Wprowadzenie

Historia silnika Diesla

Silnik Diesla jest tłokowym silnikiem spalinowym o zapłonie samoczynnym. Powietrze wypełniające cylinder sprężane jest do takiego ciśnienia, że uzyskana w końcu suwu sprężania temperatura pozwala na samozapłon wtryskiwanego oleju napędowego.

Wszystko zaczęło się w 1893 kiedy to Rudolf Diesel, niemiecki inżynier i przemysłowiec opatentował projekt silnika wysokoprężnego. Cztery lata później zbudował w pełni udany prototyp. Był to ważący 4,5 tony kolos, który nadawał się tylko do napędu maszyn stacjonarnych. Charakteryzował się on sprawnością sięgającą 30% podczas gdy silnik parowy mógł wykorzystać ok. 10% dostarczonej energii. W porównaniu z silnikiem z zapłonem iskrowym wykazywał mniejsze jednostkowe zużycie paliwa, a poza tym paliwo to (olej napędowy) było tańsze od benzyny. Spełniły się tym samym założenia wynalazcy, który chciał stworzyć silnik oszczędniejszy i wydajniejszy niż inne konstrukcje popularne w tamtych czasach. O dalszym rozwoju silników o zapłonie samoczynnym zadecydowały więc przede wszystkim względy ekonomiczne.

Głównymi wadami silników Diesla były ich duże rozmiary i wysoka masa. Wynikało to z konieczności zapewnienia odpowiedniej wytrzymałości konstrukcji, która poddawana była działaniu dużych obciążeń. Konieczne także było stosowanie sprężarki, która tłoczyła powietrze niezbędne do uzyskania wtrysku paliwa.

Postęp w dziedzinie materiałoznawstwa oraz wynalezienie wysokociśnieniowej pompy paliwowej i zastosowanie hydraulicznego wtrysku paliwa przyśpieszyło rozwój lżejszych silników z zapłonem samoczynnym. Znalazły one zastosowanie do napędu samochodów ciężarowych i ciągników. Masowo wykorzystywane były w przemyśle okrętowym. Silniki wysokoprężne napędzały sterowiec "Zeppelin", który odbył podróż dookoła świata. Pierwsze pojazdy użytkowe z silnikiem Diesla pojawiły się w latach dwudziestych ubiegłego stulecia. Mercedes jako pierwszy wyprodukował samochód osobowy z takim silnikiem, był to model 260D. Silniki te stosowano jednak rzadko w segmencie aut osobowych, uważając je za zbyt hałaśliwe, dymiące i mało dynamiczne.

Znaczącym krokiem rozwoju silników wysokoprężnych było zamontowanie do nich turbosprężarki. Pozwoliło to w znacznym stopniu zmniejszyć toksyczność spalin oraz zwiększyć moment obrotowy i moc silnika, co z kolei wpłynęło na redukcję jego masy i wymiarów. Jednak dopiero wprowadzenie na rynek pierwszego systemu bezpośredniego wtrysku paliwa zapoczątkowało erę świetności silników Diesla, a układ Common Rail jest dziś najbardziej rozpowszechnionym sposobem zasilania silników o zapłonie samoczynnym.

W roku 1996 w Niemczech udział samochodów z silnikami Diesla w ogólnej liczbie nowo rejestrowanych pojazdów wynosił zaledwie 15%, natomiast w roku 2002 po raz pierwszy przekroczył 40%. Jeszcze większy sukces odniosła technika Diesla w Austrii, gdzie w roku 2002 odnotowano aż 69,6% nowo rejestrowanych samochodów z silnikami wysokoprężnymi, we Francji - 63,2, w Belgii 62,7%, natomiast w Hiszpanii 57,4%. Średni udział samochodów z silnikami Diesla w roku 2002 wyniósł w Europie Zachodniej 40,3%. Boom na samochody z silnikiem wysokoprężnym trwa: w 2005r udział w rynku pojazdów wyposażonych w silnik Diesla wyniósł ok. 50%.

System zasilania silników ZS, podobnie jak w silnikach ZI, ma - obok rodzaju komory spalania i systemu napełniania - decydujący wpływ na najistotniejsze parametry silników samochodowych, do których zalicza się minimalne jednostkowe zużycie paliwa, osiągi silnika i toksyczność spalin.

           System zasilania silników ZS dzieli się na trzy układy.

1. Układ podający paliwo.

2. Układ wtryskowy.

3. Układ regulacyjny.

               Układ podający ma za zadanie podawać odpowiednio czyste paliwo do układu wtryskowego w każdych warunkach eksploatacji silnika. Jest to szczególnie istotne dla zasilanych olejami napędowymi silników pracujących w niskich temperaturach otoczenia.

          Układ wtryskowy ma za zadanie doprowadzać do komory spalania określonej wielkości dawkę wtryskiwaną pod wysokim ciśnieniem w odpowiednim czasie. Wielkość dawki i moment jej wtrysku określany kątem wyprzedzenia wtrysku zależą od dokładności pracy trzeciego układu - regulacyjnego. Dwa ostatnie układy są ze sobą zintegrowane i od jakości ich pracy zależą w znacznej mierze poziomy konstrukcyjny i eksploatacyjny silnika ZS.

