MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO 2011 Bc. STANĚK JAN

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Vliv změny předstihu záţehu a směšovacího poměru na výkonové parametry spalovacího motoru Diplomová práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D. Vypracoval: Bc. Jan Staněk Brno 2011

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem diplomovou práci na téma VLIV ZMĚNY PŘEDSTIHU ZÁŢEHU A SMĚŠOVACÍHO POMĚRU NA VÝKONOVÉ PARAMETRY SPALOVACÍHO MOTORU vypracoval samostatně a pouţil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis diplomanta.

4 Poděkování Děkuji panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za moţnost provedení měření, odborné vedení, cenné rady a všestrannou pomoc při řešení této diplomové práce, kterou mi vţdy ochotně poskytl.

5 ABSTRAKT Úkolem mé diplomové práce bylo pojednat o tom, jaký vliv má změna předstihu záţehu a směšovacího poměru na výkonové parametry spalovacího motoru. V první části jsou popsány základní parametry motoru a rozdíly mezi ideálními a teoretickými oběhy. V další části je vysvětlen rozbor práce spalovacího motoru, včetně řízení motoru a přípravy směsi, kde větší část byla věnována přípravě směsi přímo ve válci motoru. Následující část pojednává o směšovacím poměru a předstihu záţehu a následně jejich vlivu na emise a moment motoru. Hlavním cílem bylo provést měření motoru, které bylo uskutečněno v motorové zkušebně areálu Mendelovy univerzity v Brně. Získaná data z motorové zkušebny byla zpracována a vynesena do jednotlivých grafů. V závěru práce jsou shrnuty výsledky měření. Klíčová slova: předstih záţehu, směšovací poměr, točivý moment. ABSTRACT The task of my thesis was to discuss how the change in ignition advance and mixing ratio influences the performance parameters of the internal combustion engine. The first part describes the basic parameters of the engine and the differences between ideal and theoretical orbits. The next section explains the analysis of the internal combustion engine works, including motor control and mixture preparation, where the greater part was devoted to preparing the mixture in the engine cylinder. The second part focuses on mixing ratio and ignition advance, and their impact on emissions and engine torque. The main objective was to measure the engine, which was carried out in the engine service area of the Mendel University in Brno. The data obtained from the motor test was processed and recorded in separate charts. In conclusion, the results are summarized. Keywords: ignition advance, mixture ratio, torque,

6 OBSAH 1. ÚVOD CÍL PRÁCE ZÁKLADNÍ POJMY IDEÁLNÍ A SKUTEČNÉ OBĚHY SPALOVACÍH MOTORŮ Ideální oběhy Teoretický pracovní oběh Skutečné oběhy Pracovní cyklus skutečného oběhu Časování ventilů Rozvodové mechanismy Způsob plnění válce Zapálení hořlavé směsi TVOŘENÍ SMĚSI A JEJÍ SPALOVÁNÍ Chybné průběhy hoření ŘÍZENÍ ZÁŢEHOVÉHO MOTORU Točivý moment u záţehového motoru Systém řízení plnění Systém tvorby směsi Systém zapalování PŘÍPRAVA SMĚSI ZÁŢEHOVÝCH MOTORŮ Jednobodové vstřikování paliva Vícebodové vstřikování paliva PŘÍMÉ VSTŘIKOVÁNÍ PALIVA Procesy spalování Proces spalování vedený paprskem... 32

7 8.1.2 Proces spalování vedený stěnami Tvorba směsi Homogenním provoz Tvorba směsi při provozu s vrstveným plněním Druhy provozu Provoz s vrstveným plněním Homogenní provoz Homogenní provoz s chudou směsí Homogenní provoz s vrstveným plněním Homogenní provoz chránicí před klepáním Provoz s vrstveným plněním a zahříváním katalyzátoru REGULACE VÝKONU SPALOVACÍCH MOTORŮ PŘEDSTIH ZÁŢEHU Řízení úhlu záţehu Vliv předstihu na emise a moment motoru SMĚŠOVACÍ POMĚR VLASTNÍ MĚŘENÍ Parametry zkoušeného motoru Pouţitý dynamometr Výsledky měření a diskuse ZÁVĚR... 54

8 1. ÚVOD První myšlenka vyuţití tepelné energie k uţitečné práci vznikla jiţ ke konci 17. století. První leţatý pístový stroj, který se v tehdejší době skvěle osvědčil, vznikl po nalezení vhodného paliva ( svítiplynu ) v r podle vzoru parních strojů. K zapálení směsi vzduchu a svítiplynu docházelo někde uprostřed zdvihu. Mezi nejrozšířenější typ motoru dnes patří motor, kde dochází k uvolnění tepelné energie přímo ve spalovacím prostoru, tedy motor s vnitřním spalováním paliva. V současné době je spalovací motor téměř výhradním zdrojem pohonu pouţívaného v dopravě, zemědělství, stavebnictví ale i energetice. Čtyřdobým spalovacím motorem rozděleným dle způsobu zapalování na motory záţehové a vznětové, jsou vybaveny téměř všechny osobní a nákladní automobily, ale taktéţ řada motocyklů. Výzkum a vývoj spalovacích motorů směřuje ke zvyšování výkonu motoru, zvýšení hospodárnosti a k odstranění škodlivých látek obsaţených ve výfukových plynech, v současnosti se jedná zejména o obsah oxidů dusíků N Ox, které vznikají spalováním velmi chudých směsí u záţehových motorů s přímým vstřikem paliva. 8

9 2. CÍL PRÁCE Cílem mé práce je vypravovat v úvodní části teoretický rozbor práce spalovacího motoru. V dalším bodě pak analyzovat moţnosti změny předstihu záţehu a směšovacího poměru pro určené palivo. Dále pak popsat způsoby měření předstihu záţehu. V poslední řadě provést měření při změně parametrů na dynamometru a následně analyzovat naměřená data a vynést závislosti jednotlivých proměnných. 9

10 3. ZÁKLADNÍ POJMY Spalovací motor je tepelný stroj, u kterého se tepelná energie získaná spalováním mění na mechanickou v pracovní části válce. Jedná se o tzv. přímou přeměnu tepelné energie paliva v práci. Obr. 1 Spalovací motor Horní úvrať (HÚ) - je poloha, ve které je píst nejvíce vzdálen od osy klikového hřídele. Dolní úvrať (DÚ) - je poloha, ve které je píst nejblíţe osy klikového hřídele Zdvih (z) (mm) - je definován jako dráha pístu mezi horní a dolní úvratí. Pro vykonání jednoho zdvihu je zapotřebí polovina otáčky klikového hřídele. Vrtání válce (D) (mm) - je průměr válcové části pracovního prostoru (vnitřní průměr válce). Zdvihový objem válce (V z ) (m 3 ; 1; dm 3 ; cm 3 ) - je objem pracovního prostoru mezi horní a dolní úvratí. V z. D 4 2 z (1) 10

