Common rail - fakty i mity

Rys historyczny

Choć dziś, może wydawać się to nieprawdopodobne, układ Common Rail był obecny w silnikach od zarania ich dziejów. W 1913 roku, czyli 21 lat po tym jak Rudolf Diesel uzyskał patent na swój silnik, brytyjska firma Vickers opatentowała wczesną wersję systemu ze wspólnym zasobnikiem paliwa utrzymywanym pod stałym podwyższonym ciśnieniem, które odpowiadało ciśnieniu wtrysku. Brytyjczycy wykorzystali to co w owych czasach było dostępne a więc: mechanicznie sterowane wtryskiwacze i regulatory. Rozwiązanie Vickersa było całkowicie pozbawione jakiejkolwiek elektroniki. Co miało swoje uzasadnienie nie tylko w ówczesnej technice, ale również zastosowaniu opracowanego systemu, jakim było zasilanie wolnoobrotowych jednostek okrętowych.

W tym samym czasie, Thomas Gaff uzyskał patent na podobny układ zasilania ale do silników o zapłonie iskrowym. Graff użył w swoim silniku sterowanego, za pomocą cewki, wtryskiwacza, który podawał paliwo bezpośrednio do wnętrza komory spalania (jedno z pierwszych rozwiązań z wtryskiem bezpośrednim). Zrezygnowanie z mechanicznego regulatora i wtryskiwaczy, umożliwiło uzyskanie znaczne większych prędkości obrotowych - z maksymalnie kilkuset obrotów na minutę do kilku tysięcy. Przy czym silnik Thomasa był znacznie mniejszy i mógł być wykorzystany do napędzania pojazdów poruszających się po lądzie lub maszyn w fabrykach.

To zainspirowało konstruktorów, Brooksa Walkera i Harrego Kennedy'ego, którzy po zaadoptowaniu elektrycznie sterowanych wtryskiwaczy Graff'a, zmodyfikowali układ opracowany przez Vickers'a dając początek Common Railowi w kształcie jaki znamy dziś. Ich rozwiązanie znalazło odbiorcę w postaci firmy Atlas-Imperial Diesel Engine Company. I tak „Diesel z Common Railem” zadebiutował na rynku jeszcze przed wprowadzeniem przez Roberta Boscha pompy wtryskowej. ( 1921r.- pompa ze zmiennym wydatkiem Prosper L'Orange, 1927r. - pompa R.Boscha)

Jednakże trudności z wytworzeniem dostatecznie dużego ciśnienia i sterowania wtryskiwaczami, oraz wprowadzenie innych, wówczas, skuteczniejszych i mimo wszystko prostszych na owe czasy układów: pompy wtryskowej, systemu PLN (pump – line – nozzle czyli pompa przewód wtryskiwacz), wyhamowały rozwój prac nad CR, który  znalazł zastosowanie jedynie w zasilaniu dwusuwowych jednostek okrętowych i kolejowych.

Dopiero w latach 80' i 90' gdy rozpoczęły się intensywne badania nad poprawą kultury pracy i zwiększoną sprawnością jednostek o ZS, wiele fim doszło do wniosku, że dotychczas stosowane systemy osiągnęły kres swoich możliwości. Zaś nowo powstałe rozwiązania, jak np. pompo-wtryskiwacze, okazały się ślepymi uliczkami. Na tym tle Common Rail nieoczekiwanie wysunął się na prowadzenie spełniając wszystkie postawione warunki diesla na miarę XXI wieku. I tak kolejny wynalazek z zamierzchłych czasów zyskał nowe życie i status "nowinki".

Trudny debiut

Układy zasilania paliwem typu common rail (CR) to obecnie powszechnie stosowane rozwiązanie i właściwie jedyne w nowoczesnych jednostkach napędowych diesla. Jednak nawet dziś, po ponad dwu dekadach od wprowadzenia na rynek pierwszej ciężarówki Hino Ranger z układem CR pomysłu Denso (1995 r.) czy pierwszego auta osobowego z układem CR (Fiat- Magneti Marelli-Centro Ricerche- Elasis) jakim była Alfa Romeo 156 2.4 JTD (1997r.), wciąż poszukujemy maszyn: ciągników, ciężarówek, kombajnów etc., których specyfikacja zawiera pozycję "zasilane: pompa". Dlaczego?

