Silniki spalinowe zasilane olejem napędowym są godnym rywalem ich benzynowych odpowiedników. Na początku walka nie była wyrównana, ponieważ olej napędowy jest zasadniczo mniej odpowiednim materiałem napędowym dla pojazdów, a jednak udało się zbudować system, który stał się nieodłącznym elementem motoryzacji i tak pozostało do dzisiaj. W tym artykule przedstawimy układ tworzenia mieszanki, który zdominował systemy wtryskowe silników Diesla.

Common rail – cichy bohater silników wysokoprężnych

Układ bezpośredniego wtrysku paliwa typu common rail to układ zbudowany na bazie wysokociśnieniowych (ponad 2000 barów) elektrozaworów zasilających szynę paliwową, w przeciwieństwie do niskociśnieniowych wtryskiwaczy dozownika pompy paliwowej.

Wtrysk wysokociśnieniowy zapewnia wydajność i oszczędność paliwa w porównaniu z wcześniejszym wtryskiem niskociśnieniowym dzięki większej atomizacji mieszanki cechującej się znacznie wyższym stosunkiem powierzchni do objętości. To z kolei zapewnia lepsze rozpylenie kropel paliwa, a tym samym jego bardziej efektywne zmieszanie z tlenem atmosferycznym dla pełniejszego spalania.

Wtrysk common rail jest szeroko stosowany w silnikach Diesla. Jest to również podstawa układów bezpośredniego wtrysku benzyny stosowanych w silnikach benzynowych.

Początki silników diesla z wtryskiem bezpośrednim

Pionierem w zakresie wtrysku common rail w silnikach okrętów podwodnych była firma Vickers. Silniki firmy Vickers z wtryskiem common rail zostały po raz pierwszy zastosowane w 1916 r. w okrętach podwodnych klasy G.

Silniki typu common rail są od pewnego czasu wykorzystywane w zastosowaniach morskich i lokomotywach. Silnik Cooper-Bessemer GN-8 (ok. 1942 r.) jest przykładem hydraulicznie uruchamianego silnika wysokoprężnego w technologii common rail, znanej również jako zmodyfikowana technologia common rail.

Prototyp systemu common rail dla silników samochodowych został opracowany przez Szwajcara Roberta Hubera pod koniec lat 60. Technologia była dalej rozwijana przez dr Marco Gansera w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w Zurychu, później przez Ganser-Hydromag AG (1995) w Oberäger.

Pierwszym silnikiem Diesla typu common rail zastosowanym w pojazdach drogowych był silnik VEB IFA Motorenwerke Nordhausen MN 106. W 1985 r. został on zabudowany w pojedynczym egzemplarzu IFA W50. Z powodu braku funduszy prace zostały wstrzymane i nigdy nie doszło do masowej produkcji.

Po raz pierwszy zastosowano go z powodzeniem w masowo produkowanych pojazdach w Japonii w połowie lat 90. Dr Shohei Itoh i Masahiko Miyaki z Denso Corporation, japońskiego producenta części samochodowych, opracowali system paliwowy common rail dla pojazdów ciężkich i zademonstrowali swój system common rail ECD-U2 w praktyce na ciężarówce Hino Ranger. Firma Denso opracowała pierwszy komercyjny wysokociśnieniowy system tego typu w 1995 r.

Nowoczesne systemy common rail są sterowane przez jednostkę sterującą silnika, która otwiera każdy wtryskiwacz. W latach 90. XX wieku opracowano prototyp we współpracy z Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat i Elasis. Po zakończeniu prac badawczo-rozwojowych przez Grupę Fiat, projekt został zakupiony przez niemiecką firmę Robert Bosch GmbH w celu zakończenia prac rozwojowych i udoskonalenia go do produkcji seryjnej. Z perspektywy czasu sprzedaż ta okazała się strategicznym błędem Fiata, ponieważ nowa technologia okazała się niezwykle dochodowa. Firma nie miała innego wyboru, jak tylko sprzedać licencję Boschowi, ponieważ w tamtym czasie znajdowała się w złej sytuacji finansowej i nie miała wystarczających środków, aby samodzielnie zakończyć prace rozwojowe. W 1997 r. technologię wdrożono w samochodach osobowych: pierwszym samochodem osobowym, w którym zastosowano system wspólnych rur wtryskowych był Alfa Romeo 156 z 1997 r. z silnikiem JTD o pojemności 2,4 litra, a w tym samym roku wprowadził go również Mercedes-Benz w swoim modelu W202.

