Pompowtryskiwacz

Pompowtryskiwacz – urządzenie do hydraulicznego wtrysku paliwa w silniku o zapłonie samoczynnym.

Pompowtryskiwacz stanowi połączenie wtryskiwacza i sekcji tłoczącej pompy paliwowej. Składa się z cylinderka będącego jednocześnie komorą wysokociśnieniową, w którym ruch posuwisto–zwrotny wykonuje tłoczek napędzany krzywką wałka rozrządu poprzez dźwignię z rolką. Pozostałe elementy to kanały dopływowy i odpływowy paliwa, kanaliki doprowadzające paliwo z komory wysokociśnieniowej pod iglicę, zawór elektromagnetyczny odcinający komorę wysokiego ciśnienia od układu paliwowego, iglica rozpylacza, sprężyna iglicy, dławik iglicy, zawór przelewowy, oraz sprężyna powrotna tłoczka.

Działanie można podzielić na 4 fazy:

1. Faza ssania – tłoczek posuwa się do góry w wyniku działania sprężyny powrotnej; paliwo wpływa do komory wysokiego ciśnienia,
2. Faza skoku wstępnego – tłoczek posuwa się w dół w wyniku nacisku krzywki wałka rozrządu na tłoczek; zawór elektromagnetyczny jest otwarty, paliwo powraca do kanału niskiego ciśnienia,
3. Faza wtrysku – zawór elektromagnetyczny sterowany jest sterownikiem EDC, zawór elektromagnetyczny odcina komorę wysokiego ciśnienia od kanału dopływowego; ruch tłoczka powoduje wzrost ciśnienia paliwa; w momencie przekroczenia siły napięcia sprężyny iglica rozpylacza unosi się; następuje wtrysk dawki wstępnej paliwa do cylindra silnika; spadek ciśnienia w wyniku otwarcia zaworu przelewowego skutkuje opadnięciem iglicy i zakończeniem wtrysku wstępnego; dopiero po uzyskaniu odpowiedniej wartości ciśnienia paliwa iglica może ponownie się podnieść, następuje wtrysk zasadniczej dawki paliwa,
4. Faza skoku resztkowego – zawór elektromagnetyczny jest wyłączany, wtrysk paliwa jest zakończony; kanał doprowadzający paliwo zostaje otwarty, a nadmiar paliwa przekazywany jest do obwodu niskiego ciśnienia.

Pompowtryskiwacz w stosunku do pompy rozdzielaczowej a zwłaszcza do pompy sekcyjnej wykazuje wiele zalet, do których zaliczamy:

• brak przewodów wysokiego ciśnienia – ich obecność (a ściślej ich procentowo znaczna objętość wewnętrzna w stosunku do jednorazowej dawki paliwa) wpływa niekorzystnie na dawkowanie paliwa do silnika, pulsacje przewodów pod wpływem ciśnienia utrudniają doregulowanie dawki paliwa;
• wyższe ciśnienie wtrysku, co stwarza bardzo dobre warunki do wymieszania się strugi par paliwa z powietrzem i szybkiego spalenia mieszanki; przykład: w silnikach VW 1.9/2.0 TDI PD maksymalne ciśnienie wtrysku to 2050 barów^[1] dla pompowtryskiwacza elektromagnetycznego oraz 2200 barów^[2] dla pompowtryskiwacza piezoelektrycznego w silnikach VW 2.0 TDI PPD o kodach: BKP, BMA, BMN, BMR, BRD, BUY, BUZ, BVA, BVE, BWV;
• minimalną zwłokę zapłonu wskutek szybkiego, dzięki wysokiemu ciśnieniu wtrysku, odparowania paliwa po wtryśnięciu go do cylindra, co sprawia, że kąt wyprzedzenia wtrysku jest niewielki i nie występują problemy z uruchamianiem silnika;
• nie występuje zjawisko podciekania wtryskiwaczy, co ogranicza zużycie paliwa.

Wszystkie te cechy sprawiają, że silnik zasilany przy użyciu pompowtryskiwaczy ma wysoką sprawność (niskie jednostkowe zużycie paliwa), dobrą szybkobieżność oraz daje możliwość uzyskania wysokiej mocy jednostkowej.

Jednakże pompowtryskiwacze mają też wady do których zaliczamy:

