Název práce: Konstrukční řešení pro snížení emisí automobilových motorů

Transkript

1 Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice II. ročník (obor DP-SV), st. skupina 27 Martinů Jiří, Kostinec Martin pracovní skupina 8 Název práce: Konstrukční řešení pro snížení emisí automobilových motorů Prohlášení: Prohlašuji, že předložená práce je naším původním autorským dílem, které jsme vypracovali samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsme při zpracování čerpali v práci řádně cituji. Anotace: V této práci se budeme věnovat řešení problémů snižování emisí škodlivin ve výfukových plynech spalovacích automobilových motorů. Zaměříme se na některé konstrukční prvky používané u předních výrobců světových značek osobních automobilů, zhruba od poloviny osmdesátých let, jako např.: vstřikování paliva nebo katalyzační systémy, zmíníme se také o recirkulaci výfukových plynů. Tato práce bude zaměřena především na konstrukční stránku věci. 1

2 Klíčová slova: emise škodlivin, spalovací motor, automobilový katalyzátor. Úvod: Spalovací motory fungují na principu přeměny tepelné energie na energii kinetickou. Zážehové motory jsou převážně poháněny automobilovým benzinem. Tepelná energie vzniká jeho reakcí s kyslíkem (hořením) ve spalovacím prostoru. Při reakci benzínu s čistým kyslíkem vzniká hořením oxid uhličitý a voda. Toto je ideální stav, který ale v praxi nenastává. Ve spalovacím prostoru se totiž mísí palivo se vzduchem, který obsahuje pouze 21 % kyslíku, 78 % dusíku a 1 % vzácných plynů. Při hoření tedy dochází i k tvorbě dalších oxidů, a to zejména CO a NOx, které jsou v naší atmosféře nežádoucí. Škodlivé jsou také sloučeniny, či prvky vznikající z přísad v palivu. Například olovo. Při nedokonalém spalování směsi se do ovzduší dostávají nespálené uhlovodíky (HC). Uvedené sloučeniny a prvky vznikající spalováním zápalné směsi vzduchu s palivem jsou pro životní prostředí škodlivé, proto je snaha tyto emise ve výfukových plynech ustálit na co nejnižších hodnotách. Ale ani oxid uhličitý vznikající v ideálním případě není ve větším množství žádoucí, protože je příčinou vzniku skleníkového efektu. Je tedy třeba jeho emise taktéž omezovat. K tomu slouží řada konstrukčních prvků a řešení spalovacích motorů včetně sacího a výfukového traktu. Emise škodlivin ve výfukových plynech jsou v posledních letech velmi sledovanou oblastí, a proto každý nový konstrukční prvek týkající se zvyšování výkonu a snižování spotřeby paliva je zároveň doprovázen jejich snižováním. Vybranými prvky se budeme v této práci zabývat. Jde o: vstřikování paliva jednobodové vícebodové přímé recirkulace výfukových plynů vnitřní vnější variabilní časování ventilů Alfa Romeo VTEC Honda DOUBLE VANOS BMW Elektromagnetické časování ventilů katalyzátory oxidační třícestný lambda sonda přifukování vzduchu do výfukového potrubí 2

3 1. Vstřikování paliva: Výrazným pokrokem v konstrukci motoru se stalo nahrazení karburátoru vstřikováním. Při vhodném zvolení konstrukce vstřikovacího zařízení a charakteristiky jeho řídící jednotky je možné vytvořit přesně požadovaný poměr směsi tak, aby vyhovoval všem požadavkům, které na motor klademe, a to za všech provozních podmínek. Vstřikovací systém se skládá z vstřikovacích trysek, které jsou ovládány buď elektromagneticky nebo přetlakem paliva, dále z čerpadla, potrubí, zpětné větve potrubí (odvod nespotřebovaného paliva), řídící jednotky a z různých čidel, které mapují momentální stav a požadavky na motor. Jejich informace vyhodnotí řídící jednotka a nastaví jeden z naprogramovaných modulů, který se dané situaci nejvíce podobá. Parametrem, který tento modul určuje není nic jiného, než množství vstříknutého paliva. Tento proces se opakuje několikrát za vteřinu. příprava a složení směsi Co se týče složení směsi je potřeba zajistit k dokonalému prohoření paliva takové množství kyslíku, aby po proběhlé reakci nezbyly žádné nespálené uhlovodíky. Výpočtem byl zjištěn poměr 14.7 kg vzduchu na 1 kg paliva. Přesnost tohoto poměru hlídá stanovená veličina označovaná řeckým písmenem lambda, která se nazývá součinitel přebytku vzduchu a je dána poměrem momentálního poměru směsi spalované ve spalovacím prostoru motoru, ku poměru ideálnímu (tj. 14,7 : 1). Vyjde-li : a) λ=1 je poměr momentálně spalované směsi roven ideálnímu.taková směs se nazývá stechiometrickou. b) λ>1 směs je nazývána chudou, čili objem vzduchu v momentálně spalované směsi je vyšší než ideální. c) λ<1 směs je nazývána bohatou, čili objem vzduchu momentálně spalované směsi je vyšší než ideální. (emise výfukových plynů obsahují i nespálené uhlovodíky). Ne každá směs paliva a vzduchu může vzplanout a hořet v motoru. Aby se mohla vznítit od elektrické jiskry, je nutno zachovat její určitý poměr. Ten leží mezi horní hranicí zápalnosti směsi, která je pro benzin λ = 0.5 a dolní hranicí při λ = 1.3. K dokonalému prohoření směsi nemalou měrou přispívá její příprava. Obecná snaha konstruktérů spočívá v co nejdokonalejším promíchání paliva se vzduchem tak, aby palivo prohořívalo postupně, nikoliv detonačně. Jelikož se nejlépe smíchá plyn s plynem je nutné palivo přeměnit na plyn. Toho docílíme jeho rozprášením na co nejmenší kapičky. Jednobodové vstřikování: První rozvojový stupeň vstřikování paliva bylo tzv. jednobodové vstřikování. Jednobodové proto, že se používala pouze jedna centrální vstřikovací tryska pro všechny válce. Byla umístěna v sacím potrubí za škrtící klapkou, ovšem ještě před rozvětvením sání do jednotlivých válců, tzv. parožím. U systémů centrálního (jednobodového) vstřikování je hlavní řídící veličinou poloha škrticí klapky, protože odměřování směsi pro jednotlivé válce se provádí přes sací potrubí. Dávkování paliva je dáno množstvím a teplotou nasávaného 3

4 vzduch a reguluje se dobou vstřiku paliva (časem otevření trysky). Motory s tímto způsobem tvorby směsi sice vykazovali menší emise, ale dnes je patrné, že měli nedostatky, např. u nich není možné reagovat na požadavky směsi v jednotlivých válcích, protože je připravována pro všechny společně. Zanedbatelná není ani dlouhá cesta směsi do spalovacího prostoru, která působí značné ztráty a výkyvy v poměru složení směsi.pro nás budou ovšem zajímavější systémy, které se nejčastěji používají v dnešní době. Vícebodové vstřikování: Další vývojový stupeň. Hlavní rozdíl spočívá v přidání vstřikovacích trysek. Každý válec tedy má po jedné. Dávkování paliva není ovlivňováno pouze hmotností nasávaného vzduchu. Z poměru paliva a vzduchu pouze vyplývá složení směsi. To však musí vycházet z provozních podmínek motoru. Ty jsou dány zejména jeho otáčkami, zatížením a provozní teplotou. Podle těchto vlivů se mění požadavky na složení směsi, které musí regulační systém nastavit. Proto jsou nedílnou součástí systémů regulace složení směsi snímače jednotlivých veličin, které je třeba brát v úvahu, aby se při všech předpokládaných provozních podmínkách zajistil optimální chod motoru. Tím se rozumí nejen spotřeba zaručovaná výrobcem vozidla, dále emise škodlivých látek, jejichž přípustnou úroveň stanoví zákon, ale i jízdní vlastnosti, jako je zrychlení, hlučnost chodu a další chování vozidla i motoru. Ale ani tento způsob tvorby směsi není bez výhrad. I přes jeho složitost a nekonečnou škálu nastavení řídících jednotek, které využívají spousty snímačů k určení optimální směsi na momentální požadavky motoru. Jeho značnou nevýhodou je, že směs vytvořená před motorem je brzděna sacím ventilem. Jeho průřez zmenšuje a mění tvar průřezu sacího kanálu. Směs potom neproudí ideálně a je velmi těžké navrhnout takový tvar spalovacího prostoru a sacího kanálu, který by tuto tendenci potlačoval. Správné proudění má ale značný vliv na termodynamiku motoru. Musí být tedy co nejefektivněji využito. Tato myšlenka vedla techniky k novému, předtím technicky nemožnému systému vstřikování. Přímé vstřikování: Nejdříve se začalo používat u vznětových motorů, ale záhy i u zážehových. Je to v podstatě jeden z nejnovějších způsobů, jak snížit spotřebu a zvýšit termodynamické účinky motoru. To s sebou přináší i další pozitiva. Především nezanedbatelné snížení emisí škodlivin ve výfukových plynech, ale i tolik požadované zlepšení průběhu a maxima točivého momentu a výkonu. Celý princip spočívá v tom, že se vstřikovací trysky umístili přímo do spalovacího prostoru. Tyto musí být daleko odolnější, protože pracují v extrémních podmínkách, ať jde o vysoký tlak, teplotu, či agresivní prostředí. Tato konstrukce však přináší celou řadu výhod. Vše záleží, jak se s některými detaily poperou konstruktéři automobilek. Z předchozích řádek je jasné, že odpadají veškeré ztráty paliva, a tím i nepřesnosti v přípravě optimální směsi. Z konkrétních požadavků na motor a množství nasávaného vzduchu je tedy možné přesně určit dávku vstříknutého paliva. Lze tedy s velkou účinností regulovat množství nespálených uhlovodíků ve výfukových plynech. Dnešní motory (samozřejmě i se systémem jedno, resp. vícebodového vstřikování) jsou navíc vybaveny tzv. lambda sondou. Pojem koeficient lambda jsme si již definovali. Lambda sonda není nic jiného, než čidlo, které je umístěno hned za parožím výfukového potrubí, a má na starosti měřit obsah kyslíku ve 4

5 výfukových plynech. Tato informace poslouží řídící jednotce k výpočtu poměru λ. Tento údaj je důležitou informací o složení spalované směsi. Řídící jednotka ho vyhodnotí (určí, zda byla směs chudá, bohatá, nebo akorát) a upraví, s ohledem na momentální požadavky, dávku vstřikovaného paliva. Tím se značně zvýší přesnost dávkování paliva, takže se maximální množství paliva vstříknutého do válců spálí a eliminují se emise nespálených uhlovodíků. Ale vraťme se k přímému vstřiku.jednou z jeho největší zbraní je možnost tvorby a spalování,dalo by se říci, až extrémně chudé směsi. Jak bylo řečeno, velký problém v podobě procházení směsi přes sací ventil byl vyřešen.další výhoda spočívá v tom, že trysku můžeme umístit tak, aby přivedla palivo nejen přesného objemu a v přesný okamžik, ale i tam, kde ho nejvíce potřebujeme. A toho se využívá právě při spalování chudých směsí, které mají samozřejmě za následek nižší emise. Některé automobilky využívají vlivu víření a proudění plynů. V tom případě je spalovací prostor, tj. hlava válců a profil dna pístu, navržen tak, aby maximálně podporoval proudění směsi. Do spalovacího prostoru se klasickým způsobem nasaje vzduch. Ten již začíná ve válci kolovat. Když se píst začne pohybovat z dolní úvrati do horní, zavře se sací ventil a se zvyšujícím se tlakem a díky vhodnému tvaru dna pístu se víření a cirkulace vzduchu zvyšuje. V okamžiku, kdy je již víření dosti intenzivní, dojde ke vstříknutí přesného množství paliva, a to na nejvhodnějším místě. Vytvoří se tak směs, kterou požadujeme. Vlivem odstředivé síly se největší kapičky paliva dostanou na vnější okraj proudící směsi. Tím vznikne různorodá směs, protože na okraji se vytvoří směs bohatší, zatímco uvnitř směs chudá. A tím je vše vyřešeno. Příliš chudá směs totiž nemůže chytit od jiskry zapalovací svíčky, zatímco již zažehnutá směs na to postačuje.zbývá tedy jen vhodně umístit zapalovací svíčku, a to tak, aby její jiskra přeskočila právě v okrajové vrstvě obsahující bohatou směs. Ta se zažehne a od ní postupně prohoří i směs chudá. Na úroveň emisí škodlivých složek ve výfukových plynech má velký vliv součinitel přebytku vzduchu lambda, proto je spalování chudých směsí výhodné. Aby byl podíl CO ve výfukových plynech malý, musí se směs ochudit minimálně na lambda = 1.1. Při akceleraci vozidla nebo studeném startu a během následného zahřívání nesmí být složení směsi "obohacováno" pod lambda = 1,0 Emise HC dosahují minima při lambda přibližně rovno 1,1. Při dalším ochuzování úroveň emisí zase roste. Je to způsobeno vynecháváním spalování; obvykle pocházejícího od zhasnutí plamene u studených stěn válce. Zlepšení se dosáhne vrstvením směsi, zvýšením rychlosti jejího pohybu po zažehnutí (tyto parametry velmi zlepšuje použití přímého vstřiku paliva), nebo také použitím dvou zapalovacích svíček umístěných co nejblíže stěny válce. Bohužel při ochuzení směsi nad λ = 1,1 dochází k vytváření maxima emisí oxidů dusíku (NOx), protože tehdy jsou ve spalovacím prostoru vysoké teploty a dostatek kyslíku. NOx se ale nechají vcelku účinně regulovat recirkulací výfukových plynů, která sníží výhřevnost směsi a teplotu spalování. Bude o ní pojednáno později. V poslední době se stává problémem i obsah oxidu uhličitého (CO 2 ) ve výfukových plynech. Jeho obsah je nejvyšší při stechiometrickém složení směsi a s ochuzováním klesá. Předpokládá-li se správná funkce zapalování, je to dáno nižší spotřebou paliva. Proto mají na snížení úrovně emisí CO 2 vliv všechna opatření zmenšující spotřebu. Jak již bylo řečeno, k tomu, aby palivo dokonale prohořelo je za potřebí vytvořit dokonale homogenní směs. S tímto požadavkem rostou nároky na velikost kapek rozprášeného paliva. Čím budou menší, tím lepší směsi docílíme. A to je právě další voda na mlýn přímého vstřikování. Tohoto efektu se docílí buď zmenšením průměru děr ve vstřikovacích tryskách, což je vzhledem k jejich již tak velmi malým rozměrům (řádově 10-2 mm) dosti výrobně složité (musí být kalibrovány s velkou přesností), nebo zvýšením vstřikovacího tlaku. Tato možnost ovšem přichází až s použitím přímého vstřikování, protože u starých provedení by 5

6 příliš vysoký tlak paliva znehodnocoval sací ventily, přes něž by musel projít. V případě přímého vstřiku je to ale možné, protože palivu v cestě do válce žádná překážka nestojí.v současné době se používají u špičkových zážehových motorů vstřikovací tlaky okolo 135 MPa. U vznětových motorů to jde ještě výše. Hranice 135 MPa byla využívána u systému Comon - reil I, jeho druhá generace Comon - reil II umí okolo 160 MPa a systém pumpe düse ( v překladu čerpadlo tryska), který do svých automobilů montuje automobilka Volkswagen, pracuje dokonce až s 200 MPa. 2. Recirkulace výfukových plynů : Recirkulace výfukových plynů je dlouho známým a často používaným způsobem snížení emisí oxidů dusíku (NOx). Výfukové plyny spalovacího motoru jsou ve své podstatné části inertním, tedy nehořlavým plynem. Přimísením tohoto inertního plynu do směsi paliva a vzduchu vytvořené systémem vstřikování se dosáhne zmenšení špičkové teploty hoření se současným snížením emisí NOx. Dá se tak tedy mimo jiné také odstranit onen neduh při spalování chudých směsí. Jak ale zařídit, aby se do spalovacího prostoru dostal vhodný objem výfukových plynů? Za tímto účelem se používají dva druhy recirkulace. A to vnitřní nebo vnější. Slova vhodný objem nebyla použita jen tak. Jak již bylo uvedeno, výfukové plyny jsou z velké části nehořlavé, a tak je nemůžeme do čerstvé směsi míchat v neomezeném množství. Je-li jich málo, nesníží se tolik špičková teplota a účinnost celého recirkulačního systému nebude dle našeho očekávání, a naopak, bude-li jich příliš mnoho, směs se stane nezápalnou a museli bychom přidat více paliva, čímž by nám vymizel efekt spalování chudé směsi, díky kterému se obsah NOx ve výfukových plynech zvětšuje. Nejvýhodnější je pohybovat se mezi 10 % až 15 % recirkulovaných plynů v objemu čerstvé směsi. Při takovém poměru není nutné obohacovat čerstvou směs palivem a emise oxidů dusíku lze eliminovat až o 60 %. Vnitřní recirkulace : Je dána vhodným nastavením a časováním rozvodového mechanismu, tj. vzniká překrytím ventilů. K němu dochází tím, že sací ventil se otevře v době, kdy výfukový ještě není uzavřen. V principu jde o to, že při expanzním zdvihu (čtyřdobého) spalovacího motoru jsou spaliny vytlačovány otevřeným výfukovým ventilem. Otevřeme-li těsně před horní úvratí také ventil sací, část spalin se dostane do sacího potrubí. Po té, co píst překoná horní úvrať, zavře se výfukový ventil a nastává sání, při kterém se vytvoří podtlak. Jeho vlivem se společně se směsí nasají do spalovacího prostoru také spaliny, které se do sacího potrubí dostali při předčasném otevření sacího ventilu. Na velikosti překrytí, tj. na úhlu současného otevření sacích i výfukových ventilů (bráno v souvislosti s úhlem natočení klikové hřídele), závisí podíl zbytku plynů, který může být opět do válce nasát spolu s čerstvou směsí. Tohoto principu se dá využívat v hojnější míře zejména u motorů s vyšším měrným výkonem, které mívají lepší plnicí účinek, a mohou tedy mít překrytí větší. Překrytí ventilů však nelze libovolně zvětšovat, protože by nebyl zajištěn stabilní chod motoru bez vynechávání. Rovněž by vzrostly emise HC. A z toho vyplývá nevýhoda tohoto řešení. Množství přimíchávaných výfukových plynů není variabilní, ale je dáno načasováním rozvodů již z výroby. Výrobce proto musí zvolit kompromis. Při volnoběhu a studeném motoru je lepší dodat menší množství, než např. při větším zatížení motoru, kdy se lepší plnící účinek. Při maximálním výkonu je zase zbytečné dotovat směs spalinami, protože v tomto 6

7 režimu nejsou oxidy dusíku problémem. Konstruktéři se tento neduh snaží řešit proměnným časováním ventilů, které dokáže úhel překrytí regulovat a vyhovět tak všem situacím zvlášť. O časování ventilů bude pojednáno později. Vnější recirkulace : Nepostačí-li vnitřní recirkulace snížit v potřebné míře emise NOx, používá se recirkulace vnější. Možnost regulace vedla konstruktéry k dalšímu způsobu, jak dostat výfukové plyny zpět do spalovacího prostoru. Jelikož je proměnné časování ventilů obtížné navrhnout a konstrukčně vyřešit tak, aby bylo co možná nejjednodušší, a přesto dostatečně účinné (v současnosti jej používá jen několik velkých automobilek), vyřešil se problém regulace množství recirkulovaných výfukových plynů přidáním zpětné větve do sání. Ono množství spalin je potom dáno velikostí podtlaku v sání a průřezem zpětné větve. Samozřejmě nelze nechat tento kanál stále otevřený, protože by snižoval podtlak v celém sacím systému a do spalovacího prostoru by se jím dostávalo až příliš velké procento spalin. Regulace se tedy provádí změnou jeho průřezu. Mez přípustného množství je určována přírůstkem emisí HC, dále zvýšením spotřeby a zhoršením rovnoměrnosti chodu motoru. Proto se recirkulace při volnoběhu odpojuje, jelikož zde prakticky žádné emise NOX nevznikají. Je odpojována i při studeném motoru, aby neprodlužovala doby zahřátí motoru a systémů potlačení emisí na potřebnou provozní teplotu. Také při plném zatížení, kdy se směs obohacuje a koncentrace kysličníků jsou nízké, je recirkulace odpojována. Nedochází tak ke snížení výkonu motoru. K řízení recirkulace výfukových plynů (k regulaci velikosti průřezu kanálu zpětné větve) se používalo většinou pneumatických nebo mechanických systémů. Jedno z možných provedení funguje následovně. V závislosti na poloze škrticí klapky v sacím potrubí se mění podtlak, který je přiváděn do komory pneumatického ventilu. Ten se skládá z membrány umístěné v komůrce, do které je přiváděn podtlak ze sání, řídící ventilu a pružinky.membrána je mechanicky spojena s řídícím ventilem uzavírajícím zpětnou větev přiváděných výfukových plynů. Na membránu působí proti síle pružiny tlačící podtlak sání. Tím se začne membrána posouvat a pohyb se přes spojení přenáší na řídící ventil, který se otevře. Z popsaného principu je jasné, že otevření řídícího ventilu (velikost průřezu) je přímo úměrné velikosti podtlaku v sání. Jestliže se škrticí klapka otevře z volnoběžné polohy, podtlak v sacím potrubí vzroste a membrána ventil pootevře. Podle zatížení motoru se mění podtlak v sacím potrubí a tím i množství recirkulovaných plynů. V přívodu podtlaku ze sacího potrubí do komory řídícího ventilu recirkulace bývá zařazen i další ventil, který otevírá přívod podtlaku až při určité minimální teplotě motoru. Jiné systémy používají ventily, na které působí i zpětný tlak výfukových plynů. Ten nabývá velikosti potřebné k otevření přívodu recirkulovaných plynů až při vyšších otáčkách motoru, kdy se zvyšuje tlak výfukových plynů. U takových systémů je čep spojující membránu s ventilem dutý a prochází jím výfukové plyny, jejichž tlak pak spolu s podtlakem v sacím potrubí působí rovněž proti předpětí pružiny. Ale u pneumatických a mechanických systémů regulace se objevují nedostatky, a to v tom, že dávkování množství recirkulovaných plynů není dostatečně přesné, což způsobuje při větších dávkovaných množstvích zhoršení jízdních vlastností a zvyšuje emise HC. 7

8 Proto se i zde začaly prosazovat elektronické systémy. Regulaci potom zajišťuje řídící jednotka. Ta ovládá elektropneumatický ventil zařazený v přívodu podtlaku podle signálů z různých snímačů. Množství přiváděných výfukových plynů tedy není závislé pouze na podtlaku v sání, ale také na momentální situaci v chodu motoru. U nejnovějších motorů se kombinuje vnější a vnitřní recirkulace s proměnným časováním ventilů. Je pak možno dosahovat 30 % i více recirkulace bez patrného zhoršení parametrů motoru. Přitom je množství optimalizováno pro každý provozní bod motoru. Všechny systémy však mají společný nedostatek v tom, že se ve ventilech a vedeních usazují pevné částice z výfukových plynů. Cesty se tedy zanášejí a průtok recirkulovaných plynů se snižuje. 3. Variabilní časování ventilů: Řízení ventilového rozvodu Moderní spalovací motory používají v mnoha případech více než dva ventily v jednom válci a také samostatné vačkové hřídele pro sací a výfukové ventily. Takové konstrukce umožňují použit proměnné ovládání chodu ventilů a tím zlepšit parametry motoru v širokém rozmezí jeho provozních podmínek. Není tedy třeba volit řešení, které bývá kompromisem mezi výkone, točivým momentem, spotřebou, emisemi výfukových plynů a neklidem volnoběhu. Předmětem řízení může být časování ventilů, jejich zdvih, průběh otevírání a zavírání, případně různé kombinace těchto dějů. Časování ventilů Časování ventilů udává, kolik stupňů otočení klikové hřídele je otevřený sací a výfukový ventil. Tyto úhly jsou nazývány rozvodové. Protože se ventily poměrně pomalu otevírají a zavírají, volí se rozvodové síly větší, než to odpovídá sacímu či výfukovému zdvihu pístu. Tím se dosáhne toho, že na začátku a na konci sacího a výfukového zdvihu je již, respektive ještě otevřen malý průřez. Konec výfuku a začátek sání se překrývají, což znamená, že oba ventily jsou současně otevřené. Tímto překrytím ventilů je možno zlepšit výměnu náplně ve spalovacím prostoru.výfukový ventil se otevírá krátce před dolní úvratí a vzhledem k nadkritickým tlakovým poměrům ve spalovacím prostoru jej opustí asi 50 % spálených plynů ještě před začátkem výfukového zdvihu. Vlivem setrvačnosti proudí sloupec výfukových plynů ještě i tehdy, když píst v horní úvrati. Výfukový ventil se uzavře až za horní úvratí, zatímco sací se otevírá krátce před ní. Tímto překrytím vzniká ve spalovacím prostoru podtlak a výfukové plyny proudí do něj, a to jak přímo ze spalovacího prostoru, tak zpětně z výfukového potrubí, dokud se výfukový ventil neuzavře. Tato vnitřní recirkulace výfukových plynů se projevuje nepříznivě hlavně při volnoběhu. Použije-li se alespoň dvoustavová regulace časování, aby při volnoběhu bylo překrytí blízké nule a při vyšších otáčkách a zatížení dosahovalo optimální hodnoty pro daný motor, lze termodynamickou účinnost motoru zlepšit. 8

9 Řízení zdvihu ventilů Tento zákrok rovněž umožňuje dosáhnout překrytí ventilů ve vyšších otáčkách motoru a vyloučit jej v dolním a středním otáčkovém rozsahu. Při tomto způsobu se nemění poloha rozvodového úhlu, v níž je zdvih ventilů. Při malém zdvihu je dosahováno použitím dvou různých vaček, které se liší svým tvarem. Při určování tvaru každé z vaček se vychází z rozvodového úhlu, maximálního zdvihu a otáček motoru, při kterých má být těchto charakteristik dosaženo. Vzhledem k odlišným požadavkům při nízkých a vysokých otáčkách jsou vačky podle otáček přepínány. Protože se provádí jak větší zdvih ventilů, tak i malý, bývá úhel jejich dosedací plechy nejčastěji 30, což při malém zdvihu zlepšuje proudění skrz sedla ventilů. To se projevuje příznivě rychlejším vyprázdněním válce při výfuku.při tomto úhlu je průtokový průřez větší, a protože při malém zdvihu převládají velké rozdíly tlaku, je výsledkem uvedené rychlejší vyprázdnění. Při větším zdvihu jsou tlakové rozdíly malé, takže přínos 30 úhlu je zanedbatelný. Tam se však uplatní již dříve zmíněné překrytí sacích a výfukových ventilů. Řízení průběhu otevíraní a uzavírání ventilů Řízení průběhu otevíraní a uzavírání ventilů spočívá ve spojité změně cyklu vačky mezi dvěma mezerami, přičemž zdvihne ventilů zůstává konstantní. Regulační článek se nachází mezi hřídelí s vačkami a jejím pohonem a působí tak, že úplná otáčka hřídele odpovídá otáčce jejího pohonu. Během celé otáčky je hřídel vzhledem k pohonu urychlována a zpomalována. To může probíhat buď tak, že hřídel je proti pohonu zpomalována, když je ventil otevřen, a zrychlena, když je uzavřen, čímž se cyklus vačky prodlouží. Nebo naopak je cyklus vačky zkrácen tím, že je hřídel při otevřeném ventilu proti pohonu zrychlena a pak zpomalena, když je ventil uzavřen. Některé ze současných a připravovaných aplikací: Alfa Romeo Mění ve dvou stupních natočení vačkové hřídele sání vůči poloze hřídele klikové. Při volnoběhu nedochází k překrytí ventilů, jeho nejvhodnější velikost je nastavena až ve vyšších, předem zvolených otáčkách motoru. Natáčení je realizováno mechanismem, který je tvořen pístem s příbuznými zuby. Píst je posouván v drážkové objímce, uložené ve středu hnacího řetězového kola vačkové hřídele saní. Jak se píst posouvá podél drážkované objímky uložené ve středu hnacího řetězového kola vačkové hřídele sání, zabírá do šroubovicovitého pastorku. Tím je vačková hřídel natočena o pevný úhel vzhledem k řetězovému hnacímu kolu a dosáhne se potřebného překrytí. K posouvání pístu se používá tlaku oleje mazání motoru. Ten může působit na píst po otevření otvoru, kterým je olej přiváděn, a také průtoku do ovládací komory. Otevírání přívodu oleje provádí stavěcí člen ovládaný elektromagnetem. Nepůsobí-li elektromagnet na stavěcí člen, jsou přívody oleje uzavřeny a píst je vrácen působením pružiny do výchozí polohy (bez překrytí ventilů). Současně je olej vytlačen výtokovým kanálem z mechanismu [3]. 9

10 Honda VTEC Vybavuje motory svých modelů soustavou, která používá různých profilů vaček pro nízké a vysoké otáčky. Mimo rozdílných profilů mají vačky i různý zdvih. Provádění změn je ale krokové, nikoliv plynulé. Soustava označovaná V-tec ovládá chod jak sacích, tak výfukových ventilů. Prošla dvěma etapami vývoje. Starší typ používá dvou stejných vaček pro nižší otáčky. Mají mírný oblouk, malý zdvih a krátký interval otevření. Jsou umístěny po stranách střední vačky s větším zdvihem, strmými boky a dlouhým intervalem otevření. Vahadla patřící k vačkové skupině jsou spojena hydraulickými písty, které působí jako západka. Při nižších otáčkách nechává řídicí elektronika elektromagnetický ventil uzavřeny, takže malé písty umístěné ve vahadlech za sebou jsou stabilizované v boční základní poloze pružinou. Nespojují tedy vahadla, takže tato se mohou pohybovat nezávisle na sobě, v souladu s průběhem vaček, které s nimi souvisejí. Tedy ventily jsou ovládány oběma bočními vačkami, zatímco prostředí pracuje volnoběžně. Prostředí vahadlo je k vačce přitlačováno pružinou, která se nachází mezi ventily. Jakmile vzrostou otáčky motoru na předprogramovanou hodnotou, otevře elektromagnetický ventil přívod oleje z mazacího systému motoru do olejového potrubí za blokovací pístky. Ty se přesunou proti síle pružiny do pravé boční polohy. Všechna tři vahadla se spojí do jednoho celku a určují bude prostřední vačkový profil, protože jeho zdvih je ve všech úhlech otáčení hřídeli větší než mají obě krajní vačky. Při poklesu otáček dochází ke zpětnému přepnutí při poněkud nižší hodnotě než při zvyšování.novější typ soustavy pracuje třístupňově. Je poněkud jinak řešen, olejové potrubí je rozděleno do dvou nezávislých dílů a vahadla jsou vybavena dvěma přepínacími mechanismy. Při otáčkách motoru mezi min není do potrubí přiváděn olej a blokovací pístky jsou vysunuty v základní poloze, takže vahadla ventilů pracují nezávisle. Jeden sací ventil zůstává uzavřen a druhý je otevírán vačkou pro časování v nízkých otáčkách. V rozsahu otáček mezi 2500 až 6000 min je přiveden olej jen do horní části potrubí Tím se do záběru zasune pouze horní blokovací pístek a obě vahadla pracují současně. Oba ventily jsou tedy současně otevírány, přičemž je zdvih určován vačkou pro časování při nízkých otáčkách. Při rychlostech 6000 min je olej přiváděn do obou částí potrubí. Oba blokovácí pístky jsou v záběru, takže nejenže oba ventily pracují současně, ale jejich činnost je řízena oběma vačkami. Vačka pro časování ve vysokých otáčkách je natočena vzhledem k vačce pro časování v nízkých. Jejich společným působením se dosáhne většího zdvihu ventilů a navíc je možnost rozdílné rychlosti při otevírání a uzavírání ventilů podle tvarů obou vaček [3]. Elektromagnetické ovládání ventilů U této konstrukce je zajištěno otvírání i zavírání ventilů elektromagneticky, tím že zjednodušuje konstrukce rozvod. Mechanismus a zcela odpadá mech. Vazba mezi klikovým hřídelem a vačkovým hřídelem, který stejně jako ostatní části rozvodového mechanismu kromě vlastního ventilu odpadá. Konstrukce: Ventil je opatřen jádrem z materiálu s magnetickými vlastnostmi. Toto jádro je umístěno mezi dvěma elektromagnety, které jsou střídavě napájeny přes přepínač řízeny elektronickou řídící jednotkou. Pružiny nezajišťují otevírání ventilů, ale zajišťují otevření a zavření ventilu bez kmitání. Činnosti: Jádro ventilu je přitahováno vždy k tomu elektromagnetu, jehož vinutím prochází proud. Horní elektromagnet slouží k uzavírání, dolní k otevírání. Elektronická řídící jednotka zpracovává signály snímačů, které zjišťují podmínky chodu motoru a vydává po vyhodnocení pokyn přepínači k přepojení resp. sepnutí buď obvodu horního nebo dolního elektromagnetu a tím k uzavření nebo otevření ventilu. Elektronická řídící jednotka tak určuje přesný okamžik otevření a uzavření příslušného ventilu a umožňuje i změnou proudu měnit zdvihu ventilu a 10

11 tedy průtočný průřez. Toto řešení tedy umožňuje velmi jednoduché změnění časování ventilů. Míru plnění válců odvodu spalin a tím dovoluje dokonalejší využití směsy, její příznivější hoření a snížení obsahu škodlivin na minimum v závislosti na režimu činnosti motoru. Tento systém zatím nebyl zaveden do sériové výroby, ale je předpoklad, že najde v budoucnu uplatnění zejména u zážehových motorů [1]. Variabilní časování ventilů DOUBLE VANOS BMW U tohoto časování se využívá opět natáčení ventilové vačky opět jsou použity dva vačkové hřídele, které jsou opatřeny hydraulickým přestavovačem. Hydraulický přestavovač se skládá z pístu s pístnic, který je uložen ve válci do kterého řídí přítok tlakového oleje elektromagnetický ventil ovládaný řídící jednotkou motoru. S pístnicí je spojen vlastní přeztavovač vnější přímým a vnitřním šikmým drážkováním. Na vnější drážkování je nasazeno rozvodové kolo a do vnitřního drážkování zapadá vačkový hřídel opatřený shodným (šikmým) drážkováním. Činnost: Klidový stav: elektromagnetický ventil je bez napětí a šoupátko je v poloze, kdy je otevřen pravý kanál, tím je olej přiváděn na pravou stranu pístu a nastavovač je v levé krajní poleze, tím dochází k pozdějšímu otevření ventilu. Momentová poloha: elektromagnetický ventil je pod napětím šoupátko se přesune tak, že je otevřen levý kanál a tlakový olej je přiveden na levou stranu pístu, tím se píst s nastavovačem posune doprava a nastavovač se posune v přímých drážkách rozvodového kola, zároveň se však posune i v šikmých drážkách vačkového hřídele, takže dojde k jeho pootočení a tím nastavení pro dřívější otevírání ventilu. Ovládány jsou, jak vačkové hřídele sacích ventilů, tak vačkové hřídele výfukových ventilů. Doba otevření a zdvih ventilů zůstávají stejné, mění se pouze okamžik otevření a uzavření ventilu. 4. Přifukování vzduchu : V některých provozních podmínkách motoru, zejména při prvním startování za nízkých okolních teplot, musí být směs dosti obohacena. Rovněž během následujícího zahřívání motoru je žádoucí obohacení, i když mírnější. Za takových podmínek se vytváří největší část celkového obsahu škodlivin. Proto byly již před zavedením katalyzátorů prováděny pokusy snížit obsah škodlivin termickým dohoříváním výfukových plynů. Při něm se za vysoké teploty nechávají dohořet zbytky nespáleného paliva. Jestliže je směs bohatá, musí být přiváděn další vzduch, u chudé postačí kyslík obsažený ve výfukových plynech. Zavedením katalyzátorů ztratil tento způsob svůj původní význam, avšak může snížit hodnoty CO a HC během zahřívání motoru, zejména pokud nebude katalyzátor zahřátý na provozní teplotu. V tomto období je totiž nefunkční. Důležité je i to, že přifukování přídavného vzduchu do výfukového potrubí přímo za válce vede ke spálení horkých výfukových plynů, což přispívá k zahřívání katalyzátoru. Z těchto důvodů je systém přifukování vzduchu i v dnešní době katalyzátorů vhodným doplňkem spalovacích motorů, protože přispívá k eliminaci emisí plynů CO a nespálených uhlovodíků 11

