Jak działają układy wtryskowe w samochodach z silnikiem diesla?

Różnica między autami z silnikiem benzynowym a popularnymi dieslami nie ogranicza się tylko do nazwy czy drobnych niuansów. W obu rodzajach silnika paliwo jest przekazywane do jednostki napędowej w zupełnie odmienny sposób. Z naszego artykułu dowiesz się, jak działają układy wtryskowe w samochodach z silnikiem wysokoprężnym.

Specyfika układu wtrysku w silnikach diesla

Zastanawiasz się, na czym, oprócz nazwy i innego rodzaju wlewanego paliwa, polega zasadnicza różnica między silnikami benzynowym a jednostką napędową diesla? W tym pierwszym do komory spalania znajdującej się nad tłokiem trafia mieszanka paliwa i powietrza. Po tym, jak zostaje ona sprężona, wskutek przeskoku iskry elektrycznej na elektrodach świecy zapłonowej, następuje jej zapłon. Z tego powodu samochody z silnikiem benzynowym są nazywane również jednostkami z zapłonem iskrowym.

W silnikach diesla natomiast do komory spalania trafia najpierw samo powietrze, które jest sprężane przez tłok. Pod wpływem wysokiego ciśnienia (co najmniej 40 barów, stąd nazwa silniki wysokoprężne) nagrzewa się ono do temperatury 600-800 ° C. Wtrysk paliwa i kontakt z tak gorącym powietrza prowadzi do jego momentalnego samozapłonu w komorze spalania. Przebieg tego procesu sprawia, że jednostki diesla określa się tez mianem silników z zapłonem samoczynnym.

W samochodach z silnikiem diesla, odkąd trafiły one do produkcji, zasilanie odbywa się zawsze na drodze wtrysku paliwa do komory spalania. Przez kolektor dolotowy natomiast do silnika trafia wyłącznie powietrze.

Główne zadanie układu wtryskowego w silnikach diesla to podanie paliwa nie tylko we właściwej dawce, ale też pod możliwie wysokim ciśnieniem i w określonym czasie. Paliwo, czyli olej napędowy jest wtryskiwane dopiero w końcowej fazie suwu sprężania, gdy w komorze spalania panuje odpowiednio wysoka temperatura i występuje bardzo wysokie ciśnienie. Odpowiednio działający układ wtryskowy ma kolosalne znaczenie dla charakterystyki i najważniejszych osiągów silnika.

Ze względu na budowę komory, a konkretnie z uwagi na to, czy jest ona dzielona, czy nie, wyróżnia się silniki diesla z wtryskiem bezpośrednim lub pośrednim.

Silniki z wtryskiem bezpośrednim

Początkowo, a więc od 1887 r. wszystkie silniki diesla posiadały bezpośredni układ wtryskowy. Stwarzały one jednak wiele problemów, takich, jak twarda praca silników (prowadząco do szybkich uszkodzeń wału korbowego) czy ich duża głośność. Nie potrafiono też wykorzystać ich wszystkich zalet, przede wszystkim niewielkiego spalania paliwa (nie przebiegało ono w sposób optymalny) i niskiej utraty ciepła. Z tych powodów w 1909 r. zrezygnowano z silników z w wtryskiem bezpośrednim na rzecz tych z wtryskiem pośrednim, których hegemonia trwała aż do 1987 r. Wówczas rozpoczęto seryjną produkcję Fiata Cromy 1.9 TDI. Obecnie wtrysk bezpośredni wykorzystuje się powszechnie w jednostkach diesla samochodów osobowych.

Wtrysk bezpośredni – pompy wtryskowe i pompowtryskiwacze

W silnikach wysokoprężnych jedną z technologii wtrysku bezpośredniego jest zastosowanie rzędowych (obsługujących wszystkie cylindry naraz) pomp wtryskowych, które dzięki połączonym z nimi specjalnymi przewodami wtryskiwaczom dostarczają paliwo do cylindrów. Te sterowane mechanicznie nie zapewniały odpowiedniego ciśnienia, dobrej pracy silnika, optymalnego spalania paliwa i niskiej emisji spalin, dlatego zastąpiono je najpierw pompami sterowanymi elektrycznie, a potem elektronicznie. Te ostatnie to indywidualne, jednosekcyjne pompy wtryskowe połączone krótkim przewodem z wtryskiwaczem. Obsługują one każdy cylinder z osobna. Maksymalne ciśnienie wtrysku, jakie wytwarzają to 1800 barów.       

Pompowtryskiwacze z natomiast po raz pierwszy wprowadził Volkswagen w 1998 r. w swoim Passacie B5 1.9 TDI. Są to specjalne wtryskiwacze zaopatrzone we własną pompę (nie są z nią połączone żadnymi przewodami), napędzane mechanicznie od wałka rozrządu, które sprężają i wtryskują paliwo do odpowiednich komór spalania. W porównaniu z pompami wtryskowymi zapewniają bardziej precyzyjny wtrysk paliwa, a dodatkowo eliminują pulsację przewodów. Ciśnienie wtrysku jest bardzo wysokie i przekracza 2000, a sięga nawet 2200 barów. Stanowi to jednak duże obciążenie wałka rozrządu, który zużywa się w takim układzie dużo szybciej. Silnik diesla z pompowtryskiwaczem pracuje też dosyć twardo i głośno, a do tego stwarza problemy związane z dużą toksycznością spalin. Z tego powodu stosunkowo szybko zrezygnowano z jego produkcji i to nawet mimo niewątpliwych zalet, takich, jak duża sprawność czy niewielkie zużycie paliwa.