 Powrót

Zasada działania

            Układ zasilania silnika o zapłonie samoczynnym zapewnia wtrysk paliwa wprost do cylindra. Dawka, zawierająca żądaną ilość odpowiednio rozpylonego paliwa, musi być wtryśnięta w odpowiedniej chwili.

         W skład typowego układu zasilania o zapłonie samoczynnym wchodzą następujące zasadnicze elementy:

• Pompa zasilająca
• Zbiornika paliwa wraz z przewodami
• Filtr paliwa
• Pompa wtryskowa
• Wtryskiwacze
• Regulator prędkości obrotowe
• Filtr powietrza z przewodami dolotowymi

            Pompa zasilająca podaje paliwo ze zbiornika przez filtr paliwa do pompy wtryskowej. Pompa wtryskowa tłoczy odmierzoną dawkę paliwa przewodami wysokiego ciśnienia do wtryskiwaczy. Nadmiar paliwa z filtru, pompy wtryskowej i wtryskiwaczy spływa do zbiornika przewodami przelewowymi.

           Przedstawiony układ wtryskowy jest tylko jednym z wielu istniejących rozwiązań konstrukcyjnych, lecz jest on najpowszechniej stosowany w silnikach pojazdów samochodowych.

Powrót

            Jak już wymieniliśmy poprzednio głównymi elementami silników ZS są:

1. Zbiornik paliwa
   
2. Pompa podająca
   
3. Filtry paliwa
   
4. Pompa wtryskowa
   
5. Wtryskiwacze
   
   Wtryskiwacze standardowe
   

   Common rail - wtryskiwacze elektromagnetyczne
   
   Pompowtryskiwacze
   
   Pompy rozdzielaczowe

6. Przewody przelewowe

Ad.1)

            Zbiorniki paliwa silników o zapłonie samoczynnym mają zbliżoną konstrukcję do zbiorników silników o zapłonie iskrowym. Silniki wysokoprężne zaopatrzone są jednak znacznie częściej w zbiorniki podwójne (samochody ciężarowe dużej ładowności i autobusy). Poza tym ze względu na stosunkowo wysoką temperaturę krzepnięcia oleju napędowego w zimniejszych strefach klimatycznych stosuje się ocieplanie zbiorników lub ogrzewanie paliwa w przewodzie przelewowym za pomocą podgrzewania gazami wydechowymi.

Ad.2)

            Pompa podająca przetłaczająca olej napędowy ze zbiornika do pompy wtryskowej jest najczęściej częścią składową tej pompy i wobec tego nie wymaga osobnego miejsca na silniku. Jest to zwykle pompa tłoczkowa, zamontowana na zewnątrz pompy wtryskowej i napędzana mimośrodem umieszczonym na wałku krzywkowym pompy wtryskowej. W małych silnikach stosowane są także przeponowe pompy paliwa o takiej samej konstrukcji, napędzie i sposobie umieszczenia na silniku jak w układach zasilania silników o zapłonie iskrowym.

            Zasadę działania tłoczkowej pompy paliwa pokazujemy na rysunku poniżej.

Tłoczkowa pompa podająca.
a, b, c - kolejne etapy pracy pompy

            Dla zapewnienia stałego ciśnienia suw tłoczenia w pompie odbywa się pod działaniem sprężyny, zaś suw ssania tłoka pod wpływem działania mechanicznego krzywki. Pompa z zasady zaopatrzona jest w zgrubny siatkowy filtr paliwa i osadnik, oraz w dodatkowe urządzenia pozwalające na ręczne pompowanie paliwa w przypadku zapowietrzenia się układu.

Ad.3)

          Olej napędowy do pompy wtryskowej musi być zupełnie czysty, gdyż nawet bardzo drobne zanieczyszczenia mogą uszkodzić lub przyspieszyć zużycie pompy wtryskowej i rozpylaczy we wtryskiwaczach. Dlatego poza filtrem siatkowym i osadnikiem zamontowanymi na pompie podającej, stosowane są przeważnie dwa lub trzy filtry dokładnego oczyszczania paliwa, pracujące szeregowo i umieszczone w połączonych obudowach. Najczęściej pierwszy filtr zawiera wkład filtrujący filcowy, a następne wkłady papierowe.

            Filtry paliwa muszą być umieszczone w łatwo dostępnym miejscu na silniku, lub pod maską silnika, aby ułatwić wymianę elementu filtrującego oraz odpowietrzenia filtrów.

Ad.4)

          Zadaniem pompy wtryskowej jest dostarczenie do wtryskiwaczy dokładnie odmierzonych dawek paliwa pod wymaganym ciśnieniem (rzędu kilkudziesięciu tysięcy kilopaskali). Wielkość tych dawek oraz chwile ich wtryskiwania zależą od chwilowych warunków pracy silnika.

          Obecnie stosuje się pompy wtryskowe tłoczkowe. Jeżeli każdy z cylindrów silnika jest zasilany oddzielną sekcją pompy wtryskowej, pompę taką nazywa się wielosekcyjną. Jeżeli wszystkie cylindry silnika są kolejno zasilane jedną sekcją pompy, pompę nazywa się jednosekcyjną z rozdzielaczem.

