Pompowtryskiwacze - dwa w jednym

W silnikach pojazdów użytkowych stosuje się układy UIS (Unit Injector System) lub UPS (Unit Pump System). 
W układzie UIS pompa wtryskowa i wtryskiwacz tworzą jedną całość zwaną pompowtryskiwaczem, a ciśnienie wtrysku wynosi od 180 do 220 MPa. Pompowtryskiwacze, sterowane elektronicznie, zamocowane są w głowicy i napędzane bezpośrednio przez popychacze lub pośrednio przez dźwignie od wału rozrządu. 

W układzie UPS pompa jest połączona krótkim przewodem wysokociśnieniowym z wtryskiwaczem. Zestaw pompa – przewód – wtryskiwacz przyporządkowany jest każdemu cylindrowi silnika. Sterowany elektronicznie zespół UPS napędzany jest indywidualnie od wału rozrządu silnika. 
Układy UIS oraz UPS składają się z czterech podstawowych obwodów: niskiego ciśnienia, wysokiego ciśnienia, sterowania elektronicznego oraz urządzeń zewnętrznych (np. sterownika świec żarowych). Układy te są sterowane zaworami elektromagnetycznymi uruchamianymi przez sterownik elektroniczny, który uwzględnia dane zaprogramowane w jego pamięci i konfrontowane z informacjami otrzymywanymi z czujników, np. prędkości obrotowej wału korbowego, położenia pedału „gazu”, prędkości jazdy, ciśnienia doładowania czy temperatury powietrza lub cieczy chłodzącej silnik. Na podstawie tych danych sterownik dobiera parametry wtrysku paliwa. 

W dalszych rozważaniach omówimy układ UIS. Podstawowymi elementami pompowtryskiwacza są: pompa wytwarzająca wysokie ciśnienie (napędzana mechanicznie krzywką), wtryskiwacz oraz zawór elektromagnetyczny, którym elektroniczny sterownik reguluje początek wtrysku i czas jego trwania. Zalety pompowtryskiwacza to: stosunkowo duża precyzja wtrysku paliwa (brak przewodu łączącego pompę z wtryskiwaczem) i kontrola czasu wtrysku oraz wysokie ciśnienie wtrysku paliwa. Wysokie ciśnienie wtrysku ma wpływ na obniżenie ilości cząstek stałych emitowanych przez silnik oraz obniżenie zużycia paliwa, być może dlatego, mimo mody na układ common rail pompowtryskiwacze są nadal stosowane. W niektórych typach pompowtryskiwaczy zawór elektromagnetyczny umieszcza się na korpusie, ale spotyka się też pompowtryskiwacze, w których zawór elektromagnetyczny jest wbudowany we wtryskiwacz. 

Do pompowtryskiwacza paliwo dostarczane jest tzw. obwodem niskiego ciśnienia. W jego skład wchodzą m.in.: zbiornik paliwa, filtr paliwa, pompa zasilająca, zawór regulacji ciśnienia (przelewowy), przewody paliwowe oraz w niektórych rozwiązaniach – chłodnica sterownika czy chłodnica paliwa.

Budowa i działanie pompowtryskiwacza

Pompowtryskiwacz w układzie UIS jest chłodzony paliwem odpływającym do obwodu niskiego ciśnienia. Zawór elektromagnetyczny steruje początkiem wtrysku i czasem jego trwania. Paliwo wtryskuje do komory spalania rozpylacz, który kształtuje strumień paliwa. 
W celu przeprowadzania właściwej diagnozy uszkodzeń pompowtryskiwacza, warto przypomnieć sobie, ja działa to urządzenie. Poniżej podajemy ogólny opis funkcjonowania pompowtryskiwacza, pomijając mniej istotne w tym momencie zagadnienia, np. związane z tłumieniem ruchu igły rozpylacza. 
Działanie pompowtryskiwacza dzieli się na kilka etapów (rys. 2).
 
