Mimo upływu kilku dekad od wprowadzenia układów zasilania typu Common Rail (CR), wielu użytkowników maszyn, w tym ciągników, wciąż ma obawy związane z ich zastosowaniem. Czy są one uzasadnione? W obiegowej opinii system CR często kojarzy się z dużą czułością na jakość paliwa, awaryjnością i wysokimi kosztami napraw. W niniejszym artykule przyjrzymy się bliżej temu, czym jest i jak działa Common Rail, co zyskaliśmy dzięki jego zastosowaniu oraz jakie są jego wady i wyzwania.
Historia i ewolucja Common Rail
Choć dziś może wydawać się to nieprawdopodobne, koncepcja układu Common Rail była obecna w silnikach od zarania ich dziejów. Już w 1913 roku, zaledwie 21 lat po uzyskaniu przez Rudolfa Diesla patentu na swój silnik, brytyjska firma Vickers opatentowała wczesną wersję systemu ze wspólnym zasobnikiem paliwa. Był on utrzymywany pod stałym podwyższonym ciśnieniem, odpowiadającym ciśnieniu wtrysku. Brytyjczycy wykorzystali dostępne wówczas technologie: mechanicznie sterowane wtryskiwacze i regulatory. Rozwiązanie Vickersa było całkowicie pozbawione jakiejkolwiek elektroniki.
W tym samym czasie Thomas Gaff uzyskał patent na podobny układ zasilania, ale do silników o zapłonie iskrowym. Gaff użył w swoim silniku sterowanego za pomocą cewki wtryskiwacza, który podawał paliwo bezpośrednio do wnętrza komory spalania - było to jedno z pierwszych rozwiązań z wtryskiem bezpośrednim. Zrezygnowanie z mechanicznego regulatora i wtryskiwaczy umożliwiło uzyskanie znacznie większych prędkości obrotowych - z maksymalnie kilkuset obrotów na minutę do kilku tysięcy.
To osiągnięcie zainspirowało konstruktorów Brooksa Walkera i Harry'ego Kennedy'ego. Po zaadaptowaniu elektrycznie sterowanych wtryskiwaczy Graffa, zmodyfikowali oni układ opracowany przez Vickersa, dając początek Common Railowi w kształcie zbliżonym do tego, jaki znamy dziś. Ich rozwiązanie znalazło odbiorcę w postaci firmy Atlas-Imperial Diesel Engine Company. I tak „Diesel z Common Railem” zadebiutował na rynku jeszcze przed wprowadzeniem pompy wtryskowej przez Roberta Boscha w 1927 roku.
Dopiero w latach 80. i 90. XX wieku, gdy rozpoczęły się intensywne badania nad poprawą kultury pracy i zwiększoną sprawnością jednostek o zapłonie samoczynnym (ZS), wiele firm doszło do wniosku, że dotychczas stosowane systemy osiągnęły kres swoich możliwości. Zaś nowo powstałe rozwiązania, jak np. pompowtryskiwacze, okazały się ślepymi uliczkami, między innymi ze względu na twardą pracę i wysoki poziom hałasu oraz niższą kulturę pracy. Na tym tle Common Rail nieoczekiwanie wysunął się na prowadzenie, spełniając wszystkie postawione warunki dla silnika Diesla na miarę XXI wieku.
Rola Fiata w rozwoju współczesnego Common Rail
Nieprzypadkowo tak dużo miejsca poświęcono historii powstania systemu Common Rail i motoryzacyjnym odniesieniom do firmy Fiat. To właśnie ta włoska firma jest nierozerwalnie związana z powstaniem i wdrożeniem do masowej produkcji systemu zasilania Common Rail w silnikach Diesla. W połowie lat 70. XX wieku kryzys paliwowy skłonił klientów do poszukiwania oszczędnych jednostek Diesla. Mimo, że Fiat dysponował znakomitymi silnikami wysokoprężnymi (jak turbodoładowane 1,9 TD i.d. oraz 2,5 TD), klienci często preferowali auta konkurencji, takiej jak Volkswagen.
W turyńskiej siedzibie Fiata podjęto decyzję, aby "zbudować silnik Diesla od nowa". Głównym celem było wyeliminowanie najsłabszego ogniwa ówczesnych silników Diesla - pompy wtryskowej, której praca zależała od obrotów silnika i która w sposób mechaniczny sterowała dawką paliwa. Inżynierowie Fiata, we współpracy z Boschem, postanowili zastosować genialne w swojej prostocie rozwiązanie. Wyeliminowano pompę wtryskową w jej tradycyjnym rozumieniu, zastępując ją systemem, w którym wtryskiwacze, sterowane elektronicznie przez mikrokomputer, dozują dokładnie tyle paliwa, ile jest potrzebne w danej chwili. Do tych elektronicznie sterowanych wtryskiwaczy potrzebne było jednak stałe ciśnienie paliwa, niezależne od obrotów silnika. Tak powstał akumulator ciśnienia, czyli wspólna szyna - Common Rail.
