Přehled systémů řízení vznětového motoru

Transkript

1 Přehled systémů řízení vznětového motoru základy vznětového motoru, přeplňování, vstřikování přehled všech vstřikovacích systémů dodatečná úprava spalin Vydání 009 l Odborné znalosti v automobilové technice Řízení vznětových motorů

2 Přehled systémů řízení vznětového motoru Robert Bosch GmbH

3 Obsah 4 Oblasti použití vznětových motorů 4 Kritéria vlastností 4 Použití 7 Charakteristiky motoru 8 Základy vznětového motoru 8 Způsob činnosti Točivý moment a výkon Účinnost motoru 5 Provozní stavy 9 Provozní podmínky Vstřikovací systém Spalovací prostory 6 Paliva 6 Palivo pro vznětový motor 3 Alternativní paliva 34 Systémy pro řízení plnění motoru 34 Přehled 35 Přeplňování 44 Vířivé klapky 45 Vzduchové filtry sání motoru 48 Základy vstřikování nafty 48 Rozdělování směsi 50 Parametry vstřikování 58 Provedení trysek a držáků trysek 60 Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru 60 Konstrukční typy 66 Přehled systémů řadových vstřikovacích čerpadel 66 Oblasti použití 66 Provedení 67 Konstrukce 67 Regulace 70 Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel 70 Oblasti použití 70 Provedení 7 Systémy řízené hranou 74 Systémy řízené magnetickými ventily 78 Přehled systémů jednoválcových čerpadel 78 Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF 78 Použití 80 Systém sdružených vstřikovačů UIS a sdružený vstřikovací systém UPS 8 Obraz systému UIS pro osobní vozidla 84 Obraz systému UIS/UPS pro užitková vozidla 86 Přehled systému Common Rail 86 Oblasti použití 87 Konstrukce 88 Princip činnosti 9 Systém Common Rail pro osobní vozidla 97 Systém Common Rail pro užitková vozidla 00 Elektronická regulace vznětového motoru EDC 00 Přehled systému 0 Zpracování dat 04 Regulace vstřikování 06 Regulace a aktivace akčních členů 07 Náhradní funkce 08 Systémy pomoci při startu 08 Systémy žhavení Vstřikovací trysky 4 Otvorové trysky 8 Držáky trysek 8 Přehled 0 Dodatečná úprava spalin Zásobníkový katalyzátor NOx 3 Selektivní katalytická redukce oxidů dusíku 6 Částicový filtr DPF 30 Oxidační katalyzátor pro vznětový motor 3 Rejstřík 3 Věcný rejstřík 34 Zkratky

4 Vznětový motor se u řidičů těší rostoucí oblibě. Jeho klasické silné stránky jsou hospodárnost, spolehlivost a průběh točivého momentu. Proto se již před mnoha lety prosadil u užitkových vozidel. Další vývoj vznětového motoru zvláště jeho vstřikování jakož i rasantní vývoj vysokotlakých vstřikovacích systémů přinášel stále další zlepšení výkonu a spotřeby. K tomu navíc přistupuje skutečnost, že se moderní vznětové motory s vysokotlakým vstřikováním výrazně zlepšily v oblasti jízdního komfortu a produkce škodlivin. To vedlo k tomu, že se vznětový motor v posledních letech stává čím dál oblíbenějším také v osobních vozech i vyšší třídy. V současné době představuje podíl vznětových motorů u nově přihlašovaných osobních vozů v západní Evropě kolem 50%. S rostoucím rozšířením vznětových motorů roste také zájem dozvědět se o nich více. Tento sešit z řady Odborné znalosti v automobilové technice dává nahlédnout do principů činnosti vznětového motoru a poskytuje přehled různých vstřikovacích systémů Bosch a jejich komponent. V této řadě se objevily další tituly, které se hlouběji zabývají představovanými přehledy systémů vstřikování vznětového motoru a elektronickou regulací vznětového motoru.

5 4 Oblasti použití vznětových motorů Kritéria vlastností, Použití Oblasti použití vznětových motorů Žádný jiný spalovací motor není tak rozmanitě používán jako vznětový (Dieselův) motor ). Důvodem je především jeho vysoká účinnost a s ní spojená hospodárnost. Nejdůležitější oblasti použití vznětového motoru jsou: stacionární motory, osobní a lehká užitková vozidla, těžká užitková vozidla, stavební a zemědělské stroje, lokomotivy a lodě. Vznětové motory jsou konstruovány jako řadové a vidlicové motory. Lze v nich velmi dobře využít přeplňování, neboť se u nich na rozdíl od zážehových motorů nevyskytuje klepání. ) Pojmenován po Rudolfu Dieselovi (858 až 93), který v roce 89 přihlásil svůj první patent na Nové racionální tepelné hnací stroje. Vyžadovalo to však ještě mnoho vývojové práce, než se v roce 897 rozběhl první vznětový (Dieselův) motor u firmy MAN v Augsburgu. Kritéria vlastností Pro použití vznětového motoru jsou významné následující znaky a vlastnosti (příklady): výkon motoru, specifický výkon, provozní bezpečnost, výrobní náklady, hospodárnost v provozu, spolehlivost, ohleduplnost k životnímu prostředí, komfort příznivost, vstřícnost (např. design motorového prostoru) Podle oblasti použití se mění těžiště konstrukce vznětového motoru. Použití Stacionární motory Stacionární motory (např. pro generátory elektrické energie) jsou často provozovány s konstantními otáčkami. Motor a vstřikovací systém tak lze optimálně přizpůsobit těmto otáčkám. Regulátor otáček mění vstřikované množství paliva podle požado- Vznětový motor osobního vozu se vstřikovacím systémem se sdruženými vstřikovači (Unit Injector) (příklad) kw Výkon P Obrázek Ventilový pohon Injektor 3 Píst s čepem a ojnicí 4 Chladič plnicího vzduchu 5 Čerpadlo chladicí kapaliny 6 Válec 4 5 Točivý moment M 30 Nm Otáčky n 4000 min - UMM0603D

6 Oblasti použití vznětových motorů Použití 5 vaného zatížení. Pro tato použití jsou i nadále používány vstřikovací systémy s mechanickou regulací. Také motory osobních a užitkových vozidel lze použít jako stacionární motory. Regulace motoru však musí být případně přizpůsobena změněným podmínkám. Osobní a lehká užitková vozidla Zvláště od motorů osobních vozů (obr. ) se očekává vysoká míra tažné síly a kulatosti chodu. V této oblasti bylo dosaženo velkého pokroku díky zdokonaleným motorům a novým vstřikovacím systémům s elektronickou regulací vznětového motoru (Electronic Diesel Control, EDC). Díky tomu mohlo dojít od počátku 90. let k výraznému zlepšení chování motoru v oblasti výkonu a točivého momentu. Proto se dokázal vznětový motor prosadit kromě jiného i do vozů vyšší třídy. V osobních vozidlech se používají rychloběžné motory s otáčkami do 5500 min -. Spektrum sahá od 0 válců s 5000 cm 3 v limuzínách po 3 válce se zdvihovým objemem 800 cm 3 v malých vozech. Nové vznětové motory osobních vozů jsou v Evropě vyvíjeny již jen s přímým vstřikováním (DI, Direct Injection), neboť spotřeba paliva je u motorů s přímým vstřikováním o cca 5 0% nižší než u komůrkových motorů. Tyto motory, dnes téměř výlučně vybavené přeplňováním, nabízejí zřetelně vyšší točivé momenty než srovnatelné zážehové motory. Maximálně možný točivý moment ve vozidle nebývá většinou určován motorem, nýbrž dostupnými převodovkami. Stále přísnější limity spalin a rostoucí výkonové požadavky si vynucují vstřikovací systémy s velmi vysokými vstřikovacími tlaky. Rostoucí požadavky na emisní chování představují i do budoucna výzvu pro konstruktéry vznětových motorů. Proto v budoucnu dojde k dalším změnám zejména v oblasti dodatečné úpravy spalin. Vznětový motor užitkového vozidla se systémem Common Rail (příklad) kw 3 Výkon P Točivý moment M 0 Nm min - Otáčky n UMM0604D Obrázek Alternátor Injektor 3 Rail 4 Vysokotlaké čerpadlo

7 6 Oblasti použití vznětových motorů Použití Těžká užitková vozidla Motory pro těžká užitková vozidla (obr. ) musejí být především úsporné. Proto lze v této oblasti použití najít pouze vznětové motory s přímým vstřikováním (DI). Otáčkový rozsah těchto středně rychloběžných motorů sahá do cca min -. Rovněž limity spalin pro užitková vozidla se stále snižují. To znamená vysoké požadavky též na příslušné vstřikovací systémy a vývoj nových systémů dodatečné úpravy spalin. Stavební a zemědělské stroje Stavební a zemědělské stroje představují klasickou oblast použití vznětových motorů. Při konstrukci těchto motorů je kromě hospodárnosti kladen obzvláště vysoký důraz na robustnost, spolehlivost a snadnost servisu. Získání maximálního výkonu a optimalizace hluku mají nižší důležitost než například u motorů osobních vozidel. Používají se zde motory s výkonem od cca. 3 kw až po výkon odpovídající těžkým užitkovým vozům. U stavebních a zemědělských strojů se používají mnohdy ještě vstřikovací systémy s mechanickou regulací. Na rozdíl od všech ostatních oblastí použití, kde se používají převážně vodou chlazené motory, má u stavebních a zemědělských strojů stále velký význam robustní a jednoduše realizovatelné vzduchové chlazení. Lokomotivy Motory lokomotiv, podobně jako velké vznětové lodní motory, jsou konstruovány zvláště na trvalý provoz. Kromě toho musejí případně zvládnout i horší kvalitu paliva. Jejich konstrukční velikost pokrývá rozsah od velkých motorů užitkových vozidel po střední lodní motory. Lodě Požadavky na lodní motory jsou podle oblasti použití velmi rozdílné. Existují výslovně vysoce výkonné motory pro například námořní lodě nebo sportovní lodě. Zde se používají 4dobé středně rychloběžné motory s rozsahem otáček mezi min s počtem válců až 4 (obr. 3). Na druhé straně nacházejí použití dobé velké motory, konstruované na nejvyšší hospodárnost v trvalém provozu. S těmito pomalo- 3 Lodní vznětový motor se samostatnými jednoválcovými vstřikovacími čerpadly (příklad) kw v 600 Výkon P a b Obrázek 3 Dmychadlo Setrvačník 400 a b v Výkon motoru Křivka jízdního odporu Oblast omezení při plném zatížení min - Otáčky n UMM0605D

8 Oblasti použití vznětových motorů Použití, Charakteristiky motoru 7 běžnými motory (n < 300 min-) lze též dosáhnout efektivní účinnosti až 55%, představující nejvyšší dosažitelnou účinnost u pístového motoru. Velké motory jsou poháněny většinou cenově výhodným těžkým olejem. K tomu je nutná nákladná příprava paliva na palubě. Palivo musí být v závislosti na kvalitě ohřáto až na 60 C. Teprve tím klesne jeho viskozita na hodnotu, která umožní filtraci a čerpání. Pro menší lodě se často používají motory, které jsou vlastně určené pro těžká užitková vozidla. Tím je k dispozici hospodárný pohon s nízkými vývojovými náklady. Rovněž v těchto aplikacích se musí regulace přizpůsobit změněnému profilu použití. Vícepalivové motory Pro zvláštní potřeby (například pro použití v oblastech s velmi špatnou infrastrukturou a pro vojenské potřeby) byly vyvinuty motory, schopné střídavého provozu na naftu, benzín a podobná paliva. V současné době nemají téměř žádný význam, neboť s takovými motory nelze splnit dnešní požadavky na emisní a výkonové chování. Charakteristiky motoru Tabulka ukazuje nejdůležitější porovnávací údaje různých vznětových a zážehových motorů. U zážehových motorů s přímým vstřikováním benzínu (BDE) se střední hodnota tlaku pohybuje o cca 0% výše než u motorů s nepřímým vstřikováním (vstřikování do sacího traktu), uvedených v tabulce. Měrná spotřeba paliva je přitom až o cca. 5% nižší. Kompresní poměr u těchto motorů dosahuje až «=3. Porovnávací údaje vznětových a zážehových motorů Vstřikovací systém Vznětové motory Jmenovité otáčky njmen. [min - ] Kompresní poměr «Střední tlak ) pe [bar] Litrový výkon pe, spec. [kw/l] Výkonová hmotnost mspec. [kg/kw] Měrná spotřeba paliva ) be [g/kwh] IDI 3 ) Atmosférické motory pro osobní vozy IDI 3 ) Přeplňované motory pro osobní vozy DI 4 ) Atmosférické motory pro osobní vozy DI 4 ) Přeplňované motory pro osobní vozy s chladičem plnicího vzduchu DI 4 ) Atmosférické motory pro užitkové vozy DI 4 ) Přeplňované motory pro užitkové vozy DI 4 ) Přeplňované motory pro užitkové vozy s chladičem plnicího vzduchu Stavební a zemědělské stroje Lokomotivy Lodě (4dobé) Lodě (dobé) Zážehové motory Atmosférické motory pro osobní vozy Přeplňované motory pro osobní vozy Užitkové vozy Tabulka ) Ze středního tlaku pe lze podle následujícího vzorce vypočítat specifický točivý moment Mspec. [Nm] 5 Mspez. = p pe ) Nejlepší spotřeba 3 ) IDI Indirect Injection (komůrkové motory) 4) DI Direct Injection (motory s přímým vstřikem)

9 8 Základy vznětového motoru Způsob činnosti Základy vznětového motoru Vznětový motor je motor se samovznícením s vnitřní tvorbou směsi. Vzduch potřebný pro spalování je ve spalovacím prostoru silně stlačen. Při tom vznikají vysoké teploty, při nichž se vstřikované palivo samo vznítí. Chemická energie obsažená v palivu je vznětovým motorem přeměněna na mechanickou práci. Vznětový motor je spalovací motor s nejvyšší efektivní účinností (u velkých pomaloběžných motorů větší než 50%). S tím spojená nízká spotřeba paliva, spaliny s relativně nízkou úrovní škodlivin a především snížený hluk díky pilotnímu vstřiku dopomohly vznětovému motoru k velkému rozšíření. Vznětový motor je obzvláště vhodný pro přeplňování. To zvyšuje nejen výkon a zlepšuje účinnost, nýbrž navíc snižuje škodliviny ve spalinách a hluk spalování. K redukci emisí NO X u osobních a užitkových vozidel se do sacího traktu motoru zpětně přivádí část spalin (zpětné vedení spalin, recirkulace spalin). Pro získání ještě nižších emisí NO X lze zpětně přiváděné spaliny chladit. Vznětové motory mohou pracovat jak na dobém, tak na 4 dobém principu. V automobilech se používají hlavně 4 dobé motory. Způsob činnosti Vznětový motor obsahuje jeden nebo více válců. Hořením směsi vzduchu s palivem je poháněn píst (obr., pozice 3) příslušného válce (5) a provádí periodický pohyb nahoru a dolů. Podle tohoto principu činnosti byl motor pojmenován jako pístový motor. Ojnice () převádí zdvihy pístů na rotační pohyb klikového hřídele (4). Setrvačník (5) na klikovém hřídeli vyrovnává pohyb a snižuje nerovnoměrnost otáčení, vznikající působením hoření na jednotlivé písty. Otáčky klikového hřídele jsou též nazývány otáčkami motoru. Čtyřválcový vznětový motor bez pomocných agregátů (schéma) Obrázek Vačkový hřídel Ventily 3 Píst 4 Vstřikovací systém 5 Válec 6 Recirkulace spalin 7 Sací potrubí 8 Dmychadlo (zde turbodmychadlo) 9 Výfukové potrubí 0 Chladicí systém Ojnice Mazací systém 3 Blok motoru 4 Klikový hřídel 5 Setrvačník SMM0608Y

10 Základy vznětového motoru Způsob činnosti 9 Pracovní cyklus čtyřdobého vznětového motoru a b c d 0 Obrázek a sání b komprese c expanze d výfuk V h d s HÚ DÚ V c Vačkový hřídel sacích ventilů Vstřikovací tryska 3 Sací ventil 4 Výfukový ventil 5 Spalovací prostor 7 6 Píst 8 9 a M UMM003-3Y 7 Stěna válce 8 Ojnice 9 Klikový hřídel 0 Vačkový hřídel výfukových ventilů Čtyřdobý proces U čtyřdobého vznětového motoru (obr. ) řídí ventily pro výměnu plynu výměnu vzduchu a spalin. Otvírají nebo zavírají sací a výfukové kanály k válcům. Pro každý sací respektive výfukový kanál mohou být použity jeden nebo dva ventily.. doba: sání (a) Vycházejíc z horní úvrati (HÚ), pohybuje se píst (6) dolů a zvětšuje objem ve válci. Otevřeným sacím ventilem (3) proudí vzduch bez předřazené škrticí klapky do válce. V dolní úvrati (DÚ) dosahuje objem válce své maximální hodnoty (V h + V c ). 3. doba: expanze (pracovní doba) (c) Po uplynutí průtahu vznícení (několik stupňů úhlu otočení klikového hřídele) začíná pracovní doba (expanze). Jemně rozprášené palivo se samo vznítí ve vysoce stlačeném horkém vzduchu ve spalovacím prostoru (5) a shoří. Tím se dále zahřívá náplň válce a tlak ve válci ještě narůstá. Energie uvolněná hořením je v podstatě určena hmotností vstřikovaného paliva (kvalitativní regulace). Tlak žene píst dolů, chemická energie se převádí na energii pohybovou. Klikový mechanismus převádí pohybovou energii pístu na točivý moment, jenž je pak k dispozici na klikovém hřídeli. a Úhel natočení klikového hřídele d Vrtání M Točivý moment s Zdvih pístu Vc Kompresní objem Vh Zdvihový objem HÚ Horní úvrať DÚ Dolní úvrať. doba: komprese (b) Ventily pro výměnu plynu jsou nyní zavřeny. Vzhůru stoupající píst stlačuje (komprimuje) vzduch uzavřený ve válci v takové míře, jak odpovídá provedenému kompresnímu poměru (od 6: u velkých motorů do 4: u osobních vozů). Vzduch se při tom zahřívá na teplotu až 900 C. Na konci procesu stlačování vstřikuje vstřikovací tryska () palivo pod vysokým tlakem (v současnosti až 00 bar) do zahřátého vzduchu. V horní úvrati je dosaženo minimálního objemu (kompresní objem V c ). 4. doba: výfuk (d) Již krátce před dolní úvratí se otevírá výfukový ventil (4). Horké plyny, nacházející se pod tlakem, proudí z válce. Vzhůru stoupající píst vypuzuje zbývající spaliny. Po každých dvou otáčkách klikového hřídele začíná sáním nový pracovní cyklus.

11 0 Základy vznětového motoru Způsob činnosti Obrázek 3 HÚ Horní úvrať pístu DÚ Dolní úvrať pístu Bild 4 VO výfuk otevírá VZ výfuk zavírá PH počátek hoření SO sání otevírá SZ sání zavírá OV okamžik vstřiku HÚ horní úvrať pístu DÚ dolní úvrať pístu Překrytí ventilů Časování ventilového rozvodu Vačky na sacím a výfukovém vačkovém hřídeli otvírají a zavírají ventily pro výměnu plynu. U motorů s jen jedním vačkovým hřídelem se zdvihy vaček přenáší na ventily pákovým mechanismem. Časování rozvodu udává časy otvírání a zavírání ventilů, vztažené na polohu klikového hřídele (obr. 4). Udávají se proto ve stupních úhlu otočení klikového hřídele. Klikový hřídel pohání vačkový hřídel pomocí ozubeného řemenu (případně řetězu nebo ozubených kol). Pracovní cyklus obsahuje u čtyřdobého procesu dvě otáčky 3 Nárůst teploty při kompresi C 900 Teplota ve válci 40 HÚ 4 Časování ventilového rozvodu ve stupních otočení klikového hřídele čtyřdobého vznětového motoru 0 88 komprese výfuk SZ OV HÚ PH SO Zápalná teplota paliva vznětového motoru (708) Zdvih pístu S V DÚ VZ sání expanze VO DÚ SMM0609D UMM060D klikového hřídele. Otáčky vačkového hřídele jsou proto jen poloviční vůči otáčkám klikového hřídele. Převodový poměr mezi klikovým a vačkovým hřídelem je tedy :. Při přechodu mezi dobou výfuku a sání jsou v určitém rozsahu úhlů současně otevřené ventily sací i výfukové. Tímto překrytím ventilů se vyplachuje zbytek spalin a současně se válec chladí. Stlačení (komprese) Ze zdvihového objemu Vh a kompresního objemu Vc vyplývá kompresní poměr «: V h + V c «= V c Komprese motoru má rozhodující vliv na chování při studeném startu, vytvářený točivý moment, spotřebu paliva, emise hluku emise škodlivin. Kompresní poměr «dosahuje u vznětových motorů pro osobní a užitková vozidla podle konstrukce motoru a typu vstřikování hodnot «= 6 : 4:. komprese je tedy větší než u zážehových motorů («= 7: 3 :). Kvůli omezené odolnosti benzínu proti klepání by se tak při velkém kompresním poměru a z toho plynoucí vysoké teplotě ve spalovacím prostoru směs vzduchu s palivem samovolně a nekontrolovaně vzněcovala. Vzduch se ve vznětovém motoru stlačuje na barů (atmosférický motor) respektive na barů (přeplňovaný motor). Při tom vznikají teploty v rozsahu C (obr. 3). Zápalná teplota pro nejsnáze vznětlivé složky paliva je asi 50 C.

12 Základy vznětového motoru Točivý moment a výkon Točivý moment a výkon Točivý moment Ojnice převádí zdvihy pístů na rotační pohyb klikového hřídele. Síla, s níž rozpínající se směs vzduchu a paliva žene píst směrem dolů, je tak prostřednictvím ramene páky klikového hřídele převáděna na točivý moment. Točivý moment M, odevzdávaný motorem, závisí na středním tlaku p e (střední tlak pístu, respektive střední pracovní tlak). Platí: M = p e V H / (4 p) kde V H je zdvihový objem motoru a p 3,4. Střední tlak dosahuje u přeplňovaných malých vznětových motorů pro osobní vozy hodnot 8 barů. Pro porovnání: zážehové motory dosahují hodnot 7 barů. Výkon Motorem odevzdávaný výkon P (vytvořená práce za čas) závisí na točivém momentu M a otáčkách n. Výkon motoru roste s otáčkami, až dosáhne při jmenovitých otáčkách n jmen své jmenovité hodnoty P jmen, představující maximum výkonu. Platí vztah: P = p n M Obrázek a ukazuje porovnání vznětových motorů z roků výroby 968 a 998 a jejich typický průběh výkonu v závislosti na otáčkách. Kvůli nižším maximálním otáčkám mají vznětové motory nižší výkon vztažený na zdvihový objem než motory zážehové. Moderní vznětové motory pro osobní vozidla dosahují jmenovitých otáček min. Maximální dosahovaný točivý moment M max, který je motor schopen dodat, je určen konstrukcí motoru (zdvihový objem, přeplňování atd.). Přizpůsobení točivého momentu požadavkům jízdního provozu se v zásadě provádí změnou hmotnosti vzduchu a paliva a rovněž tvorbou směsi. Točivý moment s rostoucími otáčkami n narůstá až do maximálního točivého momentu M max (obr. ). Při vyšších otáčkách se točivý moment zase snižuje (maximální přípustné namáhání motoru, požadované jízdní chování, konstrukce převodovky). Vývoj v technice motorů směřuje k tomu, aby maximální točivý moment byl k dispozici již při nižších otáčkách v oblasti od méně než 000 min, neboť v tomto otáčkovém rozsahu je nejpříznivější spotřeba paliva a jízdní vlastnosti jsou vnímány jako příjemné (dobré chování při rozjíždění). Průběh točivého momentu a výkonu dvou vznětových motorů se zdvihovým objemem cca, l v závislosti na otáčkách motoru (příklad) a Výkon P b Točivý moment M kw P jmen P jmen 0 N m M max M max 00 n jmen min - Otáčky motoru n NMM0556-D Obrázek a Průběh výkonu b Průběh točivého momentu Rok výroby 968 Rok výroby 998 Mmax maximální točivý moment Pjmen jmenovitý výkon njmen jmenovité otáčky

13 Základy vznětového motoru Účinnost motoru Účinnost motoru Spalovací motor vykonává práci pomocí změn tlaku a objemu pracovního plynu (náplně válce). Efektivní účinnost motoru je poměr vložené energie (palivo) a využitelné práce. Vyplývá z tepelné účinnosti ideálního pracovního procesu (Seiligerův proces) a podílů ztrát reálného procesu. Seiligerův proces pro vznětový motor Seiligerův proces Seiligerův proces lze uvést jako termodynamický srovnávací proces pro pístový motor a popisuje za ideálních podmínek teoreticky využitelnou práci. Pro tento ideální proces jsou přijímána následující zjednodušení: ideální plyn jako pracovní médium plyn s konstantní měrnou tepelnou kapacitou žádné ztráty prouděním při výměně plynu Stav pracovního plynu lze popsat údajem tlaku (p) a objemu (V). Změny stavu se znázorňují v p-v diagramu (obr. ), přičemž uzavřená plocha odpovídá práci, vykonané za jeden pracovní cyklus. V Seiligerově procesu probíhají následující kroky: Izoentropická komprese (-) Při izoentropické kompresi (stlačování při konstantní entropii, tzn. bez výměny tepla) narůstá tlak ve válci, zatímco objem klesá. Izochorický přívod tepla (-3) Směs začíná hořet. Přívod tepla (q BV ) probíhá při konstantním objemu (izochoricky). Tlak se při tom zvyšuje. Izobarický přívod tepla (3-39) Další přívod tepla (q Bp ) se odehrává při konstantní tlaku (izobaricky), zatímco se píst pohybuje směrem dolů a objem narůstá. Izoentropická expanze (39-4) Píst se pohybuje dále směrem k dolní úvrati. Už se dále nekoná výměna tepla. Tlak klesá, zatímco objem narůstá. Obrázek - Izoentropická komprese -3 Izochorický přívod tepla 3-39 Izobarický přívod tepla 39-4 Izoentropická expanze 4- Izochorický odvod tepla HÚ Horní úvrať pístu DÚ Dolní úvrať pístu qa unikající teplo při p Tlak ve válci 3 q BV q Bp 3' W 4 q A Izochorický odvod tepla (4-) Při výměně plynu se vypuzuje zbylé teplo (q A ). To se děje při konstantní objemu (nekonečně rychle a úplně). Tím je opět dosaženo výchozího stavu a začíná nový pracovní cyklus p-v-diagram reálného procesu Aby bylo možné u reálného procesu stanovit vykonanou práci, měří se průběh tlaku ve válci a zobrazuje se v p-v-diagramu (obr. ). Plocha horní křivky odpovídá práci, vznikající na pístu válce. výměně plynů qbp spalné teplo při konstantním tlaku qbv spalné teplo při konstantním objemu W theoretische Arbeit HÚ DÚ V Objem válce SMM06D

14 Základy vznětového motoru Účinnost motoru 3 Reálný proces přeplňovaného vznětového motoru v p-v indikátorovém diagramu (zaznamenáno tlakovým snímačem) Tlak ve válci HÚ p Z PH p L VZ p U SO V c DÚ W M VO SZ W G V h Objem válce 3 Průběh tlaku přeplňovaného vznětového motoru v diagramu tlak klikový hřídel (p-a-diagram) Úhel klikového hřídele HÚ DÚ HÚ DÚ HÚ p Z Tlak ve válci PH p U SO SZ SO VZ VO VZ SMM063D SMM06D Obrázek VO výfuk otevírá VZ výfuk zavírá PH počátek hoření SO sání otevírá SZ sání zavírá HÚ horní úvrať pístu DÚ dolní úvrať pístu pu tlak okolního vzduchu pl plnicí tlak pz maximální tlak ve válci Vc kompresní objem Vh zdvihový objem WM indikovaná práce WG práce při výměně plynů (dmychadlo) Obrázek 3 VO výfuk otevírá VZ výfuk zavírá PH počátek hoření SO sání otevírá SZ sání zavírá HÚ horní úvrať pístu DÚ dolní úvrať pístu pu tlak okolního vzduchu pl plnicí tlak pz maximální tlak ve válci

15 4 Základy vznětového motoru Účinnost motoru K tomu musí být u přeplňovaných motorů přičtena plocha výměny plynu (W G ), neboť vzduch stlačený dmychadlem tlačí píst ve směru k dolní úvrati. Ztráty způsobené výměnou plynu jsou v mnoha provozních bodech překompenzovány dmychadlem, takže vzniká kladný příspěvek k vykonávané práci. Zobrazení tlaku v závislosti na úhlu otočení klikového hřídele (obr. 3, předchozí strana) nachází využití např. při termodynamické analýze průběhu tlaku. Účinnost Efektivní účinnost vznětového motoru je definována jako: he = kde W e WB W e je efektivně využitelná práce na klikovém hřídeli. W B je tepelná hodnota dodaného paliva. Efektivní účinnost h e lze vyjádřit jako součin termodynamické účinnosti ideálního procesu a dalších účinností, zohledňujících vlivy reálného procesu: h e = h th h g h b h m = h i h m h th : termická účinnost h th je termická účinnost Seiligerova procesu. Zohledňuje tepelné ztráty, vznikající v ideálním procesu a závisí v podstatě na kompresním poměru a vzdušném součiniteli. Jelikož vznětový motor oproti motoru zážehovému pracuje s vyšším kompresním poměrem a s vyšším přebytkem vzduchu, dosahuje větší účinnosti. h g : jakost h g gudává práci vytvořenou v reálném vysokotlakém pracovním procesu v poměru k teoretické práci Seiligerova procesu. Odchylky reálného procesu od ideálního jsou dány v podstatě použitím reálného pracovního plynu, konečnou rychlostí přívodu a odvodu tepla, polohou přívodu tepla, tepelnými ztrátami na stěnách a ztrátami prouděním při výměně náplně. h b : stupeň využití paliva h b zohledňuje ztráty, které vznikají kvůli nedokonalému spalování směsi ve válci. h m : mechanická účinnost h m zahrnuje ztráty vzniklé třením a ztráty kvůli pohonu vedlejších agregátů. Ztráty vzniklé třením a hnací ztráty narůstají s otáčkami. Ztráty vzniklé třením se skládají při jmenovitých otáčkách následovně: písty a pístní kroužky (cca. 50%), ložiska (cca. 0%), olejové čerpadlo (cca. 0%), čerpadlo chladicí kapaliny (cca. 5%), pohon ventilů (cca. 0%), vstřikovací čerpadlo (cca. 5%). Přičteno musí být též mechanické dmychadlo. h i : indikovaná účinnost Indikovaná účinnost udává poměr indikované práce, vznikající na pístu ve válci, k tepelné hodnotě dodaného paliva. Efektivně využitelná práce W e na klikovém hřídeli vychází z indikované práce se zohledněním mechanických ztrát: W e = W i h m.

16 Základy vznětového motoru Provozní stavy 5 Provozní stavy Start Startování motoru zahrnuje procesy: roztáčení, zapálení a rozběh motoru k samotnému chodu. Vzduch zahřátý v kompresním zdvihu musí zapálit vstříknuté palivo (začátek hoření). Potřebná minimální teplota vznícení pro palivo vznětového motoru je cca. 50 C. Tato teplota musí být dosažena i v nepříznivých podmínkách. Nízké otáčky, nízké venkovní teploty a studený motor vedou k poměrně nízké teplotě na konci komprese, neboť: čím nižší jsou otáčky motoru, tím nižší je konečný kompresní tlak a tomu také odpovídající konečná teplota (obr. ). Příčinou toho jsou ztráty v důsledku netěsnosti, vznikající v mezerách pístních kroužků mezi pístem a stěnou válce. Jsou způsobeny tím, že na počátku ještě chybí tepelná roztažnost a rovněž není ještě vytvořen olejový film. Kvůli tepelným ztrátám během stlačování leží maximum kompresní teploty několik stupňů před HÚ (termodynamický ztrátový úhel, obr. ). u studeného motoru vznikají během kompresní doby větší tepelné ztráty povrchem spalovacího prostoru. U komůrkových motorů (IDI) jsou tyto ztráty kvůli většímu povrchu obzvláště vysoké. tření v hnacím ústrojí je při nízkých teplotách kvůli vyšší viskozitě motorového oleje vyšší než při provozní teplotě. Z tohoto důvodu a též kvůli nízkému napětí akumulátoru se dosahuje jen relativně malých otáček spouštěče. za studena jsou otáčky spouštěče obzvlášť nízké kvůli klesajícímu napětí akumulátoru. Pro zvýšení teploty ve válci během fáze startování se podnikají následující opatření: Tlak a teplota na konci komprese v závislosti na otáčkách motoru Kompresní teplota v závislosti na úhlu otočení klikového hřídele bar 8C a t Kompresní tlak p c Teplota na konci komprese t c C 00 p c t c Otáčky motoru n min UMK079-D Kompresní teplota t Z t a 08 C t a 08 C KW Úhel otočení klikového hřídele před HÚ UMK0794-D Obrázek ta okolní teplota tz teplota vznícení paliva vznětového motoru at termodynamický ztrátový úhel n 00 min

17 6 Základy vznětového motoru Provozní stavy Ohřívání paliva Ohříváním palivového filtru nebo přímým ohříváním paliva (obr. 3) lze zabránit vylučování krystalů parafínu při nízkých teplotách (ve fázi startování a při nízkých venkovních teplotách). 3 Topný člen k ohřátí paliva Systémy pomoci při startování U motorů s přímým vstřikováním (DI) pro osobní vozidla a u komůrkových motorů všeobecně se ve fázi startování směs vzduchu s palivem ve spalovacím prostoru (respektive v předkomůrce nebo vířivé komůrce) ohřívá pomocí žhavicích svíček. U motorů s přímým vstřikováním pro užitková vozidla se předehřívá nasávaný vzduch. Oba systémy pomoci při startování slouží ke zlepšení odpařování paliva a k přípravě směsi a tím spolehlivému vzplanutí směsi vzduchu s palivem. Žhavicí svíčky novější generace potřebují jen dobu předžhavení několik sekund (obr. 4) a umožňují tak rychlý start. Nižší teplota dožhavení dovoluje kromě toho delší časy dožhavení. Tím se ve fázi zahřívání motoru redukují jak emise škodlivin tak i emise hluku. Obrázek 3 Palivová nádrž Topný člen 3 Palivový filtr 4 Vstřikovací čerpadlo Obrázek 4 Materiál regulační spirály: Nikl (běžná kolíková žhavicí svíčka S-RSK) Slitina CoFe (žhavicí svíčka generace GLP) 3 4 Průběh teploty dvou žhavicích svíček na klidném vzduchu Teplota T 8C Čas t s UMK079-Y UMS0665-D Přizpůsobení vstřiku Opatřením k podpoře startu je přidání větší startovací dávky paliva pro kompenzaci kondenzačních ztrát a ztrát z důvodu netěsnosti na studeném motoru a ke zvětšení momentu motoru ve fázi rozběhu. Nastavení dřívějšího počátku vstřiku během fáze zahřívání slouží ke kompenzaci většího zpoždění zapálení při nízkých teplotách a k zajištění zapálení v oblasti horní úvrati, tzn. při nejvyšší kompresní teplotě. Optimální počátek vstřiku musí být dosahován s úzkou tolerancí. Palivo vstřikované příliš brzy má kvůli ještě příliš nízkému vnitřnímu tlaku ve válci (kompresní tlak) větší hloubku vniku a sráží se na chladných stěnách válce. Tak se odpaří jen v nepatrné míře, neboť v tomto okamžiku je ještě nízká teplota náplně válce. Při příliš pozdním vstřikování paliva nastává zapálení až v expanzním zdvihu, a píst je už jen málo zrychlován nebo dochází k výpadkům spalování.

18 Základy vznětového motoru Provozní stavy 7 Nulové zatížení Nulové zatížení označuje všechny provozní stavy motoru, v nichž motor překonává jen svoje vnitřní tření. Neodevzdává žádný točivý moment. Poloha plynového pedálu může být libovolná. Jsou možné všechny oblasti otáček až po přeběhové otáčky. Volnoběh Volnoběh označuje nejnižší otáčky s nulovým zatížením. Plynový pedál při tom není sešlápnutý. Motor neodevzdává žádný točivý moment, překonává jen vnitřní tření. V některých zdrojích je jako volnoběh označována celá oblast nulového zatížení. Horní otáčky s nulovým zatížením (přeběhové otáčky) jsou pak nazývány horními volnoběžnými otáčkami. Plné zatížení Při plném zatížení je plynový pedál zcela sešlápnutý nebo je řízením motoru regulováno omezení dávky paliva při plném zatížení v závislosti na provozním bodu. Je vstřikováno maximálně možné množství paliva a motor stacionárně (beze změn) odevzdává svůj maximální točivý moment. Nestacionárně (s omezením plnicího tlaku) odevzdává motor s ohledem na vzduch, kterým je plněn, maximálně možný (nižší) točivý moment při plném zatížení. Jsou možné všechny oblasti otáček od volnoběžných až po jmenovité otáčky. Částeční zatížení Částečné zatížení zahrnuje všechny oblasti mezi nulovým zatížením a plným zatížením. Motor odevzdává točivý moment mezi nulou a maximálním možným točivým momentem. Spodní oblast částečného zatížení V této pracovní oblasti jsou zvláště příznivé hodnoty spotřeby v porovnání se zážehovým motorem. Dříve vytýkané klepání, hlučný chod zvláště u studeného motoru se u motorů s předvstřikem už prakticky nevyskytuje. Při nízkých otáčkách jak je popsáno v odstavci Start a nízkém zatížení se konečná kompresní teplota snižuje. V porovnání s plným zatížením je spalovací prostor relativně studený (i u motoru zahřátém na provozní teplotu), jelikož přísun energie a tím i teploty jsou nízké. Po studeném startu se spalovací prostor při nízkém částečném zatížení jen pomalu zahřívá. To platí zejména pro motory s předkomůrkou a vířivou komůrkou, neboť u nich jsou obzvláště vysoké tepelné ztráty kvůli velké ploše. Při nízkém zatížení a při pilotním vstřiku se dávkuje jen několik málo mm 3 paliva na vstřik. V takovém případě jsou kladeny zvláště vysoké požadavky na přesnost počátku vstřiku a vstřikovaného množství. Podobně jako při startování vzniká i při volnoběhu potřebná spalovací teplota jen v malém rozsahu zdvihu pístu u horní úvrati. Počátek vstřiku je proto nastaven velmi přesně. Během fáze průtahu vznícení se smí vstřikovat jen málo paliva, neboť palivo přítomné ve spalovacím prostoru v okamžiku zapálení rozhoduje o náhlém nárůstu tlaku ve válci. Čím je vyšší, tím hlučnější je spalování. Pilotní vstřik o velikosti cca. mm 3 (pro osobní vozidla) snižuje zpoždění zapálení hlavního vstřiku téměř na nulu a tím podstatně snižuje hluk spalování.

19 8 Základy vznětového motoru Provozní stavy 5 Vstřikované množství v závislosti na otáčkách a poloze pedálu plynu (příklad) mm 3 zdvih Startovací množství Požadavek výkonu Linie plného zatížení Vstřikované množství Q H B A C D 70% 50% 40% Odstavení n A n D Otáčky motoru n 0% min SMK876D Decelerace V deceleraci je motor poháněn zvenku prostřednictvím hnací soustavy (např. při jízdě z kopce). Nevstřikuje se žádné palivo (decelerační vypnutí). Stacionární provoz Točivý moment odevzdávaný motorem odpovídá požadovanému točivému momentu, danému polohou plynového pedálu. Otáčky zůstávají konstantní. Nestacionární provoz Točivý moment odevzdávaný motorem neodpovídá požadovanému točivému momentu. Otáčky se mění. Přechod mezi provozními stavy Mění-li se zatížení, otáčky motoru nebo poloha plynového pedálu, mění motor svůj provozní stav (např. otáčky motoru, točivý moment). Chování motoru lze popsat pomocí polí charakteristik. Pole charakteristik na obrázku 5 ukazuje na příkladu, jak se mění otáčky motoru, když se mění poloha pedálu plynu z 40% na 70%. Vyjde-li se z provozního bodu A, dosáhne se přes plné zatížení (B-C) nového provozního bodu D s částečným zatížením. V tomto bodě je požadavek výkonu a výkon odevzdávaný motorem stejný. Otáčky se při tom zvýší z n A na n D.

20 Základy vznětového motoru Provozní stavy 9 Provozní podmínky U vznětového motoru se palivo vstřikuje přímo do silně stlačeného horkého vzduchu, od nějž se samo zapaluje. Z tohoto důvodu a kvůli heterogenní (různorodé) směsi vzduchu a paliva na rozdíl od zážehového motoru není vznětový motor vázán na hranice zápalnosti směsi (tzn. určité hodnoty vzdušného součinitele l). Proto je výkon motoru při konstantním množství vzduchu ve válci regulován jen množstvím paliva. Vstřikovací systém musí převzít dávkování paliva a rovnoměrné rozdělení v celé náplni a to při všech otáčkách a zatíženích a rovněž v závislosti na tlaku a teplotě nasávaného vzduchu. Každý provozní bod tak vyžaduje správné množství paliva, ve správném okamžiku, se správným tlakem, ve správném časovém průběhu a na správném místě spalovacího prostoru. Při dávkování paliva musí být zohledněny kromě požadavků na optimální tvorbu směsi též provozní hranice jako např.: hranice škodlivin (např. hranice kouřivosti), hranice špičkového tlaku spalování, hranice teploty spalin, hranice otáček a plného zatížení hranice zatížení specifické pro vozidlo a těleso/skříň výškové hranice / hranice plnicího tlaku. Hranice kouřivosti Legislativa předepisuje mezní hodnoty mezi jiným pro emise částic a pro kouřivost. Jelikož tvorba směsi probíhá z velké části až během spalování, dochází k nadměrným lokálním koncentracím paliva a tím částečně také při středním přebytku vzduchu k nárůstu emisí sazí (pevných částic). Provozně použitelný poměr vzduchu a paliva na zákonem stanovené hranici kouřivosti při plném zatížení je mírou kvality využití vzduchu. Hranice tlaku spalování Během procesu zapálení hoří částečně odpařené a se vzduchem smíchané palivo při velkém stlačení s vysokou rychlostí a vysokou první špičkou uvolnění energie. Mluví se proto o tvrdém spalování. Při tom vznikají vysoké špičkové tlaky spalování a vznikající síly způsobují periodicky se Vstřikované množství paliva v závislosti na otáčkách a zatížení s dodatečnou korekturou na teplotu a atmosférický tlak mm 3 zdvih Start Plné zatížení Přeplňovaný motor Vstřikované množství Q Volnoběh Korekce na atmosférický tlak Korekce na teplotu Přizpůsobení Otáčky motoru n Atmosférický motor Odstavení min UMK0788-D

21 0 Základy vznětového motoru Provozní stavy měnící zatížení konstrukčních součástí. Dimenzováním a trvanlivostí komponent motoru a hnacího systému je tak omezen přípustný tlak spalování a tím vstřikované množství. Prudkému nárůstu tlaku spalování se zabraňuje většinou pomocí pilotního vstřiku. Hranice teploty spalin Vysoké termické zatěžování konstrukčních součástí motoru, obklopujících horký spalovací prostor, tepelná odolnost výfukových ventilů, výfukové soustavy a hlavy válců, to vše jsou faktory, určující hranici teploty spalin vznětového motoru. Hranice otáček Kvůli existujícímu přebytku vzduchu u vznětového motoru závisí výkon při konstantních otáčkách v podstatě na vstřikovaném množství paliva. Je-li vznětovému motoru dodáno palivo, aniž by se snížil odpovídající točivý moment, rostou otáčky motoru. Není-li omezen přívod paliva před překročením kritických otáček, motor se splaší, nekontrolovaně se vytočí, což znamená, že se může sám zničit. Proto je u vznětového motoru nezbytně nutné omezení respektive regulace otáček. Vývoj vznětových motorů pro osobní vozidlo střední třídy Varianty motoru Točivý moment největšího motoru [Nm] Točivý moment nejmenšího motoru [Nm] 0 Jmenovitý výkon největšího motoru [kw] Jmenovitý výkon nejmenšího motoru [kw] Rok výroby NMM066D U vznětového motoru jako pohonu silničních vozidel musí být otáčky volitelné řidičem pomocí pedálu plynu. Při zatížení motoru nebo uvolnění pedálu plynu nesmí otáčky motoru klesnout pod hranici volnoběhu, kdy by se motor zastavil. K tomu účelu se používá regulátor volnoběhu a maximálních otáček. Otáčky v oblasti mezi volnoběžnými a maximálními jsou regulovány polohou plynového pedálu. Od vznětového motoru jako pohonu stroje se očekává, že i nezávisle na zatížení budou udrženy určité konstantní otáčky, respektive zůstanou v přípustných mezích. Ke splnění tohoto požadavku se používají variabilní regulátory, které regulují v celém otáčkovém rozsahu. Pro provozní oblast motoru lze stanovit pole charakteristik. Toto pole charakteristik (obr. na předchozí straně) ukazuje množství paliva v závislosti na otáčkách a zatížení a též potřebné korekce na teplotu a tlak vzduchu. Výškové hranice / hranice plnicího tlaku Dimenzování dávek paliva se obvykle provádí pro nadmořskou výšku. Provozuje-li se motor ve velkých výškách nad mořem, musí se množství paliva odpovídajícím způsobem přizpůsobit poklesu tlaku vzduchu, aby byla dodržena hranice kouřivosti. Podle výškoměrné rovnice platí jako směrná hodnota snížení hustoty vzduchu 7% na 000m výšky. U přeplňovaných motorů je plnění válců v dynamickém provozu často nižší než v provozu stacionárním. Jelikož je maximální dávka paliva dimenzována pro stacionární provoz, musí se v dynamickém provozu snížit, aby odpovídala sníženému množství vzduchu (plné zatížení omezené plnicím tlakem).

22 Základy vznětového motoru Vstřikovací systém Vstřikovací systém Nízkotlaká část palivového systému čerpá palivo z nádrže a s určitým podávacím tlakem je dává k dispozici vstřikovacímu systému. Vstřikovací čerpadlo vytváří potřebný tlak paliva pro vstřikování. U většiny systémů se palivo dostává vysokotlakým potrubím ke vstřikovací trysce a s tlakem barů na výstupu trysky se vstřikuje do spalovacího prostoru. Výkon odevzdávaný motorem, ale též hluk spalování a složení spalin jsou významnou měrou ovlivňovány vstřikovanou dávkou paliva, okamžikem vstřiku a průběhem vstřiku respektive průběhem spalování. Až do 80.let dvacátého století bylo v motorech vozidel regulováno vstřikování, tzn. vstřikované množství paliva a počátek vstřiku, výlučně mechanicky. Vstřikované množství bylo podle zatížení a otáček měněno regulační hranou pístu nebo šoupátkem. Počátek vstřiku byl u mechanických čerpadel přestavován odstředivým regulátorem nebo hydraulicky pomocí tlakového řízení. V současnosti se v maximálním rozsahu prosadila elektronická regulace, a to nejen u vozidel. Elektronická regulace vznětového motoru (EDC, Electronic Diesel Control) při výpočtu vstřikování zohledňuje rozličné veličiny jako otáčky motoru, zatížení, teplotu, nadmořskou výšku atd. Regulace počátku vstřiku a množství vstřikovaného paliva je prováděna pomocí magnetických ventilů a je podstatně přesnější než mechanická regulace. Řády veličin vstřikování Motor s výkonem 75 kw (0 k) a měrnou spotřebou paliva 00 g/kwh (plné zatížení) spotřebuje 5 kg paliva za hodinu. U čtyřdobého 4válcového motoru se množství paliva při otáčkách 400 min - rozděluje na vstřiků. Z toho vychází na jeden vstřik objem paliva cca 60 mm 3. Dešťová kapka má pro porovnání objem cca 30 mm 3. Vstřikovací systém musí jednak provádět přesné dávkování pro válec a rovněž musí zajistit rovnoměrné rozdělení paliva k jednotlivým válcům motoru. Elektronická regulace (EDC) přizpůsobuje vstřikované množství každému válci, aby se tak docílilo co nejrovnoměrnějšího chodu motoru. Ještě vyšší přesnost dávkování vyžaduje volnoběh s hodnotou cca. 5 mm 3 paliva na vstřik a pouze mm 3 na pilotní vstřik. Už nejmenší odchylky působí negativně na klid chodu motoru a na emise hluku a škodlivin.