Skok ssania:

Tłoczek (2) pod działaniem sprężyny (3) przesuwa się do góry. Paliwo z obwodu niskiego ciśnienia wpływa otworem (9) do pompowtryskiwacza. Przez otwarte gniazdo zaworu elektromagnetycznego (13) paliwo wpływa do komory wysokiego ciśnienia (5). 

Skok wstępny:

Krzywka naciskając na tłoczek, przesuwa go w dół. Zawór elektromagnetyczny jest otwarty i paliwo przepływa do obwodu niskiego ciśnienia (przewód 8). Do cewki elektromagnesu zostaje doprowadzony prąd ze sterownika i igła elektromagnesu (7) zamyka połączenie między komorą wysokiego ciśnienia i obwodem niskiego ciśnienia (13). 

Koniec wtrysku wstępnego:

Pod koniec wtrysku wstępnego ciśnienia paliwa nadal wzrasta, ale przestrzeń wysokiego ciśnienia zostaje połączona z obwodem niskiego ciśnienia, co wywołuje spadek ciśnienia paliwa. Sprężyna (10) zamyka igłę wtryskiwacza (11). 

Wtrysk zasadniczy:

Wtrysk zasadniczy realizowany jest podobnie jak wtrysk wstępny. Podczas całego procesu wtrysku zasadniczego ciśnienie paliwa stale rośnie, a maksymalne ciśnienie wtrysku jest osiągane przed tzw. skokiem resztkowym. Gdy prąd w cewce elektromagnesu zostanie wyłączony, zawór elektromagnetyczny otwiera połączenie między przestrzenią wysokiego ciśnienia i obwodem niskiego ciśnienia. Ciśnienia paliwa gwałtownie spada i igła rozpylacza pod naciskiem sprężyny opada w dół. 

Skok resztkowy:

Wtrysk jest zakończony, chociaż tłoczek (2) opada w dół pod naciskiem krzywki napędowej (1). Dzięki temu ruchowi pozostające paliwo zostaje wtłoczone do obwodu niskiego ciśnienia, przy okazji odprowadzając ciepło z wtryskiwacza. Ruch tłoczka w dół powodujący wtłoczenie paliwa do obwodu niskiego ciśnienia nazywa się skokiem resztkowym.

Początek wtrysku wstępnego:

Ciśnienie paliwa w komorze wysokiego ciśnienia (5) rośnie do określonej wartości i pokonując siłę sprężyny (10), igła rozpylacza (11) unosi się do góry, rozpoczynając wtrysk wstępny. 
W zakresie małych prędkości obrotowych i obciążeń silnika w niektórych rozwiązaniach możliwe jest dwukrotne zadziałanie zaworu elektromagnetycznego.

Zawór elektromagnetyczny

Istotnym elementem pompowtryskiwacza jest zawór elektromagnetyczny, którego zadaniem jest zainicjowanie rozpoczęcia wtrysku i określenie długości jego trwania. Zawór elektromagnetyczny składa się z zaworu iglicowego, sprężyny oraz elektromagnesu i działa w dwóch stanach pracy: otwarty - zamknięty. Gdy przez cewkę nie płynie prąd, zawór jest otwarty. Wtedy sprężyna dociska igłę zaworu do zderzaka, otwierając połączenie między komorą wysokiego i obwodem niskiego ciśnienia. Gdy zawór elektromagnetyczny jest otwarty, wtrysk paliwa nie nastąpi, gdyż nie wytworzy się wysokie ciśnienie. Zamknięcie zaworu (początek wtrysku paliwa) powoduje dopływ prądu do cewki, inicjowany przez sterownik. Siła elektromagnesu pokonuje opór sprężyny i zapewnia szczelność zaworu. Gdy zawór elektromagnetyczny jest stale zamknięty (np. awaria), paliwo nie jest kierowane do przestrzeni wysokiego ciśnienia i w takiej sytuacji może dojść do co najwyżej jednego wtrysku (paliwo do przestrzeni wysokiego ciśnienia musi przepłynąć przez zawór). 
Zamknięcie zaworu elektromagnetycznego wymaga dużego prądu. Po zamknięciu zaworu wystarczy prąd podtrzymujący o znacznie niższej wartości.

