Common Rail
Włoska rewolucja
Tomasz Joński
Common Rail
Włoska rewolucja
Tomasz Joński
Historia
W 1986 r. Fiat Croma został wyposażony w pierwszy na świece silnik
diesla z bezpośrednim wtryskiem oleju napędowego (TDI, Pojemność:
1929 cm³, Moc: 90 KM)
W latach 1976-1992 na Uniwersytecie ETH w Zurychu prowadzone są
badania nad „Unijet System” - rewolucyjnym systemem zasilania
paliwem.Pomysł szwajcarskich naukowców był prosty i genialny zarazem.
Poprzez ciągłe wtryskiwanie oleju napędowego do zamkniętego zbiornika
,powstaje ciśnienie wewnątrz samego zbiornika, który staje się
akumulatorem hydraulicznym. Zastosowanie tej technologii zapewnia
stabilność ciśnienia w chwili otwarcia wtryskiwacza umożliwiając bardzo
częste wtryski bez spadku ciśnienia w układzie
Pod koniec lat 80-tych dział badawczo-rozwojowy Fiata rozpoczął
badania, których celem było zaimplementowanie technologii „Unijet
System” w seryjnej produkcji silników wysokoprężnych
Tomasz Joński
Historia – Common Rail I Generacji
W 1990 roku, cztery lata po wypuszczeniu na rynek Cromy TDI,
rozpoczęła się produkcja wstępnej serii silników w technologii Unijet.
Była to nowatorska instalacja opracowana przez Magneti Marelli
1993 – FIAT patentuje technologię Common Rail
W październiku 1997 na rynku pojawia się Alfa Romeo 156 JTD
wyposażona w rewolucyjny system common rail i wtryskiwacze Bosch
(warto nadmienić, iż w samochodach ciężarowych Denso zastosowało
technologię common rail już w 1995 roku)
Samochody wyposażone w tą jednostkę napędową były niewiarygodnie
ciche, dynamiczne i mają
osiągi lepsze średnio o 12% w stosunku do
takiego samego silnika ze wstępną komorą spalania. Dodatkowo
zużycie paliwa jest mniejsze o 15%. Sukces modelu Alfa Romeo156 JTD
był natychmiastowy. Silniki common rail zaczęły być montowane nie
tylko w innych modelach Fiata, lecz także w samochodach innych
producentów. Systemy pierwszej generacji common rail generowały
ciśnieniem rzędu 1350 barów
Tomasz Joński
Historia – Common Rail II Generacji
Kolejnym etapem ewolucji silników diesla z fabryki Fiata jest Multijet czyli
Common Rail drugiej generacji
W systemie Multijet poprawiono charakterystykę wtrysku (jest on zmienny
w każdym cyklu pracy silnika), zwiększono maksymalną ilość momentów
wtrysku do pięciu w stosunku do trzech charakterystycznych dla Unijet.
Dodatkowo ciśnienie wtrysku wzrosło do 1600 barów
Wewnątrz cylindra, ilość spalanego oleju napędowego jest taka sama, lecz
jest dzielona na kilka dawek, co pozwala na uzyskanie bardziej
stopniowego "miękkiego" spalania. Do zalet należy mniejszy poziom
hałasu, redukcja emisji i lepsze osiągi o około 6-7%, łącznie ze
sprawnością, która daje jeszcze lepszą dynamikę pojazdu. komputer
kontroluje elektronicznie otwieranie i zamykanie wtryskiwaczy i
przeprowadza proces fazowania i modulowania tzw. przedwtrysku.
Oznaczenia silników Common Rail u innych producentów: HDI, DCI, CDI,
TDCI, CRDI, CDTI, CTDI
Tomasz Joński
Historia – Common Rail III Generacji
Cechą szczególną trzeciej generacji systemów wtryskowych Common Rail
są wtryskiwacze typu Inline Injector, w których materiał piezoelektryczny
został zintegrowany w korpusie wtryskiwacza w bezpośrednim
sąsiedztwie iglicy. Nowe wtryskiwacze mają o 76% mniej ruchomych
części, są lżejsze i przełączają się dwa razy szybciej od dotychczas
stosowanych. Pierwsze zastosowanie seryjne: Audi A6 (3.0 TDI).