11 Zdvihový objem motoru (V M ) (m3; 1; dm3; cm3) - je zdvihový objem válce V z násobený počtem válců i. V M Vz i (2) Objem kompresního prostoru (V K ) (m 3 ; 1; dm 3 ; cm 3 ) - je objem zbývající části pracovního prostoru v okamţiku, kdy je píst v horní úvrati. Kompresní poměr (ε) (1) - je poměr objemu směsi nasáté k objemu směsi stlačené, tedy poměr celého pracovního objemu válce k objemu kompresního prostoru. [1] Vz V V k k (3) 4. IDEÁLNÍ A SKUTEČNÉ OBĚHY SPALOVACÍH MOTORŮ Přeměna tepelné energie na mechanickou práci u pístových spalovacích motorů probíhá ve sloţitých fyzikálně-chemických a termodynamických podmínkách. Získávání energie u tepelných motorů je vázáno na periodický děj, který lze popsat změnou termodynamických (stavových) veličin pracovní náplně válce motoru a nazývá se tepelný oběh. 4.1 Ideální oběhy U ideálních oběhů se předpokládá: V ideálním válci pracuje ideální plynná směs o konstantním mnoţství a s konstantním chemickým sloţením. Pracovní látka prochází řadou účelně seřazených změn tak, ţe se látka vrátí do původního stavu. Měrné teplo této náplně je konstantní a nemění se s teplotou. Teplo přivedené do oběhu Qp se přivádí z tepelného zásobníku při jednoduchých změnách stavu (při konstantním objemu, při konstantním tlaku nebo při smíšeném přívodu nebo odvodu tepla). 11

12 Komprese a expanze pracovní látky ve válci je izoentropická (bez výměny tepla s okolím). Změny stavu plynu probíhají malou rychlostí. Podle způsobu přívodu tepla do oběhu je moţné ideální oběhy rozdělit na: - oběh s izochorickým přívodem tepla (V= konst), není vhodný pro spalovací motory; - oběh s izobarickým přívodem tepla (p = konst), většinou pro záţehové motory; - oběh se smíšeným přívodem tepla (izochoricko-izobarické spalování), většinou pro vznětové motory. [2] Obr. 3 p-v diagram zážehového motoru [5] Obr. 2 p-v diagram vznětového motoru [5] Uvedený oběh záţehového motoru znázorňuje diagram ideálního oběhu s izochorickým přívodem a odvodem tepla. Diagram vznětového motoru má smíšený přívod tepla částečně izochorický, částečně izobarický. Proto je tento oběh obvykle nazýván jako smíšený. Odvod tepla je izochorický. 12

13 Pístové spalovací motory pracují objemovým způsobem, s přetrţitým průtokem pracovních látek, tj. vzduchu i paliva; hořlavá směs se spaluje ve spalovacím prostoru, umístěném uvnitř válce motoru. Hořlavá směs je vytvářena ze sloţek paliva a vzduchu, přičemţ jako palivo se pouţívají směsi kapalných uhlovodíků získávaných z ropy (benzin, nafta), příp. deriváty uhlovodíků (alkoholy - zatím však v relativně velmi malé míře), nebo uhlovodíková plynná paliva. Na obrázku je vidět schéma čtyřdobého nepřeplňovaného pístového spalovacího motoru a jeho pracovní oběh (indikátorový diagram) s vyznačením základních parametrů motoru i oběhu. [3] Obr. 4 Schéma čtyřdobého pístového spalovacího motoru [3] Indikátorový diagram pracovního oběhu motoru: Vz V Vz - zdvihový objem, Vk - kompresní objem, V k k - kompresní poměr, Wi- indikovaná práce oběhu, Wi pi V z - stř. indik.tlak oběhu, ηm - mechanická účinnost motoru, p i p e - střední efektivní tlak oběhu m 4.2 Teoretický pracovní oběh Zpřesněním ideálního oběhu vzniká oběh teoretický. Od ideálního se liší v těchto bodech: - Dochází k výměně náplně válce. Umoţňuje to rozlišit motor dvoudobý a čtyřdobý. 13

14 - Pracovní látkou jsou náplně skutečných plynů. - Komprese a expanze probíhají polytropicky. Teoretický oběh se přibliţuje skutečnosti mnohem více neţ ideální oběh. Slouţí s dostatečnou přesností hlavně k hodnocení a porovnávání uvedených parametru skutečných motoru. [4] Obr. 6 Diagram zážehového motoru [5] Obr. 5 Diagram vznětového motoru [5] V diagramech značí p0 základní barometrický tlak, úsek 0-1 představuje izochorické a izobarické sání; 1-2 polytropickou kompresi; smíšený přívod tepla (hoření), resp. 2-3 izochorický přívod tepla; 3-4 polytropickou expanzi a 4-5 smíšený výfuk s izochorickým odvodem tepla. Objem V0 vyjadřuje objem skutečně nasátého mnoţství, který se můţe stanovit jen při základním barometrickém tlaku p0. Větší uzavřená plocha diagramu představuje kladnou práci motoru, menší plocha práci negativní. Tato negativní práce, způsobená výměnou náplně válce, sniţuje hodnotu tepelné účinnosti motoru, středního tlaku na píst, a tím i výkonu motoru. [5] 4.3 Skutečné oběhy Skutečné spalovací motory pracují s reálnou náplní, jejíţ chemické sloţení se v průběhu pracovního oběhu mění, vývoj tepla se uskutečňuje spalováním paliva při sloţitých fyzikálně-chemických přeměnách. Mezi okolím prostředím a pracovní náplní nastává výměna tepla, měrné teplo náplně se mění s její teplotou a chemickým sloţením. Píst ve válci se pohybuje s třením a netěsnostmi, pracovní náplň se vyměňuje, všechny změny probíhají konečnou rychlostí. 14

15 Spalování čerstvé náplně v motoru probíhá omezenou rychlostí. Proto má indikátorový diagram zaoblené přechody mezi jednotlivými částmi pracovního oběhu. Velikost pozitivní práce se následkem tohoto vlivu zmenšuje. Doba cyklu (podle otáček motoru, které jsou v širokém rozmezí) má podstatný vliv na průběh jednotlivých částí pracovního oběhu, obzvláště na plnění (sání) a spalování. Jejím zkracováním se můţe zhoršovat stupeň plnění válce a zhoršovat průběh palování. Naproti tomu jejím zkracováním se mohou zvětšovat tepelné ztráty, připadající na jeden cyklus do stěn válce a ostatního povrchu spalovacího prostoru, jako i netěsností aj. Skutečný tepelný oběh vyjadřuje závislost změny tlaku plynů ve válci motoru p na okamţité velikosti spalovacího prostoru V. Změnu tlaku je moţno měřit pomocí piezoelektrických snímačů. Bývá zaznamenávána v závislosti na úhlu pootočení klikového hřídele. Jednoduchým přepočtem je moţno z úhlu pootočení klikového hřídele okamţitou hodnotu objemu spalovacího prostoru V. Diagram zpracovaný na základě těchto údajů se nazývá indikátorový diagram. [2] [6] Obr. 8 Diagram zážehového motoru [2] Obr. 7 Diagram vznětového motoru [2] 15

16 Obr. 9 Diagram čtyřdobého přeplňovaného motoru [2] Indikátorový diagram čtyřdobého přeplňovaného motoru je prakticky stejný jako u motoru nepřeplňovaného, pouze v oblasti výměny náplně je tlak spalin v pracovním prostoru válce motoru niţší, neţ je tlak plnícího vzduchu vstupujícího do válce motoru v průběhu sacího" zdvihu pístu. Skutečný (pracovní) oběh čtyřdobého záţehového motoru se skládá ze čtyř základních pracovních dob. Obr. 10 Skutečný oběh čtyřdobého spalovacího motoru 16

