Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Vliv palivového systému na práci spalovacího motoru Diplomová práce Vedoucí práce: doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Vypracoval: Bc. Tomáš Nechvátal Brno 2011

2 Mendelova univerzita v Brně Ústav techniky a automobilové dopravy Agronomická fakulta 2010/2011 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor: Bc. Tomáš Nechvátal Zemědělská specializace Automobilová doprava Název tématu: Vliv palivového systému na práci spalovacího motoru Rozsah práce: stran Zásady pro vypracování: 1. Rozbor problematiky zadání. 2. Palivové systémy vznětových motorů 3. Vliv palivové soustavy na práci spalovacího motoru. 4. Vliv vybraného prvku palivové soustavy na práci vznětového motoru. 5. Vyhodnocení naměřených parametrů. Seznam odborné literatury: VLK, F. Alternativní pohony motorových vozidel. Brno: Nakladatelství VLK, s. ISBN VLK, F. Automobilová elektronika : Systémy řízení motoru a převodů vyd. Brno: František Vlk, s. ISBN VLK, F. Elektronické systémy motorových vozidel 1. Brno: Vlk, s. ISBN VLK, F. Elektronické systémy motorových vozidel 2. Brno: Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, s. ISBN VLK, F. Koncepce motorových vozidel : Koncepce vozidel, Alternativní pohony, Komfortní systémy, Řízení dynamiky, Informační systémy.1. vyd. Brno: Nakl.Vlk, s. ISBN VLK, F. Paliva a maziva motorových vozidel. 1. vyd. Brno: František Vlk, s. ISBN VLK, F. Vozidlové spalovací motory. Brno: Nakladatelství VLK, s. ISBN VLK, F. Zkoušení a diagnostika motorových vozidel : Výkon vozidla, brzdové soustavy, motor,

3 9. převodové ústrojí, odpružení, řízení, ovladatelnost, elektronické systémy. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, s. ISBN BAUMRUK, P. Příslušenství spalovacích motorů. 2. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, s. ISBN RYBA, S. Seřizování motorů a elektrického příslušenství aut.. Datum zadání diplomové práce: říjen 2009 Termín odevzdání diplomové práce: duben 2011 Bc. Tomáš Nechvátal Autor práce doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Vedoucí práce doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Vedoucí ústavu prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. Děkan AF MENDELU

4 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Vliv palivového systému na práci spalovacího motoru vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis diplomanta.

5 PODĚKOVÁNÍ Děkuji Doc. Ing. Miroslavu Havlíčkovi CSc. a Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za cenné rady, připomínky a pomoc, kterou mi poskytli v průběhu zpracování diplomové práce.

6 ABSTRAKT Téma diplomové práce je Vliv palivového systému na práci spalovacího motoru. V první polovině práce se věnuji popisu moderních vstřikovacích zařízení vznětových motorů osobních automobilů, jako jsou systém Common Rail, systém čerpadlo-tryska a v neposlední řadě systém s rotačním radiálním čerpadlem, se kterým náš měřený automobil disponuje. V další části práce jsem si zvolil vybraný prvek palivového systému a to změnu dávky paliva u dieselového motoru automobilu Škoda Octavia 1.9 TDi a srovnání průběhů točivého momentu, výkonu a kouřivosti. Měření se provádělo na válcovém dynamometru a jako palivo byla použita motorová nafta a řepkový olej. Klíčová slova: čerpadlo, palivo, vznětový motor, nafta, vstřikovací zařízení ABSTRACT The topic of my diploma thesis is The Influence of a Fuel System on the Work of a Combustion Engine. In the first half I deal with a description of modern injection systems of compression-ignition engine found in motorcars such as Common Rail system, pump-jet device and last but not least rotary- radial pump system used in our measured vehicle. In the next part I have chosen a selected component of the fuel system respectively fuel rate alternation in diesel engine of Škoda Octavia 1.9 TDI. I also deal with a comparison of a course of turning moment, engine output and smoke emission. The measurement was realised on a cylinder dynamometer. Engine oil and rape oil was used as fuel. Keywords: pump, fuel, diesel, diesel, injection equipment

7 Obsah 1 Úvod Cíl práce Tvorba směsi a spalování u vznětových motorů Spalovací prostory vznětových motorů Nedělené spalovací prostory Dělené spalovací prostory Výhody a nevýhody motorů s přímým a nepřímým vstřikováním Paliva pro vznětové SPALOVACÍ MOTORY Motorová nafta Rostlinné oleje Moderní palivové systémy vznětových motorů osobních automobilů základní rozdělení Palivové systémy se vstřikovacím čerpadlem s vysokotlakým rozdělovačem paliva Palivové systémy s elektronickou regulací Palivová soustava s rotačním vstřikovacím čerpadlem Palivová soustava s rotačním čerpadlem s axiálními písty Nízkotlaký okruh Vysokotlaký okruh Palivová soustava s vícepístovým radiálním čerpadlem Nízkotlaká část palivové soustavy Vysokotlaká část palivové soustavy Elektronické řízení vstřikované dávky paliva EDC Palivové systémy s elektronickou regulací Palivová soustava se sdruženými vstřikovacími jednotkami PDE Třetí generace systému PDE UIS Zásobníkový systém Common Rail Nízkotlaká část Vysokotlaká část Metogika měření automobilu škoda octavia 1.9 Tdi Škoda Octavia 1.9 TDi Vozidlová zkušebna Ústavu techniky a automobilové dopravy Vozidlový dynamometr 4VDM E120-D Emisní systémová analýza Druhy měření charakteristik spalovacích motorů Použití charakteristik v praxi Postup při měření vnější otáčkové charakteristiky Tabulkové a grafické zpracování naměřených hodnot statickou metodou měření Tabulkové a grafické zpracování naměřených hodnot dynamickou metodou měření Analýza naměřených hodnot Diskuse Závěr... 2 Seznam obrázků... 2 Seznam tabulek... 2 Seznam grafů... 2 Seznam literatury... 2

8 1 ÚVOD Při výběru motorizace u osobních automobilů se čím dál více uživatelů přiklání k motoru s pohonem na motorovou naftu. V současné době jde ve vývoji vznětových motorů o zvyšování výkonu a točivého momentu motoru, ale zároveň se klade větší důraz na snižování spotřeby paliva a škodlivin ve výfukových plynech. Tyto parametry jsou z velké části závislé na palivové soustavě motoru, zejména pak na vstřikovacích tlacích kvůli jemnějšímu a preciznějšímu rozprášení paliva. Jako palivo se u vznětových motorů užívá motorová nafta, která je těžší frakcí ropy. Ropa a zemní plyn patří do tzv. klasických primárních látek těžených ze země. Zásoba klasických primárních zdrojů se vyčerpává, a proto se hledají další vhodná paliva. Velká energetika obrací pozornost k atomové a sluneční energii, menší energetické jednotky (tj. spalovací motory apod.) musí hledat řešení v tzv. alternativních palivech a v konstrukčních úpravách motorů, umožňujících provoz na tato alternativní paliva. Nová konstrukční řešení jsou samozřejmě intenzivně hledána a aplikována rovněž u dnešních motorů na klasická paliva s cílem jak zvýšit účinnost motorů, tak omezit produkci výfukových škodlivin. Příkladem využití jiných zdrojů energie, respektive alternativního paliva, bude porovnání měřených výsledků točivého momentu, výkonu a kouřivosti automobilu Škoda Octavia 1.9 TDi, provozovaného na motorovou naftu a řepkový olej při změněné dávce paliva. 8

9 2 CÍL PRÁCE Cílem diplomové práce je popsání moderních palivových systémů vznětových motorů osobních automobilů, porovnání a vyhodnocení naměřených hodnot točivého momentu, výkonu a kouřivosti při použití paliv motorová nafta a řepkový olej se změněnou dávkou paliva. 9

10 3 TVORBA SMĚSI A SPALOVÁNÍ U VZNĚTOVÝCH MOTORŮ Příprava palivové směsi hraje důležitou roli, neboť přímo ovlivňuje průběh spalování. U vznětových motorů se během komprese stlačuje čistý vzduch na vysoký tlak a tím se silně zvýší jeho teplota. Do stlačeného vzduchu se, před dosažením horní úvratě pístu, vstřikuje palivo, které se stykem s horkým vzduchem vzněcuje a spaluje. Palivo musí být přivedeno do spalovacího prostoru ve správný okamžik a v požadovaném stavu a množství. Společně se vzduchem umožní vznícení směsi a uvolnění tepelné energie, která je přeměněna na mechanickou práci klikového mechanismu, který převádí přímočarý pohyb pístů na otáčivý pohyb klikového hřídele. Příprava směsi je také prostředkem pro regulaci motoru. Vznětový motor je regulován kvalitativně, to znamená, že je měněn obsah paliva ve směsi se vzduchem, na rozdíl od motorů zážehových, kde je regulace kvantitativní, kde se mění obsah vzduchu ve směsi s palivem. V důsledku vysoké teploty stlačeného vzduchu při kompresi (800 C 900 C) se vstřikované palivo odpaří a po vytvoření hořlavé směsi se vzduchem se samo vznítí. Proces spalování představuje chemickou reakci hořlavých složek paliva se vzdušným kyslíkem s následným uvolněním tepelné energie. Palivo se do spalovacího prostoru vstřikuje ve formě elementárních kapiček, které se s pomocí intenzivního víření vzduchu a vysokých kompresních teplot přemění do plynného stavu a umožní jeho vznícení a hoření při rychlosti 20 až 50 m/s. Obr. 1 Rozprášení paliva ve spalovacím prostoru 10

11 Na rozprášení paprsku vstříknutého paliva velice záleží, protože vznícení směsi paliva se vzduchem proběhne tím rychleji, čím jsou kapénky paliva menší, tím mají menší povrch a tím snadněji se odpaří. Spálení vnější vrstvy molekul paliva proběhne velmi rychle, protože mohou ihned reagovat s kyslíkem. Po shoření vnější vrstvy musí ve spalovacím prostoru zůstat dostatek kyslíku schopného reakce pro pokračování procesu hoření. V opačném případě může docházet až k nedokonalému spalování, tvorbě škodlivých emisí a snižování chemické účinnosti. Je to v důsledku nerovnoměrného tvoření směsi, které probíhá teprve ve válci (vnitřní tvoření směsi). Směs proto není homogenní, což znamená, že v části spalovacího prostoru je nedostatek vzduchu a v části nedostatek paliva. Teoreticky je k dokonalému spálení 1 kg nafty zapotřebí 14,3 14,5 kg vzduchu. Čas mezi vstříknutím paliva a jeho vznícením se nazývá prodleva vznícení a pohybuje se v rozmezí 0,002 0,005 s v závislosti na podmínkách před začátkem hoření. Časový průběh prodlevy vznícení je velmi důležitý pro chod motoru. Vstřikuje-li se palivo do spalovacího prostoru příliš brzo (velký předstřik), setkává se s chladnějším vzduchem málo komprimovaným, pak se nutně prodleva prodlužuje. A jestliže je prodleva příliš dlouhá, dochází k jevům připomínajícím klepání u zážehových motorů, označovaným jako tzv. tvrdý chod motoru a dochází k většímu dynamickému namáhání klikového ústrojí vlivem velkého přírůstku tlaku na stupeň pootočení klikového hřídele. Ve výsledku se prodleva vznícení projeví poklesem indikované práce a energetické účinnosti. Důležitý je i okamžik vstříknutí paliva vzhledem k poloze pístu, který má být zvolený tak, aby maximum tlaku ve válci nastalo 6-10 KH (stupňů natočení klikového hřídele) za horní úvratí pístu. Pro splnění uvedených požadavků bylo nutné přistoupit ke změnám, které se projevily zvýšením vstřikovacího tlaku, chlazením paliva, zvýšením nároků na čistotu paliva a vzduchu, ochlazováním plnícího vzduchu a především využitím elektroniky pro přesné řízení palivové soustavy. 11

12 Příprava směsi paliva se vzduchem výrazně ovlivňuje užitečný výkon, spotřebu paliva, emise výfukových plynů a hluk spalování vznětového motoru. Podstatnou roli hraje provedení vstřikovacího zařízení a řízení vstřikování. Tvoření směsi a průběh vstřikování ovlivňují následující činitelé: Začátek dodávky paliva a začátek vstřiku Doba vstřiku a průběh vstřiku Vstřikovací tlak Směr vstřikování a počet vstřikovaných paprsků Přebytek a rozvíření vzduchu Moderní naftové vozidlové motory pracují při chodu naprázdno s mimořádně chudou směsí se součinitelem přebytku vzduchu λ=3,4 i více a při plném zatížení se součinitelem λ=1,3-2. (Bauer 2006) 3.1 Spalovací prostory vznětových motorů Rozlišujeme dva základní typy spalovacích prostorů a to dělené a nedělené spalovací prostory Nedělené spalovací prostory Vyznačují se tím, že jej tvoří ucelený spalovací prostor vytvořený ve dnu pístu. Do objemu této komůrky je vstřikováno palivo, které po vznícení poměrně prudce shoří. Tyto motory se označují jako motory s přímým vstřikem paliva. Obr. 2 Spalovací prostory motorů s přímým vstřikem paliva (Bauer 2006) 1 Hesselmann, 2 Man, 3 Saurer, 4 polokulový 12

13 3.1.2 Dělené spalovací prostory Dělené spalovací prostory jsou tvořeny dvěma samostatnými objemy. U děleného spalovacího prostoru se palivo vstřikuje do zvláštní komůrky, která je zpravidla vytvořena v hlavě válce motoru. Tato komůrka je spojena s druhou částí spalovacího prostoru vytvořenou ve dnu pístu motoru jedním, nebo více kanálky malého průměru. V současné době se používají dva typy komůrek a to vírová a tlaková. Obr. 3 Dělený spalovací prostor s vírovou komůrkou (Rauscher 2005) Pozice 1 označuje žhavící svíčku, 2 vstřikovač, 3 vírová komůrka vytvořená v hlavě válce, 4 dno komůrky se spojovacím kanálkem, 5 druhá část spalovacího prostoru vytvořená ve dnu pístu. Má pro vírovou komůrku je charakteristický tvar brýlí. Objem vírové komůrky v hlavě válce tvoří 50 80% celého objemu kompresního prostoru. 13

14 Obr. 4 Dělený spalovací prostor s tlakovou komůrkou (Rauscher 2005) Pozice 1 zobrazuje žhavící svíčku, 2 vstřikovač, 3 vlastní tlakovou komůrku opatřenou na spodní straně výtokovými otvůrky, kterými proudí spaliny a nespálené palivo do druhé části spalovacího prostoru 4 vytvořeného ve dnu pístu, jeho tvar (vybrání) usměrňuje vytékající plyny z jednotlivých otvůrků do prostoru nad pístem. Palivo se vstřikuje do komůrky, kde se ve styku s horkými stěnami a kompresí rozžhaveným vzduchem odpařuje. Promíchává se s rozvířeným vzduchem a po vznícení se částečně spaluje. V komůrce prudce vzrůstá teplota i tlak. Hořící směs proudí vysokou rychlostí spojovacím kanálem (kanály) do druhé části spalovacího prostoru ve dně pístu, kde nespálené palivo za přebytku vzduchu shoří. (Rauscher 2005) Výhody a nevýhody motorů s přímým a nepřímým vstřikováním Motory s přímým vstřikem paliva (nedělený spalovací prostor) Vyznačují nižší měrnou efektivní spotřebou paliva, tedy ekonomičtějším provozem a snadnějším spouštěním motoru za nízkých teplot. Používají se pro pohon nákladních automobilů, autobusů, traktorů a stavební a zemědělské mechanizace. V porovnání s motory komůrkovými je nevýhodou nepřeplňovaných motorů s 14

15 přímým vstřikem paliva nižší dosažitelná hodnota středního efektivního tlaku. Je to dáno tím, že pro co nejdokonalejší spálení je nutno spalovat palivo s větším přebytkem vzduchu, takže vzdušný součinitel λ se při maximální vstřikované dávce paliva pohybuje v rozmezí od 1.3 do 2. Při práci motoru na jmenovitém režimu jsou dosahovány u vozidlových motorů hodnoty pe = ( ) MPa. V průběhu spalování, vlivem rychlejšího nárůstu tlaku nad pístem, vykazují tyto motory vyšší hlučnost a vibrace. Přímý vstřik paliva klade také vyšší nároky na vstřikovací zařízení a jakost používaného paliva. Je to dáno tím, že dokonalost vytvořené směsi paliva se vzduchem je určována co nejjemnějším rozprášením paliva. Proto jsou používány podstatně vyšší vstřikovací tlaky a víceotvorové trysky, jejichž malé výstřikové otvůrky se snadněji ucpou, nebo zakarbonují. Sklon těchto motorů k tvrdému chodu vede k zvýšeným požadavkům na zkrácení průtahu vznícení a tedy i k požadavku na vyšší hodnotu cetanového čísla použité motorové nafty. Požadavek na určitou minimální dobu potřebnou na přípravu směsi vstřikované nafty a vzduchu omezuje u motorů s přímým vstřikem maximální dosažitelné otáčky jmenovitého režimu. Se zvětšováním zdvihového objemu válce se jejich velikost snižuje. Motory komůrkové (s děleným spalovacím prostorem) V porovnání s motory s přímým vstřikem paliva se vyznačují tišším a měkčím chodem, způsobeným pomalejším nárůstem tlaku nad pístem. Z tohoto důvodu, i když mají vyšší spotřebu paliva, převládá jejich použití u osobních automobilů. Za nízkých teplot je zabezpečeno jejich spouštění pomocí žhavící svíčky. Výhodou komůrkových motorů je dobré promísení paliva se vzduchem vyvolané intenzivním vířením vzduchu a palivových par v komůrce i v druhé části spalovacího prostoru ve dnu pístu. To umožňuje spalování motorové nafty, na jmenovitém režimu práce motoru, se vzdušným součinitelem λ = 1.1 až 1.2. Tím jsou u nepřeplňovaných motorů dosahovány hodnoty středního efektivního tlaku až 0.9 MPa. Vysoká teplota stěn komůrky a intenzivní víření zabezpečují rychlejší příprava směsi v komůrce, kratší průtah vznícení a tedy i vyšší dosažitelné otáčky jmenovitého režimu u těchto motorů. Jelikož tvorba směsi paliva se vzduchem je založena na intenzivním víření náplně v komůrce a při výtoku do válce motoru je možno pro vstřik paliva použít jednootvorové trysky s nižšími otvíracími tlaky. Nevzniká tedy nebezpečí ucpání, nebo karbonizace poměrně velkého výtokového průřezu a nároky na vstřikovací soustavu jsou nižší. 15

16 Vyšší měrná efektivní spotřeba paliva, která je základní nevýhodou komůrkových motorů je způsobena většími tepelnými ztrátami velkým a členitým povrchem spalovacího prostoru, většími hydraulickými ztrátami ve spojovacím kanálku mezi komůrkou a válcem motoru a velkým vířením směsi ve spalovacím prostoru. Velký povrch spalovacího prostoru a zvýšený odvod tepla v důsledku intenzivního víření vzduchu v komůrce motoru jsou příčinou horší startovatelnosti těchto motorů. Aby se usnadnilo spouštění, je v komůrce umístěna žhavící svíčka. Je tvořena odporovým prvkem, který se před startováním rozžhaví proudem z akumulátorové baterie. Po nastartování je žhavící svíčka vypnuta. (Rauscher 2005) Obr. 5 Spirálová žhavící svíčka pro vznětové motory s vířivou komůrkou 4 PALIVA PRO VZNĚTOVÉ SPALOVACÍ MOTORY Nejvíce rozšířené palivo pro vznětové spalovací motory je motorová nafta. Jak jsem již zmínil, je velmi důležité hledat nové obnovitelné zdroje energie, protože zásoby uhlí klesají a v budoucnosti se vyčerpají. Pro naše měření jsem použil jako alternativní palivo čistý rostlinný olej, ale ve své práci popisuji i chemicky upravený rostlinný olej. 16

17 4.1 Motorová nafta Nafta motorová je směs uhlovodíků vroucí v rozmezí 150 C 360 C. Výroba motorových naft je jednodušší než výroba automobilových benzínů. Obvykle se vyrábějí mísením vhodných ropných destilátů tak, aby výsledná směs vyhovovala požadavkům na destilační rozmezí, cetanové číslo, viskozitu, bod vzplanutí, bod tuhnutí, aj. Vhodnými ropnými destiláty pro výrobu motorových naft jsou především plynové oleje a petroleje z atmosférické destilace ropy nebo střední destiláty pocházející ze štěpných procesů. Tyto vstupní suroviny se zpravidla rafinují a to především za účelem snížení obsahu síry (< 10 mg kg-1) a aromatických uhlovodíků (< 11 % hm.). Motorové nafty se ještě mohou podle potřeby aktivovat různými typy přísad pro zlepšení jejich vlastností. Používají se aditiva zlepšující nízkoteplotní vlastnosti - depresanty, mazivostní přísady, zlepšovače cetanového čísla apod. V České republice jsou požadavky na kvalitu motorové nafty obsaženy v normě ČSN EN 590, která je totožná s normou Evropské unie. Podle této normy se motorové nafty (MN) dělí na 2 skupiny: MN pro mírné klima a MN pro arktické klimatické podmínky. MN pro mírné klima se dále dělí podle hodnoty CFPP na 6 tříd. Vybrané požadavky na motorové nafty pro mírné klima podle ČSN EN 590 jsou uvedeny v následující Tab. 1. Tab. 1 Vybrané kvalitativní parametry motorových naft dle ČSN EN 590 (Rauscher 2005) Parametr Mezní hodnoty Hustota při 15 C (kg/m 3 ) Destilace: při 250 C předestiluje (% obj.) max. 65 při 350 C předestiluje (% obj.) min % objemu předestiluje při teplotě ( C) max. 360 Obsah síry (mg/kg) max. 10 Bod vzplanutí ( C) min. 55 Kinematická vizkozita při 40 C (mm 2 /s) 2,00-4,50 Cetanový index min. 46 (CČ min. 51) Obsah polyaromátů (% hm.) max. 11 Obsah metylesterů mastných kyselin (% obj.) max. 5 CFPP ( C) podle třídy motorové nafty Třída A B C D E F Max. CFPP ( C)

18 Z principu práce vznětového motoru plyne požadavek na dobrou vznětlivost vstřikovaného paliva. Doba, která uplyne mezi vstřikem paliva do spalovacího prostoru a okamžikem vznícení byla přiměřená. Tato doba se nazývá prodleva vznícení. Záleží nejen na chemickém složení a destilačních vlastnostech paliva, ale i na konstrukci vstřikovacího zařízení a provedení spalovacího prostoru. Z hlediska vlastností paliva je vyjádřena cetanovým číslem. Ke stanovení cetanového čísla slouží stejný jednoválcový motor, jako pro stanovení oktanového čísla, opatřený hlavou pro přímý vstřik paliva. Tak jako v případě určování oktanového čísla, je cetanové číslo určeno objemovým podílem dvou látek. Cetanu (cetanové číslo 100 charakterizující velmi krátkou prodlevu vznícení) a heptametylnonanu (cetanové číslo 0 charakterizující velmi dlouhou prodlevu vznícení). Stejně dlouhá doba prodlevy vznícení zkoušeného paliva a odpovídající směsi cetanu s alfametylnaftalenem v porovnávacím palivu určuje cetanové číslo, které je dáno 32 procentuálním objemovým podílem cetanu ve směsi. Je však třeba upozornit, že na rozdíl od oktanového čísla paliv pro zážehové motory není cetanové číslo mezní hodnotou, protože vznětovému motoru nevyhovuje palivo s příliš vysokým ani příliš nízkým cetanovým číslem. Nízké cetanové číslo způsobuje, že prodleva vznícení je dlouhá a v okamžiku vznícení je ve spalovacím prostoru rozprášeno a částečně i odpařeno velké množství paliva. Současně se tedy vznítí velké množství paliva, což způsobí příliš rychlý narůst tlaku ve spalovacím prostoru motoru. Motor je hlučný a vyznačuje se tzv. tvrdým chodem. Vysoké cetanové číslo způsobuje, že prodleva vznícení je krátká, palivo začíná hořet velmi blízko u trysky. To vede k tomu, že palivo je nedostatečně promíšeno se vzduchem, dochází k nedokonalému hoření za značného vývinu sazí. Blízkost plamene u trysky pak často způsobuje její zapečení, tj. vzniku karbonových úsad ucpávajících výstřikové otvůrky trysky, případně zadření jehly trysky. Porovnání je uvedeno na následujícím obrázku. Většina motorových naft používaných ve světě pro pohon pístových spalovacích motorů má cetanové číslo 50 ± 5. 18

19 Obr. 6 Vliv cetanového čísla na průběh hoření (Rauscher 2005) Pro hodnocení motorové nafty z hlediska korosních vlivů na díly motoru a negativních vlivů na okolní prostředí je důležitý obsah síry v palivu. Síra obsažená v motorové naftě způsobuje jednak korozi za studena, působící na díly palivové soustavy (palivová nádrž, potrubí, čerpadlo), jednak korozi vyvolanou produkty spalování, což jsou oxid sírový a siřičitý. Oba oxidy ve styku s kondenzovanou vodní párou vytváří kyseliny, které korosně napadají válec motoru, ventily a výfukové potrubí. Vedle korosních účinků působí produkty oxidace síry negativně i na životní prostředí. Jednak ve formě kyselin, které se v důsledku dešťových srážek dostávají do půdy a jednak ve formě polétavých částic (sulfátů), které se vznáší v atmosféře a po vdechnutí mohou iniciovat vznik rakoviny plic. (Rauscher 2005) 19

20 4.2 Rostlinné oleje Na rozdíl od paliv uhlovodíkových získávaných z ropy se jedná o zdroje obnovitelné, získávané zpracováním biomasy. Při jejich spalování nedochází k nárůstu oxidu uhličitého v atmosféře planety (skleníkový efekt). K dalšímu nárůstu CO2 nedochází proto, že nově rostoucí rostliny jej znovu zabudují do svých tkání. Jejich velkou předností v porovnání s kapalnými ropnými palivy uhlovodíkovými je vedle obnovitelnosti jejich zdrojů i skutečnost, že v případě kontaminace půdy jsou velmi snadno odbouratelná půdními mikroorganismy. Získávají se lisováním semen olejnin. V Evropě je to především řepkový olej a v tropickém a subtropickém pásmu palmový olej. Srovnání základních fyzikálních vlastností rostlinných olejů s motorovou naftou je provedeno v Tab. 2. Spalné teplo 40.6 MJ.kg -1 je poněkud nižší, ale v zásadě srovnatelné s naftou. Další parametry viskozita, bod vzplanutí však ukazují, že přímé použití v běžném naftovém motoru převážně v zimních měsících není možné. Tab. 2 Fyzikální vlastnosti rostlinných olejů ve srovnání s motorovou naftou (Rauscher 2005) Čistý rostlinný olej má vyšší viskozitu než nafta nebo bionafta a proto se musí před použitím jako palivo ohřát. Rostlinný olej, který není předehříván přináší problémy při startování, není kompletně spalován ve válci a má negativní efekt na výkon motoru a jeho životnost. Dlouhodobé nekvalitní spalování paliva v motoru způsobuje nánosy a znečištění ve spalovacích komorách motoru. Některé společnosti se začali zajímat o provoz dieselových motorů na čistý rostlinný olej, a to řešení s dvounádržovým systémem s předehřevem paliva. 20

21 Dvounádržový systém s předehřevem paliva se skládá z následujících hlavních částí: Přídavná palivová nádrž přídavná nádrž je namontovaná na nejvhodnější místo ve vozidle. Hlavní nádrž je plněna rostlinným olejem a menší nádrž motorovou naftou. Dva třícestné solenoidové ventily solenoidové ventily se starají o přepnutí systému, aby nasál palivo z nádrže s naftou nebo z nádrže s rostlinným olejem. Průtokový ohřívač ohřívá palivo (rostlinný olej) kvůli jeho vyšší viskozitě Řídící jednotka Ovládací jednotka pro obsluhu Princip činnosti Za účelem ochrany studeného motoru a vstřikovacího systému motor startuje na naftu. Brzo poté jak motor dosáhne pracovní teploty, dojde k automatickému přepnutí z nafty na rostlinný olej elektronickým přepínačem umístěným ve vozidle. To zaručuje snadný přechod z nafty na rostlinný olej. Průtokový ohřívač ohřívá rostlinný olej na optimální teplotu. Ohřáté palivo je jemněji rozprášeno vstřikovacím čerpadlem, lépe vyplní válec, vznítí a spálí se velmi efektivně. Výsledkem je méně opotřebení, usazenin a ochrana motoru. Palivový systém se před koncem jízdy přepne zpět na naftu a dojde k zaplnění vstřikovacího systému naftou. Tímto se předejde problémům při studeném startu. Dvounádržový systém má čistící efekt pravidelným vyplachováním vstřikovacího čerpadla a palivových trysek systému. A navíc, i při pohonu pouze na naftu ji naše zařízení ohřívá, čímž se dosahuje efektivnějšího spalování, menší potřeby a vyššího výkonu. Obr. 7 Pohled do motorové části vozu Fiat 21

22 Čistý, neupravený rostlinný olej se stává v mrazech viskózní a lepkavý. V závislosti na typu a vlastnostech rostlinného oleje, se toto stane dříve či později. Takto vysokoviskózní palivo, nasáté do palivových trubiček v první řadě ovlivňuje palivový filtr resp. jeho mikropórovitý povrch. Tímto je zajištěna ochrana palivového toku. Průtokový ohřívač chrání filtr před počínajícím ucpáním ohřátím paliva. Při požadavku ochrany před zgelovatěním paliva v palivových trubičkách a v nádrži se používá optimální mix rostlinného oleje a minerálních olejů v zimních měsících. Obr. 8 Pohled na motor VW 1.9 TDi s dvounádržovým systémem Velikou výhodou tohoto dvoupalivového systému je, že se dá jezdit jenom na naftu a že tento proces je vratný, tzn., že zakoupený palivový systém lze nenainstalovat i do jiného automobilu. (2) Další možností použití rostlinného oleje je úprava vylisovaného a vyčištěného oleje esterifikací. Procesem při němž jsou pomocí alkoholu štěpeny velké molekuly oleje na menší. To vede k podstatnému snížení viskozity a tvorbě směsi paliva se vzduchem, která odpovídá použití motorové nafty. Z porovnání parametrů motorové nafty a metylesteru řepkového oleje v tab. 3, vyplývá, že základní fyzikální charakteristiky jsou velmi podobné. 22

23 Tab. 3 Vlastnosti rafinovaného a esterifikovaného řepkového oleje (Rauscher 2005) Při použití metylesteru řepkového oleje v naftovém motoru s přímým vstřikem paliva dochází k následujícím změnám: a) Změna parametrů motoru pokles výkonu o cca 5 % snížení kouřivosti o cca 50 % zvýšení hodinové spotřeby o cca 4 % b) Změny v emisích výfukových plynů obsah CO a HC je prakticky stejný, dochází však k nárůstu Nox nepříjemný je daný zápach a skutečnost, že se výfukové plyny obtížně rozptylují c) Podmínky dlouhodobého provozu v důsledku ředění, tj. průniku paliva do motorového oleje dochází při použití metylesteru ke značnému zhoršování kvality oleje, proto všichni výrobci motorů doporučují snížení lhůt výměny motorového oleje na polovinu, přičemž je nutné používat vysoce kvalitní oleje d) Startovatelnost motoru za nízkých teplot do -3 C je srovnatelná se startovatelností motoru s naftou NM 22 C (zimní) pod touto teplotou je startovatelnost špatná 23

24 Bionafta první generace byla vyráběna esterifikací různých olejů. Podle použitého oleje je označována následujícími zkratkami: RME (Raps-Methyl-Ester) - metylester řepkového oleje MEŘO SME (Sunflower -Methyl Ester) - metylester slunečnicového oleje SOME (Soya-Methyl-Ester) - metylester ze sóji FAME (Falty-acid-Methyl-Ester) - metylester z živočišných tuků VUOME (Vaste Used Oil-Methyl-Ester) - metylester z použitých fritovacích olejů 5 MODERNÍ PALIVOVÉ SYSTÉMY VZNĚTOVÝCH MOTORŮ OSOBNÍCH AUTOMOBILŮ ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ Jelikož se používání vznětových motorů nejdříve uplatnilo u nákladních automobilů, tak mezi nejstarší a zároveň nejpoužívanější systémy patří palivový systém se stejným počtem vstřikovacích jednotek, jako je počet válců motoru a to zejména systém s řadovým vstřikovacím čerpadlem. První sériově vyráběné řadové čerpadlo bylo vyrobeno již v roce S řadovými čerpadly se i po více než osmdesáti letech můžeme setkat u palivových systémů dnešních moderních motorů nákladních automobilů a traktorů, doplněných o elektronickou regulaci EDC, která zajišťuje seřizování velikosti dodávky paliva v takovém rozsahu a s takovou přesností, která je u mechanických regulátorů nedosažitelná. Další palivová soustava, která je hodně rozšířena u moderních nákladních automobilů, se nazývá Samostatné vstřikovací jednotky PLD (Pumpe Leichtung - Düse) nazývaný také systém čerpadlo vedení tryska. My se budeme ovšem zabývat palivovými soustavami vznětových motorů osobních automobilů, kde se používání řadových vstřikovacích čerpadel a systému UPS nerozšířilo. Obr. 9 První sériově vyráběné vstřikovací čerpadlo z roku

25 5.1 Palivové systémy se vstřikovacím čerpadlem s vysokotlakým rozdělovačem paliva V současné době se vstřikovací čerpadla s rozdělovačem paliva, tzv. rotační, používají dvě konstrukční provedení: jednopístová s axiálním pohybem pístu počet výtlačných zdvihů pístu na jedno otočení odpovídá počtu válců motoru. Píst kromě výtlaku řídí svým otáčivým pohybem rozdělení paliva do jednotlivých vstřikovačů. dvoupístová, resp. vícepístová s protiběžným radiálním pohybem pístů výhodou těchto čerpadel je možnost dosažení vysokých vstřikovacích tlaků (až 185 MPa, měřeno na vstřikovací trysce) při poměrně malých vnějších rozměrech. Radiální rotační čerpadla se používají u motorů s přímým vstřikem paliva. Všechna předchozí konstrukční provedení je možno opatřit elektronickou regulací množství vstřikovaného paliva. 5.2 Palivové systémy s elektronickou regulací Rozvoj elektroniky a její použití umožňuje lepší využití již dříve známých systémů a vytváří předpoklady pro vznik netradičních palivových soustav. sdružené vstřikovací jednotky PDE (Pumpe Düse Einheit) všeobecně je tato palivová soustava nazývána systém čerpadlo tryska, vstřikovací tlaky dosahují hodnot 200 (250) MPa. zásobníkový systém Common Rail - vyznačuje se použitím jednoho vysokotlakého čerpadla (obvykle třípístového ) a společného palivového potrubí (zásobníku tlaku), které je potrubím spojeno s jednotlivými vstřikovači. U nejnovějších provedení tohoto systému dosahuje vstřikovací tlak hodnoty 200 (250) MPa. 6 PALIVOVÁ SOUSTAVA S ROTAČNÍM VSTŘIKOVACÍM ČERPADLEM Rotační vstřikovací čerpadla se používají kvůli svým malým rozměrům, nízké hmotnosti a jednoduchému řízení regulace předstřiku (počáteční okamžik vstřiku paliva do válce motoru před dosažením pístu horní úvrati). Mají elektronický regulátor s integrovaným přesuvníkem vstřiku nebo mechanický regulátor otáček. Rotační čerpadlo 25