Trzecia generacja Common Rail firmy Bosch obniża emisję zanieczyszczeń
nawet o 20%, podwyższa moc silnika o maks. 5% i obniża zużycie paliwa
o 3% lub wyczuwalnie redukuje poziom hałasu silnika o 3 dB(A) – w
zależności od preferencji określonych w fazie projektowania silnika.
W niektórych silnikach z systemem Common Rail trzeciej generacji
zwiększono ciśnienie wtrysku do ponad 2000 barów we wtryskiwaczach
poprzez przekładnię hytrauliczną bez konieczności zwiększania ciśnienia
w całym układzie.
Tomasz Joński
Zasada działania - Schemat
Tomasz Joński
Zasada działania – Szyna CR
W układzie Common Rail olej napędowy zasysany jest ze zbiornika
paliwa pod ciśnieniem około 4 barów i trafia poprzez filtr do pompy
wysokiego ciśnienia. Tłoczkowa pompa spręża paliwo do ogromnego
ciśnienia wynoszącego w zależności od generacji Common Rail od 1300
do ponad 2000 barów. Z pompy wysokiego ciśnienia paliwo trafia do
ciśnieniowego zasobnika (akumulatora ciśnienia) czyli tzw. szyny
common rail. Objętość zasobnika jest tak dobrana, że umożliwia
tłumienie drgań ciśnienia powstających w wyniku tłoczenia paliwa przez
pompę. Chwilowe ciśnienie paliwa w zasobniku jest mierzone
czujnikiem ciśnienia wkręconym w zasobnik oraz regulowane zaworem
redukcyjnym - jego zadaniem jest ograniczenie ciśnienia paliwa do
maksymalnej dopuszczalnej wartości. Szyna za pomocą przewodów
wysokiego ciśnienia jest połączona ze wszystkimi wtryskiwaczami.
Akumulator ciśnienia zapewnia stabilność ciśnienia w chwili otwarcia
wtryskiwacza umożliwiając bardzo częste wtryski bez spadku ciśnienia.
Zastosowanie pompy rotacyjnej o wysokiej wydajności gwarantuje
utrzymanie wysokiego ciśnienia w szynie.
Tomasz Joński
Zasada działania – Szyna CR
1. Akumulator ciśnienia
2. Przewód dopływu
paliwa
3. Czujnik ciśnienia
paliwa w zasobniku
4. Zawór regulujący
ciśnienie w zasobniku
5. Odpływ paliwa z
zasobnika
6. Wtryskiwacze
7. Wtrysk dawki paliwa do
komory spalania
Tomasz Joński
Zasada działania
Całość układu kontrolowana jest za pomocą elektronicznego
sterownika (ECU – Engine Control Unit), który w czasie rzeczywistym
oblicza rozmiar dawki wtrysku oraz steruje pracą pompy i
wtryskiwaczy. W odróżnieniu od innych systemów wtryskowych,
bardzo szybka praca całego układu oraz pełna swoboda czasu
wtrysku, pozawala podzielić dawkę w czasie jednego cyklu spalania.
W efekcie zamiast jednej dużej dawki wtryskiwanych jest kilka
mniejszych – w każdym cyklu zapłonu układ wtryskowy podaje
małe, precyzyjnie odmierzone dawki paliwa jako wtrysk wstępny,
główny, rozruchowy itd. wtrysk wstępny pilotażowy powoduje
przygotowanie komory spalania do wtrysku głównego podnosząc
temperaturę w cylindrze i powodując dodatkowo zawirowanie
powietrza w komorze. Możliwe jest więc modelowanie pojedyńczego
cyklu spalanie zależnie od warunków pracy i stylu jazdy kierowcy
dzięki czemu następuje zwiększenie wydajności, zmniejszenie
hałasu oraz ograniczenie emisji szkodliwych środków.
Tomasz Joński
Budowa wtryskiwacza CR
Głównym zadaniem wtryskiwaczy jest prawidłowe rozpylanie paliwa w
komorze spalania przez otworki w końcówce wtryskiwacza (może ich
być od pięciu do ośmiu).
