Vstrekovače Common rail

V rozhovoroch majiteľov vozidiel so vznetovým motorom, ale aj pracovníkov servisov či predajcov náhradných dielov, sa možno bežne stretnúť s názormi vyjadrujúcimi nespokojnosť s kvalitou vstrekovačov systému Common rail toho či onoho výrobcu. Padajú výrazy ako: ...to sú „šmejdy“... rýchlo „odchádzajú“... nič nevydržia... . Takže čo sú vlastne schopné vydržať súčasné vstrekovače Common rail?

Prevádzkové parametre súčasných vstrekovačov systému CR
Z technického hľadiska sú vstrekovače rady CR (bez ohľadu na ich výrobcu) určite zaujímavým konštrukčným prvkom. Sú to úctihodné hodnoty niektorých prevádzkových a konštrukčných parametrov, ktoré robia CR vstrekovače pozoruhodnými technickými prvkami vznetového motora.

Vstrekovacie tlaky (135- 220 MPa) – klasické mechanické vstrekovače v palivových systémoch s konvenčným radovým a neskôr rotačným rozdeľovacím vysokotlakovým čerpadlom, ako predchodcov systému Common rail, pracovali s najvyššími vstrekovacími tlakmi 60 až 120 MPa (600 – 1200 bar). Palivová sústava moderného vznetového motora predstavuje hydraulický okruh s veľmi precízným ovládaním. Tlak vo vysokotlakovej časti palivového systému dieselových motorov ďaleko prevyšuje hydraulické tlaky v brzdovej sústave vozidla 25-35 MPa (250- 350 bar) či v hydrostatických sústavách poľnohospodárskych strojov 16– 25 MPa (160- 250 bar) a dokonca i stavebných strojov s tlakmi 25 – 60 MPa (250- 600 bar). S väčšími tlakmi hydraulickej kvapaliny sa možno stretnúť azda len v technológiach rezania materiálov vodným lúčom WJM- Water Jet Maschining, u ktorých je voda stláčaná „brutálnym“ tlakom 150 – 400 MPa (1500- 4000 bar). O extrémnosti dosahovaných tlakov v systéme Common rail svedčí fakt, že kvapalina (nafta) sa stáva stlačiteľnou!! Palivo sa tak správa ako veľmi „tvrdá“ pružina. Každých 100 MPa sa kompresibilita (stlačiteľnosť) paliva zväčší o cca 5%! Efekt stlačiteľnosti sa v systémoch CR naplno využíva pri kumulovaní paliva vo vysokotlakovom zásobníku (rail) s objemom len 12 až 30 cm3 (0,12 – 0,3 dl) a tlmení kmitov vznikajúcich od pulzujúcej dodávky čerpadla na jednej strane, ako aj tlakových rázov prichádzajúcich od vstrekovačov na strane druhej. Samotný guľový alebo valcový zásobník (rail) je z bezpečnostných dôvodov dimenzovaný na tlak až 700 MPa (7000 barov)! Neustálemu zvyšovaniu pracovného tlaku pritom nie je koniec. Firma Bosch už v roku 2008 ohlásila ďalšie zvýšenie maximálnych pracovných tlakov vstrekovačov rady CRSN 3.3 a CRSN 4.2. určených pre nákladné vozidlá na 210 až 220 MPa. Tlaky až 250 MPa využíva ďalší systém BOSCH pod skratkou HADI (Hydraulically Amplified Diesel Injector), kde sa základný systémový tlak paliva 135 MPa zväčšuje až na 250 MPa v samotnom vstrekovači pomocou hydraulického piestového zosilovača. Podobne aj firma DELPHI ohlásila  v rovnakom roku  vyhotovenie systému HPCRS (High Pressure Common Rail System) pre stredné až ťažké aplikácie vznetových motorov so špičkovým systémovým tlakom "šialených" 300 MPa (3000 bar)!!! Rovnako aj firma DENSO predpokladá, že v roku 2013 predstaví svetu svoju štvrtú generáciu systému Common rail s hraničnými tlakmi 300 MPa! Pre porovnanie: v benzínových motoroch s priamym vstrekovaním je palivo vstrekované tlakom 5 až 20 MPa (50- 200 barov).
