Po raz pierwszy taki układ wypuścił na rynek włoski producent samochodów FIAT w 1997 roku, oznaczając go symbolem JTD. Silnik ten charakteryzował się jak na tamte czasy cichszą pracą w porównaniu z silnikami konkurencji, niskim zużyciem paliwa i wysoką czystością spalin (spełniał normę Euro 3). Producenci pojazdów różnie oznaczają swoje samochody wyposażone w silnik wysokoprężny z takim układem, na przykład: Opel – CDTi, koncern PSA – HDi, Grupa Volkswagena – TDI, Ford – TDCi, lecz ich budowa i zasada działania niewiele się różnią. Układ Common Rail pozwala na bardzo precyzyjne dawkowanie paliwa, umożliwia wielokrotny wtrysk w jednym suwie pracy silnika. To sprawia, że silnik zużywa mniej paliwa, uzyskując wyższe osiągi, niższa jest toksyczność spalin a hałas podczas pracy silnika jest znacznie mniejszy. Działanie systemu polega na tym, że pompa napędzana mechanicznie przez silnik wytwarza wysokie ciśnienie paliwa, które trafia metalowym przewodem do zasobnika spełniającego funkcje akumulatora paliwa, a następnie kolejnymi przewodami do wtryskiwaczy. Te w odpowiednim momencie wtryskują paliwo do komory spalania lub do komory wstępnej, a sterowane są za pomocą impulsów elektrycznych przez sterownik silnika. Wtryskiwacze dzielą się na dwa podstawowe typy: elektromagnetyczne oraz piezoelektryczne.
Te drugie sterowane są znacząco wyższymi napięciami, nawet do 160 V, podczas gdy elektromagnetyczne wtryskiwacze działają przy napięciu 12 V w całej instalacji samochodu.

Budowa i działanie stanowiska do przeprowadzenia badań

Badania zostały przeprowadzone na zmodernizowanym stole probierczym PW-1. Oryginalnie był on przeznaczony do kontroli działania oraz ustawiania rzędowych pomp wtryskowych i wtryskiwaczy. Po modernizacji i doposażeniu możliwe jest na nim symulowanie pracy kompletnego układu Common Rail.
Stanowisko składa się z następujących części:

  • zbiornika na olej marki KALIBROL LUX,
  • pompy wstępnej,
  • filtra oleju,
  • zaworu do regulacji ciśnienia,
  • manometru,
  • pompy wysokiego ciśnienia CP1,
  • przewodów metalowych,
  • zasobnika,
  • wtryskiwaczy,
  • menzurek do pomiaru ilości oleju podawanego przez wtryskiwacz,
  • elektronicznego układu sterującego wtryskiwaczem,
  • zasilacza 5 V, wiązki przewodów i dwóch mierników uniwersalnych.

Pompa wstępna tłoczy olej pod ciśnieniem 7 barów przez filtr i zawór do pompy wysokiego ciśnienia. Pompa ta pochodzi, tak jak wszystkie elementy tego układu wtryskowego, z silnika o pojemności 1248 cm3 oznaczonego symbolem CDTi (Opel) i została wyprodukowana przez firmę BOSCH. Napędzana jest przez silnik trójfazowy, przez przekładnię pasową i wrzeciono połączone z wałkiem pompy. Olej pod ciśnieniem trafia przez metalowy przewód do zasobnika. Ma on pięć gwintowanych króćców – jeden do podpięcia zasilania z pompy i cztery wyjścia na przewody metalowe połączone z wtryskiwaczami. W zasobniku zamontowany jest również czujnik ciśnienia. Olej z pracującego wtryskiwacza trafia do wyskalowanej menzurki z króćcem, na który jest nałożony gumowy wężyk zakończony zaworkiem do spuszczania oleju.