12 Obecně se dá říci, že se tyto systémy skládají z elektrického dmychadla sekundárního vzduchu a rozvodného potrubí do paroží výfukového potrubí. Elektrické dmychadlo sekundárního vzduchu je zapnuto během první fáze volnoběhu po startu na dobu asi 2 min. Jakmile je lambda snímač a tedy i katalyzátor dostatečně zahřát, dodává signál do řídící jednotky a ta dmychadlo vypne. Včasné vypnutí je potřebné, aby se předešlo zvýšení emisí NOx. Některé systémy řídí zapínání dmychadla i podle signálu ze snímače teploty chladicí kapaliny motoru. Elektrické dmychadlo sekundárního vzduchu může být zapínáno i při silné akceleraci nebo velkém zatížení motoru, kdy je směs obohacována, a také vznikají emise nespálených uhlovodíků. Také může být sekundární vzduch cyklován zapínáním a vypínáním, aby se dosáhlo snížení emisí. 5. Katalyzační systémy Podle koncepce snižování emisí ve výfukových plynech se používají dva systémy. Oxidační katalyzátor Katalyzátor pracuje s chudou zápalnou směsí (s přebytkem vzduchu) pomocí oxidace (spalování) přeměňuje oxid uhelnatý (CO) a uhlovodíky (HC) na vodní páru (H 2 O) a oxid uhličitý (CO 2 ). Obsah oxidů dusíku (NO x ) prakticky nesnižuje. U motorů se vstřikováním benzinu se kyslík nutný pro oxidaci získává vytvářením chudé zápalné směsi. U motorů s karburátory je přiváděn před katalyzátor sekundární přídavný vzduch odstředivým dmychadlem poháněným motorem nebo je přisáván přes podtlakový ventil. Oxidační katalyzátory dnes již nesplňují přísné emisní předpisy pro obsah oxidů dusíku u zážehových motorů. S úspěchem se ale používají u motorů vznětových. Snížení množství oxidů dusíku se zde dosahuje recirkulací výfukových plynů. Třícestný katalyzátor Tento katalyzátor odstraňuje všechny tři škodlivé složky (CO, HC a NO x ) současně s vysokou účinností ( až 95 %). Předpokladem vysoké účinnosti je použití lambda regulace pomocí které je do motoru přiváděna zápalná směs o stechiometrickém složení (λ=1). Pokud se použije třícestný katalyzátor u motorů bez lambda regulace, je jeho účinnost pouze 50 %. Konstrukce Katalyzátor (přesněji- katalytický konvertor výfukových plynů) se skládá z obalu z nerezového ocelového plechu, nosiče a vlastní aktivní katalytické vrstvy. Dnes se používají dva základní druhy nosičů: - keramický, - kovový. 12

