1. No category

tlak za vbrizg goriva
3500 barov ali sedem
različnih vbrizgov?
Tlak vbrizganega goriva je že preskočil 2.000 barov, napovedujejo
pa, da lahko pri večjih dizelskih
motorjih doseže celo 3.500 barov
Pri visokih tlakih nastajajo različne
tehnične omejitve, zato več pozornosti namenjajo količinskemu in
časovnemu prilagajanju vbrizgov
goriva
Pred slabimi 20. leti so razvili
prvi sistem za vbrizgavanje goriva
po skupnem vodu (common rail)
in naredili prvi dizelski motor,
pri katerem je za vbrizg goriva
skrbel skupni vod. V tem sistemu
je tlačilka ustvarjala tlak goriva
okoli 700 barov, šobe pa so tlak
povečale na 900 barov. V sodobnih sistemih za dovod goriva po
skupnem vodu se je tlak že povečal na 2.000 barov, pri motorjih
za tovornjake pa je segel že celo
čez to mejo. Zdaj napovedujejo
novo razvojno stopnjo, ko se bo
tlak pri manjših dizelskih motorjih
za osebna vozila dvignil do 2.500
barov, pri večjih motorjih pa na
2.500 do 2.700 barov, morda celo
na 3.00 barov, kajti v laboratorijih
delajo poizkuse s sistemi za vbrizg goriva, v katerih se je tlak že
povzpel na 3.500 barov.
Čeprav gre ena smer razvoja
dizelskih motorjev prav v poveče-
Zaradi visokih tlakov v sku­
pnem vodu mora biti pre­
verjanje delovanja teh siste­
mov čedalje bolj natančno
in ga je možno opraviti
samo s specialnimi stroji.
4
Mehanik in voznik • april 2011
vanje tlaka v sistemih za dovod
goriva, pa je večina strokovnjakov
prepričanih, da pripravljanje čedalje večjega tlaka ni več smiselno,
dokler ne bodo odpravljene nekatere tehnične ovire in dokler se
visokotlačni sistemi za vbrizg goriva ne bodo ustrezno pocenili.
TONE MRAK
Foto Bosch, Delphi
Večji tlak, manj goriva
Varčevanje z gorivom in čistejši izpušni plini so bili glavno gonilo razvoja sistemov, ki vbrizgavajo
gorivo s povečanim tlakom. Pri
večjem tlaku in večji količini zraka
gorivo zgori bolj čisto in ga je za
enake motorne učinke potrebno manj. Če se tlak še povišuje
in začne gorivo zaradi višjega
tlaka in več zraka zgorevati pri
višji temperaturi, je zgorevanje
še bolj čisto. Sistemi za dovod
goriva z nadvse visokim tlakom
pa so zelo zahtevni izdelki, zato
je izdelava draga, treba pa jih je
tudi natančno in redno vzdrževati.
Nekatere druge rešitve, ki bodo
omogočale manjšo porabo goriva, se zdijo cenejše kot sistemi
z vedno večjim tlakom za dovod
goriva. Cenejše je tudi naknadno
čiščenje izpušnih plinov s katalizatorji in filtri za saje. Zato se bodo
razvojna prizadevanja za zmanjševanje škodljivih emisij vsaj začasno preusmerila v razvoj nekaterih
novih rešitev, kakršna je na primer
izraba toplote, ki zdaj neizkoriščena potuje skozi izpušne sisteme.
Različne lastnosti goriv
Morda bodo sama goriva še
najpomembnejši usmerjevalec
razvoja visokotlačnih sistemov.
Prvi je bil Fiat
Prvi sistem za dovod goriva po skupnem vodu so razvili v
razvojnem podjetju skupine Fiat v Neaplju (Elisas) in leta 1993
naredili prvi prototip, primeren za serijsko proizvodnjo. Za
serijsko proizvodnjo se niso odločili, ker so nastopale težave s
tolerancami pri injektorjih. Patent je kupil Bosch, ki ga je razvil
do serijske uporabe. Prvi motor, ki je imel dovod goriva po
skupnem vodu (common rail), so uporabili za vozilo Alfa 156,
ki je prišlo na trg leta 1997. V tem sistemu je tlak dosegal okoli
1.350 barov. Leta 1998 je skupen vod za dovod goriva uporabil
pri vozilu 220 CDI tudi Mercedes-Benz in to je bilo prvo nemško vozilo s to tehnično rešitvijo.