17 4.3.1 Pracovní cyklus skutečného oběhu 1. doba: sání Vycházejíc z horní úvrati (HÚ) se píst pohybuje dolů a zvětšuje objem spalovacího prostoru ve válci. Tím proudí čerstvý vzduch (u přímého vstřikování benzínu) příp. směs paliva se vzduchem (u vstřikování do sacího potrubí) otevřeným sacím ventilem do spalovacího prostoru. V dolní úvrati (DÚ) dosáhne spalovací prostor své maximální velikosti (V h +Vc). 2. doba: komprese a zapálení Ventily, které řídí výměnu obsahu válce jsou nyní uzavřeny. Píst pohybující se z dolní úvrati (DÚ) zmenšuje objem spalovacího prostoru a stlačuje směs ve válci. U motorů se vstřikováním do sacího potrubí se směs paliva se vzduchem nachází ve spalovacím prostoru jiţ na konci doby sání. U přímého vstřikování benzínu je palivo v závislosti na druhu provozu vstříknuto teprve na konci doby komprese. V horní úvrati (HÚ) dosáhne objem spalovacího prostoru své minimální velikosti (kompresní objem Vc). 3. doba: komprese Ve stanoveném okamţiku záţehu (předstih), dříve neţ píst dosáhne horní úvrati (HÚ), zapálí zapalovací svíčka směs paliva se vzduchem (cizí zapalování). Neţ směs zcela vzplane, překročí píst horní úvrať (HÚ). Ventily řídící výměnu obsahu válce jsou nadále uzavřeny. Teplo uvolněné spalováním zvyšuje tlak ve válci a tlačí píst dolů. 4. doba: výfuk Krátce před dosaţením dolní úvrati (DU) se otevře výfukový ventil. Horké plyny, které jsou pod vysokým tlakem, proudí z válce. Píst, který se opět pohybuje z dolní úvrati (DU) do horní úvrati (HÚ) vytlačí zbytky plynů. Nový pracovní cyklus začíná sáním po dvou otáčkách klikového hřídele. 17

18 4.3.2 Časování ventilů Vačky nasazené na vačkových hřídelích pro sací a výfukové ventily otevírají a zavírají tyto ventily. U motorů s pouze jedním vačkovým hřídelem přenáší mechanismus pák zdvihový pohyb vaček na ventily. Časování ventilů udává časy zavření a otevření ventilů vůči poloze klikového hřídele. Časování ventilů se proto uvádí ve stupních klikového hřídele". Klikový hřídel pohání vačkový hřídel přes ozubený řemen (příp. řetěz nebo ozubená kola). Celý pracovní cyklus trvá u čtyřdobého motoru dvě otáčky klikového hřídele. Otáčky vačkového hřídele jsou proto poloviční oproti otáčkám klikového hřídele. Převodový poměr mezi klikovým a vačkovým hřídelem tak činí 2:1. [7] 4.4 Rozvodové mechanismy Účelem rozvodových mechanismů pístových spalovacích motoru je zabezpečení výměny náplně válce motoru, tedy odstranění spalin a naplnění válce motoru čerstvou směsí u motoru záţehových s vnější tvorbou směsi paliva se vzduchem nebo pouze vzduchem u motoru vznětových a záţehových s přímým vstřikem paliva do válce motoru. Rozvodový mechanizmus má za úkol zabezpečit otevření a uzavření prostoru válce motoru ve vhodném časovém intervalu. I přes značné tepelné a mechanické namáhání musí zabezpečovat bezporuchový provoz a co nejmenší hlučnost. Podle konstrukčního řešení rozeznáváme rozvody ventilové a šoupátkové. Ventilové rozvody vynikají dokonalým utěsněním pracovního prostoru válce motoru, jsou jednoduché z hlediska výroby i oprav a jsou spolehlivé v provozu. Umoţňují vymezení potřebných vůlí v rozvodu a je moţno opravit jejich těsnost lapováním. Šoupátkový rozvod pracuje v porovnání s ventilovými rozvody prakticky bezhlučně, zabezpečuje velké průtočné průřezy v rozvodových orgánech. V důsledku přehřívání však dochází k zadírání šoupátek, rozvod se tak vyznačuje malou spolehlivostí a nízkou ţivotností. V současné době se jiţ nepouţívá. Podle způsobu ovládání otevření a uzavření ventilu rozdělujeme ventilové rozvody na rozvody s ovládáním mechanickým, hydraulickým a elektromagnetickým. 18

19 Základ mechanických rozvodů tvoří vačkový hřídel, jehoţ vačky prostřednictvím přenosových členu řídí otevření a uzavření ventilu. Otevření ventilu je odvozeno přímo od vačkového kotouče, uzavření ventilu pak zabezpečuje síla vyvolaná stlačením ventilové pruţiny. Podle uspořádání této soustavy rozlišujeme rozvody na tři základní skupiny. V současné době je nejrozšířenější rozvod OHC. Dnes jiţ méně pouţívaným rozvodem je rozvod OHV. Nejstarším, dlouhou dobu nepouţívaným rozvodem, je rozvod s postraními ventily SV. Speciální případ mechanicky ovládaných rozvodu je rozvod desmodromický. U tohoto typu ventilového rozvodu je ventil nuceně zavírán vačkou a ne ventilovou pruţinou, jak bývá obvyklé. Ventilové pruţiny při vysokých otáčkách motoru nezvládají udrţet ventil v kontaktu s vačkou, to způsobuje nepříjemný zvuk a moţnost havárie. Desmodromický rozvod se pouţívá u sportovních vysokootáčkových motorů závodních vozidel a motocyklů. [4] Obr. 11 Rozvodové mechanismy [5] 4.5 Způsob plnění válce - motory s přirozeným sáním (tzv. atmosférické motory, nepřeplňované motory) - zápalná směs nebo čistý vzduch se nasává do válce sacím ventilem nebo šoupátkem vlivem podtlaku ve válci. Tento podtlak je způsoben pohybem pístu z horní do dolní úvratě, přičemţ uzavřený objem válce se zvětšuje. Nasávání trvá jeden celý zdvih (údobí), který se nazývá zdvih sací (údobí sání). - motory přeplňované - čtyřdobé i dvoudobé motory, u nichţ je k dopravě čerstvé náplně do válce pouţito dmychadlo vyvolávající přetlak. Dmychadlo je 19

20 poháněno buď mechanicky, nebo energií výfukových plynů (turbodmychadlo). [6] 4.6 Zapálení hořlavé směsi Rozeznáváme dva základní způsoby zaţehnutí směsi paliva se vzduchem: - směs paliva se vzduchem je zaţehnuta energií vnějšího zdroje, např. elektrickou jiskrou. Motory záţehové (benzinové). - palivo vstřikované do válce motoru (komůrky) se v důsledku vysoké teploty vyvolané stlačením vzduchu vznítí. Pro dosaţení potřebné teploty vznícení je nutno pouţít velký kompresní poměr. Motory vznětové (naftové nebo dieselové motory). 5. TVOŘENÍ SMĚSI A JEJÍ SPALOVÁNÍ Podle způsobu tvoření směsi paliva se vzduchem rozlišuje: Vnější tvorba směsi zápalná směs se přivádí do pracovního prostoru válce jiţ připravená, tedy základní směšování paliva se vzduchem probíhá mimo vnitřní prostor válce motoru: - u plynových motorů ve směšovacím ústrojí, - u snadno odpařitelných paliv (benzin, líh) - v karburátoru (palivo se dostává do proudu vzduchu ve formě malých kapiček a postupně se v sacím potrubí a válci motoru odpařuje), - vstřikováním (jednobodové tj. centrální vstřikování do sacího potrubí, vícebodové vstřikování do jednotlivých větví sacího potrubí u hlavy válce, nejčastěji přímo na sací ventil). Vnitřní tvorba směsi zápalná směs se tvoří ve spalovacím prostoru válce motoru (přímé vstřikování). Palivo se vstřikuje určitou dobu před zapálením, takţe v době zapálení je uţ směs připravená k hoření. - nesnadno odpařitelná paliva se do spalovacího prostoru vstřikují do rozţhaveného vzduchu na konci kompresního zdvihu, 20

