch
Warto wiedzieć
Zjawisko piezoelektryczne odwrotne

Polega na zmianie wymiarów materiału pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Odkształcenie powstaje na skutek rozsunięcia jonów pod wpływem sił elektrostatycznych i jest proporcjonalne do przyłożonego pola. Dla właściwości elementu wykonanego z piezoelektryka duże znaczenie ma sposób, w jaki wycięto go z kryształu, a ściślej orientacja wyciętej płytki względem osi krystalograficznych (X, Y, Z). Na rysunku przedstawiono fragment kryształu kwarcu oraz wyciętą z niego płytkę o tzw. cięciu X.

Główna część kryształu kwarcu z zaznaczonymi osiami krystalograficznymi oraz wycięta z niego płytka piezoelektryczna o cięciu X (cięciu Curie). Źródło: CLI


Od rodzaju cięcia zależą również właściwości temperaturowe otrzymanego elementu, ma więc ono duże znaczenie praktyczne, a w technice używa się płytek o różnych orientacjach krystalograficznych, w zależności od wymaganych parametrów. Stosuje się też elementy klejone z płytek o różnych orientacjach krystalograficznych oraz tzw. bimorfy, czyli elementy składające się z dwóch różnych rodzajów kryształów o różnych właściwościach. Dla kierunku i wielkości ładunku powstałego na piezoelektrycznej płytce znaczenie ma kierunek i wartość naprężenia oraz orientacja krystalograficzna (rodzaj cięcia kryształu). Jeżeli wykonaną z kwarcu płytkę o cięciu X podda się ściskaniu lub rozciąganiu wzdłuż krystalograficznej osi X,
pojawi się ładunek na powierzchniach prostopadłych do kierunku działania siły. Jeżeli siły działają w kierunku krystalograficznej osi Y, ładunki pojawiają się na płaszczyznach równoległych do naprężenia.

 

Schemat elektryczny układu zawierającego wtryskiwacze Common Rail
Schemat elektryczny układu zawierającego wtryskiwacze Common Rail. Y6 – grupa wtryskiwaczy, X13 – złącze sterownika układu wtryskowego, Piny 5.02 i 5.04 – zasilanie wtryskiwaczy, Piny 5.03, 5.05, 5.07, 5.09 – sygnały sterujące wtryskiwaczami. Źródło: Bosch

Kryształy piezoelektryczne

Piezoelektryki lub materiały piezoelektryczne to kryształy, w których obserwowane jest zjawisko piezoelektryczne. Polega ono na pojawieniu się pod wpływem naprężeń mechanicznych ładunków elektrycznych na ich powierzchni. Piezoelektryki przejawiają również odwrotne zjawisko piezoelektryczne, polegające na zmianie wymiarów kryształu pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Takie zjawisko wykorzystywane jest między innymi we wtryskiwaczach piezoelektrycznych i bywa błędnie nazywane elektrostrykcją.

Kryształy piezoelektryczne charakteryzują się tym, że mają wiązania jonowe, a ich komórka elementarna nie ma środka symetrii. Pod wpływem naprężenia w takich kryształach dochodzi do różnego przesunięcia „środków ciężkości” ładunku dodatniego i ujemnego, co powoduje polaryzację elektryczną kryształu. Pojawiający się na krawędziach kryształu ładunek elektryczny jest proporcjonalny do odkształcenia. Piezoelektryki charakteryzują się też odwrotnym zjawiskiem, które polega na tym, że po przyłożeniu do nich potencjału elektrycznego zmieniają swój kształt. Zjawisko to okazało się podstawą do zastosowania elementów piezoelektrycznych we wtryskiwaczach. Pakiety piezoelektryczne wykorzystywane są jako elementy wykonawcze. Zastępują one cewki elektromagnetyczne, dzięki czemu wtryskiwacz wykazuje się szybszą reakcją na sygnały sterujące oraz precyzyjniejsze staje się jego sterowanie.

Pompy wtryskowe

Pompy w trakcie eksploatacji ulegają zużyciu. Szczególnie niekorzystne dla pomp jest stosowanie paliwa zawierającego zabrudzenia, ponieważ może to doprowadzić do uszkodzenia mechanicznego pompy. Diagnostyka jest realizowana na stołach probierczych. Określenie parametrów pompy w trakcie testu na stole umożliwia ocenę, jakie elementy są zużyte i muszą ulec wymianie. Minimalne ciśnienie pozwalające na rozruch silnika generowane przez pompę wysokiego ciśnienia to ok. 180 barów, w nowych samochodach ciśnienie to wynosi już ok. 250 barów.

Jeżeli ciśnienie jest wystarczająco wysokie, a sterownik generuje błąd dotyczący zbyt niskiego ciśnienia, przyczyna leży poza układem paliwowym. W takim przypadku należy sprawdzić ciśnienie i wydatek pompy paliwa. Poprawny wynik jest różny dla różnych pomp i układów wtryskowych.

Aby przystąpić do kontroli, najpierw trzeba się zaopatrzyć w specyfikację techniczną danej pompy i modelu samochodu. Jeśli wartości nominalne nie zostaną osiągnięte, należy sprawdzić drożność przewodów paliwowych i filtra paliwa. Po sprawdzeniu drożności pompy paliwa należy sprawdzić samą pompę. Test ten można wykonać, mierząc podciśnienie generowane przez pompę. Jeśli wartość będzie zerowa, oznacza to, że w niej leży problem, ponieważ jest nieszczelna.

Kolejnym krokiem w diagnozie jest sprawdzenie zaworów oraz czujników ciśnienia na szynie zasilającej. Dość częstym przypadkiem błędu mówiącego o niskim ciśnieniu jest uszkodzenie czujnika albo jego nieprzypisanie po wymianie. W takim przypadku sterownik nie wie, że w układzie zainstalowany jest nowy czujnik lub zawór i przyjmuje wartości zastępcze. Po dokonaniu jakiejkolwiek naprawy konieczne jest sprawdzenie, czy pompa i wtryskiwacze działają w prawidłowy sposób. Do tego konieczne jest sprawdzenie wartości sterowania zaworem na szynie zasilającej oraz wartości ciśnienia wskazywanych przez czujnik.

Opracowano na podstawie informacji dostarczonych przez firmę Robert Bosch.

Artykuł ukazał się w czasopiśmie

O Autorze

autoEXPERT – specjalistyczny miesięcznik motoryzacyjny, przeznaczony dla osób zajmujących się zawodowo naprawą, obsługą, diagnostyką i sprzedażą samochodów oraz produkcją i sprzedażą akcesoriów motoryzacyjnych, części zamiennych i materiałów eksploatacyjnych.

Tagi artykułu

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę