Poniżej przedstawiamy artykuł dotyczący tego, jakie pompy wysokiego ciśnienia znajdziemy w silnikach benzynowych na przykładzie jednostkę napędowych FSI grupy Volkswagen Auto Group. Układ bezpośredniego wtrysku paliwa benzynowego i układ Common Rail, który znany jest z silników wysokoprężnych Diesla, możemy znaleźć bardzo duże podobieństwo, ponieważ w obu tych przypadkach możemy podzielić układ na stronę niskociśnieniową i wysokociśnieniową. Jedynym zadaniem, jakie wykonuje strona niskociśnieniowa to dostarczenie paliwa do pompy wysokociśnieniowej w żądanej ilości oraz pod żądanym ciśnieniem, w silnikach typu FSI ciśnienie formuje się na poziomie od czterech do pięciu barów, niekiedy jednak dochodzi do 6,5 barów, standardem w silnikach FSI jest elektronicznie regulowany wydatek i ciśnienie po stronie niskociśnieniowej. Największą różnicą między układem FSI a układem Common Rail jest wartość ciśnienia paliwa po stronie wysokociśnieniowej. Ciśnienie po stronie wysokociśnieniowej w jednostkach napędowych typu FSI wynosi od 40 do 110 barów i tak samo, jak w układzie Common Rail jest ona zmienna i zależna od obciążenia, prędkości obrotowej, a także trybu pracy. Źródłem wysokiego ciśnienia jest pompa wysokociśnieniowa, a jej producent zapewnia, że jest ona tak samo trwała, jak trwałość samochodu, jej odporność na niezbyt wysoką jakąś paliw, a także dopuszcza dziesięcioprocentowy udział bioetanolu w paliwie. W motorach napędowych grupy Volkswagen Auto Group możemy spotkać bardzo dużo wariantów pomp wysokociśnieniowych, ale my przybliżmy tylko dwa z nich, które na pozór wydają się identyczne, aczkolwiek charakteryzuje je różna koncepcja sterowania. W obu przypadkach mamy do czynienia z jedno-tłoczkową pompą wysokiego ciśnienia, która posiada zmienny wydatek, a także regulowany regulator ciśnienia, który jest zabudowany w pompie. Pompa wysokociśnieniowa jest napędzana krzywką wałka rozrządu, a jej ruch obrotowy jest zamieniany na ruch posuwisto-zwrotny tłoka pompy.

1. Pompy wysokiego ciśnienia w silnikach z wtryskiwaczami benzynowymi

W pierwszym wariancie cykl rozpoczyna się od suwu zasysania, czyli tłok pompy wysokiego ciśnienia pod wpływem sprężyny umieszczonej w nim przemieszcza się do dołu, zwiększając tym samym objętość komory, powoduje, że ciśnienie spada, a spadek ciśnienia w komorze, które jest niższe od ciśnienia po stronie niskociśnieniowej, powoduje, że zawór dolotowy otwiera się i paliwo wypełnia objętość komory. Zawór wylotowy jest zamknięty tylko wtedy, gdy ciśnienie na magistrali po stronie wysokociśnieniowej jest wyższe niż ciśnienie w komorze. Suw tłoczenia oznacza ruch tłoka do góry, który powoduje wzrost ciśnienia, a to przyczynia się do tego, iż zawór regulacji ciśnienia zamyka się. Gdy ciśnienie w komorze będzie wyższe od ciśnienia w szynie to zawór wylotowy, zostanie otwarty, a paliwo przedostanie się na stronę wysokociśnieniową. Regulacja ciśnienia pompy wysokiego ciśnienia odbywa się za pomocą odpowiedniego zasterowania zaworu regulacji ciśnienia, a niezasterowany zawór pozostaje zamknięty, a tym samym uszczelnia komorę pompy. W przypadku kiedy podczas fazy tłoczenia osiągniemy odpowiednie ciśnienie na magistrali to sterownik zasterowuje zawór regulacji ciśnienia, a to powoduje jego otwarcie. W tym momencie paliwo przedostaję się na stronę niskociśnieniową, a ciśnienie w komorze spada i zawór wylotowy zostaje zamknięty. Takie rozwiązanie pozwala na sprężanie tylko i wyłącznie wymaganej ilości paliwa. Sygnał, który steruje zaworem regulacji ciśnienia, ma prostokątny charakter, czyli zmienną częstotliwość równą częstotliwości skoku tłoczka, a także zmienne wypełnienie, które powinniśmy rozpatrywać w kontekście drogi tłoczka, a nie w czasy. Po tym opisie bardzo łatwo wydedukować, że gdy zabraknie zasterowania pompa wysokiego ciśnienia pracuje ze swoim maksymalnym wydatkiem, a to powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia na magistrali, w takim wypadku ciśnienie jest ograniczane zaworem bezpieczeństwa znajdującym się po stronie wysokociśnieniowej i wynosi od 120 barów do 140 barów. W przeciwieństwie do układu Common Rail, jednostka napędowa nie gaśnie, aczkolwiek można zaobserwować bardzo twardy charakter pracy oraz skrócony czas wtrysku, który dla biegu jałowego wynosi 0,5 ms.