Jak działa bezpośredni wtrysk paliwa do komory spalania?

Elektrozawory lub zawory piezoelektryczne pozwalają na precyzyjną elektroniczną kontrolę czasu i ilości wtrysku paliwa, a wyższe ciśnienie uzyskane dzięki technologii common rail pozwala na lepsze rozpylenie paliwa.
W celu zmniejszenia hałasu silnika, elektroniczna jednostka sterująca silnika może wstrzykiwać małe ilości oleju napędowego kilka razy tuż przed i po głównym wtrysku (wtrysku prowadzącym) – w ten sposób zmniejszając wybuchowość i wibracje, a także optymalizując czas i ilość wtrysku w celu poprawy jakości paliwa. To z kolei pomaga w dostosowaniu pracy silnika do ekstremalnych warunków eksploatacji, takich jak zimny rozruch. Niektóre zaawansowane układy paliwowe typu common rail wykonują aż pięć wtrysków na skok.

Silniki common rail wymagają bardzo długiego czasu rozgrzewania w zależności od temperatury otoczenia i powodują niższy poziom hałasu i emisji spalin niż starsze systemy.
W silnikach Diesla historycznie stosowano różne formy wtrysku paliwa. Dwa popularne typy to system wtrysku jednostkowego i system kolektora/pompy szeregowej.
W typowym układzie rozdzielaczowo-liniowym wtrysk rozpoczyna się i kończy przy z góry określonym ciśnieniu. System taki składa się z wtryskiwaczy w głowicy cylindra, które otwierają się i zamykają przy ciśnieniu określonym przez napięcie wstępne sprężyny przyłożonej do tłoczka we wtryskiwaczu. Gdy tylko ciśnienie we wtryskiwaczu osiągnie z góry określony poziom, tłoczek podnosi się i rozpoczyna się wtrysk.

W systemach common rail pompa wysokociśnieniowa magazynuje paliwo w kolektorze pod wysokim ciśnieniem – nawet do ponad 2000 barów. Termin „common rail” (wspólna szyna) dotyczy faktu, że wszystkie wtryskiwacze paliwa są zasilane przez wspólną szynę paliwową, która jest niczym innym jak kolektorem, w którym paliwo jest przechowywane pod wysokim ciśnieniem. Taki kolektor zasila wiele wtryskiwaczy paliwem pod wysokim ciśnieniem. Upraszcza to pracę pompy wysokociśnieniowej, ponieważ musi ona utrzymywać tylko jedno ciśnienie docelowe (sterowane mechanicznie lub elektronicznie). Wtryskiwacze paliwa są zwykle sterowane przez jednostkę sterującą silnika (ECU).
Gdy wtryskiwacze paliwa są sterowane elektrycznie, zawór hydrauliczny (składający się z dyszy i tłoka) otwiera się mechanicznie lub hydraulicznie i rozpyla paliwo do cylindrów pod żądanym ciśnieniem.
Ponieważ paliwo jest już pod ciśnieniem, a wtryskiwacze są uruchamiane elektrycznie, ciśnienie wtrysku w jego początkowej i końcowej fazie jest bardzo zbliżone do ciśnienia w kolektorze (a więc w przewodzie szyny), co daje zwiększoną do kwadratu dawkę wtrysku. Jeśli kolektor, pompa i przewód są prawidłowo zwymiarowane, ciśnienie i dawka wtrysku będą takie same dla każdego z wielu zdarzeń wtrysku.
Silniki Diesla typu common rail trzeciej generacji są teraz wyposażone w piezoelektryczne wtryskiwacze zapewniające większą precyzję, przy ciśnieniu paliwa do 2500 barów.

źródło: wikipedia