W układach wtrysku paliwa silników z zapłonem samoczynnym (ZS), typu common rail, znaczącą rolę odgrywa podział jednej dawki paliwa wtryskiwanej do komory spalania silnika na kilka części. Jedna, dwie dawki wstępne, jedna lub więcej dawek głównych oraz powtryski. Tym większą rolę ma prawidłowe nazewnictwo opisujące przebieg wtrysku paliwa. Niestety zdarza się, że w artykułach czy książkach kąt wyprzedzenia wtrysku jest mylony z kątem wtrysku, a początek tłoczenia nie jest odróżniany od początku wtrysku. Powróćmy więc na chwilę do starszych konstrukcji układów wtrysku paliwa silników ZS, aby uporządkować terminologię.

Przebieg wtrysku paliwa do komory spalania silnika ZS
Jego charakterystyczne punkty najlepiej widać, gdy przyjrzymy się tradycyjnemu układowi wtrysku paliwa silnika ZS – mechaniczna pompa wtryskowa i otwierany ciśnieniowo wtryskiwacz.
Pompa wtryskowa rozpoczyna tłoczenie paliwa w punkcie nazywanym początkiem tłoczenia – pkt PT (rys. 1b). Jego położenie względem górnego martwego punktu tłoka (GMP), mierzone w stopniach obrotu wału korbowego [°OWK], nazywamy kątem początku tłoczenia i oznaczamy αt.
Po chwili od rozpoczęcia tłoczenia fala ciśnienia „dochodzi” do wtryskiwacza i osiąga wartość, która powoduje jego otwarcie w punkcie nazywanym początkiem wtrysku – pkt PW (rys. 1a i b). Jego położenie względem górnego martwego punktu tłoka (GMP), mierzone w stopniach obrotu wału korbowego, nazywamy kątem wyprzedzenia wtrysku i oznaczamy αww.
Pierwsze krople paliwa wtryskiwane do gorącego, sprężonego powietrza odparowują i... nic się nie dzieje. W odróżnieniu bowiem od silnika z zapłonem iskrowym (ZI), w którym sygnałem inicjującym zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej jest przeskok iskry elektrycznej pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej, w silniku ZS musimy czekać, aż mieszanka paliwowo-powietrzna, powstała z części już wtryśniętej dawki paliwa, ulegnie samozapłonowi. Dopiero wówczas rozpoczyna się proces spalania paliwa. Na rys. 1b ten punkt oznaczony jest jako SP/PS (samozapłon paliwa/początek spalania).
Czas, który upływa od początku wtrysku paliwa (pkt PW) do początku spalania (pkt SP/PS), nazywamy opóźnieniem samozapłonu. Wynosi on ok. 0,5 ms. Opóźnienie samozapłonu można również odnieść do kąta obrotu wału korbowego. Na rys. 1 tak określone opóźnienie samozapłonu oznaczone jest jako αos.
Proszę zauważyć, że przy stałej wartości opóźnienia samozapłonu mierzonego w czasie, wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika, wartość kąta opóźnienia samozapłonu – αos – będzie rosła. Opóźnienie samozapłonu to bardzo ważna wielkość. Od niej w dużym stopniu zależy przebieg procesu spalania.

Wartość opóźnienia samozapłonu zależy od:
- właściwości paliwa (lotność, liczba cetanowa, lepkość);
- stopnia rozdrobnienia paliwa (wielkość kropel paliwa);
- temperatury, ciśnienia i zawirowania powietrza w komorze spalania silnika;
- kąta wyprzedzenia wtrysku;
- temperatury ścianek komory spalania.