          Większość używanych w kraju wielocylindrowych silników o zapłonie samoczynnym ma pompy wielosekcyjne. Pompy jednosekcyjne prawie wyłącznie stosuje się w silnikach jednocylindrowych. Najczęściej stosuje się pompy wtryskowe z obracanymi tłoczkami. Pompa taka działa następująco. Napędzany mechanicznie wałek krzywkowy krzywkami 1 wymusza postępowo-zwrotny ruch tłoczka 2 w cylinderku 3. Podczas ruchu tłoczka ku dołowi do cylinderka 3 jest zasysane paliwo, dostarczane przez pompę zasilającą. Podczas ruchu tłoczka ku górze paliwo jest wytłaczane z cylinderka pompy przez sprzężony zawór tłoczny 5 do przewodu wysokiego ciśnienia. Tym przewodem paliwo płynie do wtryskiwacza. Zawór 5 jest tak wyregulowany, że otwiera się dopiero po wytworzeniu przez tłoczek wystarczająco wysokiego ciśnienia. Nadmiar paliwa jest odprowadzany otworem przelewowym 4.

            Zasadę działania pompy tego typu przedstawia rysunek poniżej. Kształt tłoczka jest widoczny na rysunku a. W czasie ruchu tłoczka ku dołowi do cylinderka przez otwór dolotowy 1 jest zasysane paliwo (rysunek b). W pierwszej fazie ruchu tłoczka ku górze jego główna krawędź zasłania otwory dolotowy 1 i przelewowy 2. Rozpoczyna się wytłaczanie paliwa do wtryskiwacza (rysunek c). W końcowej fazie ruchu ku górze dolna krawędź śrubowego wycięcia na tłoczku odsłania otwór przelewowy 2, powodując zakończenie tłoczenia (rysunek d). Do wtryskiwacza została podana określona dawka paliwa.

            Zasada działania zespołu tłoczącego pompy wtryskowej z obracanym tłoczkiem.

1.       Otwór dolotowy

2.       Otwór przelewowy

            Zmianę dawki paliwa uzyskuje się przez obrócenie tłoczka wokół osi. śrubowy kształt dolnej krawędzi tłoczka sprawia, że na skutek obrotu tłoczka zmienia się chwila odsłonięcia otworu przelewowego, a tym samym zmienia się dawka paliwa (rysunek e). Ustawienie tłoczka w położeniu, w którym przestrzeń nad tłoczkiem jest stale połączona z otworem przelewowym sprawia, że paliwo nie jest tłoczone pomimo ruchu tłoczka (rysunek f).

            Obciążenie silnika można więc zmieniać przez odpowiednie kątowe ustawienie tłoczków, takie same we wszystkich sekcjach pompy wtryskowej. Tłoczki 5 są obracane za pośrednictwem tulei 3 (obracanej przez koło zębate 2) przez przesuwną listwę zębatą 1 (rysunek poniżej). Tłoczki są sprzężone z tuleją 3 występami 4. Sprzężenie to umożliwia obracanie tłoczków w czasie ich ruchu wzdłuż osi cylinderków.

Pompa wtryskowa firmy Bosch.

        Pompę wtryskową sześciocylindrowego silnika o zapłonie samoczynnym przedstawia rysunek poniżej.

        Wadą tłoczkowych pomp wtryskowych jest zwiększenie się dawki paliwa w miarę wzrostu prędkości obrotowej silnika. Można tego uniknąć stosując specjalne urządzenia korygujące, tzw. korektory.  

Ad.5)

            Zadaniem wtryskiwacza jest wtryśnięcie do komory spalania podanej przez pompę wtryskową dawki paliwa oraz jej jednoczesne rozpylenie w sposób zapewniający najkorzystniejsze warunki spalania.

            Przekrój typowego wtryskiwacza przedstawia rysunek poniżej. Zasadniczymi częściami wtryskiwacza są: obudowa oraz końcówka, której wylot znajduje się wewnątrz komory spalania silnika. Obydwie te części są połączone nakrętką.

            W końcówce wtryskiwacza znajduje się iglica , której koniec, zakończony stożkiem, jest dociskany do gniazda sprężyną za pośrednictwem popychacza. Drugi koniec sprężyny opiera się o śrubę regulacyjną . Zmieniając grubość podkładek , można regulować ciśnienie wtrysku.

            Paliwo jest doprowadzane do wtryskiwacza przewodem, w którym panuje ciśnienie wytworzone przez pompę wtryskową. Takie same ciśnienie panuje w komorze końcówki wtryskiwacza. W chwili gdy ciśnienie w komorze (czyli ciśnienie wytworzone przez pompę wtryskową) wywrze na iglicę siłę przewyższającą siłę docisku sprężyny, iglica uniesie się i nastąpi wtrysk paliwa. Gdy ciśnienie w komorze zmaleje, iglica ponownie osiądzie w gnieździe i wtrysk paliwa zostanie przerwany. Nadmiar paliwa odpływa przewodem.

           Jakość rozpylenia paliwa, kształt wtryskiwanej strugi oraz kierunek wtrysku zależą od ukształtowania końcówki wtryskiwacza. Końcówka może mieć jeden lub kilka otworów o niewielkiej średnicy. Dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu i skierowaniu tych otworów uzyskuje się wtrysk paliwa odpowiedni do danego rodzaju komory spalania.

Końcówki wtryskiwacza:  
a)       czopikowa  
b)       wielootworowa  
c)       z gniazdem płaskim

 Wtryskiwacze.