Otváracie tlaky (15- 35 MPa) – pred rokom 1997 sa otváracie tlaky mechanických vstrekovačov vznetových motorov osobných automobilov pohybovali na úrovni 12 – 20 MPa výnimočne 25 MPa. Avšak dôležitejšie než samotné zvýšenie hodnôt otváracieho tlaku je zmena jeho postavenia v systéme ovládajúcom pohyb ihly vstrekovacej dýzy CR vstrekovačov. Narozdiel od koncepcie mechanických vstrekovačov otvárací tlak kvapaliny u CR prevedenia s nepriamym ovládaním, totiž stratil svoje rozhodujúce postavenie iniciátora otvorenia vstrekovacej dýzy. Presadenie sa otváracieho tlaku paliva pre zodvihnutie ihly zo sedla dýzy je totiž podmienené otvorením riadiaceho ventilu vstrekovača! Ako veľmi názorný príklad slúži systém CR vstrekovačov DELPHI. Nadvihnutie ihly (5) zo sedla dýzy (6) je determinované kontrolovaným prepustením riadiaceho objemu paliva servoventilom (2) vstrekovača do nízkotlakového okruhu nazývaného jednoducho "prepad" (na obrázku vyznačený modrou farbou). Zámerným prepustením malej časti paliva do prepadu dôjde k poklesu tlaku v riadiacej komore distančnej vložky (3) v priestore nad ihlou (5), čo umožní otváraciemu tlaku v dolnej časti telesa dýzy (4) zodvihnúť ihlu zo sedla proti tlaku pružiny (8) na jej hornom konci. Nevyhnutnou podmienkou pritom zostáva fakt, že otvárací tlak paliva musí dosiahnuť hodnotu, kedy je schopný prekonať predpätie tlačnej pružiny (8). Na druhej strane, u normálne pracujúceho CR vstrekovača nemôže dôjsť ku vstreku paliva (k nadvihnutiu ihly) pokiaľ je riadiaci ventil (2) zatvorený, a to bez ohľadu na veľkosť otváracieho tlaku. V extrémnom prípade však k vstreknutiu paliva nedôjde ani vtedy, ak ventil v dôsledku zadretia za prítomnosti mechanických nečistôt v palive zostane trvale pootvorený alebo je natoľko opotrebovaný, že stratí tesnosť. Tlak v telese vstrekovača tak nemôže vystúpiť na hodnotu otváracieho tlaku, pretože palivo nepretržite uniká netesným ventilom do prepadu. Sprievodným javom je prudký ohrev odchádzajúceho paliva na 75 až 110  °C v dôsledku škrtenia ako výsledok premeny tlakovej energie kvapaliny na teplo.
Zdvih ihly (30- 250 µm) – u konvenčných mechanických vstrekovačov s menším pracovným tlakom a s pomalou reakciou v porovnaní s CR vstrekovačmi bolo potrebné pre vstreknutie rovnakého množstva paliva za rovnaký času dosiahnuť väčším zdvihom ihly. Naopak, s narastajúcimi tlakmi paliva a s rýchlosťou reakcie ihly vstrekovacej dýzy vstrekovača CR je postačujúci pre vstreknutie rovnakého množstva paliva čoraz menší zdvih ihly.
Doba aktivácie vstrekovača (100- 1600 µs) – predstavujú čas počas ktorého elektromagnet (alebo piezoblok) vstrekovača pôsobí na riadiaci servoventil vstrekovača. O jeho dĺžke rozhoduje riadiaca jednotk a motora na základe okamžitého prevádzkového zaťaženia motora a požiadaviek vodiča. Dĺžka spínacieho času, resp. impulzu a veľkosť vstrekovacieho tlaku paliva rozhoduje o vstreknutom množstve nafty nezávisle od otáčok a zaťaženia motora (jedna z hlavných výhod systémov CR). Spínacie časy pod 200 µs sú pri elektromagnetických vstrekovačoch s nepriamym ovládaním také krátke, že k vstreku ani nedôjde, a to ani pri tlakoch 1600 barov! Príčinou je veľká zotrvačnosť mechanických dielov i samotného paliva znásobenej jeho zámerným škrtením niekoľkými zmenšenými otvormi v telese vstrekovača s priemerom cca 0,2 – 0,45 mm. Tento problém minimalizujú piezoelektrické vstrekovače s priamočinným ovládaním spoločností DELPHI a Continental (bývalý Siemens VDO) pracujúce so vstrekovacími tlakmi až 200 MPa (2000 barov) a bez nadmerného škrtenia paliva.
Časové oneskorenie (80- 260 µs) – ide o čas od okamihu začatia pôsobenia sily magnetického poľa elekromagnetu na servoventil vstrekovača po jeho reálne uvedenie do pohybu. Ventil, resp. kotva v dôsledku vlastnej zotrvačnosti na pôsobenie sily nereaguje okamžite, ale s určitým časovým sklzom- oneskorením. U piezoelektrického vstrekovača s nepriamym ovládaním zdvihu ihly časové oneskorenie predstavuje čas od privedenia napätia na kontakty piezobloku až po hydraulickú reakciu ihly vstrekovacej dýzy. Menšími hodnotami časového sklzu (pod 150 µs) disponujú pritom iba piezoelektrické vstrekovače.
Výrobné tolerancie kľúčových dielov (0,5- 4 µm) – pri pohybujúcich sa dieloch vstrekovača ako sú časti servoventilu a ihly vstrekovacej dýzy, je perfektná tesnosť zárukou opakovanej schopnosti veľmi presného dávkovania aj nepatrných objemov paliva. Aj vďaka tomu dokážu vstrekovače pri pilotnom vstreku odmerať a vstreknúť dávku iba 0,3 mm3, čo je asi 7-krát menej než je objem špendlíkovej hlavičky. Vzhľadom na nemožnosť aplikovania tesnenia medzi pohybujúce sa kľúčové komponenty vstrekovača pracujúcich v prostredí extrémných tlakov paliva (135– 200 MPa), je jedinou možnosťou dosiahnutia takmer dokonalej tesnosti trecej dvojice ich mimoriadne presné rozmerové i geometrické opracovanie. Úniku kvapaliny (nafty) stlačenej na extrémnu hodnotu, má zabrániť vôľa medzi dvomi kovovými plochami veľkosti baktérií či kvasiniek, resp. asi 15-krát menšia ako je priemerná hrúbka ľudského vlasu!!!
Rýchlosť zdvihu ihly dýzy (1-3 m/s) – napriek zdanlivo malej rýchlosti pohybu ihly v porovnaní s ostatnými úctihodnými parametrami vstrekovača, ide o postačujúcu rýchlosť. Teoreticky už pri rýchlosti 1 m/s prekoná ihla vstrekovacej dýzy dráhu 0,25 mm za čas iba 250 µs (0,000 25 s). Prakticky je však tento čas dlhší v dôsledku mechanickej a hydraulickej zotrvačnosti systému ovládania zdvihu ihly. Rýchlosť pohybu 3 m/s dosahujú ihly vstrekovacích dýz s piezoelektrickým priamočinným ovládaním (napr. DELPHI model DFI3). Nahradením mechanických dielov servoventilu či regulačného piestika stĺpcom stlačeného paliva v kombinácii s rýchlejšou reakciou piezoelektrického bloku, sa 3-násobne urýchlila hydraulická odozva ihly vstrekovacej dýzy.
Počet vstrekov na jeden pracovný cyklus (2 až 7-krát) – požiadavka znižovania emisií, spotreby paliva, hluku a vibracií na jednej strane a zvyšovania výkonu motorov a priebehu krútiaceho momentu na strane druhej, viedla k potrebe aplikovania viacnásobného vstrekovania paliva s cieľom optimalizovať proces spaľovania. Rozdelenie vstrekovacieho cyklu na parciálne dávky umožňuje lepšie tvarovanie krivky nárastu teploty a tlaku v spaľovacom priestore. V porovnaní s konvenčnými mechanickými vstrekovačmi CR vstrekovač vykoná pri rovnakom celkovom počte otáčok motora min. 2 až 5-násobne väčší počet zdvihov ako obyčajné mechanické vstrekovače vrátane dvojpružinových!! Pritom od CR vstrekovačov očakáva väčšina motoristov životnosť prinajmenšom na úrovni životnosti motora cca 300 000 km (u osobných vozidiel), či dokonca vyššiu! Ak k drastickému nárastu počtu zdvihov pripočítame mimoriadne malé výrobné tolerancie dielov CR vstrekovačov nevyhnutné pre efektívnu prácu s extrémnými tlakmi paliva, iba prehltnutá kontaktná šošovka neuvidí súvislosť medzi životnosťou CR vstrekovačov a čistotou paliva, resp. celej palivovej sústavy ako takej! Už dnes sa pritom montujú piezoelektrické vstrekovače so schopnosťou až 7-násobného delenia vstreku na jeden spaľovací cyklus (Mercedes-Benz C250 CDI BlueEFFICIENCY, Škoda Octavia II a Superb II s motorom 1,6 TDI CR).

Počet zdvihov ihly (parciálných vstrekov) vstrekovacej dýzy za 1 sekundu v závislosti od otáčok motora a delenia vstreku na jeden spaľovací cyklus 4-valcového vznetového motora

Hodnoty v zátvorkach sú len hypotetické, v praxi je príliš krátky čas na ich realizáciu.

Dávkovanie paliva na jeden pracovný cyklus (0,3– 70– 350 mm3) – pre osobné automobily predstavuje pilotná dávka objem vstreknutého paliva 0,3 až 3 mm3 (objem špendlíkovej hlavičky je cca 2 mm3) a objem hlavnej dávky max. 70 mm3. U výkonných motorov nákladných vozidiel, autobusov, poľnohospodárských či stavebných strojov sa pohybuje objem vstrekovaného množstva od 3 do 350 mm3 (cca 12 veľkých dažďových kvapiek).

Počet výstrekových otvorov (5– 10 otvorov) – nárast počtu otvorov CR vstrekovačov súvisí s potrebou vstrekovania väčšieho množstva paliva stále menšími otvormi u čoraz výkonnejších motorov. Pri požiadavke zachovania schopnosti dýzy zabezpečiť čo najemnejšie rozprášenie paliva je nevyhnutné dopraviť väčšiu dávku nafty do spaľovacieho priestoru zvýšeným počtom výstrekových otvorov dýzy. Zároveň sa väčším počtom výstrekových lúčov efektívnejšie využije náplň prítomného vzduchu pre rovnomernejšie prehorenie paliva v celom objeme spaľovacieho priestoru.

Veľkosť výstrekových otvorov dýzy (98– 400 µm) – zmenšovanie otvorov dýz CR vstrekovačov, ide ruka v ruke s požiadavkou čo najdokonalejšieho rozprášenia („atomizácie“) paliva. Spolu s extrémnym vstrekovacím tlakom sa priemer vznikajúcich kvapôčok paliva darí zmenšovať až na súčasnú úroveň 9-30 µm (0,009- 0,03 mm). Menšie kvapôčky paliva sa lepšie premiešajú s horúcim vzduchom a zároveň rýchlejšie odparia, čím sa skráti čas od začatia vstrekovania paliva až po začatie horenia, t.j. prieťah vznietenia. Súčasné osobné automobily s vysokootáčkovými vznetovými motormi s kratším dispozičným časom na prehorenie paliva, využívajú priemery výstrekových otvorov okolo 0,1 mm. Väčšie otvory dýz (0,25 až 0,4 mm) sú charakteristické pre výkonné motory nákladných áut, autobusov, poľnohospodárských a stavebných mechanizmov, u ktorých je potrebné realizovať vstrekovanie väčších dávok paliva.

Veľkosť priemeru kvapiek vstrekovaného paliva (9– 30 µm) – čoraz menší prierez otvorov dýz CR vstrekovačov v kombinácii s extrémnym vstrekovacím tlakom má za následok zvýšenie rýchlostí výstrekových lúčov nad 2 000 km/h. Vzrastajúce trenie a turbulencia prúdiacej kvapaliny v otvore dýzy, ako aj odpor stlačeného vzduchu v spaľovacom priestore, vedie k tvorbe kvapiek paliva s veľmi malým priemerom na úrovni hmloviny.

REÁLNA ŽIVOTNOSŤ VSTREKOVAČOV OSOBNÝCH AUTOMOBILOV
Uvažovať o životnosti CR vstrekovačov ako o dobe totožnej s celkovou životnosťou motora je v súčasnosti technicky neopodstatnené. Napriek obrovskému progresu v uplatňovaní nových materiálov a technológií výroby faktom zostáva, že životnosť CR vstrekovačov osobných vozidiel na úrovni cca 300 000 km, či dokonca vysnívaných symbolických 500 000 km bez nutnosti opravy, nie je žiadna samozrejmosť. Popri čoraz extrémnejších prevádzkových podmienkach v podobe enormných vstrekovacích tlakov na hranici materiálovej únosnosti a drastickému nárastu celkového počtu zdvihov pohyblivých dielov CR vstrekovačov, je takmer nereálne očakávať, že sa „v pohode dožijú“, t.j. bez výrazného pričinenia majiteľa vozidla, minimálne 300 000 najazdených kilometrov. Aj tu platí, viac než kedykoľvek predtým, staré známe: „Kto sa stará - ten má...!“. Výrobcovia vstrekovacích systémov o tejto problematike hovoria len veľmi málo. Otvorene o životnosti vstrekovačov hovorí firma DELPHI vo svojom všeobecnom doporučení o potrebe výmeny vstrekovacích dýz po 50 000 km a celých vstrekovačov po 110 000 km. Nejde pritom o kilometre, pri ktorých sa stanú dýza, resp. vstrekovač úplne nefunkčnými, ale o približné hodnoty, od ktorých sa ich funkcia začína spravidla výraznejšie zhoršovať a prejavovať i na parametroch motora (vyššie emisie, spotreba, hlučnosť, vibrácie počas voľnobehu, menší výkon atď.). Testovanie vstrekovačov spoločnosti DELPHI za presne definovaných podmienok viac či menej odlišných od reálnej prevádzky vozidla, preukázalo životnosť prvých modelov CR vstrekovačov DELPHI s označením DFI 1.2 a 1.3 na úrovni 250 000 km. Pri ďalšej generácii vstrekovačov s označením DFI 1.4 predstavovala plánovaná životnosť 400 000 km. Napriek pochopiteľným odchylkám v konštrukcii, v technológiach výroby a použitých materiáloch možno povedať, že u ostatných producentov vstrekovacích systémov CR je maximálna životnosť vstrekovačov podobná. Faktom zostáva, že stretnúť v reálnom živote zákazníka, ktorý nám privezie na opravu auto po odjazdení cca 300 000 km bez toho, aby boli vstrekovače (bezohľadu na značku či prevedenie) opravované, je dôvodom pre otvorenie flaše šampanského. No treba tiež dodať, že ak sa tak stane a my máme tú česť sa s takýmto zákazníkom porozprávať, ide často o človeka s veľkým pochopením pre základné potreby svojho auta...