Vstřikovače Common rail: šmejdy nebo high-tech produkty?

Provozní parametry současných vstřikovačů systému CR

Z technického hlediska jsou vstřikovače rady CR (bez ohledu na jejich výrobce) určitě zajímavým konstrukčním prvkem. Jsou to úctihodné hodnoty některých provozních a konstrukčních parametrů, které dělají CR vstřikovače pozoruhodnými technickými prvky vznětového motoru.

Vstřikovací tlaky (135- 220 MPa) – klasické mechanické vstřikovače v palivových systémech s konvenčním řadovým a později rotačním rozdělovacím vysokotlakým čerpadlem, jakožto předchůdců systému Common rail, pracovali s nejvyššími vstřikovacími tlaky 60 až 120 MPa (600 - 1200 bar). Palivová soustava moderního vznětového motoru představuje hydraulický okruh s velmi precizním ovládáním. Tlak ve vysokotlaké části palivového systému dieselových motorů daleko převyšuje hydraulické tlaky v brzdové soustavě vozidla 25-35 MPa (250 - 350 bar), v hydrostatických soustavách zemědělských strojů 16 - 25 MPa (160 - 250 bar) a dokonce i stavebních strojů s tlaky 25 - 60 MPa (250 - 600 bar). S většími tlaky hydraulické kapaliny se lze setkat snad jen v technologiích řezání materiálů vodním paprskem WJM-Water Jet Maschining, u nichž je voda stlačována "brutálním" tlakem 150 - 400 MPa (1500 - 4000 bar). O extrémnosti dosahovaných tlaků v systému Common rail svědčí fakt, že kapalina (nafta) se stává stlačitelnou!! Palivo se tak chová jako velmi "tvrdá" pružina. Každých 100 MPa se kompresibilita (stlačitelnost) paliva zvětší o cca 5%! Efekt stlačitelnosti se v systémech CR naplno využívá při kumulování paliva ve vysokotlakém zásobníku (rail) o objemu jen 12 až 30 cm³ (0,12 – 0,3 dl) a tlumení kmitů vznikajících od pulzující dodávky čerpadla na jedné straně, tak tlakových rázů přicházejících od vstřikovačů na straně druhé. Samotný kulový nebo válcový zásobník (rail) je z bezpečnostních důvodů dimenzován na tlak až 700 MPa (7000 barů)! Neustálému zvyšování pracovního tlaku přitom není konec. Firma Bosch již v roce 2008 ohlásila další zvýšení maximálních pracovních tlaků vstřikovačů rady CRSN 3.3 a CRSN 4.2. určených pro nákladní vozidla na 210 až 220 MPa. Tlaky až 250 MPa využívá další systém BOSCH pod zkratkou Hadi (Hydraulically Amplified Diesel Injector), kde se základní systémový tlak paliva 135 MPa zvětšuje až na 250 MPa v samotném vstřikovači pomocí hydraulického pístového zesilovače. Podobně i firma DELPHI ohlásila v stejném roce vyhotovení systému HPCRS (High Pressure Common Rail System) pro střední až těžké aplikace vznětových motorů se špičkovým systémovým tlakem "šílených" 300 MPa (3000 bar)! Pro srovnání v benzinových motorech s přímým vstřikováním je palivo vstřikováno tlakem 5 až 20 MPa (50 - 200 barů).
Otvírací tlaky (15- 35 MPa) – před rokem 1997 se otevírací tlaky mechanických vstřikovačů vznětových motorů osobních automobilů pohybovaly na úrovni 12 - 20 MPa výjimečně 25 MPa. Avšak důležitější než samotné zvýšení hodnot otvíracího tlaku je změna jeho postavení v systému ovládacím pohyb jehly vstřikovací trysky CR vstřikovačů. Narozdíl od koncepce mechanických vstřikovačů otvírací tlak kapaliny u CR provedení s nepřímým ovládáním, totiž ztratil své rozhodující postavení iniciátora otevření vstřikovací trysky. Prosazení se otevíracího tlaku paliva pro zvednutí jehly ze sedla trysky je totiž podmíněno otevřením řídícího ventilu vstřikovače! Jako velmi názorný příklad slouží systém CR vstřikovačů DELPHI. Nadzvednutí jehly (5) ze sedla trysky (6) je determinováno kontrolovaným propuštěním řídícího objemu paliva servoventilem (2) vstřikovače do nízkotlakého okruhu zvaného prostě "propad" (na obrázku vyznačen modrou barvou). Záměrným propuštěním malé části paliva do přepadu dojde k poklesu tlaku v řídicí komoře distanční vložky (3) v prostoru nad jehlou (5), což umožní otevíracímu tlaku v dolní části tělesa trysky (4) zvednout jehlu ze sedla proti tlaku pružiny (8) na její horním konci. Nezbytnou podmínkou přitom zůstává fakt, že otevírací tlak paliva musí dosáhnout hodnoty, kdy je schopen překonat předpětí tlačné pružiny (8). Na druhé straně, u normálně pracujícího CR vstřikovače nemůže dojít ke vstřiku paliva (k nadzvednutí jehly) pokud je řídící ventil (2) zavřený, a to bez ohledu na velikost otvíracího tlaku. V extrémním případě však vstříknutí paliva nedojde ani tehdy, jestliže ventil v důsledku zadření za přítomnosti mechanických nečistot v palivu, zůstane trvale pootevřený nebo je natolik opotřebený, že ztratí těsnost. Tlak v tělese vstřikovače tak nemůže vystoupit na hodnotu otevíracího tlaku, protože palivo nepřetržitě uniká netěsnými ventilem do přepadu. Průvodním jevem je prudký ohřev odcházejícího paliva na 75 až 110 ° C v důsledku škrcení jako výsledek přeměny tlakové energie kapaliny na teplo.