Wtryskiwacze standardowe

W silnikach o zapłonie samoczynnym z wtryskiem bezpośrednim z rozdzielaczowymi pompami wtryskowymi współpracują wtryskiwacze z rozpylaczami otworowymi. Paliwo pod ciśnieniem przedostaje się kanałem od otworu dopływowego w korpusie wtryskiwacza przez otwór we wkładce pod przylgnię igły (gniazdo) w korpusie rozpylacza. Wtrysk następuje w chwili, gdy ciśnienie paliwa jest na tyle wysokie, że jest w stanie pokonać siłę sprężyny i unieść igłę rozpylacza. Paliwo jest wtryskiwane kanalikami wtryskowymi do komory spalania. Wtrysk kończy się, gdy ciśnienie paliwa spadnie na tyle, że sprężyna dociśnie igłę rozpylacza do gniazda przylgni. Początek wtrysku jest zatem sterowany ciśnieniem paliwa.

	1. - filtr szczelinowy
2. - kanał dopływowy
3. - czop naciskowy
4. - wkładka
5. - nakrętka
6. - obsadka rozpylacza
7. - korpus rozpylacza
8. - kołki pozycjonujące
9. - sprężyna
10. - podkładka regulacyjna
11. - kanal odprowadzenia przecieków
12. - króciec odprowadzenia przecieków
13. - korpus wtryskiwacza
14. - złącze gwintowe
15. - stożek uszczelniający

rys. wtryskiwacz standardowy

Bardziej zaawansowaną konstrukcją jest wtryskiwacz dwusprężynowy, umożliwiający realizowanie wtrysku wstępnego w celu redukcji hałasu, szczególnie na biegu jałowym oraz przy obciążeniach częściowych. Podczas wtrysku igła rozpylacza unosi się najpierw o skok wstępny umożliwiając wtryśnięcie niewielkiej (wstępnej) ilości paliwa. Kiedy ciśnienie we wtryskiwaczu wzrośnie bardziej, wtedy igła rozpylacza wykona pełny skok i zostaje wtryśnięta główna dawka paliwa.

	1. - korpus wtryskiwacza
2. - podkładka regulacyjna
3. - pierwsza sprężyna
4. - swożeń naciskowy
5. - podkładka prowadząca
6. - druga sprężyna
7. - popychacz
8. - talerzyk sprężynkowy
9. - podkładka regulacyjna
10. - wkładka
11. - tulejka oporowa zderzaka
12. - igła rozpylacza
13. - nakrętka mocująca
14. - korpus rozpylacza
h1 - skok wstępny h2 - skok główny

rys. wtryskiwacz dwusprężynowy

Common rail - wtryskiwacze elektromagnetyczne

	A - wtryskiwacz zamknięty B - wtryskiwacz otwarty
1. - króciec przelewu paliwa
2. - złącze elektryczne
3. - cewka elektromagnesu
4. - złącze dopływu paliwa wysokiego ciśnienia z zasobnika
5. - kulka kotwicy zaworu
6. - dławik odpływowy
7. - dławik dopływu
8. - komora sterująca zaworu
9. - tłoczek sterujący zaworu
10. - kanal dopływu paliwa do rozpylacza
11. - igła rozpylacza

rys. wtryskiwacz systemu Common Rail

Układ wtryskowy Common Rail umożliwia rozdzielenie funkcji wytwarzania wysokiego ciśnienia i realizowania wtrysku paliwa. Dzięki temu zapewnia on znacznie większą elastyczność i dostosowanie układu wtryskowego do silnika w porównaniu z konwencjonalnymi układami z napędem krzywkowym. Ponieważ paliwo znajduje się w zasobniku stale pod wysokim ciśnieniem, możliwe jest dowolne modelowanie wtrysku poprzez wysyłanie impulsów do sterowanych elektromagnetycznie wtryskiwaczy. Sterownik zasilając prądem zawór elektromagnetyczny wtryskiwacza uruchamia rozpylacz (początek wtrysku). Po wyłączeniu zasilania elektrycznego wtrysk zostaje zakończony. Wtryśnięta dawka paliwa jest proporcjonalna, przy danym ciśnieniu, do czasu włączenia zaworu elektromagnetycznego, ale jest niezależna od prędkości obrotowej silnika lub pompy wtryskowej. W nowszych generacjach CR pozwala to na wykonanie kilku wtrysków w czasie jednego obiegu roboczego silnika. Wpływa to na zmniejszenie zużycia paliwa, zapewnia cichszą pracę silnika i mniejszą zawartość szkodliwych substancji w spalinach. Najważniejszymi elementami układu CR są: sterownik elektroniczny, pompa wysokiego ciśnienia, zasobnik paliwa wysokiego ciśnienia i wtryskiwacze paliwa.

W układach Common Rail stosowane są wtryskiwacze sterowane elektromagnetycznie. W celu zapewnienia właściwego przebiegu wtrysku i dokładnej dawki paliwa wtryskiwacz sterowany jest impulsem elektromagnetycznym wspomaganym przez układ hydrauliczny. Pozwala to dowolnie modelować przebieg wtrysku oraz realizować funkcję wtrysku wstępnego. Wtryśnięta dawka paliwa jest proporcjonalna do czasu włączenia zaworu elektromagnetycznego, ale jest niezależna od prędkości obrotowej silnika. Możliwe jest to dzięki zasobnikowi umieszczonemu pomiędzy pompą wysokiego ciśnienia a wtryskiwaczami, który magazynuje paliwo pod wysokim ciśnieniem.