21 - vstřikování lehce odpařitelných paliv (benzin, líh, plyny) a plynů do spalovacího prostoru válce motoru je prováděno na konci sacího, nebo v průběhu kompresního zdvihu. [2] Směs vytvořená palivovým systémem motoru se musí během fází plnění válce a kompresního zdvihu zcela homogenizovat, tj. kapalné palivo se musí plně odpařit a palivové páry se musí téměř dokonale promísit se vzduchem. Pro spolehlivý záţeh směsi musí být její bohatost ve válci (spalovacím prostoru) motoru v rozsahu mezí zápalnosti pro příslušné palivo. To je zajištěno u prohřátého motoru jak činností palivového systému, tak účinkem ohřátých stěn sacího potrubí a stěn pracovního prostoru ve válci na čerstvou náplň (a na průběh odpařování kapalného paliva) a účinkem zvyšování teploty náplně při kompresi. Při studeném startu motoru však účinek ohřevu od stěn chybí, palivo se odpaří pouze zčásti a směs ve válci se jeví jako chudá - tento nedostatek se u neprohřátého motoru napravuje pomocí zvláštních funkcí na palivovém systému (obohacení směsi při spouštění a prohřívání motoru). Mez zápalnosti např. pro benzín se pohybuje v rozmezí 0,45 < λ < 1,5. Uvedená hodnota dokazuje především skutečnost, ţe zápalnost směsí se pohybuje v relativně širokých mezích. Pro spalovací motory je z řady důvodů vyuţívána především oblast s λ 1. Vytvoření kvalitní směsi má za úkol především palivový systém. Ten musí přivádět do proudícího vzduchu palivo ve formě velmi malých kapek. U karburátoru se směs vytváří účinkem přítoku paliva do vzduchu proudícího vysokou rychlostí, vstřikovací zařízení vytváří palivovou mlhu při vstřikování benzinu do sacího potrubí. Na průběh vytváření směsi, ale především na charakter rozvíření náplně válce v poslední fázi kompresního zdvihu má významný vliv uspořádání a tvar spalovacího prostoru. Záţehové motory vyuţívají větší mnoţství různých tvarů spalovacích prostorů, které mohou být tvořeny: - v hlavě válce motoru (motory s nepřímým vstřikováním) - ve dně pístu (záţehové motory s přímým vstřikováním) - současně v obou částech 21

22 Obr. 12 Spalovací prostory zážehových motorů [2] Spalování paliva v pístovém spalovacím motoru je poměrně sloţitý fyzikálně chemický děj probíhající při kaţdém oběhu za velmi krátkou dobu. Rychlost hoření směsi paliva se vzduchem závisí především na tlaku, teplotě, sloţení směsi, okamţiku zapálení, na způsobu a intenzitě pohybu náplně ve válci. Palivo, které je do válce dopraveno v průběhu plnícího zdvihu, je na konci komprese jiţ tak odpařeno, ţe vzniklá směs se dá povaţovat za stejnorodou, která se svými vlastnostmi blíţí směsi plynné. Po zapálení elektrickou jiskrou se vytvoří vrstva, ve které probíhá hoření. Kromě tohoto normálního průběhu hoření vznikají ve spalovacím prostoru také průběhy hoření, které mají abnormální průběh. 22

23 5.1 Chybné průběhy hoření Detonační hoření: U záţehových motorů můţe za určitých okolností nastat mimořádně rychlý průběh spalování směsi v důsledku samovznícení části pracovní náplně - ve většině případů jde o samovznícení zbytku ještě nespálené, ale silně stlačené směsi, vystavené účinku aktivovaných částic, které pronikly ze zóny hoření do této nespálené směsi. Toto tzv. detonační hoření limituje moţnost dalšího zvyšování kompresního poměru a s tím spojeného dalšího zvyšování účinnosti záţehových motorů. Předzápaly jsou charakterizovány tak, ţe k zapálení směsi dojde od rozţhavené části spalovacího prostoru dříve, neţ přeskočí vysokonapěťový výboj na elektrodách svíčky. Nejčastějším způsoby předzápalu je zapálení směsi od rozţhavené elektrody zapalovací svíčky s příliš nízkou tepelnou hodnotou, nebo rozţhavené částice karbonu ulpívající na stěnách spalovacího prostoru, případně rozţhavený talíř výfukového ventilu. Předzápaly způsobují tupé rázy, které mohou lehce splynout s celkovým hlukem motoru. Vedou ke zvýšenému namáhání klikového mechanismu a také způsobují přehřívání motoru. Obr. 13 Chybné průběhy hoření [2] a) detonační hoření, b) předzápaly, c)samozápaly Samozápaly se mohou objevovat při plném zatíţení motoru. Jsou vyvolány zapálením části směsi od teplých míst spalovacího prostoru. Hoření však probíhá normální rychlostí na rozdíl od detonačního. Vzhledem k tomu, ţe hoření je iniciováno zároveň na více místech, směs shoří za podstatně kratší dobu. To se projeví nárůstem maximálního tlaku. Samozápaly vyvolávají větší namáhání klikového mechanizmu. Při 23

24 běţném provozu vozidlového motoru jsou však velmi těţce identifikovatelné. Zvláštní případ tvoří samozápaly vznikající po vypnutí zapalování u horkého motoru. Způsobují další nepravidelný chod motoru. Většinou poukazují na zanesení spalovacího prostoru karbonem. U některých případů se jedná o nevhodnou konstrukci spalovacího prostoru. Potom je však vhodné pro jejich odstranění doplnit volnoběţný okruh elektromagnetickým ventilem, který po vypnutí zapalování zabrání přívodu paliva do volnoběţného okruhu. Podmínkou spolehlivého zaţehnutí a správného průběhu hoření u záţehových motorů, je jak uţ bylo řečeno, vytvoření buď homogenní směsi palivových par se vzduchem, nebo směsi vrstvené tak, aby bohatost směsi mezi elektrodami zapalovací svíčky v okamţiku přeskoku vysokonapěťového výboje umoţnila její zaţehnutí. Z hlediska regulace pracovního reţimu motoru je pak nutno zabezpečit odměření odpovídajícího mnoţství paliva a vzduchu tak, aby byla zachována poţadovaná hodnota přebytku vzduchu. U lehce odpařitelných kapalných paliv (benzín, alkoholy) se směs paliva se vzduchem odměřuje a tvoří pomocí karburátoru, vstřikováním paliva do sacího potrubí nebo vstřikováním paliva přímo do válce motoru. 6. ŘÍZENÍ ZÁŢEHOVÉHO MOTORU Cílem vývoje motorů pro motorová vozidla je, při pokud moţno vysokém výkonu motoru udrţovat co nejmenší spotřebu paliva a emise výfukových plynů a tím vyhovět zákonům týkajícím se emisí výfukových plynů. Sníţení spotřeby paliva lze dosáhnout jen zlepšením účinnosti motoru. Obzvlášť při částečném zatíţení a ve volnoběhu pracuje běţný záţehový motor se vstřikováním paliva do sacího potrubí s malou účinností. Nejčastěji však motor pracuje právě v těchto oblastech. Proto musí být vylepšena účinnost speciálně při volnoběhu a při částečném zatíţení, aniţ by to však ovlivnilo u současných motorů jiţ výhodnou účinnost v horní oblasti zatíţení. Tento poţadavek lze splnit přímým vstřikováním benzínu. Další poţadavek je, aby motor měl jiţ při nízkých otáčkách vysoký točivý moment, aby mohlo vozidlo zrychlit v relativně krátkém časovém intervalu. Točivý moment je tak ústřední veličinou při řízení záţehového motoru. [7] 24