Tlačne črpalke že ustvarijo v skupnem vodu tlak, ki je višji
sistemih za naknadno obdelavo
od 2.500 barov, v pripravi pa so tlačilke za 3.500 barov.
izpušnih plinov.
Opazili so, da se alternativna
goriva pri visokih tlakih obnašajo
drugače kot fosilna goriva. Pri
biodizlu je slika zgorevanja precej drugačna kot pri običajnem
dizelskem gorivu. Že zdaj opažajo, da prihaja do sprememb
na oljnem zaščitnem sloju pri
dizelskih gorivih, ki imajo dodanega 10 odstotkov biološkega
goriva. Plast mazalnega olja se
nekoliko stanjša predvsem po
dolgotrajnem delovanju motorja,
kar pomeni, da bi morali motorno olje nekoliko prej zamenjati,
če bi na primer uporabljali
mešanico dizelskega goriva, v
kateri bi bilo 30 odstotkov ali več
obnovljivega dizelskega goriva,
narejenega iz ogrščice. V rafinerijah se zato ukvarjajo z raziskavami, kako dizelskemu gorivu,
narejenemu iz obnovljivih virov,
zagotoviti določene, vnaprej
načrtovane in za visoke tlake primerne lastnosti.
Verjetno bodo omenjene
»pomanjkljivosti« odpravljene
z drugo generacijo bioloških
Posebno težavo predstavlja
goriv, ko bodo lahko gorivu bolj
obdelava izpušnih plinov v katalinatančno določili nekatere njegozatorju in lovilcu sajastih delcev.
Sajaste delce in tudi del dušikovih ve lastnosti že pri samem pridooksidov odstranijo iz katalizatorja bivanju. Predvidevajo, da druga
in filtra z dodatnim vbrizgom gori- generacija biodizelskega goriva
še ne bo tako kmalu na trgu in da
va. Pri zadnjem oziroma naknadnem vbrizgu v valj dizelsko gori- bo morda zdajšnji biodizel, ki ga
vo namreč ne zgori, ampak potuje dodajajo gorivu, zamenjala šele
čez 10 let.
z izpušnimi plini v izpušni sistem,
kjer služi kot reakcijsko sredstvo v
Dvigovanje tlakov v sistemih
katalizatorju za zmanjšanje dušikovih oksidov ali pa se vžge zato, da za dovod goriva pa trči še na
se pri povišani temperaturi vžgejo nekatere druge omejitve. Pri višsaje in očisti filter za trde delčke.
Biološko gorivo (npr. metil ester iz
ogrščice) ima drugačne lastnosti
kot dizelsko gorivo (uplini se pri
temperaturi okoli 330oC), zato
morajo biti vbrizgi goriva večji,
da ustvarijo primerne razmere v
Elektronska enota natanč­
no določa, s kakšnim tla­
kom bo injektor brizgnil
gorivo v valj, kako ga bo
razpršil, kolikšna bo količi­
na goriva v enem brizgu in
koliko brizgov bo injektor
opravil v enem taktu.
Injektorji (piezo ali elek­
tromagnetni), ki jih upra­
vlja elektronika, s pomo­
čjo visokega tlaka zelo
natančno brizgnejo gori­
vo v zgorevalni prostor.
Različni izdelovalci sistemov za dovod goriva po skupnem
vodu uporabljajo enak princip delovanja, razlike so le v
izvedbi tlačnih črpalk in injektorjev.
Mehanik in voznik
5
Pomembni mejniki
1937/1938 Prvi sistem
za neposredni vbrizg goriva je
bil uporabljen pri letalskih motor-
jih. Bencinske letalske motorje
Daimlerja-Benza (DB 601A) in
motorje Junkers Jumo 210Ga so
izdelali za letala Messerschmitt
Me 109).