W układach pierwszej generacji ciśnienie wtrysku wynosiło 1350 bar, w drugiej zostało zwiększone do 1600 bar. W systemach drugiej generacji pojawiły się wtryskiwacze piezoelektryczne, to znaczy wtryskiwacze z piezoelektrycznym elementem wykonawczym. Efekt piezoelektryczny polega na zmianie wymiarów kryształu pod wpływem działania pola elektrycznego. Zjawisko to występuje w tych kryształach, które nie mają swojego środka symetrii, np. w kryształach kwarcu.

W przypadku wtryskiwaczy zamiast stosowanych w przemyśle kryształów zwykłego kwarcu zastosowano kryształy z materiału ceramicznego. Ma on również właściwości piezoelektryczne, a dzięki dodatkom ołowiu i tlenków cyrkonu dobrze znosi wysoką temperaturę. Do osiągnięcia wymaganego skoku igły rozpylacza niezbędna jest odpowiednia grubość piezoelementów. Piezoelement jest walcem o wysokości ok. 30 mm, utworzonym z ok.400 warstw bardzo cienkiej folii ceramicznej. Po przyłożeniu do niego napięcia 150 V zwiększa swoją wysokość o 0,04 mm. Dla porównania: włos ludzki ma grubość ok. 0,05 mm. Następnie mechanizm składający się z tłoków i sprężyn przekształca tę wartość na skok igły rozpylacza 0,08 mm. Ta stosunkowo mała wartość wystarcza do precyzyjnego otwarcia i zamknięcia wtryskiwacza. Ponieważ w rozpylaczach nie nożna zamontować żadnych uszczelek, tolerancje wykonawcze otworu w korpusie rozpylacza i igły nie mogą przekraczać kilku tysięcznych milimetra, a luzy montażowe są jeszcze mniejsze.

Główną zaletą wtryskiwaczy piezoelektrycznych jest ich krótki czas przełączania, ok. 0,1 ms. Piezowtryskiwacze pozwalają na swobodny wybór początku wtrysku i wielkości dawki paliwa, oraz wykonanie wtrysku wielofazowego. Bezwładność wtryskiwaczy elektromagnetycznych dopuszczała dotychczas tylko jeden wtrysk wstępny w celu tłumienia hałasów spalania. W maju 2003 do produkcji seryjnej weszła trzecia generacja systemów Common Rail Boscha wyposażonych we wtryskiwacze piezokrystaliczne. Zawory wtryskiwacza posiadają zintegrowany w sobie nastawnik piezokrystaliczny składający się z kilkuset małych i cienkich kryształów. Piezokryształy przełączają zawory w czasie poniżej jednej dziesięciotysięcznej sekundy. Aby to wykorzystać, Bosch zintegrował nastawnik piezokrystaliczny w korpusie wtryskiwacza (stąd nazwa Inline Injector). Ruch materiału piezokrystalicznego przenoszony jest we wtryskiwaczu typu Inline Injector bez dodatkowych elementów mechanicznych oraz bez tarcia na szybko przemieszczającą się iglicę. Zaletą innowacyjnego rozwiązania jest, w porównaniu do wtryskiwaczy elektromagnetycznych oraz dotychczas stosowanych konwencjonalnych wtryskiwaczy piezoelektrycznych, bardziej precyzyjne dozowanie ilości wtryskiwanego paliwa i lepsze rozpylenie paliwa w komorze spalania silnika. Dzięki szybkiemu przełączaniu się wtryskiwacza można skrócić odstępy pomiędzy poszczególnymi wtryskami, co pozwala na uelastycznienie przebiegu wtrysku.

Nowa technika sprawia, że silniki Diesla pracują ciszej, emitują mniej zanieczyszczeń i osiągają większą moc. Ilość zwracanego paliwa, niewykorzystanego podczas wtrysku, jest w przypadku wtryskiwaczy typu Inline Injector bardzo niewielka. Dzięki niższym tolerancjom w przypadku ilości wtryskiwanego paliwa oraz momentu wtrysku, wtryskiwacze dozują paliwo z dużą precyzją, czego efektem jest obniżenie emisji szkodliwych substancji w procesie spalania. Jeden lub dwa wtryski pilotażowe eliminują na przykład wyrzut białego i niebieskiego dymu po rozruchu zimnego silnika oraz redukują charakterystyczne stuki powstające podczas spalania. Z kolei dodatkowy wtrysk następujący bezpośrednio po wtrysku głównym obniża emisję sadzy. Jeszcze jeden wtrysk dodatkowy regeneruje filtr cząstek stałych, o ile jest on zamontowany w pojeździe. System Common Rail trzeciej generacji z piezokrystalicznymi wtryskiwaczami (Inline Injector) jest w stanie obniżyć emisję szkodliwych substancji powstających w procesie spalania maksymalnie o 20% w porównaniu do systemów z wtryskiwaczami elektromagnetycznymi lub piezoelektrycznymi.

