Vstřikování dieselů včera a dnes: Proč máme common-rail a čerpadlo-tryska je mrtvé?

Jaký byl jeho další vývoj a co mu předcházelo?

Když se dnes podíváte na jakékoliv osobní auto se vznětovým motorem a zaměříte se na technické údaje a kolonku, v níž je uvedena „příprava směsi“ či „vstřikování paliva“, vždy tam objevíte spojení common-rail. Volně by se to dalo přeložit jako „společná cesta“, což v zásadě docela vystihuje podstatu této technologie.

Na rozdíl od všech dříve používaných technologií vstřikování nafty využívá common-rail tlakový zásobník. Vysoký tlak potřebný ke vstříknutí a současně rozprášení nafty je v jeho případě k dispozici vlastně pořád. U common-railu je tak poprvé oddělena funkce vytváření tlaku a vstřikování paliva.

Důvodů, proč se common-rail začal masivně používat a z trhu vznětových motorů osobních aut po čase zcela vytlačil veškeré konkurenční systémy, je hned několik. Po celou dobu vývoje vznětových motorů se jejich tvůrci snažili neustále zvyšovat vstřikovací tlak. S jeho zvyšováním bylo totiž možné dávku paliva rozprášit na stále menší částice. Jen tak bylo možné zajistit stále dokonalejší spalování. K určitému zvýšení vstřikovacího tlaku došlo už při přechodu z nepřímého vstřikování na přímé vstřikování. Pokud chcete konkrétní čísla, tak jako příklad uvedeme motor VW 1.9 TD o výkonu 55 kW a jeho následovníka 1.9 TDI s 66 kW. Oba se montovaly do třetí generace golfu, avšak starší motor se vyznačoval vstřikovacím tlakem 150 až 158 barů, zatímco novější, s přímým vstřikováním, vykazoval vstřikovací tlak 190 až 200 barů.

V porovnání se vstřikovacím tlakem dokonce i původního common-railového motoru Fiat 1.9 JTD jde o úsměvné hodnoty. Vždyť devatenáctistovka se chlubila tlakem 1350 barů. Tedy o celý řád více. Hlavním důvodem zavedení common-railu byla možnost výrazně zvýšit vstřikovací tlak. S tím šly ruku v ruce nabízené výkony vznětových motorů v kombinaci s nižší spotřebou paliva.

Jak se zvyšovaly nároky na čistotu výfukových plynů a výkony motorů v kombinaci, zvyšoval se také vstřikovací tlak. Netrvalo dlouho a verze common-railu se solenoidem to „dotáhla“ až na 1600 barů, později dokonce na 1800 barů.

Ve třetí generaci common-railu se změnilo ovládání vstřikovačů ze solenoidů na přesnější a rychlejší typ využívající piezočlánek. První verze CRS3.1 disponovala tlakem 1600 barů, pozdější CRS3.2 umožnila zvýšení na 1800 barů, tedy stejně jako u solenoidu a konečně CRS3.3 nabídla až 2000 barů. Navíc nejnovější motory s common-raily jdou ještě o dost výše. I přes příchod piezo-vstřikovačů se i nadále používají solenoidy. Jsou totiž levnější a v kontextu i spolehlivější, neboť u nich nedochází k selhání v ovládací části vinou elektrického zkratu. Také coby profesionálně repasované vyjdou solenoidové vstřikovače na přibližně dvě třetiny hodnoty, než jaké se platí za odborně opravené piezo-vstřikovače.

Úspěšné tažení common-railu napříč vznětovými motory osobních aut od konce 90. let narušoval konkurenční systém využívající takzvané sdružené vstřikovače, tedy technologie, kdy každý válec má vlastní vysokotlakou vstřikovací jednotku. Sdružené vstřikovače nebo také systém „čerpadlo-tryska“, se pojil zejména s motory koncernu Volkswagen. Poslední mohykán, slavný čtyřválec 1.9 TDI-PD, skončil až těsně po příchodu normy Euro 5, tedy v roce 2011.

Sdružené vstřikovače byly údajně patentovány už v roce 1911, v USA se ve spojení s motory lokomotiv začaly používat ve 30. letech 20. století. Do motorů osobních aut se sdružené vstřikovače dostaly ve druhé polovině 90. letech.

Koncern VW ale nebyl jediný, kdo technologii sdružených vstřikovačů používal u osobních aut. Od roku 1998 se mezi uživatele počítal také Land Rover a to v pětiválci Td5. A zatímco skupina VW spoléhala na techniku od firmy Bosch, případně později v některých aplikacích motorů 2.0 TDI 16V na Siemens (šlo o dokonalejší jednotky PPD ovládané piezoelektricky namísto solenoidem), sáhli Angličané po systému od Delphi. Vyznačoval se vstřikovacím tlakem 1500 barů. Tedy docela nízkým na poměry těchto systémů. Vždyť zmíněná 1.9 TD-PD to dotáhla až na 2050 barů. A motory 2.0 TDI s jednotkami PPD kupříkladu v Passat B6 nabízely dokonce 2200 barů!

