System wtrysku z komorą wirową
Rys. 4.60. Przekrój głowicy cylindrów z komorą wirową: 1 - dysza; 2 - świeca żarowa; 3 - komora wirowa z kanałem wlotowym; 4 - cylinder
Do silników Diesla z systemem Vortex (Rys. 4.60) komora spalania jest podzielona. Komora wirowa jest połączona z przestrzenią nadtłokową, a gdy tłok zbliża się do górnego punktu, powstaje w niej przepływ wirowy, który skutecznie miesza paliwo z powietrzem. Zapalona mieszanina przechodzi do głównej komory spalania. Silniki z komorą wirową sprawdziły się, zwłaszcza przy dużych prędkościach (ponad 5000 min-1).
System wtrysku do komory wstępnej (przedpokój)
Rys. 4.61. Przekrój głowicy cylindrów z komorą wstępną: 1 - dysza; 2 - świeca żarowa; 3 – komora wstępna z kanałem wlotowym; 4-cylindrowy
Z systemem komory wstępnej (Rys. 4.61), który jest stosowany w silnikach wysokoprężnych Mercedesa, komory robocze są podzielone, podobnie jak system wirowy. Komora wstępna znajduje się na górze głowicy cylindrów. Zapłon paliwa w komorze spalania następuje poprzez cienkie dysze wychodzące z komory wstępnej.
Bezpośredni wtrysk
W przypadku wtrysku bezpośredniego paliwo jest wtryskiwane do komory spalania i spala się natychmiast.
Ten system jest bardzo ekonomiczny, ale ma swoje wady: wysoki poziom hałasu silnika, zwłaszcza podczas rozruchu i gwałtowny wzrost prędkości.
System common rail
Rys. 4.62. Wtrysk bezpośredni w systemie Common Rail: 1 - dysza; 2 – króciec wlotowy; 3 - tłok ze specjalnym rowkiem
Rys. 4.63. Schemat układu Common Rail: 1 - wspólna szyna paliwowa; 2 – czujnik ciśnienia; 3 - pompa; 4 - dysza; 5 - zawór regulacji ciśnienia
system common rail (Rys. 4,62, 4,63, 4,68) nie tylko zapewnia wydajność i minimalną emisję szkodliwych dla środowiska gazów, ale także przewyższa nowoczesne silniki Diesla z wtryskiem do komory wstępnej pod względem komfortu i poziomu hałasu silnika. Dlatego silniki wysokoprężne CDI zajęły ważne miejsce w rozwoju konstrukcji silników Mercedes-Benz.
«Common Rail» oznacza «Ogólna autostrada». Jeżeli w układach z wtryskiem bezpośrednim paliwo pod ciśnieniem dostarczane było do każdej dyszy z osobna, to w układzie Common Rail paliwo, niezależnie od kolejności wtrysku, znajduje się we wspólnej szynie paliwowej, tzw. akumulatorze.
Sterowanie elektroniczne reguluje ciśnienie wtrysku w zależności od prędkości obrotowej silnika i obciążenia. Czujniki, które odbierają dane o trybie pracy wałka rozrządu i wału korbowego, wydają polecenia optymalnego wtrysku zgodnie z trybem pracy silnika. Ponadto zasilanie paliwem i wtrysk są od siebie niezależne.
Rys. 4.64. Główne elementy systemu Common Rail: 1 - pompa wysokiego ciśnienia; 2 - pompa ciśnieniowa; 3 - dysza; 4 - zawór magnetyczny układu dozującego; 5 - przewód paliwowy powrotny; 6 - rurociąg wysokiego ciśnienia; 7 - czujnik ciśnienia paliwa; 8 – akumulator ciśnienia; 9 - zawór regulacji ciśnienia paliwa
Cechą tego rozwoju jest specjalny napęd (bateria) 8 (Rys. 4.64), który zawsze utrzymuje ciśnienie do 1350 bar. Jest to konieczne, aby w przewodzie łączącym pompę z wtryskiwaczami zawsze znajdowało się paliwo pod odpowiednim ciśnieniem, gotowe do wtrysku.
Przewód łączy się z wtryskiwaczami. Każdy wtryskiwacz posiada zawór magnetyczny, który reguluje ciśnienie i ilość podawanego paliwa. Mikrokomputer steruje pracą zaworu na podstawie trybu pracy i obciążenia silnika. System ten znacznie zwiększył sprawność silnika oraz przyczynił się do znacznego ograniczenia emisji szkodliwych gazów do atmosfery.