Przede wszystkim dlatego, że CR w obiegowej opinii kojarzy się z dużą czułością na jakość paliwa, awaryjnością i wysokimi kosztami napraw. Sprawdziliśmy cenę wtryskiwaczy z układu CR do 6-cylindrowego silnika jednej z przodujących na rynku marek ciągników. Cena katalogowa jednego wtryskiwacza to 1600 zł. Gdy pomnożymy to razy 6, dodamy koszt wymiany i kalibracji, możemy łatwo przekroczyć 10 tys. zł. Z drugiej strony układy CR są dzisiaj już dość dobrze dopracowane i nie słychać zbyt często o awariach, a mają one też wiele niepodważalnych zalet, których brak zwykłym układom wtryskowym.

Jak jest naprawdę? Rozpoczynamy cykl artykułów mających na celu udzielenie odpowiedzi na podstawowe pytania typu: jakie są najczęstsze przyczyny awarii CR i jaki wpływ na to może mieć użytkownik maszyny oraz co się psuje i z jakimi kosztami napraw należy się liczyć w przypadku danej awarii. Na samym początku warto przyjrzeć się, czym jest i jak właściwe działa owiany często złą sławą CR oraz co zyskaliśmy dzięki jego zastosowaniu. Od tego zaczynamy.

System common rail umożliwił coś, co było nieosiągalne dla konkurencyjnych układów wtryskowych. Dzięki zastosowaniu akumulatora magazynującego paliwo pod wysokim ciśnieniem, niezależnie od prędkości silnika i przy zmniejszeniu zadań poszczególnych komponentów, otworzył przed konstruktorami nowe funkcje, upraszczając przy tym cały układ.

To, co możemy odczuć bezpośrednio z perspektywy użytkownika, to jedynie wierzchołek całej góry możliwości silnika z CR. Począwszy od spraw tak oczywistych i łatwo odczuwalnych, jak równiejsza praca, mniejsze zapotrzebowanie na paliwo, znacznie mniejsza emisja szkodliwych substancji oraz obniżona hałaśliwość pracy, przez mniej oczywiste zalety jak niższa emisja ciepła, bo w końcu nie chodzi nam o ogrzewanie powietrza, tylko przekładanie energii paliwa w moc i moment obrotowy, a te w przypadku silników z CR kształtują się dużo korzystniej Dzięki pojawieniu się możliwości sterowania dawką paliwa i jej podziałem (w pierwszych wersjach na 3 dawki), udało się wpłynąć na to, w jaki sposób silnik generuje moc i moment. Obecnie uzyskiwanie 90 proc. maksymalnego momentu obrotowego już przy 1200 obr./min nie jest niczym szczególnym, zaś utrzymanie tak wysokiego poziomu momentu niemal do obrotów maksymalnych silnika dało użytkownikom maszyn zarówno zwiększoną ekonomikę, jak i możliwość pracy w szerokim zakresie obrotów.

Kontrola nad tym, co i kiedy dostaje się do komory spalania, to potężne narzędzie. Ostatnimi czasy wykorzystywane głównie do walki z emisją niepożądanych produktów spalania czy wprowadzania takich udogodnień, jak możliwość chwilowego zwiększenia mocy, tzw. boost lub powerup. Nie dziwi więc fakt, iż systemy CR opanowały niemal wszystkie segmenty oferowanych dziś silników Diesla. Głównymi dostawcami układów są: Bosch, Denso, Delphi, Continental AG (dawniej Siemens VDO), Cummins, L’Orange. Wiele firm wyspecjalizowało się w produkcji poszczególnych komponentów, np. Heinzmann (listwy/akumulatory), Magneti Marelli czy Sagem (elektronika). Do tego grona wciąż dołączają się inne firmy, takie jak: Deutz, MAN, Scania, które w kooperacji z różnymi uniwersytetami lub znaczącymi producentami tworzą własne układy CR.

Zawarta w angielskojęzycznej nazwie "wspólna szyna" (common rail) jest w rzeczywistości wspólnym dla wszystkich wtryskiwaczy akumulatorem hydraulicznym, w którym jest przechowywane paliwo podane przez pompę wysokiego ciśnienia. Olej napędowy z tego zasobnika jest pod bardzo wysokim ciśnieniem (w zależności od generacji maksymalnie od 120 do nawet 250 MPa), zawsze dostępny dla każdego z wtryskiwaczy, które są z nim połączone przewodami.

