Praca silnika zależy od układu zasilania

0
3316

Podstawowym zespołem silnika spalinowego w ciągniku rolniczym jest układ zasilania, a w nim najważniejszym elementem jest pompa wtryskowa. Zadaniem wtryskowego układu zasilania jest podawanie paliwa do cylindrów w odpowiednim czasie oraz w ilości i postaci zapewniających jak najlepsze ich pełne spalanie.

Pojedyncze dawki paliwa muszą być dokładnie odmierzone, jednakowe dla wszystkich cylindrów i podane pod wysokim ciśnieniem, zapewniającym dokładne rozpylenie i dobre wymieszanie z powietrzem w komorze spalania. Do układu zasilania należą urządzenia oczyszczające i doprowadzające do cylindrów silnika powietrze i paliwo.

Ciągniki wykorzystywane w rolnictwie, wyposażone w silniki wysokoprężne, działają przeważnie w otoczeniu o dużym zapyleniu. Cząstki o dużej średnicy oraz twardości, które dostają się do cylindrów powodują szybsze zużycie podzespołów silnika. We współczesnych silnikach do filtracji powietrza używane są filtry kombinowane, składające się z filtru bezwładnościowego oraz pochłaniającego. Zanieczyszczenia o większych gabarytach są pochłaniane z powietrza w pierwszej fazie za pomocą filtra bezwładnościowego i składowane w osadniku. Wstępnie oczyszczone powietrze przechodzi z kolei przez kąpiel olejową i mokre wkłady filtrujące i zasysane jest po dalszym oczyszczeniu do cylindrów silnika. Działanie tych filtrów jest skuteczne – zatrzymują one ponad 99,5% zanieczyszczeń.

Ze zbiornika paliwo pobierane jest poprzez pompę zasilającą i podaje je do filtrów paliwowych. Oczyszczone paliwo dopływa do pompy wtryskowej, która tłoczy je pod wysokim ciśnieniem przez wtryskiwacze do cylindrów silnika. Pompa zasilająca powinna podawać paliwo (oczyszczone) do pompy wtryskowej w nadmiarze, aby nie wystąpił niedobór paliwa w okresach jego maksymalnego zużycia. Ponieważ między pompą zasilającą a pompą wtryskową znajdują się filtry paliwa powodujące znaczne opory przepływu paliwa, które powinno być podawane pod ciśnieniem kilku bar do ich pokonania. Jako pompy zasilające stosuje się pompy przeponowe, tłoczkowe, rolkowo-komorowe.

Do czyszczenia paliwa służą filtry, które maja zapewnić przegrodę przesączalną dla paliwa, a zatrzymującą zanieczyszczenia. Ze względu na dokładność oczyszczania filtry dzielą się na filtry wstępnego oczyszczania połączony z separatorem wody oraz filtry dokładnego oczyszczania. W nowoczesnych silnikach separatory wody są często wyposażone w czujniki sygnalizujące usunięcie wody z filtru przez zapalenie kontrolki na tablicy rozdzielczej ciągnika. Ze względu na wysokie wymagania dotyczące czystości paliwa powszechnie stosuje się filtry dwukomorowe (dwustopniowe) z różnymi wkładami czyszczącymi. W pierwszym stopniu filtrowania stosuje się wkłady filcowe lub papierowe, natomiast w drugim – wkłady papierowe. W silniku np. ciągnika Deutz Fahr wyposażonego w układ wtrysku paliwa Common Rail stosowane są dwustopniowe filtry paliwa z separatorem zanieczyszczeń (30μm) przystosowany do szybkiego usuwania osadów stałych. Filtry paliwowe potrafią zatrzymać ponad 98% cząstek o średnicy 2-4 μm.