Od chwili samozapłonu paliwo jest wtryskiwane do płomienia wypełniającego komorę spalania. Bardzo szybko odparowuje i spala się praktycznie bez opóźnienia.
Wtrysk paliwa kończy się w punkcie KW (rys. 1a i b), ale spalanie kończy się później, w pkt KS (rys. 1b). Okres wtrysku paliwa, mierzony w stopniach obrotu wału korbowego, nazywany jest kątem wtrysku – αw.
Część dawki paliwa, wtryśnięta w fazie opóźnienia samozapłonu, powinna być możliwie jak najmniejsza, tak by większa jej część była wtryskiwana już po samozapłonie mieszanki. Dzięki temu można w większym stopniu wpływać na przebieg spalania.

Jeśli podczas opóźnienia samozapłonu zostanie wtryśnięta za duża dawka paliwa, wówczas ciśnienie w komorze spalania silnika będzie szybko rosnąć i osiągnie dużą wartość, a w konsekwencji:
- silnik będzie pracował głośniej;
- wzrosną obciążenia mechaniczne jego elementów;
- obniżą się osiągi silnika;
- emisja, głównie tlenków azotu, będzie większa.

Pomiar statycznego kąta początku tłoczenia
Początkowo w „mechanicznych” układach wtryskowych była możliwość pomiaru tylko tzw. stycznego kąta wyprzedzenia tłoczenia – αt (rys. 1b). Mierzony on był dla pompy wtryskowej zamontowanej na stole probierczym lub na silniku, ale pomiar był wykonywany dla praktycznie nieobracającej się pompy wtryskowej, a w takich warunkach pompy wtryskowe nie pracują. Dopiero rozwój metod diagnostycznych i „elektronizacja” układów wtryskowych umożliwiły pomiary w warunkach, w których pracuje układ wtryskowy, czyli przy pracującym silniku. Taki pomiar określamy mianem dynamicznego, a zmierzone kąty określamy mianem dynamicznych, w odróżnieniu od statycznych.

Pomiar ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym
Pierwszym krokiem, który umożliwił pomiary dynamiczne, był pomiar ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym. Stał się on możliwy dzięki czujnikowi zaciskowemu. Zasada jego pracy bazuje na zjawisku piezoelektrycznym. Jest on montowany na przewodzie wtryskowym.
Co to jest zjawisko piezoelektryczne? Na rys. 2 pokazana jest płytka kwarcu (1) pokryta po dwóch przeciwległych stronach cieniutkimi warstwami metalowej folii (2) tzw. kontaktowej. Są one niezbędne dla zapewnienia kontaktu elektrycznego. Jeśli płytkę kwarcu ściśniemy siłą F, to na jej przeciwległych ściankach zgromadzą się dodatnie (3) i ujemne (4) ładunki elektryczne. Ich obecność można stwierdzić przez pomiar napięcia (U).
Aby zmierzyć ciśnienie w przewodzie wtryskowym silnika ZS, na przewód zakładany jest czujnik zaciskowy (rys. 3), który składa się z dwóch połówek. Ich rozchylenie umożliwia montaż czujnika na przewodzie wtryskowym. Połówki czujnika są następnie zaciskane na przewodzie wtryskowym tak, że obejmują jego obwód. Ta strona każdej z połówek czujnika, która styka się z przewodem wtryskowym, jest pokryta warstwą czułej, metalowej folii (2, rys. 2). Gdy połówki czujnika są zaciśnięte na przewodzie wtryskowym (rys. 3), obie warstwy folii są dociskane do powierzchni przewodu.
Procesowi wtrysku paliwa towarzyszy wzrost ciśnienia w przewodzie wtryskowym. Powoduje on wzrost średnicy przewodu, co z kolei powoduje zwiększenie siły nacisku przewodu wtryskowego na warstwę metalowej folii (2, rys. 2). Zgodnie z zasadą zjawiska piezoelektrycznego zwiększenie siły nacisku powoduje powstanie w warstwach metalowej folii różnicy potencjałów, czyli sygnału napięciowego. Po wzmocnieniu jest on wykorzystywany do pomiaru chwilowej wartości ciśnienia w przewodzie wtryskowym silnika ZS. Może być ona:
- wykorzystywana do dynamicznych pomiarów kątów: wyprzedzenia tłoczenia, wyprzedzenia wtrysku i wtrysku;
- przedstawiana w formie wykresu na ekranie oscyloskopu;
- wykorzystywana do pomiaru prędkości obrotowej silnika ZS.
Pomiar dynamicznych kątów: wyprzedzenia tłoczenia, 
wyprzedzenia wtrysku i wtrysku
Aby był możliwy, konieczny jest pomiar ciśnienia w przewodzie wtryskowym, zmierzony w zależności od kąta obrotu wału korbowego – bardziej „naukowo” – w funkcji kąta obrotu wału korbowego. To, który z kątów będzie mierzony, zależy od producenta samochodu lub silnika.
Aby zmierzyć interesujące nas kąty, należy w kolejności:
- określić metodę wyznaczania: początku tłoczenia, początku wtrysku i końca wtrysku paliwa, patrz rys. 1;
- wyznaczyć wspomniane punkty;
- określić wartości – odpowiednio: kąta wyprzedzenia tłoczenia, kąta wyprzedzenia wtrysku lub kąta wtrysku.