25 6.1 Točivý moment u záţehového motoru Ojnice přenáší vratný pohyb pístu přes zalomení klikového hřídele na otáčivý pohyb klikového hřídele. Síla, kterou expandující směs paliva se vzduchem tlačí píst dolů, se převádí na točivý moment. Kromě síly je určující veličinou pro točivý moment také rameno páky. U motoru je rameno páky určeno tvarem zalomení klikového hřídele. Točivý moment je obecně počítán jako součin síly a ramena páky. Rameno páky účinné pro točivý moment je část páky stojící kolmo k síle. V horní úvrati je rameno páky rovné nule, protoţe síla a páka jsou paralelní. Při úhlu natočení klikového hřídele 90 za (HÚ) je páka kolmo k vytvářené síle. Rameno páky a tedy tím i točivý moment jsou zde největší. Předstih musí být proto stanoven tak, aby ke vzplanutí směsi došlo v době, kdy rameno páky stoupá vzhůru. Tak můţe dojít k vytvoření co moţná největšího točivého momentu. Maximální dosaţitelný točivý moment M, který je schopen motor dodat, určuje konstrukce. Přizpůsobení točivého momentu poţadavkům jízdního provozu se provádí především nastavením kvality a kvantity směsi paliva se vzduchem. Výkon P předávaný motorem stoupá s rostoucím točivým momentem M a otáčkami motoru n. P M t 2 n (4) 25

26 Obr. 14 Průběh toč. momentu a výkonu v závislosti na otáčkách motoru [7] Točivý moment se stoupajícími otáčkami roste aţ na maximální točivý moment M max. Při dalším zvyšování otáček točivý moment opět klesá. Vývoj v technice motorů směřuje k tomu, aby bylo maximálního točivého momentu dosaţeno jiţ v oblasti nízkých otáček okolo 2000 min -1, protoţe v tomto rozsahu otáček je spotřeba paliva nejniţší. Výkon motoru se zvyšujícími se otáčkami roste, aţ dosáhne při jmenovitých otáčkách n jmen a při jmenovitým výkonu P jmen své maximální hodnoty. Točivý moment daný spalováním je tedy vytvářen během expanze (pracovní doby). U motorů se vstřikováním do sacího potrubí je určen následujícími veličinami: - mnoţstvím vzduchu, které je po uzavření sacích ventilů k dispozici pro spalování, - mnoţstvím paliva, které je k dispozici ve stejném okamţiku, - okamţikem, kdy zapalovací svíčka zapálí směs paliva se vzduchem. Do budoucnosti se předpokládá růst podílu záţehových motorů s přímým vstřikováním. Tyto motory pracují v určitých pracovních reţimech s přebytkem vzduchu (provoz s chudou směsí). Ve válci se tak nachází vzduch, který nemá ţádný 26

27 vliv na vytvářený točivý moment. Podstatný vliv na vytvořený točivý moment zde tvoří mnoţství paliva. Úkolem řízení motoru je koordinovat točivý moment vytvářený motorem. K tomu jsou v různých podsystémech řízení motoru (řízení plnění, tvorba směsi, zapalování) řízeny všechny veličiny ovlivňující točivý moment. Cílem tohoto řízení je poskytovat řidičem poţadovaný točivý moment a současně splňovat vysoké poţadavky na emise spalin, spotřebu paliva, výkon, komfort a bezpečnost. Tyto úkoly je moţné plnit pouze pomocí elektroniky. K tomu, aby byly tyto podmínky splněny i při dlouhodobém provozu, provádí řízení motoru neustále diagnostiku a zobrazuje řidiči rozpoznané chybné chování. To je další důleţitý úkol řízení motoru. Diagnostika umoţňuje navíc jednodušší údrţbu a případné opravy systému v servisní dílně. 6.2 Systém řízení plnění U konvenčních vstřikovacích systémů řídí řidič ovládáním pedálu akcelerace přímo otevírání škrticí klapky. Určuje tak mnoţství vzduchu nasávané motorem. U systémů řízení motoru s elektronickým pedálem akcelerace řidič polohou pedálu udává, např. kdyţ chce zrychlovat, v podstatě poţadovaný točivý moment". Snímač polohy pedálu přitom měří jeho polohu. V podsystému řízení plnění" je určeno mnoţství vzduchu potřebné pro poţadovaný točný moment válců motoru a elektricky ovládaná škrticí klapka je dle toho pootevřena. 6.3 Systém tvorby směsi V tomto podsystému je při homogenním provozu s definovaným poměrem vzduchu a paliva λ vypočítáno mnoţství paliva odpovídající nasátému mnoţství vzduchu a z toho je určena doba vstřiku a nejvýhodnější okamţik vstřiku. Pro přímé vstřikování benzínu platí při reţimech provozu s chudou směsí (k nimţ patří zejména provoz s vrstveným plněním) jiné poměry. Zde není mnoţství paliva, které má být vstřikováno, určeno hmotností nasávaného vzduchu, ale točivým momentem poţadovaným řidičem. 27

28 6.4 Systém zapalování V podsystému zapalování" je v závěrečné fázi určen úhel natočení klikového hřídele, při kterém dojde ve správném okamţiku pomocí zapalovací jiskry k zapálení směsi paliva se vzduchem. [7] 7. PŘÍPRAVA SMĚSI ZÁŢEHOVÝCH MOTORŮ Vstřikování paliva u motorů osobních automobilů bylo vyvoláno legislativním tlakem na sniţování obsahu škodlivin ve výfukových plynech spalovacích motorů. Ve spojení s λ - sondou a katalyzátorem umoţňuje elektronicky řízené vstřikování paliva plnit vzrůstající poţadavky na čistotu výfukových plynů. Na rozdíl od karburátorových motorů, kde bylo palivo z rozprašovače odsáváno do proudícího vzduchu podtlakem, je u motorů se vstřikováním paliva rozprašováno palivo do proudícího vzduchu přetlakem pomocí vstřikovací trysky. [8] 7.1 Jednobodové vstřikování paliva U tohoto vstřikování probíhá dávkování paliva v jednom místě sacího potrubí společného pro všechny válce motoru. Umístění elektromagnetického vstřikovacího ventilu odpovídá umístění karburátoru. Palivový paprsek trysky směřuje do průtočných průřezů škrtící klapky. Rovnoměrný chod motoru ve volnoběţném reţimu práce motoru, je řízen polohou škrtící klapky. Při sepnutém spínači volnoběţné polohy škrtící klapky je její poloha určována signálem snímačů otáček motoru a teploty chladící kapaliny. Stejnosměrný elektromotor tvoří akční člen, který přes šnekový převod natáčí klapku. Údaje o poloze škrtící klapky jsou zjišťovány pomocí potenciometru na ovládacím hřídeli klapky. Korekční charakteristiky uloţené v paměti řídícího počítače zabezpečující plynulé přechodové reţimy práce motoru při brzdění motorem, nebo při skokové změně zatíţení motoru při zapnutí klimatizace. Vlastní reţim práce motoru je určován sešlápnutím plynového pedálu, tedy polohou škrtící klapky a okamţitými otáčkami motoru. Délka otevření vstřikovacího ventilu je stanovena z polí charakteristik, uloţených v paměti počítače, která při konstantním 28