pompa wysokiego ciśnienia

	1. - wałek napędowy
2. - krzywka mimośrodowa
3. - sekcja tłocząca
4. - przestrzeń tłocząca
5. - zawór wlotowy
6. - zawór wyłączający sekcji tłoczącej
7. - zawór wylotowy
8. - uszczelnienia
9. - złącze wysokiego ciśnienia
10. - zawór regulacyjny
11. - zawór kulkowy
12. - przelew paliwa
13. - dopływ paliwa
14. - zawór bezpieczeństwa z otworem dławiącym
15. - kanał niskiego ciśnienia

rys. przekrój wzdłużny

Napędzana przez silnik, pracująca ciągle pompa wysokiego ciśnienia wytwarza wymagane ciśnienie paliwa. Zawór regulacyjny ciśnienia, w zależności od miejsca, jest wbudowany w pompę wysokiego ciśnienia lub występuje oddzielnie. Paliwo jest sprężane przez trzy tłoczki umieszczone promieniowo wewnątrz pompy i rozmieszczone co 120 stopni. Pompa zasilająca tłoczy paliwo przez filtr z odstojnikiem wody do zaworu bezpieczeństwa i przetłacza je przez otwór dławiący zaworu bezpieczeństwa do obiegu smarowania i chłodzenia pompy wysokiego ciśnienia. Wałek napędowy porusza trzy tłoczki pompy w górę i w dół odpowiednio do kształtu krzywki. Gdy ciśnienie tłoczenia przekroczy wartość ciśnienia otwarcia zaworu bezpieczeństwa, pompa zasilająca może tłoczyć paliwo przez zawór wylotowy pompy wysokiego ciśnienia do przestrzeni sekcji tłoczącej, przy czym tłoczek pompy porusza się w dół (skok ssania).

Po przekroczeniu najniższego położenia tłoczka przestrzeń sekcji tłoczącej zostaje zamknięta i paliwo nie może się w niej rozprężyć. Może być ono wówczas sprężone powyżej ciśnienia tłoczenia pompy zasilającej. Rosnące ciśnienie otwiera zawór wylotowy, a z chwilą osiągnięcia ciśnienia w zasobniku sprężone paliwo przedostaje się do obwodu wysokiego ciśnienia. Tłoczek sekcji tłoczącej przetłacza paliwo do chwili osiągnięcia swego najwyższego położenia (skok tłoczenia). Następnie ciśnienie spada i zawór wylotowy się zamyka. Pozostałe paliwo rozpręża się, tłoczek sekcji porusza się w dół. Gdy ciśnienie w przestrzeni sekcji tłoczącej będzie mniejsze, niż ciśnienie tłoczenia pompy zasilającej, proces powtórzy się. Ponieważ pompa wysokiego ciśnienia musi zapewnić odpowiedni wydatek już od obrotów biegu jałowego, przy podwyższonych obrotach silnika występuje nadmiar sprężonego paliwa. Jest on odprowadzany z powrotem do zbiornika przez zawór regulacyjny ciśnienia. Jednak sprężone paliwo ulega rozprężeniu, tracona jest energia uzyskana przez sprężanie, a więc zmniejsza się sprawność całkowita. Problem ten rozwiązano dostosowując wydatek tłoczenia do zapotrzebowania na paliwo poprzez układ wyłączania sekcji tłoczącej.

Wyłączenie sekcji tłoczącej, powodujące zmniejszenie ilości paliwa przetłaczanej do zasobnika wysokiego ciśnienia, odbywa się dzięki stałemu utrzymywaniu zaworu wlotowego w położeniu otwartym. Po włączeniu zaworu elektromagnetycznego wyłączania sekcji tłoczącej trzpień umieszczony na kotwicy zaworu naciska stale na zawór wlotowy. Dzięki temu zasysane paliwo nie może być sprężone podczas skoku tłoczenia i odpływa z powrotem do kanału niskiego ciśnienia.

	1. - wałek napędowy
2. - krzywka mimośrodowa
3. - sekcja tłocząca
4. - zawór wlotowy
5. - zawór wylotowy
6. - dopływ paliwa

rys. przekrój poprzeczny

zasobnik paliwa wysokiego ciśnienia

Zasobnik paliwa gromadzi paliwo o wysokim ciśnieniu. Ciśnienie we wspólnym dla wszystkich cylindrów zasobniku paliwa utrzymywane jest w przybliżeniu na stałym poziomie, pomimo pobierania paliwa niezbędnego do wtrysku. Zasobnik paliwa wyposażony jest w czujnik ciśnienia paliwa i zawór redukcyjny ciśnienia.

	1. - zasobnik paliwa
2. - dopływ z pompy wysokiego ciśnienia
3. - czujnik ciśnienia w zasobniku
4. - zawór regulacyjny
5. - przelew z zasobnika do zbiornika
6. - ogranicznik przepływu
7. - przewód do wtryskiwacza

rys. zasobnik paliwa wysokiego ciśnienia

Pompowtryskiwacze

Pompowtryskiwacz jest urządzeniem, które łączy w sobie wtryskiwacz i pompę wysokiego ciśnienia. Wyeliminowanie przewodów wysokiego ciśnienia pozwala uzyskać ciśnienie wtrysku o wartości 2050 bar. Każdy cylinder silnika ma własny pompowtryskiwacz zamocowany na głowicy i napędzany bezpośrednio przez popychacz albo pośrednio dźwignią od wału rozrządu.