Na rys. 4 przedstawiono miernik do pomiaru dynamicznego kąta wyprzedzenia tłoczenia, dynamicznego kąta wyprzedzenia wtrysku i prędkości obrotowej silnika. Aby zmierzyć jeden z podanych kątów, należy przez obrót pokrętła lampy stroboskopowej (7) doprowadzić do pokrycia się (alternatywnie):
- znaków na pompie wtryskowej (6);
- znaku na kole zamachowym silnika i znaku na jego obudowie;
- znaku na kole pasowym wału korbowego silnika i znaku na bloku silnika.

Zależnie od przyjętej metody wyznaczania początku tłoczenia lub początku wtrysku paliwa różne jest miejsce montażu czujnika zaciskowego na przewodzie wysokiego ciśnienia – miejsce montażu 2 lub 3 (rys. 4).
Powróćmy do metod wyznaczania: początku tłoczenia, początku wtrysku paliwa i końca wtrysku paliwa, które są wykorzystywane w miernikach (rys. 4). Jest ich kilka. Z tego powodu wartości kątów zmierzone różnymi miernikami mogą różnić się od siebie.
Rys. 5 i 6 przedstawiają dwa przykładowe przebiegi ciśnień paliwa w układzie wtryskowym silnika ZS, w funkcji kąta obrotu wału korbowego silnika. Na każdym z rysunków zilustrowana jest inna metoda wyznaczania charakterystycznych punktów przebiegów ciśnień.
Przykład na rys. 5 prezentuje umowną zasadę pomiaru kąta wyprzedzenia tłoczenia. Przy jej wykorzystaniu czujnik zaciskowy (3) jest montowany blisko pompy wtryskowej (5, rys. 4). Początkowo ciśnienie w przewodzie wtryskowym jest równe ciśnieniu resztkowemu – pr (paliwo zostaje zamknięte w przewodzie wtryskowym po poprzednim wtrysku; występuje w nim nadciśnienie). Pompa rozpoczyna tłoczenie paliwa. Ciśnienie w przewodzie wtryskowym rośnie. Najpierw osiąga i przekracza wartość po1, równą 11% maksymalnego ciśnienia wtrysku – pwmax Rośnie dalej. Następnie osiąga i przekracza wartość po2, równą 65% maksymalnego ciśnienia wtrysku – pwmax. Gdy zostanie spełniony drugi z warunków, wówczas przyjmujemy, że tłoczenie paliwa rozpoczęło się z chwilą osiągnięcia i przekroczenia ciśnienia po1. Oba ciśnienia, po1 i po2, nazywamy tzw. progami decyzyjnymi. Kąt wyprzedzenia tłoczenia jest podawany w stopniach kąta obrotu wału korbowego silnika [°OWK] – rys. 5.
Przykład na rys. 6 prezentuje natomiast metodę pomiaru kąta wyprzedzenia wtrysku i kąta wtrysku. Przy jej wykorzystaniu czujnik zaciskowy (3) montowany jest blisko pompy wtryskowej (5, rys. 4). Gdy przewód wtryskowy jest z jednej strony zamknięty zaworem tłocznym pompy wtryskowej, a z drugiej wtryskiwaczem, w przewodzie wtryskowym panuje tzw. ciśnienie resztkowe. W pkt 1 rozpoczyna się tłoczenie paliwa przez pompę wtryskową. Ciśnienie rośnie. W pkt 2, przy ciśnieniu pwo otwiera się wtryskiwacz i rozpoczyna wtrysk paliwa. Uniesienie iglicy wtryskiwacza powoduje otwarcie pod nim dodatkowej objętości, która powoduję spadek ciśnienia w przewodzie wtryskowym – pkt 3.