23 Základy vznětového motoru Spalovací prostory Spalovací prostory Tvar spalovacího prostoru spolurozhoduje o kvalitě spalování a tím o výkonu a emisním chování vznětového motoru. Tvar spalovacího prostoru při vhodném uzpůsobení může s pomocí pohybu pístu vytvářet vířivé, vytěsňující (sekundární) a turbulentní proudění, které lze využít k rozdělení kapalného paliva nebo paprsku, tvořeného vzduchem a parami paliva, ve spalovacím prostoru. Využívají se následující metody: nedělený spalovací prostor (Direct Injection Engine, DI, motory s přímým vstřikováním) a dělený spalovací prostor (Indirect Injection Engine, IDI, komůrkové motory). Podíl motorů DI se díky jejich příznivější spotřebě paliva neustále zvětšuje (až 0% úspora paliva). Tvrdší hluk spalování (především při zrychlení) lze snížit na úroveň komůrkových motorů použitím pilotního vstřiku. Při vývoji novinek už motory s dělenými spalovacími prostory téměř nepřicházejí v úvahu. Metoda přímého vstřiku 3 Nedělený spalovací prostor (metoda přímého vstřikování) Motory s přímým vstřikováním (obr. ) mají vyšší účinnost a pracují hospodárněji než komůrkové motory. Používají se proto u všech užitkových vozidel a u většiny novějších osobních vozidel. U přímého vstřikování se palivo vstřikuje přímo do spalovacího prostoru, vytvořeného ve dně pístu (prohlubeň v pístu, ). Rozprášení, zahřátí, odpaření a smíchání paliva se vzduchem musí proto nastávat krátce po sobě. Při tom jsou kladeny vysoké nároky na přívod paliva a vzduchu. Během sání a komprese se díky zvláštnímu tvaru sacího kanálu v hlavě válců tvoří ve válci vzduchový vír. Také tvarování spalovacího prostoru přispívá k pohybu vzduchu na konci kompresního zdvihu (tj. na počátku vstřikování). Z tvarů spalovacího prostoru, které se používaly v průběhu vývoje vznětových motorů, nachází v současnosti nejširší použití prohlubeň v pístu ve tvaru v. Vedle dobrého rozvíření vzduchu musí být i palivo přiváděno rovnoměrně prostorově rozdělené, aby se docílilo rychlého smíchání. U přímého vstřikování se používá víceotvorová tryska, u níž je poloha paprsku optimalizována tak, aby byla sladěna s konstrukcí spalovacího prostoru. Vstřikovací tlak u přímého vstřikování je velmi vysoký (až 00 barů). V praxi jsou u přímého vstřikování používány dvě metody: podpora přípravy směsi cíleným pohybem vzduchu a ovlivnění přípravy směsi téměř výhradně vstřikováním paliva, přičemž se z velké části nebere ohled na pohyb vzduchu Obrázek Víceotvorová tryska Prohlubeň v pístu ve tvaru v 3 Kolíková žhavicí svíčka UMK035-Y

24 Základy vznětového motoru Spalovací prostory 3 V druhém případě se nevynakládá žádná práce k rozvíření vzduchu, což se projevuje nízkou ztrátou při výměně plynu a lepším plněním. Současně ale jsou značně vyšší nároky na vstřikovací výbavu, co se týče polohy vstřikovací trysky, počtu otvorů trysky, jemnosti rozprášení paliva (závislé na průměru vstřikovacích otvorů) a velikosti vstřikovacího tlaku, aby bylo dosaženo potřebné krátké doby vstřiku a dobré tvorby směsi. Dělený spalovací prostor (nepřímé vstřikování) Vznětové motory s děleným spalovacím prostorem (komůrkové motory) měly dlouho výhody v emisích hluku a škodlivin oproti motorům s přímým vstřikováním. Byly proto používány u osobních a lehkých užitkových vozidel. Dnes však motory s přímým vstřikováním díky vysokému vstřikovacímu tlaku, elektronické regulaci a pilotnímu vstřiku pracují úsporněji než komůrkové motory a mají srovnatelné emise hluku. Proto se již komůrkové motory v současném vývoji vozidel nepoužívají. U děleného spalovacího prostoru se rozlišují dvě metody: metoda s předkomůrkou a metoda s vířivou komůrky. Metoda s předkomůrkou U metody s předkomůrkou se palivo vstřikuje do horké předkomůrky, umístěné v hlavě válců (obr., pozice ). Vstřikování při tom probíhá čepovou tryskou () pod relativně nízkým tlakem (do 450 barů). Speciálně uzpůsobená odrazná ploška (3) uprostřed komůrky rozděluje dopadající paprsek a intenzivně jej smíchává se vzduchem. Spalování, nastávající v předkomůrce, žene částečně shořelou směs paliva se vzduchem proudovým kanálem (4) do hlavního spalovacího prostoru. Tam probíhá během dalšího spalování intenzivní směšování s přítomným vzduchem. Poměr objemu předkomůrky a hlavního spalovacího prostoru je asi :. Krátký průtah vznícení ) a odstupňované uvolňování energie vede k měkkému spalování s nízkou tvorbou hluku a zatížením motoru. ) Čas od počátku vstřiku k počátku vznícení Metoda s předkomůrkou Změněný tvar předkomůrky s odpařovací prohlubní a také změněný tvar a poloha odrazné plošky (kuličkový kolík) způsobují vzduchu, proudícímu při stlačování z válce do předkomůrky, stanovenou rotaci. Palivo je vstřikováno pod úhlem 5 vůči ose předkomůrky UMK033-Y Aby nerušila průběh spalování, je kolíková žhavicí svíčka (5) umístěna ve spodním proudu vzduchu. Řízené dožhavení až do minuty po studeném startu (závislé na teplotě chladicí kapaliny) přispívá ke zlepšení emisí a snížení hluku ve fázi zahřívání. Obrázek Vstřikovací tryska Předkomůrka 3 Odrazná ploška 4 Proudový kanál 5 Kolíková žhavicí svíčka

25 4 Základy vznětového motoru Spalovací prostory Metoda vířivé komůrky U této metody se hoření zahajuje rovněž ve vedlejším prostoru (vířivá komůrka), majícím cca. 60% kompresního objemu. Vířivá komůrka kulovitého nebo kotoučovitého tvaru je spojena s prostorem válce prostřednictvím tangenciálně vyúsťujícího vystřelovacího kanálu (obr. 3, pozice ). Během doby komprese je kanálem vstupující vzduch uváděn do rotačního pohybu. Palivo se vstřikuje tak, aby pronikalo vírem kolmo k jeho ose a vystupovalo na protilehlé straně komůrky v horké stěnové zóně. Je důležité, aby tvorba směsi probíhala co možná nejúplněji ve vířivé komůrce. Uzpůsobení vířivé komůrky, uspořádání a tvar paprsku trysky a také poloha žhavicí svíčky se musí pečlivě přizpůsobit motoru, aby bylo docíleno dobré přípravy směsi při všech otáčkách a stavech zatížení. Dalším požadavkem je rychlé ohřátí vířivé komůrky po studeném startu. Tím se snižuje průtah vznícení a vzniká nižší hluk spalování a při zahřívání nevznikají ve spalinách žádné nespálené uhlovodíky (modrý kouř). Obrázek 3 Vstřikovací tryska Tangenciální vystřelovací kanál 3 Kolíková žhavicí svíčka Na začátku spalování je směs vzduchu a paliva tlačena kanálem do prostoru válce a silně rozvířena se zbylým spalovacím vzduchem, který ještě zůstal ve válci. U metody s vířivou komůrkou jsou ztráty prouděním mezi hlavním spalovacím prostorem a vedlejší komůrkou nižší než u metody s předkomůrkou, neboť přepouštěcí průřez je větší. To vede k menším ztrátám škrcením s odpovídající výhodou pro vnitřní účinnost a spotřebu paliva. Hluk spalování je však vyšší než u metody s předkomůrkou. 3 Metoda s vířivou komůrkou 3 UMK034-Y Metoda M U způsobu přímého vstřikování na stěnu prohlubně ve dně pístu (metoda M, Muldenwandanlagerung) pro vznětové motory užitkových vozů a stacionární motory a též vícepalivové motory je palivo nízkým vstřikovacím tlakem vstřikováno jednopaprskovou tryskou cíleně na stěnu ve spalovacím prostoru. Zde se palivo odpařuje a je odnášeno vzduchem. Tato metoda tak využívá teplo stěny prohlubně k odpaření paliva. Při správném sladění pohybu vzduchu ve spalovacím prostoru lze docílit velmi homogenních směsí paliva se vzduchem s dlouhou dobou hoření, nízkým nárůstem tlaku a tím pádem tichým spalováním. Kvůli své nevýhodě co se týče spotřeby v porovnání s metodou přímého vstřikování, rozdělující vzduch, se již metoda M v současnosti nepoužívá. UMK0786-Y

26 Historie vstřikování nafty 5 Historie vstřikování nafty Na konci roku 9 začal u firmy Bosch vývoj vstřikovacího systému pro vznětové motory. Technické předpoklady byly příznivé: Bosch disponoval zkušenostmi se spalovacími motory, výrobní technika byla vysoce rozvinutá a především mohly být využity znalosti, které byly shromážděny při vývoji mazacích čerpadel. Přesto to byla od Bosche velká odvaha, neboť bylo nutno vyřešit mnoho úkolů. V roce 97 byla sériově vyrobena první vstřikovací čerpadla. Přesnost těchto čerpadel byla tehdy jedinečná. Čerpadla byla malá, lehká a umožňovala vysoké otáčky vznětového motoru. Tato řadová vstřikovací čerpadla byla od roku 93 používána v užitkových vozidlech a od roku 936 též ve vozidlech osobních. Vývoj vznětového motoru a vstřikovacích zařízení od té doby neustále pokračoval. V roce 96 dalo Boschem vyvinuté rotační vstřikovací čerpadlo s automatickým přesuvníkem vstřiku vznětovému motoru nový stimul. O více než dvě desetiletí později následovala elektronická regulace vznětového motoru, připravená firmou Bosch k sériové výrobě po dlouhém výzkumu. Stále přesnější dávkování nejmenších množství paliva přesně v pravém okamžiku a zvyšování vstřikovacího tlaku je trvalou výzvou pro vývojové pracovníky. To vede k mnoha novým inovacím v oblasti vstřikovacích systémů (viz obrázek). Ve spotřebě a využití paliva dnes stejně jako dříve vznětový motor představuje benchmark (tj. nastavuje měřítko). Nové vstřikovací systémy pomáhaly pozvednout další potenciál. Navíc se motory stávaly stále výkonnějšími, zatímco emise hluku a škodlivin se dále snižovaly! Milníky vstřikování nafty 97 První sériové řadové vstřikovací čerpadlo 96 První rotační vstřikovací čerpadlo VM s axiálním pístem 986 První elektronicky regulované rotační vstřikovací čerpadlo s axiálním pístem 994 První systém sdruženého vstřikovače UIS pro užitková vozidla 995 První systém sdruženého čerpadla 996 První rotační vstřikovací čerpadlo s radiálním pístem 997 První vstřikovací se společným zásobníkem Common Rail 998 První systém UIS pro osobní vozidla UMK753D

27 6 Paliva Palivo vznětového motoru Paliva Paliva pro vznětové motory se získávají postupnou destilací z ropy. Skládají se z velkého počtu jednotlivých uhlovodíků, které mají bod varu zhruba mezi 80 C a 370 C. Palivo vznětového motoru se vzněcuje v průměru při teplotě cca. 350 C (spodní hranice 0 C), což je velmi brzy v porovnání se zážehovým motorem (v průměru při teplotě 500 C). Palivo vznětového motoru (motorová nafta) K pokrytí rostoucí poptávky po palivech pro vznětové motory přidávají rafinerie ve stále větší míře do paliva vznětových motorů též konverzní produkty, tzn. komponenty tepelného a katalytického krakování. Získávají se z těžkého oleje štěpením velkých molekul. Kvalita a parametry Požadavky na paliva pro vznětové motory jsou v Evropě stanoveny normou EN 590. Nejdůležitější parametry ukazuje tabulka. Stanovení mezních hodnot má sloužit k zajištění hladkého jízdního provozu a limitování škodlivin. Jiné státy a regiony mají méně přísné palivové normy. Například americká norma pro paliva vznětových motorů ASTM D975 předepisuje méně kvalitativních kritérií a stanoví méně těsné mezní hodnoty. Též požadavky na paliva pro lodní a stacionární motory jsou daleko menší. Vysoce kvalitní palivo pro vznětový motor je charakterizováno následujícími znaky: vysoké cetanové číslo, relativně nízký konec destilace, hustota a viskozita s malým rozptylem, nízký obsah aromatických a obzvláště polyaromatických uhlíkových sloučenin a rovněž nízký obsah síry Pro dlouhou životnost a neměnnou funkci vstřikovacích systémů jsou kromě toho zvlášť důležité: Evropská norma EN 590: Vybrané požadavky na paliva vznětového motoru (při klimaticky závislých požadavcích uvedeny hodnoty pro mírné klima) Kritérium Parametr Jednotka Cetanové číslo 5 Cetanový index 46 CFPP ) v šesti sezónních třídách, max ) C Bod vzplanutí 55 C Hustota při 5 C kg/m 3 Viskozita při 40 C,00 4,50 mm /s Mazací schopnost 460 mm (průměr stopy opotřebení) Obsah síry 3 ) 350 (do ); 50 (s nízkým obsahem síry, ); 0 (bez síry, od 009) 4 ) mg/kg Obsah vody 00 mg/kg Celkové znečištění 4 mg/kg Obsah metylesteru mastných 5 kyselin Vol.-% Tabulka ) hraniční hodnota filtrovatelnosti ) určují jednotlivé státy, pro Německo 0-0 C 3) v Německu je palivo bez síry od roku 003 a v EU od roku 005 nabízeno plošně 4 ) návrh EU

28 Paliva Palivo vznětového motoru 7 dobrá mazací schopnost, žádný obsah volné vody a omezení znečištění částicemi Velmi vznětlivému n-hexadekanu (cetan) je přiřazeno cetanové číslo 00, nevznětlivému metylnaftalénu cetanové číslo 0. Cetanové číslo paliva vznětového motoru je určováno v normovaném jednoválcovém zkušebním motoru CFR ) s variabilním kompresním pístem. Při konstantním průtahu vznícení je zjišťován kompresní poměr. Srovnávací paliva z cetanu a a-metylnaftalénu (obr. ) jsou provozována při zjištěném kompresním poměru. Poměr míšení se mění tak dlouho, až se získá stejný průtah vznícení. Podle definice je podílem cetanu dáno cetanové číslo. Příklad: směs 5% cetanu a 48% a-metylnaftalenu má cetanové číslo 5. Pro optimální provoz moderních motorů (klid chodu, emise škodlivin) jsou žádoucí cetanová čísla větší než 50. Kvalitní paliva pro vznětové motory obsahují vysoký podíl parafínů s vysokými hodnotami cetanového čísla. Aromatické uhlíkové sloučeniny naproti tomu snižují vznětlivost. Dalším parametrem vznětlivosti je cetanový index, který lze vypočítat z hustoty paliva a z destilační křivky (křivka bodů varu). Tato čistě početní veličina nezohledňuje vliv zlepšovačů zapálení na vznětlivost. Aby se omezilo nastavení cetanového čísla prostřednictvím zlepšovačů zapálení, byly v normě EN 590 zahrnuty do seznamu požadavků jak cetanové číslo, tak cetanový index. Paliva, jejichž cetanové číslo bylo zvýšeno použitím zlepšovačů zapálení, se při spalování v motorech chovají jinak než paliva se stejně vysokým přirozeným cetanovým číslem. Nejdůležitější parametry jednotlivě jsou: Cetanové číslo, cetanový index Cetanové číslo popisuje vznětlivost paliva vznětového motoru. Je tím větší, čím snáze se palivo zapaluje. Jelikož vznětový motor pracuje bez vnějšího zapalování, musí se palivo vstřiknuté do horkého stlačeného vzduchu v co možná nejkratší době ve spalovacím prostoru samovznítit. Oblast varu Oblast varu paliva, tzn. teplotní oblast, v níž se palivo odpařuje, závisí na jeho složení. Nízký počátek varu vede k palivu, vhodnému pro chladné podmínky, ale také k nízkým cetanovým číslům a špatným mazacím schopnostem. Tím se zvyšuje nebezpeční opotřebení vstřikovacích agregátů. Leží-li naproti tomu konec destilace v oblasti vysokých teplot, m ůže to vést ke zvýšené tvorbě sazí a zakarbonování trysek (tvorba usazenin chemickým rozkladem těžkotěkavých složek paliva na vrcholu trysky a ukládání zbytků po spalování). Proto by konec destilace neměl ležet příliš vysoko. Požadavek asociace evropských výrobců automobilů (ACEA) je okolo 350 C. Porovnávací paliva pro měření cetanového čísla Cetan (n-hexandekan C 6 H 34 ) Velmi vznětlivý (cetanové číslo 00) H H H H H H H H H H H H H H H H H C C C C C C C C C C C C C C C C H H H H H H H H H H H H H H H H H a-metylnaftalen (C H 0 ) nevznětlivý (cetanové číslo 0) H H C C C C H H H H C C C C C H H C C H H SMK877D ) Cooperative Fuel Research (společný výzkum paliv) Obrázek C uhlík H vodík chemická vazba

29 8 Paliva Palivo vznětového motoru Hranice filtrovatelnosti (chování za studena) Vylučováním krystalů parafínu může dojít při nízkých teplotách k ucpání palivového filtru a tím k přerušení dodávky paliva. Počátek vylučování parafínu může nastávat v nepříznivých případech již při teplotě cca. 0 C nebo i vyšší. Odolnost paliva proti chladu je posuzována na základě mezní hodnoty filtrovatelnosti (CFPP: Cold Filter Plugging Point, tj. bod ucpání filtru za nízké teploty). V normě EN 590 je CFPP definován v několika třídách, které si jednotlivé státy mohou určit v závislosti na geografických a klimatických podmínkách. Dřív bylo k palivu vznětového motoru pro zlepšení odolnosti proti chladu příležitostně přimícháváno do nádrže vozu trochu benzínu. Při existenci paliv odpovídajících normě to již není nutné a kromě toho by to vedlo při výskytu poškození ke ztrátě veškerých nároků na garanci Bod vzplanutí Pod pojmem bod vzplanutí se rozumí teplota, při níž se z hořlavé kapaliny odpaří do okolního vzduchu právě tolik par, aby nějaký zapalovací zdroj mohl zažehnout směs vzduchu a par, přítomnou nad kapalinou. Z bezpečnostních důvodů (např. pro transport a skladování) má palivo pro vznětové motory patřit do třídy nebezpečnosti A III, tj. bod vzplanutí leží nad 55 C. Již podíl motorového benzínu v palivu vznětového motoru menší než 3% může tak silně snížit bod vzplanutí, že je možné vznícení při pokojové teplotě. Hustota Obsah energie paliva vznětového motoru na jednotku objemu se zvětšuje se stoupající hustotou. Když se při neměnném nastavení vstřikovacího čerpadla (tzn. při konstantním objemovém dávkování) použijí paliva s velmi odlišnými hustotami, povede to kvůli kolísání výhřevnosti k posuvu (změně) směsi. Při provozu s vyšší hustotou paliva, závisející na druhu, se zvyšuje výkon a emise sazí; při klesající hustotě se výkon a emise snižují. Proto je pro palivo vznětového motoru požadován malý druhově závislý rozptyl hustoty. Viskozita Viskozita je měřítkem vazkosti paliva, tzn. odporu, který se kvůli vnitřnímu tření vyskytuje při tečení. Příliš nízká viskozita paliva vede ke zvýšeným ztrátám netěsnostmi ve vstřikovacím čerpadle a tím k nedostatku výkonu. Značně vyšší viskozita například při použití FAME (Fatty Acid Methyl Ester - metylester mastných kyselin, bionafta) vede u systémů, v nichž není regulován tlak (např. jednotka čerpadlo tryska, PDE), ke zvýšení špičkového vstřikovacího tlaku při vysokých teplotách. Palivo z minerálních olejů se proto v těchto systémech nesmí použít na maximální přípustný systémový tlak. Vysoká viskozita vede kromě toho ke změně obrazu rozstřiku kvůli tvorbě větších kapiček. Mazací schopnost ( kluzkost, mazivost ) Pro odsíření paliva pro vznětový motor se palivo hydrogenuje. Tento hydrogenační proces odstraňuje vedle síry také polární složky paliva, které dobře mažou. Po zavedení odsířených paliv došlo v praxi kvůli nedostatečným mazacím schopnostem k problémům s opotřebením vstřikovacích čerpadel. Proto se paliva vznětových motorů ředí přípravky pro zlepšení mazacích schopností.

30 Paliva Palivo vznětového motoru 9 Zkouška opotřebení k určení mazací schopnosti paliv vznětových motorů SMK004Y Obrázek Vana s palivem Zkušební kulička 3 Vyvolané zatížení 4 Zkušební deska 5 Zařízení pro ohřev 6 Kmitavý pohyb Mazací schopnost se měří zkouškou opotřebení kmitáním (metoda HFRR: High Frequency Reciprocating Rig vysokofrekvenční kmitací soustava). Pevně upnutá ocelová kulička je k tomu účelu smýkána s vysokou frekvencí po desce pod hladinou paliva. Velikost vzniklého zahloubení, tzn. průměr kulové prohlubně od ocelové kuličky (WSD: Wear Scar Diameter- průměr stopy opotřebení, měřený v μm), slouží jako údaj opotřebení a tedy jako měřítko mazací schopnosti paliva. Paliva pro vznětové motory podle normy EN 590 musí vykazovat WSD 460 μm. Obsah síry Podle kvality ropy a složek, použitých k jejímu zředění, obsahují paliva pro vznětové motory síru v chemicky vázané podobě. Zvláště komponenty vzniklé krakováním (štěpením) mají většinou vysoký obsah síry. K odsíření paliva se síra odnímá ze středního destilátu v přítomnosti katalyzátoru při vysokém tlaku a vysoké teplotě pomocí vodíkového zpracování (hydrogenace). Při tomto postupu se nejprve tvoří sirovodík (H S), který se poté přemění na elementární síru. Od začátku roku 000 povoluje norma EN 590 maximální obsah síry v palivu 350 mg/ kg. Od roku 005 musí mít v celé Evropě všechna paliva pro zážehové i vznětové motory nízký obsah síry (obsah síry < 50 mg/ kg). Od roku 009 mají být používána již jen paliva bez síry (obsah síry < 0 mg/kg). Od roku 003 se v Německu vybírá pokutová daň za paliva, obsahující síru. Proto je na německém trhu už jen palivo bez síry pro vznětové motory, čímž se snížily jak přímé emise SO (kysličník siřičitý), tak hmotnost pevných částic (v sazích vázaný síran). Systémy pro dodatečnou úpravu spalin jako filtry NO X a filtry pevných částic používají katalyzátory. Musí být provozovány s palivem bez síry, neboť síra způsobuje otravu aktivního povrchu katalyzátoru. Sklon ke karbonizaci Sklon ke karbonizaci je měřítkem tendence paliva k tvorbě usazenin na vstřikovacích tryskách. Procesy při karbonizaci jsou velmi složité. Ke karbonizaci přispívají především složky, které obsahuje palivo na konci destilace (zvláště z podílů vzniklých krakováním). Celkové znečištění Celkovým znečištěním se označuje součet nerozpuštěných cizích látek v palivu, jako např. písek, rez a nerozpuštěné organické složky, k nimž patří též polymery stárnutí. Norma EN 590 připouští maximálně

31 30 Paliva Palivo vznětového motoru 4 mg/kg. Zejména velmi tvrdé křemičitany, které se vyskytují v minerálním prachu, jsou škodlivé pro vysokotlaké vstřikovací systémy, vyrobené s úzkými vůlemi. Již zlomek celkové přípustné hodnoty těchto tvrdých částic může vyvolat erozivní a abrazivní opotřebení (např. v sedle magnetických ventilů). Opotřebením mohou vznikat netěsnosti, které mají za následek pokles vstřikovacího tlaku a výkonu motoru, případně nárůst emisí pevných částic. Typická evropská paliva pro vznětové motory obsahují okolo částic na 00 ml. Zvláště kritické jsou velikosti částic 6 až 7 mm. Výkonné palivové filtry s velmi dobrým stupněm zachycení mohou přispět k zabránění škod, způsobovaných částicemi. Voda v palivu vznětového motoru Palivo pro vznětový motor může pojmout vodu v množství asi 00 mg/kg. Hranice rozpustnosti je určena složením paliva a okolní teplotou. Norma EN 590 připouští maximální obsah vody 00 mg/kg. Ačkoliv v mnoha státech se v palivu vznětových motorů vyskytují značně vyšší množství vody, průzkumy paliva na trhu ukazují, že množství vody je zřídka nad 00 mg/kg. Při odběru vzorků většinou není přítomná voda zjištěna nebo jen částečně, neboť se jako nerozpuštěná volná voda vylučuje na stěnách nebo se usazuje jako oddělená fáze na dně. Zatímco rozpuštěná voda vstřikovacímu systému neškodí, může volná voda již v nepatrném množství po krátké době způsobit škody na vstřikovacím čerpadle. Pronikání vody do palivové nádrže kondenzací ze vzduchu nelze zabránit. Proto jsou v určitých regionech předepsány odlučovače vody. Dále musí výrobce vozidla konstrukčně uzpůsobit odvětrání nádrže a hrdlo nádrže tak, aby se vyloučil dodatečný přístup vody. Parametry paliv Výhřevnost, spalné teplo Pro vyjádření vnitřní energie paliva se obvykle udává měrná výhřevnost H U (dříve: spodní hodnota výhřevnosti). Měrná výhřevnost H O (dříve: horní hodnota výhřevnosti nebo spalné teplo) je u paliv, v jejichž produktech hoření se vyskytuje vodní pára, vyšší než spodní hodnota výhřevnosti H U, neboť spalné teplo zohledňuje i teplo, vázané ve vodní páře (latentní teplo). Tento podíl však ve vozidlech není využíván. Specifická výhřevnost paliva vznětového motoru činí 4,5 MJ/kg Kyslíkatá paliva jako alkohol, éter nebo metylester mastných kyselin mají nižší výhřevnost než čisté uhlovodíkové látky, neboť kyslík, který je v nich vázán, se nepodílí na spalování. Pro dosažení stejného výkonu jako s bezkyslíkatými palivy je třeba větší množství paliva. Výhřevnost směsi Výhřevnost hořlavé směsi vzduchu s palivem určuje výkon motoru. Při stejném stechiometrickém poměru je pro všechna kapalná paliva a zkapalněné plyny téměř stejně velká (cca. 3,5 3,7 MJ/m 3 ).