Oczywiście, układ jest wyposażony w liczne czujniki i zawory regulacyjne, dzięki którym jednostka sterująca (ECU) może w oparciu o wgrane oprogramowanie zadecydować, jaka ma być wartość ciśnienia - nie zawsze do poprawnej pracy potrzebne będzie maksymalne. W tym miejscu warto zaznaczyć, że układy CR nowych generacji działają w oparciu o bardzo intensywny przepływ informacji: obciążenie wału, skład spalin, temperatura, ciśnienie wtrysku, poprawki wynikające z kalibracji wtryskiwaczy. Te i inne informacje stanowią "wsad" do algorytmów zarządzających pracą komponentów.

W poprzednich rozwiązaniach, np. w przypadku pomp sekcyjnych czy rozdzielaczowych, ciśnienie zależało od aktualnych obrotów silnika, zaś dawka paliwa była ustalana przez korektor. W przypadku CR zadanie pomp zostało w pewnym stopniu uproszczone, aczkolwiek nie powinno się go bagatelizować. W typowym układzie przeznaczonym dla maszyny roboczej znajdziemy dwie pompy: zasilającą oraz wysokiego ciśnienia (PWC). Czasami obie pompy mogą być złączone w jednym korpusie, jednak za układ klasyczny przyjmuje się taki, w którym pompa zasilająca (często elektryczna) znajduje się przy zbiorniku paliwa, zaś pompa wysokiego ciśnienia - przy silniku (napęd od silnika przez koła zębate lub pasek). Zadaniem pierwszej jest doprowadzenie paliwa ze zbiornika przez zespół filtrów (w różnych konfiguracjach - np. filtr wstępny przed pompą, filtr dokładny za nią lub oba za pompą) do pompy wysokiego ciśnienia, która jest odpowiedzialna za zapewnienie właściwego ciśnienia wewnątrz akumulatora, czyli tzw. szyny.

Charakter pracy pompy nie jest stały (sterownik ustala, jakie ciśnienie jest potrzebne w danej chwili), ma to swoje wady i zalety. Zaletą jest oczywiście możliwość wydłużenia jej trwałości, jeżeli korzystamy z trybów "eko" lub pracujemy z ograniczeniem obrotów: mniejsze ciśnienie w układzie to wolniejsze zużywanie uszczelnień, mniejsze obciążenie rotora, łożysk itd. Niestety, gdy zechcemy gwałtownie zwiększyć obroty i pompa będzie musiała podać większe ciśnienie, w akumulatorze pojawią się zjawiska falowe (uderzenie ciśnienia), powodujące zakłócenie pracy wtryskiwaczy i zaworów. Producenci bronią się przed tego typu zjawiskami, stosując układy zmieniające charakter wysyłanych przez nas za pomocą pedału gazu skokowych sygnałów, zaś w przypadku największych jednostek zdarza się, że wtryskiwacz zostaje wyposażony we własny dodatkowy akumulator tłumiący wspomniane efekty.

Znaczne obciążenie pompy wysokiego ciśnienia podczas pracy przy maksymalnych parametrach silnika może również powodować zwiększoną intensywność zużywania się rotora. Mówi się o tzw. pittingu, w wyniku którego PWC może stać się źródłem opiłków metalu, które będą podawane dalej. Dlatego wraz ze wzrostem ciśnienia wprowadzono kolejne filtry: bezpośrednio za PWC i/lub przy wtryskiwaczach.

O ile kwestie związane z pracą akumulatora i pompy wysokiego ciśnienia są dość oczywiste i można je rozumieć przez analogię do układu hydrauliki roboczej (jest element wytwarzający ciśnienie i jest jego magazyn), o tyle rola wtryskiwaczy jest bardziej skomplikowana. To właśnie ten element często stanowi o solidności całego układu, bowiem to wtryskiwacze pracują w najbardziej niekorzystnym środowisku i w ekstremalnych warunkach. Można powiedzieć, że z założenia stanowią one najsłabsze ogniwo całego łańcucha, jakim jest układ common rail.

To, w jaki sposób działa wtryskiwacz w układzie CR, znów możemy rozumować przez analogię do hydrauliki siłowej, z tym że teraz powinniśmy wyobrazić sobie zawór hydrauliczny. Gdy przesuwamy dźwignię w pozycję otwartą, ciecz robocza zaczyna płynąć do odbiornika np. cylindra hydraulicznego, ale w przypadku naszego wtryskiwacza zamiast dźwigni sterowanej ręcznie mamy elektromagnetyczny lub piezoelektryczny element wykonawczy sterowany przez komputer, który umożliwia otwieranie i zamykanie przepływu paliwa do cylindra.