1942 Motorje s skupnim
vodom so uporabljali pri ladijskih
motorjih in motorjih za lokomotive.
Common rail sistemi so delovali s
pomočjo hidravlike, kot npr. motor
Cooper-Bessemer GN-8.
1987 Prvi sistem za neposreden vbrizg goriva, ki za delovanje
Bencin nima (v nasprotju s plinskim oljem) nobene
mazalne sposobnosti, kar bi povzročilo težave pri tlačnih
črpalkah, če bi hoteli pri bencinskih motorjih ustvariti v
skupnem vodu večji tlak.
jih tlakih in višjih temperaturah
gorivo res zgori bolj čisto in je v
izpušnih plinih manj trdih delčkov
(saj). Dobro zgorevanje pri višjih
temperaturah pa povzroča več
dušikovih oksidov. Zato je treba
namestiti bolj učinkovite katalizatorje izpušnih plinov. Tej težavi se
izognejo tudi tako, da v zgorevalni
prostor vrnejo del izpušnih plinov,
a morajo v tem primeru pline vračati s primernim tlakom, kar spet
povzroči dodatne tehnične težave.
Visok tlak za Ottov motor?
uporablja skupen vod, je prikazal
Fiat v vozilu Croma TDI in začel z
razvojnim projektom Unijet.
Vse omenjeno velja samo za
dizelske motorje, saj pri bencinskih motorjih ni možno uporabljati
tako visokih tlakov. Tudi bencinski
motorji (Ottovi motorji) so namreč
1993 Fiatov prototip Unijeta
pripravljen za serijsko proizvodnjo.
1994 Bosch kupi Fiatov
patent.
1997 Vgradili prvi sistem
skupnega voda za osebna vozila.
Boschev sistem (1.350 barov)
sta uporabila Alfa Romeo in
Mercedes-Benz.
6
Mehanik in voznik • april 2011
Na sliki je viso­
kotlačna črpal­
ka (levo), injek­
torji so pove­
zani s skupnim
vodom, celotno
delovanje pa
vodi zahtevna
elektronska
krmilna enota.
že opremljeni s sistemi za dovod
goriva po skupnem vodu, le da so
pri teh sistemih tlaki bistveno manjši in ne presegajo 1.000 barov.
Vsekakor pa se bodo tlaki
povečevali pri kombiniranih
Ottovih motorjih, kjer bo gorivo
poleg homogenega zgorevanja
v določenih razmerah delovanja
motorja zgorevalo tudi v plasteh
(enako kot zgoreva dizelsko gorivo). Večji tlak in večja količina
zraka bi sicer zagotovila boljše
zgorevanje bencina, vendar pa
se tudi pri zgorevanju bencina v
plasteh pojavljajo dušikovi oksidi.
Za njihovo odstranjevanje bi bilo
treba tudi pri bencinskih motorjih,
če bi gorivo zgorevalo v plasteh,
vgraditi katalizatorje za dušikove
okside in verjetno tudi filtre za
odstranjevanje trdih delcev iz izpušnih plinov.
Bo dizel prehrupen?
Pri visokotlačnih sistemih za
vbrizg goriva bo nastala še ena
omejitev – akustična. Pri višjih
Bencinsko gorivo ima v
nasprotju z dizelskim gorivom zelo tlakih je poraba goriva manjša in
zgorevanje čistejše, pri zagonu
slabo mazalno lastnost, pri visokih tlakih pa se ta sposobnost še motorja in v fazi ogrevanja motorja
poslabša. Če bi hoteli še dvigovati pa nastaja zaradi visokih tlakov
tlak, bi morali posamezne kompo- veliko hrupa. Hrup bo postal ovira
nente sistema za dovod goriva po predvsem pri vozilih na hibridni
pogon, za katere bi bil zaradi
skupnem vodu obdati z bolj trpežnimi (in zato dražjimi) prevlekami. manjše porabe goriva dizelski
motor še posebej primeren. Pri
Ta težava posebej izstopa pri
tlačilki goriva: dizelsko gorivo ima vnovičnem zagonu bo dizelski
dovolj olja, da je tlačilka med delo- motor precej glasen in moteč.
vanjem dobro naoljena, bencin
V razvojnih inštitutih se
pa premalo in bi bilo zato treba v
ukvarjajo že dalj časa s poizkusi,
tlačilko vgraditi dodatno zunanjo
kako bo zmanjšali hrup dizelmazanje.
