Fot. Bosch

Mercedes-Benz 260 D z 1936 roku, pierwszy seryjnie produkowany samochód osobowy z silnikiem wysokoprężnym, wyposażony w rzędową pompę wtryskową Bosch

Mówi się i pisze do dziś powszechnie o silnikach Diesla, choć całą swą, niemal już 90-letnią, karierę w motoryzacji zawdzięczają one wynalazkom i konstrukcjom tworzonym w firmie Roberta Boscha.

Dr inż. Rudolf Diesel opatentował silnik z zapłonem samoczynnym w 1893 roku. Pierwszy zadowalający prototyp powstał dopiero po kolejnych czterech latach, gdy konstruktor zdecydował się zmienić rodzaj stosowanego materiału pędnego, zastępując pył węglowy naturalną ropą naftową, a potem znacznie tańszym wówczas olejem napędowym. We wszystkich tych wariantach zapłon następował dzięki wtłoczeniu dawki paliwa do powietrza rozgrzanego w cylindrze na skutek intensywnego sprężania za pomocą powietrza o jeszcze wyższym ciśnieniu, dostarczanego przez osobną sprężarkę.

W porównaniu ze współczesnymi silnikami spalinowymi z zapłonem iskrowym konstrukcja Diesla odznaczała się znacznie większą trwałością eksploatacyjną i wyższą sprawnością energetyczną, czyli mniejszym jednostkowym zużyciem paliwa. Pozwalała też tworzyć napędy o stosunkowo dużej mocy. Jednak ów prymitywny „system wtryskowy” pozwalał rozwijać tylko niewielkie prędkości obrotowe i to bez możliwości ich płynnej regulacji. Dlatego pod względem pojemności skokowych pierwsze silniki wysokoprężne przewyższały wielokrotnie swe benzynowe lub gazowe odpowiedniki, a całe te maszyny wraz z dodatkowym osprzętem były tak ciężkie, iż nadawały się tylko do stacjonarnej pracy przemysłowej oraz na wolnobieżnych statkach i w lokomotywach.

Kompletny system wtryskowy Bosch do silników z zapłonem samoczynnym z roku 1950

Wielkie przyspieszenie

Po pierwszej wojnie światowej na kołach samochodów ciężarowych i autobusów pojawiło się ogumienie pneumatyczne. Umożliwiło to rozwijanie  większych prędkości podróżnych, lecz wymagało też stosowania mocniejszych, a równocześnie bardziej oszczędnych silników. W roku 1922 zainteresował się tą sprawą Robert Bosch i zainicjował w swych zakładach prace nad modernizacją koncepcji Diesla. W ich efekcie powstała pierwsza na świecie rzędowa, wielosekcyjna pompa wtryskowa.

Rozwiązanie to nadawało się do współpracy z silnikiem o dowolnej liczbie cylindrów, ponieważ każdy z nich zasilany był przez osobną sekcję wtryskową, złożoną z cylinderka i tłoczka oraz osadzonego w głowicy wtryskiwacza z odcinającym zaworem zwrotnym. Ruch tłoczków w cylinderkach wymuszany był przez wał krzywkowy, obracający się synchronicznie z wałem korbowym silnika. Tym sposobem można było uzyskiwać znacznie wyższe ciśnienie, a zatem i rozpylenie wtryskiwanego paliwa, niż przy wcześniejszych systemach pneumatycznych. Odpowiednie ukształtowanie krawędzi tłoczków pozwalało poprzez ich obracanie w cylinderkach płynnie zmieniać dawki wtryskiwanego paliwa, czyli wygodnie sterować mocą i prędkością obrotową silnika.

Już w 1924 roku w Niemczech wszedł do seryjnej produkcji pierwszy samochód ciężarowy z silnikiem wysokoprężnym i pompą wtryskową Boscha, który w 1927 roku wprowadził kompletne systemy wtryskowe (pompy podające i filtry paliwa, odśrodkowe i pneumatyczne regulatory pomp, wtryskiwacze, świece żarowe) do swej motoryzacyjnej oferty.

Stopniowe doskonalenie tych precyzyjnych produktów umożliwiało nie tylko ich miniaturyzację, lecz także poprawę osiągów wyposażonych w nie silników, czyli uzyskiwanie coraz większych mocy i prędkości obrotowych, przy malejących pojemnościach skokowych. Mija właśnie 75 lat od czasu Wystawy Samochodowej w Berlinie, na której w 1936 roku zaprezentowano pierwszy na świecie, seryjnie produkowany samochód osobowy z silnikiem wysokoprężnym. Był to Mercedes-Benz 260 D. Zużywał o jedną trzecią mniej paliwa niż wersja benzynowa o tej samej mocy.

Pierwszy na świecie elektroniczny sterownik do tradycyjnych pomp wtryskowych
produkowany przez firmę Bosch od 1986 r.