Budowa pompy wysokiego ciśnienia

Pompa CP1 firmy BOSCH jest pompą promieniową, trójsekcyjną, tłoczkową. Sekcje rozmieszczone są wokół wałka z krzywką co 120 stopni. Ruch obrotowy wałka powoduje ruch posuwisty tłoczków przez krzywkę. Sprawna pompa w trakcie uruchamiania silnika jest w stanie w ciągu pół sekundy wytworzyć ciśnienie 200 barów. Pompa jest wyposażona w elektryczny regulator ciśnienia utrzymujący jego stałą wartość na wyjściu podczas zmian prędkości obrotowej silnika, a co za tym idzie – prędkości obrotowej wałka, lecz nie użyto go w przeprowadzonych badaniach.
Po odłączeniu regulatora podawane jest maksymalne ciśnienie wytwarzane przez pompę przy danej prędkości obrotowej.

Budowa wtryskiwacza

Wtryskiwacz montowany jest w głowicy silnika za pomocą jarzma, które najczęściej utrzymuje dwa sąsiadujące ze sobą  wtryskiwacze. Igła rozpylacza sięga aż do komory spalania w cylindrze. Otwór w głowicy, przez który przechodzi, uszczelniony jest miedzianą podkładką.

W górnej części wtryskiwacz ma: wyjście na przewód przelewowy paliwa montowany za pomocą stalowej zawleczki i uszczelniony gumową uszczelką typu oring; gwintowany króciec do podłączenia przewodu łączącego go z zasobnikiem, którym doprowadzany jest olej pod ciśnieniem; złącze elektryczne do podpięcia przewodu ze sterownika silnika. Podczas pracy silnika sterownik wysyła impulsy elektryczne skutkujące generowaniem wokół cewki we wtryskiwaczu pola magnetycznego powodującego ruch tłoczka i wtrysk paliwa.

Badanie działania czujnika ciśnienia i pracy całego układu

W pierwszej kolejności należało przeprowadzić cechowanie czujnika wysokiego ciśnienia. Miało to na celu sprawdzenie poprawności jego działania oraz jego kalibrację. Zabieg wykonano przy użyciu próbnika wtryskiwaczy PRW3. Stanowisko to zbudowane jest ze zbiornika na olej, ręcznej pompy tłokowej, manometru wyskalowanego do 600 kG/cm2, przewodu metalowego do połączenia z wtryskiwaczem, uchwytu do zamocowania badanego wtryskiwacza oraz komory, do której będzie wtryskiwany olej. W dalszej części pracy używaną jednostką ciśnienia jest MPa (100 kG/cm2 jest równe ok. 10 MPa). W celu pomiaru do urządzenia podłączono zasobnik wraz z podpiętymi do niego wtryskiwaczami oraz czujnikiem ciśnienia wraz z zasilaczem i miernikami uniwersalnymi. Po włączeniu zasilania czujnika wytworzono ciśnienie w zasobniku przez kilkukrotny ruch dźwigni pompy. Następnie upuszczano olej z zasobnika w celu redukcji ciśnienia i odczytywano wartość napięcia na złączu wyjścia sygnału będącego funkcją napięcia. Odczytu dokonywano w momencie, gdy wartość ciśnienia zmniejszyła się o 5 MPa. Przed rozpoczęciem pomiarów należało odpowietrzyć zasobnik przez poluzowanie nakrętki dociągającej metalowy przewód łączący się z wtryskiwaczem, a następnie wytworzenie niewielkiego ciśnienia przez pompę i obserwację wypływającego oleju z pęcherzykami aż do momentu ich zniknięcia. W tym momencie dokręcono nakrętkę.

Napięcie na wyjściu zasilacza nie jest równe 5 V, lecz 5,21 V. Spowodowało to niewielkie przesunięcie skali odczytywanych wartości sygnału będącego funkcją ciśnienia. Dlatego bez wywierania ciśnienia na membranę napięcie na złączu sygnałowym wynosi 0,57 V zamiast deklarowanego przez producenta 0,5 V, lecz nie wpływa to na poprawny odczyt ciśnienia po odpowiedniej korekcji. 5 MPa jest ciśnieniem stanowiącym dolną granicę sygnału napięcia tego czujnika.

