Vstrekovače systému common rail

Asi každý užívateľ dieselového motora už počul slovo vstrekovače. Neraz aj v negatívnom slova zmysle, v dôsledku ich zaseknutia alebo opotrebovania. Vstrekovače sa podobne ako ostatné časti vstrekovania common-rail neustále zdokonaľujú. Okrem výsledného tlaku v tlakovom zásobníku odlišujú jednotlivé generácie systémov CR aj použité vstrekovače. Práve spôsob vstreknutia paliva rozhoduje o kvalite spaľovania, chode motora, spotrebe a v neposlednom rade aj o množstve emisií. Okrem snahy vstrekovať palivo pod čoraz vyšším tlakom je dôležitý aj samotný priebeh vstrekovania a tiež počet vstrekov počas jedného spaľovacieho cyklu. Už dávno sa totiž zistilo, že vstreknúť dávku paliva do spaľovacieho priestoru naraz nie je tak výhodné ako rozdeliť dávku na niekoľko menších. Jediná dávka paliva okrem iného spôsobuje tvrdý chod motora. Preto najmodernejšie vstrekovače zvládajú päť a viac vstrekov počas jedného spaľovacieho cyklu. V tomto článku si popíšeme ako taký vstrekovač vyzerá, z čoho sa skladá a ako funguje.

Systém common rail získal svoje postavenie aj vďaka prepracovaným vstrekovačom, ktoré dokážu presne a rýchlo dávkovať palivo do spaľovacieho priestoru. Práve vhodná konštrukcia vstrekovača zaistí schopnosť systému dopraviť do spaľovacieho systému v pravý čas požadované množstvo paliva, umožniť predvstrek a ďalšie vstreky, čoho výsledkom je optimalizácia priebehu spaľovania. Vstrekovače sú elektricky ovládané pomocou riadiacej jednotky, ktorá na základe informácii zo snímačov vysiela do vstrekovača signál o počiatku vstreku a jeho dĺžke. Z pohľadu zástavby sú vstrekovače vhodné pre priame aj šikmé osadenie do hlavy valcov. Uchytené sú pomocou upínacích príložiek, tesnenie spaľovacieho priestoru je zaistené medenými tesniacimi podložkami.

Vstrekovače delíme na dva základné typy:

ovládané elektromagneticky (solenoid),
ovládané piezoelektricky.

Vstrekovač ovládaný elektromagneticky

Skladá sa z troch hlavných častí:

vstrekovacia tryska,
hydraulický ovládací systém,
elektromagnetický ventil.

1 – spätné palivové potrubie, 2 – cievka elektromagnetu, 3 – pružina prebehu, 4 – kotva, 5 – guličkový ventil, 6 – riadiaca priestor ventilu, 7 – pružina kotvy, 8 – tlačné medzikružie ihly trysky, 9 – pracovný objem ihly, 10 – vstrekovací otvor, 11 – pružina elektromagnetického ventilu, 12 – škrtenie odpadového kanáliku, 13 – vysokotlaková prípojka, 14 – škrtenie na prívodnom kanáliku, 15 – piest ventilu, 16 – ihla trysky.

Z hľadiska prevádzkovej činnosti fungujú elektromagnetické vstrekovače v nasledovných režimoch:

vstrekovač je uzavretý,
vstrekovač sa otvára,
vstrekovač je otvorený,
vstrekovač sa zatvára.

Jednotlivé prevádzkové stavy sú nastavované rozdeľovaním paliva do jednotlivých konštrukčných dielov vstrekovača. Do vstrekovača vstupuje palivo cez vysokotlakovú prípojku. Odtiaľ smeruje palivo do ovládacieho priestoru cez vstupnú škrtiacu trysku a tiež prívodným kanálikom k ihle trysky. Ovládací priestor je spojený so spätným odvodom paliva pomocou odtokovej škrtiacej trysky a guľôčkového ventilu. Ihlu trysky tlačí do sedla pružina a tlak paliva v ovládacom priestore.

V pokojovej polohe kedy je vstrekovač uzavretý je tlak v ovládacom priestore nad tryskou rovnaký ako tlak v komore trysky. Pružina pôsobiaca na trysku tak spolu s tlakom pôsobiacim nad ňou drží trysku v jej sedle a nedochádza ku vstrekovaniu paliva.

Vo fáze otvárania vstrekovača je privedený prúd do ovládacieho elektromagnetu. Sila elektromagnetu pritiahne kotvu s guličkovým ventilom, čím sa otvorí škrtenie na odpadovom kanáliku. Počiatočný prúd cca 20 A sa po pritiahnutí kotvy zmenší na tzv. udržiavací prúd o hodnote cca 12 A. Po otvorení škrtenia odpadového kanálika dôjde k zníženiu tlaku v ovládacom priestore. Pokles tlaku v ovládacom priestore je spôsobený menším priemerom prívodnej škrtiacej trysky ako je priemer odtokovej škrtiacej trysky. Tým viac paliva uniká spätným kanálikom ako priteká do ovládacieho priestoru. Menší tlak v ovládacom priestore vyvolá menšiu silu na vrchnú plochu riadiaceho piestu, ktorá spolu so silou pružiny nie je taká veľká ako sila z tlaku paliva v skosenej časti časti ihly trysky (tlačné medzikružie) a ventil sa otvára.

Vstrekovač je naplno otvorený ak riadiaci piest dosiahne svojej hornej polohy, pričom doraz mu robí prúdiace palivo v ovládacom priestore. Ide o tzv. hydraulický doraz. Ak je vstrekovač úplne otvorený, vtedy prúdi palivo do valcov pod tlakom takmer rovným ako je v tlakovom zásobníku (raily). Napätie na elektromagnetickom ventile je tzv. udržiavacie (cca 12 A).

Koniec vstrekovania začne prerušením dodávky prúdu do elektromagnetického ventilu. Vtedy pružina dotlačí guličkový ventil s kotvou do sedla, čím dôjde k nárastu tlaku v ovládacom priestore a počas krátkej doby dosiahne rovnaké hodnoty ako tlak v komore. Sily pôsobiace na vrchnú časť trysky-ihly sa zväčšia a vďaka tomu sa tryska opäť uzavrie.

1 – cievka elektromagnetu, 2 – kotva, 3 – guličkový ventil, 4 – ovládací priestor ventilu, 5 – ihla trysky, 6 – vstrekovací otvor.

Podľa konštrukcie kotvy rozlišujeme dve základné koncepcie vstrekovačov s elektromagnetickým ventilom.

Vstrekovače s jednodielnou kotvou (jednopružinový systém).
Vstrekovače s dvojdielnou kotvou (dvojpružinový systém).

Pre dosiahnutie čo najkratších intervalov medzi jednotlivými vstrekmi je potrebné, aby kotva pri zatváraní čo najrýchlejšie dosiahla pokojovej polohy. To najlepšie umožňuje vstrekovač s dvojdielnou kotvou s dorazom proti prebehu. Doska kotvy sa tu pohybuje tvarovým vybraním a jej prepruženie zamedzuje tzv. doraz proti prebehu, vďaka ktorému dosiahne rýchlejšie pokojovej polohy. Odskakovanie trvá kratší čas aj vďaka rozdeleniu hmôt kotvy.

Vstrekovače s elektromagnetickým ventilom

Piezoelektrický vstrekovač

V predchádzajúcom vstrekovači zabezpečoval pohyb ventilu elektromagnet, ktorý pracuje na princípe elektromagnetickej indukcie. Piezoelektrický vstrekovač pracuje na princípe piezoelektrického javu, ktorého objav sa datuje do roku 1880. Využíva sa javu, že ak sa privedie na kryštál elektrické napätie, dochádza k jeho rýchlej deformácii. Práve táto deformácia sa využíva pre otváranie trysky vo vstrekovači. Piezoelektrický člen je obyčajne vyrobený z niekoľkých stoviek (300-400) veľmi tenkých keramických fólií, poskladaných do valca s výškou cca 25-30 mm. Po privedení napätia o veľkosti 110-150 V na tento prvok dôjde k jeho predĺženiu približne o 0,04 mm. Tento zdvih sa ďalej prevádza pomocou piestov a pružiniek na konečné zdvihnutie približne o 0,08-0,1 mm. Aj keď sa jedná o relatívne malé číslo, plne postačuje k otvoreniu vstrekovacej trysky.

Piezoelektrický inline vstrekovač

Vďaka veľmi rýchlej reakčnej dobe aktivácie piezoelektrického člena spolu s reakciou ihly, ktorá zaberie približne 150 mikrosekúnd, umožňuje v súčasnosti piezoelektrický vstrekovač 5-7 vstrekov za jeden spaľovací cyklus. To má priaznivý vplyv na zníženie tvrdosti chodu motora, mechanického zaťaženia a tiež emisií výfukových plynov. Okrem toho, že piezo člen je cca 4 krát rýchlejší ako konvenčný solenoid – elektromagnetický ventil, umožňuje aj veľmi presne dávkovať vstrekovanú dávku v množstve aj menej ako 1 mm³. Taktiež má piezovstrekovač menšie rozmery a hmotnosť.

Porovnanie elektromagnetického a piezo vstrekovača

Piezoelektrický inline vstrekovač sa skladá zo štyroch základných konštrukčných prvkov:

modul akčného člena,
hydraulický väzobný člen alebo prevodník,
riadiaci ventil alebo servoventily,
modul trysky.

1 – spätné palivové potrubie, 2 – vysokotlaková prípojka, 3 – piezoelektrický regulačný modul, 4 – hydraulický väzobný člen, 5 – servoventil, 6 – modul trysky s ihlou trysky, 7 – vstrekovací otvor.

Fungovanie piezoelektrického vstrekovača

Piezoelektrický vstrekovač ovláda rovnako ako pri elektromagnetických vstrekovačoch riadiaca jednotka motora, avšak s koncovým stupňom navrhnutým špeciálne pre tento typ vstrekovačov. Napájanie pracuje vo forme pulzov, pričom nárast napätia je úmerný zdvihu piezoelektrického akčného člena. Zdvih akčného člena pomocou hydraulického prevodníka vyvolá zvýšenie tlaku v hydraulickom väzobnom člene, čím dôjde k otvoreniu spínacieho ventilu. Postupne začne klesať tlak v ovládacom priestore nad ihlou a vstrekovanie paliva sa ukončí.