Niekonwencjonalne systemy wtryskowe CommonRail

Wymagania w zakresie poprawy parametrów pracy, zmniejszenia emisji substancji toksycznych, oraz hałasu a także zużycia paliwa, które będą stawiane silnikom wysokoprężnym po roku 2005, wymusiły na konstruktorach aparatury wtryskowej poszukiwanie nowych, niekonwencjonalnych rozwiązań wtrysku paliwa, bardziej wydajnych od obecnie stosowanych wysokociśnieniowych pomp wtryskowych. Cel w tym zakresie został osiągnięty dzięki zastosowaniu nowego systemu zwanego Common Rail. Chciałbym w tym miejscu nadmienić że idea tego systemu powstała przed II wojną światową. W praktyce, pierwsze próby zastosowań przypadają na lata siedemdziesiąte ale ograniczenia technologiczne, objawiające się zbyt dużą bezwładnością w działaniu elementów elektromagnetycznych oraz niedostateczny na owe czasy rozwój techniki mikroprocesorowej, uniemożliwił zastosowania seryjne. Stał się jednak wzorem do nowych opracowań benzynowych systemów wtryskowych, których burzliwy rozwój możemy zaobserwować w tamtym okresie czasu. Zasada działania systemu wywodzi się z wtrysku sekwencyjnego silników benzynowych, przy wykorzystaniu bardzo wysokiego ciśnienia paliwa oraz w pełni elektronicznego sterowania. Napędzana niesynchronicznie w stosunku do wału korbowego, wysokociśnieniowa pompa paliwa z trzema radialnymi tłokami, zasila w sposób ciągły „Rail” czyli niewielki kolektor zasilania. Kolektor ten, jest połączony rurkami ze wszystkimi wtryskiwaczami, dzięki czemu na każdym wtryskiwaczu panuje identyczne ciśnienie. Ciśnienie to, zmienia się w zakresie od 200 do 1500 barów i jest regulowane jest poprzez elektroniczną jednostkę sterującą a jego wielkość zależy od prędkości obrotowej silnika oraz od jego chwilowych obciążeń. Na uwagę zasługuje sposób regulacji ciśnienia w kolektorze zasilania który odbywa się na zasadzie włączania lub wyłączania trzeciego elementu tłoczącego w pompie wysokociśnieniowej. Znaczy to, że jeżeli zachodzi konieczność zmniejszenia poboru mocy pobieranej przez pompę przy małym obciążeniu silnika, względnie gdy nie jest konieczny duży wydatek paliwa, ECU poprzez specjalny elektrozawór wyłącza jedną z trzech sekcji tłoczących. Wtryskiwacze wyposażone są w elektrozawory sterujące które otrzymują impulsy z ECU, jednak należy wiedzieć że bardzo wysokie ciśnienie paliwa panujące w systemie, nie pozwala na bezpośrednie elektryczne sterowanie wtryskiwaczami, ponieważ ani moc elektrozaworu oraz jego bezwładność działania a także moc impulsu sterującego przekazywanego z ECU, są niewystarczające. Realizacja otwierania i zamykania wtryskiwacza oparta jest więc na różnicy ciśnień. Dwa kanały przepływowe, których średnice są odpowiednio wykalibrowane, wprowadzają histerezę (opóźnienie) niezbędną do prawidłowego działania wtryskiwacza. Jeden z kanałów doprowadza ciśnienie z kolektora zasilania do komory sterowania, drugi spełnia rolę kanału odpływowego. Średnice obu kanałów mają niebagatelne znaczenie bowiem od nich zależy prędkość otwarcia wtryskiwacza, przy czym kanał odpływowy musi mieć większą średnicę od kanału zasilającego komorę sterowania. W praktyce oznacza to że elektrozawór po otrzymaniu impulsu sterującego podnosi kulkę która otwiera kanalik odpływowy powodując tym samym wypływ paliwa z komory sterowania. Naruszona zostaje w ten sposób równowaga ciśnień między ciśnieniem panującym pod igłą wtryskiwacza a ciśnieniem w komorze sterowania przez co ciśnienie paliwa jest wstanie unieść igłę wtryskiwacza powodując wtrysk paliwa do komory spalania. Wtrysk paliwa trwa tak długo, dopóki elektromagnes wtryskiwacza „unoszący” kulkę pozostaje pod napięciem. Gdy impuls sterujący zakończy się, kulka dociskana przez sprężynę osiada w swoje gniazdo, przerywając wypływ paliwa z komory sterowania wskutek czego następuje gwałtowny przyrost ciśnienia w komorze sterowania. Owe ciśnienie wywiera nacisk na tłok znajdujący się w komorze który powoduje dociśnięcie igły rozpylacza a tym samym zakończony zostaje proces wtrysku paliwa. Ustalona zostaje ponownie równowaga ciśnień i wtryskiwacz przygotowany jest do przyjęcia następnego impulsu sterującego. Wykorzystując ten sposób sterowania wtryskiwaczami możliwa stała się realizacja wtrysku paliwa w dowolnym momencie obrotu wału korbowego a także swobodne stosowanie tzw. wielofazowego wtrysku paliwa. „Przedwtrysk” sprawia że praca silnika jest miękka i cicha, natomiast „dotrysk” (mała dawka wtryśnięta po spaleniu się zasadniczej dawki paliwa) obniża temperaturę w komorze spalania co wpływa na emisję toksyn. Należy zwrócić uwagę że wszystkie te procesy odbywają się w niezwykle krótkim czasie a więc mamy do czynienia z mikrosekundami, - jednostką czasu tysiąc mniejszą niż milisekunda. Jako ciekawostkę dodaje że dzięki niezależnemu napędowi pompy wysokociśnieniowej oraz modułowej budowie, otworzyły się możliwości adaptacji systemu do dowolnej konstrukcji silnika wysokoprężnego o bezpośrednim wtrysku paliwa, co konstruktorzy silników znanych koncernów skrzętnie wykorzystują.