• skomplikowaną konstrukcję głowicy silnika, ponieważ – oprócz układu rozrządu – znajduje się w niej pompowtryskiwacz wraz z układem mechanicznym (napędem tłoka – iglicy);
• ograniczone możliwości fazowania wtrysku – wtrysk paliwa w silniku TDI z pompowtryskiwaczami, od pierwszej jego wersji (silnik AJM) podzielony jest na wtrysk wstępny (tzw. dawkę pilotującą) oraz wtrysk główny^[3]; w wersjach z fabrycznym filtrem cząstek stałych, dzięki zmodyfikowanym krzywkom wałka rozrządu, możliwy jest również wtrysk trzeciej dawki paliwa w suwie wydechu (ang. post-injection). Dawka ta nie spala się w komorze spalania, lecz do jej zapłonu dochodzi wskutek kontaktu z wkładem katalizatora oksydacyjnego, zintegrowanym z wkładem ceramicznym filtra cząstek stałych; w przypadku układów wydechowych, w których DPF odsunięty jest daleko od kolektora wydechowego, do zapłonu paliwa dochodzi najpierw w samym katalizatorze oksydacyjnym, a następnie fala cieplna trafia do zamontowanego w dalszej części układu samodzielnego filtra cząstek stałych. Proces ten podnosi temperaturę filtra do ok. 620 °C (przy EGT przed turbosprężarką wynoszącym ok. 750 °C), w celu umożliwienia jego aktywnej regeneracji^[4], czyli wypalenia zalegającej sadzy, czego produktem jest niepalny popiół, który może zostać usunięty np. metodą hydrodynamiczną przez wyspecjalizowany zakład zajmujący się regeneracją filtrów DPF. Dawka pilotująca wstępnie podgrzewa komorę spalania jeszcze w trakcie suwu kompresji, dzięki czemu rozprężenie mieszanki paliwowo-powietrznej dawki głównej przebiega w sposób znacznie mniej obciążający układ korbowy silnika, powodując bardziej łagodny wzrost ciśnienia w cylindrze. Nie wystarcza to jednak do tego, by proces spalania odbywał się tak efektywnie i łagodnie, jak w układzie common-rail^[5];
• trudność w uzyskaniu wysokich norm czystości spalin, tj. EU5/Euro 5 i wyższych, choć warto zaznaczyć, że silniki 1.9 TDI na pompowtryskiwaczach były w stanie w niektórych wersjach (np. BKC, BXE) spełnić normę EU4/Euro 4 bez fabrycznego filtra cząstek stałych^[6]. Z kolei wersje 2.0 TDI PD z ostatnich wypustów (2010 r.), w szczególności te o kodach BMM (2.0 TDI 8V, 103 kW (140 KM)/320 Nm; PD Bosch) oraz BMN (2.0 TDI 16V, 125 kW (170 KM)/350 Nm; PPD Siemens), choć opuszczały fabryki z normą EU4/Euro 4, to według testów homologacyjnych były one w stanie spełnić część wymogów, tj. emisji cząstek stałych, wówczas nadchodzącej normy EU5/Euro 5, osiągając parametr ten na poziomie niższym, niż 0,005 [g/km]^[7].

Pompowtryskiwacze w swej pierwotnej wersji były sterowane wyłącznie na drodze mechanicznej znanej jako układ silnika Cummins.

Rozwój elektroniki i elektronicznych wielofazowych układów wtryskowych (znanych pod postacią systemu common-rail) sprawia, że tego typu system zasilania ma przewagę pod względem ekologicznym i ekonomicznym, dzięki zastosowaniu wysokociśnieniowej pompy paliwa (HPFP), co pozwala na podzielenie wtrysku na 5^[8], 7 czy obecnie nawet 9 mniejszych dawek^[9], sprawiając, że paliwo w cylindrze miesza się z powietrzem warstwowo, co umożliwia zwiększenie efektywności procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, a w efekcie również zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa na obrotach jałowych i w trakcie jazdy oraz obniżenie emisji spalin. Stos kryształów piezoelektrycznych (firmy Siemens) lub cewka elektromagnetyczna (firmy Bosch) we wtryskiwaczach common-rail mogą być przełączane kilka razy szybciej niż elektromagnetyczna cewka sterująca w pompowtryskiwaczu dzięki temu, że wytwarzanie ciśnienia w układzie common-rail, w przeciwieństwie do pompowtryskiwaczy, nie jest ograniczone pracą wałka rozrządu.

Technologia pompowtryskiwaczy nie jest już rozwijana przez koncern Volkswagen AG, ani z firmą Bosch, ani z firmą Siemens. Przeszkodą w dalszym rozwoju technologii pompowtryskiwaczy były m.in. umowy pomiędzy Volkswagenem a firmą Bosch, określające wolumen produkcji pompowtryskiwaczy^[10]. Kontynuacja rozwoju pompowtryskiwaczy była również nieopłacalna ekonomicznie, ponieważ na rynku istniała już od wielu lat sprawdzona i udoskonalona względem pierwotnej wersji technologia common-rail, z której korzysta do dziś każdy producent samochodów osobowych.

• pompa sekcyjna
• pompa rozdzielaczowa
• common-rail
• turbosprężarka

• Jan Werner, Silniki spalinowe małej i średniej mocy, Wyd. II Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1964 r.
• M. Bernhardt, S. Dobrzyński, E. Loth, Silniki samochodowe. Wyd. IV Wydawnictwa Komunikacji i Łączności sp. z o.o., 1988 r.
• Z. Kneba, S. Makowski, Zasilanie i sterowanie silników, Wyd. I Wydawnictwa Komunikacji i Łączności sp. z o.o., Warszawa, 2004 r.