29 tlakovém spádu na trysce určuje mnoţství vstřikovaného paliva. Doba vstřiku je však ještě upravovaná z údajů snímačů teploty nasávaného vzduchu, teploty chladící kapaliny a údaje lambda sondy. Podobně, jako u karburátorů, kde při rychlém sešlápnutí plynového pedálu došlo k navýšení dávky paliva pomocí akcelerační pumpičky, dochází u systémů jednobodového vstřikování k prodlouţení délky vstřiku na základě počítačového vyhodnocení rychlosti změny polohy škrtící klapky. Rovněţ obohacení na maximální výkon při plném otevření škrtící klapky umoţňuje u elektronického vstřikování sepnutí snímače polohy maximálního otevření škrtící klapky. [8] Obr. 15 Jednobodové vstřikování paliva 1 vstřikovací ventil, 2 odměřené palivo, 3 škrtící klapka, 4 kondenzované palivo, 5 palivový film na stěnách potrubí, 6 proudící palivo, 7 odpařovaní paliva ze stěn válce 7.2 Vícebodové vstřikování paliva Základním řídícím signálem pro určení doby vstřiku, tedy i vstřikované dávky paliva jsou otáčky klikového hřídele a zatíţení motoru. Pomocí snímače protékajícího vzduchu s vyhřívaným filmem či drátem dochází k určení okamţité hodnoty hmotnostního průtoku nasávaného vzduchu, tedy zatíţení motoru. Výsledné mnoţství vstřikovaného paliva je určováno na základě korekcí údajů snímače teploty chladící kapaliny, napětí akumulátoru, případně λ - sondy. 29

30 Obr. 16 Vícebodové vstřikování paliva U všech variant je při brzdění vozidla motorem odstavena dávka paliva. Brzdění motorem je definováno tak, ţe dojde k sepnutí spínače volnoběţné polohy škrtící klapky. Motronic je systém integrující řízení tvorby směsi s optimalizací okamţiku záţehu. Paměť mikropočítače řídící jednotky obsahuje řadu charakteristických polí pouţívaných pro nastavení optimálního reţimu práce motoru. Jedná se o datová pole řízení úhlu předstihu záţehu, průběhu ohřevu studeného motoru, obohacení při akceleraci a na plný výkon motoru, pro regulaci hodnoty λ a řízení recirkulace spalin. Je zavedena regulace práce motoru na volnoběţném reţimu. Kromě těchto základních systémů obsahují některé varianty i další řídící prvky ovládající funkce omezení otáček motoru, ovládání palivového čerpadla, regulaci práce motoru na hranici detonačního hoření, regulace plnícího tlaku u přeplňovaných motorů, elektronické řízení automatické převodovky a další. [8] 30

31 8. PŘÍMÉ VSTŘIKOVÁNÍ PALIVA Přímé vstřikování benzínu vyuţívá systém vysokotlakého vstřikování přímo do spalovacího prostoru. Příprava směsi paliva se vzduchem je prováděna obdobně jako u vznětového motoru přímo ve válci motoru. Odpadá tak dlouhá doprava směsi sacím potrubím, jako tomu bylo u starších typů vstřikování. Obr. 17 Přímé vstřikování paliva Směs paliva se vzduchem je tedy tvořena přímo ve spalovacím prostoru, kam je palivo vstřikováno pod vysokým vstřikovacím tlakem, coţ vede k jeho jemnému rozprášení. V závislosti na provozním reţimu motoru je palivo vstřikováno tak, aby v celém spalovacím prostoru byla buď homogenně rozdělená směs s λ= 1 (homogenní provoz), nebo aby okolo zapalovací svíčky byl oblak vrstvené náplně s λ > 1 (provoz s vrstveným plněním, příp. s chudou směsí). Zbylý spalovací prostor je při provozu s vrstveným plněním vyplněn buď nasátým čerstvým vzduchem, inertními plyny přivedenými recirkulací spalin, či velmi chudou směsí paliva se vzduchem. Z toho vyplývá celkově chudá směs paliva se vzduchem s λcelk > 1. Tyto různé moţnosti provozu motoru jsou označovány jako druhy provozu. Výběr druhu provozu můţe být proveden jak podle otáček a poţadovaného točivého momentu, tak podle funkčních poţadavků, např. regenerace zásobníkového katalyzátoru. 31

32 Mnoţství vstřikovaného paliva u provozu s vrstveným plněním je pro vyvíjený točivý moment určující veličinou. Přebytek vzduchu umoţňuje i v oblasti částečného zatíţení neškrcený provoz s naplno otevřenou škrticí klapkou. Toto opatření sniţuje ztráty, způsobené výměnou náplně, a tím spotřebu paliva. Při homogenním provozu s chudou směsí s λ > 1 a homogenním rozdělením směsi je díky malému skrčení dosaţeno rovněţ úspory paliva. Nedochází však k tak vysoké úspoře, jako u provozu s vrstveným plněním. Při homogenním provozu s λ = 1 se motor s přímým vstřikováním benzínu chová v podstatě stejně jako motor se vstřikováním do sacího potrubí. [7] 8.1 Procesy spalování V závislosti na zvoleném procesu dochází ke specifickému proudění vzduchu. Pro dosaţení poţadovaného vrstvení směsi je palivo vstřikovacím ventilem vstřikováno do proudění vzduchu tak, aby došlo k odpaření paliva v prostorově vymezené oblasti. Proudění vzduchu odnáší oblak směsi aţ do okamţiku záţehu k zapalovací svíčce. Principiálně jsou moţné dva odlišné způsoby spalování. První je označován jako proces spalování vedený paprskem a druhý je nazýván jako proces spalování vedený stěnami. [7] Proces spalování vedený paprskem Proces spalování vedený paprskem se vyznačuje tím, ţe palivo je vstříknuto v bezprostřední blízkosti zapalovací svíčky a zde se odpaří. To však vyţaduje přesné umístění zapalovací svíčky a vstřikovací trysky. Dále přesné nasměrování paprsku, aby směs mohla být zapálena ve vhodném okamţiku. Dochází však k velmi vysokému zatíţení zapalovací svíčky výměnou tepla, protoţe je za určitých podmínek přímo smáčena vstřikovaným paprskem. [7] Proces spalování vedený stěnami Při procesu spalování vedeném stěnami je moţné rozlišovat dva druhy proudění vzduchu, které vznikají cíleným uspořádáním sacích kanálů a tvaru pístu. Pomocí 32

33 vstřikovacího ventilu je palivo vstřiknuto do proudění vzduchu. Vznikající směs paliva se vzduchem dospěje s tímto prouděním jako uzavřený oblak k zapalovací svíčce. [7] Vířivé (swirl) proudění Nasávaný vzduch pístem válce přes otevřený sací ventil vytváří turbulentní proudění (rotační pohyb vzduchu) podél stěny válce. Obr. 18 Vířivé proudění [7] Valivé (tumble) proudění Při tomto procesu vzniká valivé proudění vzduchu, které vychází ze shora, mění směr v prohlubni vytvarované v pístu a pohybuje se opět nahoru směrem k zapalovací svíčce. Obr. 19 Valivé proudění [7] 33

