Vstrekovacia sústava dieslového motora – common rail

Neustále sa zvyšujúce ceny palív a tiež sprísňujúce emisné limity škodlivých látok vo výfukových plynoch nútia výrobcov dieselových motorov a ich dodávateľov intenzívne pracovať na vývoji efektívnejšieho a čistejšieho spaľovania. Začiatkom deväťdesiatych rokov znamenalo obrovský pokrok priame vstrekovanie s elektronicky riadeným rotačným vstrekovacím čerpadlom. Tento systém postupne koncom deväťdesiatych rokov nahrádzalo vstrekovanie čerpadlo tryska a common rail. Keďže systém čerpadlo-tryska sa časom ukázal ako neperspektívny, hlavne z dôvodu vyšších emisií (problematickej eliminácii) a vyššej hlučnosti, prevzal opraty systém common rail. V tomto článku si teda popíšeme o systéme common rail, ktorý je v súčastnosti  celosvetovo najrozšírenejší systém priameho vysokotlakového vstrekovania nafty pri dieselových motoroch, ktorý sa vyrába už vo svojej IV. generácii.

Common-rail je systém priameho vstrekovania nafty, ktorý sa vyznačuje tlakovým zásobníkom, v ktorom je palivo udržiavané pod vysokým tlakom. Postupom času sa tento systém stal najpoužívanejším vysokotlakovým vstrekovaním nafty v moderných dieselových motoroch. Jeho najväčšími výhodami sú jednoduché prispôsobenie systému pre rôzne motory a riadenie priebehu vstreku-viacnásobné vstrekovanie, keďže tlak paliva v zásobníku tlaku – raily je nezávislý na otáčkach motora. Výhodou sú aj vysoké vstrekovacie tlaky umožňujúce dokonalejšie rozprášenie paliva vo valci. V kombinácii so spomínaným viacnásobným vstrekovaním to znamená účinnejšie spaľovanie a teda vyšší výkon, krútiaci moment, nižšiu spotrebu paliva, kultivovaný chod a v neposlednom rade aj nižšie emisie škodlivých látok.

Trocha histórie

Počiatky systému Common rail siahajú do konca šesťdesiatych rokov minulého storočia, kedy vytvoril prvý funkčný prototyp švajčiarsky technik Robert Huber a neskôr na vývoji pracoval tím z technologického inštitútu v Zürichu. V ďalších rokoch sa vývoja chopili aj japonskí inžinieri z firmy Denso a vyvinuli systém priameho vstrekovania pre nákladné vozidlá s označením ECD-U2, ktorým bol v polovici deväťdesiatych rokov vybavený nákladný automobil Hino Raising Ranger – účastník slávnej Rally Dakar. Vo vývoji však pokračovali aj európski inžinieri, konkrétne z firmy Magneti Marelli a Fiatu, ktorí vytvorili systém Unijet. Koncom roka 1993 odkúpila potrebné patenty nemecká firma Bosch a pokračovala vo výskume a vývoji tohto systému. Výsledkom bolo uvedenie systému v roku 1997 na trh, konkrétne pre motor 1,9 JTD (Fiat, Alfa, Lancia). O niečo neskôr sa objavili ďalšie motorizácie 3,2 CDI (Mercedes-Benz) či 2,0 HDi (PSA – Peugeot, Citroen).

Ako to funguje

Základom vstrekovania common-rail je tlakový zásobník, v preklade spoločné potrubie. Tento zásobník tlaku udržiava palivo-naftu pod vysokým tlakom a práve v tomto spočíva hlavný rozdiel a tiež výhoda oproti iným systémom vysokotlakového vstrekovania nafty. Common rail sa podobne ako ostatné systémy skladá z nízkotlakovej a vysokotlakovej časti. Nízkotlaková časť zabezpečuje čistenie a dopravu paliva do vysokotlakovej časti, inými slovami, zásobuje vysokotlakové čerpadlo prefiltrovaným palivom. Palivo je odčerpávané z nádrže vozidla a prechádza cez filter, pričom jeho prúdenie zabezpečuje palivové – podávacie čerpadlo. Prietok paliva reguluje riadiaca elektronika. Z podávacieho čerpadla vedie palivo nízkotlakovým potrubím do vysokotlakového čerpadla. Často je podávacie čerpadlo v spoločnom bloku s vysokotlakovým čerpadlom. Vysokotlakové čerpadlo stlačí naftu na požadovaný tlak, ktorý závisí na prevedení a od generácie, obvykle sa pohybuje od 145 do 220 MPa (2200 bar). Z vysokotlakového čerpadla prúdi palivo na rozdiel od ostatných systémov do vyššie spomínaného tlakového zásobníka. Tam sa pomocou snímača a regulátora tlaku udržuje tlak paliva na požadovanej – konštantnej úrovni. Z tlakového zásobníka ide palivo cez vysokotlakové potrubie priamo ku vstrekovačom a tie na základe impulzov z riadiacej jednotky vstrekujú potrebnú dávku paliva priamo do valca. Pri voľnobehu a čiastočnom zaťažení vzniká prebytok paliva, ktoré sa vracia naspäť do nízkotlakovej časti pomocou regulačného ventilu. Ako aj u predchádzajúcich vstrekovacích systémov, aj v tomto prípade má hlavné slovo riadiaca jednotka. Tá získava potrebné informácie najmä z týchto snímačov:

• snímač tlaku vo vysokotlakovom zásobníku,
• snímač polohy kľukového, popr. vačkového hriadeľa,
• snímač teploty chladiacej kvapaliny, popr. vonkajšej teploty, oleja a paliva,
• snímač hmotnosti vzduchu,
• snímač polohy akcelerátora atď.

Palivová sústava Common rail od firmy Bosch (umiestnenie na vozidle):

1 – merač hmotnosti nasávaného vzduchu, 2 – riadiaca jednotka, 3 – vysokotlakové čerpadlo, 4 – vysokotlakový zásobník, 5 – vstrekovač, 6 – snímač otáčok kľukového hriadeľa, 7 – snímač teploty chladiacej kvapaliny, 8 – filter paliva, 9 – snímač polohy akceleračného pedála.

Palivová sústava Common rail od firmy Bosch:

Nízkotlaková časť obsahuje palivovú nádrž (1), sací kôš (2) umiestnený na dopravným palivovom čerpadle (3), jemný filter paliva (4), nízkotlakový okruh vysokotlakového čerpadla (6) a spätné palivové potrubie (7). To všetko je prepojené nízkotlakovým potrubím (5). Vysokotlaková časť pozostáva z vysokotlakového čerpadla (6), ktoré obsahuje odpájací ventil čerpadla (8) a regulátor tlaku paliva (9). Ďalej vysokotlakový zásobník paliva – rail (11), snímače tlaku paliva v zásobníku (12), poistný ventil (13), obmedzovače prietoku (14) a jednotlivé vstrekovače (15). To všetko je prepojené vysokotlakovým potrubím (10). Celú funkciu motora má na starosti elektronická riadiaca jednotka (16).

Nízkotlaková časť

Skladá sa z nasledovných častí:

• Palivová nádrž  –  je to vlastne zásobník paliva, ktorý musí spĺňať požiadavky na tesnosť pri miernom pretlaku a odolnosť proti korózii).
• Palivový filter – má za úlohu znižovať znečistenie paliva pevnými časticami a tým chrániť  jednotlivé komponenty systému pred nadmerným opotrebovaním. Filter musí mať dostatočnú kapacitu pre ukladanie pevných častíc a prípadné odlúčenie vody z paliva.
• Palivové čerpadlo – úlohou nízkotlakového palivového čerpadla je zásobovať vysokotlakové čerpadlo palivom (môže byť jeho súčasťou) pod tlakom 3 ÷ 7 bar. Konštrukčné vyhotovenie palivového čerpadla môže byť: elektrické palivové čerpadlo, zubové palivové čerpadlo, tandemové palivové čerpadlo.
• Regulačný tlakový ventil.
• Nízkotlakové palivové vedenie.
• Pri tepelne viac namáhaných motoroch môže byť sústava doplnená o chladič paliva, resp. chladič riadiacej jednotky.

1 – palivová nádrž, 2 – predradený filter, 3 – podávacie (palivové) čerpadlo, 4 – hlavný filter, 5 – nízkotlakové potrubie, 6 – vysokotlakové čerpadlo, 7 – spätné potrubie, 8 – riadiaca jednotka.

Vysokotlaková časť

Skladá sa z nasledovných častí:

• vysokotlakové palivové čerpadlo,
• tlakový zásobník (rail),
• tlakový poistný ventil,
• obmedzovač prietoku,
• snímač tlaku paliva,
• regulátor tlaku paliva,
• vstrekovač.

Ďalšie podrobnejšie informácie o jednotlivých prvkoch vysokotlakového okruhu nájdete v článkoch vstrekovač, snímače, regulátor a ďalšie časti vstrekovania common rail.

Umiestnenie hlavných prvkov vysokotlakovej časti so snímačmi riadiacej jednotky:

1 – váha vzduchu, 2 – riadiaca jednotka, 3 – vysokotlakové čerpadlo, 4 – tlakový zásobník, 5 – snímač tlaku, 6 – vstrekovač, 7 – snímač polohy kľukového hriadeľa, 8 – snímač teploty chladiacej kvapaliny, 9 – palivový filter, 10 – snímač polohy plynového pedála.

Vysokotlakové palivové čerpadlo

Základnou úlohou vysokotlakového palivového čerpadla je za každých prevádzkových podmienok dodávať potrebné množstvo paliva pod vysokým tlakom do tlakového zásobníka – railu nezávisle na vstrekovanom množstve, inými slovami, dodávať dostatok paliva pri voľnobehu aj pri maximálnom zaťažení (maximálnej spotrebe). Čerpadlo si taktiež musí udržiavať rezervu paliva pre rýchlejšie štartovanie a rýchlejší nárast tlaku v tlakovom zásobníku. Konštrukčne je čerpadlo najčastejšie riešené v prípade osobných vozidiel ako trojpiestikové radiálne a ako dvojpiestikové pri nákladných vozidlách. Ich mazanie a chladenie je najčastejšie zabezpečované samotným palivom, čo kladie zvýšené nároky na jeho kvalitu-mazivosť a čistotu. Pri nákladných vozidlách sa používajú aj čerpadlá mazané olejom, čím sa zvyšuje odolnosť voči horšej kvalite paliva. Čerpadlá sú poháňané cez spojku, ozubené koleso, reťaz alebo ozubený remeň od kľukového hriadeľa motora. Maximálny prevod, ktorý  je cca 1:2 alebo 2:3 musí zabezpečovať maximálne otáčky čerpadla na úrovni 3000 ot/min aj pri maximálnom vytočení motora. Otáčky sú nastavené tak, aby nebol zbytočne odoberaný výkon na kompresiu, ale zároveň aby čerpadlo pokrylo spotrebu paliva aj pri maximálnom výkone.

Konštrukcia a fungovanie vysokotlakového čerpadla common rail

Bosch CP1 a CP1H

Bosch CP1 je radiálne piestové čerpadlo, ktorého základ tvoria tri piestové jednotky, ktoré sú umiestnené radiálne k hriadeli a vzájomne pootočené o 120 °. V čerpadle je centrálne umiestnený hnací hriadeľ, na ktorom je nasadený výstredník vyvolávajúci otáčaním vratný pohyb jednotlivých piestov čerpadla. Do vysokotlakového čerpadla dodáva naftu palivové čerpadlo, pričom za prívodom je inštalovaný poistný ventil nastavený na tlak (0.5 až 1.5 bar). Ten sa skladá z pružiny a piestika v ktorom je malý redukčný otvor, cez ktorý je palivo tlačené do mazacieho a chladiaceho okruhu čerpadla. Po prekročení nastavenje hodnoty začne palivo prúdiť do mazacieho a chladiaceho okruhu čerpadla a následne vstupuje palivo cez sací ventil do piestikovej jednotky – valca pri pohybe piesta smerom nadol. Po zmene na pohyb smerom nahor sa uzavrie vstupný ventil a palivo je uzavreté v elementu čerpadla. Dochádza ku kompresii; po dosiahnutí požadovaného tlaku je otvorený výstupný ventil a palivo odchádza do tlakového zásobníka – railu. Čerpadlo je schopné vytvoriť tlak 145 MPa – 1450 bar. Elektronický ovládaný regulátor tlaku paliva nastavuje výtlačný tlak čerpadla v závislosti na aktuálnych podmienkach motora. Regulácia je tak na vysokotlakovej časti systému, inými slovami, výkon čerpadla sa dimenzuje na najväčšie zaťaženie motora, kedy je potrebné najväčšie dopravované množstvo paliva. Pri voľnobehu alebo malom zaťažení vzniká prebytočné – nespotrebované palivo a odteká guličkovým ventilom späť do palivovej nádrže.

V prípade čerpadla CP1H bola oproti CP1 zvýšená energetická účinnosť zaradením regulácie množstva paliva na strane prívodu – nízkotlaková časť. O reguláciu sa stará plynule ovládateľný elektromagnetický ventil – tzv. dávkovacia jednotka. Tá dávkuje množstvo paliva pre vysokotlakové čerpadlo a rail podľa aktuálnych potrieb motora. Tým sa znižuje príkon čerpadla a tiež maximálna teplotu paliva. Čerpadlo CP1H dokáže vytvárať tlak až 160 MPa.

1 – prívod paliva, 2 – poistný ventil so škrtiacim otvorom, 3 – nízkotlakový kanál k jednotke čerpadla, 4 – hnací hriadeľ čerpadla, 5 – výstredníková vačka, 6 – piest jednotky čerpadla, 7 – priestor vo valci jednotky čerpadla, 8 – sací ventil, 9 – odpájací ventil piest. jednotky čerpadla, 10 – výtlačný ventil, 11 – tesniaca vložka, 12 – vysokotlaková prípojka k tlak. zásobníku, 13 – regulátor tlaku paliva, 14 – guličkový ventil, 15 – spätný odvod paliva

Radové piestové čerpadlo CP2

Dvoj-piestové radové čerpadlo CP2 sa používa najmä pri dieselových motorov nákladných automobilov. Na rozdiel od CP1 je vysokotlakové čerpadlo konštruované ako radiálne. Tlak paliva sa tu vytvára pomocou dvoch piestov usporiadaných do radu. Čerpadlo je mazané olejom a podávacie zubové čerpadlo je súčasťou celku s vysokotlakovým čerpadlom a poháňané je od vačkového hriadeľa. V hornej časti telesa čerpadla je umiestnená dávkovacia jednotka. Palivo je do piestových jednotiek čerpadla privádzané prostredníctvom jednotného vstupného/výstupného ventilu.

1 – regulácia paliva pri nulovom odbere, 2 – dávkovacie jednotka, 3 – duté koleso, 4 – pastorok, 5 – podávacie zubové čerpadlo, 6 – vysokotlaková prípojka, 7 – dvojdielny vstupný/výstupný ventil, 8 – potiahnutý piest, 9 – pružina piestu, 10 – otvor pre prívod oleja, 11 – potiahnuté valčeky, 12 – konkávna (vypuklá) vačka.

Bosch CP3 

Radiálne vysokotlakové čerpadlo CP3 pracuje na prakticky rovnakom princípe ako CP1, odlišuje sa reguláciou tlaku, ktorá je podobná ako v prípade CP1H. Oproti CP1H sa čerpadlo CP3 odlišuje rozdielnou konštrukciou. Použitá je monobloková konštrukcia telesa združujúca aj zubové čerpadlo, ktorá znižuje množstvo tesnených miest a umožňuje dosiahnutie vyšších tlakov. Taktiež sú použité tanierové zdvihátka, ktoré prenášajú silu od vačiek výstredníkov, čo umožňuje väčšie tlaky paliva, až 180 – 205 MPa.