W pozycji zamkniętej wtryskiwacza paliwo naciska równym ciśnieniem
na górną oraz na dolną powierzchnie tłoczka. Ponieważ górna
powierzchnia jest większa od dolnej generowana na niej siła jest
większa. Siła ta za pośrednictwem tłoczka dociska iglicę zamykającą
otwory w końcówce wtryskiwacza. Powyżej tłoczka znajduje się zawór
oddzielający przestrzenie wysokiego ciśnienia (kolor czerwony) od
przestrzeni niskiego ciśnienia (kolor żółty). Zawór te ma kształt
talerzyka (kolor zielony) zakończonego uszczelniającą kulką. Otwarcie
wtryskiwacza następuje w chwili gdy elektromagnes uniesie talerzyk i
kulka na jego końcu odetka kanał łączący przestrzenie niskiego i
wysokiego ciśnienia. W skutek tego spada ciśnienie oraz konsekwentnie
siła nad górną powierzchnią tłoczka. W tym momencie siła generowana
przez wysokie na dolnej przestrzeni tłoczka jest w stanie unieść tłoczek
wraz z iglicą. Podniesiona iglica otwiera otworki na końcu wtryskiwacza,
a paliwo pod wysokim ciśnieniem jest wtryskiwane do cylindra
.
Tomasz Joński
Budowa wtryskiwacza CR
Wtryskiwacz elektromagnetyczny
Tomasz Joński
Budowa wtryskiwacza CR
Aby uzyskać więcej cykli pracy,
firmy Bosch, Delphi, Siemens,
Denso wprowadziły wtryskiwacze z
elementem piezoelektrycznym.
Element piezoelektryczny jest
szybszy w swoim działaniu, co
przekłada się na możliwość
wykonania większej ilości wtrysków
(od pięciu do ośmiu) w jednym
cyklu pracy silnika.
Wtryskiwacze piezoelektryczne do
pracy potrzebują wyższego
napięcia, sięgającego 160 V w
przypadku wtryskiwaczy Bosch-a .
Wtryskiwacz
piezoelektryczny
*
Zjawisko piezoelektryczne – zmiana wymiarów
materiału pod wpływem pola elektrycznego
Tomasz Joński
Zalety systemu common rail
Zastosowanie zasobnika ciśnienia oraz elektronicznego systemu
sterowania pozwala na dowolne kształtowanie dawki wtrysku
Podział dawki paliwa na trzy etapy (dawka pilotująca, dawka
właściwa, dawka dopalająca). W kolejnych generacjach silników
common rail liczba etapów jest większa i może się zmieniać w
zależności od warunków (obciążenie silnika, obroty, temperatura)
Bardzo wysokie ciśnienie wtrysku pozwala na dobre rozpylenie
dawki dzieki czemu spalanie mieszanki odbywa się sprawniej
Łatwość regulacji ciśnienia oraz kąta wyprzedzenia wtrysku
pozwalają na bardzo precyzyjną kalibrację silnika zapewniając
niską emisję szkodliwych składników
Podatność na chiptuning (modyfikacja oprogramowania sterownika
silnikowego w celu zwiększenia momentu i mocy silnika)
Tomasz Joński
Wady systemu common rail
Wysoki koszt wytwarzania i serwisowania
Pompa wysokiego ciśnienia oraz wtryskiwacze pracują z wielką precyzją i
pod wysokim ciśnieniem przez co są bardzo wrażliwe na jakość paliwa.
Zanieczyszczenia występujące w oleju napędowym mogą np.
uniemożliwić mechaniczne zamknięcie się zaworu sterującego – dzieje
się tak na skutek osadzania się zabrudzeń w jego gnieździe. W
konsekwencji paliwo wypływa przez otwarty wtryskiwacz w sposób
całkowicie niekontrolwoany.
Konieczność zastosowania wydajnej pompy wtryskowej o wysokim
zapotrzebowaniu na moc (w praktyce jest to jednak rekompensowane
sprawnością układu common rail)
W układzie CR wtrysk paliwa następować może niezależnie od położenia
wału korbowego co „niestety” okazało się bardzo korzystne w przypadku
stosowania fitra cząstek stałych DPF. W trakcie suwu wydechu następuje
tzw. powtrysk paliwa, czyli wtryśnięcie dawki paliwa do wydostających
się z cylindra spalin. Paliwo to trafia do filtra cząstek stałych zapalając
znajdującą się w nim sadzę. Precyzyjne dawkowanie paliwa pozwala na
kontrolowaną regenerację filtra DPF
Tomasz Joński