Zdvih jehly (30- 250 µm) – u konvenčních mechanických vstřikovačů s menším pracovním tlakem a s pomalou reakcí ve srovnání s CR vstřikovači, bylo nutné pro vpuštění stejného množství paliva za stejný čas, dosáhnout větším zdvihem jehly. Naopak, s narůstajícími tlaky paliva a s rychlostí reakce jehly vstřikovací trysky vstřikovače CR je dostatečný pro vpuštění stejného množství paliva stále menší zdvih jehly.
Doba aktivace vstřikovače (100- 1600 µs) – představuje čas během kterého elektromagnet (nebo piezoblok) vstřikovače působí na řídící servoventil vstřikovače. O jeho délce rozhoduje řídící jednotka motoru na základě okamžitého provozního zatížení motoru a požadavků řidiče. Délka spínacího času, resp. impulsu a velikost vstřikovacího tlaku paliva rozhoduje o vstříknutí množství nafty nezávisle na otáčkách a zatížení motoru (jedna z hlavních výhod systémů CR). Spínací časy pod 200 µs jsou u elektromagnetických vstřikovačů s nepřímým ovládáním tak krátké, že k vstřiku ani nedojde, a to ani při tlacích 1600 barů! Příčinou je velká setrvačnost mechanických dílů i samotného paliva zesílena jeho záměrným škrcením několika zmenšenými otvory v tělese vstřikovače s průměrem cca 0,2 - 0,45 mm. Tento problém minimalizují piezoelektrické vstřikovače s přímočinný ovládáním společností DELPHI a Continental (bývalý Siemens VDO) pracující se vstřikovacími tlaky až 200 MPa (2000 barů) a bez nadměrného škrcení paliva.
Časové zpoždění (80- 260 µs) – jde o čas od okamžiku zahájení působení síly magnetického pole elekromagnetu na servoventil vstřikovače po jeho reálné uvedení do pohybu. Ventil, resp. kotva v důsledku vlastní setrvačnosti na působení síly nereaguje okamžitě, ale s určitým časovým skluzem-zpožděním. U piezoelektrického vstřikovače s nepřímým ovládáním zdvihu jehly prodleva představuje čas od přivedení napětí na kontakty piezobloku až po hydraulickou reakci jehly vstřikovací trysky. Menšími hodnotami časového skluzu (pod 150 µs) disponují přitom pouze piezoelektrické vstřikovače.
Výrobní tolerance klíčových dílů (0,5- 4 µm) – při pohybujících se dílů vstřikovače jako jsou části servoventilu a jehly vstřikovací trysky, je perfektní těsnost zárukou opakované schopnosti velmi přesného dávkování i nepatrných objemů paliva. I díky tomu dokáží vstřikovače při pilotním vstřiku změřit a vstříknout dávku pouze 0,3 mm³, což je asi 7-krát méně než je objem špendlíkové hlavičky. Pro nemožnost aplikování těsnění mezi pohybující se komponenty vstřikovače pracujících v prostředí extrémních tlaků paliva (135 - 200 MPa), je jedinou možností dosažení téměř dokonalé těsnosti třecí dvojice jejich mimořádně přesné rozměrové i geometrické opracování. Úniku kapaliny (nafty) stlačené na extrémní hodnotu, má zabránit vůle mezi dvěma kovovými plochami velikosti bakterií či kvasinek, resp. asi 15-krát menší než je průměrná tloušťka lidského vlasu!
Rychlost zdvihu jehly trysky (1-3 m/s) – navzdory zdánlivě malé rychlosti pohybu jehly ve srovnání s ostatními úctyhodnými parametry vstřikovače, jde o dostatečnou rychlost. Teoreticky už při rychlosti 1 m/s překoná jehla vstřikovačů dráhu 0,25 mm za čas pouze 250 µs (0,000 25 s). Prakticky je však tento čas delší v důsledku mechanické a hydraulické setrvačnosti systému ovládání zdvihu jehly. Rychlost pohybu 3 m/s dosahují jehly vstřikovacích trysek s piezoelektrickým přímočinný ovládáním (např. DELPHI model DFI3). Nahrazením mechanických dílů servoventilů nebo regulačního pestíku sloupcem stlačeného paliva v kombinaci s rychlejší reakcí piezoelektrického bloku, se 3-násobně zrychlila hydraulická odezva jehly vstřikovací trysky.
Počet vstřiků na jeden pracovní cyklus (2 až 7-krát) – požadavek snižování emisí, spotřeby paliva, hluku a vibrací na jedné straně a zvyšování výkonu motorů a průběhu točivého momentu na straně druhé, vedla k potřebě aplikování vícenásobného vstřikování paliva s cílem optimalizovat proces spalování. Rozdělení vstřikovacího cyklu na parciální dávky umožňuje lepší tvarování křivky nárůstu teploty a tlaku ve spalovacím prostoru. Ve srovnání s konvenčními mechanickými vstřikovači CR vstřikovač provede při stejném celkovém počtu otáček motoru min. 2 až 5-násobně větší počet zdvihů než obyčejné mechanické vstřikovače včetně dvoupružinových!! Přitom od CR vstřikovačů očekává většina motoristů životnost přinejmenším na úrovni životnosti motoru cca 300 000 km (u osobních vozidel), či dokonce vyšší! Pokud k drastickému nárůstu počtu zdvihů připočteme mimořádně malé výrobní tolerance dílů CR vstřikovačů nezbytné pro efektivní práci s extrémními tlaky paliva, pouze polknuta kontaktní čočka neuvidí souvislost mezi životností CR vstřikovačů a čistotou paliva, resp. celé palivové soustavy jako takové! Už dnes se přitom montují piezoelektrické vstřikovače se schopností až 7-násobného dělení vstřiku na jeden spalovací cyklus (Mercedes-Benz C250 CDI BlueEFFICIENCY, Škoda Octavia II a Superb II s motorem 1,6 TDI CR).