Oczyszczone paliwo podawane jest do pompy wtryskowej lub pompy wysokiego ciśnienia w układzie wtryskowym Common Rail, a następnie przewodami wysokiego ciśnienia do wtryskiwaczy. Pompa wtryskowa jest najbardziej skomplikowanym i precyzyjnym mechanizmem w układzie zasilania. Zadaniem pompy wtryskowej jest dostarczanie w odpowiednim czasie do wtryskiwaczy ściśle odmierzonych dawek paliwa. W zależności od konstrukcji wyróżnia się dwa rodzaje pomp wtryskowych, pompy sekcyjne i rozdzielaczowe. Wielkość dawki w pompie wtryskowej sekcyjnej regulowana jest poprzez obrót tłoczków. Zmiany ilości tłoczonego paliwa występują dzięki temu, że tłoczki posiadają spiralnie naciętą krawędź sterującą i wraz ze zmianą ich kątowego położenia zmienia się efektywny skok, na jakim sekcje tłoczą paliwo. W pompach wtryskowych wielosekcyjnych bardzo ważne jest dokładne wyregulowanie poszczególnych sekcji tak, aby wszystkie podawały jednakową ilość paliwa do wtryskiwaczy. Niestety, każda z sekcji wymaga oddzielnej kalibracji. Stąd pompy rzędowe ustąpiły miejsca bardziej za awansowanym pompom rozdzielaczowym (rotacyjnym).

Pompy tego rodzaju mają jedną sekcję tłoczącą, ale wyposażone są w obrotowy rozdzielacz. Zadaniem rozdzielacza jest skierowanie paliwa do odpowiednich cylindrów. Pompa rozdzielaczowa posiada jedną charakterystykę o zmiennym początku i stałym końcu wtrysku. Z tego powodu instalacja hydraulicznego wtrysku paliwa wymaga regulatora kąta początku wtrysku, bo ze zmniejszaniem dawki paliwa opóźnia się moment rozpoczęcia wtrysku. W stosunku do pompy wtryskowej posiada szereg zalet, takich jak: dokładniejsze dawkowanie paliwa, łatwiejsza regulacja, mniejsze jednostkowe zużycie paliwa przez silnik, mniejsza ilość elementów precyzyjnych, prostą budowę, tania w naprawie. Posiada również wady: nie spełnianie aktualnych norm czystości spalin, emisję dwutlenku węgla na jednostkę pracy. Są wypierane przez nowsze systemy hydraulicznego wtrysku paliwa, do których należą: pompowtryskiwacze i Common Rail. Ostatnim ogniwem układu zasilania stanowi wtryskiwacz. Zadaniem wtryskiwaczy jest podanie do cylindrów paliwa w postaci rozpylonej pod odpowiednim ciśnieniem. Wtryskiwacz jest połączeniem zaworu i dyszy rozpylającej paliwo. Zadaniem zaworu jest szczelne zamknięcie połączenia między układem paliwowym i komorą spalania czasie, gdy nie występuje wtrysk paliwa. Otwieranie zaworu wtryskiwacza w pompach sekcyjnych odbywa się samoczynnie, po przekroczeniu odpowiedniego ciśnienia w przewodzie wtryskowym łączącym wtryskiwacze z pompą wtryskową. W nowszych rozwiązaniach, tj. w silnikach w układach z pompowtryskiwaczami otwarcie zaworu, odbywa się za pomocą elektronicznie sterowanych elektrozaworów upustowych, zaś w silnikach z układem Common Rail otwarcie zaworu wtryskiwacza odbywa się za pomocą impulsów elektrycznych wysyłanych przez sterownik silnika.

Niezależnie od konstrukcji, pompy wtryskowe nie są w stanie zapewnić odpowiednio wysokiego ciśnienia wtrysku oraz dokładnego dawkowania tak, aby możliwe było spełnienie m.in.: lepszego spalania paliwa i sprostanie ostrzejszych norm emisji spalin. To spełniają w dużym stopniu nowe systemy zasilania – Common Rail i pompowtryskiwacze.