Różne typy pracy pompy zasilającej wtryskiwacze benzyny

W drugim wariancie również występują suwy, takie jak suw zasysania i tłoczenia, aczkolwiek my skupiamy się na koncepcji sterowania. Druga odmiana cechuje się tym, że niezasterowany zawór regulacji ciśnienia pozostaje w pozycji otwartej, a to powoduje nieszczelność komory tłoczenia, aby sterownik mógł rozpocząć proces tłoczenia musi zamknąć zawór zasterowując go. Dopiero gdy komora jest szczelna, a dochodzi do tego w wyniku zmniejszania się objętości komory, wzrasta ciśnienia. Paliwo przedostanie się na stronę wysokociśnieniową, w momencie, gdy zawór wylotowy zostanie otwarty, a dochodzi do tego w przypadku gdy ciśnienie w komorze jest wyższe od ciśnienia na magistrali. W momencie, gdy w czasie trwania fazy tłoczenia osiągniemy odpowiednie ciśnienie na magistrali, sterownik wyłącza zawór regulacji wydatku, a to powoduje rozszczelnienie komory i tym samym kończy proces tłoczenia, a paliwo z komory dostaje się na stronę niskociśnieniową. Ciśnienie wówczas spada, a zawór wylotowy zamyka się przez różnicę ciśnień. Taka koncepcja także pozwala na sprężanie tylko i wyłącznie wymaganej ilości paliwa, aczkolwiek można zauważyć, że ze strony sterowania jest odwrotna. Ta koncepcja także ma charakter prostokątny, a jego częstotliwość jest równa częstotliwości skoku tłoczka, a zmniejszający się współczynnik wypełniania impulsu w okoliczności rosnącej prędkości obrotowej nie musi oznaczać zmniejszonego wydatku pompy, bo tłoczek pokonuje taką samą trasę, aczkolwiek w krótszym czasie. Typową usterką jest awaria elektroniczna, kiedy to przez brak zasterowania zaworu komora jest stale rozszczelniona i nie ma możliwości tłoczenia paliwa. Jednostka napędowa, która pracuje szybko, wykorzystuje zgromadzony na magistrali zasób paliwa, powodując tym samym spadek jego ciśnienia. W czasie kiedy ciśnienie na magistrali będzie niższe od ciśnienia paliwa podawanego przez elektryczną pompę paliwa to zawór wylotowy pompy wysokiego ciśnienia, podda się, tym samym umożliwiając przepływ paliwa ze strony niskociśnieniowej przez komorę, aż do magistrali wysokiego ciśnienia. Taka usterka nie powoduje zmian w pracy silnika, ponieważ nadal jest ona miękka i przyjemna, na magistrali jest ciśnienie równe ciśnieniu strony niskociśnieniowej, czyli 6,5 bara, aczkolwiek możemy zauważyć, że czas wtrysku będzie kilkukrotnie wydłużony wynoszący od około trzech do czterech ms. Jednostka napędowa pracuje w takim przypadku w trybie awaryjnym i ma bardzo ograniczoną moc.