Vstrekovacia sústava dieslového motora – priame vstrekovanie rotačným čerpadlom VP 30, 37 a VP 44

Neustále sa zvyšujúce ceny pohonných látok prinútili výrobcov zintenzívniť vývoj dieselových motorov. Tie totiž do konca 80-tych rokov hrali popri benzínových motorov len druhé husle. Na vine bola hlavne ich ťažkopádnosť, hlučnosť a vibrácie, ktoré nevyrovnala ani podstatne nižšia spotreba paliva. Situáciu mali ešte sťažiť pripravované sprísňujúce sa legislatívne požiadavky na zníženie množstva škodlivín vo výfukových plynoch. Ako aj v iných oblastiach, aj v prípade dieselových motorov podala pomocnú ruku všemocná elektronika.

Koncom 80-tych, ale hlavne v priebehu 90-tych rokov sa postupne zavádzalo elektronicky riadené vstrekovanie paliva (Electronic Diesel Control – EDC), ktoré umožnilo obrovský pokrok v prevádzkových vlastnostiach dieselových motorov. Ako hlavný prínos sa ukázalo lepšie rozprášenie paliva dosiahnuté vyššími tlakmi a taktiež elektronicky riadený vstrek paliva podľa okamžitej situácie a potrieb motora. Z reálnej skúsenosti si mnohí z nás pamätajú, aký „poproask“ v dobrom slova zmysle spôsobilo uvedenie legendárneho motora 1,9 TDi do prevádzky. Akoby šmahom čarovného prútika sa zmenila dovtedy ťažkopádna 1,9 D/TD na svižného atléta s mimoriadne nízkou spotrebou.

V tomto článku si popíšeme ako funguje rotačné vstrekovacie čerpadlo. Najskôr si vysvetlíme ako fungujú mechanicky ovládané rotačné čerpadlá a potom elektronicky riadené čerpadlá. Ako príklad poslúžia vstrekovacie čerpadlá od firmy Bosch, ktorá bola a stále je priekopníkom a najväčším producentom vstrekovacích systémov pre dieselové motory osobných vozidiel.

Vstrekovacia jednotka rotačného čerpadla dodáva palivo súčasne všetkým valcom motora. Rozdelenie paliva k jednotlivým vstrekovacím tryskám je vykonávané rozdeľovacím piestom. Podľa pohybu piestu sa rozdeľujú rotačné čerpadlá na axiálne (s jedným piestom) a radiálne (s dvoma až štyrmi piestami).

Rotačné vstrekovacie čerpadlá s axiálnym piestom a rozdeľovačom

Na opis použijeme známe čerpadlo Bosch VE. Čerpadlo sa skladá z podávacieho čerpadla, vysokotlakového čerpadla, otáčkového regulátora a presuvníku vstreku. Podávacie lopatkové čerpadlo dodáva palivo do sacieho priestoru čerpadla, odtiaľ sa palivo dostáva do vysokotlakovej časti, kde je stlačené na potrebný tlak. Rozdeľovací piest vykonáva posuvný a zároveň otáčavý pohyb. Posuvný pohyb je vyvolaný axiálnou vačkou, ktorá je pevne spojená s piestom. Tým je zaistené sanie a dodávka paliva do vysokotlakového potrubia palivového systému motora cez tlakové ventily. Otáčavým pohybom rozdeľovacieho piestu je docielené toho, že sa rozdeľovacia drážka v pieste natáča naproti kanálikom, ktorými je vysokotlakové potrubie jednotlivých valcov prepojené s výtlačným priestorom čerpadla nad piestom. Sanie paliva prebieha pri pohybe piestu smerom k dolnej úvrati, kedy sú prierezy sacieho kanálika a drážky v pieste proti sebe otvorené.