34 8.2 Tvorba směsi Hlavní úkol tvorby směsi spočívá v přípravě pokud moţno homogenní hořlavé směsi paliva se vzduchem. Při druhu provozu homogenní" (homogenní s λ = 1 a také homogenní s chudou směsí) má být tato směs v celém spalovacím prostoru homogenní. Při provozu s vrstveným plněním je naproti tomu směs homogenní jen v určité prostorově vymezené oblasti, zatímco ve zbývajícím spalovacím prostoru se nachází čerstvý vzduch nebo inertní plyny. Směs plynů, příp. plynů a par, můţe být homogenní pouze tehdy, dojde-li k odpaření veškerého paliva. Na odpařování paliva působí více faktorů. Hlavními faktory jsou teplota ve spalovacím prostoru, velikost kapek paliva a čas, který je k dispozici pro odpaření Homogenním provoz Palivo se vstřikuje co moţná nejdříve, aby bylo pro vytvoření směsi k dispozici co nejvíce času. Proto dochází ke vstřiku paliva u homogenního provozu jiţ v době sání a pomocí nasávaného vzduchu je dosaţeno odpaření paliva a dobré homogenity směsi Tvorba směsi při provozu s vrstveným plněním Pro provoz s vrstveným plněním je rozhodující vytvoření hořlavého oblaku směsi, který se v době záţehu nachází v oblasti zapalovací svíčky. K tomu je palivo během doby komprese vstřikováno tak, aby vznikl oblak směsi, který je prouděním vzduchu ve spalovacím prostoru a pístem pohybujícím se nahoru přemístěn do oblasti zapalovací svíčky. Okamţik vstřiku závisí na otáčkách a na poţadovaném točivém momentu motoru. Velikost kapek vstřikovaného paliva je závislá na vstřikovacím tlaku a tlaku ve spalovacím prostoru. Se zvyšujícím vstřikovacím tlakem je docíleno menších velikostí kapek, které se rychleji odpaří. Při stejném tlaku ve spalovacím prostoru a stoupajícím vstřikovacím tlaku se zvyšuje hloubka pronikání, tzn. délka dráhy, kterou jednotlivá kapka urazí, neţ se zcela odpaří. Je-li tato délka dráhy větší neţ vzdálenost od vstřikovací trysky ke stěně spalovacího prostoru, jsou stěna válce nebo píst smáčeny palivem. Neodpaří-li se toto 34

35 palivo na stěně válce nebo pístu před záţehem, dojde k neúplnému spálení, příp. nedojde k ţádnému. [7] 8.3 Druhy provozu Současná konstrukční řešení umoţňují připravovat směs pro záţehový motor na základě podmínek provozu v šesti druzích. Pro provoz motoru v různých provozních reţimech jeho chodu v zatíţeném i nezatíţeném stavu je tak prováděna optimální příprava směsi: - Provoz s vrstveným plněním - Homogenní provoz - Homogenní provoz s chudou směsí - Homogenní provoz s vrstveným plněním - Homogenní provoz chránící před klepáním - Provoz s vrstveným plněním a zahříváním katalyzátoru Tyto druhy provozu umoţňují co nejlepší přizpůsobení pro kaţdý druh provozu motoru. K přepínání druhu provozu dochází bez skokové změny točivého momentu a řidič je tak nezpozoruje Provoz s vrstveným plněním Tento reţim přípravy směsi je vymezen otáčkami a točivým momentem motoru. Je vyuţíván při provozu motoru s nízkým točivým momentem a otáčkami do ot/min- 1. Palivo je vstřikováno těsně před koncem kompresního zdvihu a okamţikem záţehu pod tlakem barů. Zpoţdění vstřiku způsobí její soustředění proudícím vzduchem ve válci do oblasti kolem zapalovací svíčky. Směs se tak nerozděluje do celého spalovacího prostoru. Ve válci jsou takto tvořeny vrstvy s různými směšovacími poměry. Okrajové části jsou silně ochuzené. Škrtící klapka je zcela otevřená, coţ sniţuje ztráty škrcením. Uzavřená přestavovací klapka v sacím potrubí vyvolává ve válci valivé proudění vzduchu. Proudění posiluje navíc tvar dna pístu. Velký přebytek vzduchu vede k vysoké koncentraci N Ox. K jejich sníţení je nutná zvýšená recirkulace spalin, která sniţuje teplotu spalování. Tvorba těchto emisí je závislá na teplotě ve spalovacím prostoru. 35

36 Při velmi vysokém točivém momentu vznikají saze jako důsledek místního, vyššího obohacení směsi ve spal. prostoru. Vysoké otáčky motoru neumoţní tvorbu vrstvení vzhledem k vysoké turbulenci, které při kompresi vzniká. To neumoţní soustředění vstřikovaného paliva v oblasti kolem zapalovací svíčky. Výsledkem je i niţší spotřeba paliva. Výkon je regulován změnou vstřikovaného mnoţství paliva. Motor pracuje s velmi chudou směsí λ = 1,5-3,0. Jedná se o kvalitativní regulaci. [9] Homogenní provoz Tomuto reţimu přípravy směsi odpovídá sloţení směsi paliva se vzduchem stechiometrickému sloţení (λ = 1) ve výjimečných případech, odpovídá reţimu s přebytkem vzduchu (λ < 1). Vstřik začíná jiţ v době sání motoru, tvořená směs tak zaplňuje celý spalovací prostor a tvorba je identická s nepřímým vstřikováním paliva. Rozdíl je v tom, ţe vstřikované mnoţství je přesně odměřené a jeho mnoţství vytváří směs ideálního poměru pouze pro potřeby akcelerace s mírným přebytkem paliva (λ 1). Při plném zatíţení je sniţována teplota stěn válce, čímţ je dosaţeno vyšší odolnosti vůči klepání. Motory mohou pracovat s vyšším kompresním poměrem. Charakterizuje jej provoz ve vysokých otáčkách s vysokým točivým momentem. Podmínkou pro tvorbu směsi jsou vysoké otáčky motoru a poţadavek vysokého točivého momentu. Tvorba emisí škodlivin je velmi nízká vzhledem k tomu, ţe směs je tvořena s vysokým přebytkem vzduchu. [9] Homogenní provoz s chudou směsí Pro přechodové oblasti chodu motoru můţe být vyuţito přípravou směsi, která je označena za chudou směs (λ < 1,5). Vzhledem k tomu, ţe je škrtící klapka více otevřena a do spalovacího prostoru je tak nasáváno větší mnoţství vzduchu, jsou v těchto případech ztráty škrcením, při výměně obsahu válce, podstatně niţší neţ je tomu u klasických motorů (karburátor, nepřímé vstřikování). Takto vytvářená směs sniţuje spotřebu motoru. Vstřik je rozdělen do dvou fází. Při sání je vstřiknuta pouze část pro tvorbu chudé směsi, druhá část je vstřikována těsně před koncem komprese a má zajistit spolehlivé zapálení chudé směsi. Je vyuţíván v době přechodu mezi homogenním a vrstveným reţimem. V nízkých otáčkách sniţuje tvorbu emisí a spotřebu paliva. [9] 36

