Jest wiele wynalazków, które zmieniły postęp w rolnictwie. Jednak jeden z nich zasługuje na szczególną uwagę, bo rewolucyjnie wpłynął na rozwój silników w naszych ciągnikach. To common rail – system, który powstał, gdy włoski Fiat postanowił dobrać się do… wydechu Volkswagenowi. I dobrał się. Oj, dobrał.
Pewnie mało kto zdaje sobie dziś sprawę, jaką potęgą była (i żeby nie było, nadal jest) we Włoszech firma Fiat. Choć dziś najczęściej kojarzymy ją z małymi autkami, to były w historii motoryzacji dekady, gdy to Fiat nadawał styl i rytm motoryzacyjnej modzie. Jakby było mało, silniki Fiata były absolutnym technicznym majstersztykiem i żadna europejska marka (w tym przez lata niemieckie) nie mogła dogonić wyrafinowanych parametrów włoskich motorów napędowych.
W połowie lat 70. nastał kryzys paliwowy i w kilka lat później klienci żądali oszczędnych dieslowskich jednostek w swoich nawet mniejszych autach. Fiat mocno rozwijał już technikę lekkich i mocnych silników wysokoprężnych, które cieszyły się bardzo dobrą opinią. Jednak to w 1989 r. Volkswagen swoim TDI z pompowtryskiwaczami rozbił bank, zrzucając Włochów do drugiej ligi.
W turyńskiej siedzibie Fiata zawrzało, bo tak nie mogło być. Choć w palecie diesli Włochów od połowy lat 80. królowały znakomite, turbodoładowane 1,9 TD i.d. oraz 2,5 TD, które przewyższały konkurencję, to zamożni klienci woleli auta Volkswagena. Potrzebny był technologiczny przełom, bo z diesli na standardowej rozdzielaczowej pompie wtryskowej już się więcej nie dało wycisnąć, a kopiować pomysły VW (wraz z ich niedoskonałościami) Fiatowi nie przystawało.
Podwójne espresso – włoska broń ostateczna
Pewnego dnia w Turynie zapadła decyzja, która ostatecznie zmieniła nie tylko historię wysokoprężnych jednostek napędowych w samochodach, ale i, jak się niedługo okaże, także w ciągnikach i pojazdach rolniczych. Inżynierowie Fiata zaprosili na wspólne pogawędki przy makaronie i winie statecznych, wąsatych Niemców z Boscha, oznajmiając im po kilku butelkach wybornego merlota: “Zbudujemy silnik diesla od nowa”. Zachowawczy Niemcy coś kręcili nosem, ale Włosi sięgnęli po broń ostateczną – podwójne espresso. Tak nim nakręcili inżynierów, że ci już bez marudzenia wzięli się do roboty.
Już od dawna było wiadomo, że jednym z najsłabszych ogniw silników diesla jest pompa wtryskowa. Wytwarza ona ciśnienie, które przełamując opór sprężyny, otwiera wtryskiwacz, a ten dozuje ściśle określoną porcję paliwa do komory spalania. Dużo w niej precyzyjnej mechaniki i mało subtelności. Nie można też w momencie wtrysku precyzyjnie sterować samą dawką, a przez to wpływać na sposób i długość spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze.
Volkswagen w swoim systemie TDI sterowanie dawkowaniem przerzucił na mechaniczne pompowtryskiwacze. Miało swoje wady w postaci sporego hałasu silnika brzmiącego jak wsypywanie gwoździ do garnka. Fiat chciał uniknąć takich niedoskonałości.
Co zatem zrobiono? Faktycznie postanowiono zbudować silnik diesla od nowa i po pierwsze wywalono pompę wtryskową. Bezapelacyjnie. Po co mechanicznie sterować dawką paliwa za pomocą zawodnej pompy? Mogą to robić same wtryskiwacze, wprowadzając do komory spalania dokładnie tyle paliwa, ile trzeba w danej chwili. I to pozwala niesłychanie precyzyjnie dawkować paliwo w zależności od obrotów silnika czy jego obciążenia.