Dlaczego Common Rail? Zalety nad starszymi systemami
Układy zasilania paliwem typu Common Rail (CR) to obecnie powszechnie stosowane rozwiązanie i właściwie jedyne w nowoczesnych jednostkach napędowych Diesla. System ten umożliwił osiągnięcie czegoś, co było nieosiągalne dla konkurencyjnych układów wtryskowych. To, co możemy odczuć bezpośrednio z perspektywy użytkownika, to jedynie wierzchołek całej góry możliwości silnika z CR.
Precyzja wtrysku i spalania
Jedną z głównych cech układu Common Rail jest możliwość tworzenia stałego ciśnienia paliwa, niezależnie od momentu pracy silnika. Ciśnienie w szynie Common Rail może wahać się od 1000 do nawet 2500 barów, co pozwala na bardzo drobne rozpylenie paliwa w komorze spalania. W przeciwieństwie do tradycyjnego mechanicznego wtryskiwacza, który działa zero-jedynkowo (otwórz - wtryśnij dawkę - zamknij), wtryskiwacz systemu Common Rail jest całkowicie niezależny i sterowany programem komputera. Moment otwarcia i wielkość dawki paliwa są zmienne, dostosowując się do obciążenia silnika i jego obrotów.
Co najważniejsze, w systemie Common Rail nie ma jednej dawki paliwa - jest ich kilka. Już dawno inżynierowie odkryli, że na skuteczność spalania paliwa w komorze cylindra ma wpływ sposób jego rozpylenia. Dzięki cyfrowemu sterowaniu moment otwarcia wtryskiwacza przebiega błyskawicznie, umożliwiając wielofazowe wtryskiwanie paliwa do cylindra. Może to być np. dawka pilotażowa, która ma za zadanie wstępne i równomierne nagrzanie komory spalania, poprawiając skuteczność spalania i wpływając na szybkość zapłonu. Pierwsze wersje CR pozwalały na podział na 3 dawki, obecnie wtryskiwacze piezoelektryczne umożliwiają nawet 5-8 dawek paliwa podczas jednego cyklu pracy.
Kultura pracy i ekonomia
Wśród najbardziej odczuwalnych zalet Common Rail znajduje się równiejsza praca silnika, mniejsze zapotrzebowanie na paliwo oraz obniżona hałaśliwość pracy. Kontrola nad tym, co i kiedy dostaje się do komory spalania, to potężne narzędzie, pozwalające na zoptymalizowanie procesu spalania. Dzięki możliwości sterowania dawką paliwa i jej podziałem, udało się wpłynąć na to, w jaki sposób silnik generuje moc i moment obrotowy, które w przypadku silników z CR kształtują się dużo korzystniej. Umożliwiło to także wprowadzenie takich udogodnień, jak możliwość chwilowego zwiększenia mocy (tzw. boost lub powerup).
Redukcja emisji szkodliwych substancji
System Common Rail znacząco przyczynił się do zmniejszenia emisji szkodliwych substancji. Dzięki precyzyjnemu wtryskiwaniu i lepszemu spalaniu paliwa, silniki emitują mniej niepożądanych produktów spalania. Wielofazowy wtrysk, obejmujący fazy ostatnich wtrysków, pozwala na niemal całkowite wypalenie paliwa, eliminując znaczne ilości cząstek stałych i tlenków azotu. Niższa emisja ciepła to także kolejna z mniej oczywistych zalet, ponieważ celem jest przekładanie energii paliwa w moc i moment obrotowy, a nie ogrzewanie powietrza.
Czym jest wtrysk paliwa Common Rail? 🔧
Budowa i zasada działania układu Common Rail
Głównymi dostawcami układów Common Rail są takie firmy jak: Bosch, Denso, Delphi, Continental AG (dawniej Siemens VDO), Cummins czy L’Orange. Wiele firm wyspecjalizowało się również w produkcji poszczególnych komponentów, np. Heinzmann (listwy/akumulatory), Magneti Marelli czy Sagem (elektronika).