37 8.3.4 Homogenní provoz s vrstveným plněním Při tomto způsobu přípravy směsi je celkové potřebné mnoţství vstřikovaného paliva rozděleno do dvou fází vstřiku. V první fázi je vstřikováno v době sání motoru zhruba 75 % a je tvořen základ homogenní směsi. Při druhé fázi, která je uskutečněna v době komprese, před jejím koncem, je vstřikován zbytek. Homogenní základ zaplňuje celý spalovací prostor a následné malé mnoţství vstřikované v době konce komprese vytváří bohatší směs v oblasti zapalovací svíčky. Takto obohacená směs velmi dobře zahoří a zaţehává i chudou směs v okrajích spalovacího prostoru. K takto připravovanému reţimu dochází přepínáním mezi chodem s chudou směsí a vrstveným plněním. Systém řízení motoru tak můţe aktivně reagovat na potřebu točivého momentu, je lépe nastavitelná jeho velikost. Protoţe je připravována velmi chudá směs (aţ λ > 2) je tvorba emisí NOx velmi nízká. Vrstvené plnění zabraňuje klepání (detonační hoření), optimální úhel nastaveného záţehu není nutné měnit a ten působí příznivě na velikost točivého momentu. Dvojí vstřikování vede dále ke sníţení obsahu sazí a upravuje spotřebu proti homogennímu plnění. [9] Homogenní provoz chránicí před klepáním Poţadavek zvýšení výkonu, točivého momentu je provázen klepáním motoru. Snímač klapání zajišťuje spolu s ŘJ přestavení okamţiku záţehu. Při pouţití dvojího vstřiku se tento jev odstraní. Dvojitý vstřik při plném zatíţení nenutí ŘJ pro přestavení záţehu na pozdější okamţik. Optimální okamţik záţehu tak umoţní vyšší točivý moment. [9] Provoz s vrstveným plněním a zahříváním katalyzátoru Dvojí vstřikování vede k intenzivnímu zvýšení teploty výfukových plynů při studeném spouštění motoru. Zahřátí katalyzátoru nad 65O C je nutné pro začátek chemické reakce která sniţuje obsah síry a zahřátí NOx katalyzátoru. Směs je tvořena tak, ţe dvojí vstřik je uskutečněn v první fázi v době komprese a druhá část je uskutečněna při expanzi. Takto vstřikované malé mnoţství paliva hoří později ve výfuku a teplota silně zahřívá i potřebnou část katalyzátoru. [9] 37

38 Obr. 20 Druhy provozů přímého vstřikování paliva A- homogenní provoz s λ= 1; tento druh provozu je moţný ve všech oblastech B- provoz s chudou náplní nebo homogenní provoz λ = 1 s recirkulací spalin; tento druh provozu je moţný také v oblasti C a D C- provoz s vrstveným plněním s recirkulací spalin Druhy provozu s dvojím vstřikováním: C-provoz s vrstveným plněním a zahříváním katalyzátoru; stejná oblast jako u provozu s vrstveným plněním s recirkulací spalin D-homogenní provoz s vrstveným plněním E-homogenní provoz chránící před klepáním 9. REGULACE VÝKONU SPALOVACÍCH MOTORŮ Výkon spalovacího motoru je zapotřebí v provozu často měnit, regulovat dle poţadavků poháněného stroje. Regulaci spalovacích motoru je moţno rozdělit na kvantitativní, kvalitativní a smíšenou. Moţnosti regulace výkonu ukazuje základní rovnice pro mechanický výkon motoru: P e M t (5) Obecně lze tedy výkon motoru měnit buď otáčkami, nebo změnou točivého momentu, příp. současně změnou otáček a točivého momentu. Moţnosti regulace 38

39 výkonu motoru změnou otáček jsou často značně omezené, proto se za základní proces v řízení výkonu PSM povaţuje regulace točivého momentu motoru Mt. U kvantitativní regulace je střední efektivní tlak pracovního oběhu a tedy výkon motoru řízen změnou průtočného mnoţství směsi (palivo se vzduchem) motorem, tedy změnou hmotnostního naplnění válce čerstvou náplní. Regulace se provádí pomocí škrtící klapky v sání motoru. Směs dodávaná motoru má konstantní nebo téměř konstantní bohatost, většinou blízkou stechiometrickému směšovacímu poměru (λ = 1). Regulace je určena pro motory záţehové (benzínové). Výjimku tvoří záţehové motory s přímým vstřikem paliva, které pracují se smíšenou regulací. [4] Obr. 21 Kvantitavní regulace [5] Kvalitativní regulace je charakterizována tak, ţe střední efektivní tlak pracovního oběhu je řízen změnou bohatosti směsi, hmotnostní naplnění válce vzduchem zůstává téměř konstantní. Regulace je určena pro motory vznětové. [3] 39

40 Obr. 22 Kvalitativní regulace [5] U smíšené regulace je výkon motoru v určité oblasti zatíţení řízen změnou hmotnostní náplně válce, v jiné oblasti pak změnou bohatosti směsi. Oblast s proměnlivou bohatostí směsi je zpravidla určitým způsobem řízena i kvantitativně. 10. PŘEDSTIH ZÁŢEHU Pro správnou funkci motoru je třeba přesně znát nejvhodnější okamţik zapálení směsi. Při určení okamţiku záţehu působí dvě protikladná kriteria. Pokud by docházelo k zápalu směsi příliš brzy, působilo by hořením vyvolané zvýšením tlaku proti pohybu pístu a tím ke ztrátám motoru. Na druhou stranu, dojde-li k zapálení směsi příliš pozdě, je při počáteční fázi pohybu pístu z (HÚ) do (DÚ) tlak ve válci nízký a nedochází tím tak k vyuţití veškeré energie dodané palivem. V krajních případech můţe docházet k vyfouknutí neúplně spálené směsi do výfuku. K určení přesného okamţiku záţehu je proto nutné znát přesnou polohu pístu ve válci. Tato poloha je vázána na polohu klikového hřídele motoru a je vyjádřena úhlem otočení hřídele od (HÚ) pístu. Pro správnou funkci motoru je nutné pro všechny reţimy motoru nalézt optimální úhel, ve kterém dojde k zaţehnutí připravené směsi. Protoţe obecně platí, ţe záţeh směsi se inicializuje před dosaţením (HÚ) pístu, je tento úhlový rozdíl mezi polohou záţehu a (HÚ) označen jako úhlový předstih záţehu, zkráceně předstih. 40

41 Pro co moţná nejlepší předání točivého momentu je nutné, aby předstih byl zvolen tak, ţe těţiště spalování a tím špička tlaku byly krátce za horní úvratí (HÚ), zároveň však tak, aby nedocházelo k detonačnímu spalování. Obr. 23 Průběh předstihů Z a - záţeh ve správný okamţik, Z b - záţeh příliš brzy (detonační spalování), Z t záţeh příliš pozdě Řízení úhlu záţehu Řídící jednotka má uloţeno pole charakteristik se základními úhly záţehu v závislosti na zatíţení motoru a jeho otáčkách. Tyto úhly záţehu jsou optimalizovány vzhledem k emisím ve výfukových plynech a spotřebě paliva. Změny teplot jsou zohledněny pomocí snímačů teploty motoru a teploty nasávaného vzduchu. Další účinné korekce popř. přepnutí na jiná pole charakteristik umoţňují přizpůsobení pro kaţdé provozní stavy motoru. Tím jsou umoţněny účinné vzájemné vazby mezi kroutícím momentem, výfukovými plyny, spotřebou, sklonem ke klepání a jízdním chováním. Speciální korekce úhlu záţehu působí například při provozu s vháněním sekundárního vzduchu nebo s recirkulací výfukových plynů, jakoţ i při dynamickém provozu (např. zrychlení). Dále jsou zohledněny rozličné provozní stavy jako volnoběh, částečný a plný výkon, jakoţ i nastartování a zahřívání. Na obrázku je znázorněn průběh výpočtu úhlu záţehu. [7] 41