Systemy wtrysku oleju napędowego. Projekt, zalety i wady

W przeciwieństwie do silników benzynowych, silniki wysokoprężne od początku miały wtrysk paliwa. Zmieniły się tylko układy wtryskowe, osprzęt i ciśnienie paliwa dostarczanego do cylindrów.

Zasada działania silnika wysokoprężnego, powszechnie znanego jako silnik wysokoprężny, jest zupełnie inna niż silnika benzynowego. W ciężarówkach paliwowych mieszanka paliwowo-powietrzna wchodzi do komory spalania nad tłokiem. Po sprężeniu mieszanina ulega zapłonowi w wyniku przebicia iskry elektrycznej na elektrodach świecy zapłonowej. Dlatego silniki benzynowe są również nazywane silnikami o zapłonie iskrowym (SI).

W silnikach wysokoprężnych tłok w komorze spalania spręża tylko powietrze, które pod wpływem ogromnego ciśnienia (co najmniej 40 barów - stąd nazwa „wysokie ciśnienie”) jest podgrzewane do temperatury 600-800 °C. Wstrzyknięcie paliwa do tak gorącego powietrza powoduje natychmiastowy samozapłon paliwa w komorze spalania. Z tego powodu silniki Diesla są również nazywane silnikami o zapłonie samoczynnym (CI). Od samego początku były one zasilane wtryskiem paliwa do komory spalania, a nie do kolektora dolotowego, który tylko dostarcza powietrze do silnika. W zależności od tego, czy podzielono komorę spalania, czy nie, silniki Diesla podzielono na jednostki napędowe z wtryskiem pośrednim lub bezpośrednim.

Zastrzyk pośredni

Diesel, choć zadebiutował z systemem bezpośredniego wtrysku, nie był używany długo. Rozwiązanie to przysporzyło zbyt wielu problemów i w branży motoryzacyjnej zostało zastąpione opatentowanym w 1909 roku wtryskiem pośrednim. Bezpośredni wtrysk pozostał w dużych silnikach stacjonarnych i okrętowych, a także w niektórych ciężarówkach. Projektanci samochodów osobowych preferowali silniki wysokoprężne z wtryskiem pośrednim, charakteryzujące się płynniejszą pracą i mniejszym hałasem.

Określenie „pośredni” w silnikach wysokoprężnych oznacza coś zupełnie innego niż w silnikach benzynowych, gdzie wtrysk pośredni to wtrysk mieszanki paliwowo-powietrznej do kolektora dolotowego. W silnikach wysokoprężnych z wtryskiem pośrednim, podobnie jak w konstrukcjach z wtryskiem bezpośrednim, paliwo rozpylane przez wtryskiwacz również dostaje się do komory spalania. Tyle, że jest on podzielony na dwie części – pomocniczą, do której wtryskiwane jest paliwo, oraz główną, czyli tzw. przestrzeń bezpośrednio nad tłokiem, w której zachodzi główny proces spalania paliwa. Komory są połączone kanałem lub kanałami. Pod względem formy i funkcji komory dzielą się na wstępne, wirowe i powietrzne.

Te ostatnie nie mogą być używane, ponieważ ich produkcja praktycznie ustała. W przypadku komór wstępnych i wirowych dysza montowana jest obok komory pomocniczej i wtryskuje do niej paliwo. Tam następuje zapłon, po czym częściowo spalone paliwo dostaje się do komory głównej i tam się wypala. Diesle z komorą wstępną lub komorą wirową pracują płynnie i mogą mieć lekkie układy korbowe. Nie są wrażliwe na jakość paliwa i mogą mieć dysze o prostej konstrukcji. Są jednak mniej wydajne niż diesle z bezpośrednim wtryskiem, zużywają więcej paliwa i mają problemy z uruchomieniem zimnego silnika. Obecnie silniki wysokoprężne z wtryskiem pośrednim w samochodach osobowych należą już do przeszłości i nie są już produkowane. Obecnie rzadko można je znaleźć w nowoczesnych samochodach na rynku. Można je znaleźć jedynie w projektach takich jak indyjski Hindustan i Tata, rosyjski UAZ, starszej generacji Mitsubishi Pajero sprzedawane w Brazylii czy Volkswagen Polo oferowany w Argentynie. Stosowane są w znacznie większych ilościach w pojazdach na rynku wtórnym.

Bezpośredni wtrysk

Wszystko zaczęło się od niego. Jednak początkowo nie wykorzystano korzyści płynących z bezpośredniego wtrysku. Nie było wiadomo, jak ważne jest prawidłowe zawirowanie paliwa, a spalanie nie było optymalne. Powstały grudki paliwa, które przyczyniły się do powstania sadzy. Procesy na tłoku poszły za szybko, silniki ciężko pracowały, szybko niszcząc łożysko wału korbowego. Z tego powodu zrezygnowano z wtrysku bezpośredniego, preferując wtrysk pośredni.