Skupni vod (common rail)
1999 Prvi sistem skupnega
voda za tovornjake (1.400 barov).
Uporabili so ga v Renaultovem
tovornjaku.
Visokotlačna
črpalka
2001 Druga generacija
common raila za osebna vozila s
CRI1.1 Injektor
Filter
Drugi
ventili
Tlačni
ventil
Vod (rail)
Pomožna
črpalka
Senzor
tlaka
v vodu
Krmilna
enota
Drugi
Senzor
senzorji hitrosti
Fazni
senzor
Stopalka
za plin
Vsi osnovni sestavni deli sistema za dovod goriva po skupnem vodu (common rail).
ker se morajo ti senzorji povezati
visokotlačnih sistemih si sledi
s senzorji za pospeške, da bi našli že sedem brizgov goriva: trije
prave parametre za vbrizg goriva. predvbrizgi, trije glavni vbrizgi in
eden naknadni vbrizg goriva. Pri
vsakem so natančno določeni koliVariabilni vbrizgi –
čina, čas in trajanje vbrizga goriva.
pomembna prednost
Tolikšno število različnih vbrizgov
so omogočili najprej visoki tlaki
Sistemi za dovod goriva po
nato pa predvsem injektorji, ki
skupnem vodu in veliki tlaki vbriuporabljajo piezo tehnologijo, in
zganega goriva omogočajo kontudi injektorji z magnetnimi ventili.
struktorjem, da lažje spreminjajo
vbrizge goriva v valj. V sodobnih
Za konstruktorje motorjev je
določanje vbrizgov goriva (variabilnost) v tem razvojnem obdobju
veliko bolj pomembno kot dvigovanje tlakov. Z velikim številom
zaporednih vbrizgov različnih količin goriva v enem taktu in z določanjem razmakov med njimi se da
dobro uravnavati zgorevanje goriva. Raziskave naj bi prinesle idealna razmerja med trajanjem vbrizgov, količino goriva in ustreznimi
razmaki, ki jih bo v različnih razmerah delovanja sproti določala osrednja računalniška enota. Takšne
raziskave trajajo razmeroma dolgo,
ker ob tem upoštevajo še različne
druge zakonitosti (na primer, kako
na razpršitev goriva in zgorevanje
vpliva sama oblika bata), vendar
se z njimi ukvarjajo vsi razvojni
centri, ker so prepričani, da je to
V bencinskih motorjih tlaki v skupnem vodu še ne dose­
prava pot za zmanjšanje porabe
gajo 1.000 barov.
goriva in škodljivih emisij.
skega motorja, ki je opremljen
s sistemom za dovod goriva po
skupnem vodu z visokim tlakom.
Skušajo doseči predvsem, da
bi se tlak prilagajal hrupu. Če bi
bil hrup prevelik, bi se moral tlak
samodejno zmanjšati. Takšno
zmanjševanje hrupa prinaša
dodatne tehnične zaplete. Morali
bi uporabiti posebne senzorje za
merjenje tlaka v valjih motorja, kar
pa je draga in zapletena rešitev,
1.600 bari (manjša poraba goriva,
čistejši motorji, večja moč). Za
vozila Volvo in BMW.
2002 Druga generacija
common rail za tovornjake: 1.600
barov, manjša poraba goriva,
večja moč. Za tovornjake MAN.
2003 Tretja generacija common raila z uporabo injektorjev
s piezo tehnologijo: 1.600 barov,
za 20 odstotkov manj emisij, za
3 odstotke manjša poraba, za 5
odstotkov večja moč. Za vozila
Audi.
2008 Četrta generacija common raila s tlakom več kot 2.000
barov, injektorji z variabilno geometrijo. Boscheva tlačilka v vozilu
VW Golf je presegla mejo 2.000
barov.
Mehanik in voznik
7