Wtryskiwacze Common Rail – zasada działania

Często mówi się o wysokim stopniu skomplikowania współczesnych silników Diesla bazujących na najlepszym obecnie rozwiązaniu Common Rail. Układ Common Rail jednak bardzo uprościł sposób podawania paliwa do silnika, a jednocześnie pozwolił uzyskać takie parametry, o których konstruktorzy jednostek wysokoprężnych sprzed kilkudziesięciu lat nie mogli nawet marzyć.

Niskie zużycie paliwa połączone z potężnym momentem obrotowym pozwalającym na bardzo dynamiczną jazdę to coś, co wpłynęło na tak dużą popularność napędu dieslowskiego.

Zasada działania układu wtryskowego jest dziecinnie prosta. W zbiorniku paliwa znajduje się pompa paliwa, która tłoczy olej napędowy do pompy wysokiego ciśnienia oczywiście przez filtr paliwa. Pompa ta jest o wiele prostsza od dawnych pomp wtryskowych i mniej podatna na awarię. Wytwarza duże ciśnienie tłocząc dalej olej napędowy do tzw. szyny Common Rail, która pełni rolę akumulatora paliwa.

To z niej podawane jest ono na wtryskiwacze i to dzięki niej wtryskiwacze dostają paliwo pod ogromnym ciśnieniem przy minimalnym jego spadku. Są one podłączone bezpośrednio do komputera sterującego pracą silnika, który zarządza momentem i czasem otwarcia wtryskiwacza. I właśnie tu, czyli we wtryskiwaczach komplikuje się cały układ.

Generalnie mamy dwa rodzaje wtryskiwaczy Common Rail i działają one podobnie. Początkowo gdy ciśnienie w szynie wynosiło ok. 1000-1300 bar w zupełności wystarczały wtryskiwacze elektromagnetyczne. W 2001 roku zaprezentowano Common Rail II gdzie ciśnienie wzrosło do 1600 bar, a wtrysk podzielono na dwie-trzy dawki paliwa w jednym cyklu.

Już to wymagało od wtryskiwaczy znacznie szybszej i przede wszystkim niezwykle precyzyjnej pracy, a Common Rail III jeszcze mocniej je nadwyrężył przy ciśnieniu 1800 bar. Elektromagnetyczne wtryskiwacze zwyczajnie nie nadążały z ilością podawanych dawek paliwa i zastąpiono je piezoelektrycznymi. Te są w stanie pracować na ciśnieniu rzędu 2000 bar i wyższym. Zostańmy jednak przy wtryskiwaczy elektromagnetycznych.

Podobnie jak cały układ Common Rail wtryskiwacz jest genialnie prosty, ale tylko w swym działaniu. Paliwo podawane jest do wnętrza wtryskiwacza, w którym umieszczono długi trzpień z tłoczkami w górnej i dolnej części, a powyżej i poniżej trzpienia są dwie komory paliwa. W górnej komorze ciśnienie paliwa jest równe ciśnieniu w szynie Common Rail, natomiast w dolnej gdzie jest takie samo ciśnienie, powierzchnia tłoczka jest mniejsza, co powoduje mniejszy nacisk na trzpień.

Tym samym trzpień naciskany jest w dół, w stronę końcówki wtryskiwacza i przez to zamyka ją przy pomocy iglicy. Gdy wtryskiwacz ma podać dawkę paliwa do silnika, elektromagnes umieszczony na samej górze wtryskiwacza unosi talerzyk zamykający przestrzeń wyższego ciśnienia. Spadek ciśnienia w tej komorze powoduje, że w dolnej części ciśnienie staje się wyższe niż w górnej.

To z kolei skutkuje uniesieniem iglicy zamykającej otwory w końcówce wtryskiwacza, przez które paliwo trafia do komory spalania. Tymczasem paliwo z górnej części wtryskiwacza, które poprzez uniesienie talerzyka uszło z wtryskiwacza trafia z powrotem do obiegu zasilania.

Wtryskiwacz piezoelektryczny ma nieco inną konstrukcję, ale podobną zasadę działania. Jest około dziesięciokrotnie szybszy od elektromagnetycznego i dlatego jego stosowanie stało się koniecznością w układzie Common Rail trzeciej generacji. W takich wtryskiwaczach elektromagnes i trzpień zastąpiono materiałem piezoelektrycznym, który charakteryzuje się wielokrotnie mniejszą bezwładnością od elektromagnesu.

Dzięki temu można w jednym cyklu zastosować więcej, nawet 5-7 dawek wtrysku poprawiając kulturę pracy silnika. Przekłada się to również na niższe zużycie paliwa, dlatego wtryskiwacze piezoelektryczne to już nie przyszłość, ale standard w nowoczesnych konstrukcjach Common Rail.

W przypadku wtryskiwaczy piezoelektrycznych wtrysk następuje w momencie dopływu prądu do materiału piezoelektrycznego. Podobnie jak w elektromagnetycznym, tu również mamy iglicę zamykającą otwory w końcówce wtrysku. Komory wysokiego i niskiego ciśnienia znajdują się w okolicy iglicy, a nie jak w przypadku wtryskiwaczy elektromagnetycznych po obu stronach trzpienia, którego tutaj nie ma.

W piezo również wyższe ciśnienie w jednym z obwodów powoduje zamknięcie iglicy, a odwrócenie różnicy ciśnień w komorach jej uniesienie. Po włączeniu prądu siłownik piezoelektryczny poprzez swoje wydłużenie zmienia ciśnienie w obwodach unosząc iglicę.

We wtryskiwaczach piezoelektrycznych pojawił się dodatkowy przetwornik hydrauliczny. Jest on niezbędny, ponieważ zmiana objętości materiału piezoelektrycznego nie wystarczy do uruchomienia wtryskiwacza. Jego rolą zatem jest zwiększenie skoku siłownika piezoelektrycznego.

Zalety wtryskiwaczy piezoelektrycznych nad elektromagnetycznymi to większa szybkość i precyzja działania. Współczesne wtryskiwacze piezoelektryczne mogą podawać 5 do 7 dawek wtrysku w jednym cyklu. Tym samym kolejna przewagą są dużo mniejsze dawki paliwa w stosunku do wtrysku elektromagnetycznego. Powyższe powoduje spadek zużycia paliwa oraz podniesieniu kultury pracy silnika. Małe wymiary i masa to kolejna, choć niekoniecznie odczuwalna zaleta.

Wtryskiwacze Common Rail niezależnie od rodzaju nie są prostymi urządzeniami, co nie wyklucza faktu, że zasada działania jest prosta. Nie tylko wysoki stopień skomplikowania konstrukcji podnosi cenę tych elementów, ale głównie fakt, że wszystko jest w skali mikro i musi być dokładnie wykonane by odpowiednio pełniło swoją funkcję.

Patrząc kilkanaście lat wstecz wtryskiwacze zmniejszyły się znacząco, a co za tym idzie ich jakość wykonania musiała się wznieść na wyżyny inżynierii. To wysokiej klasy materiały i dokładność wykonania podnosi cenę wtryskiwaczy. Dlaczego więc ryzyko awarii nie zmniejszyło się przez ten czas?

Otóż filigranowa budowa i niezwykle czułe mechanizmy sterujące są mniej odporne na jakość paliwa, która wciąż pozostawia sporo do życzenia. Jak więc ratować się w przypadku awarii? O tym przeczytacie w kolejnym artykule.

Poniżej przykładowe ceny wtryskiwaczy Common Rail w oparciu o katalog iParts.pl