Charakterystyka i zastosowanie rzędowych pomp wtryskowych

Prawidłowa praca silnika wysokoprężnego zależy od dobrego współdziałania wszystkich jego podzespołów i niezbędnego osprzętu. Jednym z elementów o kluczowym znaczeniu jest układ paliwowy, w tym m.in. pompa wtryskowa. Istnieje wiele typów rozwiązań konstrukcyjnych, które działają na różnych zasadach i mają odmienne charakterystyki. Wśród najtrwalszych konstrukcji znajdują się rzędowe pompy wtryskowe, montowane głównie w pojazdach ciężarowych.

Rodzaje układów dostarczania paliwa do silników spalinowych

Silniki spalinowe wciąż pozostają głównym źródłem napędu dla zdecydowanej większości samochodów ciężarowych, osobowych, motocykli, ciężkich maszyn budowlanych oraz sprzętu rolniczego. Są niezastąpione także wówczas, gdy w grę wchodzi potrzeba napędzania statków oraz maszyn latających – przede wszystkim śmigłowców, ale także znacznej części mniejszych samolotów. Bez jednostki spalinowej nie mogą się obejść agregaty prądotwórcze oraz układy hydrauliczne i pneumatyczne montowane w sprzęcie mobilnym. Mimo tak szerokiego stosowania silników napędzanych paliwami płynnymi lub gazem ich użytkownicy nie zawsze doceniają pracę osprzętu pozwalającego na ich sprawne działanie. Żaden motor nie będzie mógł funkcjonować bez najważniejszego układu umożliwiającego dostarczanie paliwa, a zatem w przypadku współczesnych konstrukcji benzynowych pompy paliwa i układu wtrysku, a przy spalaniu ropy współdziałających ze sobą pompy paliwa oraz pompy wtryskowej i układu wtryskiwaczy – zauważa specjalista z firmy TURBO INJECTOR, zajmującej się naprawą układów paliwowych.

Działanie silnika spalinowego wymaga doprowadzenia do cylindrów prawidłowo dobranej dawki paliwa o odpowiednich parametrach, która dzięki zmieszaniu z powietrzem we właściwych proporcjach umożliwi jego zapłon. W silnikach diesla mieszanka powietrza i paliwa musi być dostarczana po sprężeniu, tak by znajdowała się pod dużym ciśnieniem, co ułatwia wystąpienie samozapłonu powodowanego wysoką temperaturą. Układ paliwowy musi być więc wyposażony w urządzenie, które pozwoli na stworzenie optymalnych warunków do najefektywniejszego spalania, czyli pompy, która podniesie ciśnienie do wymaganej wartości. W silnikach diesla funkcję tą pełni pompa wtryskowa, która spręża, a często zarazem dawkuje ropę naftową.

W najnowszych pojazdach z napędem diesla stosowany są pompy współpracujące z układem wtryskiwaczy, czyli tzw. układy Common Rail. Są one wykorzystywane od końca lat 90. ubiegłego wieku, a ich działanie polega na tym, że pompa wtryskowa podnosi ciśnienie paliwa do wartości około 1300–1600 barów, które tak sprężone przepływa do szyny połączonej przewodami z poszczególnymi wtryskiwaczami, które otwierając się na określony czas, podają odpowiednio odmierzoną dawkę. W rzeczywistości każda faza otwarcia przepływu przebiega jednak w kilku etapach i jest zależna od obciążenia silnika oraz zapotrzebowania na paliwo wyznaczanego przez komputer sterujący pracą całego układu.

W starszych pojazdach stosowano jednak rozwiązanie mechaniczne w postaci pompy rzędowej albo rotacyjnej, które wprawdzie nie gwarantowało takiej precyzji, jednak zapewniało długą i bezawaryjną pracę także przy bardzo wysokich, nieosiągalnych dla współczesnych konstrukcji przebiegach. Wyjątkową trwałość oferowały zwłaszcza pompy rzędowe, które wyróżniają się prostotą budowy oraz dają szerokie możliwości naprawy i regeneracji poszczególnych elementów.

Konstrukcja i działanie rzędowych pomp wtryskowych

Pompy rzędowe są konstrukcyjnie zbliżone do pierwszych pomp sekwencyjnych opracowanych jeszcze w latach 20. ubiegłego stulecia. Zastąpiły one o wiele bardziej skomplikowane, cięższe i podatne na awarie układy wykorzystujące oddzielne sprężarki. Pompy według projektu firmy Bosch były montowane w samochodach ciężarowych już od końca lat 20. XX wieku, a w autach osobowych pojawiły się w 1936 roku, w modelu Mercedesa 260D. Ich dominacja trwała aż do lat 60. zeszłego stulecia, kiedy to zaczęto zastępować je pompami rotacyjnymi, jednak udoskonalone konstrukcje rzędowych pomp wtryskowych wciąż były wykorzystywane w wielu pojazdach. Zmiany polegały np. na zmianie układu regulacyjnego, który sterował wielkością podawanej dawki paliwa z mechanicznego na elektryczny nadzorowany przez odpowiedni układ elektroniczny. Zmodernizowane pompy rzędowe EDC stosowano aż do początku lat dwutysięcznych, a ostatnie konstrukcje tego rodzaju pojawiały się aż do ich połowy. Wraz z zaostrzaniem się norm zużycia paliwa ich stosowanie stało się jednak niemożliwe, ze względu na trudności ze spełnieniem nowych wymagań.