Korpus pompowtryskiwacza pełni jednocześnie funkcję cylindra pompy. Na korpusie umieszczony jest zawór wysokiego ciśnienia. Wewnętrzne kanały w korpusie łączą komorę wysokiego ciśnienia z zaworem elektromagnetycznym obwodu niskiego ciśnienia oraz rozpylaczem. Sprężyna powrotna dociska końcówkę tłoczka pompy do śruby popychacza dźwigniowego opierającego się rolką o krzywkę napędową. Podczas pracy końcówka tłoczka, popychacz i krzywka są w stałym styku. Po zakończeniu wtrysku sprężyna przemieszcza tłoczek do położenia wyjściowego. Początek i dawka wtrysku sterowane elektronicznie zależą od chwilowej prędkości tłoczka pompy określonej kształtem krzywki. Dzięki wysokiemu ciśnieniu wtrysku oraz elektronicznej regulacji charakterystyki początku i czasu wtrysku jest możliwa znaczna redukcja szkodliwych składników spalin.

W tym roku Bosch planuje rozpoczęcie seryjnej produkcji udoskonalonego systemu UIS. Współosiowy wtryskiwacz typu Vario sprawi, że silniki będą zarówno cichsze, jak i bardziej ekologiczne przy jednoczesnym wzroście ich mocy. Zmienne wtryskiwacze (wtryskiwacze typu Vario) różnią się od tradycyjnych wtryskiwaczy stosowanych w systemach UIS ilością, rozmieszczeniem, średnicą i kształtem otworów wtryskowych. Zawór elektromagnetyczny steruje dwiema współosiowymi iglicami wtryskiwacza, które otwierają dwa szeregi otworów wtryskiwacza. Pierwszy szereg o niskim przepływie dostarcza na początku spalania niewielkich ilości paliwa, zapewniając łagodny przebieg procesu spalania oraz niski poziom stuków. Dodatkowo w przypadku częściowego obciążenia oferuje lepszą mieszankę o wyraźnie niższym poziomie emisji szkodliwych substancji. Próby wykazały obniżenie emisji cząstek stałych oraz tlenku azotu o 25 do 40 procent. Po dołączeniu drugiego szeregu otworów wtryskiwacza wzrasta moc silnika bez konieczności podwyższania ciśnienia wtrysku. W idealnym przypadku dzięki wtryskiwaczowi typu Vario można zrezygnować z wtrysku pilotażowego w większości zakresów obrotowych oraz zakresów obciążenia silnika, co pozwala obniżyć emisję cząstek stałych

Pompy rozdzielaczowe

Pompy rozdzielaczowe występują w dwóch odmianach jako osiowe i promieniowe. Jednymi z najczęściej spotykanych pomp wtryskowych są modele o oznaczeniach VP 30 (osiowa) i VP 44 (promieniowa) wyprodukowane przez firmę Bosch. Pompy te należą do rodziny regulowanych elektronicznie rozdzielaczowych pomp wtryskowych, w których dawka wtrysku sterowana jest elektromagnetycznym zaworem wysokiego ciśnienia. Za pomocą tego zaworu określane są: początek i koniec wtrysku oraz dawka paliwa.

pompy osiowe

Różnica pomiędzy VP 30 a VP 44 polega na tym, ze w VP 30 wysokie ciśnienie wytwarza pompa o tłoczku osiowym, a w VP 44 pompa o dwóch lub trzech tłoczkach promieniowych. Dzięki możliwości wytworzenia wysokiego ciśnienia i elektronicznemu sterowaniu pompy te wykorzystywane są często do zasilania silników wysokoprężnych.

Za pomocą pompy osiowej można wytworzyć na wtryskiwaczu ciśnienie maksymalne do 120 MPa, a za pomocą promieniowej maksymalnie 180 MPa. Pracą pompy zarządza elektroniczny układ sterowania silnika EDC. Pierwsze układy wymagały dwóch sterowników: silnika i pompy wtryskowej. Później zaczęto stosować jeden wspólny sterownik zamontowany bezpośrednio na pompie.

	1. - kierunek przestawiania wtrysku na pierścieniu rolkowym
2. - rolka
3. - tarcza skokowa
4. - tłokorozdzielczacz
5. - suwak
6. - strefa wysokiego ciśnienia
7. - doprowadzenie paliwa do rozpylacza
8. - okienko sterujące
X. - skok użyteczny

rys. zasada działania sterowanej krawędzią osiowej, rozdzielaczowej pompy wtryskowej

Obracająca się tarcza skokowa jest napędzana od silnika. Liczba wzniosów krzywki na tarczy skokowej odpowiada liczbie cylindrów silnika. Krzywki na tarczy skokowej przemieszczając się po rolkach pierścienia rolkowego wywołują w tłokorozdzielaczu oprócz ruchu obrotowego dodatkowy ruch posuwisty. Podczas jednego obrotu wałka napędowego tłok wykonuje tyle skoków, ile cylindrów silnika należy w tym czasie zasilić. W sterowanej krawędzią osiowej pompie wtryskowej VE z mechanicznym regulatorem odśrodkowym lub elektronicznie regulowanym nastawnikiem skok użyteczny i dawkę paliwa ustala położenie suwaka regulacyjnego. Początek wytrysku pompy może być zmieniany za pomocą przestawiacza wtrysku. Regulacja mechaniczna jest stosowana wyłącznie w osiowych pompach rozdzielaczowych. Żądania kierowcy są przekazywane do regulatora pompy wtryskowej przez pedał przyspieszenia i cięgło. Dokładniejszą regulację uzyskuje się dzięki zastosowaniu sterowania elektronicznego. Nastawnik elektromagnetyczny w rozdzielaczowej pompie wtryskowej zastępuje regulator mechaniczny i jego układy dodatkowe. Sterownik określa położenie nastawnika elektromagnetycznego w pompie wtryskowej uwzględniając sygnały z różnych czujników monitorujących stan pracy silnika.