Diagnozowanie pompowtryskiwaczy 

Z praktyki warsztatowej wynika, że pompowtryskiwacze są urządzeniami dość trwałymi, ale i one ulegają zużyciu eksploatacyjnemu. Elementem podlegającym najczęstszym uszkodzeniom jest końcówka rozpylacza, która ma bezpośredni kontakt z gorącymi spalinami. Traci ona szczelność, obniża się ciśnienie otwarcia, dochodzi do rozkalibrowania otworów wtryskowych oraz gromadzenia się nagaru. Typowym uszkodzeniem jest też zużycie przylgni iglicy rozpylacza powodujące utratę szczelności gniazda. Inne uszkodzenia pompowtryskiwacza to: utrata szczelności sekcji tłoczącej pompy i nieszczelność zaworu elektromagnetycznego. 

O uszkodzeniu pompowtryskiwaczy mogą świadczyć: nierównomierna praca silnika na biegu jałowym, zwiększone zużycie paliwa czy czarne zadymienie spalin. Identyczne objawy mogą być spowodowane, np. zużyciem przylgni zaworów w głowicy silnika czy niewłaściwymi luzami w pompowtryskiwaczach, dlatego jednoznacznego zdiagnozowanie uszkodzenia pompowtryskiwaczy można dokonać za pomocą odpowiednich przyrządów. 

Na początku diagnozowania należy sprawdzić ciśnienie sprężania w poszczególnych cylindrach silnika, ustawienie rozrządu i luzów pompowtryskiwaczy, a także ciśnienie paliwa w układzie niskiego ciśnienia wytwarzanego przez pompę (za pomocą specjalizowanego zestawu). 

Podstawową diagnostykę pompowtryskiwaczy można przeprowadzić testerem diagnostycznym, wykorzystując funkcję „porównanie ilościowe” lub „balans cylindrów” podczas pracy silnika na biegu jałowym. Za pomocą diagnoskopu można sprawdzić czasy wysterowania, przebiegi prądowe cewek, a także kompresję poszczególnych cylindrów silnika. Jeśli w porównaniu ilościowym wystąpią zbyt duże różnice w ilości dawek paliwa (określone przez producenta pojazdu), można podejrzewać uszkodzenie pompowtryskiwaczy. Wątpliwość wynika stąd, że testerem diagnostycznym badamy silnik bez obciążenia (na biegu jałowym). Tymczasem np. uszkodzenie sekcji tłoczącej czy rozkalibrowanie otworków rozpylacza można sprawdzić pod obciążeniem silnika, co objawia się np. nadmiernym zadymieniem. Jednak o zadymieniu spalin może też świadczyć choćby uszkodzenie układu recyrkulacji spalin. Dlatego prawidłową weryfikację stanu pompowtryskiwaczy przeprowadza się na stole probierczym według odpowiedniej procedury postępowania. Przy okazji warto wspomnieć, że klasyczna technologia wykorzystująca menzurki do badania rzędowych pomp wtryskowych nie jest właściwa do badania pompowtryskiwaczy. Na stole probierczym bowiem pomiar dawki paliwa odbywa się w sposób ciągły i z użyciem bardzo dokładnych przepływomierzy. Na stole można więc sprawdzić charakterystykę dawkowania paliwa pod obciążeniem, szybkość działania zaworu elektromagnetycznego (początek wtrysku) i porównać z danymi fabrycznymi. Umożliwia to ocenę uszkodzenia poszczególnych podzespołów pompowtryskiwacza. Korzystając z zestawów naprawczych, z reguły wymienia się rozpylacz, jego sprężynę dociskową i uszczelnienia, a także zaleca się wymianę cewki, nawet jeśli wydaje się dobra. Po wymianie należy przeprowadzić regulacje, np. ciśnienia otwarcia wtrysku.

Pompowtryskiwacze są dość kosztownymi urządzeniami, dlatego prawidłowa weryfikacja ich stanu leży w interesie klienta i warsztatu. 

Autor dziękuje firmie Bosch za udostępnienie danych i rysunków do niniejszego artykułu.