W przypadku wtryskiwaczy elektromagnetycznych, elementem wykonawczym jest elektromagnes umieszczony w jego górnej części. Jest on połączony z ruchomym suwakiem zakończonym talerzykiem oddzielającym przestrzenie o różnych ciśnieniach. Drugi ruchomy element to trzpień zakończony tłoczkami o różnych średnicach: większej w górnej części, mniejszej - w dolnej. Na powierzchnie tłoczków oddziałują różne ciśnienia. Wyższe (takie jak w akumulatorze) panuje w górnej części, gdzie paliwo jest doprowadzane, a niższe w dolnej. Dzięki temu domyślną pozycją wtryskiwacza jest pozycja zamknięta (paliwo nie dociera do silnika). Dopiero gdy komputer poda napięcie na cewkę magnesu, ten zaczyna unosić suwak ku górze, a powstała wówczas szczelina umożliwia przepływ paliwa i zmianę ciśnienia w układzie. Wówczas cały trzpień przesuwa się do pozycji otwartej. Połączona z nim iglica odsłania kanał prowadzący do końcówki wtryskiwacza, w której znajdują się otwory rozpylające paliwo wewnątrz komory spalania. Nadmiar paliwa użytego do sterowania spływa przewodami powrotnymi do zbiornika. Mamy więc do czynienia z połączeniem sterowania elektromagnetycznego i hydraulicznego z paliwem w charakterze cieczy roboczej.

Nie inaczej jest we wtryskiwaczach piezoelektrycznych, choć ich budowa jest nieco inna. Nie znajdziemy tutaj ani trzpienia, jak w elektromagnetycznym poprzedniku, ani elektromagnesu. Jest za to piezoelektryczny materiał, który pod wpływem podanego nań napięcia zmienia swoje wymiary, co umożliwia za jego pomocą przesunięcie niewielkiego rozdzielcza w pozycję powodującą otwarcie przepływu paliwa w dodatkowym obiegu sterującym. Jego zadaniem jest już finalne otwieranie i zamykanie iglicy kontrolującej dawkę paliwa podawaną do komory spalania. Wprowadzenie układu z dodatkowym przetwornikiem hydraulicznym było konieczne, bowiem siły generowane w piezoelektryku nie są na tyle duże, aby mógł on po prostu zastąpić elektromagnes.

Dlaczego zdecydowano się na tak karkołomną komplikację sprawdzonego już systemu? Cóż, największą zaletą wtryskiwaczy piezoelektrycznych jest ich znaczna prędkość (otwierania i zamykania), wynikająca z bardzo małej bezwładności i szybkiej reakcji piezoelektryka. To przełożyło się na możliwość podzielenia wtryśniętego paliwa na 5, a nawet 8 dawek rozłożonych w czasie, w którym wtryskiwacz elektromagnetyczny był ich w stanie wykonać maksymalnie 3. Precyzyjniejsze sterowanie dawką paliwa umożliwiło poprawę warunków spalania, wzrost sprawności, a z tego wynikają już bezpośrednie korzyści, takie jak mniejsze zużycie paliwa, większy moment obrotowy dostępny w szerszym zakresie prędkości obrotowej, większa moc i mniejsza ilość szkodliwych składników spalin.

W teorii to wszystko brzmi ładnie i prosto, zwłaszcza gdy przed oczyma wciąż mamy naszą analogię w postaci zgrzebnego rozdzielacza czy zaworu hydraulicznego, którego delikatne zapocenie rzadko budzi większe obawy, w końcu jakieś tam przecieki zawsze są dopuszczalne. Właśnie, przecieki. Dokładność wykonania i gabaryty to kluczowe kwestie w przypadku wtryskiwaczy CR, a przecieki czy niedokładne spasowania są absolutnie niedopuszczalne. Dokładność obróbki wykonania niektórych części wtryskiwaczy wyrażana jest w nanometrach. Nie bez powodu takimi elementami zajmują się działy mechaniki precyzyjnej. I tu uderzamy w czuły punkt całego systemu CR…

Artykuł ukazał się w grudniowym numerze miesięcznika "Farmer"

O tym, co się psuje, jakie są najczęstsze przyczyny awarii CR i co może zrobić użytkownik, aby ich uniknąć - już w kolejnym numerze "Farmera".