Powrót do korzeni, ale w nowoczesnej wersji, nastąpił dopiero w 1987 roku, kiedy do masowej produkcji wszedł Fiat Croma 1.9 TD. Bezpośredni wtrysk paliwa wymaga wydajnego sprzętu wtryskowego, wysokiego ciśnienia wtrysku, dobrej jakości paliwa i bardzo mocnej (a zatem ciężkiej) korby. Zapewnia jednak wysoką sprawność i łatwy rozruch zimnego silnika. Nowoczesne rozwiązania silników wysokoprężnych z wtryskiem bezpośrednim opierają się głównie na całkowicie płaskich głowicach i tłokach z odpowiednio ukształtowanymi komorami (wnękami). Komory odpowiadają za prawidłową turbulencję paliwa. Wtrysk bezpośredni jest obecnie szeroko stosowany w silnikach wysokoprężnych samochodów osobowych.

Wtrysk bezpośredni — pompowtryskiwacze

W tradycyjnych silnikach wysokoprężnych za dostarczanie paliwa odpowiadają różne typy pomp. W pionierskich czasach wtrysk paliwa odbywał się za pomocą sprężonego powietrza, w latach dwudziestych robiono to za pomocą przeprojektowanych pomp olejowych. Już w latach 20. powszechnie stosowano specjalne pompy przeznaczone do silników Diesla. Początkowo opierał się na seryjnych pompach wytwarzających niskie ciśnienie (do 300 bar). Dopiero w latach 60 pojawiły się wydajniejsze pompy z rozdzielaczem osiowym (powyżej 1000 bar). W połowie lat siedemdziesiątych otrzymały sterowanie wtryskiem mechanicznym, a w połowie lat osiemdziesiątych sterowanie elektroniczne (BMW 80td, 524).

Pompowtryskiwacze stosowane w ciężarówkach już w latach 30-tych były nieco innym sposobem wtrysku paliwa, były szeroko stosowane w samochodach osobowych przez koncern Volkswagen, po raz pierwszy w 1998 roku (Passat B5 1.9 TDI). Krótko mówiąc, pompowtryskiwacz to wtryskiwacz z własną pompą, która jest napędzana przez wałek rozrządu. W ten sposób cały proces zwiększania ciśnienia i wtryskiwania do cylindra ogranicza się do głowicy cylindra. Układ jest bardzo kompaktowy, nie ma przewodów paliwowych łączących pompę z wtryskiwaczami. Dzięki temu nie ma pulsacji dyszy, co utrudnia regulację dawki paliwa i nieszczelności. Ponieważ paliwo częściowo odparowuje w komorze pompowtryskiwaczy, czas wtrysku może być mały (łatwy start). Najważniejsze jest jednak bardzo wysokie ciśnienie wtrysku rzędu 2000-2200 bar. Dawka paliwa w cylindrze szybko miesza się z powietrzem i spala się bardzo efektywnie.

Generalnie, silnik wysokoprężny z pompowtryskiwaczem charakteryzuje się wysoką sprawnością, niskim zużyciem paliwa, dużą prędkością obrotową oraz możliwością uzyskania dużej gęstości mocy. Ale silnik pompowtryskiwacza jest drogi w produkcji, głównie ze względu na złożoność głowicy cylindrów. Jego praca jest ciężka i głośna. Przy zasilaniu pompowtryskiwaczami pojawiają się również problemy z emisją, co w znacznym stopniu przyczyniło się do rezygnacji VW z tego rozwiązania.

Wtrysk bezpośredni — Common Rail

Najważniejszym elementem układu wtryskowego Common Rail jest „Common Rail”, rodzaj zbiornika znanego również jako „ciśnieniowy akumulator paliwa”, do którego pompa pompuje olej napędowy. Wchodzi do dysz nie bezpośrednio z pompy, ale ze zbiornika, przy zachowaniu tego samego ciśnienia dla każdego cylindra.

W przenośni można powiedzieć, że każdy z wtryskiwaczy nie czeka na porcję paliwa z pompy, ale wciąż ma paliwo pod bardzo wysokim ciśnieniem. Impulsy elektryczne uruchamiające wtryskiwacze wystarczają do dostarczenia paliwa do komór spalania. Taki układ pozwala na tworzenie wtrysków wielofazowych (nawet 8 faz na wtrysk), co prowadzi do bardzo precyzyjnego spalania paliwa ze stopniowym wzrostem ciśnienia. Bardzo wysokie ciśnienie wtrysku (1800 bar) pozwala na zastosowanie wtryskiwaczy o bardzo małych otworach, które dostarczają paliwo niemal w postaci mgiełki.

Do tego wszystkiego dochodzi wysoka sprawność silnika, płynna praca i niski poziom hałasu (pomimo bezpośredniego wtrysku), dobra manewrowość i niska emisja spalin. Jednak silniki Common Rail wymagają najwyższej jakości paliwa i najlepszych filtrów. Zanieczyszczenia w paliwie mogą zniszczyć wtryskiwacze i spowodować uszkodzenia, których naprawa jest niezwykle kosztowna.