Systém Common Rail je v súčasnosti celosvetovo najrozšírenejší systém priameho vysokotlakového vstrekovania nafty pri dieselových motoroch. Neustále sa zvyšujúce ceny palív a sprísňujúce emisné limity škodlivých látok vo výfukových plynoch nútia výrobcov dieselových motorov a ich dodávateľov intenzívne pracovať na vývoji efektívnejšieho a čistejšieho spaľovania. Poďme sa pozrieť na princíp fungovania tohto systému, jeho komponenty a vývojové trendy.
História a vývoj systému Common Rail
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).
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 súčasnosti je na trhu už IV. generácia tohto systému.
Princíp fungovania systému Common Rail
Základom vstrekovania common-rail je tlakový zásobník, v preklade spoločné potrubie (rail). 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.
Prečítajte si tiež: Kotly a ohrievače vody – princíp
Nízkotlaková časť
Nízkotlaková časť zabezpečuje čistenie a dopravu paliva do vysokotlakovej časti, inými slovami, zásobuje vysokotlakové čerpadlo prefiltrovaným palivom. Nízkotlaková časť obsahuje palivovú nádrž, sací kôš umiestnený na dopravnom palivovom čerpadle, jemný filter paliva, nízkotlakový okruh vysokotlakového čerpadla a spätné palivové potrubie. To všetko je prepojené nízkotlakovým potrubím.
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.
Úlohou nízkotlakového palivového čerpadla je zásobovať vysokotlakové čerpadlo palivom (môže byť jeho súčasťou) pod tlakom 3 ÷ 7 bar. Pri tepelne viac namáhaných motoroch môže byť sústava doplnená o chladič paliva.
Vysokotlaková časť
Vysokotlaková časť pozostáva z vysokotlakového čerpadla, ktoré obsahuje odpájací ventil čerpadla a regulátor tlaku paliva. Ďalej vysokotlakový zásobník paliva - rail, snímače tlaku paliva v zásobníku, poistný ventil, obmedzovače prietoku a jednotlivé vstrekovače. To všetko je prepojené vysokotlakovým potrubím.
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.
Prečítajte si tiež: Flexibilné hliníkové potrubie
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.
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.
Riadiaca jednotka
Ako aj u predchádzajúcich vstrekovacích systémov, aj v tomto prípade má hlavné slovo riadiaca jednotka. snímač polohy kľukového, popr. snímač teploty chladiacej kvapaliny, popr.
Komponenty systému Common Rail
Palivový filter
Má za úlohu znižovať znečistenie paliva pevnými časticami a tým chrániť jednotlivé komponenty systému pred nadmerným opotrebovaním.
Prečítajte si tiež: Návod na napojenie kúrenia
Palivové čerpadlo
Úlohou nízkotlakového palivového čerpadla je zásobovať vysokotlakové čerpadlo palivom (môže byť jeho súčasťou) pod tlakom 3 ÷ 7 bar.
Vysokotlakové čerpadlá
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.
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).
Bosch 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.
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.
Najnovšia 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).
Generácie 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.
Common Rail I.
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. Vstrekovanie prebieha v dvoch fázach na jeden cyklus: malý predvstrek a hlavný vstrek.
Common Rail II.
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. Ďalším vylepšením oproti predchádzajúcej generácii je ďalší tretí vstrek, tzv. dovstrek.
Common Rail III.
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.
Common Rail IV.
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. Konštruktérom sa 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.
Výhody a nevýhody systému Common Rail
Medzi hlavné výhody systému Common Rail patrí:
- Flexibilita: Jednoduché prispôsobenie systému pre rôzne motory.
- Riadenie priebehu vstreku: Viacnásobné vstrekovanie, keďže tlak paliva v zásobníku tlaku - raily je nezávislý na otáčkach motora.
- Vysoké vstrekovacie tlaky: Umožňujúce dokonalejšie rozprášenie paliva vo valci.
- Nižšia spotreba paliva: Vďaka presnejšiemu dávkovaniu paliva.
- Nižšie emisie: Vďaka efektívnejšiemu spaľovaniu.
- Tichší chod motora: Vďaka predvstrekom a viacnásobným vstrekom.
Medzi nevýhody systému Common Rail patrí:
- Komplexnosť: Systém je zložitejší ako staršie systémy vstrekovania.
- Náročnosť na údržbu: Vyžaduje kvalitné palivo a pravidelnú údržbu.
- Vyššia cena: V porovnaní so staršími systémami.
tags: #vstrekovacia #sustava #umpa #potrubie #diza