32 Paliva Palivo vznětového motoru 3 Aditiva Přidávání aditiv pro zlepšení kvality se u paliv vznětových motorů široce prosadilo. Při tom se používají většinou balíky aditiv, mající rozmanité účinky. Celková koncentrace aditiva je všeobecně < 0,%, takže se nemění fyzikální parametry paliv jako jsou hustota, viskozita a průběh destilace. Zlepšovače mazací schopnosti Zlepšení mazací schopnosti paliva se špatnými mazacími vlastnostmi lze dosáhnout přidáním mastných kyselin, esterů mastných kyselin nebo glycerínů. Též bionafta je ester mastných kyselin. Proto se do paliv vznětových motorů, když už obsahují podíl bionafty, již dodatečně nepřimíchávají zlepšovače mazacích schopností. Zlepšovače zapálení (Cetane improver = cetanový zlepšovač ) U zlepšovačů zapálení se jedná o ester kyseliny dusičné z alkoholů, které zkracují průtah vznícení. Tím se snižují emise a hluk spalování. Zlepšovače tečení Zlepšovače tečení se skládají z polymerních látek, které snižují mezní hodnotu filtrovatelnosti. Všeobecně bývají přidávány jen v zimě (bezporuchový provoz za studena). Přidáním zlepšovače tečení sice nelze zabránit vylučování krystalů parafínu z paliva, ale lze jejich růst velmi silně omezit. Vznikající krystalky jsou pak tak malé, že ještě projdou přes póry filtru. Detergenty Detergenty jsou čisticí aditiva, která jsou přidávána pro udržení čistoty přívodního systému. Detergenty mohou zabránit tvorbě usazenin a omezit karbonizaci na vstřikovací trysce. Inhibitory koroze (zpomalovače koroze) Inhibitory koroze se vážou na povrchy kovových částí a chrání tak před korozí při vniku vody. Protipěnicí prostředky Přílišnému pěnění při rychlém tankování lze zabránit příměsí odpěňovadel.. Vliv nejdůležitějších aditiv pro paliva vznětových motorů Aditivní složka Zlepšovače zapálení Detergenty Zlepšovače tečení Aditiva proti usazování vosku Zlepšovače mazacích schopností Protipěnicí aditiva Aditiva na ochranu systemu proti korozi (inhibitory) Účinek zvýšení cetanového čísla zlepšení startu motoru, bílého kouře z výfuku, hluku motoru, emisí spalin spotřeby paliva vstřikovací trysky zůstanou čistší lepší provozní bezpečnost při nízkých teplotách lepší odolnost při skladování při nízkých teplotách nižší opotřebení součástí vstřikování, zvláště při použití vodíkem zpracovaných paliv s nízkým obsahem síry pohodlné tankování (menší vyšplouchnutí) ochrana palivového systému Tabulka

33 3 Paliva Alternativní paliva Alternativní paliva K alternativním palivům pro vznětové motory patří biogenní paliva a v širším smyslu též fosilní paliva, která nejsou vyráběna z ropy. Dnes mají význam především estery rostlinných olejů. Alkoholy (metanol a etanol) se u vznětových motorů používají jen v malém rozsahu a pouze jako emulze s naftou. Metylestery mastných kyselin (FAME) Metylestery mastných kyselin (FAME: Fatty Acid Methyl Ester) hovorově bionafta jsou metanolem esterifikované rostlinné nebo živočišné oleje nebo tuky. Metylestery mastných kyselin se vyrábějí z rozličných surovin, převážně z řepky (metylester řepkového oleje, RME, v Evropě) a sóji (metylester sójového oleje, SME, v USA). Používají se ale také estery slunečnic a palem, estery použitých pokrmových tuků (UFOME: Used Frying Oil Methyl Ester) a estery hovězího loje (TME: Tallow Methyl Ester) - ovšem většinou míchané s ostatními metylestery mastných kyselin. Místo metanolu lze k esterifikování použít též etanol, jako například v Brazílii k výrobě etylesteru sóji. Metylester mastných kyselin se používá buď v čisté formě (B00, tj. 00% bionafta) nebo je nabízen jako směs B5, představující naftu s maximálně 5% podílem metylesteru mastných kyselin. B5 je schválena podle normy EN 590 jako nafta. Jelikož použití metylesteru mastných kyselin horší kvality může vést k provozním poruchám a škodám na motoru a vstřikovacím systému, jsou požadavky na metylester mastných kyselin regulovány na evropské úrovni (EN 44). Musí se zajistit zejména dobrá odolnost proti stárnutí (oxidační stálost) a vyloučení znečištění, podmíněného procesem. Norma EN 44 platí nezávisle na tom, zda je použit metyester mastných kyselin přímo jako B00 nebo jako příměs do nafty. Směs B5, vzniklá přimícháním metylesteru mastných kyselin, musí kromě toho odpovídat požadavkům na čistou naftu (EN 590). Výroba metylesteru mastných kyselin v porovnání s palivy na bázi minerálních olejů není hospodárná a v Německu je daňově zvýhodněna. Čisté, neesterifikované rostlinné oleje se ve vznětových motorech s přímým vstřikem už téměř nepoužívají, neboť vznikají značné problémy, především kvůli vysoké viskozitě rostlinného oleje a velmi silné karbonizaci trysek. Evropská norma EN 44: vybrané požadavky na metylester mastných kyselin (FAME) Kriterium Veličina Jednotka CFPP ) v šesti sezónních třídách, max ) C Bod vzplanutí 0 C Hustota při 5 C kg/m 3 Viskozita při 40 C 3,5 5,0 mm /s Obsah síry 0 mg/kg Obsah vody 500 mg/kg Tabulka ) mezní hodnota filtrovatelnosti, zde pro mírné klima ) určováno jednotlivými státy, pro Německo C

34 Paliva Alternativní paliva 33 Synfuels a Sunfuels Pojmy Synfuel a Sunfuel představují paliva, vyráběná ze syntézního plynu (H a CO) metodou Fischer Tropsch. Při použití uhlí, koksu nebo zemního plynu k výrobě syntézního plynu se hovoří o palivu Synfuel, při použití biomasy pak Sunfuel. Metodou Fischer Tropsch se syntézní plyn katalyticky přeměňuje na uhlovodíky. Při tom vznikají kvalitní paliva bez síry a aromátů, používaná převážně ke zlepšení kvality konvenčních paliv pro vznětové motory. V závislosti na použitých katalyzátorech lze vyrábět též paliva pro zážehové motory. Vedlejšími produkty jsou zkapalněný plyn a parafíny lze snížit emise sazí a oxidů dusíku, neboť díky podílu vody je spalná směs chladnější. K použití dosud dochází jen v omezených flotilách vozidel, většinou vybavených řadovými vstřikovacími čerpadly. Jiné vstřikovací systémy jsou pro provoz s emulzemi buď nevhodné nebo nejsou vyzkoušené. Kvůli vysokým nákladům byla a je výroba syntetických paliv omezena na speciální trhy (ropné embargo pro Jižní Afriku během 70. let 0. století, využití přebytečného zemního plynu v Malajsii, výzkumná zařízení). Dimetyléter (DME) Dimetyléter (DME) je synteticky vyráběný produkt, který je v současnosti vyráběn v malých množst vích z metanolu. Dimetyléter má cetanové číslo přibližně 55 a může být spalován ve vznětových motorech bez vzniku sazí a se sníženou tvorbou oxidů dusíku. Kvůli nízké hustotě a vysokému podílu kyslíku má nízkou výhřevnost. Kromě toho vyžaduje přizpůsobení vstřikovací soustavy kvůli plynnému stavu. Též ostatní étery (např. dimetoxymetan, di-n-pentyléter) jsou zkoumány s ohledem na vhodnost jako palivo. Škody na vstřikovacím čerpadle kvůli špatné kvalitě paliva a Emulze Emulze vody nebo etanolu v palivech vznětového motoru se zkoušejí na různých místech. Voda a alkoholy jsou v palivu vznětového motoru jen špatně rozpustné. Ke stabilizaci těchto směsí jsou potřebné emulgátory, trvale zabraňující deemulgaci. Kromě toho jsou nutná opatření k ochraně proti opotřebení a korozi. Použitím emulzí b SMK878Y Obrázek a usazeniny v nastavovači množství, způsobené znečištěnou bionaftou b poškození ložiska, způsobené volnou vodou (proběh vozidla cca km)

35 34 Systémy pro řízení plnění motoru Přehled Systémy pro řízení plnění motoru ) Náplň válce je směs, která je ve válci po uzavření sacích ventilů. Skládá se z přiváděného čerstvého vzduchu a zbytkového plynu z předchozího spalování. U vznětového motoru je vedle vstřikované dávky paliva přiváděné množství vzduchu rozhodující veličinou pro odevzdávaný točivý moment a tím pro výkon a rovněž pro složení spalin. Proto vedle vstřikovacího systému mají rovněž zvláštní význam systémy, ovlivňující náplň válců ). Tyto systémy pro řízení plnění čistí nasávaný vzduch a ovlivňují pohyb, hustotu a složení (např. podíl kyslíku) náplně válců. Přehled Pro spalování paliva je nutný kyslík, který motor získává z nasávaného vzduchu. V zásadě platí: čím více kyslíku je k dispozici pro spalování ve spalovacím prostoru, tím více paliva v plném zatížení motoru lze vstřikovat. Tím vzniká přímá souvislost mezi vzduchovou náplní válce a maximálním možným výkonem. Vzduchové systémy mají za úkol upravit nasávaný vzduch a starat se o dobré plnění válce. Řízení plnění (obr. ) se skládá z oblastí: vzduchový filtr (), přeplňování (), recirkulace spalin (4) vířivé klapky (5). Systémy pro přeplňování (tzn. pro předběžné stlačení vzduchu před vstupem do válce) jsou používány ve většině vznětových motorů ke zvýšení výkonu. Recirkulace spalin se používá za účelem redukce škodlivin u všech běžných vznětových motorů osobních vozů a u některých užitkových vozů. Díky recirkulaci spalin se snižuje podíl kyslíku ve válci; v důsledku klesající teploty spalování, jíž je recirkulací dosaženo, se při spalování tvoří méně oxidů dusíku (NO X ). Systémy pro řízení plnění vznětového motoru 3 4 Obrázek 7 8 Vzduchový filtr Přeplňování s chlazením plnicího vzduchu 3 Řídicí jednotka motoru 4 Recirkulace spalin s chladičem 5 Vířivá klapka 6 Válec motoru 7 Sací ventil 8 Výfukový ventil 5 6 SMM067Y

36 Systémy pro řízení plnění motoru Přeplňování 35 Přeplňování Přeplňování jako prostředek ke zvýšení výkonu je již dlouho známý u velkých vznětových motorů pro stacionární a lodní pohony a rovněž u vznětových motorů užitkových vozidel ). Mezitím se prosadilo též u rychloběžných vznětových motorů osobních vozidel ). Oproti atmosférickému motoru je u přeplňovaného motoru přiváděn vzduch s přetlakem. Tím se zvýší hmotnost vzduchu ve válci, která s odpovídajícím větším množstvím paliva vede k vyššímu výkonu při stejném zdvihovém objemu, respektive ke stejnému výkonu při menším zdvihovém objemu. Snížením zdvihového objemu ( Downsizing ) lze snížit spotřebu paliva. Zároveň je také dosaženo zlepšení hodnot emisí spalin. Vznětový motor je obzvláště vhodný pro přeplňování, neboť se u něj stlačuje jen vzduch a ne směs vzduchu a paliva a díky jeho kvalitativní regulaci jej lze výhodně kombinovat s dmychadlem. U větších motorů užitkových vozidel se dosahuje dalšího zvýšení středního tlaku (a tím točivého momentu) díky vyššímu přeplňování a snížení komprese, za to se musí ale přijmout omezení ve schopnosti studeného startu. Objemová účinnost (stupeň naplnění válce) popisuje vzduchovou náplň uzavřenou ve válci vztaženou k teoretické náplni dané zdvihovým objemem při normálních podmínkách (tlak vzduchu p 0 = 03 hpa, teplota T 0 = 73 K) bez přeplňování. Objemová účinnost u přeplňovaného vznětového motoru je v rozsahu 0,85 až 3,0. Během stlačování se vzduch v dmychadle zahřívá (až na 80 C). Jelikož teplý vzduch má menší hustotu než vzduch studený, působí ohřívání nepříznivě na plnění válců. Za dmychadlem zařazený chladič stlačeného vzduchu (s chlazením okolním vzduchem nebo s odděleným okruhem chladicí kapaliny) ochlazuje stlačený vzduch a způsobuje tak další zvýšení plnění válců. Tím je k dispozici více kyslíku pro spalování, takže se získává vyšší maximální točivý moment a tím vyšší výkon při daných otáčkách. Nižší teplota vzduchu, proudícího do válce, vede též k nižším teplotám v době komprese. Z toho plynou další výhody: lepší tepelná účinnost a tím nižší spotřeba paliva a méně sazí u vznětových motorů, nižší tepelné zatížení spalovacího prostoru a rovněž o něco nižší emise NOX-díky nižší teplotě spalování. Rozlišují se dva druhy dmychadel: u turbodmychadla se výkon pro stlačování získává z výfukových plynů (mezi motorem a dmychadlem je vazba prostřednictvím proudění plynů). u mechanického dmychadla se výkon pro stlačování odebírá z klikového hřídele motoru (mechanická vazba mezi motorem a dmychadlem). Přeplňování využitím výfukových plynů (turbodmychadlem) Přeplňování turbodmychadlem (ATL, Abgasturbolader) je nejvíce rozšířeno. Používá se u motorů osobních a užitkových vozidel a u velkých motorů pro lodě a lokomotivy. Přeplňování turbodmychadlem se používá k redukci hmotnosti na jednotku výkonu a k zvýšení maximálního točivého momentu při nízkých a středních otáčkách, zejména ve spojení s elektronickou regulací plnicího tlaku. Rostoucího významu kromě toho nabývají také hlediska omezení škodlivin. ) Již Gottlieb Daimler (885) a Rudolf Diesel (896) se zabývali předběžnou kompresí nasávaného vzduchu pro zvýšení výkonu. Švýcarovi Alfredu Buchimu se v roce 95 podařilo první úspěšné přeplňování turbodmychadlem se zvýšením výkonu o 40 % (přihlášení patentu bylo provedeno v roce 905). První přeplňované motory pro užitkové vozy byly zkonstruovány v roce 938. Prosadily se na počátku 50. let dvacátého století. ) Ve větším měřítku se začalo používat od 70. let dvacátého století.

37 36 Systémy pro řízení plnění motoru Přeplňování Konstrukce a způsob činnosti V důsledku toho, že ze spalovacího motoru odcházejí horké spaliny pod tlakem, se ztrácí velký podíl energie. Proto se přímo nabízí využít část této energie pro vytvoření tlaku v sacím potrubí. Turbodmychadlo (obr. ) se skládá ze dvou proudových strojů: z plynové turbíny (7), která bere energii proudu spalin a z odstředivého kompresoru (), který je hřídelem () spojen s turbínou a stlačuje nasávaný vzduch Horké spaliny proudí do turbíny a uvádějí ji do rychlého točivého pohybu (u vznětových motorů až cca min - ). Lopatky turbínového kola, nasměrované dovnitř, vedou spaliny do středu, kde pak bočně vycházejí ven (8, radiální turbína). Hřídel pohání radiální kompresor. Zde jsou poměry přesně obrácené: nasávaný vzduch (3) vstupuje dovnitř uprostřed kompresoru a je lopatkami urychlován směrem ven a při tom stlačován (4). Na základě tlaku spalin, který se vytváří před turbínou, se zvyšuje motorem získávaná výfuková práce během výfukového taktu. Současně ale může turbína vedle energie proudění spalin částečně převádět také jejich tepelnou energii na kompresní výkon, takže zvýšení plnicího tlaku je větší než nárůst tlaku spalin před turbínou (pozitivní výplachový spád). Celková účinnost motoru se tak může zlepšit v širokých dílčích oblastech charakteristiky motoru. Pro stacionární provoz s konstantními otáčkami lze charakteristiku turbíny a kompresoru vyladit na příznivou účinnost a tím vysoké přeplňování. Obtížnější je ale navržení pro nestacionárně provozovaný vozidlový motor, od něhož se zejména při akceleraci z nízkých otáček očekává vysoký točivý moment. Nízká teplota spalin, malé množství spalin a setrvačnost turbodmychadla samotného zpožďují tvorbu tlaku v kompresoru na začátku akcelerace. U motorů osobních vozidel, přeplňovaných turbodmychadlem, se to označuje jako turbodíra. Zvláště pro přeplňování v osobních a užitkových vozech se vyvíjejí turbodmychadla, která díky svojí nízké vlastní hmotnosti zabírají již při malých průtocích spalin a zřetelně zlepšují jízdní vlastnosti v oblasti nízkých otáček. Turbodmychadlo pro užitkové vozidlo s dvojitou proudovou turbínou 4 Obrázek Těleso dmychadla Proudové dmychadlo 3 Nasávaný vzduch 4 Stlačený čerstvý vzduch 5 Přívod mazacího oleje 6 Těleso turbíny 7 Turbína poháněná spalinami 8 Vystupující spaliny 9 Ložisková skříň 0 Vstupující spaliny Hřídel Odvod mazacího oleje UMM056-Y

38 Systémy pro řízení plnění motoru Přeplňování 37 Rozlišují se dva principy přeplňování: U náporového přeplňování sběrný zásobník spalin před turbínou vyhlazuje tlakové pulsace ve výfukovém potrubí. Turbínou proto může v oblasti vysokých otáček motoru při nižším tlaku projít více spalin. Jelikož se pro motor v tomto provozním bodě snižuje protitlak spalin, snižuje se též spotřeba paliva. Náporové přeplňování se používá pro velké lodní motory, velké motory generátorů a velké stacionární motory. U pulzního přeplňování se využívá kinetické energie tlakových pulsací při výstupu spalin z válce. Pulzní přeplňování umožňuje vyšší točivý moment při nižších otáčkách. Tento princip se využívá u motorů osobních a užitkových vozidel. Aby se jednotlivé válce při výměně náplně vzájemně neovlivňovaly, jsou např. u 6válcového motoru vždy tři válce sloučeny do jednoho sběrného výfukového potrubí. S dvojitými proudovými turbínami (obr. ) - které mají dva vnější kanály jsou proudy spalin vedeny odděleně i uvnitř turbíny. K dosažení dobré odezvy je turbodmychadlo umístěno co nejblíže k výfukovým ventilům v horkém výfukovém traktu. Musí proto být vyrobeno z vysoce pevných materiálů. Pro lodě u nichž je z důvodu nebezpečí požáru nutno vyloučit horké povrchy ve strojovně je turbodmychadlo vodou chlazeno nebo tepelně izolováno. Turbodmychadla pro zážehové motory, u nichž je teplota výfukových plynů o cca C vyšší než u vznětového motoru, mohou být rovněž provedena jako vodou chlazená Konstrukční typy Motory mají vytvářet vysoký točivý moment již při nízkých otáčkách. Proto se turbodmychadlo navrhuje pro malý hmotnostní tok spalin (např. plné zatížení při otáčkách n 800 min ). Aby při vyšších hmotnostních tocích spalin nebyl motor přeplňován nadměrně, respektive aby se dmychadlo nezničilo, musí se plnicí tlak regulovat. K tomu účelu se používají tři konstrukční principy dmychadlo s obtokovým ventilem (wastegate), dmychadlo s variabilní geometrií turbíny (VTG) dmychadlo s variabilním šoupátkem turbíny (VST). Dmychadlo s obtokovým ventilem (obr. ) Při vysokých otáčkách nebo zatíženích motoru je dílčí proud spalin odváděn mimo turbínu do výfukového potrubí pomocí obtokového ventilu wastegate (5, brána pro odpad ). Tím klesá proud spalin procházející turbínou a protitlak spalin a je zabráněno příliš vysokým otáčkám dmychadla. Při nízkých otáčkách nebo zatíženích motoru se obtokový ventil zavírá a celý proud Turbodmychadlo s obtokovým ventilem UMK55-9Y Obrázek Ventil pro nastavení plnicího tlaku Podtlakové čerpadlo 3 Tlakový nastavovač 4 Turbodmychadlo 5 Obtokový ventil (wastegate) 6 Proud spalin 7 Proud plnicího vzduchu 8 Turbína poháněná spalinami 9 Odstředivé dmychadlo

39 38 Systémy pro řízení plnění motoru Přeplňování spalin pohání turbínu. Obvykle je obtokový ventil v klapkovém provedení zabudován v tělese turbíny. V době počátku turbodmychadla byl používán talířový ventil v odděleném tělesu paralelně k turbíně. Ventil pro nastavení plnicího tlaku () (elektropneumatický převodník) ovládá obtokový ventil. Ventil pro nastavení plnicího tlaku je elektricky ovládaný 3/cestný ventil, připojený na podtlakové čerpadlo. V klidové poloze (bez proudu) ventil pouští atmosférický tlak do tlakového nastavovače (3). Pružina v tlakovém nastavovači otevírá obtokový ventil. Prochází-li ventilem pro nastavení plnicího tlaku proud, spínaný řídicí jednotkou, propojí se tlakový nastavovač s podtlakovým čerpadlem, takže je membrána přitažena proti síle pružiny. Obtokový ventil se zavře a otáčky turbodmychadla se zvýší Turbodmychadlo je konstruováno tak, aby byl obtokový ventil otevřený v případě výpadku ovládání. Díky tomu se při vysokých otáčkách nemůže vytvořit příliš vysoký plnicí tlak, který by poškodil turbodmychadlo nebo motor. Při nízkých otáčkách nebo zatíženích motoru lopatky uvolňují malý průtočný průřez, takže protitlak spalin roste. Proud spalin v turbíně dosahuje vysoké rychlosti a uděluje turbíně vysoké otáčky (a). Proud spalin při tom působí na vnější oblast lopatek turbínového kola. Tak vzniká velké rameno páky, které dodatečně způsobuje vysoký točivý moment. Při vysokých otáčkách nebo zatíženích motoru lopatky uvolňují velký průtočný průřez, který má za následek nižší rychlost proudění spalin (b). Tím je turbodmychadlo při stejném množství spalin méně zrychlováno, respektive při vyšším množství spalin se neroztáčí do tak vysokých otáček. Plnicí tlak se tak omezuje. 3 Variabilní (proměnlivá) geometrie turbíny dmychadla VTG a Obrázek 3 a Poloha vodicích lopatek pro vysoký plnicí tlak b Poloha vodicích lopatek pro nízký plnicí tlak Turbína poháněná spalinami Nastavovací kruh 3 Rozváděcí lopatka 4 Nastavovací páčka 5 Nastavovací dóza 6 Proud spalin vysoká rychlost proudění nízká rychlost proudění U zážehových motorů se v sacím potrubí vytváří dostatečný podtlak. Není proto nutné podtlakové čerpadlo, používané u vznětových motorů. Pro oba typy motorů je taktéž možné ovládání pomocí čistě elektrického nastavovače Dmychadlo s variabilní geometrií turbíny (VTG) (Obr. 3) Změněný náběh proudu spalin na turbínu díky variabilní (proměnlivé) geometrii turbíny (VTG) nabízí další možnost omezení proudu spalin při vysokých otáčkách. Přestavitelné rozváděcí lopatky (3) mění průtočný průřez, jímž proudí spaliny na turbínu (změna geometrie). Tím lopatky přizpůsobují tlak plynu působící na turbínu požadovanému plnicímu tlaku. b 6 UMM0594Y

40 Systémy pro řízení plnění motoru Přeplňování 39 Rotačním pohybem přestavného kroužku () se dosahuje jednoduchého přestavení úhlu rozváděcích lopatek. Při tom se rozváděcí lopatky nastavují na požadovaný úhel buď přímo pomocí jednotlivých přestavovacích páček, upevněných na rozváděcích lopatkách, nebo pomocí přestavovacích vaček. Otáčení přestavného kroužku se děje pneumaticky pomocí přestavovací dózy (5) s využitím podtlaku nebo přetlaku nebo prostřednictvím elektromotoru se zpětným hlášením (snímač polohy). Akční člen je aktivován řídicí jednotkou motoru. Proto lze optimálně nastavovat plnicí tlak v závislosti na rozličných vstupních veličinách. Dmychadlo s variabilní geometrií turbíny (VTG) je v klidové poloze otevřené a tím samo zabezpečené. Selže-li ovládání, nedojde k poškození turbodmychadla nebo motoru. Dojde jen ke ztrátě výkonu motoru při nízkých otáčkách. 4 Variabilní (proměnlivá) geometrie turbíny dmychadla VST a U vznětových motorů se dnes používá převážně tento konstrukční typ dmychadla. U zážehových motorů se tento typ zatím nemohl prosadit kromě jiného kvůli vysokému tepelnému zatížení a kvůli teplejším spalinám. Dmychadlo s variabilním šoupátkem turbíny (VST) (obr. 4) Dmychadlo s variabilním šoupátkem turbíny (VST) se používá pro malé motory osobních vozidel. Regulační šoupátko (4) mění u tohoto konstrukčního typu průřez vtoku spalin k turbíně pomocí postupného otvírání dvou průtočných kanálů (, 3). Při nízkých otáčkách nebo zatíženích motoru je otevřen jen jeden průtočný kanál (). Menší průtočný průřez vede k vysokému protitlaku spalin a k vysoké rychlosti průtoku spalin a tím k vysokým otáčkám turbíny (). Při dosažení požadovaného plnicího tlaku regulační šoupátko plynule otvírá druhý průtočný kanál (3). Rychlost proudění spalin - a tím otáčky turbodmychadla a plnicí tlak klesají. Řídicí jednotka provádí nastavení regulačního šoupátka pomocí pneumatické tlakové dózy. Pomocí obtokového kanálu (5) zabudovaného do tělesa turbíny lze také pustit téměř celý proud spalin mimo turbínu a tak dosáhnout velmi malého plnicího tlaku. b Obrázek 4 a Otevřen jen jeden proudový kanál b Otevřeny oba proudové kanály UMM055-Y Turbína poháněná spalinami. proudový kanál 3. proudový kanál 4 Regulační šoupátko 5 Obtokový kanál 6 Nastavovací vidlice

41 40 Systémy pro řízení plnění motoru Přeplňování Obrázek 5 a Atmosférický motor ve stacionárním provozu b Přeplňovaný motor ve stacionárním provozu c Přeplňovany motor v nestacionarnim (dynamickem) provozu Výhody a nevýhody přeplňování turbodmychadlem Downsizing (snižování velikosti) Ve srovnání s atmosférickým motorem se stejným výkonem hovoří pro motor s turbodmychadlem především nižší hmotnost a zmenšený zástavbový prostor ( Downsizing, tj. zmenšování velikosti). V celé oblasti využitelného rozsahu otáček vychází lepší průběh točivého momentu (obr. 5). Při daných otáčkách z toho plyne vyšší výkon (A B) při stejné specifické spotřebě paliva. Stejný výkon je k dispozici již při nižších otáčkách (B C) díky příznivějšímu průběhu točivého momentu. Pracovní bod při požadovaném výkonu je tak díky přeplňování přesunut do oblasti s menšími ztrátami třením. Z toho vyplývá nižší spotřeba paliva (E D). 5 Průběh výkonu a točivého momentu motoru s turbodmychadlem v porovnání s atmosférickým motorem Točivý moment M Výkon motoru P Měrná spotřeba paliva více výkonu b c a B stejné otáčky D A stejný výkon při nízkých otáčkách E nižší spotřeba /4 / 3/4 Specifické otáčky motoru n n jmen b a C SMM06D Průběh točivého momentu Při velmi nízkých otáčkách je základní točivý moment motorů s turbodmychadlem na úrovni motorů atmosférických. V této oblasti nestačí energie obsažená ve spalinách k pohonu turbíny. Nevzniká tak žádný plnicí tlak. V nestacionárním provozu je průběh točivého momentu rovněž při středních otáčkách na úrovni atmosférických motorů (c). Je to způsobeno tím, že proud spalin se vytváří opožděně. Při akceleraci z nízkých otáček tak vzniká tzv. turbodíra. Turbodíru lze především u zážehových motorů redukovat využitím dynamického přeplňování. To podporuje rozběh turbodmychadla. U vznětových motorů nabízí použití turbodmychadel s variabilní geometrií turbíny možnost značně zredukovat turbodíru. Další varianta představuje elektricky podporované turbodmychadlo (euatl, elektrisch unterstuetzte Abgasturbolader) s přídavným elektromotorem. Ten zrychluje kompresorové kolo turbodmychadla nezávisle na proudu spalin a zmenšuje tak turbodíru. Tento typ dmychadla se vyvíjí v současné době. Rychlého vytváření plnicího tlaku při nízkých otáčkách lze docílit rovněž dvoustupňově regulovaným přeplňováním. Dvoustupňové přeplňování začíná být zaváděno do sériové výroby. Chování motorů s turbodmychadlem v závislosti na nadmořské výšce je velmi příznivé, neboť pokles tlaku při nižším tlaku okolního vzduchu je větší. To částečně vyrovnává nižší hustotu vzduchu. Při návrhu turbodmychadla se však musí dbát na to, aby se při tom turbína nepřetáčela.

42 Systémy pro řízení plnění motoru Přeplňování 4 Vícestupňové přeplňování S vícestupňovým přeplňováním lze značně rozšířit hranice výkonu ve srovnání s jednostupňovým přeplňováním. Cílem při tom je, jak ve stacionárním, tak i v nestacionárním provozu, zlepšit zásobování vzduchem a současně měrnou spotřebu. Prosadily se dvě metody přeplňování: Rejstříkové přeplňování U rejstříkového přeplňování se k základnímu přeplňování s rostoucím zatížením a otáčkami motoru připojuje jedno nebo více paralelně řazených turbodmychadel. Ve srovnání s jedním větším dmychadlem, navrženým na jmenovitý výkon, tak lze dosáhnout dvou nebo více optimálních provozních bodů. Kvůli nákladnému zařízení pro připojování dmychadel se rejstříkové přeplňování používá převážně u lodních pohonů a pohonů generátorů. Dvoustupňové regulované přeplňování Dvoustupňové regulované přeplňování je sériové zapojení dvou rozdílně velkých turbodmychadel s jednou obtokovou regulací a v ideálním případě se dvěma chladiči plnicího vzduchu (obr. 6, pozice a ). První dmychadlo je provedeno jako nízkotlaké (), druhé dmychadlo jako vysokotlaké (). Čerstvý vzduch je nejprve předběžně stlačován v nízkotlakém stupni. Tím pracuje relativně malé vysokotlaké dmychadlo na vyšší úrovni tlaku s malým objemovým proudem, takže může protlačit požadovaný hmotnostní proud vzduchu. S dvoustupňovým přeplňováním lze dosáhnout obzvláště dobré účinnosti kompresoru. Při nižších otáčkách je obtokový ventil (5) zavřen, takže působí obě dmychadla. Tím dochází k vytváření plnicího tlaku velmi rychle a jeho hodnota je vysoká. Rostou-li otáčky motoru, otvírá se obtokový ventil, až nakonec pracuje už jen nízkotlaký kompresor. Díky tomu se přeplňování plynule přizpůsobuje požadavkům motoru. Tento způsob přeplňování se pro jeho jednoduchou regulaci používá ve vozidlových aplikacích. ebooster Před turbodmychadlo je zařazován přídavný kompresor. Ten je konstruován podobně jako kompresor turbodmychadla a je poháněn elektromotorem (ebooster). Při akceleraci zásobuje ebooster motor vzduchem a zlepšuje tím zvláště při nízkých otáčkách roztáčení motoru. 6 Dvoustupňové přeplňování (princip) UMM0553-Y Mechanické přeplňování U mechanického přeplňování je kompresor poháněn přímo spalovacím motorem. Zpravidla jsou motor a kompresor vzájemně pevně propojeny např. řemenem. U vznětových motorů jsou mechanické kompresory ve srovnání s turbodmychadly používány zřídka. Mechanická objemová dmychadla Nejčastější provedení je mechanické objemové dmychadlo (kompresor). Používá se hlavně u malých a středně velkých motorů osobních vozidel. Obrázek 6 Nízkotlaký stupeň (turbodmychadlo s chlazením plnicího vzduchu) Vysokotlaký stupeň (turbodmychadlo s chlazením plnicího vzduchu) 3 Sací potrubí 4 Sběrné výfukové potrubí 5 Obtokový ventil 6 Obtokové vedení

43 4 Systémy pro řízení plnění motoru Přeplňování Objemové dmychadlo s vnitřním stlačováním U dmychadel s vnitřním stlačováním se vzduch stlačuje v kompresoru. U vznětových motorů se používají pístová dmychadla a šroubová dmychadla. 7 Princip pístového dmychadla s tuhým písem Obrázek 7 Sací ventil Výtlačný ventil 3 Píst 4 Hnací hřídel 5 Skříň Pístové dmychadlo: Tato dmychadla jsou konstruována buď s tuhým pístem (obr. 7) nebo s membránou (obr. 8). Píst (podobný pístu motoru) stlačuje vzduch, který pak proudí přes výstupní ventil k válci motoru. Šroubové dmychadlo (obr. 9): dvě do sebe vzájemně zapadající lopatky šroubovitého tvaru (4) stlačují vzduch. Objemové dmychadlo bez vnitřního stlačování U dmychadel bez vnitřního stlačování se vzduch stlačuje vytvářeným prouděním vně dmychadla. U vznětových motorů se používá jen Rootsovo dmychadlo (obr. 0) u dvoudobých vozidlových motorů Princip pístového dmychadla s membránou NMM06Y Rootsovo dmychadlo: Dva dvoukřídlé točící se písty (), spojené ozubenými koly, běhají podobně jako u zubového čerpadla proti sobě a čerpají tak nasávaný vzduch. 3 Obrázek 8 Sací ventil Výtlačný ventil 3 Membrána 4 Hnací hřídel 4 NMM063Y 9 Princip šroubového dmychadla Obrázek 9 Pohon Nasávaný vzduch 3 Stlačený vzduch 4 Šroubovité lopatky 3 4 UMM059-Y

44 Systémy pro řízení plnění motoru Přeplňování 43 0 Průřez Rootsova dmychadla Mechanická odstředivá dmychadla Vedle mechanických objemových dmychadel existují ještě odstředivá dmychadla (radiální kompresory), jejichž kompresor je konstruován podobně jako u turbodmychadla. Aby bylo dosaženo požadované vysoké obvodové rychlosti, jsou poháněny převodovkou. Tato dmychadla nabízejí příznivou objemovou účinnost v širokém rozsahu otáček a lze na ně pohlížet zvláště u malých motorů jako na alternativu k turbodmychadlům. U středně velkých až velkých motorů osobních vozů jsou používána zřídka. Řízení plnicího tlaku U mechanického dmychadla lze řídit plnicí tlak obtokem. Jedna část proudu stlačeného vzduchu se dostává do válce a určuje plnění. Druhá část proudí obtokem zpět na sací stranu. Ovládání obtokového ventilu přebírá řídicí jednotka motoru. Výhody a nevýhody mechanického přeplňování Díky přímé vazbě kompresoru a klikového hřídele je u mechanických dmychadel při zvýšení otáček kompresor zrychlován bez zpoždění. Proto se v dynamickém provozu získává vyšší točivý moment a lepší odezva než u turbodmychadel. S variabilní převodovkou se může zlepšit i chování motoru při změnách zátěže. UMM0509-Y Jelikož výkon potřebný k pohonu kompresoru (u osobních vozidel cca. 0 5 kw) nemůže být využit jako činný výkon motoru, stojí proti uvedeným výhodám poněkud vyšší spotřeba paliva než u přeplňování s turbodmychadlem. Tato nevýhoda je zmírněna, pokud lze prostřednictvím spojky, spínané řídicí jednotkou motoru, odpojovat kompresor při nízkých zatíženích a otáčkách motoru. To však zvyšuje výrobní náklady. Další nevýhodou mechanického přeplňování je větší potřebný montážní prostor. Dynamické přeplňování Přeplňování lze dosáhnout už samotným využitím dynamických efektů v sacím potrubí. Toto dynamické přeplňování nehraje u vznětového motoru tak velkou roli jako u motoru zážehového. U vznětového motoru je při utváření sacího potrubí věnována hlavní pozornost rovnoměrnému rozdělení vzduchu všem válcům a rozdělení zpětně vedených spalin. Kromě toho hraje důležitou roli víření ve válci. Při relativně nízkých otáčkách vznětového motoru by cílené dimenzování sacího potrubí na dynamické přeplňování vyžadovalo extrémně dlouhé sací potrubí. Jelikož v současné době jsou téměř všechny vznětové motory vybaveny dmychadlem, mohla by být očekávána jistá výhoda jen tehdy, když při nestacionárních procesech dmychadlo ještě nedává dostatečný tlak. Všeobecně je sací potrubí vznětového motoru konstruováno co nejkratší. Výhody toho jsou: zlepšené dynamické chování lepší chování regulace zpětného vedení spalin Obrázek 0 Skříň Krouživý píst

45 44 Systémy pro řízení plnění motoru Vířivé klapky Vířivé klapky Pro tvorbu směsi hrají významnou roli poměry proudění ve válci motoru. Jsou zásadně ovlivněny pohybem vzduchu, který je vytvářen paprskem vstřiku paliva, pohybem vzduchu vtékajícího do válce a pohybem pístu. Při způsobu spalování, podporovaném vířením, je vzduch během doby sání a komprese uváděn do rotačního pohybu (víření), aby bylo dosaženo dobré a rychlé tvorby směsi. Vhodnými klapkami a kanály lze víření měnit podle otáček a zatížení motoru. Sací kanály jsou uspořádány jako plnicí kanál (obr., pozice 5) a vířivý kanál (), přičemž plnicí kanál lze uzavřít klapkou (vířivá klapka, pozice 6). Klapka je řízena řídicí jednotkou motoru podle datového pole. Vedle jednoduchých systémů s polohami otevřeno a zavřeno existují též polohově regulované systémy, u nichž může klapka dosahovat různých mezipoloh. Při nízkých otáčkách motoru je klapka uzavřena. Vzduch je nasáván vířivým kanálem, vzniká silné víření při dostatečném plnění válce. Při vysokých otáčkách se klapka otvírá a uvolňuje plnicí kanál (5), aby bylo umožněno větší plnění válce a zlepšen výkon motoru. Při tom se současně zmenšuje víření. Při řízení víření podle datových polí lze v oblasti nízkých otáček podstatně snížit emise NO X a pevných částic. Ztráty prouděním způsobené odpojováním kanálu vedou ke zvýšené práci při výměně náplně válců. S tím spojenou vyšší spotřebu paliva však lze v maximální míře kompenzovat lepší dosažitelnou tvorbou směsi a spalováním. V závislosti na zatížení a otáčkách motoru se usiluje o dosažení kompromisu mezi emisemi, spotřebou a výkonem. Odpojení sacího kanálu (příklad) 5 6 Odpojování sacího kanálu se v současné době používá u některých motorů osobních vozidel a hraje stále důležitější roli v konceptu snižování emisí. Naproti tomu moderní vznětové motory nákladních vozidel mohou všeobecně pracovat s velmi nízkými hodnotami víření, neboť vzhledem k menšímu rozpětí otáček a větším spalovacím prostorům pro tvorbu směsi stačí energie paprsků vstřiku 3 Obrázek Sací ventil Vířivý kanál 3 Válec motoru 4 Píst 5 Plnicí kanál 6 Klapka 4 UMA0555Y

46 Systémy pro řízení plnění motoru Vzduchové filtry sání motoru 45 Vzduchové filtry sání motoru Vzduchový filtr filtruje vzduch nasávaný motorem a zabraňuje tak vniknutí nerostného prachu a částic do motoru a do motorového oleje. Tím zmenšuje opotřebení např. v ložiskách, v pístních kroužcích a na stěnách válců. Kromě toho filtr chrání citlivý měřič hmotnosti vzduchu (HFM) a zabraňuje ukládání prachu v něm, které by mohlo vést k falešným signálům, zvýšené spotřebě paliva a zvýšeným emisím škodlivin. Typickými znečištěními vzduchu jsou např. olejová mlhovina, aerosoly, saze, průmyslové zplodiny, pyl a prach. Prachové částečky, které motor nasává spolu se vzduchem, mají průměr od cca. 0,0 μm (částice sazí) do cca. mm (zrnka písku). Filtrační médium a konstrukce V případě vzduchových filtrů se jedná většinou o hloubkové filtry, které na rozdíl od povrchových filtrů zadržují částice ve struktuře filtračního média. Hloubkové filtry s velkou schopností ukládání prachu jsou tak vždy výhodné, když se musí hospodárně filtrovat velké objemové proudy s malými koncentracemi částic. Vzduchové filtry dosahují, vztaženo na hmotnost, celkového stupně zachycení až 99,8 % (osobní vozidla) respektive 99,95 % (užitková vozidla). Tyto hodnoty by mělo být možné dodržet za všech panujících podmínek, rovněž při dynamických podmínkách, jaké panují v sacím traktu motoru (pulzace). Filtry s nedostatečnou kvalitou pak vykazují zvýšený průnik prachu. Uspořádání filtračních prvků se provádí individuálně pro každý motor. Díky tomu zůstávají tlakové ztráty minimální a též vysoké stupně zachycení jsou nezávislé na průtoku vzduchu. U filtračních prvků, které jsou jako ploché filtry nebo ve válcových provedeních, je filtrační médium vestavěno ve skládané podobě, aby bylo možné do nejmenšího prostoru umístit maximální filtrační plochu. Díky odpovídající ražbě a impregnacím dosahují tato média, která jsou dosud většinou založena na vláknech z celulózy, požadované mechanické pevnosti a dostatečné nepoddajnosti vůči vodě a odolnosti vůči chemikáliím. Filtrační prvky se mění po intervalech, určených výrobcem vozidla. Požadavky na malé, výkonné filtrační prvky (menší zástavbový prostor) při současně prodloužených servisních intervalech urychlují vývoj nových, inovativních médií pro filtraci vzduchu. Nová média k filtraci vzduchu ze syntetických vláken (obr. ) s částečně silně zlepšenými výkonovými parametry se již zavádějí do sériové výroby Lepší hodnoty než s čistými celulózovými médii se dosahují též s použitím kompozitní kvality (např. papír s povlakem foukané taveniny) a speciálních filtračních médií z nanovláken, u nichž se na relativně hrubou nosnou vrstvu z celulózy nanášejí ultratenká vlákna s průměrem pouhých nm. Nové skládané struktury se vzájemně uzavřenými kanály, podobně jako u filtrů sazí, jsou těsně před uvedením na trh. Fitrační médium ze syntetických vláken pro vzduchové filtry NMM064Y Obrázek Vysoce výkonné syntetické filtrační rouno s plynule rostoucí hustotou a zmenšujícím se průměrem vláken v příčném řezu od sací strany ke straně výstupu čistého vzduchu. Zdroj: Freudenberg Vliesstoffe KG

47 46 Systémy pro řízení plnění motoru Vzduchové filtry sání motoru Kuželovité, oválné a stupňovité jakož i lichoběžníkové geometrie rozšiřují standardní konstrukční tvary, aby bylo možné optimálně využít stále těsnější zástavbový prostor v motorovém prostoru. Tlumič hluku Dříve bývala pouzdra vzduchových filtrů provedena téměř výhradně jako tlumicí filtr. Velký objem je u těchto pouzder dimenzován pro akustické účely. Mezitím se stále více obě funkce filtrace a akustika/ omezení hluku motoru oddělují a jednotlivé rozonátory se optimalizují odděleně. Tak je možné i pouzdro filtru rozměrově minimalizovat. Proto vznikají velmi ploché filtry, které lze integrovat např. do designových krytů motoru, zatímco rezonátory nacházejí místo v méně přístupných místech motorového prostoru. Vzduchový filtr pro osobní vozidla Modul sání vzduchu pro osobní vozidlo (obr. ) zahrnuje vedle skříně ( a 3) s válcovým filtračním prvkem () veškerá přívodní vedení (5 a 6) a modul sání (4). Mezi tím se rozprostírají Helmholtzovy rezonátory a trubky s délkou λ/4 pro akustiku. S pomocí této kompletní optimalizace systému lze jednotlivé komponenty lépe vzájemně přizpůsobit a dodržet stále se zostřující požadavky na akustiku (hladina hluku). Stále více jsou poptávány konstrukční součásti pro odlučování vody, které se integrují do systému sání vzduchu. Slouží především k ochraně měřiče hmotnosti vzduchu (HFM), měřícího hmotnostní tok vzduchu. Kapičky vody, které se při nepříznivém uspořádání sacího nátrubku, při silném dešti, přívalové stříkající vodě (např. u terénních vozidel) nebo sněžení spolu se vzduchem nasávají a dostávají ke snímači, mohou vést k chybnému zjišťování plnění válců. Modul sání vzduchu pro osobní vozy (příklad) Obrázek Víko skříně filtru Filtrační prvek 3 Skříň filtru 4 Modul sání 5 Přívodní vedení 6 Přívodní vedení 4 SMM069Y

48 Systémy pro řízení plnění motoru Vzduchové filtry sání motoru 47 K odlučování vodních kapek se používají zarážky, zabudované do sacích vedení, nebo konstrukce podobné cyklónu (cyklón = vírový odprašovač). Čím kratší je cesta od vstupu vzduchu k filtračnímu prvku, tím je obtížnější řešení, neboť jsou povoleny jen velmi malé tlakové ztráty při proudění. Je ale též možné použít vhodně konstruované filtrační prvky, které shromažďují vodní kapky (kapky se slévají, spojují se) a vodní film ještě před vlastním částicovým filtračním prvkem odvádějí ven. Pouzdro speciálně konstruované k tomuto účelu podporuje tento proces. Takové uspořádání lze úspěšně použít k odlučování vody též u velmi krátkých vedení vzduchu. Vzduchový filtr pro užitková vozidla Obrázek 3 ukazuje plastový vzduchový filtr pro užitková vozidla, nenáročný na údržbu a optimalizovaný na hmotnost. Vedle vyšší odlučovací schopnosti jsou k tomu vhodné filtrační prvky dimenzovány tak, aby byly možné servisní intervaly přes km. Značně tak převyšují to, co je běžné u osobních vozidel. V zemích s vysokým znečištěním prachem, ale též u stavebních strojů a v zemědělství, je před filtračním prvkem zařazen předběžný odlučovač. Tento odlučovač odděluje velké, objemné prachové frakce a značně tak zvyšuje životnost filtračního 3 Papírový vzduchový filtr pro užitkové vozy (příklad) prvku. V nejjednodušším případě se jedná o věnec rozváděcích lopatek, jímž je proudící vzduch uváděn do rotace. Díky odstředivé síle jsou odlučovány hrubé prachové částice. Ale teprve předřazené baterie minicyklónů (vírových odprašovačů), optimalizované pro následný filtrační prvek, skutečně vyčerpávají potenciál odstředivých odlučovačů ve vzduchových filtrech užitkových vozidel. SMM068Y Obrázek 3 Výstup vzduchu Vstup vzduchu 3 Filtrační vložka 4 Opěrná trubka 5 Skříň 6 Prachový hrnec

49 48 Základy vstřikování paliva vznětového motoru Rozdělení směsi Základy vstřikování paliva vznětového motoru ) Stechiometrický poměr popisuje, kolik je potřeba kilogramů vzduchu k dokonalému spálení kg paliva (mvzduch /mpalivo ). U paliva pro vznětový motor je tento poměr cca. 4,5. Obrázek U skleněných motorů lze procesy vstřikování a spalování pozorovat přes skleněné vložky a zrcátka. Časy jsou udávané po začátku vlastního svícení hoření a 00 μs b 400 μs c 5 μs d 00 μs Spalovací procesy ve vznětovém motoru - a tím výkon motoru, spotřeba paliva, složení spalin a hluk spalování závisejí rozhodující měrou na přípravě směsi vzduchu a paliva.. Pro kvalitu tvorby směsi jsou rozhodující především následující parametry vstřikování paliva: počátek vstřiku průběh a doba trvání vstřiku vstřikovací tlak počet vstřiků. U vznětového motoru se emise spalin a hluku podstatnou měrou redukují pomocí opatření uvnitř motoru, tzn. řízením průběhu spalování. Až do 80.let 0.století se u motorů vozidel regulovalo množství paliva a počátek vstřiku výhradně mechanicky. Dodržení aktuálních hraničních hodnot spalin však vyžaduje velmi přesné a provoznímu stavu motoru přizpůsobené stanovení vstřikovacích parametrů pro pilotní a hlavní vstřik jako jsou vstřikované množství, vstřikovací tlak a počátek vstřiku. To lze uskutečnit jen elektronickou regulací, která vypočítává veličiny vstřikování v závislosti na teplotě, otáčkách, zatížení, nadmořské výšce atd. Elektronická regulace vznětového motoru (EDC) se dnes všeobecně prosadila ve vozidlech se vznětovými motory. Budoucí stále přísnější emisní normy navíc vyžadují u vznětového motoru použití dalších opatření ke snížení emisí škodlivin. Díky vysokým vstřikovacím tlakům, jaké lze dnes dosáhnout u systémů sdružených vstřikovačů, a díky průběhu vstřiku, nastavitelném nezávisle na tvorbě tlaku, jak se používá u systému Common Rail, lze dále snižovat emise při současném zohlednění hluku spalování. Rozdělení směsi Vzdušný součinitel l Pro vyjádření toho, jak se skutečná směs vzduchu a paliva odchyluje od stechiometrického ) hmotnostního poměru, byl zaveden vzdušný součinitel l (lambda). Vzdušný součinitel udává poměr hmotnosti přiváděného vzduchu vůči požadovanému při stechiometrickém spalování: l = Průběh hoření v pokusném motoru s přímým vstřikováním s víceotvorovou tryskou a c hmotnost vzduchu hmotnost paliva. stechiometrický poměr l = : Hmotnost přiváděného vzduchu odpovídá teoretické požadované hmotnosti vzduchu, která je potřebná k tomu, aby shořelo veškeré palivo. l < : Panuje nedostatek vzduchu a tím bohatá směs. l > : Panuje přebytek vzduchu a tím chudá směs. Hodnoty lambda u vznětového motoru Zóny bohaté směsi jsou zodpovědné za čadivé spalování. Aby nevznikalo příliš zón bohaté směsi, musí se pracovat na rozdíl od zážehového motoru celkově s přebytkem vzduchu. Hodnoty lambda přeplňovaných motorů se pohybují při plném zatí- b d SMK865Y

50 Základy vstřikování paliva vznětového motoru Rozdělení směsi 49 žení mezi l =,5 a l =,0. Při volnoběhu a nulovém zatížení rostou hodnoty na l > 0. Tyto vzdušné součinitele představují poměr hmotnosti veškerého vzduchu a paliva ve válci. Pro samovznícení a tvorbu škodlivin jsou však v podstatné míře zodpovědné lokální hodnoty lambda, které prostorově silně kolísají. Vznětový motor pracuje s heterogenní vnitřní tvorbou směsi a samovznícením. Zcela homogenní smíšení vstřikovaného paliva se vzduchem před nebo během hoření není možné. U heterogenní směsi vznětového motoru pokrývají lokální hodnoty vzduchového součinitele všechny hodnoty od l = 0 (čisté palivo) v jádru paprsku v blízkosti otvoru trysky až po l = (čistý vzduch) ve vnější zóně paprsku. V okrajové zóně (obal par) jednotlivé tekuté kapky se vyskytují lokálně zápalné hodnoty lambda 0,3,5 (obrázky a 3). Z toho se dá odvodit, že dobrým rozprášením (mnoho malých kapiček), vysokým celkovým přebytkem vzduchu a dávkovaným pohybem náplně vzniká mnoho lokálních zón chudé směsi se zápalnými hodnotami lambda. To způsobuje, že při hoření vzniká méně sazí, takže se zvyšuje snesitelná míra recirkulace spalin, umožňující redukci emisí NO X. Dobré rozprášení se dosahuje vysokými vstřikovacími tlaky: v současnosti se pohybují na maximální hodnotě 00 barů u systémů UIS (sdružené vstřikovače), systémy Common Rail pracují s maximálním vstřikovacím tlakem 800 barů. Tím vzniká mezi palivovým paprskem a vzduchem ve válci vysoká relativní rychlost, která tak palivový paprsek roztrhá. S ohledem na nízkou hmotnost motoru a náklady na motor by mělo být získáno maximum výkonu z daného zdvihového objemu. Při vysokém zatížení proto musí motor pracovat s co nejmenším přebytkem vzduchu. Nedostatečný přebytek vzduchu ovšem zvyšuje zejména emise sazí. Aby byly omezeny, musí se při disponibilním množství vzduchu a v závislosti na otáčkách motoru přesně dávkovat množství paliva. Při nízkém tlaku vzduchu (např. ve vysoké nadmořské výšce) je rovněž potřeba, aby bylo množství paliva přizpůsobeno nižšímu nabízenému množství vzduchu. Průběh poměru vzduchu a paliva u klidné jednotlivé kapky 3 Průběh poměru vzduchu a paliva u pohybující se jednotlivé kapky Vzdušný součinitel l l = čistý vzduch vnější zóna plamene a b Obrázek d průměr kapky (cca. 0 μm) Tekutá kapka paliva d 0 l = 0 jádro paprsku,5 0,3 zápalná oblast (zóna plamene) chudá meze zápalnosti bohatá vzdálenost r UMK0849-D SMK866Y Obrázek 3 a nízká náběžná rychlost proudění b vysoká náběžná rychlost proudění zóna plamene zóna páry 3 kapka paliva 4 proud vzduchu

