100 milionów wtryskiwaczy Common Rail

Pod koniec roku Bosch wyprodukował stumilionowy egzemplarz wtryskiwacza Common Rail do silników diesla w samochodach osobowych. Obecnie już niemal co trzeci nowy samochód w Polsce jest wyposażony w silnik wysokoprężny.

Common Rail to układ wtryskowy do silnika diesla, który w znaczący sposób poprawia wydajność spalania, obniżając przy tym emisję zanieczyszczeń i poziom hałasu. Po raz pierwszy został zastosowany w 1997 roku w samochodzie Alfa Romeo 156, a następnie w Mercedesie C 220 CDI. W 2003 roku na rynek została wprowadzona trzecia generacja systemu Common Rail z innowacyjnymi piezowtryskiwaczami typu Inline, obniżająca emisję szkodliwych substancji nawet o 20 proc. w porównaniu do wcześniejszych układów. Za wykorzystanie piezotechnologii, która przyczynia się do tego, że silniki benzynowe i silniki Diesla emitują mniej zanieczyszczeń, naukowcy i inżynierowie firm Bosch i Siemens VDO otrzymali Nagrodę Przyszłości przyznawaną przez prezydenta Republiki Federalnej Niemiec.

Diesel, jako wyjątkowo ekonomiczny i przyjazny środowisku napęd, cieszy się niesłabnącym powodzeniem, szczególnie w Europie. Nie bez przyczyny, gdyż samochody z silnikami diesla zużywają ok. 30 proc. mniej paliwa niż porównywalne auta z silnikami benzynowymi, czego dowodzą dane za rok 2004 opublikowane przez Federalny Urząd ds. Komunikacji. Inaczej mówiąc, gdyby kierowca samochodu z silnikiem diesla przesiadł się dziś do porównywalnego samochodu z napędem benzynowym, musiałby wziąć pod uwagę zwiększone o ok. 50 proc. zużycie paliwa i odpowiednio wyższy jego koszt oraz mniejszą liczbę kilometrów przejechanych na pełnym zbiorniku. A ze względu na spodziewany dalszy wzrost cen paliw, ekonomiczność diesla będzie odgrywać w przyszłości jeszcze większą rolę.

Dostępne na rynku generacje systemów Common Rail firmy Bosch oferują optymalne i ekonomiczne rozwiązania w zakresie ograniczania emisji zanieczyszczeń w pojazdach różnych klas. Fot. Bosch

Obecnie w Europie Zachodniej niemal co drugi nowo zarejestrowany samochód jest wyposażony w silnik diesla. Także w Polsce rośnie udział nowych pojazdów z silnikami wysokoprężnymi, który wynosi obecnie 32,8 proc. (rok wcześniej 26,1 proc.). Jak podaje Samar, w listopadzie 2005 roku sprzedano 6 158 diesli, o 8 proc. więcej niż w listopadzie 2004 r. Od początku 2005 roku sprzedano w Polsce ponad 71 tysięcy nowych aut z silnikiem wysokoprężnym, o 7,6 proc. mniej niż w tym samym czasie roku 2003 (dla porównania: samochodów z silnikami benzynowymi sprzedano w tym czasie aż o prawie 33 proc. mniej). Gdyby wszystkie samochody były wyposażone w silnik wysokoprężny, w samych tylko Niemczech można by zaoszczędzić rocznie ponad pięć miliardów litrów paliwa – odpowiada to zasięgowi 94 miliardów kilometrów, jakie mógłby przejechać przeciętny samochód z silnikiem diesla oraz dystansowi porównywalnemu do trzystukrotnego pokonania trasy Ziemia-Słońce i z powrotem. Na takim rozwiązaniu zyskałoby również środowisko, ponieważ silniki diesla emitują ok. 25 proc. mniej dwutlenku węgla niż porównywalne samochody z napędem benzynowym. Niższe zużycie paliwa oznacza także ochronę kopalnych zasobów energii. Dodatkowo, wyższy moment obrotowy silników Diesla osiągany w niższym zakresie obrotów gwarantuje dużą dynamikę jazdy, którą ceni sobie wielu kierowców.

