Neustále požiadavky na vyšší výkon dieselových motorov pri súčasnom zachovaní nízkej spotreby a znižovanie škodlivých emisií vo výfukových plynoch viedli výrobcov k vývoju vstrekovacích zariadení. Jedným z dôležitých komponentov vstrekovacích systémov je rotačné čerpadlo, ktoré zohráva kľúčovú úlohu pri dodávke paliva do motora. Tento článok sa zameriava na princíp fungovania rotačného čerpadla Bosch, jeho konštrukciu, funkciu a aplikácie.
Úvod do rotačných čerpadiel Bosch
Rotačné vstrekovacie čerpadlá hrajú dôležitú úlohu v systémoch vstrekovania paliva, najmä v dieselových motoroch. Vstrekovacia jednotka rotačného čerpadla dodáva palivo súčasne všetkým valcom motora. Rozdelenie paliva k jednotlivým vstrekovacím tryskám je vykonávané rozdeľovacím piestom.
Konštrukcia a komponenty rotačného čerpadla Bosch
Rotačné čerpadlo Bosch sa skladá z niekoľkých hlavných komponentov, ktoré spoločne zabezpečujú jeho správne fungovanie:
- Podávacie čerpadlo: Dodáva palivo z nádrže do vysokotlakovej časti čerpadla.
- Vysokotlakové čerpadlo: Stláča palivo na potrebný tlak pre vstrekovanie.
- Otáčkový regulátor: Reguluje otáčky čerpadla a zabezpečuje stabilný chod motora.
- Presuvník vstreku: Umožňuje nastavenie uhla vstreku paliva.
- Rozdeľovací piest: Rozdeľuje palivo k jednotlivým vstrekovacím tryskám.
Princíp fungovania mechanicky ovládaného rotačného čerpadla Bosch VE
Na opis princípu fungovania použijeme známe čerpadlo Bosch VE. Čerpadlo sa skladá z podávacieho čerpadla, vysokotlakového čerpadla, otáčkového regulátora a presuvníku vstreku.
- Podávacie čerpadlo: Podávacie lopatkové čerpadlo dodáva palivo do sacieho priestoru čerpadla.
- Vysokotlaková časť: Palivo sa zo sacieho priestoru dostáva do vysokotlakovej časti, kde je stlačené na potrebný tlak.
- Rozdeľovací piest: 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.
- Rozdeľovacia drážka: 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.
Princíp fungovania rotačného čerpadla 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.
Prečítajte si tiež: Využitie rotačného čerpadla Bosch
- Podávacie čerpadlo: 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: 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: 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.
Princíp fungovania elektronicky riadeného rotačného vstrekovacieho čerpadla Bosch VP30 a VP44
Najrozšírenejšie elektronicky riadené rotačné vstrekovacie čerpadlá používané vo vozidlách v Európe sú Bosch radu VP30, ktoré vytvárajú 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.
Bosch 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.
Konštrukcia a funkcia
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.
Regulácia vstrekovaného množstva paliva
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.
Nastavovanie polohy presuvníka vstreku
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.
Prečítajte si tiež: Vysokotlakové rotačné čerpadlo
Snímače a riadiaca jednotka
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.
Proces vstrekovania paliva
- Pohyb valčekov po vačkovom krúžku: Keď sa rozdeľovací hriadeľ otáča, valčeky presuvníka sa pohybujú po povrchu vačkového krúžku.
- Stláčanie paliva: Piesty sú vytláčané dovnútra a stláčajú palivo na vysoký tlak.
- Otvorenie elektromagnetického ventilu: Stláčanie paliva pôsobením vysokého tlaku sa začína po otvorení elektromagnetického ventilu signálom z riadiacej jednotky.
- Rozdeľovanie paliva: Rozdeľovací hriadeľ sa posunie do polohy pred vypúšťacím kanálom stlačeného paliva do príslušného valca.
- Vstrekovanie do valca: Palivo následne cez spätnú škrtiacu klapku prechádza potrubím do vstrekovača, ktorý ho vstrekuje do valca.
- Ukončenie vstrekovania: 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).
Faktory ovplyvňujúce vstrekovanie paliva
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.
Komponenty čerpadla VP44
- - lopatkové pretláčajúce čerpadlo s regulačným tlakovým ventilom
- - senzor uhlu otočenia
- - ovládací člen čerpadla
- - vysokotlakové čerpadlo s rozdeľovacím hriadeľom a vypúšťacím ventilom
- - presuvník vstreku s ventilom presuvníka
Rotačné čerpadlo s axiálnym piestom VP30-37
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.
Výhody elektronicky riadených rotačných čerpadiel
- Presnejšie dávkovanie paliva: Elektronické riadenie umožňuje presnejšie dávkovanie paliva v závislosti od prevádzkových podmienok motora.
- Optimálny uhol vstreku: Elektronické riadenie umožňuje nastaviť optimálny uhol vstreku pre rôzne otáčky a zaťaženia motora.
- Zníženie emisií: Presné riadenie vstrekovania paliva prispieva k zníženiu emisií škodlivých látok vo výfukových plynoch.
- Zlepšenie výkonu a spotreby: Optimalizácia vstrekovania paliva vedie k zlepšeniu výkonu motora a zníženiu spotreby paliva.
Oprava rotačných čerpadiel
Po prijatí čerpadla nasleduje povrchové čistenie a rozobratie čerpadla. Po vizuálnej kontrole jednotlivých dielov sa pripraví rozpočet pre zákazníka. Ak zákazník súhlasí s opravou, tieto poškodené diely sa vymenia za nové. Diely, ktoré sú vizuálne v poriadku sa vyčistia v ultrazvuku a vysušia. Pri skladaní sa použijú samozrejme nové tesnenia. Ak je potom možné čerpadlo nastaviť na stolici tak, aby spĺňalo všetky parametre výrobcu, je oprava hotová a čerpadlo je odoslané späť zákazníkovi. V prípade, že na skúšobnej stolici nie je možné čerpadlo nastaviť z dôvodu vadného dielu, ktorý je vizuálne v poriadku, oznámi sa skutočnosť zákazníkovi.
Oprava čerpadiel VP44
Každá kontrola a oprava začína vstupnou kontrolou - očistením čerpadla, kontrolou softvéru riadiacej jednotky čerpadla. V prípade, že sa nenájde závada, nasleduje kontrola čerpadla na skúšobnej stolici. V prípade opravy, nasleduje demontáž celého čerpadla aby bolo možné posúdiť stav dielov, ktorý sa nedá zistiť kontrolou na stolici. Oprava začína ultrazvukovým čistením dielov, ktoré je možné naďalej použiť. Poškodené diely a všetky skrutky sú nahradené novými. Po čiastočnom zložení čerpadla sa po meraní s pomocou špeciálneho prípravku do riadiacej jednotky zapíšu uhlové pomery vačkového kotúča a poloha snímača otáčok čerpadla. Čerpadlo sa zloží kompletne a nasleduje kalibrácia a test čerpadla s nakopírovaním parametrov čerpadla do riadiacej jednotky. Iba takto je možné tento druh čerpadiel nastaviť. Bez stanice EPS 815 s dovybavením pre čerpadlá VP nie je možné robiť zmeny v riadiacej jednotke čerpadla a už vôbec nie zistiť a zapísať presnú charakteristiku, aby čerpadlo fungovalo presne ako má.
Prečítajte si tiež: Použitie rotačného čerpadla Bosch Avia Turbo
Združené vstrekovače čerpadlo - tryska (Pumpe - Düse System)
Keďže rotačné vstrekovacie čerpadlá sa dostali na hranu svojich fyzických možností, firma Bosch uviedla v roku 1998 nový typ vstrekovacieho systému nazvaného vysokotlakové vstrekovanie združenými vstrekovačmi čerpadlo - tryska (nemecky Pumpe - Düse System). Na rozdiel od vstrekovania pomocou rotačného čerpadla, vstrekovacie trysky tvoria s palivovým čerpadlom jeden celok, čím úplne odpadá prítomnosť samostatného vstrekovacieho čerpadla a vysokotlakového potrubia, v ktorom by sa vytvárali malé straty tlaku. Taktiež sa týmto technickým riešením podarilo dosiahnuť podstatne vyššie tlaky vstrekovania paliva (250 MPa-2500 barov), čo znamená lepšie rozprášenie paliva v spaľovacom priestore.
Komponenty združeného vstrekovača
Vstrekovacia jednotka tvorí jeden celok, ktorý sa nazýva združený vstrekovač. Združený vstrekovač v sebe integruje vysokotlakové vstrekovacie čerpadlo, vstrekovaciu trysku a elektromagnetický (solenoidový) - PD alebo piezoelektrický PPD riadiaci ventil. Palivo do vstrekovača je dopravované nízkotlakovým palivovým čerpadlom. Elektronická riadiaca jednotka motora (Motormanagement) reguluje pomocou elektromagnetického (piezo) ventilu dobu vstrekovania a dávku paliva.
Funkcia združeného vstrekovača
Združené vstrekovače sú zabudované do hlavy valcov. Funkciu vysokotlakového čerpadla plní u združeného vstrekovača piestik. Tento piest je stláčaný vačkou na vačkovom hriadeli cez vahadlo proti vratnej pružine. Pri stláčaní piestíka dochádza aj ku stláčaniu paliva vo vstrekovači. Vyvinie sa tak vysoký tlak, ktorý otvára ihlu vstrekovača. Tým dochádza ku vstreku paliva otvormi v sedle ihly do spaľovacieho priestoru valca. Proces každého jednotlivého vstreku je ukončený uzavretím vstrekovacieho otvoru ihlou pri poklese tlaku. Pokles tlaku zaisťuje elektromagnetický ventil, ktorý sa otvorí a palivo sa tak dostáva do prepadu. Nasleduje pohyb piestu čerpadla hore, kedy sa nasáva palivo do vstrekovača cez otvorený ventil. Potom sa ventil uzavrie a nasleduje opakovanie celého deja.
Predvstrek paliva
Združené vstrekovacie jednotky umožňujú dosiahnuť presne stanovené množstvo vstrekovaného paliva a taktiež okamih začiatku hlavného vstreku a predvstreku paliva. Predvstrek umožňuje plynulý nárast tlakov v spaľovacom priestore, čím dochádza k „zmäkčeniu“ chodu motora. Množstvo paliva a presné načasovanie vzhľadom k hlavnému vstreku paliva je u predvstreku veľmi dôležité. Vďaka nemu sa podstatne znižuje množstvo oxidov dusíka vo výfukových plynoch a tvrdosť chodu motora.
Homogénnejšie spaľovanie
Keďže je palivo vstrekované do spaľovacieho priestoru pod veľmi vysokým tlakom, spaľovanie sa stáva homogénnejším a dokonalejším-efektívnejším. To má za následok hlavne nižšiu spotrebu a dobré výkonové parametre.