26 dodává palivo všem válcům pomocí jednoho výtlačného elementu. Hlavním úkolem je vytváření tlaku paliva a následné rozdělení pro jednotlivé vstřikovací trysky. Palivový systém s rotačním vstřikovacím čerpadlem tvoří nízkotlaký a vysokotlaký okruh, kde nízkotlaký okruh je tvořen zařízením pro dopravu a čištění paliva (palivová nádrž, nízkotlaké palivové potrubí, podávací čerpadlo, palivový filtr) a vysokotlaký okruh je tvořen zařízením pro vstřikování (vstřikovací čerpadlo, vysokotlaké palivové potrubí, vstřikovače). (Ján 2003) 6.1 Palivová soustava s rotačním čerpadlem s axiálními písty Mezi základní výhody použití jednopístových čerpadel patří malá hmotnost čerpadla a nezávislost na mazacím systému motoru. Použití pouze jednoho pístu zaručuje ve všech válcích motoru stejný počátek dopravy paliva a stejnou velikost jeho dodávky. Obr. 10 Palivová soustava motoru s rotačním vstřikovacím čerpadlem (Bauer 2006) 1- nádrž, 2 - snímač hladiny paliva, 3 - odvzdušnění paliva, 4 - sací potrubí, 5 - hrubý čistič paliva s odlučovačem vody, 6 - snímač vody v palivu, 7 - elektrické dopravní čerpadlo, 8 - jemný čistič paliva, 9 snímač tlaku paliva, 10 - přívod do vstřikovacího čerpadla, 11 - vstřikovací čerpadlo, 12 - těleso čerpadla, 13 - vysokotlaké potrubí, 14 - vstřikovač, 15,16 - přetlakový ventil, 17 - vratné přepadové potrubí, 18 - řídící jednotka motoru, 19 - zobrazovací jednotka 26

27 6.1.1 Nízkotlaký okruh K nízkotlaké části patří palivová nádrž, čistič paliva, lamelové dopravní čerpadlo, řídící redukční ventil a škrtící tryska. Lamelové dopravní čerpadlo nasává palivo z nádrže a dodává do vnitřního prostoru skříně čerpadla na otáčku přibližně stejný objem paliva. Protože ve skříni čerpadla je požadován tlak lineárně závislý na počtu otáček, je nutno použít redukční ventil. Redukční ventil zajišťuje, aby určitým otáčkám odpovídal požadovaný tlak paliva, a to tak, že s rostoucími otáčkami tlak vzrůstá. Určitá část paliva proudí přes redukční ventil zpět do sání dopravního čerpadla. Z důvodů chlazení a samočinného odvzdušňování vstřikovacího čerpadla proudí rovněž část paliva přes škrtící trysku zpět do nádrže. Místo trysky může být použit škrtící ventil. (Bauer 2006) Obr. 11 Rotační palivové čerpadlo s axiálním pístem (Bauer 2006) 1 lopatkové dopravní čerpadlo, 2 kladky, 3 vačkový kotouč, 4 axiální píst, 5 elektromagnetický vysokotlaký ventil, 6 výtlačný ventil, 7 přesuvník vstřiku, 8 elektromagnetický ventil přesuvníku, 9 snímač úhlu natočení, 10 řídící jednotka čerpadla. 27

28 Palivová nádrž Palivová nádrž je vyrobena z ocelového plechu, hliníkové slitiny nebo plastu. Nádrže z ocelových plechů musí být zevnitř i z venku opatřeny protikorozní ochrannou vrstvou. Nádrž je obvykle rozdělena přepážkami na několik částí, aby se omezilo přelévání paliva v nádrži při průjezdu zatáčkou. Je opatřena odvzdušňovacím potrubím, které zabraňuje vzniku podtlaku v nádrži při odebírání paliva. Naopak při zahřátí paliva vlivem odvzdušňovacího zařízení nedojde ke vzniku přetlaku. Plnící hrdlo a odvzdušňovací zařízení musí být opatřeny ventily, které zabraňují úniku paliva i při velkých náklonech karoserie (např. při havárii vozidla). (Ján 2003) Čistič paliva Životnost vstřikovacího zařízení je značně závislá na dokonalém vyčištění paliva. Nároky kladené na čističe jsou značné a neustále rostou. Póry filtračních vložek jsou cca 4 10 µm. Čističe jsou obvykle uspořádány v palivovém systému tak, že čím blíže ke vstřikovacímu čerpadlu, případně k trysce, tím je zařazen účinnější čistič. Poslední čistič bývá umístěn těsně před vstřikovací tryskou v jejím držáku. (Ján 2003) Obr. 12 Dvoustupňový čistič paliva (Ján, Ždánský 2000) 28

29 Nízkotlaké palivové potrubí Nízkotlaké palivové potrubí je potrubí od nádrže k podávacímu čerpadlu, od podávacího čerpadla k čističi, od čističe k vstřikovacímu čerpadlu, od přepouštěcího ventilu na čističi do nádrže, od vstřikovacích jednotek do nádrže a od vstřikovačů do nádrže. Na trubky se používá materiál, který dobře odolává otřesům, kterým je potrubí vystaveno. Potrubí bývá ocelové, měděné nebo ze syntetické pryže, opatřené ochranným ocelovým obalem. Musí odolávat chemickým vlivům, které jsou v palivu Lamelové dopravní čerpadlo Lamelové dopravní čerpadlo je umístěno ve skříni vstřikovacího čerpadla a dopravuje palivo v závislosti na hnacích otáčkách do vnitřního prostoru skříně vstřikovacího čerpadla Redukční ventil Se stoupajícími otáčkami stoupá také tlak paliva. Redukční ventil, umístěný na výstupu z dopravního čerpadla, zabraňuje přílišnému zvýšení tlaku. Kromě toho řídí tlak ve vnitřním prostoru čerpadla přímo úměrně otáčkám Škrtící tryska Škrtící tryska je zabudována ve víku vstřikovacího čerpadla a je spojena s jeho vnitřním prostorem. Malými otvory v trysce může protékat proměnné množství paliva zpět do nádrže Vysokotlaký okruh Ve vysokotlaké části vstřikovacího čerpadla se získává tlak potřebný pro vstříknutí paliva do spalovacího prostoru Do vysokotlaké části palivového okruhu patří výtlačný ventil, vysokotlaké palivové potrubí a vstřikovač se vstřikovací tryskou. 29