Nowoczesne systemy wtryskowe do silników Diesla muszą spełniać najwyższe wymogi jakościowe. Na zdjęciu: kontrola komponentów do wtryskiwaczy Common Rail w fabryce w miejscowości Bursa w Turcji. Fot. Bosch

Koncepcja Common Rail pozwala na elastyczny podział dawki wtrysku na kilka wtrysków pilotujących, wtrysk główny oraz wtryski dodatkowe, dzięki czemu możliwe jest optymalne dopasowanie parametrów systemu wtryskowego do konstrukcji danego silnika. W kolektorowych systemach Common Rail funkcje wytwarzania ciśnienia oraz wtrysku są realizowane niezależnie od siebie. Pompa wtryskowa i zespół czujników utrzymują w kolektorze (Rail) zaprogramowane w charakterystyce systemu sterowania silnikiem ciśnienie wynoszące maks. 1600 barów – odbywa się to niezależnie od prędkości obrotowej silnika oraz wielkości dawki wtryskiwanego paliwa. Następnie sztywnymi przewodami paliwo jest doprowadzane do wtryskiwaczy i rozpylaczy, które precyzyjnie rozpylają paliwo w komorze spalania silnika. Moduł sterujący silnika diesla (EDC) z wysoką precyzją zarządza nie tylko licznymi funkcjami silnika, ale także wszystkimi parametrami wtrysku, np. ciśnieniem w kolektorze oraz momentem wtrysku i czasami otwarcia rozpylaczy.
W systemach Common Rail pierwszej i drugiej generacji pracą wtryskiwacza sterowała cewka elektromagnetyczna na wtryskiwaczach. Drążek tłoczka przenosił siłę hydrauliczną potrzebną do otwarcia i zamknięcia dyszy wtryskiwacza na iglicę. W systemach Common Rail trzeciej generacji do samochodów osobowych element wykonawczy wtryskiwacza składa się z setek cienkich płytek materiału piezokrystalicznego. Piezokryształy posiadają właściwość odkształcania się w polu elektrycznym. We wtryskiwaczach piezokrystalicznych typu Inline element piezokrystaliczny jest zintegrowany w korpusie wtryskiwacza, tuż przy iglicy. Ruch materiału piezokrystalicznego przenoszony jest we wtryskiwaczu na szybko przełączającą się iglicę bez stosowania dodatkowych elementów mechanicznych. Rozwiązanie to pozwala na bardziej precyzyjne dozowanie ilości wtryskiwanego paliwa i lepsze rozpylenie paliwa w komorze spalania silnika. Dzięki wtryskiwaczom o szybszym czasie przełączania można zmniejszyć odstęp pomiędzy poszczególnymi wtryskami oraz podzielić dawkę paliwa przypadającą na cykl spalania na sekwencję pojedynczych wtrysków.
Trwają prace nad nowym systemem Common Rail, w którym zostaną po raz pierwszy zastosowane wtryskiwacze ze wzmocnieniem hydraulicznym. Technologia HADI (Hydraulically Amplified Diesel Injector) wykorzystuje specjalny tłok, który zwiększa ciśnienie we wtryskiwaczach nawet do 2500 barów. Nowy system ma jeszcze bardziej obniżyć emisję zanieczyszczeń, zmniejszyć zużycie paliwa i zredukować poziom hałasu podczas spalania przy jednoczesnym wzroście mocy silnika. Obniżenie emisji zanieczyszczeń w trakcie spalania stanie się możliwe także w wyniku zastosowania specjalnej geometrii wtrysku. Paliwo nie będzie wtryskiwane do komory spalania gwałtownie, ale przy stopniowo wzrastającym ciśnieniu. Taka procedura wtrysku pozwala osiągnąć łagodniejszy przebieg spalania z mniejszymi skokami temperatury i odpowiednio niższą emisją tlenków azotu. Nastąpi również poprawa składu mieszanki paliwowo-powietrznej, a tym samym redukcja powstawania sadzy.

Produkcja wtryskiwaczy piezoelektrycznych trzeciej generacji systemu Common Rail w fabryce Boscha w niemieckiej miejscowości Bamberg. Fot. Bosch