13 Keramický nosič Je to keramické těleso válcovitého tvaru, ve kterém je vytvořeno několik tisíc podélných kanálků. Těmito kanálky proudí výfukové plyny. Mezi ocelovým obalem a nosičem je kovové pletivo tvořené ocelovými drátky o průměru asi 0,25 mm. Toto pletivo chrání nosič před mechanickým poškozením, vyrovnává výrobní tolerance a různou tepelnou roztažnost obalu a nosiče. Současně slouží jako tepelná izolace [2]. Kovový nosič Dříve se používal u pomocných nebo startovacích katalyzátorů,. Které byly umístěny před hlavním katalyzátorem, protože po spuštění motoru dosahují rychleji provozní teploty. I přes vyšší cenu se právě z tohoto důvodu používají stále častěji i jako jediné (hlavní) katalyzátory. Další výhodou je možnost vytvoření větší plechy průchozích kanálků, necitlivost vůči vibracím a rychlým změnám teploty [2]. Vrstvy katalyzátoru Povrch keramických i kovových nosičů je opatřen základní nosnou vrstvou (podkladem) z oxidu hlinitého ( wsch-coat ), které vzhledem ke svému nerovnému povrchu zvětšuje plochu nosiče až 7000 krát. Na základní vrstvu je nanesena napařováním vlastní aktivní vrstva platiny a palladia (oxidační katalyzátor) nebo platiny a rhodia (třícestný katalyzátor). Platina a palladium urychlují oxidaci oxidu uhelnatého a uhlovodíků, rhodium redukci oxidů dusíku. V jednom katalyzátoru jsou 2 g až 3 g těchto vzácných kovů [2]. Provozní podmínky Stejně jako u lambda sondy i u katalyzátorů hraje velmi důležitou roli provozní teplota. Snižování obsahu škodlivin začíná až od teploty asi 250 C. Pro vysokou účinnost a dlouhou životnost jsou ideální provozní podmínky v teplotním rozpětím 400 C až 800 C.Při teplotách 800 C až 1000 C dochází k podstatně silnějšímu spékání vzácných kovů a podkladové vrstvy, což vede ke zmenšování povrchu aktivní hmoty (tepelné stárnutí). Nad 1000 C dochází k velmi silnému tepelnému stárnutí až téměř k úplnému vyřazení katalyzátoru z činnosti,. Za příznivých podmínek je životnost katalyzátoru asi km. Při poruše motoru, např. vynechávání zapalování, může teplota katalyzátoru přesáhnout 1400 C Tato teplota vede k /plnému zničení katalyzátoru (roztavení nosiče). Z tohoto důvodu musí být zapalovací systémy motorů s katalyzátory velmi spolehlivé. Dalším předpokladem dlouhé životnosti katalyzátoru je provoz na bezolovnatý benzin. Olovo zanáší póry v aktivní vrstvě nebo se usadí přímo na povrchu. Také zbytky oleje mohou vést k otrávení katalyzátoru [2]. Napěťová lambda sonda Speciální galvanicky článek, který má tuhý elektrolyt ze specielní keramiky ve tvaru dutého prstu. Vnitřní a vnější strana jsou opatřeny průlinčitými (porézními) platinovými elektrodami. Předpokladem je pracovní teplota min 300 C. Jestliže při této teplotě je na vnitřní a vnější straně tohoto článku rozdílný tlak kyslíku, procházejí kyslíkové ionty elektrolytem, na elektrodách vzniká napětí cca 0,8 V Článek je zabudován do podobného pouzdra, jako žhavící svíčka. Závitem zašroubován do výfukového potrubí, kam vyčnívá článek. Je chráněn 13

14 děrovanou krycí trubkou (v prostoru výfuku). Za provozu se článek zahřívá výfuk. Plyny. Urychlení náběhu činnosti při startu je zajištěno elektrickým vyhřívacím tělískem.pro řízení motorů pracujících z chudou směsí je nutno použít jiná typy λ-sond např. odporové, použitelné pro vyšší poměny λ. Odpor se mění M Ω-k Ω [1]. 6. Příloha Obr. 1: Regulační rozsah lambda-sondy a obsah emisí ve výfukových plynech [2]. Obr. 2: Dvoustupňové přepínání časování ventilů u motorů Alfa Romeo [3] 1-elektromagnet, 2-otvor přítoku oleje, 3-prstenec uzávěru, 4-řetězové kolo ovládání, 5-píst s přímými zuby, 6-drážková objímka, 7-vačková hřídel, 8-stavěcí člen, 9-šroubovicový pastorek, 10-vratná pružina, 11-střední těleso, A-přívod oleje, B-manipulační komora, C-odtok oleje Obr. 3: Provedení soustavy VTEC Honda [3]. 14

15 Vlevo činnost při nízkých otáčkách, uprostřed činnost při vysokých otáčkách, vpravo činnost při vysokých otáčkách. Obr. 4: Schéma katalyzátoru s keramickým nosičem [2]. Obr. 5: Princip činnosti třícestného katalyzátoru [2]. Závěr: Vzhledem k rychlosti vývoje všech možných oblastí lidské činnosti se v dnešní době používají stále dokonalejší a přesnější technologie konstrukce a výroby automobilů. Každodenní vědecké poznatky otevírají konstruktérům nové cesty k řešení problémů. Současně s tímto trendem se také stále více zpřísňují normy povolující maximální koncentrace škodlivin vznikajících provozem silničních motorových vozidel. To vše míří 15

16 k výraznému snížení produkce takových škodlivin připadajících na jeden automobil. Uvědomíme-li si ale fakt, že automobilů neustále přibývá, a že ani v daleké budoucnosti není vyhlídka na zcela ekologické, čili bezemisní motory fungující na základě současného principu spalování směsi uhlovodíkového paliva se vzduchem, nezbývá lidstvu pravděpodobně jiná možnost, než se uchýlit k tzv. alternativním pohonům. Současné snahy směřují k pohonu pomocí elektrických, či vodíkových článků. Od věci by jistě nebylo ani spalování vodíku s kyslíkem přímo ve spalovacím prostoru motoru, ale tyto projekty ještě nespatřily světlo světa v podobě sériové výroby, protože jsou příliš nákladné. Je tedy na konstruktérech, jak rychle si s touto problematikou poradí. My si myslíme, že pro lidstvo jsou alternativní pohony automobilů velkou výzvou. 7. Citace použitých zdrojů: [1] PILÁRIK, M., PABST, J. Automobily. Praha: Informatorium, s. ISBN [2] ŽDÁNSKÝ, B., JAN, Z. Automobily IV. Brno: Technické překladatelství a vydavatelství, s. [3] FERENC, B. Spotřeba a emise CO 2. Autoexpert, 2001, roč. 6, č. 11, s [4] FERENC, B. Zážehové motory [online]. c1998, poslední revize [cit ]. Dostupné z: < Obsah: 1. Vstřikování paliva:... 3 Jednobodové vstřikování:... 3 Vícebodové vstřikování:... 4 Přímé vstřikování: Recirkulace výfukových plynů :... 6 Vnitřní recirkulace :... 6 Vnější recirkulace : Variabilní časování ventilů:

17 Řízení ventilového rozvodu... 8 Časování ventilů... 8 Řízení zdvihu ventilů... 9 Řízení průběhu otevíraní a uzavírání ventilů... 9 Alfa Romeo... 9 Honda VTEC Elektromagnetické ovládání ventilů Variabilní časování ventilů DOUBLE VANOS BMW Přifukování vzduchu : Katalyzační systémy Oxidační katalyzátor Třícestný katalyzátor Konstrukce Provozní podmínky Napěťová lambda sonda Příloha...14 Obsah: