Jak zwiększyć dokładność rozpylania paliwa

wtryskiwacze i pompa © Robert Bosch

Udostępnij:

Aby móc spełnić najnowsze normy emisji spalin, producenci osprzętu silników Diesla jednogłośnie stwierdzili, że konieczne jest zwiększenie dokładności rozpylania paliwa. Jest to możliwe dzięki podniesieniu ciśnienia wtrysku oraz odpowiedniemu ukształtowaniu dyszy wtryskiwacza.

Na porządku dziennym są silniki posiadające układ wtryskowy typu Common Rail pracujący z ciśnieniem roboczym na poziomie 1500 czy nawet 1800 barów. Tak wysokie ciśnienie wtrysku niesie za sobą konieczność produkcji podzespołów układu wtryskowego z zachowaniem szczególnych wymogów wymiarowych i czystościowych.

Ilustracja 2. Układ zasilania Common Rail CRS3-20/-25 z wtryskiwaczami piezoelektrycznymi.
Układ zasilania Common Rail CRS3-20/-25 z wtryskiwaczami piezoelektrycznymi. Źródło: Bosch

Jeśli chodzi o pompę wysokociśnieniową, to jedyny problem, z jakim można się spotkać, polega na niewłaściwym doborze materiału oraz kształtu bieżni w sekcji tłoczącej skutkującym łuszczeniem się jej podczas pracy (swego czasu dość powszechny przypadek w silnikach TDCi). W przypadku uszkodzenia pompy wysokiego ciśnienia (zacierania się rolek tłoczących na bieżni) powstają opiłki, które są transportowane z paliwem do listwy zasilającej i dalej do wtryskiwaczy. Następnie opiłki są transportowane przewodami zwrotnymi do zbiornika paliwa, co skutkuje całkowitym zanieczyszczeniem układu paliwowego.



Jedynym rozwiązaniem tego problemu jest wymiana pompy wysokiego ciśnienia oraz dokładne oczyszczenie układu paliwowego, a nawet wymiana przewodów i zbiornika paliwa. Wtryskiwacze – nawet te w starych silnikach Diesla – są wykonane z tak dużą precyzją, że już jeden opiłek dostający się do nich działa niszcząco. W przypadku zaobserwowania opiłków w paliwie dostarczanym do wtryskiwaczy wina leży praktycznie zawsze po stronie pompy, ponieważ przed nią zamontowany jest filtr paliwa, który wcześniej wyłapuje wszystkie nieczystości w nim zawarte.


Co naprawiać, a czego już nie

Wtryskiwacze elektromagnetyczne w większości przypadków dają się naprawić przez wymianę uszkodzonych elementów. W przypadku wtryskiwaczy piezoelektrycznych producenci są zdania, że ich naprawiać się nie powinno. Wynika to właśnie z rygorów stawianych przez precyzję wykonania oraz wymaganą czystość montażu. Ich ewentualna naprawa musi się odbywać w warunkach najwyższej higieny.

Ze względu na skomplikowaną budowę wtryskiwaczy elektromagnetycznych zaobserwować można trend producentów polegający na stosowaniu hydraulicznego wzmocnienia ciśnienia wtrysku we wtryskiwaczach tego typu.

W 2007 r. wprowadzono do produkcji czwartą generację układu Common Rail do samochodów ciężarowych, która w Europie jest dostępna od 2011 r. Nowością było zastosowanie hydraulicznego układu wzmacniania ciśnienia we wtryskiwaczach (HADI – Hydraulically Amplified Diesel Injector – wtryskiwacz ze wzmocnieniem hydraulicznym). W tym układzie pompa wtryskowa generuje mniejsze ciśnienie niż układy wtrysku trzeciej generacji. Najwyższe ciśnienie jest wytwarzane we wtryskiwaczu i wynosi od 2200 do 2500 barów. Proces tworzenia ciśnienia przebiega więc dwustopniowo – najpierw w pompie, a następnie we wtryskiwaczu.

Wtryskiwacze typu HADI wykorzystują specjalny tłok, który zwiększa ciśnienie nawet do 2500 barów, czyli do poziomu osiąganego przez wtryskiwacze piezoelektryczne. Ma to niebagatelne znaczenie, jeśli chodzi o żywotność pompy wysokiego ciśnienia oraz możliwość odchudzenia elementów układu zasilania.



Wtryskiwacze piezoelektryczne

W systemach Common Rail pierwszej i drugiej generacji wtryskiwacze były sterowane elektromagnetycznie. Iglicę zaworu uruchamiała w nich jedno- lub dwuczęściowa zwora elektromagnesu zasilanego impulsami elektrycznymi formowanymi przez elektroniczny sterownik. W najnowszych generacjach układów wtryskowych Common Rail stosuje się wtryskiwacze piezoelektryczne wykorzystujące zjawisko odkształcania się kryształów określonych materiałów pod wpływem przyłożonego do nich napięcia elektrycznego.

Budowa wtryskiwacza piezoelektrycznego na przykładzie wtryskiwacza Bosch. Dzięki technologii piezoelektrycznej możliwe jest osiągnięcie ciśnienia wtrysku nawet na poziomie
3000 barów. Problemem jest jednak fakt, że jest to wtryskiwacz wyjątkowo trudny w naprawie.
1 – przyłącze doprowadzenia paliwa, 2 – złącze instalacji elektrycznej, napięcie zasilania 110-148 V, 3 – filtr palcowy, 4 – przyłącze powrotu paliwa, 5 – stos piezoelektryczny, 6 – tłok pośredni,
7 – tłok zaworu, 8 – sprężyna tłoka zaworu, 9 – zawór przełączający, 10 – płytka dławika,
11 – sprężyna iglicy, 12 – miedziana uszczelka wtryskiwacza w oprawie głowicy, 13 – iglica. Źródło: Bosch

Wtryskiwacz elektromagnetyczny składa się z trzech głównych części:

  • rozpylacza otworkowego,
  • kulkowego zaworu otwieranego elektromagnesem i zamykanego sprężyną powrotną,
  • wspomagającego otwieranie hydraulicznego układu, w którym funkcję płynu roboczego pełni olej napędowy.

Paliwo dopływa z wysokociśnieniowego zbiornika przez złącze wtryskiwacza do kanału rozpylacza i równocześnie przez dodatkowy dławik do hydraulicznej komory sterującej. Drugi dławik odpływowy łączy tę komorę z paliwowym przewodem powrotnym. Gdy elektromagnes unosi kulkę, odrywając ją od jej szczelnie dopasowanego gniazda, następuje udrożnienie kanału przelewowego. Skutkiem tego jest gwałtowny spadek ciśnienia w komorze sterującej, co powoduje hydrauliczne uniesienie iglicy zaworu głównego i wtrysk paliwa przez rozpylacz. W pracy wtryskiwacza wyróżnić więc można następujące fazy:

  • zawór iglicowy zamknięty wysokim ciśnieniem paliwa,
  • otwieranie zaworu (początek wtrysku),
  • pełne otwarcie zaworu,
  • zamykanie się zaworu (koniec wtrysku).

Mimo odmiennej konstrukcji wtryskiwacze piezoelektryczne działają w podobnych cyklach, tylko zmiany faz następują szybciej. Dla wszystkich zatem generacji wtryskiwaczy Common Rail badanie ich funkcjonowania sprowadza się do oscyloskopowej kontroli przebiegów elektrycznych inicjujących poszczególne fazy pracy.

Sposób podłączenia oscyloskopu do instalacji CR w samochodzie.
Sposób podłączenia oscyloskopu do instalacji CR w samochodzie.
1 – oscyloskop, 2 – zasilanie z akumulatora,
3 – dodatnia sonda napięciowa
pierwszego kanału, 4 – ujemna sonda napięciowa pierwszego kanału
5 – cęgi prądowe, A – akumulator pojazdu
B – wtryskiwacz Common Rail
C – złącze elektryczne wtryskiwacza
D – przewód zasilający paliwem
E – przewód przelewowy. Źródło: Bosch

Kryształy piezoelektryczne

Piezoelektryki lub materiały piezoelektryczne to kryształy, w których obserwowane jest zjawisko piezoelektryczne polegające na pojawieniu się pod wpływem naprężeń mechanicznych ładunków elektrycznych na ich powierzchni. Piezoelektryki podlegają również odwrotnemu zjawisku piezoelektrycznemu polegającemu na zmianie wymiarów kryształu pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Zjawisko to wykorzystywane jest między innymi we wtryskiwaczach piezoelektrycznych i bywa błędnie nazywane elektrostrykcją.

Kryształy piezoelektryczne charakteryzują się tym, że mają wiązania jonowe, a ich komórka elementarna nie ma środka symetrii. Pod wpływem naprężenia w takich kryształach dochodzi do różnego przesunięcia „środków ciężkości” ładunku dodatniego i ujemnego, co powoduje polaryzację elektryczną kryształu. Pojawiający się na krawędziach kryształu ładunek elektryczny jest proporcjonalny do odkształcenia. Piezoelektryki charakteryzują się też odwrotnym zjawiskiem polegającym na tym, że po przyłożeniu do nich potencjału elektrycznego zmieniają swój kształt. Zjawisko to okazało się podstawą do zastosowania elementów piezoelektrycznych we wtryskiwaczach. Pakiety piezoelektryczne stosowane są tu jako elementy wykonawcze. Zastępują one cewki elektromagnetyczne, dzięki czemu wtryskiwacz wykazuje się szybszą reakcją na sygnały sterujące oraz możliwością bardziej precyzyjnego wysterowania.

Schemat elektryczny układu zawierającego wtryskiwacze Common Rail.
Y6 – grupa wtryskiwaczy, X13 – złącze sterownika układu wtryskowego,
Piny 5.02 i 5.04 – zasilanie wtryskiwaczy
Piny 5.03, 5.05, 5.07, 5.09 – sygnały sterujące wtryskiwaczami. Źródło: Bosch

Pompy wtryskowe

Pompy w trakcie eksploatacji ulegają zużyciu. Szczególnie niekorzystne dla pomp jest stosowanie paliwa zawierającego zabrudzenia, ponieważ może to doprowadzić do uszkodzenia mechanicznego pompy. Diagnostyka jest realizowana na stołach probierczych. Określenie parametrów pompy w trakcie testu na stole umożliwia ocenę, które elementy są zużyte i muszą ulec wymianie. Minimalne ciśnienie pozwalające na rozruch silnika generowane przez pompę wysokiego ciśnienia to ok. 180 barów, a w nowych samochodach ciśnienie to wynosi już ok. 250 barów. Jeżeli ciśnienie jest wystarczająco wysokie, a sterownik generuje błąd dotyczący zbyt niskiego ciśnienia, to przyczyna leży poza układem paliwowym. W takim przypadku należy sprawdzić ciśnienie i wydatek pompy paliwa. Poprawny wynik jest różny dla różnych pomp i układów wtryskowych. Aby przystąpić do kontroli, najpierw trzeba się zaopatrzyć w specyfikację techniczną danej pompy oraz modelu samochodu. Jeśli wartości nominalne nie zostaną osiągnięte, należy sprawdzić drożność przewodów paliwowych i filtra paliwa. Po sprawdzeniu drożności pompy paliwa należy sprawdzić samą pompę. Test ten można wykonać, mierząc podciśnienie generowane przez pompę. Jeśli wartość będzie zerowa, to pompa jest nieszczelna.

Kolejnym krokiem podczas diagnostyki jest sprawdzenie zaworów oraz czujników ciśnienia na szynie zasilającej. Dość częstym powodem błędu mówiącego o niskim ciśnieniu jest uszkodzenie czujnika albo jego nieprzypisanie po wymianie. W takim przypadku sterownik nie wie, że w układzie zainstalowany jest nowy czujnik lub zawór i przyjmuje wartości zastępcze.

Po dokonaniu jakiejkolwiek naprawy konieczne jest sprawdzenie, czy pompa i wtryskiwacze działają w prawidłowy sposób. Należy sprawdzić wartości sterowania zaworem na szynie zasilającej oraz wartości ciśnienia wskazywane przez czujnik.

Opracowano na podstawie informacji dostarczonych przez firmę Robert Bosch

Udostępnij:

Drukuj



aE



TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również