30 Princip práce čerpadla s axiálním pohybem pístu a rozdělovačem Obr. 13 Regulace dodávaného množství paliva u čerpadla s jednou vstřikovací jednotkou pro všechny válce motoru (Rauscher 2005) Píst 1, na obr. 13, vykonává v tělese čerpadla kmitavý pohyb vyvolávaný axiální vačkou, která tvoří s pístem jeden celek. Tento pohyb zabezpečuje dodávku paliva do vysokotlakého potrubí palivového systému motoru. Při pohybu pístu od horní úvrati, odkryje hrana pístu plnící kanál 2, kterým je palivo z dopravního čerpadla přiváděno do prostoru 3 nad pístem. Současně se píst pootáčí tak, aby drážka v pístu 4 se natočila na následující kanálek 5, kterým je nátrubek 6. s vysokotlakou trubkou příslušného válce propojen středovým vývrtem pístu s výtlačným prostorem čerpadla nad pístem. Rychlost otáčení je ve vztahu k otáčkám klikového hřídele poloviční. Při zpětném pohybu pístu k horní úvrati je palivo vytlačováno do vstřikovače příslušného válce tak dlouho, dokud příčný kanál 7 zůstává utěsněn objímkou 8. Vzdálenost h polohy vývrtu 7 od okamžiku uzavření plnícího kanálku 2 do okamžiku, kdy jej přestane objímka 8 utěsňovat je činný zdvih pístu čerpadla určující dodávané množství paliva. Jeho velikost je tedy určována polohou objímky 8. Při úplném vysunutí vlevo, tak že kanálek 7 není těsněn je dodávka čerpadla nulová, tedy stop stav motoru. Při úplném vysunutí objímky 8 vpravo dává čerpadlo maximální cyklovou dávku paliva.(rauscher 2005) Výtlačný ventil Výtlačný ventil uzavírá výtlačné palivové potrubí na straně vstřikovacího čerpadla. Jeho úkolem je snížit tlak ve výtlačném potrubí po ukončení výtlaku. Tím je přesně definován okamžik uzavření vstřikovací trysky. 30

31 Vysokotlaké potrubí Používají se ocelové bezešvé tlustostěnné trubky. Jejich světlost je závislá na dopravovaném množství paliva. Vnitřní průměr trubky má na vstřikovací proces velmi značný vliv. Trubky ovlivňují vstřikovací proces i svou radiální pružností. Pro tlaky nad 100 MPa je třeba zvolit zvlášť silnostěnné trubky. Používají se trubky o rozměrech 6 x 1,5 mm až 10 x 5 mm. Pro velmi vysoké tlaky se trubky vrtají z plného materiálu. Vysokotlaké trubky musí mít co nejmenší délku, musí být vedeny bez ostrých ohybů a mají být pokud možno stejně dlouhé. Délka se volí podle nejdelší potřebné trubky. (Ján 2003) Vstřikovač Od jednotlivých vývodů vstřikovacího čerpadla je palivo přiváděno vysokotlakým potrubím k jednotlivým vstřikovačům, které rozprašují palivo do spalovacího prostoru motoru. Vstřikovač je tvořen držákem trysky a samotnou tryskou. Palivo je přiváděno vysokotlakou trubkou přes propojovací šroubení 1. Kanálkem 2 je přiváděno do prostoru pod jehlou trysky 3. Tryska je k tělesu držáku vstřikovače připevněna převlečnou maticí 4. Poloha trysky je jednoznačně určena buď pomocí kolíku, nebo ryskou na trysce a tělese vstřikovače. Jehla trysky 5 je v sedle držena silou předpětí pružiny 7, která na jehlu působí prostřednictvím tlačného čepu 6. Velikost předpětí pružiny, a tedy i velikost otvíracího tlaku trysky je možno seřizovat pomocí šroubu 8 zajišťovaného pojistnou maticí 9. Seřizovací šroub je chráněn krytkou 10, do které je zašroubován dutý šroub 11. Jím je odváděno palivo, které proniká netěsností uložení jehly trysky do prostoru pružiny a nad seřizovací šroub, do odpadního potrubí 12. Utěsnění vstřikovače v hlavě válce zabezpečuje těsnící podložka 13. (Rauscher 2005) 31

32 6.2 Palivová soustava s vícepístovým radiálním čerpadlem Touto palivovou soustavou disponuje náš měřený automobil Škoda Octavia 1.9 TDi. Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty byla vyvinuta pro vznětové motory s přímým vstřikem paliva. Jejich předností je vysoká rychlost regulace vstřikovaného množství paliva a počátku vstřiku. Jsou schopna vyvinout velký vstřikovací tlak až 185 MPa. Palivová soustava se rovněž dělí na část nízkotlakou a část vysokotlakou Nízkotlaká část palivové soustavy Nízkotlaká část zajišťuje dostatek paliva pro část vysokotlakou a skládá se z podávacího (lamelového) čerpadla, nízkotlakého palivového potrubí, redukčního a přepouštěcího ventilu. Kromě přepouštěcího ventilu, kterým prochází palivo zpět do nádrže z důvodu chlazení a odvzdušnění vstřikovacího čerpadla, jsou tyto části popsány v předešlé kapitole Vysokotlaká část palivové soustavy K vytvoření vysokého tlaku, k rozdělování a odměřování paliva s řízením počátku dodávky dochází ve vysokotlaké části radiálního čerpadla Vysokotlaké čerpadlo s radiálními písty Dvojice radiálních pístů ve válci 2, na obr. 14, se otáčí společně s rotorem 1, jehož otáčky jsou ve vztahu k otáčkám klikového hřídele poloviční. Písty ve válci vykonávají vratný pohyb určovaný vačkovým kotoučem 3. Počet vačkových výstupků odpovídá počtu válců motoru. V našem případě se jedná o čerpadlo pro čtyřválcový motor. Na obr. 14 a) je nakreslen okamžik, kdy písty sestupují s vrcholu vačky a prostor mezi nimi se zvětšuje. Dochází tedy k plnění tohoto prostoru palivem, které je přiváděno centrálním vývrtem 4 z příčného vývrtu 6 v rotoru vstřikovacího čerpadla. Tento vývrt je natočen proti vývrtu 5 ve statoru čerpadla, do kterého je přiváděno palivo od podávacího čerpadla. Vývrt 8, sloužící k propojení centrálního vývrtu 4 s příslušnými kanálky jednotlivých válců ve statoru čerpadla 7 je těsněn, po dobu plnění, stěnou statoru. Na obr. 14 b) je nakreslen okamžik, kdy nastává výtlak paliva do vysokotlakého potrubí příslušného válce. Rotor čerpadla 4 spolu s radiálními pístky se pootočil tak, že 32

33 vačkové výstupky stlačují písty 2 a palivo je vytlačováno do centrálního vývrtu 4. Současně se kanálek 6 natočil tak, že je stěnou statoru těsněn a centrální vývrt 4 je propojen kanálkem 8 s výstupním vývrtem 9. Každému válci přísluší tedy výstupní nátrubek pro připojení vysokotlaké vstřikovací trubky odpovídající vývrtu 7 ve statoru čerpadla. Velikost vstřikované dávky je u těchto čerpadel řízena škrcením průtoku paliva dodávaného od podávacího čerpadla do plnícího kanálku 5. Rotor čerpadla a styková plocha pístů s vačkovým kotoučem je mazána a chlazena prolínajícím palivem. (Rauscher 2005) Obr. 14 Čerpadlo s radiálními písty Rauscher 2005) Princip rozdělování paliva Spolu s vysokotlakým čerpadlem se otáčí hřídel rozdělovače, který rozvádí palivo do jednotlivých válců. Elektromagnetický vysokotlaký ventil zodpovídá za dávku paliva a je řízený signály s proměnlivým kmitočtem impulsů pomocí ovladače umístěného na čerpadle. Otevírání a zavírání ventilu určuje dobu vhánění paliva vysokotlakým čerpadlem. Na základě signálů snímače úhlu obratu (úhlová poloha hřídele) je určována okamžitá vzájemná úhlová poloha pohonné hřídele a vačkového kroužku během 33