51 50 Základy vstřikování paliva vznětového motoru Parametry vstřikování Parametry vstřikování Počátek vstřiku a dodávky Počátek vstřiku Počátek vstřikování paliva do spalovacího prostoru významně ovlivňuje počátek hoření směsi paliva se vzduchem a tím emise, spotřebu paliva a hluk spalování. Proto má počátek vstřiku, nazývaný také předvstřik, velký význam pro optimální chování motoru. Počátek vstřiku udává úhel klikového hřídele vůči horní úvrati (HÚ) pístu motoru, při němž vstřikovací tryska otvírá a vstřikuje palivo do spalovacího prostoru motoru. Okamžitá poloha pístu vůči horní úvrati ovlivňuje pohyb vzduchu ve spalovacím prostoru a rovněž jeho hustotu a teplotu. Takže kvalita promíšení směsi vzduchu a paliva závisí též na počátku vstřiku. Počátek vstřiku má tudíž vliv na emise jako jsou saze, oxidy dusíku (NO X ), nespálené uhlovodíky (HC) a oxid uhelnatý (CO). Předepsané hodnoty pro počátek vstřiku jsou různé v závislosti na zatížení, otáčkách a teplotě motoru. Pro každý motor se zjišťují optimální hodnoty, přičemž se zohledňují dopady na spotřebu paliva, emise škodlivin a hluku. Takto zjištěné hodnoty se ukládají do datového pole počátku vstřiku (obr. 4). Pomocí datového pole se reguluje přestavení počátku vstřiku, závislé na zatížení. Systémy Common Rail nabízejí oproti systémům řízeným vačkou dodatečné stupně volnosti při volbě počtu a okamžiku vstřiků a vstřikovacího tlaku. Vyplývá to z toho, že tlak paliva je tvořen samostatným vysokotlakým čerpadlem a je prostřednictvím řízení motoru optimálně přizpůsoben každému provoznímu bodu a vstřikování je řízeno magnetickými ventily nebo piezoelementy. Směrné hodnoty pro počátek vstřiku 4 Pole charakteristik počátku vstřiku v závislosti na otáčkách a zatížení pro motor osobního vozu při studeném startu a provozní teplotě (příklad) 5 Pásma rozptylu emisí NOx a HC v závislosti na počátku vstřiku u užitkového vozu bez recirkulace spalin Obrázek 4 Studený start (< 0 C) Plné zatížení 3 Částečné zatížení 8KH 6 % 60 až cca. 0 před HÚ α N 0 α V Obrázek 5 Příklad aplikace: an Optimální počátek vstřiku při nulovém zatížení: nízké emise HC, zatímco emise NOx při nulovém zatížení jsou tak jako tak nízké. av Optimální počátek vstřiku při plném zatížení: nízké emise NOx, zatímco emise HC při plném zatížení jsou tak jako tak nízké. Počátek vstřiku před HÚ Otáčky 3 min UMK0797-D Emise KH 4 NO X 3 HÚ časný pozdní Počátek vstřiku HC UMK0796-D

52 Základy vstřikování paliva vznětového motoru Parametry vstřikování 5 V datovém poli vznětového motoru jsou pro nízkou spotřebu paliva optimální hodnoty počátku hoření v rozsahu 0 8 KH (úhlový stupeň otočení klikového hřídele) před horní úvratí. Z toho a z hraničních hodnot pro emise spalin vyplývají následující hodnoty počátku vstřiku: Motory s přímým vstřikováním pro osobní vozidla: nulové zatížení: KH před HÚ až 4 KH po HÚ částečné zatížení: 6 KH před HÚ až 4 KH po HÚ plné zatížení: 6 5 KH před HÚ Motory s přímým vstřikováním pro užitková vozidla (bez recirkulace spalin): nulové zatížení: 4 KH před HÚ plné zatížení: 3 6 KH před HÚ až KH po HÚ U studeného motoru osobních i užitkových vozidel je počátek vstřiku o 3 0 KH dříve. Doba hoření při plném zatížení činí KH. Počátek vstřiku před HÚ Nejvyšší kompresní teplota (teplota na konci komprese) nastává krátce před horní úvratí pístu. Zahájí-li se spalování daleko před HÚ, stoupá strmě tlak spalování a působí jako brzdicí síla proti pohybu pístu. Teplo, které se při tom vydává, zhoršuje účinnost motoru a zvyšuje tak spotřebu paliva. Strmý vzestup tlaku spalování má kromě toho za následek hlučné spalování. Počátek spalování časově posunutý vpřed zvyšuje teplotu ve spalovacím prostoru. Proto stoupají emise NO x a snižuje se tvorba HC (obr. 5). Minimalizace modrého a bílého kouře vyžaduje u studeného motoru brzké počátky vstřiku a/nebo pilotní vstřik. Počátek vstřiku po HÚ Pozdní počátek vstřiku při nízkém zatížení může vést k nedokonalému spalování a tím k emisím nedokonale spálených uhlovodíků (HC) a oxidu uhelnatého (CO), neboť teplota ve spalovacím prostoru již zase klesá (obr. 5). Částečně protichůdné závislosti specifické spotřeby paliva a emisí HC na jedné straně stejně jako emisí sazí (černý kouř) a emisí NO x na straně druhé vyžadují při přizpůsobení počátku vstřiku k danému motoru kompromisy a úzké tolerance. Počátek dodávky Vedle počátku vstřiku se často sleduje také počátek dodávky. Vztahuje se na počátek dodávky paliva vstřikovacím čerpadlem. Počátek dodávky hraje roli u starších vstřikovacích systémů, neboť u nich musí být k motoru přiřazeno řadové nebo rotační vstřikovací čerpadlo. Časové sladění čerpadla s motorem se provádí k počátku dodávky, jelikož ten lze zjistit snáze než skutečný počátek vstřiku. Tento postup je možný, protože mezi počátkem dodávky a počátkem vstřiku existuje definovaný vztah (zpoždění vstřiku )). Zpoždění vstřiku plyne z doby šíření tlakové vlny od vysokotlakého vstřikovacího čerpadla ke vstřikovací trysce a závisí tak na délce potrubí. Při různých otáčkách je výsledkem rozdílné zpoždění vstřiku vyjádřené ve stupních KH. Motor má při vyšších otáčkách také větší zpoždění vznícení ), vztažené na polohu klikového hřídele ( KH). Obojí se musí kompenzovat, a proto musí být u vstřikovacího systému mechanické nebo elektronické přestavení počátku dodávky, respektive počátku vstřiku, závislé na otáčkách, zatížení a teplotě motoru. ) Čas nebo uběhnutý úhel klikového hřídele ( KH) od počátku dodávky k počátku vstřiku ) Čas nebo uběhnutý úhel klikového hřídele ( KH) od počátku vstřiku k počátku vznícení

53 5 Základy vstřikování paliva vznětového motoru Parametry vstřikování 3 ) u čtyřdobých motorů odpovídají polovičním otáčkám motoru Vstřikovaná dávka Potřebná hmotnost paliva m e pro jeden válec motoru na pracovní dobu se vypočítá podle následujícího vzorce: P b e 33,33 m e = [mg/zdvih] n z P výkon motoru v kw b e specifická spotřeba paliva motoru v g/kwh n otáčky motoru v min z počet válců motoru Odpovídající objem paliva (vstřikovaná dávka) Q H v mm 3 /zdvih respektive mm 3 /vstřikovací cyklus pak je: Q H = P b e 000 [mm 3 /zdvih] 30 n z r Hustota paliva r v g/cm 3 závisí na teplotě Výkon odevzdávaný motorem je při předpokládané konstantní účinnosti (h,/b e ) přímo úměrný vstřikované dávce. Hmotnost paliva vstřikovaného vstřikovacím systémem závisí na následujících veličinách: průřezu vstřikovací trysky, jímž prochází palivo, době trvání vstřiku, průběhu rozdílového tlaku mezi vstřikovacím tlakem a tlakem ve spalovacím prostoru motoru a rovněž hustotě paliva Palivo pro vznětový motor je stlačitelné, tzn. při vysokých tlacích se stlačuje. To zvyšuje vstřikované množství; odchylkou požadovaného množství v datovém poli vůči skutečnému množství jsou ovlivněny výkon a produkce škodlivin. Precizně pracujícími vstřikovacími systémy s elektronickou regulací vznětového motoru lze tento vliv kompenzovat a velmi přesně dávkovat potřebné vstřikované množství paliva. Doba trvání vstřiku Hlavní veličina průběhu vstřiku je doba trvání vstřiku, během níž je otevřena vstřikovací tryska a palivo se vstřikuje do spalovacího prostoru. Udává se v úhlových stupních polohy klikového nebo vačkového hřídele ( KH respektive VH) nebo v milisekundách. Různé způsoby spalování vyžadují vždy rozdílné doby trvání vstřiku (přibližné údaje při jmenovitém výkonu): motory osobních vozů s přímým vstřikováním cca KH, komůrkové motory osobních vozů cca KH a motory užitkových vozů s přímým vstřikováním cca KH Úhel otočení klikového hřídele 30 KH, proběhnuvší za dobu trvání vstřiku, odpovídá 5 VH. To při otáčkách vstřikovacího čerpadla 3 ) 000 min vede k době trvání vstřiku,5 ms. Aby byly spotřeba paliva a emise udržovány na nízké úrovni, musí se doba trvání vstřiku určovat v závislosti na provozním bodu a sladit s počátkem vstřiku (obrázky 6 až 9). Průběh vstřiku Průběh vstřiku popisuje časový průběh hmotnostního toku paliva, který je vstřikován do spalovacího prostoru během doby trvání vstřiku. Průběh vstřiku u vstřikovacích systémů řízených vačkou U vstřikovacích systémů řízených vačkou se během procesu vstřikování kontinuálně vytváří tlak pístem čerpadla. Při tom má rychlost pístu přímý vliv na rychlost dodávky a tím na vstřikovací tlak. U rotačních a řadových vstřikovacích čerpadel řízených hranou nelze vytvořit pilotní vstřik. Dvoupružinové vstřikovače zde však nabízejí možnost snížit vstřikované množství (vztaženo na úhel otočení

54 0,08 0,09 Základy vstřikování paliva vznětového motoru Parametry vstřikování 53 6 Měrná spotřeba paliva be v kg/kwh v závislosti na počátku vstřiku a době trvání vstřiku 7 Měrné emise oxidů dusíku (NOX) v g/kwh v závislosti na počátku vstřiku a době trvání vstřiku KH po HÚ KH po HÚ 0, ,5 Počátek vstřiku Počátek vstřiku ,0 7,0 0,0 3,0-0 KH před HÚ KH Doba trvání vstřiku SMK867D -0 KH před HÚ 0 30,0 40,0 5,0 0, KH Doba trvání vstřiku SMK868D 8 Měrné emise nespálených uhlovodíků (HC) v g/kwh v závislosti na počátku vstřiku a době trvání vstřiku 9 Měrné emise sazí v g/kwh v závislosti na počátku vstřiku a době trvání vstřiku Počátek vstřiku KH po HÚ ,50,00 0,30 0,0 0,0 0,0 Počátek vstřiku KH po HÚ ,00 0,00 0,400 Obrázky 6 až 9 Motor: 6válcový vznětový motor užitkového vozu se vstřikovacím systémem Common Rail. Provozní bod: n = 400 min, 50 % plného zatížení. 0,00 0, KH po HÚ 0 0,09 0, KH Doba trvání vstřiku SMK869D -5-0 KH před HÚ 0 0,00 0, Doba trvání vstřiku KH SMK870D Variace (změny) doby trvání vstřiku v tomto příkladě se provádějí změnami vstřikovacího tlaku tak, aby se v každém vstřikovacím procesu dosáhlo konstantní vstřikované dávky.

55 54 Základy vstřikování paliva vznětového motoru Parametry vstřikování vačky) na počátku vstřikování, aby bylo dosaženo zlepšení ohledně hluku spalování. U rotačních vstřikovacích čerpadel řízených magnetickým ventilem je také možný pilotní vstřik. U systémů sdružených vstřikovačů (UIS) pro osobní vozy se uskutečňuje mechanicko-hydraulicky řízené pilotní vstřikování, které lze ale jen časově omezeně řídit. Vytváření tlaku a přichystání vstřikovaného množství je u vačkou řízených systémů svázáno vačkou a výtlačným pístem. To má pro chování vstřikování následující důsledky: vstřikovací tlak stoupá s rostoucími otáčkami (až k dosažení maximálního tlaku) a se vstřikovaným množstvím (obrázek 0), na počátku vstřikování narůstá vstřikovací tlak, ale před koncem vstřikování (od konce dodávky) opět klesá až k uzavíracímu tlaku trysky Důsledky toho jsou: malé vstřikované dávky jsou vstřikovány s nižším tlakem a průběh vstřikování je přibližně trojúhelníkový Tento trojúhelníkový průběh je v částečném zatížení a v oblasti nízkých otáček příznivý pro spalování, protože je dosaženo měkkého nárůstu tlaku a tím tichého spalování; nepříznivý je tento průběh při plném zatížení, jelikož při co možná nejvíc obdélníkovém průběhu s vysokými hodnotami vstřikovaného množství (vztaženo na úhel otočení vačky) se dosahuje lepšího využití vzduchu. U komůrkových motorů (motory s předkomůrkou nebo vířivou komůrkou) se používají škrticí čepové trysky, které vytvářejí jediný paprsek a utvářejí průběh vstřiku. Tyto vstřikovací trysky řídí výtokový průřez v závislosti na zdvihu jehly trysky. To vede též k měkkému nárůstu tlaku a tím k tichému spalování. Průběh vstřiku u systému Common Rail Vysokotlaké čerpadlo vytváří tlak v zásobníku paliva (Rail) nezávisle na vstřikování. Vstřikovací tlak je během procesu vstřikování přibližně konstantní (obrázek ). Vstřikované množství paliva je při daném tlaku úměrné době sepnutí ventilu v injektoru a nezávislé na otáčkách motoru, respektive čerpadla (časově řízené vstřikování). Z toho vychází téměř obdélníkový průběh vstřiku, který na základě kratších dob 0 Průběh vstřikovacího tlaku konvenčního vstřikování Průběh vstřikování u vstřikovacího systému Common Rail Obrázek 0 Vysoké otáčky motoru Střední otáčky motoru 3 Nízké otáčky motoru Obrázek pr tlak v railu po otvírací tlak trysky Vstřikovací tlak p e 3 Vstřikované množství m e UMK7-D Vstřikovací tlak p p r p o Pilotní vstřik Čas t Hlavní vstřik UMK585-3D

56 Základy vstřikování paliva vznětového motoru Parametry vstřikování 55 vstřiku a téměř konstantně vysokých rychlostí paprsku zlepšuje využití vzduchu při plném zatížení a tím dovoluje vyšší měrné výkony. S ohledem na hluk spalování je to spíše nepříznivé, jelikož kvůli vysoké rychlosti nárůstu vstřikovaného množství (vztaženo na úhel otočení vačky) na počátku vstřikování je vstřikováno velké množství paliva během doby zpoždění vznícení a to vede k vysokému nárůstu tlaku během spalování předem namíchané směsi. Díky možnosti zavést až dva pilotní vstřiky však lze spalovací prostor předehřát, čímž se zkrátí zpoždění vznícení a lze tak dosáhnout nejnižších hodnot hluku spalování. Protože injektory ovládá řídicí jednotka, lze počátek vstřiku, dobu trvání vstřiku a vstřikovací tlak v dané aplikaci motoru libovolně nastavit pro různé provozní body motoru. Jsou řízeny elektronickou regulací motoru (EDC). Pomocí vyrovnání množství injektoru (IMA) při tom řídicí jednotka EDC kompenzuje rozptyl množství paliva jednotlivých injektorů. Průběhy vstřikování Vstřikovací tlak p e p s Os. vozy 5 58KH Už. vozy 6 8KH p o HÚ v ZV* b (do KH) Úhel klikového hřídele Moderní vstřikovací systémy Common Rail s piezo-injektory dovolují více pilotních i dodatečných vstřiků, přičemž je možných až pět vstřiků během pracovního taktu. Vstřikovací funkce Podle motorové aplikace jsou požadovány následující funkce vstřikování (obr. ): pilotní vstřik () ke snížení hluku spalování a emisí NOx, zvláště u motorů s přímým vstřikováním, stoupající průběh tlaku během hlavního vstřiku (3) ke snížení emisí NO X -při provozu bez recirkulace spalin, průběh tlaku ve tvaru boty (4) během hlavního vstřiku ke snížení emisí NO X a sazí při provozu bez recirkulace spalin, konstantně vysoký tlak během hlavního vstřiku (3, 7) ke snížení emisí sazí při provozu s recirkulací spalin, časný dodatečný vstřik (8) ke snížení emisí sazí, pozdní dodatečný vstřik (9) k regeneraci systémů dodatečné úpravy spalin. *ZV: bez pilotního vstřiku: s pilotním vstřikem: 8 58KH (do 368KH) KH Počátek hlavního vstřiku (užitkové vozy při vysokém zatížení 5 před 5 KH po HÚ, osobní vozy až 5 KH před HÚ) 4 08KH 8KH 9 8KH UMK7-3D Obrázek Přizpůsobení pro dosažení nízkých hodnot NOx vyžadují při vysokém zatížení počátky vstřiku okolo HÚ. Počátek dodávky leží značně před počátkem vstřiku, zpoždění vstřiku je závislé na vstřikovacím systému. Pilotní vstřik Hlavní vstřik 3 Strmý vzestup tlaku (Common Rail) 4 Vzestup tlaku ve tvaru boty (UPS s dvoustupňově otvírající jehlou magnetického ventilu CCRS). S dvoupružinovými vstřikovači lze dosáhnout botového tvaru průběhu zdvihu jehly trysky (nikoliv průběhu tlaku!). 5 Stoupající průběh tlaku (konvenční vstřikování) 6 Plochý pokles tlaku (řadová a rotační vstřikovací čerpadla) 7 Strmý pokles tlaku (UIS, UPS, u systému Common Rail trochu plošší) 8 Časný dodatečný vstřik 9 Pozdní dodatečný vstřik ps Špičkový tlak po Otvírací tlak trysky b Doba hoření hlavní vstřiku v Doba hoření pilotního vstřiku ZV Zpoždění vznícení hlavního vstřiku

57 56 Základy vstřikování paliva vznětového motoru Parametry vstřikování Obrázek 3 a bez pilotního vstřiku b s pilotním vstřikem hpi Zdvih jehly při pilotním vstřiku hmi Zdvih jehly při hlavním vstřiku Pilotní vstřik Spalováním malého množství paliva (cca. mg) během fáze komprese se zvýší úroveň tlaku a teploty ve válci v okamžiku hlavního vstřiku (obrázek 3). Tím se zkrátí zpoždění vznícení hlavního vstřiku. Projeví se to příznivě na hluku spalování, protože klesá podíl paliva při spalování předtím namíchané směsi. Současně se zvyšuje difúsně spálené množství paliva. Tím a kvůli zvýšené úrovni teploty ve válci se zvyšují emise sazí a NO X. Na druhé straně jsou vyšší teploty ve spalovacím prostoru především při studeném startu a v oblasti nízkého zatížení příznivé pro stabilizaci spalování a tím snížení emisí HC a CO. Přizpůsobením časového odstupu mezi pilotním a hlavním vstřikem a dávkováním množství paliva pilotního vstřiku lze v závislosti na provozním bodě nastavit vhodný kompromis mezi hlukem spalování a emisemi NO X. Pozdní dodatečný vstřik Při pozdním dodatečném vstřiku se palivo nespaluje, nýbrž se v důsledku zbytkového 3 Tlak spalování p z Zdvih jehly trysky h Vliv pilotního vstřiku na průběh tlaku spalování h PI b a b OT h MI a,b Úhel klikového hřídele UMK587-6D tepla odpařuje ve spalinách. Dodatečný vstřik přichází po hlavním vstřiku během expanzní nebo výfukové doby do 00 KH po HÚ. Dodává přesně dávkované množství paliva do spalin. Tato směs spalin s palivem je ve výfukové době vypouštěna výfukovými ventily do výfukového systému. Pozdní dodatečný vstřik slouží v zásadě k přichystání uhlovodíků, které oxidací v oxidačním katalyzátoru rovněž způsobují zvýšení teploty spalin. Toto opatření se používá k regeneraci systémů dodatečné úpravy spalin, jakými jsou částicový filtr nebo zásobníkový katalyzátor NO X. Protože pozdní dodatečný vstřik může vést k ředění motorového oleje palivem, musí se odsouhlasit s výrobcem motoru. Časný dodatečný vstřik U systému Common Rail je možné uskutečnit dodatečný vstřik bezprostředně po hlavním vstřiku do ještě trvajícího hoření. Částice sazí se tímto způsobem dodatečně spálí a emise sazí se sníží o 0 70 %. Časové chování ve vstřikovacím systému Obrázek 4 představuje na příkladu rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálním pístem (VP44), jak vačka na vačkovém kruhu zahajuje dodávku a palivo nakonec vystupuje z trysky. Ukazuje, že se průběh tlaku a vstřiku od vysokotlakého prostoru (prostor elementu) až po trysku silně mění a je ovlivněn součástmi, které určují vstřik (vačka, element, tlakový ventil, potrubí a tryska). Proto je nutné přesné naladění vstřikovacího systému na motor. U všech vstřikovacích systémů, u nichž je tlak vytvářen pístem čerpadla (řadová vstřikovací čerpadla, sdružené vstřikovače a sdružená čerpadla), je chování podobné. Škodlivý objem u konvenčních vstřikovacích systémů Pojem škodlivý objem označuje objem vysokotlaké strany vstřikovacího systému.

58 Základy vstřikování paliva vznětového motoru Parametry vstřikování 57 Skládá se z vysokotlaké oblasti vstřikovacího čerpadla, palivových potrubí a objemu vstřikovače. Škodlivý objem je při každém vstřiku napumpován a na konci zase uvolněn. Tím vznikají kompresní ztráty a průběh vstřiku se protahuje. V nitkovitém objemu potrubí se při tom v důsledku dynamických dějů tlakové vlny stlačuje palivo. Čím větší je škodlivý objem, tím horší je hydraulická účinnost vstřikovacího systému. Cílem při vývoji vstřikovacího systému proto je udržet škodlivý objem co nejmenší. U systému sdruženého vstřikovače (Unit Injector) je škodlivý objem nejmenší. Aby byla zaručena jednotná regulace pro motor, musejí být škodlivé objemy stejně velké pro všechny válce. Vstřikovací tlak U vstřikování se tlaková energie v palivu převádí na energii proudění. Vysoký tlak paliva vede k vysoké výtokové rychlosti paliva na výstupu vstřikovací trysky. Rozprášení nastává impulsní výměnou turbulentního vstřikovacího paprsku se vzduchem ve spalovacím prostoru. Palivo se proto rozpraší tím jemněji, čím vyšší je relativní rychlost mezi palivem a vzduchem a čím větší je hustota vzduchu ve spalovacím prostoru. Díky délce vysokotlakého palivového vedení naladěné na odraženou tlakovou vlnu může být vstřikovací tlak na trysce vyšší než ve vstřikovacím čerpadle. 4 Řetězec ovlivňujících veličin od zdvihu vačky po průběh vstřiku v závislosti na úhlu natočení vačkového hřídele Zdvih vačky Rychlost zdvihu Zdvih magnetického ventilu Tlak ve vedení na vstřikovacím čerpadle Tlak ve vedení na trysce Zdvih jehly trysky mm m/s mm 0, bar bar mm 0,5 0 t L h N v H h M p LP p LD h D Množství vstřikovaného paliva (vztažené na úhel vačky) mm 3 8VH HÚ Úhel vačkového hřídele Q UMK0798-D Obrázek 4 Příklad rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálním pístem (VP-44) při plném zatížení bez pilotního vstřiku tl doba průchodu paliva vedením

59 58 Základy vstřikování paliva vznětového motoru Parametry vstřikování Motory s přímým vstřikem (DI) U vznětových motorů s přímým vstřikem je rychlost vzduchu ve spalovacím prostoru poměrně nízká, protože se pohybuje jen na základě svojí hmotnostní setrvačnosti (tzn. vzduch si chce zachovat svoji vstupní rychlost, vzniká vír). Pohyb pístu posiluje vír ve válci, protože vytěsňující proudění přivádí vzduch do prohlubně dna pístu a tím do menšího průměru. Celkově je ale pohyb vzduchu menší než u komůrkových motorů. Kvůli menšímu pohybu vzduchu se musí palivo vstřikovat s vysokým tlakem. Systémy pro osobní vozidla v současné době vytvářejí při plném zatížení špičkové tlaky barů a pro užitkové vozy barů. Špičkový tlak je však k dispozici kromě systémů Common Rail jen v horní oblasti otáček. Pro příznivý průběh točivého momentu spolu s nízkou kouřivostí (tj. s nízkými emisemi částic) je rozhodující poměrně vysoký vstřikovací tlak při nízkých otáčkách s plným zatížením, přizpůsobený metodě spalování. Protože při nízkých otáčkách je hustota vzduchu ve válci poměrně malá, musí se vstřikovací tlak natolik omezit, aby se zabránilo nanášení paliva na stěnu válce. Od otáček cca 000 min - je použitelný maximální plnicí tlak, takže se může vstřikovací tlak zvýšit na maximální hodnotu. Aby se docílilo příznivé účinnosti motoru, musí vstřikování probíhat v určitém úhlovém okně okolo horní úvrati, závislém na otáčkách. Při vysokých otáčkách (jmenovitý výkon) jsou proto potřebné vysoké vstřikovací tlaky, aby se zkrátila doba vstřiku. Motory s nepřímým vstřikováním (IDI) U vznětových motorů s děleným spalovacím prostorem žene rostoucí tlak spalování náplň z předkomůrky nebo vířivé komůrky (vedlejší spalovací prostor) do hlavního spalovacího prostoru. Tato metoda pracuje s vysokými rychlostmi vzduchu ve vedlejším spalovacím prostoru a ve spojovacím kanálu mezi vedlejším a hlavním spalovacím prostorem. 5 Vliv vstřikovacího tlaku a počátku vstřiku na spotřebu paliva a emise sazí a oxidů dusíku Obrázek 5 Motor s přímým vstřikováním, otáčky motoru 00 min, střední tlak 6, bar pe Vstřikovací tlak αs Počátek vstřiku po HÚ SZB Stupeň černého kouře Spotřeba paliva b e Černý kouř SZ B 0 g/kwh a S +48 a S p e = 435 bar 800 bar 88 p e = 800 bar 435 bar Oxid dusíku NO X g/kwh UMK080-D