U sdružených vstřikovačů se vysoký tlak nafty, potřebný pro její dodávku do spalovacího prostoru, vytváří přímo ve sdružené jednotce přimontované k hlavě válců. Píst v jednotce je poháněn vačkou přes vahadlo. Součástí jednotky je solenoidový, případně piezo-ventil (jednotky Siemens PPD), který reguluje počátek vstřiku a také jeho délku.

Koncern Volkswagen použití sdružených vstřikovačů dlouhá léta obhajoval. Na common-rail tak plošně přešel vlastně až v roce 2008. Zajímavé je, že už od roku 1999 Audi nabízelo osmiválec 3.3 TDI vybavený common-railem… Proč se ve vývoji systému se sdruženými vstřikovači dále nepokračovalo, je velmi zajímavou otázkou. Možná proto, že se již vyčerpaly jeho možnosti. Jak jistě víte, motory TDI-PD byly neustálým terčem kritiky kvůli vysoké hlučnosti. To vyplývalo z principu vstřikování, který na rozdíl od common-railu nemá vysoký tlak k dispozici nepřetržitě, ale pouze v okamžiku, kdy vačka stlačuje píst sdružené jednotky. Vinou toho nelze vstřikovanou dávku rozdělit na větší počet částí. Solenoidem ovládané jednotky PD vstřikovaly naftu vždy jedním hlavním vstřikem a žádným nebo dvěma dodatečnými, takzvanými povstřiky. PPD jednotky umožnily zvýšit počet hlavních vstřiků na dva, k nimž se přidaly až dva postřiky. Sledovalo se tím snížení rychlosti šíření expanzního tlaku ve válci, který způsoboval onu zmíněnou a v tisku neustále omílanou nekultivovanost a hlučnost. Navíc motory osazené jednotami PPD měly vždy kazetu s vyvažovacími hřídeli (takzvaný modul AGW).

Konečný stop sdruženým vstřikovačům vystavila až norma Euro 5. Ta totiž povinně vyžadovala použití filtru pevných částic, s nímž agregáty s touto technologií vstřikování zejména zpočátku hodně bojovaly. Hlavní příčinou problémů byl právě chybějící kontinuální tlak, umožňující úspěšně zvládnout regeneraci filtru dodatečnou dávkou nafty. Aby ji mohly sdružené vstřikovače uskutečnit, potřebovaly k tomu vysoký vstřikovací tlak. Ten však nebyl k dispozici od okamžiku, kdy vačka minula vahadlo stlačující píst v jednotce sdruženého vstřikovače.

Než automobiloví výrobci v praxi uplatnili systém common-rail či sdružené vstřikovače, předcházel tomu poměrně bouřlivý vývoj na poli dieselové techniky. V dřevních dobách dieselů pod kapotou osobních aut se požívalo nepřímé vstřikování nafty za pomoci řadového vstřikovacího čerpadla. Později jej vystřídalo rotační čerpadlo s rozdělovačem.

První revoluční počin dorazil v roce 1988, kdy Fiat uvedl dieselový motor s přímým vstřikováním nafty v osobním automobilu. Šlo o legendární čtyřválec 2.0 TD id (ve skutečnosti to ale byla 1.9) o výkonu 68 kW. O necelý rok později se přidalo Audi se svým pětiválcem 2.5 TDI o výkonu 85 kW. Je zajímavé, že třeba v těžkých užitkových vozech se přímé vstřikování používalo o celé dekády dříve. Příkladem je třeba řešení firmy MAN. Motory s přímým vstřikováním používaly již výhradně rotační čerpadla s rozdělovačem, a to buď s axiálním výtlakem (Bosch VP/VE 30), nebo radiálním (Bosch VP 44, Lucas Rotodiesel). Zpočátku si čerpadla vystačila s mechanickou regulací dávky nafty. Později s příchodem emisní normy Euro 3 ale již byla nucena přejít na elektronicky řízenou prostřednictvím solenoidového ventilu. Snad úplně posledním mohykánem, používajícím tuto v té době již zastaralou technologii, byla dnes už zesnulá automobilka Rover/MG, která do roku 2005 nabízela motor 2.0 z takzvané série L. S čerpadlem Bosch VP 30 to při splnění normy Euro 3 dotáhl na výkon 74 kW. Ale to už je historie.

A jak to bude s diesely v osobních autech dál? Vzhledem k nedávným i současným událostem, které v Americe a posléze také v Evropě postihly vznětové motory, je otázkou, jak to bude s vývojem dieselů dále. Vždyť zájem o ně byl a je téměř výhradně v Evropě. Na jiných světadílech k masivnímu rozšíření dosud nedošlo a patrně už ani nedojde. Ale uvidíme…