Budowa pompy rzędowej zwanej również sekcyjną jest stosunkowo prosta, a ona sama podczas pracy bardzo przypomina działanie silnika spalinowego. Za podawanie paliwa do każdego cylindra odpowiada tu pojedynczy mechanizm zespolony we wspólnym bloku obsługującym cały silnik. Każda sekcja pompy rzędowej składa się z cylindra i poruszającego się w nim tłoka. W korpusie cylindra znajdują się otwory – wlotowy i wylotowy z zaworem ciśnieniowym oraz kanał przelewowy, przez które podawane i odprowadzane jest paliwo. Tłoczki pompy poruszające się w cylindrze są jednak zbudowane o tyle nietypowo, że podczas pracy wykonują ruch posuwisto-zwrotny, ale osadzone na ich stopkach tuleje obracają się częściowo wokół własnej osi. Jest to spowodowane koniecznością większego bądź mniejszego zasłaniania i odsłaniania kanału przelewowego, służącego do wyprowadzania części paliwa w przypadku, gdy zapotrzebowanie na nie jest mniejsze. Obroty tulejek są możliwe za sprawą listwy zębatej, która jest połączona mechanicznie z wałem w tradycyjnych konstrukcjach, a w bardziej nowoczesnych z układem sterującym całością za pomocą elektroniki. Napęd pompy rzędowej umożliwiający ruch tłoków w cylindrach jest możliwy dzięki połączeniu z wałem korbowym silnika.

Działanie pompy rzędowej jest stosunkowo proste. Paliwo trafia do jej cylindrów przez otwór wlotowy pod niewielkim ciśnieniem, generowanym przez pompę paliwową, dostarczającą ropę ze zbiornika. Wraz z tym, jak tłok porusza się ku górze cylindra, odcinany jest otwór wlotowy. W zależności od ustawienia tulei odcinającej światło otworu przelewowego określona część paliwa może wydostawać się z cylindra kanałem przelewowym – przy pełnym zamknięciu byłaby wykorzystywana cała dawka, przy maksymalnym otwarciu jedynie jej część umożliwiająca utrzymanie wolnych obrotów. Położenie tulei zależy od ustawienia listwy zębatej, która powoduje jej obrót za pośrednictwem uzębionego wieńca. Rozwiązanie takie jest konieczne, ponieważ przy stałym skoku tłoka oraz dostarczaniu paliwa pod tym samym ciśnieniem nie byłoby możliwości wpływania na dobieranie właściwej dawki paliwa i silnik pracowałby przez cały czas z jednakowymi obrotami. Po osiągnięciu odpowiedniego stopnia sprężenia w pompie otwierany jest zawór, przez który dawka paliwa podawana jest pod właściwym ciśnieniem. Otwarty kanał przelewowy sprawia, że w ciśnienie spada, a zawór zostaje zamknięty, co kończy fazę wtrysku, a tłok powraca do swego dolnego położenia, powtarzając cały proces.

Serwisowanie i awarie wtryskowych pomp rzędowych

Największymi zaletami pomp rzędowych jest ich niska awaryjność i możliwość osiągania bardzo dużych przebiegów. Znaczenie ma także prosta konstrukcja umożliwiająca dość łatwą naprawę i regenerację poszczególnych elementów. Największymi minusami takiego rozwiązania jest spora masa i dość duże rozmiary, co wymaga znacznej ilości miejsca pod maską. Pompy rzędowe muszą być też dość regularnie serwisowane. Precyzyjnego ustawienia wymaga kąt wyprzedzenia wtrysku, prędkość obrotowa uzyskiwana na wolnych obrotach oraz precyzja odmierzania odpowiednich dawek paliwa. Równie istotna jest terminowa wymiana oleju.

W przypadku pomp rzędowych stosowane są dwa rozwiązania – pompa może być zasilana z układu smarowania silnika lub mieć układ niezależny z własnym obiegiem i filtrem. Zaniedbania w wymianie oleju lub filtra powodują podobne skutki jak przy samym silniku spalinowym. Niewłaściwe smarowanie oznacza pogorszenie sprężania wskutek nieszczelności pojawiających się między wewnętrzną powierzchnią cylindra a tłokiem. Groźny jest również wzrost tarcia powodujący niebezpieczeństwo zatarcia pompy. Warto pamiętać, że przyczyną uszkodzenia pompy może być także pośledni skład tankowanego paliwa czy zły stan filtra, który może przepuszczać zanieczyszczenia stałe.

Jeśli chodzi o możliwe zaburzenia w pracy pompy, to wiążą się one przede wszystkim ze zwiększoną emisją hałasu i drgań, tj. charakterystycznym klekotem. Można je zauważyć również po falowaniu obrotów silnika, zwłaszcza przy małym obciążeniu. Jednym z objawów uszkodzenia pompy jest też spadek mocy odczuwalny szczególnie podczas przyspieszeń.  W skrajnych przypadkach problemy z pompą nie pozwalają na uruchomienie silnika. Awarie pomp rzędowych nie muszą obejmować jedynie uszkodzeń mechanicznych. Kłopoty może sprawiać również elektronika, czyli układ EDC sterujący ich pracą.

Prawidłowo serwisowana rzędowa pompa wtryskowa może pracować przez długi czas, nie powodując żadnych kłopotów. Ma to szczególne znaczenie w pojazdach ciężarowych, w których podzespoły tego typu montowane były najdłużej. W tym przypadku osiąganie wysokich przebiegów oznacza realne zyski w postaci zmniejszenia nakładów na potrzebne naprawy.