Common rail - zasada działania

• Ogólna zasada działania

• Rodzaje układów common rail

• Budowa wtryskiwacza common rail typu elektromagnetycznego

• Zalety systemu common rail

• Dodatkowe sygnały sterowania silnikiem

• Przyszłość układów common rail

Układy zasilania paliwem silników Diesla były zawsze bardzo wyrafinowane oraz wymagające skomplikowanej technologii produkcji. W samochodach osobowych stosowano kolejno pompy rzędowe i rotacyjne, te ostatnie zarówno z wtryskiem do komory wstępnej lub z wtryskiem bezpośrednim. Żadne rozwiązanie nie było jednak optymalne. Komora wstępna zapewniała wyższą kulturę pracy silnika, ale stosunkowo wysokie zużycie paliwa. Oszczędność wtrysku bezpośredniego okupiona była twardą pracą silnika i dużym hałasem. Rozterki te trwały do drugiej połowy lat 90-tych ubiegłego stulecia.

To właśnie wtedy Fiat wspólnie z Boschem przedstawili pierwszą produkcyjną wersję wtrysku paliwa common rail do samochodu osobowego, który okazał się być przełomowym dla rozwoju silników Diesla. Produkcją i dalszym rozwojem, wspólnie opracowanego systemu, zajęła się firma Bosch stając się liderem rynku zaopatrującym kilku największych producentów samochodów świata. Samochodowa premiera systemu common rail odbyła się w 1997 roku w Alfie Romeo 156 (samochód koncernu Fiat) oraz w Mercedesie klasy C 220 CDI. Common rail szybko zdobył rynek i do 1999 roku Bosch wyprodukował już 1 milion tego typu układów wtryskowych. Kolejno za Boschem ruszyły Denso i Lucas (Delphi) oferując konkurencyjne układy common rail do samochodów osobowych. Choć w samochodach ciężarowych Denso zastosowała common rail już w 1995 roku. Obecnie po kilkunastu latach produkcji, gdy około połowa nowo sprzedawanych samochodów to Diesle, widać jak wielce system common rail wpłynął na motoryzację.

Ogólna zasada działania

Schemat układu common rail z trzytłoczkową pompą promieniową wyposażoną w zawór upustowy

W układzie common rail olej napędowy zasysany jest ze zbiornika paliwa pod ciśnieniem około 4 barów i trafia poprzez filtr do pompy wysokiego ciśnienia. Tłoczkowa pompa spręża paliwo do ogromnego ciśnienia wynoszącego w najnowszych układach nawet 1800 bar. Z pompy wysokiego ciśnienia paliwo trafia do ciśnieniowego zasobnika (akumulatora ciśnienia), tzw. szyny common rail. Szyna ta połączona jest z wszystkimi wtryskiwaczami. Dzięki temu w chwili otwarcia wtryskiwacza, do komory spalania, wtryskiwane jest paliwo z ciśnieniem prawie równym ciśnieniu w szynie. Zasobnik ciśnienia (szyna common rail) zapewnia stabilność ciśnienia w chwili otwarcia wtryskiwacza umożliwiając bardzo częste wtryski bez spadku ciśnienia.

Idea działania układu common rail jest dość prosta i znana od dziesięcioleci. Wprowadzenie jej do produkcji seryjnej wymagało jednak opanowania zaawansowanej technologii wytwarzania oraz odpowiednio zaawansowanej elektroniki sterującej. Pompa wysokiego ciśnienia wytwarzająca ponad tysiąc bar ciśnienia oraz wtryskiwacze, których czas otwarcia wynosi milisekundy wymagają wyrafinowanej konstrukcji oraz ogromnej precyzji produkcji. Całość kontrolowana jest za pomocą elektronicznego sterownika, który na bieżąco oblicza rozmiar dawki wtrysku oraz steruje pracą pompy i wtryskiwaczy. W odróżnieniu od innych systemów wtryskowych, bardzo szybka praca całego układu oraz pełna swoboda czasu wtrysku, pozawala podzielić dawkę w czasie jednego cyklu spalania. W efekcie zamiast jednej dużej dawki wtryskiwanych jest kilka mniejszych. Pozwala to na zmniejszenie hałasu oraz ogranicza emisję szkodliwych środków.