Pierwszy milion i nowa koncepcja

Zasilana olejem napędowym limuzyna nie wywołała początkowo entuzjazmu potencjalnych nabywców. Pod względem osiągów i tzw. kultury pracy silnika nie dorównywała pokrewnym samochodom benzynowym, a oszczędność paliwa i w tamtych czasach nie była główną troską ludzi jeżdżących mercedesami. Zmieniło się to jednak w latach powojennych i nie tylko w Niemczech, gdy auta z silnikami wysoko prężnymi stawały się coraz popularniejsze, zwłaszcza wśród taksówkarzy. Jednak gdy w 1950 roku Bosch odnotował jubileusz miliona wyprodukowanych pomp wtryskowych, zdecydowanie większa część tej liczby przypadała wciąż jeszcze na ciężkie pojazdy użytkowe.

Z bogatych dotychczasowych doświadczeń konstruktorzy Boscha wyciągnęli prawidłowe wnioski. Uznali, że silnik z zapłonem samoczynnym powinien być mniejszy i tańszy, by można go było stosować w bardziej popularnych samochodach osobowych, a przy tym mniej hałaśliwy i mocniejszy dzięki rozwijaniu większych prędkości obrotowych. Tradycyjne rzędowe pompy wtryskowe coraz trudniej dawały się dostosowywać do tych nowych wymogów. Dlatego w roku 1960 w zakładach Boscha opracowano pierwszą pompę o konstrukcji rozdzielaczowej i uruchomiono jej seryjną produkcję. Było to urządzenie lżejsze i mniejsze od stosowanych poprzednio, otwierało też drogę do pewnego zwiększenia szybkobieżności silników wysokoprężnych i rzeczywiście przyczyniło się do lawinowego wzrostu ich popularności w połowie lat siedemdziesiątych.

Zapoczątkował ten trend model VW Golf Diesel jako pierwszy samochód z tym rodzajem napędu w klasie kompakt. Zastosowano w nim turbodoładowanie i oczywiście rozdzielaczową pompę wtryskową Bosch. Jego wersja „GTD“ była z kolei pierwszym samochodem sportowym z silnikiem wysokoprężnym. Tym śladem podążyli producenci samochodów w całej Europie, oferujący własne modele w „klasie Golfa”. W niemal wszystkich wykorzystywano rozdzielaczowe pompy wtryskowe firmy Bosch.

Bez taryfy ulgowej

Mimo sukcesów uzyskanych w latach siedemdziesiątych walory użytkowe ówczesnych silników z zapłonem iskrowym i samoczynnym nie stały się jeszcze w pełni równorzędne. Pozytywne oceny pojemności skokowych, mocy i prędkości obrotowych tych drugich trzeba było za każdym razem wyrażać w formie: „jak na diesla, to wręcz znakomite”. W rynkowej konkurencji ich techniczne niedostatki, a także wyższe w porównaniu z silnikami benzynowymi ceny rekompensowane były już z nawiązką przez większą trwałość i niższe koszty eksploatacji.

W połowie lat osiemdziesiątych ubiegłego stulecia rozpoczęła się epoka motoryzacyjnej elektroniki, a wraz z nią optymalizacja przebiegu procesów spalania, wymuszana bez udziału kierowcy przez odpowiednio zaprogramowane mikroprocesory uwzględniające przy tym sygnały rozmaitych czujników. Tak komfortowo działały coraz bardziej rozwinięte systemy zapłonowo-wtryskowe nowych silników benzynowych, więc analogiczne udoskonalenia musiały pojawić się w ich wysokoprężnych odpowiednikach.

W 1986 roku Bosch opracował pierwszy elektroniczny system sterowania swych pomp rozdzielaczowych i rzędowych, stosowanych nadal w większych jednostkach napędowych. Rozwiązanie to producenci samochodów zaczęli wykorzystywać już w następnym roku, czego przykładem może być wprowadzony wtedy na rynek „najszybszy seryjnie produkowany diesel świata”, czyli model BMW 524. Miał on sześciocylindrowy silnik wysokoprężny z turbodoładowaniem i elektronicznie sterowaną rozdzielaczową pompę.

Kolejny nowy początek

Aż do końca lat osiemdziesiątych inżynierowie Boscha koncentrowali się na doskonaleniu samych systemów wtryskowych stosownie do oczekiwań konstruktorów wysokoprężnych silników. Ci zaś we własnym zakresie i na różne sposoby starali się tak modyfikować przebiegi procesów spalania, by uzyskiwać wyższe prędkości obrotowe, cichobieżność pracy, łatwiejszy rozruch przy niskich temperaturach itp. W starych podręcznikach technicznych znaleźć można efekty tych prac w postaci co najmniej kilkudziesięciu opatentowanych konstrukcji różniących się usytuowaniem i kształtem komór spalania, budową i działaniem wtryskiwaczy. Każda z nich miała swoje zalety i wady, lecz żadna nie pozwalała przekroczyć „magicznej”, jak się wydawało, granicy szybkobieżności wynoszącej 4 tysiące obrotów wału korbowego na minutę.