Następnie zasobnik wraz z wtryskiwaczami zamontowano na stole probierczym PW-1. Stół ten jest w stanie wygenerować prędkość obrotową wrzeciona na poziomie 500 obrotów. Można to odczytać na obrotomierzu zamontowanym na pulpicie urządzenia. Podobnie jak podczas cechowania czujnika ciśnienia w pierwszej kolejności należało odpowietrzyć zasobnik oraz sam badany wtryskiwacz.

W pierwszej kolejności wyznaczono objętość oleju wtryskiwanego przez wtryskiwacz przy stałym czasie otwarcia iglicy równym 4 ms i zmiennej częstotliwości od 30 Hz do 50 Hz (co 5 Hz). Podczas testów kontrolowano również ciśnienie panujące w zasobniku. Wykonano po pięć prób dla każdego z ustawień. Każda trwała 10 sekund, lecz rzeczywisty czas pracy stanowiska był zawsze nieco dłuższy, gdyż po wyłączeniu zasilania stołu następowało wyhamowanie elementów wirujących. Ten proces wybiegu urządzenia został zignorowany podczas pomiarów.
Wartości średnie objętości wyznaczone dla różnych częstotliwości przy stałej wartości czasu trwania impulsu przedstawiono na wykresie.

Jak można zauważyć, mimo zmiany częstotliwości impulsów objętość oleju, który znalazł się w menzurkach jest bardzo zbliżona i mieści się w granicach błędu pomiaru. Zważywszy na to, że im wyższa częstotliwość pracy wtryskiwacza, tym mniejsze ciśnienie w zasobniku, można wysnuć wniosek, że jest to efekt braku sterowania regulatora ciśnienia w pompie CP-1 i niskiej prędkości obrotowej wału pompy.

Następnie przeprowadzono kolejną serię badań – tym razem przy stałej częstotliwości 40 Hz i zmiennym czasie otwarcia iglicy. Również i w tym przypadku wykonano pięć prób dla każdego z ustawień, a każda próba trwała 10 sekund.

Podsumowanie

Zasada działania układu wtryskowego Common Rail jest dzisiaj podstawową wiedzą, jaką musi posiadać mechanik czy diagnosta, niezbędną do wykrycia usterki czy niedomagania najmniejszych składowych całego systemu.
W trakcie badań zauważono, że w przypadku prędkości obrotowej wału pompy wysokiego ciśnienia wynoszącej 500 obr./min w ciągu 10 sekund przy stałym czasie otwarcia iglicy wtryskiwacza i stałej prędkości obrotowej pompy oraz zmiennej częstotliwości impulsów objętość oleju wydanego przez wtryskiwacz praktycznie się nie zmienia.  Zmianie ulegało jedynie ciśnienie w zasobniku. Było to spowodowane całkowitym zamknięciem regulatora ciśnienia na pompie wysokiego ciśnienia.

W przypadku pracy wtryskiwacza z zadaną częstotliwością pracy i przy zmiennym czasie otwarcia iglicy ciśnienie w zasobniku nieznacznie wzrosło. Im krótszy był czas trwania impulsu, tym większe ciśnienie panowało w zasobniku.

Opracowanie własne, w oparciu o:
Praca zbiorowa: Zasobnikowe układy wtryskowe Common Rail, Warszawa, Wydawnictwo
Komunikacji i Łączności, 2009. ISBN: 978-83-206-1745-0
G. Hubertus: Układy wtryskowe Common Rail w praktyce warsztatowej, Warszawa, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, 2014. ISBN: 978-83-206-1936-2
E. A. Zogbaum: Poradnik mechanika samochodowego, Warszawa, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, 2011. ISBN: 978-83-206-1222-6