Wystarczy im do tego odpowiednio zaprogramowana jednostka sterująca wyposażona w pamięć z mapami sterowania silnikiem, czyli mikrokomputer. To on wysyłając sygnał “otwórz”, mówi, kiedy i ile paliwa ma się dostać do komory spalania oraz, i tu nastąpił absolutny przebłysk geniuszu inżynierów – w jaki sposób ma się tam dostać.
Ale o tym za chwilę.
Wspólna szyna, czyli common rail
Do takich elektronicznie sterowanych przez komputer wtryskiwaczy potrzeba było jednak dostarczyć ciśnienie paliwa. Skoro wywalono pompę wtryskową, która za nie odpowiadała, trzeba było zrobić to inaczej. I zrobiono.
Wielofunkcyjną pompę wtryskową (której praca zależy przecież od samych obrotów silnika), jaka tłoczyła do tej pory ciśnienie na poszczególne wtryskiwacze, zastąpiono prostszym i genialnym rozwiązaniem. Pompa i owszem jest, jednak tu nie pompuje ona ciśnienia bezpośrednio do samych wtryskiwaczy, a do specjalnego zbiornika – akumulatora ciśnienia. To on zwany jest z angielska “wspólną szyną”, czyli właśnie common rail. A co nam to daje?
Oj sporo. Ciśnienia oczywiście, bo to o nie tu chodzi. Pompa ciśnienia ma w tym przypadku tylko jedno zadanie – pompować i utrzymać w akumulatorze (szynie) odpowiednio wysokie ciśnienie paliwa, które krótkimi przewodami podawane jest do wtryskiwaczy. Jakie to ciśnienie?
Od samego początku instalacja common rail została zaprojektowana do pracy z ogromnymi jak na dotychczas znane w klasycznych układach wtryskowych ciśnieniami. Te pierwsze układy CR miały 1000 barów, ale produkcyjne już 1300. Następnie ciśnienia już tylko rosły, osiągając standardowe dziś 1800 do 2000 barów. Jednak są dziś silniki, które w szynie mają nawet 2500 barów, czyli mniej więcej tyle atmosfer. Rodzi się tu pytanie: po co aż tak wysokie ciśnienie paliwa w szynie (akumulatorze) common rail?
Ciśnienie ma znaczenie, a potem dzieją się cuda
Wróćmy teraz do sterowanego cyfrowymi impulsami wtryskiwacza, któremu na wejściu podawane jest z szyny CR tak wysokie ciśnienie. Mechaniczny wtryskiwacz starego systemu działa zero-jedynkowo – włącz/wyłącz albo jak kto woli: otwórz – wytryśnij dawkę paliwa – zamknij. Wtryskiwacz systemu common rail to zupełnie inna bajka. To istna magia, która oparta została na gruntownej analizie termodynamiki spalania gazów w komorze cylindra. Bo ciśnienie ma znaczenie, a potem dzieją się cuda.
Przez to, że jest całkowicie niezależny i sterowany programem komputera, moment otwarcia wtryskiwacza systemu CR jest zmienny. Mało tego – dawka paliwa też nie jest stała, a zmienia się w zależności od obciążenia silnika i jego obrotów. I co bodajże najważniejsze i wpływające na moc, zużycie paliwa i kulturę pracy silnika z systemem common rail – nie ma tu jednej dawki paliwa. Jest, czy może być, ich kilka. Jak i po co?
Już dawno inżynierowie odkryli, że na skuteczność spalania paliwa w komorze cylindra ma wpływ to, jak zostanie ono w niej rozpylone. Stąd właśnie już kilkadziesiąt lat temu pojawiły się wielootworkowe końcówki wtrysku, jakie zapewne niejednokrotnie widzieliście. Dokładne rozpylenie to zarówno więcej mocy, jak i mniej zużytego paliwa na jej jednostkę. W przypadku systemu common rail skuteczność samego wtrysku i rozpylenia paliwa osiągnęła niemal perfekcję, a to dzięki właściwościom, jakie w tym przypadku oferuje nam wtryskiwacz i komputerowy nadzór nad jego pracą.