Bosch CP4

Posledná generácia vysokotlakového čerpadla umožňuje vytvárať tlak cez 200 MPa. Hlavnou odlišnosťou oproti predchádzajúcim generáciám je použitie dvojitej vačky otáčajúceho sa hriadeľa, ktorá cez zdvihátko poháňa piest na stlačovanie paliva. To umožňuje vykonať dva podávacie zdvihy na jednu otáčku čerpadla, oproti starším typom, u ktorých bol možný iba jeden zdvih. Z toho vyplývajú nižšie otáčky čerpadla a teda aj pomer medzi otáčkami motora a čerpadla 1:1 (predtým sa používal pomer 1:2 alebo 2:3). Čerpadlo CP4 sa vyrába v dvoch konštrukčných prevedeniach – CP4.1 s jednou vysokotlakovou hlavou valca a CP4.2 s dvoma hlavami.

Vývoj systému Common-rail

Firma Bosch je v súčasnosti najväčším producentom systému common rail. Od roku 1997 kedy bola uvedená I. generácia prešiel tento systém značnými vylepšeniami napr. postupne sa zvyšujúci vstrekovací tlak, nižší príkon vysokotlakového čerpadla, viac vstrekov počas jedného cyklu, atď. V súčasnosti je na trhu už IV. generácia, pričom možno konštatovať, že jednotlivé generácie sa líšia predovšetkým vysokotlakovými čerpadlami a použitými vstrekovačmi.

Common rail I. generácie

Prvá generácia systému Common rail bola predstavená firmou Bosch v roku 1997. Vstrekovače sú ovládané elektromagnetickým ventilom a vstrekovací tlak dosahuje 145 MPa – 1450 bar. Tlak v zásobníku (raily) je riadený pomocou regulačného tlakového ventilu na strane vysokého tlaku. Takáto regulácia nepatrí medzi najekonomickejšie, keďže vysokotlakové čerpadlo pracuje na plný výkon pri všetkých pracovných režimoch motora, to znamená, že dodáva plný objem paliva. Tým pádom odoberá aj pri nízkych zaťaženiach motora zbytočne veľa energie. Do spätného okruhu je tak prepúšťané zbytočne veľké množstvo paliva. To býva v niektorých prípadoch značne zohriate, a tak zopár vozidiel používa chladič paliva. Vstrekovanie prebieha v dvoch fázach na jeden cyklus. Malý predvstrek, ktorý má za úlohu ohriať spaľovací priestor a hlavný vstrek. I. generácia common-rail používa čerpadlá CP1 a CP2.

1 – merač hmotnosti vzduchu, 2 – riadiaca jednotka, 3 – vysokotlakové čerpadlo, 4 – vysokotlakový zásobník (rail), 5 – snímač tlaku v zásobníku, 6 – vstrekovače, 7 – snímač otáčok kľukového hriadeľa, 8 – snímač teploty chladiacej kvapaliny, 9 – palivový filter s prepúšťacím ventilom, 10 – snímač pedálu akcelerácie, 11 – palivová nádrž, 12 – predradený filter, 13 – elektrické palivové čerpadlo, 14 – nízkotlakové palivové potrubie, 15 – vysokotlakové palivové potrubie, 16 – ventil obmedzenia tlaku, 17 – spätné palivové potrubie, 18 – ventil regulácie tlaku (môže byť aj v zásobníku), 19 – rôzne snímače a čidlá požadovaných hodnôt, 20 – rôzne akčné členy, 21 – rôzne ovládacie a indikačné prvky, 22 – rozhranie.