34 otáčení, dále je počítána rychlost otáčení vstřikovacího čerpadla a (srovnáním se signály ze snímače klikové hřídele) detekována poloha přesuvníku vstřiku. Snímač úhlu obratu je umístěn na kroužku, který se otáčí synchronně s vačkovým kroužkem vysokotlakého čerpadla. Ozubený kotouč vysílače impulsů je umístěn na hnací hřídeli čerpadla. Neozubená místa odpovídají počtu válců motoru. Když se rozdělovací hřídel otáčí, válečky tlačné tyčky se pohybují po povrchu vačkového kroužku. Pístky jsou pak vtlačovány dovnitř a provádí kompresi paliva pod vysokým tlakem. Avšak vhánění paliva pod vysokým tlakem začíná tehdy, když pomocí signálu z ovladače dojde k uzavření elektromagnetického ventilu. Hřídel rozdělovače se přesune do polohy před výstupním kanálkem stlačeného paliva do příslušného válce. Palivo se pak přes zpětný škrtící ventil dostane potrubím do vstřikovače, který je vstřikuje do spalovací komory. Vstřik končí v okamžiku, kdy dojde k otevření elektromagnetického ventilu. (1) Obr. 15 Radiální čerpadlo VP44, kterým disponuje měřené vozidlo (1) 1 lopatkové výtlačné čerpadlo s regulačním tlakovým ventilem, 2 snímač úhlu obratu, 3 řídící jednotka čerpadla, 4 vysokotlaké čerpadlo s rozdělovací hřídelí a vypouštěcím ventilem, 5 přesuvník vstřiku s elektromagnetickým ventilem přesuvníku, 6 elektromagnetický vysokotlaký ventil 34

35 Princip přesuvníku vstřiku Informací o skutečné hodnotě počátku vstřiku je signál snímače úhlu obratu nebo čidla zdvihu jehly v soustavě vstřikovače. Čidlo zdvihu jehly trysky není nezbytné. Elektromagnetický ventil nastavuje polohu přesuvníku vstřiku, který příslušně otáčí vačkovým kroužkem vysokotlakého čerpadla. Díky tomu válečky, které pohánějí pístky, dříve nebo později narazí na vačky kroužku a způsobují zrychlení nebo opoždění počátku vhánění. Ventil přesuvníku vstřiku lze otevírat a zavírat bezestupňově pomocí ovladače stanovením patřičného součinitele podílu impulsu. (Ján 2003) Elektronické řízení vstřikované dávky paliva EDC Důvodem zavedení elektronicky řízeného vstřikování ( EDC Electronic Diesel Control ) byly vzrůstající požadavky na snížení množství škodlivin obsažených ve výfukových plynech naftových motorů a to, jak plynných exhalátů, tak i pevných částic. K těmto legislativním požadavkům se přiřadily i vzrůstající nároky na snížení spotřeby paliva a zmenšení úrovně hluku a vibrací vyzařovaných vznětovým motorem osobního automobilu. Výzkumy ukázaly, že jedinou možností jak splnit vzrůstající požadavky je lepší atomizace paliva vstřikovaného do válce motoru v kombinaci s děleným vstřikem paliva. Současně se musela snížit i tolerance rozptylu vstřikovaného množství a přesnost nastavení počátku vstřiku paliva. U palivových soustav s rotačním čerpadlem je řízení vstřikované dávky paliva uskutečněno pomocí elektromagnetického ventilu na čerpadle. Elektronická regulace vznětového motoru EDC pro palivový systém s rotačním čerpadlem s protiběžnými radiálními písty je rozdělena do tří systémových bloků: snímače pro snímání provozních podmínek a požadovaných hodnot převádějí různé fyzikální veličiny na elektrické akční členy pro převod elektrických výstupních signálů řídících jednotek na mechanické veličiny. Řídící jednotky ovládají akční členy pomocí výstupních elektrických signálů přímo přes koncové výkonové stupně nebo předávají tyto signály dalším systémům řídící jednotka motoru a řídící jednotka čerpadla pro zpracování informací podle určitých matematických výpočetních postupů (zpravidla algoritmů) na elektrické výstupní signály. 35

36 Přehled snímačů a spínačů EDC u Škody Octavie 1.9 TDi Počítačem podporované řízení motoru je speciálně přizpůsobeno požadavkům regulace otáček turbodmychadla nového typu. Řídící jednotka MSA 15 od firmy Bosch řídí množství vstřikovaného paliva, počátek vstřiku, plnicí tlak, zpětné vedení výfukových plynů, dobu žhavení a elektrické vyhřívání chladicí kapaliny. Obr. 16 Snímače, čidla a spínače 36

37 Přehled akčních členů EDC u Škody Octavie 1.9 TDi Obr. 17 Akční členy 37

38 7 PALIVOVÉ SYSTÉMY S ELEKTRONICKOU REGULACÍ Požadavky na vznětové motory z hlediska jejich výkonu, spotřeby, emisních hodnot a hlučnosti neustále stoupají. Předpokladem pro splnění takových požadavků je příprava kvalitní směsi. Pro přípravu kvalitní směsi jsou zapotřebí výkonné vstřikovací systémy, které umožňují používání vysokých tlaků, potřebných k jemnému rozptýlení paliva, a které jsou s to přesně regulovat počátek vstřiku a vstřikované množství paliva. 7.1 Palivová soustava se sdruženými vstřikovacími jednotkami PDE Palivová soustava se sdruženými vstřikovacími jednotkami PDE ((Pumpe Düse Einheit) je také označována zkratkou UIS (Unit Injektor Systém) a všeobecně je nazývána systém čerpadlo tryska. U tohoto vstřikovacího systému zcela odpadá vstřikovací čerpadlo a vysokotlaké potrubí, rozvádějící palivo pod vysokým tlakem do jednotlivých vstřikovačů. Právě poměrně krátká, ale přece jen choulostivá cesta stlačované nafty od vstřikovacího čerpadla ke vstřikovačům je slabým místem klasických palivových soustav vznětových motorů. I nepatrné rezonance potrubí vlivem tlakových kmitů mohou nepříznivě ovlivnit jak časování vstřiku, tak i kvalitu rozprášení paliva do válců motoru.(ján 2003) Konstrukce Sdružené vstřikovací jednotky jsou umístěny v hlavě válců (obr. 18). Obr. 18 Motor se sdruženými vstřikovacími jednotkami PDE 38

39 Vstřikovací tlak paliva se vytváří přímo ve vstřikovači pomocí integrovaného pístového čerpadla (obr. 19). Píst (7) čerpadla je poháněn vačkou (1) na vačkovém hřídeli ventilového rozvodu motoru prostřednictvím vahadla s kladkou (2). Vratný pohyb pístu (7) je zajištěn vinutou pružinou (5). Palivo je do vstřikovačů dopravováno nízkotlakým palivovým čerpadlem rozváděcími kanálky v hlavě válců (17). Časový průběh nárůstu tlaku v prostoru pod pístem (7), a tím i průběh vstřikování je ovládán elektromagnetickým ventilem (12). Tlak může narůstat až po uzavření elektromagnetického ventilu (12) řídící jednotkou motoru. Rychlé otevření elektromagnetického ventilu (12) pak způsobí,,ostré ukončení vstřikování, což je mimořádně důležité pro co nejdokonalejší spalování bez produkce emisí.(ján 2003). Obr. 19 Sdružená vstřikovací jednotka (Volvo D12) 39