Wtrysk bezpośredni – common rail

Ten elektronicznie sterowany układ bezpośredniego wtrysku paliwa to rewolucja na rynku samochodów z silnikiem diesla. W systemie common rail wprowadzenie paliwa do komory spalania odbywa się poprzez uruchomienie impulsami elektromagnetycznego zaworu we wtryskiwaczu. Nowością jest w nim to, że nie występują komory wstępne i wirowe, zaś wtryskiwacz podaje paliwo bezpośrednio do cylindra. Nie trafia jednak ono do wtryskiwaczy z pompy, lecz ze specjalnego zasobnika – wysokociśnieniowej, wspólnej szyny (z angielskiego właśnie common rail). To swego rodzaju akumulator wysokiego ciśnienia. Dlaczego? 

Dlatego, że utrzymuje on wysokie ciśnienie wytworzone przez pompę i zastępują ją w dostarczaniu paliwa do wtryskiwaczy. W ten sposób procesy wytwarzania wysokiego ciśnienia i wtrysku zostają rozdzielone. Umożliwia to realizowanie wielu, nawet do 8 faz w jednym wtrysku, co skutkuje optymalnym spalaniem paliwa przy stopniowym wzroście ciśnienia. Sprawia też, że uzyskuje się takie samo ciśnienie dla każdego z cylindrów. Dodatkowo podział cyklu wtrysku na wstępny, zasadniczy i dotrysk zapewnia mniejszy hałas podczas spalania, wpływa na poprawę efektywności pracy silnika i skutkuje obniżeniem emisji spalin. Trzeba jednak pamiętać o tym, by do samochodów z systemem common rail tankować paliwo najwyższej jakości. W przeciwnym razie wzrasta ryzyko uszkodzeń układu wtrysku – wyjaśnia przedstawiciel firmy Turbo Injector z Krakowa, zajmującej się m.in. serwisem i naprawą układów wtryskowych w samochodach z silnikiem diesla.

System common rail ulegał niewielkim modyfikacjom. Np. firma Delphi w miejsce pompy wysokiego ciśnienia wprowadziła dwie pompy jednosekcyjne. Zapewniało to wyższy poziom kontroli nad wtryskiwanym paliwem przy jeszcze wyższym ciśnieniu, dochodzącym do nawet 2400 barów.

Silniki z wtryskiem pośrednim

W silnikach benzynowych wtrysk pośredni oznacza podanie mieszanki paliwa i powietrza do kolektora dolotowego. W jednostkach diesla to dostarczenie paliwa do komory spalania (podobnie jak w układzie wtrysku bezpośredniego), ale podzielonej na dwie części, połączone kanałem bądź kanałami. Pierwsza z nich to komora pomocnicza, przy której zamontowany jest wtryskiwacz. Do niej właśnie wtryskiwane jest paliwo i to w niej następuje zapłon. Dopiero jednak w drugiej części – zasadniczej, umieszczonej bezpośrednio nad tłokiem, dochodzi do jego pełnego spalania.

Z uwagi na budowę i funkcję w układzie wtrysku pośredniego wyróżnia się komory wstępne i wirowe. Pierwsze z nich zajmują około 20-40% objętości przestrzeni spalania. Wtryskiwacz jest umieszczony w ich górnym dnie. Spalanie przebiega w nich dwufazowo. Najpierw następuje wtrysk paliwa i wtłoczenie powietrza. Zetknięcie się tych dwóch substancji prowadzi do powstania ognisk samozapłonu. Następnie dochodzi do przepływu mieszaniny gazów spalinowych, powietrza i cząstek nieodparowanego paliwa przez otwory w dnie komory do przestrzeni nad tłokiem, gdzie odbywa się dalsza część procesu spalania.

Komory wirowe z kolei zajmują aż 50-80% objętości przestrzeni spalania. Zazwyczaj stanowią osobne elementy wprasowane w głowicę. Są połączone z przestrzenią nad tłokiem kanałem stycznych do jej ścian, a od dołu zamknięte specjalną stalową wkładką, która dodatkowo podnosi temperaturę i ułatwia samozapłon. Jak sama nazwa wskazuje, właściwe wymieszanie wtryśniętego paliwa z gorącym powietrzem dokonuje się w nich poprzez wirowy ruch powietrza. Odpowiednia dawka paliwa powinna jak najszybciej ulec samozapłonowi. Dzięki ciągłości płomienia podobnie dzieje się z kolejnymi porcjami oleju napędowego.

Silniki diesla z pośrednim układem wtrysku pracują stosunkowo miękko. Zużywają jednak więcej paliwa i są mniej sprawne niż jednostki z bezpośrednim układem wtrysku. Stanowią swego rodzaju anachronizm, gdyż występują tylko w nielicznych produkowanych obecnie modelach samochodów.

Wiesz już, jak działają układy wtryskowe w autach z silnikiem diesla. Niezależnie od tego, czy posiadasz auto z pośrednim układem wtrysku, pompą wtryskową, pompowtryskiwaczem, czy systemem common rail, pamiętaj o odpowiedniej eksploatacji pojazdu i tankowaniu dobrej jakości paliwa. W razie awarii i potrzeby naprawy udaj się do profesjonalnego serwisu układów wtryskowych.