Pompy paliwowe wysokiego ciśnienia (pompa wtryskowa)
Pompy paliwowe wysokiego ciśnienia służą do dostarczania oleju napędowego do wtryskiwaczy pod wysokim ciśnieniem (około 120 barów). Silniki 4- i 5-cylindrowe są wyposażone w rozdzielczą pompę wtryskową. 6-cylindrowy silnik ma rzędową pompę wtryskową. Wszystkie pompy wtryskowe znajdują się po lewej stronie silnika i są napędzane łańcuchem z wału korbowego. W tym przypadku częstotliwość obrotów wału pompy paliwa wysokiego ciśnienia jest równa połowie częstotliwości obrotów wału korbowego. Pompy paliwowe wysokiego ciśnienia są sterowane elektronicznie.
Pompa wtryskowa typu dystrybucyjnego
Silniki E 220 D i E 290 TD są wyposażone w rozdzielaczową pompę wtryskową (Rys. 4,64, 4,65). Pompa paliwowa wysokiego ciśnienia posiada wbudowaną pompkę wtryskową paliwa oraz czujnik temperatury, który daje sygnał do wstrzymania dopływu paliwa. Elektrozawory znajdują się na zewnątrz, jeden do zatrzymywania silnika, drugi do zasilania paliwem. Wysokociśnieniowa pompa paliwowa dostarcza paliwo cienkimi kanałami do odpowiedniego cylindra.
Rys. 4,65. Dystrybucyjna pompa wtryskowa do modeli E 220D i E 290 TD
Wał pompy jest połączony z kanałem głowicy, a tłoki tłoczne są od siebie oddzielone ciśnieniem paliwa (około 8 barów), aż występy na krzywce będą wywierać nacisk na końce łożyska. Podczas obrotu wału kanał wylotowy zamyka się, a kanał wysokiego ciśnienia otwiera.
Głowica pompy dystrybucyjnej zawiera 4 (lub 5 dla silnika 5-cylindrowego) kanały wtryskowe i odpowiednio 4 (5) kanały wysokiego ciśnienia. Gdy tylko krzywki na krzywce zrównają się z występami łożysk, tłoki zaczynają sprężać paliwo, ciśnienie rośnie, a gdy osiągnie około 120 barów, następuje wtrysk.
Ilość wtryskiwanego paliwa jest określona przez długość skoku tłoka wtrysku, która jest kontrolowana przez ruch osiowy występów łożysk. Osiowym ustawieniem wałka pompy rozdzielacza sterują dwa elektrozawory i sprężyna powrotna regulatora ilości paliwa.
Kąt wyprzedzenia wtrysku paliwa jest kontrolowany przez położenie krzywki względem głowicy pompy rozdzielczej. Obracając podkładkę przeciwnie do kierunku obrotów ustawiamy wcześniejszy czas wtrysku, odpowiednio w kierunku obrotów późniejszy. Obrót krzywki wokół osi wału odbywa się za pomocą zaworu regulacyjnego i sprężyny powrotnej. Po ustawieniu w pozycji «wczesny» zawór sterujący otworzy się, ciśnienie wzrośnie, a tłok sterujący przesunie się w lewo. Kiedy zawór się zamyka, ciśnienie spada, a tłok przesuwa się w prawo pod działaniem sprężyny.
Pompy wtryskowe rzędowe
Rys. 4,66. Dystrybucyjna pompa wtryskowa montowana w modelach E 220 D i E 290 TD, w przekroju
W modelach E 300 D zainstalowana jest rzędowa pompa wtryskowa (Rys. 4,66) ze sterowaniem elektronicznym - ERE (Elektronisch geregeltes Reien-Einspritzsystem). Pompy wtryskowe rzędowe mają oddzielną sekcję pompy dla każdego cylindra, która dostarcza paliwo do odpowiedniego wtryskiwacza przez stalowy rurociąg wysokociśnieniowy. Głównymi elementami systemu ERE są rzędowa pompa wtryskowa i elektroniczna jednostka sterująca układu wtryskowego.