60 Základy vstřikování paliva vznětového motoru Provedení trysek a držáků trysek 59 Provedení trysek a držáků trysek Dostřik (úkap) Obzvláště nepříznivě se na kvalitě spalin projevují nechtěné dostřiky. Při dostřiku se vstřikovací tryska po uzavření ještě na krátkou dobu otevírá a odstříkne špatně zpracované palivo v pozdní době spalování. Toto palivo neshoří úplně nebo vůbec a proudí jako nespálený uhlovodík do výfuku. Rychle zavírající vstřikovače s dostatečně vysokým zavíracím tlakem a nízkým stálým tlakem ve vedení zabraňují tomuto jevu. Zbytkový objem Podobně jako dostřik se projevuje zbytkový objem ve vstřikovací trysce směrem za těsnicím sedlem. Palivo nahromaděné v takovém objemu vytéká po ukončení hoření do spalovacího prostoru a proudí také částečně do výfuku. Též toto palivo zvyšuje emise nespálených uhlovodíků (obrázek 6). Trysky, u nichž jsou vstřikovací otvory vyvrtány do těsnicího sedla, vykazují nejmenší zbytkový objem. Směr vstřiku Motory s přímým vstřikováním (DI) Vznětové motory s přímým vstřikováním pracují všeobecně s co možná nejvíc středově uspořádanými otvorovými tryskami s 4 až 0 vstřikovacími otvory (většinou 6 až 8 otvorů). Směr vstřiku je velmi přesně přizpůsoben spalovacímu prostoru. Odchylky řádově stupně od optimálního směru vstřiku vedou k měřitelnému zvýšení emisí sazí a spotřeby paliva. Motory s nepřímým vstřikováním (IDI) Komůrkové motory pracují s čepovými tryskami s pouze jedním vstřikovým paprskem. Tryska vstřikuje do předkomůrky nebo vířivé komůrky tak, aby se paprsek dotýkal žhavicí svíčky. Směr paprsku je přesně sladěn se spalovacím prostorem. Odchylky vedou k horšímu využití vzduchu pro spalování a tím k nárůstu emisí sazí a uhlovodíků. 6 Vliv provedení trysky na emise uhlovodíků g/kwh Emise HC b 7 Špičky trysek a b Obrázek 6 a Tryska s otvory do sedla b Tryska s miniaturním slepým vývrtem (Mikrosackloch) Motor s otvorem / válec Motor s otvory / válec 0 0 a 3 Objem vstřikovacího otvoru a slepého vývrtu trysky mm 3 UMK0800-D SMK858-Y Obrázek 7 a Tryska s otvory do sedla b Tryska s miniaturním slepým vývrtem Zbytkový objem

61 60 Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru Konstrukční typy Obrázek a Standardní řadové vstřikovací čerpadlo b Řadové vstřikovací čerpadlo se zdvihovým šoupátkem Válec čerpadla Sací otvor 3 Řídicí hrana 4 Píst čerpadla 5 Pružina pístu 6 Dráha natočení vyvolaná regulační tyčí (vstřikované množství) 7 Hnací vačka 8 Zdvihové šoupátko 9 Dráha přestavení vyvolaná stavěcím hřídelem (počátek dodávky) 0 Tok paliva ke vstřikovací trysce X Užitečný zdvih Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru Vstřikovací systém vstřikuje palivo do spalovacího prostoru pod vysokým tlakem, ve správném okamžiku a ve správném množství. Podstatnými součástmi vstřikovacího systému jsou vstřikovací čerpadlo, vytvářející vysoký tlak, a dále vstřikovací trysky, které jsou s výjimkou systému sdružených vstřikovačů (Unit Injektor) spojeny vysokotlakým potrubím se vstřikovacím čerpadlem. Vstřikovací trysky ční do spalovacího prostoru jednotlivých válců. U většiny systémů vstřikovací tryska otvírá, když tlak paliva dosáhne jistého otvíracího tlaku a zavírá, když tlak spadne pod tuto úroveň. Jen u systému Common Rail je tryska otvírána z vnějšku pomocí elektronické regulace Konstrukční typy Vstřikovací systémy se v zásadě liší ve způsobu vytváření vysokého tlaku a v řízení počátku vstřiku a doby vstřiku. Zatímco starší systémy jsou částečně ještě regulovány čistě mechanicky, v současné době se prosadila elektronická regulace. Princip funkce řadového vstřikovacího čerpadla a 0 X Řadová vstřikovací čerpadla Standardní řadová vstřikovací čerpadla Řadová vstřikovací čerpadla (obrázek ) mají pro každý válec motoru jeden element čerpadla, který se skládá z válce () a pístu (4). Píst čerpadla se pohybuje ve směru výtlaku (zde směrem nahoru) působením vačkového hřídele (7), integrovaného v čerpadle a poháněného motorem, a pomocí pružiny pístu je tlačen zpět. Jednotlivé elementy čerpadla jsou uspořádány do řady (proto název řadové vstřikovací čerpadlo). Zdvih pístu je neměnný. Uzavře-li horní hrana pístu při pohybu vzhůru sací otvor (), začíná vytváření vysokého tlaku. Tento okamžik je nazýván počátkem dodávky. Píst se pohybuje dále vzhůru. Proto roste tlak paliva, tryska otvírá a vstřikuje se palivo. Uvolní-li řídicí hrana (3), nacházející se šikmo v pístu, sací otvor, může palivo odtékat a tlak klesá. Jehla trysky zavírá a vstřikování je ukončeno. K řízení vstřikovaného množství v závislosti na otáčkách a zatížení je píst čerpadla natáčen regulační tyčí. Tím se mění poloha řídicí hrany vůči sacímu otvoru a v důsledku toho užitečný zdvih. Regulační tyč b X UMK759Y

62 Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru Konstrukční typy 6 Princip funkce rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálním pístem, řízeného hranou je ovládána mechanickým odstředivým regulátorem nebo elektrickým nastavovačem. Vstřikovací čerpadla, která pracují na tomto principu, se označují jako řízená hranou. Řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovým šoupátkem Řadové vstřikovací čerpadlo se zdvihovým šoupátkem má zdvihové šoupátko (obrázek, pozice 8) klouzající po pístu. Šoupátkem lze s pomocí stavěcího hřídele měnit předzdvih tj. dráhu pístu k uzavření sacího otvoru. Tím se přestavuje počátek dodávky. Řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovým šoupátkem jsou vždy regulována elektronicky. Vstřikované množství a počátek vstřiku se nastavují podle vypočítaných požadovaných hodnot. Naproti tomu u standardního řadového vstřikovacího čerpadla je počátek vstřiku závislý na otáčkách. X 8 palivo do vysokotlakého prostoru (6). Vytváření vysokého tlaku se provádí jedním axiálním pístem (obrázek, pozice 4) nebo několika radiálními písty (obrázek 3, pozice 4). Rotující centrální rozdělovací píst otvírá a zavírá řídicí drážku (8) a řídicí kanálky a rozděluje tak palivo k jednotlivým válcům motoru. Doba vstřiku se reguluje regulačním šoupátkem (obrázek, pozice 5) nebo vysokotlakým magnetickým ventilem (obrázek 3, pozice 5). Rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pístem Rotující kotoučová vačka (obrázek, pozice 3) je poháněna motorem. Počet vyvýšenin vačky na spodní straně kotoučové vačky odpovídá počtu válců motoru. Odvalují se po kladkách () prstence kladek a způsobují tím u rozdělovacího pístu navíc k otáčivému pohybu i pohyb zdvihový. Během jedné otáčky hnacího hřídele udělá píst tolik zdvihů, kolik je válců motoru, jimž je třeba dodávat palivo. 6 7 UMK760Y Obrázek Dráha přestavení vstřiku na kotouči kladek Kladka 3 Kotoučová vačka 4 Axiální píst 5 Regulační šoupátko 6 Vysokotlaký prostor 7 Tok paliva ke vstřikovací trysce 8 Řídicí drážka X Užitečný zdvih Rotační vstřikovací čerpadla Rotační vstřikovací čerpadla mají jen jeden vysokotlaký element pro všechny válce (obrázky a 3). Křídlové čerpadlo dodává

63 6 Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru Konstrukční typy 3 Princip funkce rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty řízeného magnetickým ventilem Obrázek 3 Dráha přestavení vstřiku na vačkovém prstenci Kladka 3 Vačkový prstenec 4 Radiální píst 5 Vysokotlaký magnetický ventil 6 Vysokotlaký prostor 7 Tok paliva ke vstřikovací trysce 8 Řídicí drážka UMK765Y U rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálním pístem, řízeného hranou, s mechanickým odstředivým otáčkovým regulátorem nebo elektronicky regulovaným nastavovačem určuje regulační šoupátko (5) užitečný zdvih a dávkuje tím vstřikované množství. Přesuvník vstřiku přestavuje počátek dodávky čerpadla otáčením válečkového kotouče. Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty Tlak se vytváří radiálním pístovým čerpadlem s vačkovým prstencem (obrázek 3, pozice 3) a dvěma až čtyřmi radiálními písty (4). Radiálními pístovými čerpadly lze dosahovat vyšších vstřikovacích tlaků než čerpadly s axiálním pístem. Musí však vykazovat vyšší mechanickou pevnost. Vačkový prstenec lze natáčet přesuvníkem vstřiku (), čímž se posouvá počátek dodávky. Počátek vstřiku a doba vstřiku se u rotačních vstřikovacích čerpadel s radiálními písty řídí výhradně magnetickými ventily. Rotační vstřikovací čerpadla řízená magnetickými ventily U rotačních vstřikovacích čerpadel řízených magnetickými ventily je elektronicky řízeným vysokotlakým magnetickým ventilem (5) dávkováno vstřikované množství a měněn počátek vstřiku. Je-li magnetický ventil uzavřen, může se ve vysokotlakém prostoru (6) vytvářet tlak. Je-li otevřen, uniká palivo, takže nelze vytvářet tlak a proto ani nelze vstřikovat. Jedna nebo dvě řídicí jednotky (řídicí jednotka čerpadla a případně řídicí jednotka motoru) vytvářejí řídicí a regulační signály. Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF (čerpadlo s cizím pohonem, Pumpe mit Fremdantrieb), používaná především pro lodní motory, lokomotivy, stavební stroje a malé motory, jsou poháněna přímo vačkovým hřídelem motoru. Vačkový hřídel motoru má kromě vaček pro časování ventilů hnací vačky pro jednotlivá vstřikovací čerpadla. Princip činnosti samostatného jednoválcového vstřikovacího čerpadla PF jinak odpovídá v podstatě řadovému vstřikovacímu čerpadlu.

64 Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru Konstrukční typy 63 Systém sdruženého vstřikovače UIS (Unit Injector System) U systému sdruženého vstřikovače, UIS (nazývaného též jednotka čerpadlo - tryska, PDE), tvoří vstřikovací čerpadlo a vstřikovací tryska jeden celek (obrázek 4). Pro každý válec motoru je v hlavě válců zabudován jeden sdružený vstřikovač. Je poháněn vačkovým hřídelem buď přímo prostřednictvím zdvihátka nebo nepřímo pomocí vahadla Díky integrované konstrukci sdruženého vstřikovače odpadá vysokotlaké potrubí mezi vstřikovacím čerpadlem a tryskou, které je u jiných vstřikovacích systémů nezbytné. Proto může být systém sdruženého vstřikovače dimenzován na podstatně vyšší vstřikovací tlak. Maximální vstřikovací tlak je v současné době 00 barů (pro užitkové vozy). Systém sdruženého vstřikovače je řízen elektronicky. Počátek vstřiku a doba vstřiku jsou vypočítávány řídicí jednotkou a řízeny vysokotlakým magnetickým ventilem Systém jednotky čerpadla UPS (Unit Pump System) Modulární systém jednotky čerpadla, UPS (nazývaný též čerpadlo - vedení - tryska, PLD), pracuje stejným způsobem jako systém sdruženého vstřikovače (obrázek 5). Na rozdíl od systému sdruženého vstřikovače jsou vstřikovač () a vstřikovací čerpadlo spojeny krátkým vysokotlakým potrubím (3), přesně sladěným s danými komponenty. Toto oddělení vstřikovače od vytváření vysokého tlaku dovoluje jednodušší zástavbu do motoru. Pro každý válec motoru je vestavěna jedna vstřikovací jednotka (vstřikovací čerpadlo, potrubí a vstřikovač). Je poháněna vačkovým hřídelem motoru (6). Také u systému jednotky čerpadla jsou doba vstřiku a počátek vstřiku elektronicky regulovány pomocí rychle spínajícího vysokotlakého magnetického ventilu (4). 4 Princip funkce vysokotlakých součástí systému sdruženého vstřikovače 5 Princip funkce vysokotlakých součástí systému jednotky čerpadla (UPS) Obrázek 4 Hnací vačka Píst čerpadla 3 Vysokotlaký magnetický ventil 4 Vstřikovací tryska Obrázek 5 Vstřikovací tryska Vstřikovač 4 UMK76Y 6 UMK766Y 3 Vysokotlaké potrubí 4 Vysokotlaký magnetický ventil 5 Píst čerpadla 6 Hnací vačka

65 64 Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru Konstrukční typy Systém Commom Rail CR U vstřikovacího systému s vysokotlakým zásobníkem Common Rail jsou od sebe odděleny vytváření tlaku a vstřikování. Děje se tak s pomocí zásobního objemu, skládajícího se ze společné rozdělovací lišty (Common Rail) a vstřikovačů (obrázek 6). Vstřikovací tlak je vytvářen vysokotlakým čerpadlem do značné míry nezávisle na otáčkách motoru a vstřikovaném množství. Systém tak nabízí vysokou flexibilitu při utváření vstřikování. Úroveň tlaku je v současné době až 800 barů. Způsob činnosti Předřadné podávací čerpadlo čerpá palivo přes flitr s odlučovačem vody k vysokotlakému čerpadlu. Vysokotlaké čerpadlo se stará o trvale potřebný vysoký tlak paliva v railu (zásobníku paliva). Okamžik vstřiku a vstřikované množství, jakož i tlak v railu se vypočítávají v elektronické řídicí jednotce vznětového motoru (EDC, Electronic Diesel Control) v závislosti na provozních stavech motoru a okolních podmínkách. Dávkování paliva se provádí regulací doby vstřiku a vstřikovacího tlaku. Tlak je regulován prostřednictvím ventilu regulace tlaku, který přepouští přebytečné palivo zpět do palivové nádrže. V novější generaci systému Common Rail se regulace provádí pomocí dávkovací jednotky v nízkotlaké části, regulující čerpací výkon čerpadla. Injektor (vstřikovač) je připojen krátkým vedením k railu. U dřívějších generací CR se používají injektory s magnetickým ventilem, zatímco u nejnovějších systémů se používají piezo injektory. U nich jsou sníženy pohyblivé hmoty a vnitřní tření, díky čemuž lze realizovat velmi krátké časové odstupy mezi vstřiky. To se příznivě projevuje na emisích. 6 Princip funkce systému Common Rail 3 Obrázek 6 Vysokotlaké čerpadlo Rail (vysokotlaký zásobník paliva) 3 Injektor 4 Řídicí jednotka EDC EDC 6 4 UMK00Y

66 Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru 65 Přehled vstřikovacích systému pro vznětové motory Oblasti použití Vznětové motory se vyznačují vysokou hospodárností. Od začátku výroby prvního sériového vstřikovacího čerpadla Bosch v roce 97 se vstřikovací systémy neustále dále vyvíjejí. Vznětové motory se používají v rozmanitých provedeních ( obrázek ), např. jako pohon mobilních elektrocentrál (do cca. 0 kw/válec), rychloběžné motory pro osobní a lehká užitková vozidla (do cca. 50 kw/válec), motory pro stavebnictví, zemědělství a lesnictví (do cca. 50 kw/válec), motory pro těžká užitková vozidla, autobusy a tahače (do cca. 80 kw/válec), stacionární motory, např. pro záložní elektrocentrály (nouzové zdroje proudu) (do cca. 60 kw/válec), motory pro lokomotivy a lodě (až 000 kw/válec). Požadavky Zostřující se předpisy pro emise škodlivin a hluku a přání nižší spotřeby paliva kladou stále nové požadavky na vstřikovací zařízení vznětového motoru. Principielně musí vstřikovací zařízení pro dobrou přípravu směsi dle použitého způsobu spalování (přímé nebo nepřímé vstřikování) a provozního stavu vstříknout palivo pod vysokým tlakem (v současné době mezi 350 a 050 bary) do spalovacího prostoru vznětového motoru a při tom musí dávkovat vstřikované množství s nejvyšší možnou přesností. Regulace vznětového motoru v závislosti na zatížení a otáčkách se provádí dávkováním množství paliva bez škrcení nasávaného vzduchu. Mechanická regulace vstřikovacích systémů vznětového motoru je stále více vytlačována elektronickou regulací (EDC). V osobních a užitkových vozech jsou nové vstřikovací systémy vznětových motorů regulovány výhradně elektronickou regulací EDC. Oblasti použití vstřikovacích systémů Bosch pro vznětové motory Obrázek M PF VE VR M MW M MW A/P MW P/H MW ZWM CW VE PF VE PF VE PF VE PF VR VR VR VR UIS UIS UIS UPS UIS UPS UIS UPS PF(R) CR CR CR CR CR ZWM CW PF VE UPS PF(R) CR UMK563-4Y M, MW, A, P, H, ZWM, CW Řadová vstřikovací čerpadla s rostoucí konstrukční velikostí PF Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla VE Rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pístem VR Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty UIS Systém sdruženého vstřikovače UPS Sdružený vstřikovací systém CR Systém Common Rail

67 66 Přehled systémů řadových vstřikovacích čerpadel Oblasti použití, Provedení Přehled systémů řadových vstřikovacích čerpadel Žádný jiný vstřikovací systém není tak mnohostranně používán jako řadová vstřikovací čerpadla klasika vstřikovací techniky vznětového motoru.tento systém byl neustále dále vyvíjen a přizpůsobován odpovídající oblasti použití. Proto jsou i dnes ještě používány četné varianty. Obzvláště silnou stránkou těchto čerpadel je jejich robustnost a nenáročnost na údržbu. Oblasti použití Provedení Standardní řadové vstřikovací čerpadlo Momentálně vyráběné spektrum standardních řadových vstřikovacích čerpadel zahrnuje značný počet typů (viz tabulka ). Používají se pro vznětové motory s válci a pokrývají tím oblast výkonů motoru od 0 do 00 kw na válec. Tato řadová vstřikovací čerpadla nacházejí využití jak pro motory s přímým vstřikem (DI), tak pro komůrkové motory (IDI). Vstřikovací zařízení zásobuje vznětový motor palivem. K tomu vytváří vstřikovací čerpadlo tlak potřebný pro vstřikování a dává k dispozici požadovanou dávku paliva. Palivo je dopravováno vysokotlakým vedením ke vstřikovací trysce a vstřikováno do spalovacího prostoru motoru. Spalovací procesy ve vznětovém motoru jsou rozhodující měrou závislé na tom, v jakém množství a jakým způsobem je palivo přivedeno do spalovacího prostoru. Nejdůležitějšími kritérii při tom jsou: časový okamžik a doba trvání vstřiku paliva, rozdělení paliva ve spalovacím prostoru, časový okamžik počátku hoření, přivedené množství paliva na stupeň úhlu otočení klikového hřídele a celkové množství přivedeného paliva odpovídající požadovanému výkonu motoru. Řadové vstřikovací čerpadlo se celosvětově používá v motorech středních a těžkých užitkových vozidel a odpovídajících lodních a stacionárních motorech. Jejich řízení se provádí buď mechanickým odstředivým regulátorem a případ od případu montovaným přesuvníkem vstřiku nebo elektronickým regulátorem (tabulka, následující dvoustrana). Na rozdíl od všech ostatních vstřikovacích systémů se řadové vstřikovací čerpadlo maže oběhem motorového oleje. Proto zvládne i horší kvalitu paliva. Podle vstřikovacího tlaku, vstřikovaného množství a doby vstřiku jsou k dispozici následující provedení: M pro 4 6 válců do 550 barů, A pro válců do 750 barů, P3000 pro 4 válců do 950 barů, P700 pro 4 válců do 00 barů, P8000 pro 6 válců do 300 barů, P8500 pro 4 válců do 300 barů, R pro 4 válců do 50 barů, P0 pro 6 válců do 00 barů, ZW(M) pro 4 válců do 950 barů, P9 pro 6 válců do 00 barů a CW pro 6 0 válců do 000 barů. V oblasti užitkových vozidel je montován hlavně typ P. Řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovým šoupátkem K řadovým vstřikovacím čerpadlům patří také řadové vstřikovací čerpadlo se zdvihovým šoupátkem (typové označení H), u něhož lze kromě dodávaného množství měnit i počátek dodávky. Toto čerpadlo H je řízeno elektronickým regulátorem RE, obsahujícím dva nastavovače. Tento systém umožňuje regulaci počátku vstřiku a vstřikovaného množství pomocí dvou regulačních tyčí a automatický přesuvník vstřiku se tak stává zbytečným. K dispozici jsou následující provedení: H pro 6 8 válců do 300 barů a H000 pro 5 8 válců do 350 barů.

68 Přehled systémů řadových vstřikovacích čerpadel Konstrukce, Regulace 67 Konstrukce Regulace Ke kompletnímu vstřikovacímu zařízení (obrázky a ) patří kromě řadového vstřikovacího čerpadla: předřadné podávací palivové čerpadlo k nasátí a dodání paliva z palivové nádrže přes palivový filtr a palivové potrubí ke vstřikovacímu čerpadlu, mechanická nebo elektronická regulace otáček motoru a vstřikovaného množství paliva, přesuvník vstřiku (je-li potřeba) k otáčkově závislému přestavení počátku dodávky, počet vysokotlakých palivových potrubí odpovídající počtu válců motoru a vstřikovače. Pro bezvadnou funkci vznětového motoru musejí být všechny komponenty vstřikovací soustavy vzájemně sladěné. Vstřikovací systém s mechanicky regulovaným standardním řadovým vstřikovacím čerpadlem O dodržení provozních podmínek se stará vstřikovací čerpadlo a regulátor, který působí na regulační tyč vstřikovacího čerpadla. Točivý moment motoru je přibližně proporcionální (úměrný) množství vstřikovaného paliva na zdvih pístu. Mechanické regulátory Mechanický regulátor řadového vstřikovacího čerpadla je nazýván též odstředivým regulátorem. Je spojen táhlem a regulační pákou s plynovým pedálem. Regulátor na výstupní straně ovládá regulační tyč čerpadla. Od regulátoru jsou požadovány podle oblasti použití rozdílné regulační charakteristiky: omezovací regulátor RQ omezuje maximální otáčky. omezovací regulátor RQ s regulátorem volnoběžných otáček RQU regulují kromě maximálních otáček též otáčky volnoběhu UMK0784-Y Obrázek Palivová nádrž Palivový filtr s přepadovým ventilem (volitelně) 3 Přesuvník vstřiku 4 Řadové vstřikovací čerpadlo 5 Předřadné podávací palivové čerpadlo (namontované na vstřikovacím čerpadle) 6 Odstředivý regulátor 7 Plynový pedál 8 Vysokotlaké palivové potrubí 9 Vstřikovač 0 Zpětné palivové potrubí Kolíková žhavicí svíčka GLP Řídicí jednotka doby žhavení GZS 3 Akumulátor 4 Spínací skříňka 5 Vznětový motor s nepřímým vstřikováním (Indirect Injection Engine, IDI)

69 68 Přehled systémů řadových vstřikovacích čerpadel Regulace Obrázek Palivová nádrž Palivový filtr 3 Elektrický ventil odpojení paliva ELAB 4 Řadové vstřikovací čerpadlo 5 Předřadné podávací palivové čerpadlo 6 Snímač teploty paliva 7 Regulátor počátku dodávky 8 Regulátor množství paliva se snímačem regulační dráhy a snímačem otáček 9 Vstřikovač 0 Kolíková žhavicí svíčka GLP Snímač teploty motoru (v okruhu chladicí kapaliny) Snímač otáček klikového hřídele 3 Vznětový motor s přímým vstřikem (Direkt Injection Engine, DI) 4 Řídicí jednotka doby žhavení GZS 5 Řídicí jednotka motoru MSG 6 Snímač teploty vzduchu 7 Snímač plnicího tlaku 8 Turbodmychadlo 9 Snímač plynového pedálu 0 Ovládací prvek pro např. FGR (tempomat), EDR, HGB nebo ZDR Tachograf nebo snímač jízdní rychlosti Spínače na pedálu spojky, brzdy a motorové brzdy 3 Akumulátor 4 Diagnostické rozhraní 5 Spínací skříňka výkonnostní regulátory RQV, RQUV, RQV K, RSV a RSUV regulují navíc i v oblastech otáček mezi volnoběžnými a maximálními Přesuvník vstřiku K řízení počátku vstřiku a ke kompenzaci doby šíření tlakové vlny ve vstřikovacím potrubí slouží u standardního řadového vstřikovacího čerpadla přesuvník vstřiku, který přestavuje počátek dodávky vstřikovacího čerpadla s rostoucími otáčkami směrem k časnějšímu. Ve zvláštních případech je čerpadlo opatřeno řízením v závislosti na zatížení. Řízení vznětového motoru závislé na zatížení a otáčkách je určováno vstřikovaným množstvím bez škrcení nasávaného vzduchu. Elektronické regulátory Při použití elektronického regulátoru se na plynovém pedálu nachází snímač, spojený s elektronickou řídicí jednotkou. Převádí polohu plynového pedálu se zohledněním Vstřikovací systém s elektronicky regulovaným řadovým vstřikovacím čerpadlem se zdvihovým šoupátkem okamžitých otáček na odpovídající požadovanou dráhu regulační tyče. Elektronický regulátor splňuje podstatně rozsáhlejší požadavky než mechanický regulátor. Pomocí elektrického měření, pružného elektronického zpracování dat a pomocí regulačních obvodů s elektrickými nastavovači umožňuje rozšířené zpracování ovlivňujících veličin, které dosud nemohly být mechanickými regulátory zohledněny. Elektronická regulace vznětového motoru dovoluje též výměnu dat s ostatními elektronickými regulacemi vozidla (např. s protiprokluzovou regulací ASR, elektronickým řízením převodovky) a tím i integraci do komplexního systému vozidla. Elektronická regulace vznětového motoru díky přesnému dávkování paliva zlepšuje emisní chování vznětového motoru UMK0657-Y