Common rail II. generácie

Druhá generácia systému Common rail bola uvedená v roku 2001 a taktiež využíva vstrekovače s elektromagnetickým ventilom. Tie dokážu vstrekovať palivo do valca pod tlakom 160 MPa – 1600 bar. Okrem vyšších vstrekovacích tlakov je hlavným rozdielom regulácia množstva paliva na strane prítoku paliva s dvoma elektromagnetickými ventilmi. Vysokotlakové čerpadlo tak nepracuje stále na plný výkon, ale dopravuje do vysokotlakového zásobníka (railu) len také množstvo paliva, ktoré motor v danej chvíli potrebuje. Tým sa znižuje príkon vysokotlakového čerpadla a samozrejme aj celková spotreba. Ďalším vylepšením oproti predchádzajúcej generácii je ďalší tretí vstrek, tzv. dovstrek. V tejto generácii sa používajú čerpadlá CP1H a CP3.

1 – vysokotlakové čerpadlo, 2 – palivový filter s odlučovačom vody, 3 – palivová nádrž, 4 – predradený filter, 5 – vysokotlakový zásobník (rail), 6 – snímač tlaku v zásobníku, 7 – vstrekovač s elektromagnetickým ventilom, 8 – obmedzujúci tlakový ventil

Common rail III. generácie

Systém Common Rail 3. generácie bol predstavený v roku 2003. Vstrekovacie tlaky sa opäť zvýšili na 180 MPa a od roku 2007 na 205 MPa. Regulácia paliva prebieha na nízkotlakovej strane pomocou dávkovacej jednotky – škrtiaceho ventilu. Hlavným rozdielom je však použitie piezoelektrických inline vstrekovačov. Oproti elektromagnetickým vstrekovačom je tento typ podstatne rýchlejší a dokáže otvoriť a uzavrieť trysku približne počas jednej desaťtisíciny sekundy. To umožnilo výrobcom motorov naprogramovať 5 a viac vstrekov za jeden pracovný cyklus. Mnoho motorov tak plnilo emisnú normu Euro 4 bez dodatočnej montáže DPF (FAP) filtra. V tejto generácii sa taktiež používajú čerpadlá CP1H a CP3.

1 – vysokotlakové čerpadlo, 2 – palivový filter s odlučovačom, 3 – palivová nádrž, 4 – predradený filter, 5 – vysokotlakový zásobník (rail), 6 – snímač tlaku v zásobníku vody,
7 – piezoelektrický vstrekovač Inline, 8 – regulačný tlakový ventil, 9 – elektrické palivové čerpadlo.

Common rail IV. generácie

Štvrtá generácia Common-rail sa opäť vrátila k odolnejším a lacnejším elektromagneticky ovládaným vstrekovačom. Tentoraz sú ale elektromagnetické vstrekovače vybavené hydraulickým zosilňovačom tlaku. Takýto vstrekovač obsahuje malý piestik, ktorý ďalej zosilňuje tlak paliva zo zásobníku paliva (railu) a umožňuje dosiahnuť vstrekovacieho tlaku až 250 MPa. Tento systém ďalej znižuje energetické nároky vysokotlakového čerpadla, taktiež nároky na vysokotlakové vedenie, keďže sa môže pracovať v samotnom systéme s nižším tlakom, ktorý je ľahšie ovládateľný a požadovaný maximálny vstrekovací tlak vytvárať až vo vstrekovači podobne ako to bolo pri jednotkách PD. Napriek menšej reakčnej rýchlosti oproti piezoelektrickým vstrekovačom sa konštruktérom podarilo vyrobiť vstrekovače umožňujúce viacnásobný vstrek počas jedného pracovného cyklu. Taktiež  nie je palivo náhle vstreknuté do spaľovacieho priestoru počas hlavného vstreku, ale je vstrekované postupne s tzv. rastúcim tlakom. Takýto priebeh vstreku spôsobuje plynulejšie spaľovanie s menej výraznými teplotnými š****mi, čo zmenšuje tvorbu NOx a pevných častíc. V tejto generácii je použité čerpadlo CP4.