Rys. 4,68. Pompa wtryskowa rzędowa (ERE) w sekcji: 1 - część odbiorcza do podłączenia rurociągu wysokociśnieniowego z dyszą; 2 - zawór spustowy; 3 - tłok; 4 - mechanizm regulacji liczby obrotów (ERE); 5 - szyna sterująca; 6 - dźwignia instalacji tłoka; 7 - złącze; 8 - popychacz rolkowy; 9 - sprężyna tłoka; 10 - pompa paliwowa; 11 – regulator elektrohydrauliczny; 12 - wałek rozrządu
W dolnej części pompy znajduje się wałek rozrządu 12 (Rys. 4,68). Za pomocą krzywek sekcje pompy są uruchamiane zgodnie z sekwencją wtrysku. Głównymi częściami sekcji pompy są: zawór spustowy 2, cylinder i tłok 3, tuleja tłoka obrotowego i sprężyna 9.
Gdy tłok znajduje się w dolnym położeniu, wnęka nad nim jest napełniana paliwem przez wlot. Krzywka wału pompy przesuwa popychacz w górę, sprężyna tłoka jest ściśnięta, tłok zamyka wlot, ciśnienie wzrasta.
Gdy ciśnienie osiągnie 120 barów, iglica dyszy podnosi się i paliwo dostaje się do komory wstępnej. Wtrysk trwa do momentu, gdy tłok otworzy wylot kontrolny paliwa. W tym momencie ciśnienie nad tłokiem gwałtownie spada, zawór wylotowy zamyka się, uprzednio przepuszczając niewielką ilość paliwa z powrotem do cylindra. Ciśnienie w przewodzie paliwowym i wtryskiwaczu gwałtownie spada. Dysza zamyka się.
Trzpień posiada na bocznej powierzchni spiralnie szlifowany kanał iw zależności od położenia nurnika, otwór regulacji dopływu paliwa pozostaje przez pewien czas zamknięty. Ścieżka, którą porusza się tłok, gdy wylot jest zamknięty, nazywana jest skokiem wtrysku. Im dłuższy skok wtrysku, tym więcej paliwa jest wtryskiwane do cylindra silnika.
Tuleje obrotowe nurników wszystkich sekcji pompujących są połączone krótką dźwignią z szyną sterującą. Podczas montażu pompy tuleje obrotowe są instalowane w taki sposób, aby wszystkie sekcje pompy dostarczały taką samą ilość paliwa.
Szyna paliwowa jest ważną częścią pompy wtryskowej, za pomocą której wtryskiwane paliwo jest dozowane do każdego cylindra. Przekładnia sterująca jest połączona z pedałem przyspieszenia za pośrednictwem elektronicznie sterowanego regulatora prędkości (ERE).
Rys. 4,67. Pompa wtryskowa rzędowa ERE montowana w modelu E 300D
Kontroler prędkości
Elektroniczny regulator prędkości znajduje się z tyłu pompy paliwowej i steruje zębatką. Regulator sterowany jest prostokątnym impulsem napięcia o częstotliwości około 190 Hz. W zależności od trybu zmienia się siła magnesu uruchamiającego, który pokonując siłę sprężyny przesuwa szynę w kierunku «Start» lub odpowiednio, «Volllast» (załadowany do pełna). Długość przesuwu zębatki wynosi 19,5 mm.
Zmniejszony hałas silnika
W dotychczas stosowanych pompach wtryskowych z bezpośrednim wtryskiem pod wysokim ciśnieniem (do 145 barów), hałas silnika był znacznie wyższy niż w modelach z komorą wstępną. Układ Common Rail przed główną porcją paliwa wtryskuje niewielką, tzw. pilotową dawkę paliwa, którą zapewnia «ogrzewanie» komory spalania. Dzięki temu powstają optymalne warunki do zapłonu głównego paliwa, zapala się znacznie szybciej, ponieważ ciśnienie i temperatura rosną płynnie, a nie gwałtownie. Wpływa to nie tylko na redukcję hałasu, ale również na zmniejszenie toksyczności spalin.
Na tej podstawie specjaliści Mercedes-Benz podjęli dodatkowe działania w celu obniżenia poziomu hałasu silnika. Należą do nich specjalna dźwiękochłonna obudowa (amortyzator) głowice cylindrów i kolektor dolotowy, wzmocnienie skrzyni korbowej i osłona wałka rozrządu.