Rodzaje układów common rail

Promieniowa pompa tłoczkowa oraz wtryskiwacz elektromagnetyczny

W ciągu kilkunastu lat produkcji wciąż rozwijana jest koncepcja common rail. Krótką historię tego rozwoju można przestawić na przykładzie firmy Bosch. Przedstawiony w 1997 roku układ common rail pozwalał osiągać maksymalne ciśnienie w szynie do 1350 barów oraz współpracował z wtryskiwaczami elektromagnetycznymi. Jako pompę wysokiego ciśnienia zastosowano trzytłoczkową pompę promieniową. W 2001 roku pojawił się układ drugiej generacji, w którym maksymalne ciśnienie wtrysku zostało zwiększone do 1600 bar, a dawka dzielona mogła być na 5 mniejszych. W 2003 roku zaprezentowano układ trzeciej generacji, który pozwalał na osiągnięcie wtrysku do 1800 bar. Wysoką precyzję sterowania zapewniają superszybkie piezoelektryczne wtryskiwacze. Układ tego typu współpracuje z jednotłoczkową pompą wysokiego ciśnienia. Obecnie Bosch oferuje układy common rail pozwalające osiągnąć maksymalne ciśnienie wtrysku nawet 2000 barów.

Za regulację ciśnienia w zasobniku odpowiedzialny jest zawór regulacji ciśnienia. Z biegiem lat zmieniał on swoje położenie. W pierwszych systemach znajdował się on na szynie, otwierając się gdy potrzebne było zmniejszenie ciśnienia wtrysku. Wada tego typu rozwiązania była konieczność sprężania przez pompę całej objętości paliwa znajdującego się w zasobniku, przez co pompa ta zużywała niepotrzebnie dużo energii. W późniejszych rozwiązaniach zawór ten przeniesiono na pompę, dzięki czemu możliwym jest upuszczanie ciśnienia zanim paliwo trafi do zasobnika (układ pokazany narysunku). Stasuje się również układy z dwoma zaworami: na szynie i na pompie. Rozwiązanie to jest drogie, ale zapewnia wysoką precyzję sterowania.

Stosowane w samochodach osobowych układy common rail są do siebie bardzo podobne. W zależności od rodzaju i wielkości silnika stosuje się pompy o odpowiednim wydatku oraz wtryskiwacze z odpowiednią ilością otworków, zazwyczaj od 6 do 8.

Budowa wtryskiwacza common rail typu elektromagnetycznego

Wtryskiwacz common rail typu elektromagnetycznego

Koncepcja działania wtryskiwacza elektromagnetycznego jest genialna w swej prostocie. Do wtryskiwacza dostarczane jest paliwo pod wysokim ciśnieniem z szyny common rail (kolor czerwony na rysunku powyżej). W pozycji zamkniętej wtryskiwacza paliwo naciska równym ciśnieniem na górną oraz na dolną powierzchnie tłoczka. Ponieważ górna powierzchnia jest większa od dolnej generowana na niej siła jest większa. Siła ta za pośrednictwem tłoczka dociska iglicę zamykającą otwory w końcówce wtryskiwacza. Powyżej tłoczka znajduje się zawór oddzielający przestrzenie wysokiego ciśnienia (kolor czerwony) od przestrzeni niskiego ciśnienia (kolor żółty). Zawór te ma kształt talerzyka (kolor zielony) zakończonego uszczelniającą kulką. Otwarcie wtryskiwacza następuje w chwili gdy elektromagnes uniesie talerzyk i kulka na jego końcu odetka kanał łączący przestrzenie niskiego i wysokiego ciśnienia. W skutek tego spada ciśnienie oraz konsekwentnie siła nad górną powierzchnią tłoczka. W tym momencie siła generowana przez wysokie na dolnej przestrzeni tłoczka jest w stanie unieść tłoczek wraz z iglicą. Podniesiona iglica otwiera otworki na końcu wtryskiwacza, a paliwo pod wysokim ciśnieniem jest wtryskiwane do cylindra. Paliwo, które wydostało się z górnej przestrzeni tłoka do przestrzeni niskiego ciśnienia trafia poprzez przewody przelewowe do zbiornika paliwa.

Zalety systemu common rail

Zastosowanie zasobnika ciśnienia oraz elektronicznego systemu sterowania pozwoliło systemowi common rail na niespotykaną dotąd możliwość dowolnego kształtowania dawki wtrysku. Dzięki podzieleniu dawki wtrysku na kilka mniejszych rośnie sprawność pracy silnika oraz maleje hałas. Co prawda przy dużych dawkach (pełne obciążenie) dawki wtrysku nie są dzielone ze względu na szybkość całego zjawiska. Bardzo wysokie ciśnienie wtrysku, nieporównywalne z pompą rzędową, a nawet rotacyjną pozwala na dobre rozpylenie dawki. Dzięki temu spalanie paliwa odbywa się bardziej sprawnie i można osiągnąć większą moc zanim spalaniu zacznie towarzyszyć charakterystyczny czarny dym. Dodatkowo łatwość regulacji ciśnienia wtrysku oraz kąta wyprzedzenia wtrysku pozwalają na bardzo precyzyjną kalibrację silnika zapewniającą niską emisję szkodliwych składników. Wszystkie te cechy pozwalają na stworzenie silnika cechującego się wysoką kulturą pracy, wysokim momentem obrotowym i mocą, niskim zużyciem paliwa oraz niską emisją związków szkodliwych.

W układach common rail wtrysk paliwa następować może niezależnie od położenia wału korbowego. Cecha ta okazała się bardzo korzystna w przypadku stosowania filtra cząstek stałych DPF. W momencie, gdy w filtrze zbierze się ilość sadzy zagrażająca jego zatkaniu, w trakcie suwu wydechu następuje tzw. powtrysk paliwa, czyli wtryśnięcie dawki paliwa do wydostających się z cylindra spalin. Paliwo to trafia do filtra cząstek stałych zapalając znajdującą się w nim sadzę. Precyzyjne dawkowanie paliwa pozwala na kontrolowaną regenerację filtra DPF.

Do wad układów common rail należy na pewno wysoki koszt wytwarzania, który z resztą zawsze był wysoki dla pomp silników wysokoprężnych. Dodatkowo pary precyzyjne pompy wysokiego ciśnienia oraz wtryskiwaczy pracujące pod wysokim ciśnieniem są bardzo wrażliwe na jakość paliwa. Teoretyczną wadą systemów common rail jest wysokie zapotrzebowanie mocy do napędzania pompy wysokiego ciśnienia, które może wynosić nawet kilka watów. W praktyce jednak oszczędności wynikające ze sprawności układu przewyższają straty napędzania pompy.

Dodatkowe sygnały sterowania silnikiem

Silnik wyposażany układ common rail potrzebuje trzy podstawowe czujniki aby móc funkcjonować. Pierwszym z nich i najbardziej oczywistym jest czujnik prędkości obrotowej. Informacja o prędkości obrotowej silnika jest podstawą praktycznie wszystkich obliczeń realizowanych przez sterownik silnika. Drugim czujnikiem jest czujnik faz rozrządu. Pozwala on rozpoznać sterownikowi w jakim obecnie położeniu jest konkretny tłok, np. czy jest w trakcie suwu sprężania i należy wtrysnąć paliwo, czy może w trakcie suwu wydechu. Te dwa czujniki wystarczą aby silnik pracować mógł na biegu jałowym. Praca silnika pod obciążeniem (w tym na wyższych obrotach) wymaga podłączeniu czujnika położenia pedału przyspieszenia, który informuje ile momentu obrotowego w danej chwili wymaga kierowca. Każdy silnik oczywiście wyposażony jest w czujnik ciśnienia oleju oraz czujnik temperatury płynu chłodzącego.

Współczesne silniki Diesla opływają jednak czujnikami. Związane jest to głównie z ich wysokimi osiągami oraz ograniczeniem emisji szkodliwych związków spalania. Jednym z tego typu czujników jest przepływomierz mierzący ilość powietrza zasysaną przez silnik. Funkcja przepływomierza w silniku Diesla jest zupełnie inna niż w silniku benzynowym i jest często mylona. Przepływomierz odpowiada tylko i wyłącznie za ilość spalin trafiających do silnika z systemu recyrkulacji spalin (który stosuje się w celu obniżenia emisji tlenków azotu NOx). Ponieważ w silniku Diesla współczynnik lambda nie musi wynosić 1 do obliczeń dawki paliwa nie jest brana pod uwagę ilość powietrza trafiająca do silnika. Każdy przepływomierz wyposażony jest również w czujnik temperatury zasysanego powietrza.

Czujnikiem odpowiedzialnym za wysokie osiągi silnika jest czujnik ciśnienia doładowania tzw. MAP sensor (z ang. manifold absolute pressure – ciśnienie bezwzględne w kolektorze). Mierzy on ciśnienie powietrza sprężonego przez turbosprężarkę kontrolując czy jest ono właściwe dla ilości wtryskiwanego paliwa. Dodatkowo w turbosprężarkach ze zmienną geometrią spalin stosowane są czujniki położenia tych kierownic.

Przyszłość układów common rail

W Europie układy zasilania common rail zupełnie zdominowały rynek samochodów z silnikiem Diesla. Nawet koncern Volkswagen po wielu latach przekonywania klientów do pompowtryskiwaczy musiał przyznać wyższość systemowy common rail. Obecnie po kilkunastu latach rozwijania koncepcji najnowsze silniki wyposażane są w układy z piezoelektrycznymi wtryskiwaczami powoli zastępując wtryskiwacze elektromagnetyczne. Następnym krokiem w rozwoju technologii wspólnej szyny są wtryskiwacze z tzw. doładowaniem ciśnienia. Układ tego typu różni się już znacząco od klasycznego common raila ponieważ w zasobniku ciśnienia panuje ciśnienie rzędu 1300 barów, natomiast wtryskiwacze są w stanie zwiększyć to ciśnienie do 2000 barów.