Počet zdvihů jehly (parciálních vstřiků) vstřikovačů v závislosti na otáčkách motoru a dělení vstřiku na jeden spalovací cyklus 4-válcového vznětového motoru

Hodnoty v závorce jsou pouze hypotetické, v praxi je příliš krátký čas na jejich realizaci.

Jehla vstřikovací trysky a servoventil vstřikovače systému CR během své životnosti provede více než biliardu zdvihů čili 10¹⁵ aneb 1 000 000 000 000 000 zdvihů!!!

Dávkování paliva na jeden pracovní cyklus (0,3– 70– 350 mm³) – pro osobní automobily představuje pilotní dávka objem vstřikovaného paliva 0,3 až 3 mm³ (objem špendlíkové hlavičky je cca 2 mm³) a objem hlavní dávky max. 70 mm³. U výkonných motorů nákladních vozidel, autobusů, zemědělských nebo stavebních strojů se pohybuje objem vstřikovaného množství od 3 do 350 mm³ (cca 12 velkých dešťových kapek).

Počet výstřikových otvorů (5– 10 otvorů) – nárůst počtu otvorů CR vstřikovačů souvisí s potřebou vstřikování většího množství paliva stále menšími otvory u stále výkonnějších motorů. Při požadavku zachování schopnosti trysky zajistit co najemnejšie rozprášení paliva je nutné dopravit větší dávku nafty do spalovacího prostoru zvýšeným počtem výstřikových otvorů trysky. Zároveň se větším počtem výstřikových paprsků efektivněji využije náplň přítomného vzduchu pro rovnoměrnější prohoření paliva v celém objemu spalovacího prostoru.