Proszę zwrócić uwagę, że czujnik zaciskowy jest zamontowany blisko pompy wtryskowej, a my obserwujemy ciśnienie panujące we wtryskiwaczu. Wszystkie zmiany ciśnienia powstające po stronie pompy wtryskowej lub wtryskiwacza powodują ruch fali ciśnienia. Aby czujnik mógł wykryć zmianę ciśnienia, potrzebny jest czas na przemieszczenie się fali ciśnienia do miejsca montażu czujnika zaciskowego. Prędkość rozchodzenia się fali ciśnienia w paliwie wypełniającym przewód wtryskowy wynosi 1350 m/s. Mimo że to duża wartość, to w czasie przemieszczania się fali ciśnienia wał korbowy wykonuje obrót o kąt, którego wartość należy uwzględnić przy pomiarze.
Ciśnienie w przewodzie wtryskowym nadal rośnie. W międzyczasie fala obniżonego ciśnienia, która w pkt 3 spowodowała spadek ciśnienia, doszła do zaworu tłoczącego pompy wtryskowej i „odbiła” się od niego, co spowodowało zmianę kierunku jej ruchu. Zaczęła przemieszczać się w kierunku wtryskiwacza. Ta fala ciśnienia spowodowała, że w pkt 4 pojawił się lokalny szczyt ciśnienia, a następnie jego spadek – pkt 5.
W pkt 6 ciśnienie paliwa w przewodzie wtryskowym osiąga wartość maksymalną – pwmax, a proces tłoczenia kończy się. Ciśnienie w przewodzie wtryskowym maleje – do wartości ciśnienia w pkt 7. Chwilę później sprężyna zamyka wtryskiwacz. Wskutek zmniejszenia objętości pod iglicą rozpylacza wtryskiwacza ciśnienie w przewodzie wtryskowym na chwilę rośnie, do wartości w pkt 8.
Po zamknięciu wtryskiwacza ciśnienie we wtryskiwaczu jeszcze pulsuje, aż w pkt 9 osiągnie wartość pr. Położenie pkt 2 względem górnego martwego punktu (GMP) wyznacza kąt wyprzedzenia wtrysku – αww, a położenie pkt 2 i 8 względem siebie wyznacza kąt wtrysku – αw. Wartości obu kątów podawane są w stopniach kąta obrotu wału korbowego silnika [°OWK] – rys. 6.
Jak już wiemy, metod wyznaczania kątów charakteryzujących przebieg wtrysku paliwa jest kilka. Z tego powodu dla tego samego samochodu z tym samym silnikiem wartości kąta wyprzedzania wtrysku mogą być różne, w zależności od miernika wykorzystywanego do pomiaru. Różne są także wymagane miejsca montażu czujnika zaciskowego (rys. 4). W katalogach z danymi technicznymi może być więc podanych kilka wartości kąta wyprzedzenia tłoczenia lub kąta wyprzedzenia wtrysku, zależnie od stosowanego miernika.

mgr inż. Stefan Myszkowski