Poznaj system Common Rail

inż. Mariusz Barański:

Kilka istotnych faktów

Historia silnika z zapłonem samoczynnym w samochodach osobowych liczy sobie prawie 80 lat, a pierwszym seryjnie produkowanym autem wyposażonym w jednostkę wysokoprężną był Mercedes 260 D (W138), zaprezentowany w 1936 roku. Zastosowany w nim silnik miał pojemność skokową 2545 cm3, rozwijał moc 45 KM, pozwalał na rozpędzenie się do 94 km/h i spalał średnio 9,5 litra oleju napędowego na 100 km. Z czasem diesle ulegały coraz większemu rozpowszechnieniu. Przez długie lata były to tylko i wyłącznie jednostki wolnossące. Pierwszy osobowy turbodiesel pojawił 1978 roku, a był nim Mercedes klasy S typu W116 w wersji 300 SD. Jeśli chodzi o rodzaj wtrysku paliwa, to aż do drugiej połowy lat osiemdziesiątych XX wieku stosowano wtrysk pośredni. Za pioniera wtrysku bezpośredniego uważa się Fiata, który w 1987 roku wprowadził na rynek model Croma 1.9 TD i.d. wyposażony w takie właśnie rozwiązanie. Jednak największy wkład w spopularyzowanie silników Diesla z wtryskiem bezpośrednim miał zdecydowanie koncern Volkswagena. Jego 5-cylindrowe 2.5 TDI (debiutujące w 1989 roku pod maską Audi 100 C3), a przede wszystkim 4-cylindrowe 1.9 TDI (mające swoją premierę w 1991 roku jako źródło napędu Audi 80 B4) to prawdziwe ikony jednostek wysokoprężnych. Na przestrzeni lat ewolucji uległy również układy zasilania paliwem silników Diesla: od pomp wtryskowych aż do pompowtryskiwaczy i systemu Common Rail, który jest obecnie powszechnie stosowany.

„Wspólna Szyna”

System Common Rail (w wolnym tłumaczeniu „Wspólna Szyna”) w samochodach osobowych zastosowano po raz pierwszy w 1997 roku. Podobnie jak w przypadku wtrysku bezpośredniego palmę pierwszeństwa dzierży w tej kwestii koncern Fiata i jego silnik 1.9 JTD, debiutujący w Alfie Romeo 156. Nowa technologia stanowiła milowy krok w rozwoju jednostek z zapłonem samoczynnym. Common Rail przyczynił się do znacznego polepszenia kultury pracy i osiągów diesli przy jednoczesnym obniżeniu zużycia paliwa i emisji zanieczyszczeń. Co istotne, wszystko udało się osiągnąć bez nadmiernej komplikacji układu wtryskowego, którego najważniejszymi elementami są pompa wysokiego ciśnienia, tzw. szyna (stanowiąca akumulator oleju napędowego pod wysokim ciśnieniem) i połączone bezpośrednio z nią wtryskiwacze. Nad całością czuwa elektronika sterująca. Istotą systemu Common Rail jest wtrysk paliwa do cylindrów pod ogromnym ciśnieniem. W pierwszej generacji układu ciśnienie to wynosiło około 1350 barów, w drugiej wzrosło do około 1600 barów, w trzeciej osiągnęło 1800 barów, natomiast czwartej - ponad 2000 barów. Wraz z koniecznością bardzo wysokiej precyzji wtrysku paliwa stanowi to prawdziwe wyzwanie dla wtryskiwaczy. Aby mogły one prawidłowo spełniać swoją funkcję muszą być wykonane z aptekarską wręcz dokładnością. Podzespoły te stanowią kluczowy element całego układu i to właśnie od ich najbardziej zależy, czy dostarczanie paliwa do cylindrów będzie się odbywać w prawidłowy sposób. W zależności od generacji systemu Common Rail możemy się spotkać z dwoma rodzajami wtryskiwaczy: elektromagnetycznymi i piezoelektrycznymi. Wtryskiwacze elektromagnetyczne stosowano w przypadku pierwszej i drugiej generacji Common Rail. Za ich otwarcie, a tym samym wtrysk oleju napędowego do komór spalania odpowiada cewka elektromagnetyczna. Zwiększenie ciśnienia oraz ilości faz wtrysku wymagało zastosowania wtryskiwaczy piezoelektrycznych, w przypadku których elektromagnes zastąpiono kryształami wykazującymi właściwości piezoelektryczne. Z wtryskiwaczami tego typu można się w systemach Common Rail trzeciej i czwartej generacji.

Wtryskiwacze - najsłabsze ogniwo

Jak już wcześniej wspomniano nowoczesne jednostki wysokoprężne pod względem kultury pracy i zapewnianych osiągów biją na głowę diesle sprzed ery Common Rail. Jednak nie ma nic za darmo, a ceną za przyjemność z jazdy jest w tym przypadku podwyższony poziom awaryjności. Najwięcej problemów potrafią sprawić wtryskiwacze. Bez względu na rodzaj, urządzenia te są bardzo wrażliwe na jakość paliwa. W związku z tym, że ich elementy są dopasowywane z precyzją dochodzącą do 0,02 mikrometra (!) nawet najdrobniejsze zanieczyszczenia zawarte w oleju napędowym potrafią zaburzyć pracę całego układu. Dlatego też niezwykle istotne jest regularne wymienianie filtra paliwa i tankowanie samochodu na renomowanych stacjach benzynowych, co pozwoli na zminimalizowanie ryzyka awarii wtryskiwaczy. Warto o tym pamiętać, ponieważ koszty ewentualnych napraw potrafią przerazić. O problemach z układem wtryskowym mogą świadczyć następujące objawy: utrudniony rozruch, nierówna praca silnika na biegu jałowym, czarny dym z rury wydechowej, zauważalne pogorszenie osiągów, odczuwalny wzrost zużycia paliwa, przegrzewanie się silnika. W momencie zauważenia któregokolwiek z powyższych symptomów należy udać się serwisu celem wstępnej diagnozy.

Naprawa nie zawsze jest możliwa

Wytwarzaniem wtryskiwaczy przeznaczonych do silników z systemem Common Rail zajmują się obecnie cztery firmy: Bosch, Delphi, Denso oraz Siemens VDO (przejęty w 2007 roku przez koncern Continental). Pierwsi trzej producenci dostarczają zarówno wtryskiwacze elektromagnetyczne, jak i piezoelektryczne, natomiast czwarty tylko i wyłącznie piezoelektryczne. W zależności od marki i rodzaju, wtryskiwacze różnią się trwałością oraz możliwością regeneracji. Na chwilę obecną naprawie podlegają wtryskiwacze elektromagnetyczne, natomiast piezoelektryczne uchodzą za nienaprawialne (chociaż w ostatnim czasie pojawiła się możliwość ograniczonej naprawy wtryskiwaczy firmowanych przez Siemensa). Regeneracja elementów odpowiedzialnych za dostarczanie oleju napędowego do komór spalania to zadanie dla profesjonalnych serwisów, dysponujących odpowiednią wiedzą, doświadczeniem oraz specjalistycznymi narzędziami. Dotyczy to praktycznie każdego etapu prac. Zaczynają się one od wymontowania wtryskiwacza z silnika i pomiaru dawkowania paliwa na tzw. stole probierczym. Następnie podzespół jest rozbierany, a jego elementy myte za pomocą ultradźwięków. Gdy wszystko jest już dokładnie oczyszczone z osadów, ocenia się stopień zużycia poszczególnych części i wymienia się te, które wykazują odstępstwa od przyjętych norm. W kolejnym kroku wtryskiwacz jest składany w całość i ponownie trafia na stół probierczy w celu dokładnego pomiaru parametrów wtrysku. Przed zamontowaniem w silniku zdecydowana większość wtryskiwaczy wymaga jeszcze tzw. kodowania, które polega na nadawaniu konkretnemu wtryskiwaczowi indywidualnego kodu uwzględniającego charakterystykę dawkowania paliwa. Wynika to z tego, że mimo niezwykłej precyzji wykonania, wtryskiwacze wykazują minimalne różnice w ilości oleju napędowego dostarczanego do komór spalania. Zniwelowaniu tych różnic służy właśnie kodowanie. Wygenerowane kody są następnie zapisywane w sterowniku silnika. Dzięki temu sterownik jest w stanie wprowadzić odpowiednie korekty dawek paliwa dla poszczególnych cylindrów. Kodowanie należy przeprowadzać każdorazowo po regeneracji wtryskiwacza. Dopiero wtedy podzespół może zostać powtórnie zamontowany w silniku. Fachowo i rzetelnie przeprowadzona naprawa pozwala zaoszczędzić sporą sumę pieniędzy, dlatego jeśli to tylko możliwe warto korzystać z takiej opcji. W przypadku wtryskiwaczy, które nie podlegają regeneracji jedynym wyjściem jest zakup nowych podzespołów. Zależnie od marki samochodu ich ceny są różne, jednak praktycznie zawsze powodują znaczne uszczuplenie domowego budżetu.