Velikost výstřikových otvorů trysky (98– 400 µm) – zmenšování otvorů trysek CR vstřikovačů, jde ruku v ruce s požadavkem co nejdokonalejšího rozprášení ("atomizace") paliva. Spolu s extrémním vstřikovacím tlakem se průměr vznikajících kapiček paliva daří zmenšovat až na současnou úroveň 9-30 μm (0,009 - 0,03 mm). Menší kapičky paliva se lépe promíchají s horkým vzduchem a zároveň rychleji odpaří, čímž se zkrátí doba od zahájení vstřikování paliva až po zahájení hoření, tj. průtah vznícení . Současné osobní automobily s vysokootáčkovým vznětovými motory s kratším dispozičním časem na prohoření paliva, využívají průměry výstřikových otvorů kolem 0,1 mm. Větší otvory trysek (0,25 až 0,4 mm) jsou charakteristické pro výkonné motory nákladních aut, autobusů, zemědělských a stavebních mechanismů, u nichž je třeba realizovat vstřikování větších dávek paliva.

Velikost průměru kapek vstřikovaného paliva (9– 30 µm) – stále menší průřez otvorů trysek CR vstřikovačů v kombinaci s extrémním vstřikovacím tlakem má za následek zvýšení rychlostí výstřikových paprsků nad 2 000 km / h. Vzrůstající tření a turbulence proudící kapaliny v otvoru trysky, jakož i odpor stlačeného vzduchu ve spalovacím prostoru, vede k tvorbě kapek paliva s velmi malým průměrem na úrovni mlhoviny.

REÁLNÁ ŽIVOTNOST VSTŘIKOVAČŮ OSOBNÍCH AUTOMOBILŮ
Uvažovat o životnosti CR vstřikovačů jako o době totožném s celkovou životností motoru je v současnosti technicky neopodstatněné. Navzdory obrovskému progresu v uplatňování nových materiálů a technologií výroby faktem zůstává, že životnost CR vstřikovačů osobních vozidel na úrovni cca 300 000 km, či dokonce vysněných symbolických 500 000 km bez nutnosti opravy, není žádná samozřejmost. Vedle stále extrémnějších provozních podmínkách v podobě enormních vstřikovacích tlaků na hranici materiálové únosnosti a drastickému nárůstu celkového počtu zdvihů pohyblivých dílů CR vstřikovačů, je téměř nereálné očekávat, že se "v pohodě dožijí", tj. bez výrazného přičinění majitele vozidla, minimálně 300 000 najetých kilometrů . I zde platí, více než kdykoli předtím, staré známé: „Kdo se stará - ten má...!“. Výrobci vstřikovacích systémů o této problematice mluví jen velmi málo. Otevřeně o životnosti vstřikovačů mluví firma DELPHI ve svém obecném doporučení o potřebě výměny vstřikovacích trysek po 50 000 km a celých vstřikovačů po 110 000 km. Nejde přitom o kilometry, při nichž se stanou tryska, resp. vstřikovač úplně nefunkčními, ale o přibližné hodnoty, od kterých se jejich funkce začíná zpravidla výraznější zhoršovat a projevovat i na parametrech motoru (výše emise, spotřeba, hlučnost, vibrace během volnoběhu, menší výkon atd..). Testování vstřikovačů společnosti DELPHI za přesně definovaných podmínek více či méně odlišných od reálné provozu vozidla, prokázalo životnost prvních modelů CR vstřikovačů DELPHI s označením DFI 1.2 a 1.3 na úrovni 250 000 km. Při další generaci vstřikovačů s označením DFI 1.4 představovala plánovaná životnost 400 000 km. Navzdory pochopitelným odchylkám v konstrukci, v technologiích výroby a použitých materiálech lze říci, že u ostatních výrobců vstřikovacích systémů CR je maximální životnost vstřikovačů podobná. Faktem zůstává, že setkat v reálném životě zákazníka, který nám přiveze na opravu auto po dojezdu cca 300 000 km, aniž byly vstřikovače (nehledě na značku či provedení) opravovány, je důvodem pro otevření lahve šampaňského. No třeba rovněž dodat, že pokud se tak stane a my máme tu čest se s takovým zákazníkem promluvit, jde často o člověka s velkým pochopením pro základní potřeby svého vozu...

Návrat nahoru