Rotačné vstrekovacie čerpadlá s radiálnymi piestami

Vyššie vstrekovacie tlaky ponúka rotačné čerpadlo s radiálnymi piestami. Takéto čerpadlo obsahuje dva až štyri piesty, ktoré posúvajú vo svojich valcoch vačkové prstence upevnené v pieste smerom k presuvníku vstreku. Vačkový prstenec má toľko vačkových výstupkov, koľko má daný motor valcov. Pri otáčaní hriadeľa čerpadla sa piesty pomocou valčekov pohybujú po dráhe vačkového prstenca a vačkovými výstupkami ich vytláčajú do vysokotlakového priestoru. Rotor podávacieho čerpadla je spojený s hnacím hriadeľom vstrekovacieho čerpadla. Úlohou podávacieho čerpadla je dodávať palivo z nádrže do vstrekovacieho čerpadla pod tlakom, ktorý je potrebný k správnemu fungovaniu vstrekovacieho čerpadla. Prívod paliva k radiálnym piestom prebieha cez rotor rozdeľovača, ktorý je pevne spojený s hriadeľom vstrekovacieho čerpadla. V osi rotora rozdeľovača je centrálny otvor, ktorý prepája vysokotlakový priestor radiálnych piestov s priečnymi otvormi pre prívod paliva od podávacieho čerpadla a pre odvod paliva pod vysokým tlakom k vstrekovacím tryskám jednotlivých valcov. Odvod paliva k tryskám prebehne v okamihu spojenia prierezov priečneho otvoru rotora a kanálikov vo statora čerpadla. Odtiaľ prúdi palivo vysokotlakovým potrubím k jednotlivým tryskám-valcom motora. Regulácia vstrekovaného množstva paliva prebieha škrtením prietoku paliva prúdiaceho od podávacieho čerpadla k vysokotlakovej časti čerpadla.

Elektronicky riadené rotačné vstrekovacie čerpadlá

Najrozšírenejšie elektronicky riadené rotačné vstrekovacie čerpadlo používané vo vozidlách v Európe je Bosch radu VP30, ktoré vytvára vysoký tlak s axiálnym piestom a VP44, kde vytvára tlak čerpadlo s dvoma alebo troma radiálnymi piestami. Pomocou axiálneho čerpadla sa dá na vstrekovači dosiahnuť tlak maximálne do 120 Mpa a pomocou radiálneho maximálne 180 MPa. Ovládanie čerpadla zabezpečuje elektronický riadiaci systém motora EDC. V prvých rokoch výroby bolo ovládanie rozdelené na dva systémy, jeden ovládal manažment motora a druhý vstrekovacie čerpadlo. Postupne sa začal používať jeden spoločný ovládač umiestnený priamo na čerpadle.

Radiálne čerpadlo (VP44)

Jedným z najrozšírenejších čerpadiel tohto typu je čerpadlo s radiálnymi piestami typ VP 44 od firmy Bosch. Toto čerpadlo bolo predstavené v roku 1996 ako vysokotlakový vstrekovací systém paliva pre automobily a ľahké úžitkové vozidlá. Prvý výrobcom, ktorý systém použil, bol Opel, ktorý dal čerpadlo VP44 do štvorvalcového dieselového motora svojho modelu Vectra 2,0/2,2 DTi. Ďalej nasledovala automobilka Audi s motorom 2,5 TDi. Regulácia počiatku vstreku a dávky paliva je u tohto typu plne elektronicky riadená pomocou elektromagnetických ventilov. Ako už bolo spomínané, celá vstrekovacie sústava je riadená buď dvoma oddelenými riadiacimi jednotkami zvlášť pre motor a čerpadlo alebo jednou pre obe zariadenia umiestnenou priamo v čerpadle. Riadiaca jednotka(y) spracováva signály z množstva snímačov, čo je názorne vidieť na obrázku nižšie.

Z konštrukčného hľadiska je princíp čerpadla v podstate rovnaký ako pri mechanicky ovládanom systéme. Radiálne rozdeľovacie vstrekovacie čerpadlo sa skladá z lopatkovo-komorového čerpadla s regulačným ventilom tlaku a prietokovým škrtiacim ventilom. Jeho úlohou je nasávanie paliva, vytvorenie tlaku vnútri hydraulického akumulátora (približne 2 MPa) a prepĺňanie palivom radiálneho piestového čerpadla vysokého tlaku, ktoré vytvára potrebný tlak na jemné rozprášenie-vstrekovanie paliva do valcov (približne do 160 Mpa). Spolu s vysokotlakovým čerpadlom sa hriadeľ rozdeľovača otáča a dodáva palivo do jednotlivých vstrekovačov-valcov. K odmeriavaniu a regulovaniu vstrekovaného množstva paliva je použitý rýchly elektromagnetický ventil, ktorý je riadený signálmi s variabilnou frekvenciou impulzov cez el. jednotku umiestnenú na čerpadle. Otváranie a zatváranie ventilu vymedzuje čas stláčania paliva vysokotlakovým čerpadlom. Na základe signálov snímača uhlu obratu (polohy uhlového valca) sa určuje okamžitá uhlová poloha hnacieho hriadeľa a vačkového krúžku počas obratu, vypočítava sa rýchlosť otáčania vstrekovacieho čerpadla (porovnaním so signálmi snímača kľukového hriadeľa) a zisťuje sa poloha presuvníka vstreku v čerpadle. Elektromagnetický ventil tiež nastavuje polohu presuvníka vstreku, ktorý príslušne otáča vačkový krúžok-prstenec vysokotlakového čerpadla. Vďaka tomu sa hriadele poháňajúce piesty skôr alebo neskôr dostávajú do kontaktu s vačkovým krúžkom, čo vedie k zrýchleniu alebo oneskoreniu začiatku stláčania. Ventil presuvníka vstreku môže byť plynule otváraný a zatváraný pomocou riadiacej jednotky. Snímač uhla otočenia je umiestnený na krúžku, ktorý sa synchronicky otáča s vačkovým krúžkom vysokotlakového čerpadla. Ozubený kotúč vysielača impulzov je umiestnený na hnacom hriadeli čerpadla. Neozubené miesta zodpovedajú počtu valcov motora. Keď sa rozdeľovací hriadeľ otáča, valčeky presuvníka sa pohybujú po povrchu vačkového krúžku. Piesty sú vytláčané dovnútra a stláčajú palivo na vysoký tlak. Stláčanie paliva pôsobením vysokého tlaku sa začína po otvorení elektromagnetického ventilu signálom z riadiacej jednotky. Rozdeľovací hriadeľ sa posunie do polohy pred vypúšťacím kanálom stlačeného paliva do príslušného valca. Palivo následne cez spätnú škrtiacu klapku prechádza potrubím do vstrekovača, ktorý ho vstrekuje do valca. Vstrekovanie sa končí uzavretím elektromagnetického ventilu. K uzavretiu ventilu dochádza približne po prekonaní dolnej úvrate radiálnych piestov čerpadla, začiatok nárastu tlaku je riadený uhlom prekrytia vačky (riadené presuvníkom vstreku). Na vstrekovanie paliva majú vplyv otáčky, zaťaženie, teplota motora a okolitý tlak. Informácie riadiaca jednotka vyhodnocuje aj zo snímača polohy kľukového hriadeľa a uhla otočenia hnacieho hriadeľa v čerpadle. Zo snímača uhla otočenia riadiaca jednotka určí presnú polohu hnacieho hriadeľa čerpadla a presuvníka vstreku. Na základe týchto hodnôt riadiaca jednotka neustále porovnáva skutočný začiatok vstrekovania s nastavenou hodnotou výrobcom a v prípade potreby sa okamih vstreku zreguluje. Informáciu o začiatku vstrekovania dodáva spomínaný snímač uhla otáčania alebo aj snímač zdvihu ihly vo vstrekovači.

1. – lopatkové pretláčajúce čerpadlo s regulačným tlakovým ventilom
2. – senzor uhlu otočenia
3. – ovládací člen čerpadla
4. – vysokotlakové čerpadlo s rozdeľovacím hriadeľom a vypúšťacím ventilom
5. – presuvník vstreku s ventilom presuvníka
6. – elektromagnetický vysokotlakový ventil

Axiálne čerpadlo (VP30)

Podobný systém elektronickej regulácie možno aplikovať aj na rotačné čerpadlo s axiálnymi piestami, príkladom môže byť čerpadlo Bosch typ VP 30-37, ktoré sa začalo používať v osobných automobiloch od roku 1989. V axiálnom vstrekovacom čerpadle VE regulovanom mechanickým excentrickým regulátorom užitočný zdvih a dávku paliva určí poloha regulačného posunovača. Presnejšie nastavenie sa samozrejme docieli použitím elektronického riadenia. Elektromagnetický nastavovač v rozdeľovacom vstrekovacom čerpadle zastupuje mechanický regulátor a jeho dodatočné systémy. Riadiaca jednotka určí polohu elektromagnetického nastavovača vo vstrekovacom čerpadle, pričom zohľadní signály z rôznych snímačov monitorujúcich prevádzkové vlastnosti motora.

Na záver zopár príkladov spomínaných čerpadiel v konkrétnych vozidlách.

Rotačné vstrekovacie čerpadlo s axiálnym piestom VP30 používa napr. Ford Focus 1,8 TDDi 66 kW

VP37 používa motor 1,9 SDi a TDi (66, 81 kW).

Rotačné vstrekovacie čerpadlo s radiálnymi piestami VP44 sa používa vo vozidlách:

Opel 2,0 DTI 16V, 2,2 DTI 16V

Audi A4/A6 2,5 TDi

BMW 320d (100 kW)

podobnej konštrukcie je aj rotačné vstrekovacie čerpadlo s radiálnymi piestami Nippon – Denso v Mazde DiTD (74 kW)