Samodzielne badania tego problemu podjęte w laboratoriach Boscha doprowadziły do iście rewolucyjnego przełomu w całej dotychczasowej koncepcji organizacji pracy silników wysokoprężnych. Okazało się bowiem, że prędkość obrotowa zależy głównie od szybkości przebiegu procesu spalania, a ta z kolei od stopnia rozpylenia wtryskiwanego paliwa, czyli przede wszystkim od ciśnienia wtrysku. W tej sytuacji za optymalną uznać należało konstrukcję najprostszą i uważaną dotychczas za najmniej doskonałą, a więc bezpośredni wtrysk paliwa do jednoczęściowej komory spalania, stosowany wcześniej niemal wyłącznie w silnikach stacjonarnych, maszynach roboczych i najtańszych ciągnikach rolniczych.

Rok 1989 – wysokociśnieniowa, elektronicznie sterowana pompa rozdzielaczowa otwiera nową epokę w historii silników Diesla	System wtryskowy common rail opracowany w zakładach Boscha w 1997 roku, zastosowany po raz pierwszy w samochodach Alfa-Romeo 156 i Mercedes-Benz klasy C

W 1989 powstała pierwsza rozdzielaczowa pompa wtryskowa Boscha przeznaczona do systemów bezpośredniego wtrysku paliwa. Zastosowano ją najpierw w modelu Audi 100 TDI (turbodiesel direct injection), uzyskując rekordowo wówczas wysokie ciśnienie w instalacji wtryskowej na poziomie 1000 barów. Przyniosło to w rezultacie wyraźne zwiększenie mocy, spokojniejszą pracę silnika, niskie zużycie paliwa i poziom emisji szkodliwych składników spalin oraz łatwość zimnego rozruchu. Po kilku latach bezpośredni wtrysk paliwa stał się rozwiązaniem standardowym w samochodach osobowych i ciężkich pojazdach użytkowych.

Bosch wygrywa z Boschem

Pod koniec lat dziewięćdziesiątych konkurowały ze sobą opracowane przez Boscha trzy różne koncepcje wysokociśnieniowych urządzeń wtryskowych do realizacji wtrysku bezpośredniego. Najstarsza z nich, najbardziej skomplikowana i z tego powodu najwcześniej zaniechana, to, wspomniana wcześniej, wielotłokowa rozdzielaczowa pompa promieniowa. W 1997 roku pojawił się system common rail, a w roku 1998 pompowtryskiwacze, znane także pod nazwą unit injector.

Pompowtryskiwacz jest zgodnie ze swą nazwą pompą wtryskową o mechanicznym napędzie, zintegrowaną w jednym korpusie z elektronicznie sterowanym wtryskiwaczem. Zespoły takie montowane są indywidualnie dla każdego cylindra, a ich główną zaletę stanowi brak przewodów wysokiego ciśnienia, zakłócających w innych systemach precyzyjne dawkowanie paliwa. Zastosowano je m.in. w 4-cylindrowym silniku 1,9 TDI modelu Volkswagen Golf IV oraz w 3-cylindrowym 1,2 TDI VW Lupo 3L, a potem w wielu innych konstrukcjach Grupy Volkswagena. Ostatnio jednak mimo wielu wprowadzonych udoskonaleń urządzenia te wycofano, chyba już definitywnie, z nowych konstrukcji silników wysokoprężnych.

System common rail wzorowany jest na wcześniej skonstruowanych przez Boscha urządzeniach wtrysku benzyny w silnikach z zapłonem iskrowym. Pojawił się najpierw w modelach Alfa Romeo 156 JTD i Mercedes-Benz 220 CDI, a w roku 2000 w pojazdach różnych marek działało już ponad trzy miliony jego egzemplarzy.

W pierwszej generacji tych urzą dzeń paliwo o ciśnieniu dochodzącym do 1350 barów wytwarzanym przez elektrycznie napędzaną pompę rotacyjną doprowadzane było wspólnym przewodem (ang. common rail) do wszystkich wtryskiwaczy poszczególnych silników. Koncepcja ta w drugiej konstrukcyjnej umożliwiała realizację wtrysku wielofazowego z podziałem na fazę wstępną (pilotażową) i główną. Wtrysków pilotażowych można stosować kilka, a także przeprowadzać dodatkowy dotrysk po wtrysku głównym dla poprawy składu emitowanych spalin.

W 2003 roku Bosch zaprezentował trzecią generację systemów common rail, wyposażoną we wtryskiwacze piezoelektryczne typu Inline. W porównaniu z wcześniejszymi wtryskiwaczami elektromagnetycznymi zapewniają one dalszą redukcję zużycia paliwa i jeszcze drobniejsze jego rozpylanie, czyli szybszą i mniej hałaśliwą pracę.

Do tej pory wyposażono w systemy common rail firmy Bosch ponad 66 milionów silników wysokoprężnych. Dzięki temu udział napędzanych nimi samochodów przekroczył 50% ogólnej sprzedaży. Zachowując swe wszystkie tradycyjne zalety, współczesne silniki z zapłonem samoczynnym nie ustępują już benzynowym ani osiągami, ani komfortem użytkowania i mają wciąż wielki potencjał rozwojowy, także w przygotowywanych już przez Boscha przyszłych napędach hybrydowych.

Opracowano na podstawie          
materiałów firmy Bosch          

Tweet

Redakcja Miesięcznika Branżowego Autonaprawa