pompy promieniowe

Promieniowa rozdzielaczowa pompa wtryskowa składa się z łopatkowo-komorowej pompy z zaworem regulacyjnym ciśnienia i przelewowym zaworem dławiącym. Jej zadaniem jest zasysanie paliwa, wytworzenie ciśnienia wewnątrz akumulatora hydraulicznego (ok. 2 MPa) oraz zasilenie paliwem tłoczkowej pompy promieniowej wysokiego ciśnienia, która to wytwarza wysokie ciśnienie niezbędne do wtrysku paliwa (do ok. 160 MPa). Wraz z pompą wysokiego ciśnienia obraca się wałek rozdzielacza, doprowadzający paliwo do poszczególnych cylindrów.

Zawór elektromagnetyczny wysokiego ciśnienia odpowiada za dawkę paliwa i jest sterowany sygnałami o zmiennej częstotliwości impulsów przez umieszczony na pompie sterownik. Otwieranie i zamykanie zaworu określa czas tłoczenia paliwa przez pompę wysokiego ciśnienia. Na podstawie sygnałów czujnika kąta obrotu (położenia kątowego wałka) jest ustalane chwilowe wzajemne położenie kątowe wałka napędowego i pierścienia krzywkowego podczas obrotu, obliczana prędkość obrotowa pompy wtryskowej oraz (przez porównanie z sygnałami czujnika wału korbowego) rozpoznawana pozycja przestawiacza wtrysku.

	1. - łopatkowa pompa przetłaczająca z zaworem regulacyjnym ciśnienia
2. - czujnik kąta obrotu
3. - sterownik pompy
4. - pompa wysokiego ciśnienia z wałkiem rozdzielczym i zaworem wylotowym
5. - przestawiacz wtrysku z zaworem przestawiacza
6. - zawór elektromagnetyczny wysokiego ciśnienia

rys. zespół promieniowej rozdzielaczowej pompy wtryskowej

Czujnik kąta obrotu jest umieszczony na pierścieniu obracającym się synchronicznie z pierścieniem krzywkowym pompy wysokiego ciśnienia. Zębata tarcza nadajnika impulsów jest umieszczona na wałku napędowym pompy. Miejsca bez zębów odpowiadają liczbie cylindrów silnika. Kiedy wałek rozdzielacza obraca się, rolki popychacza poruszają się po powierzchni pierścienia krzywkowego. Tłoczki są wtedy wciskane do wewnątrz i sprężają paliwo do wysokiego ciśnienia. Jednak tłoczenie paliwa pod wysokim ciśnieniem rozpoczyna się wtedy, gdy zawór elektromagnetyczny zostaje zamknięty sygnałem ze sterownika. Wałek rozdzielacza ustawi się przed kanałem wylotowym sprężonego paliwa do odpowiedniego cylindra. Teraz paliwo poprzez zwrotny zawór dławiący przedostaje się przewodem do wtryskiwacza, który wtryskuje je do komory spalania. Wtrysk kończy się z chwilą gdy zawór elektromagnetyczny zostanie otwarty.

Początek tłoczenia jest zapisany jako mapa charakterystyk w funkcji prędkości obrotowej silnika oraz dawki paliwa jako miary obciążenia silnika. Współczynnikami korygującymi są temperatura silnika i zasysanego powietrza oraz ciśnienie otoczenia. Najważniejszymi czujnikami są : czujnik położenia wału korbowego oraz czujnik kąta obrotu w pompie. Na podstawie tego ostatniego sterownik określa dokładne położenie wałka pompy i przestawiacza wtrysku. Obwód regulatora początku wtrysku w sterowniku pompy stale porównuje rzeczywisty początek wtrysku z ustaloną wartością znamionową i w razie wystąpienia różnicy - zmienia sygnał sterujący przesyłany do zaworu elektromagnetycznego.

Informacją o rzeczywistej wartości początku wtrysku jest sygnał czujnika kąta obrotu lub czujnika wzniosu igły w obsadzie wtryskiwacza. Czujnik wzniosu igły rozpylacza nie jest konieczny. Zawór elektromagnetyczny ustawia położenie przestawiacza wtrysku, który odpowiednio obraca pierścieniem krzywkowym pompy wysokiego ciśnienia. Dzięki temu rolki napędzające tłoczki trafiają wcześniej lub później na krzywki pierścienia, powodując przyśpieszenie lub opóźnienie początku tłoczenia. Zawór przestawiacza wtrysku może być bezstopniowo otwierany i zamykany za pomocą sterownika przez określanie odpowiedniego współczynnika wypełnienia impulsu.

Powrót