Typowy układ Common Rail, zwłaszcza w maszynie roboczej, składa się z kilku kluczowych elementów:
- Pompa zasilająca
- Zespół filtrów paliwa
- Pompa wysokiego ciśnienia (PWC)
- Wspólna szyna (akumulator ciśnienia, czyli „rail”)
- Wtryskiwacze
- Elektronika sterująca (ECU)
- Czujniki i zawory regulacyjne
Wspólna szyna (akumulator ciśnienia)
Zawarta w angielskojęzycznej nazwie „wspólna szyna” (common rail) jest w rzeczywistości wspólnym dla wszystkich wtryskiwaczy akumulatorem hydraulicznym, w którym przechowywane jest paliwo podane przez pompę wysokiego ciśnienia. Układ jest wyposażony w liczne czujniki i zawory regulacyjne, dzięki którym jednostka sterująca (ECU) może, w oparciu o wgrane oprogramowanie, decydować o wartości ciśnienia - nie zawsze do poprawnej pracy potrzebne będzie maksymalne ciśnienie. Warto zaznaczyć, że układy CR nowych generacji działają w oparciu o bardzo intensywny przepływ informacji, takich jak obciążenie wału, skład spalin, temperatura, ciśnienie wtrysku oraz poprawki wynikające z kalibracji wtryskiwaczy.
Pompy paliwa
W typowym układzie Common Rail przeznaczonym dla maszyny roboczej znajdziemy dwie pompy: zasilającą oraz wysokiego ciśnienia (PWC). Czasami obie pompy mogą być złączone w jednym korpusie, jednak za układ klasyczny przyjmuje się taki, w którym pompa zasilająca (często elektryczna) znajduje się przy zbiorniku paliwa, zaś pompa wysokiego ciśnienia - przy silniku (napęd od silnika przez koła zębate lub pasek).
Zadaniem pompy zasilającej jest doprowadzenie paliwa ze zbiornika przez zespół filtrów (w różnych konfiguracjach - np. filtr wstępny przed pompą, filtr dokładny za nią lub oba za pompą) do pompy wysokiego ciśnienia (PWC). Ta druga odpowiada za zapewnienie właściwego ciśnienia wewnątrz akumulatora, czyli wspólnej szyny. Charakter pracy pompy wysokiego ciśnienia nie jest stały, ponieważ sterownik ustala, jakie ciśnienie jest potrzebne w danej chwili.
Ma to swoje wady i zalety. Zaletą jest możliwość wydłużenia jej trwałości, jeżeli korzystamy z trybów „eko” lub pracujemy z ograniczeniem obrotów: mniejsze ciśnienie w układzie to wolniejsze zużywanie uszczelnień, mniejsze obciążenie rotora, łożysk itd. Niestety, gdy zechcemy gwałtownie zwiększyć obroty i pompa będzie musiała podać większe ciśnienie, w akumulatorze pojawią się zjawiska falowe (uderzenie ciśnienia), powodujące zakłócenie pracy wtryskiwaczy i zaworów. Znaczne obciążenie pompy wysokiego ciśnienia podczas pracy przy maksymalnych parametrach silnika może również powodować zwiększoną intensywność zużywania się rotora, prowadząc do tzw. pittingu, w wyniku którego PWC może stać się źródłem opiłków metalu, które będą podawane dalej.
Wtryskiwacze Common Rail
Rola wtryskiwaczy w układzie Common Rail jest bardziej skomplikowana niż w poprzednich systemach. To właśnie ten element często stanowi o solidności całego układu, bowiem wtryskiwacze pracują w najbardziej niekorzystnym środowisku i w ekstremalnych warunkach. Dokładność wykonania i gabaryty to kluczowe kwestie w przypadku wtryskiwaczy CR, a przecieki czy niedokładne spasowania są absolutnie niedopuszczalne. Dokładność obróbki wykonania niektórych części wtryskiwaczy wyrażana jest w nanometrach.
Wtryskiwacze elektromagnetyczne
W przypadku wtryskiwaczy elektromagnetycznych elementem wykonawczym jest elektromagnes umieszczony w jego górnej części. Jest on połączony z ruchomym suwakiem zakończonym talerzykiem oddzielającym przestrzenie o różnych ciśnieniach. Drugi ruchomy element to trzpień zakończony tłoczkami o różnych średnicach: większej w górnej części, mniejszej - w dolnej. Na powierzchnie tłoczków oddziałują różne ciśnienia: wyższe (takie jak w akumulatorze) panuje w górnej części, gdzie paliwo jest doprowadzane, a niższe w dolnej. Dzięki temu domyślną pozycją wtryskiwacza jest pozycja zamknięta.
Dopiero gdy komputer poda napięcie na cewkę elektromagnesu, ten zaczyna unosić suwak ku górze, a powstała wówczas szczelina umożliwia przepływ paliwa i zmianę ciśnienia w układzie. Wówczas cały trzpień przesuwa się do pozycji otwartej. Połączona z nim iglica odsłania kanał prowadzący do końcówki wtryskiwacza, w której znajdują się otwory rozpylające paliwo wewnątrz komory spalania. Nadmiar paliwa użytego do sterowania spływa przewodami powrotnymi do zbiornika.