Dzięki cyfrowemu sterowaniu moment otwarcia wtryskiwacza przebiega błyskawicznie. Na tyle szybko, że dla optymalnego rozpylenia paliwa może być ono “wstrzykiwane” do cylindra nie jednorazowo, ale nawet w kilku fazach. Pierwszą może być dawka pilotażowa, która ma za zadanie wstępne, równomierne nagrzanie komory spalania. Następna, główna dawka może mieć jedną lub kilka szybko następujących po sobie faz.
Pozwalają one na stworzenie jednorodnej “mgły” paliwowej i poprawienie skuteczności spalania. Taka operacja wpływa też zarówno na szybkość samego zapłonu, jak i na zwolnienie nagłego przyrostu temperatury i ciśnienia. A wszystkie te gładko przebiegające operacje powodują znaczące obniżenie hałasu pracy silnika i dlatego też silniki z CR pracują tak miękko.
Pewnie zastanawiacie się, czy układ common rail stosowany w silnikach diesla ma wady. Dziś, po ponad ćwierć wieku od jego handlowej premiery większość pierwszych niedomagań została wyeliminowana. Technika sterowania, części, a nawet oprogramowanie są już prawie doskonałe. To tak dobry i sprawdzony system zasilania, że stosuje go już niemal każdy producent silników diesla. Nawet Volkswagen.
A jeśli mam wspomnieć o wadzie, to ze względu na niesłychanie precyzyjną budowę pompy i wtryskiwaczy układ ten potrzebuje wyrafinowanej filtracji paliwa. Dlatego w silnikach z CR znajdziemy co najmniej dwa jego filtry, które należy regularnie wymieniać.
Common rail w silniku ciągnika – jak to jest zrobione?
Po tej sporej dawce teorii przyjrzyjmy się w końcu, jak to wszystko działa. Spójrzcie na grafikę poniżej. Pokazany jest tu schemat budowy układu common rail w silnikach FTP. Na żółto zaznaczona jest wspólna dla wtryskiwaczy szyna paliwowa – akumulator ciśnienia. Czerwone przewody to wysokie ciśnienie, a niebieskim kolorem oznaczono niskie.
Grafika FTP
1 – pompa paliwowa wysokiego ciśnienia
2 – jednostka dozująca paliwo
3 – czujnik ciśnienia w szynie paliwowej
4 – wtryskiwacze elektryczne
5 – jednostka sterująca (mikrokomputer)
6 – zbiornik paliwa
7 – zawór nadciśnieniowy (utrzymuje stałe ciśnienie paliwa w szynie)
8 i 9 – filtry paliwa
Widać tu wyraźnie całą zasadę działania systemu common rail w nowoczesnych silnikach diesla.
Nieprzypadkowo dużo miejsca poświęciłem dziś skróconej nieco historii powstania systemu common rail i motoryzacyjnym odniesieniom do firmy Fiat. To ta włoska firma jest nierozerwalnie związana z powstaniem i wdrożeniem do masowej produkcji systemu zasilania common rail w silnikach diesla. Nic dziwnego też, że to w autach tego koncernu pojawiły się one po raz pierwszy. A jak się to ma do naszych nowoczesnych ciągników?
Dziś system CR znajdziemy niemal w każdym silniku ciągnikowym (o mocy powyżej 60 KM). Dziedzictwo genialnych włoskich inżynierów Fiata utrzymywane jest obecnie w kombajnach, ładowarkach, opryskiwaczach czy innych maszynach dzięki silnikom produkowanym przez FTP, czyli Fiat PowerTrain. Utrzymywane oczywiście także w traktorach, bo silniki tego producenta znajdziecie przecież w swoich ciągnikach New Holland, Case IH czy Steyr i wielu innych.
Odpalając je następnym razem i słuchając brzmienia ich silnika, pomyślcie, że wszystko zaczęło się od aut, makaronu, wina i podwójnego espresso.