System zasilania Common Rail to lepsze spalanie paliwa, wysoka sprawność termodynamiczna, zmniejszenie wydzielania ciepła, redukcja poziomu hałasu, zmniejszenie emisji zanieczyszczeń oraz łatwość uzyskania wysokich parametrów użytkowych. Jego wadą jest duża wrażliwość na czystość paliwa, związana bardzo precyzyjnym wykonaniem wtryskiwaczy. Zasada pracy układu Common Rail polega na wykorzystaniu ciśnienia cieczy zgromadzonej w tzw. szynie „akumulatorze hydraulicznym” wspólnego dla wszystkich wtryskiwaczy. Zastosowanie szyny umożliwia wyeliminowanie pulsacji ciśnienia doprowadzonego do wtryskiwaczy paliwa. Paliwo ze zbiornika jest doprowadzane pompą niskociśnieniową do wysokociśnieniowej, tłoczącej paliwo pod ciśnieniem od 160 do ponad 200 bar do szyny, z której krótkimi przewodami trafia do wtryskiwaczy. Pompa rozdzielaczowa wytwarza cały czas ciśnienie, które jest wyrównywane przez szynę, a wtryskiwacze otwierane są elektronicznie.. Standardowo w systemie Common Rail (CR) dawka paliwa jest dzielona na dawkę pilotującą, właściwą i dopalającą. Dawka pilotująca przyczynia się do wstępnego nagrzania przestrzeni spalania i szybszego zapłonu mieszanki, przy jednoczesnym wolniejszym wzroście ciśnienia i temperatury. Wtrysk dawki pilotującej wyprzedza wtrysk dawki zasadniczej o mikrosekundy, pozwala jednak podać dawkę właściwą w obszar dawki pilotażowej. O tym, jak duża dawka paliwa zostanie wtryśnięta i kiedy, decyduje elektroniczny sterownik, który odbiera zamiar kierowcy (przyspieszenia lub zwolnienia pojazdu) i aktualny stan roboczy silnika. Na podstawie charakterystyk, uwzględniających również temperaturę i wilgotność powietrza, wylicza potrzebną dawkę paliwa oraz początek fazy wtrysku. W każdym cylindrze silnika znajduje się wtryskiwacz ze zintegrowanym zaworem elektromagnetycznym. Otwarcie i zamkniecie zaworu elektromagnetycznego określa początek i koniec fazy wtrysku. Przepływomierz powietrza przekazuje sterownikowi informację o aktualnej masie doprowadzonego powietrza w celu dostosowania spalania do wymaganego ograniczenia emisji spalin. Najnowsza generacja systemu CR wykorzystuje piezowtryskiwacze. Sterowany elektronicznie piezozawór załącza się pięć razy szybciej niż zawór elektromagnetyczny i dzięki temu umożliwia dokładniejszą optymalizację przebiegu wtryskiwania w porównaniu do zaworu elektromagnetycznego. Wyższe ciśnienie wtrysku korzystnie wpływa na pracę silnika. Powoduje lepsze spalanie paliwa dzięki idealnemu rozpyleniu go w komorze spalania. Aktualnie wypiera inne systemy wtryskowe i jako jedyny umożliwia spełnianie rygorystycznych norm czystości spalin.

Dość nowoczesnym systemem wtryskowym jest pompowtryskiwacz – w dużym uproszczeniu rozczłonkowana na poszczególne cylindry wersja pompy wtryskowej. Jest połączeniem zespołu tłoczącego pompy wtryskowej i wtryskiwacza, ustawionych bezpośrednio nad zasilanym cylindrem i dających się sterować elektronicznie z wysoką precyzją dotyczącą ciśnienia, czasu oraz wielkości podanej dawki paliwa. Do podstawowych zalet tego systemu zasilania silników wysokoprężnych zalicza się możliwość uzyskania wysokiego ciśnienia, wynoszącego nawet powyżej 200 bar, brak przewodów wysokiego ciśnienia oraz bardzo małe opóźnienie wtryskiwania. Pomimo precyzyjnego wykonania, układ ten jest mniej wrażliwy na jakość paliwa niż Common Rail. Do wad tej konstrukcji można zaliczyć znaczne rozbudowanie gabarytów głowicy, wałka krzywkowego oraz trudność w spełnieniu wysokich norm czystości spalin.

Coraz wyższy stopień zaawansowania układów zasilania silników Diesla, wynikający z bardzo precyzyjnego spasowania ich podzespołów, niesie ze sobą wiele korzyści. Nowoczesne systemy charakteryzują się znacznie niższym zużyciem paliwa, są mocniejsze, a także łatwiejsze w rozruchu. Zatem by pracowały one długo i bezawaryjnie należy przestrzegać kilku podstawowych zasad, takich jak.:

  •     dbałość o czystość zbiornika paliwa,
  •     okresowe usuwanie wody z odstojników separatorów,
  •     regularna wymiana filtrów paliwa,
  •     niedopuszczanie do zapowietrzania się instalacji zasilania,
  •     wszelkie regulacje w układzie zasilania należy przeprowadzać w wyspecjalizowanym zakładzie naprawczym.

Dr inż. Piotr Grudnik