Wtryskiwacze piezoelektryczne
Wtryskiwacze piezoelektryczne działają podobnie, choć ich budowa jest nieco inna. Nie znajdziemy tutaj ani trzpienia, ani elektromagnesu. Jest za to piezoelektryczny materiał, który pod wpływem podanego napięcia zmienia swoje wymiary. Umożliwia to przesunięcie niewielkiego rozdzielacza w pozycję powodującą otwarcie przepływu paliwa w dodatkowym obiegu sterującym. Jego zadaniem jest finalne otwieranie i zamykanie iglicy kontrolującej dawkę paliwa podawaną do komory spalania.
Największą zaletą wtryskiwaczy piezoelektrycznych jest ich znaczna prędkość (otwierania i zamykania), wynikająca z bardzo małej bezwładności i szybkiej reakcji piezoelektryka. To przełożyło się na możliwość podzielenia wtryśniętego paliwa na 5, a nawet 8 dawek rozłożonych w czasie, w którym wtryskiwacz elektromagnetyczny był w stanie wykonać maksymalnie 3. Ta technologia pozwala na jeszcze lepsze zarządzanie procesem spalania.
Wady i wyzwania Common Rail
Dziś, po ponad ćwierć wieku od komercyjnej premiery systemu Common Rail, większość pierwszych niedomagań została wyeliminowana. Technika sterowania, części, a nawet oprogramowanie są już prawie doskonałe. Jest to tak dobry i sprawdzony system zasilania, że stosuje go niemal każdy producent silników Diesla.
Czułość na jakość paliwa i koszty napraw
Jednak, jak wspomniano na początku, system Common Rail w obiegowej opinii kojarzy się z dużą czułością na jakość paliwa, awaryjnością i wysokimi kosztami napraw. Sprawdzając cenę wtryskiwaczy z układu CR do 6-cylindrowego silnika jednej z przodujących marek ciągników, katalogowa cena jednego wtryskiwacza może wynosić około 1600 zł. Gdy pomnożymy to razy 6, dodamy koszt wymiany i kalibracji, łatwo możemy przekroczyć 10 tys. zł. Małe otwory rozpylacza i wysokie ciśnienie wtrysku sprawiają, że rozkalibrowanie otworów następuje przy minimalnym zabrudzeniu paliwa.
Wymagania dotyczące filtracji
Główną wadą, wynikającą z niesłychanie precyzyjnej budowy pompy i wtryskiwaczy, jest to, że układ ten potrzebuje wyrafinowanej filtracji paliwa. Doskonałe filtry paliwa mają za zadanie wyeliminować problem zanieczyszczeń. Wspomniane opiłki metalu z pompy wysokiego ciśnienia, jeśli dostaną się do wtryskiwaczy, mogą spowodować ich uszkodzenie, co jest jednym z najczęstszych przyczyn awarii. Regularna wymiana wysokiej jakości filtrów i dbałość o czystość paliwa są kluczowe dla bezawaryjnej pracy systemu CR.
Common Rail w maszynach rolniczych
Dziś system Common Rail znajdziemy niemal w każdym silniku ciągnikowym o mocy powyżej 60 KM, a także w kombajnach, ładowarkach, opryskiwaczach i innych maszynach rolniczych. Dziedzictwo genialnych włoskich inżynierów Fiata jest utrzymywane obecnie dzięki silnikom produkowanym przez FTP (Fiat PowerTrain).
Obecne zastosowanie i generacje
Różne rodzaje paliw do silników Diesla charakteryzuje tzw. Common Rail II generacji, który jest obecnie najpowszechniej stosowany. Charakteryzuje się on ciśnieniem 1600 barów i wielofazowością wtrysku (do 7 faz, najczęściej 5). Powoli do sprzedaży wchodzi III generacja systemu zasilania CR, charakteryzująca się jeszcze wyższymi ciśnieniami (nawet 2500 barów) i możliwością jeszcze większej liczby faz wtrysku, co przekłada się na dalsze podnoszenie sprawności i redukcję emisji.
Pomimo początkowych obaw, Common Rail stał się standardem w nowoczesnych silnikach Diesla, w tym tych stosowanych w ciągnikach i maszynach rolniczych, oferując niezrównaną precyzję, ekonomię i ekologię. Zrozumienie jego zasad działania i przestrzeganie zaleceń dotyczących eksploatacji, zwłaszcza w zakresie jakości paliwa i filtracji, pozwala na pełne wykorzystanie jego potencjału i minimalizację ryzyka awarii.