70 Přehled systémů řadových vstřikovacích čerpadel Regulace 69 Oblasti použití nejdůležitějších řadových vstřikovacích čerpadel a jejich regulátorů Oblast použití Typ čerpadla Osobní vozy Stacionární motory Užitkové vozy Stavební a zemědělské stroje Standardní řad. vstřik. čerpadlo M Standardní řad. vstřik. čerpadlo A Standardní řad. vstřik. čerpadlo MW ) Standardní řad. vstřik. čerpadlo P Standardní řad. vstřik. čerpadlo R ) Standardní řad. vstřik. čerpadlo P0 Standardní řad. vstřik. čerpadlo ZW(M) Standardní řad. vstřik. čerpadlo P9 Standardní řad. vstřik. čerpadlo CW Řad. vstřik. čerpadlo H se zdvih. šoupátkem Druh regulátoru Omezovací reg. ot. a reg. volnoběhu RSF Omezovací reg. ot. a reg. volnoběhu RQ Omezovací reg. ot. a reg. volnoběhu RQU Výkonnostní regulátor otáček RQV Výkonnostní regulátor otáček RQUV Výkonnostní regulátor otáček RQV..K Výkonnostní regulátor otáček RSV Výkonnostní regulátor otáček RSUV RE (elektrický regulátor) Lokomotivy Lodě Tabulka ) Tento typ čerpadla se již nepoužívá pro nově vyvíjené systémy. ) Stejná konstrukce jako typ čerpadla P, avšak zesíleno. 3 Příklady řadových vstřikovacích čerpadel a b d c f 0 cm e NMK83Y Obrázek 3 Provedení čerpadel: a ZWM (8 válců) b CW (6 válců) c H (řadové vstřikovací čerpadlo se zdvihovými šoupátky) (6 válců) d P9/P0 (8 válců) e P700 (6 válců) f A (3 válce)

71 70 Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel Oblasti použití, Provedení Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel Spalovací procesy ve vznětovém motoru závisí v rozhodující míře na tom, jak je vstřikovacím systémem zpracováno palivo. Vstřikovací čerpadlo při tom hraje zásadní roli. Vytváří tlak potřebný pro vstřikování. Palivo je dopravováno vysokotlakým potrubím ke vstřikovačům a vstřikováno do spalovacího prostoru. Malé, rychloběžné vznětové motory vyžadují vstřikovací zařízení s vysokou výkonností, rychlými sledy vstřiků, nízkou hmotností a malým montážním objemem. Rotační rozdělovací čerpadla splňují tyto požadavky. Představují malý, kompaktní agregát, který zahrnuje podávací čerpadlo, vysokotlaké čerpadlo a regulaci. Po mechanické regulaci rotačních vstřikovacích čerpadle následovala elektronická regulace s elektrickým regulátorem. Později přišla na trh čerpadla s vysokotlakým magnetickým ventilem. Rotační vstřikovací čerpadla se vyznačují kromě své kompaktní konstrukce také mnohostranným použitím u osobních, lehkých užitkových vozidel, stacionárních motorů, stavebních a zemědělských strojů. Jmenovité otáčky, výkon a konstrukce vznětového motoru určují oblast použití a dimenzování rotačního vstřikovacího čerpadla. Nacházejí uplatnění u motorů s 3 6 válci. Oblasti použití Od uvedení v roce 96 se rotační vstřikovací čerpadlo s axiálním pístem stalo nejpoužívanějším vstřikovacím čerpadlem v osobních vozech. Vstřikovací čerpadlo a regulátor byly neustále vylepšovány. Bylo nutné zvýšení vstřikovacího tlaku, aby se u motorů s přímým vstřikem dosáhlo snížení spotřeby a aby bylo možné dodržet nižší hraniční hodnoty emisí. Celkem bylo u firmy Bosch mezi roky 96 a 00 vyrobeno přes 45 milionů vstřikovacích čerpadel VE s axiálním pístem a čerpadel VR s radiálními písty. Adekvátně rozmanitá jsou konstrukční provedení a uspořádání celého systému. Rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pístem pro motory s nepřímým vstřikováním (IDI) vytvářejí tlaky až do 350 barů (35 MPa) na vstřikovací trysce. Pro motory s přímým vstřikováním (DI) se používají jak rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pístem, tak i čerpadla s radiálními písty. Ta vytvářejí tlaky do 900 barů (90 MPa) pro pomaloběžné motory a až do 900 barů (90 MPa) pro rychloběžné motory. Rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pístem se používají pro motory s výkonem do 30 kw na válec, rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty do 45 kw na válec. Rotační vstřikovací čerpadla se mažou palivem a jsou proto bezúdržbová. Provedení Rotační vstřikovací čerpadla se rozlišují podle druhu jejich řízení množství, vytváření tlaku a regulace (obrázek ). Způsob řízení množství Vstřikovací čerpadla řízená hranou Doba trvání vstřiku se mění pomocí řídicích hran, vývrtů a šoupátka. Hydraulický přesuvník vstřiku mění počátek vstřiku. Vstřikovací čerpadla řízená magnetickými ventily Vysokotlaký magnetický ventil uzavírá vysokotlaký prostor a určuje tak počátek vstřiku a dobu vstřiku. Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty jsou řízena výhradně magnetickými ventily.

72 Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel Provedení 7 Způsob vytváření vysokého tlaku Rotační vstřikovací čerpadla VE s axiálním pístem Stlačují palivo jedním pístem, pohybujícím se axiálně vůči hnacímu hřídeli čerpadla. Rotační vstřikovací čerpadla VR s radiálními písty Stlačují palivo více písty, uspořádanými radiálně vůči hnacímu hřídeli čerpadla. S radiálními písty lze vytvářet vyšší tlaky než s axiálním pístem. Druh regulace Mechanická regulace Vstřikovací čerpadlo je regulováno regulátorem s navazujícími konstrukčními skupinami z pák, pružin, podtlakových dóz atd. Elektronická regulace Řidič dává požadavek na točivý moment respektive otáčky prostřednictvím pedálu plynu (snímač). V řídicí jednotce jsou naprogramovaná datová pole pro startovací množství, volnoběh, plné zatížení, charakteristiku plynového pedálu, omezení kouřivosti a charakteristiku čerpadla. S použitím těchto uložených hodnot datových polí a skutečných hodnot snímačů se stanovuje požadovaná hodnota pro akční členy čerpadla. Při tom se zohledňují aktuální provozní stav motoru a data okolního prostředí (např. úhel natočení a otáčky klikového hřídele, plnicí tlak, teplota nasávaného vzduchu, chladicí kapaliny a paliva, rychlost jízdy atd.). Řídicí jednotka pak ovládá regulátor respektive magnetické ventily ve vstřikovacím čerpadle podle předepsaných hodnot. Elektronickou regulací vznětového motoru EDC (Electronic Diesel Control) se získává oproti mechanické regulaci mnoho výhod: nižší spotřeba paliva, méně emisí, vyšší výkon a točivý moment díky zlepšené regulaci množství a přesnějšímu počátku vstřiku. nižší volnoběžné otáčky a přizpůsobení dodatečných komponentů (např. klimatizace) díky zlepšené regulaci otáček. zlepšené komfortní funkce (např. aktivní tlumení škubání, regulace rovnoměrnosti chodu motoru, regulace rychlosti jízdy). zlepšené možnosti diagnostiky dodatečné řídicí a regulační funkce (např. řízení doby žhavení, recirkulace spalin, regulace plnicího tlaku, elektronický imobilizér). výměna dat s ostatními elektronickými systémy (např. protiprokluzová regulace ASR, elektronické řízení převodovky) a tím integraci do komplexního systému vozidla. Provedení rotačních vstřikovacích čerpadel Rotační vstřikovací čerpadla Řízení množství Řízená hranou Řízená magnetickými ventily Regulace Mechanicky regulovaná Elektronicky regulovaná (EDC) Vytváření vysokého tlaku Čerpadlo s axiálním pístem VE..F VE..EDC VE..MV VR Čerpadlo s radiálními písty NMK794D

73 7 Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel Systémy řízené hranou ) U lodních motorů je to přesně naopak. Zde je vypínací ventil ELAB při vypnutém proudu otevřen. Obrázek Přívod paliva Táhlo 3 Pedál plynu 4 Rotační vstřikovací čerpadlo 5 Elektrický vypínací ventil ELAB 6 Vysokotlaké palivové potrubí 7 Zpětné palivové potrubí 8 Vstřikovač 9 Kolíková žhavicí svíčka GSK 0 Palivový filtr Palivová nádrž Předřadné podávací palivové čerpadlo (jen u dlouhých vedení nebo velkém výškovém rozdílu mezi palivovou nádrží a vstřikovacím čerpadlem) 3 Akumulátor 4 Spínací skříňka 5 Řídicí jednotka doby žhavení GZS 6 Vznětový motor s nepřímým vstřikováním (Indirect Injection Engine, IDI) Systémy řízené hranou Mechanicky regulovaná rotační vstřikovací čerpadla Mechanická regulace se používá výhradně u rotačních vstřikovacích čerpadel s axiálním pístem. Její výhoda spočívá v nízkých výrobních nákladech a relativně jednoduché údržbě. Mechanická regulace otáček zahrnuje různé provozní stavy a zajišťuje vysokou kvalitu zpracování směsi. Přídavné navazující konstrukční skupiny přizpůsobují okamžik vstřiku a vstřikované množství různým provozním stavům motoru: otáčkám motoru zatížení motoru teplotě motoru plnicímu tlaku a atmosférickému tlaku. Vstřikovací systém s mechanicky regulovaným rotačním vstřikovacím čerpadlem VE..F s axiálním pístem Ke vstřikovacímu zařízení vznětového motoru (obrázek ) patří kromě vstřikovacího čerpadla (4) palivová nádrž (), palivový filtr (0), předřadné podávací palivové čerpadlo (), vstřikovač (8) a palivová potrubí (, 6 a 7). Důležité komponenty vstřikovacího systému jsou vstřikovací trysky ve vstřikovačích. Jejich konstrukce zásadně ovlivňuje průběh vstřiku a vstřikový paprsek. Elektrický vypínací ventil ELAB (Elektrische Abstellventil) (5) přerušuje při vypnutém zapalování přívod paliva k vysokotlakému prostoru čerpadla ). Pedálem plynu (3) a bowdenem respektive táhlem () se řidičův požadavek výkonu přenáší na regulátor vstřikovacího čerpadla. Mimo to lze odpovídajícími navazujícími konstrukčními skupinami regulovat také volnoběžné a maximální otáčky a otáčky ležící mezi těmito krajními hodnotami. Označení VE..F znamená rotační vstřikovací čerpadlo s odstředivým regulátorem UMK99-Y

74 Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel Systémy řízené hranou 73 Elektronicky regulovaná rotační vstřikovací čerpadla Elektronická regulace vznětového motoru (EDC) oproti mechanické regulaci zohledňuje dodatečné požadavky. Pomocí elektrického měření, pružného elektronického zpracování dat a pomocí regulačních obvodů s elektrickými nastavovači umožňuje rozšířené zpracování ovlivňujících veličin, které nemohou být mechanickou regulací zohledněny. Obrázek ukazuje komponenty plně vybaveného vstřikovacího zařízení s elektronicky regulovaným rotačním vstřikovacím čerpadlem s axiálním pístem. Podle druhu použití a typu vozidla odpadají jednotlivé komponenty. Systém se skládá ze čtyř oblastí: zásobování palivem (nízkotlaká část), vstřikovací čerpadlo, elektronická regulace (EDC) se systémovými bloky snímačů, řídicí jednotky a akčních členů a rovněž periférie (např. turbodmychadlo, recirkulace spalin a řízení doby žhavení). Vstřikovací systém s elektronicky regulovaným rotačním vstřikovacím čerpadlem VE..EDC s axiálním pístem Magnetický regulátor ve vstřikovacím čerpadle (otočný nastavovač) nastupuje na místo mechanického regulátoru a ostatních konstrukčních skupin. Prostřednictvím hřídele posouvá regulačním šoupátkem, určujícím množství paliva. Řídicí průřezy jsou jako u mechanicky regulovaného vstřikovacího čerpadla podle polohy regulačního šoupátka dříve nebo později otvírány. V řídicí jednotce se s ohledem na uložené hodnoty datových polí a skutečné hodnoty snímačů vypočítává požadovaná hodnota polohy magnetického nastavovače vstřikovacího čerpadla. Snímač úhlu (např. polodiferenciální snímač se zkratovým kroužkem) zpětně hlásí řídicí jednotce úhel natočení nastavovače a tím polohu regulačního šoupátka. Tlak ve vnitřním prostoru čerpadla, závislý na otáčkách, působí prostřednictvím taktovaného magnetického ventilu na přesuvník vstřiku, načež přesuvník mění počátek vstřiku UMK797Y Obrázek Palivová nádrž Palivový filtr 3 Rotační vstřikovací čerpadlo s magnetickým nastavovačem, snímačem regulační dráhy a snímačem teploty paliva 4 Elektrický vypínací ventil ELAB 5 Magnetický ventil přesuvníku vstřiku 6 Vstřikovač se snímačem pohybu jehly (většinou. válec) 7 Kolíková žhavicí svíčka 8 Snímač teploty motoru (v okruhu chladicí kapaliny) 9 Snímač otáček klikového hřídele 0 Vznětový motor s přímým vstřikováním (Direct Injection Engine, DI) Řídicí jednotka motoru MSG Řídicí jednotka doby žhavení 3 Snímač jízdní rychlosti 4 Snímač polohy pedálu plynu 5 Ovládací díl regulátoru rychlosti (tempomat) 6 Spínací skříňka 7 Akumulátor 8 Diagnostické rozhraní 9 Snímač teploty vzduchu 0 Snímač plnicího tlaku Turbodmychadlo Snímač hmotnosti vzduchu

75 74 Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel Systémy řízené magnetickými ventily Systémy řízené magnetickými ventily Vstřikovací systémy řízené magnetickými ventily dovolují větší flexibilitu při dávkování paliva a změnách počátku vstřiku než systémy řízené hranou. Umožňují též pilotní vstřik ke snížení hluku a rovněž korekci množství paliva jednotlivých válců. Systém řízení motoru se vstřikovacími čerpadly řízenými magnetickými ventily se skládá ze čtyř oblastí (obrázek ): zásobování palivem (nízkotlaká část), vysokotlaká část se všemi vstřikovacími komponenty, elektronická regulace (EDC) se systémovými bloky snímačů, řídicí jednotky (případně jednotek) a akčních členů a rovněž systémy vzduchu a spalin (zásobování vzduchem, dodatečná úprava spalin a recirkulace spalin). Konfigurace řídicích jednotek Oddělené řídicí jednotky Vstřikovací zařízení s rotačními vstřikovacími čerpadly řízenými magnetickými ventily (VE..MV [VP30], VR [VP44] pro motory s přímým vstřikováním a VE..MV [VP9] pro motory s nepřímým vstřikováním) první generace vyžadovala dvě řídicí jednotky pro elektronické řízení vznětového motoru: řídicí jednotku motoru (MSG) a řídicí jednotku čerpadla (PSG). Toto rozdělení mělo dva důvody: na jedné straně se zabrání přehřívání určitých elektronických součástí v přímé blízkosti čerpadla a motoru. Na druhé straně se díky krátkým vedením k magnetickému ventilu vyloučí vliv rušivých signálů, které mohou vznikat v důsledku velkých proudů (až 0 A). Zatímco řídicí jednotka čerpadla přijímá od snímačů uvnitř čerpadla signály úhlu otáčení a teploty paliva a používá je pro přizpůsobení okamžiku vstřiku, řídicí jed- Systémové oblasti řízení motoru s rotačním vstřikovacím čerpadlem řízeným magnetickými ventily Elektronická regulace EDC: Řízení motoru, snímače, rozhraní Integrovaná řídicí jednotka Zásobování palivem (nízkotlaká část) Systémy vzduchu a spalin EDC Systém s oddělenou řídicí jednotkou Motor Vysokotlaká část Signály Palivo vznětového motoru NMK795D

76 Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel Systémy řízené magnetickými ventily 75 notka motoru zpracovává všechna data motoru a okolního prostředí, získaná externími snímači, a vypočítává z nich regulační zásahy, které je třeba provést v čerpadle. Řídicí jednotky motoru a čerpadla komunikují prostřednictvím rozhraní CAN. Integrovaná řídicí jednotka Teplotně odolné desky plošných spojů, zhotovené technikou hybridních obvodů, umožnily u druhé generace rotačních vstřikovacích čerpadel řízených magnetickými ventily integrovat řídicí jednotku motoru do řídicí jednotky čerpadla. Tato integrace řídicí jednotky dovoluje konstrukci s úsporou místa.. Dodatečná úprava spalin Různá opatření zlepšují emise respektive komfort. Jsou to kupříkladu recirkulace spalin, utváření průběhu vstřiku (např. pilotní vstřik) a zvýšení vstřikovacího tlaku. K dodržení stále se zpřísňujících emisních předpisů bude však u mnohých vozidel nutná dodatečná úprava spalin. Příklad vstřikovacího zařízení vznětového motoru s rotačním vstřikovacím čerpadlem s radiálními písty řízeným magnetickými ventily a oddělenou řídicí jednotkou motoru a čerpadla UMK06-Y Obrázek Řídicí jednotka doby žhavení Řídicí jednotka motoru MSG 3 Kolíková žhavicí svíčka 4 Rotační vstřikovací čerpadlo VP44 s radiálním písty s řídicí jednotkou čerpadla PSG5 5 Alternátor 6 Palivový filtr 7 Snímač teploty motoru (v okruhu chladicí kapaliny) 8 Snímač otáček klikového hřídele 9 Snímač pedálu plynu 0 Přívod paliva Zpětné potrubí paliva Vstřikovač 3 Snímač hmotnosti vzduchu

77 76 Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel Systémy řízené magnetickými ventily Obraz systému Obrázek 3 ukazuje jako příklad vstřikovací zařízení s rotačním vstřikovacím čerpadlem VR s radiálními písty na čtyřválcovém vznětovém motoru s přímým vstřikování (DI) s jeho rozličnými komponenty. Toto čerpadlo je vybaveno integrovanou řídicí jednotkou motoru a čerpadla. Obrázek ukazuje plnou výbavu. Podle druhu použití a typu vozidla nebudou některé komponenty použity.. Pro dosažení přehlednějšího zobrazení nejsou snímače a vysílače požadovaných hodnot (A) zobrazeny ve svých montážních pozicích. Výjimku tvoří snímač pohybu jehly (). Prostřednictvím sběrnice CAN v oblasti rozhraní (B) je možná výměna dat mezi nejrůznějšími oblastmi: spouštěč alternátor elektronický imobilizér řízení převodovky protiprokluzová regulace (ASR) a elektronický stabilizační program (ESP). Také přístrojová deska () a klimatizace (3) mohou být připojeny pomocí sběrnice CAN. Obrázek 3 Motor, řízení motoru a vysokotlaké vstřikovací komponenty 6 Pohon vstřikovacího čerpadla 7 Integrovaná řídicí jednotka motoru a čerpadla PSG6 8 Rotační vstřikovací čerpadlo s radiálními písty (VP44) Vstřikovač se snímačem pohybu jehly (. válec) Kolíková žhavící svíčka 3 Vznětový motor s přímým vstřikováním (DI) M Točivý moment A Snímače a vysílače požadovaných hodnot Snímač pedálu plynu Spínač spojky 3 Brzdové kontakty () 4 Ovládací díl regulátoru rychlosti jízdy 5 Spínací skříňka 6 Snímač rychlosti jízdy 7 Snímač otáček klikového hřídele (induktivní) 8 Snímač teploty motoru (v okruhu chladicí kapaliny) 9 Snímač teploty nasávaného vzduchu 0 Snímač plnicího tlaku Snímač hmotnosti nasávaného vzduchu s vyhřívaným filmem C Zásobování palivem (nízkotlaká část) 9 Palivový filtr s přepadovým ventilem 0 Palivová nádrž s předřadným filtrem a předřadným podávacím čerpadlem (předřadné podávací čerpadlo jen u dlouhých potrubí nebo velkém výškovém rozdílu mezi palivovou nádrží a vstřikovacím čerpadlem) D Zásobování vzduchem 4 Ovladač recirkulace spalin s ventilem recirkulace spalin 5 Podtlaková dóza 6 Regulační klapka 7 Turbodmychadlo (zde s variabilní geometrií turbíny VTG) 8 Ovladač plnicího tlaku E Dodatečná úprava spalin 9 Oxidační katalyzátor pro vznětový motor DOC (Diesel Oxygen Catalyst) B Rozhraní Přístrojová deska se signálovým výstupem pro spotřebu paliva, otáček atd. 3 Kompresor klimatizace s ovládacím panelem 4 Diagnostické rozhraní 5 Řídicí jednotka doby žhavení CAN Controller Area Network (sériová datová sběrnice ve vozidle)

78 Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel Systémy řízené magnetickými ventily 77 3 Vstřikovací zařízení vznětového motoru s magnetickým ventilem řízeným rotačním vstřikovacím čerpadlem s radiálními písty VP44 a integrovanou řídicí jednotkou motoru a čerpadla PSG6 B CAN C A M D E 9 NMK796Y

79 78 Přehled systémů jednoválcových čerpadel Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF Přehled systémů jednoválcových čerpadel Vznětové motory se systémy pro jednotlivé válce mají pro každý válec motoru jednu vstřikovací jednotku. Tyto vstřikovací jednotky lze snadno přizpůsobit příslušnému motoru. Krátká vstřikovací potrubí umožňují obzvlášť dobré vstřikovací chování a nejvyšší vstřikovací tlaky. Trvale rostoucí požadavky vedly k vývoji rozličných vstřikovacích systémů, které jsou přizpůsobeny aktuálním potřebám. Moderní vznětové motory mají pracovat s nízkými emisemi a hospodárně, mají dosahovat vysokých výkonů a točivých momentů a při tom mají být tiché. Zásadně se u systémů pro jednotlivé válce rozlišují tři rozdílné konstrukce: samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF řízená hranou a magnetickými ventily řízené systémy sdružených vstřikovačů a sdružené vstřikovací systémy. Tyto konstrukční typy se liší nejen svojí konstrukcí, nýbrž také svými výkonovými údaji a svými oblastmi použití (obrázek ). Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF Použití Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF jsou obzvlášť jednoduchá na údržbu. Jsou používána v oblasti mimo silnice : vstřikovací čerpadla pro vznětové motory o výkonu 4 75 kw/válec pro malé stavební stroje, čerpadla, traktory a elektrické agregáty a vstřikovací čerpadla pro velké motory s výkonem od 75 kw/válec do výkonu na válec 000 kw. Tato čerpadla umožňují čerpání paliva pro vznětové motory (motorové nafty) a těžkého oleje s vysokou viskozitou. Konstrukce a princip činnosti Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF mají stejný princip činnosti jako řadová vstřikovací čerpadla PE. Mají element, u něhož lze vstřikované množství měnit pomocí řídicí hrany. Konstrukční typy a oblasti použití systémů jednoválcových čerpadel Systémy jednoválcových čerpadel Řízení množství řízené hranou řízené magnetickými ventily Regulace mechanická/hydraulická elektronická Konstrukční typ Samostatné jednoválcové vstřikovací čerpadlo PF Sdružený vstřikovací systém UPS Systém sdruženého vstřikovače UIS Oblast použití - stavební stroje - čerpadla - traktory - elektrické agregáty - lokomotivy - lodě - těžká užitková vozidla - stavební a zemědělské stroje - lokomotivy - lodě - osobní vozidla - užitková vozidla NMK873D

80 Přehled systémů jednoválcových čerpadel Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF 79 Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla jsou k motoru připevněna vždy pomocí příruby a jsou poháněna vačkovým hřídelem ventilového rozvodu motoru. Z toho je odvozeno označení čerpadlo s cizím pohonem PF. Také se používá název zásuvná čerpadla. Malá samostatná vstřikovací čerpadla PF existují také v, 3 a 4válcové verzi. Obvyklou konstrukcí je však jednoválcová verze, označovaná jako samostatné jednoválcové vstřikovací čerpadlo. Regulace Jako u řadových vstřikovacích čerpadel zasahuje regulační tyč, integrovaná v motoru, do elementu čerpadla. Regulátor posouvá regulační tyč a mění tak dodávané respektive vstřikované množství. U velkých motorů je regulátor umístěn bezprostředně na tělese motoru. Při tom se používají mechanicko-hydraulické, elektronické nebo vzácněji čistě mechanické regulátory. Mezi regulační tyčí samostatného jednoválcového vstřikovacího čerpadla a přenosovým táhlem k regulátoru je u velkých čerpadel PF zařazen pružný mezičlánek, takže zůstává zajištěna regulace zbylých čerpadel při eventuelním blokování přestavného mechanismu jednoho z čerpadel. Zásobování palivem Palivo je k samostatným jednoválcovým vstřikovacím čerpadlům přiváděno zubovým předřadným podávacím čerpadlem. Toto čerpadlo dodává asi 3 5 krát větší množství paliva než je maximální dodávané množství všech vstřikovacích čerpadel při plném zatížení. Tlak paliva je asi 3 0 barů. Filtrace paliva jemným filtrem s velikostí pórů μm zabraňuje pronikání částic do vstřikovacího systému. Mohly by vést k předčasnému opotřebení vysoce přesných součástí vstřikovacího systému. Použití v systému Common Rail Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla se též používají a dále vyvíjejí jako vysokotlaká čerpadla pro systémy Common Rail. a 3. generace v nákladních automobilech a v aplikacích mimo silnice. Obrázek ukazuje použití čerpadel PF 45 v systému Common Rail pro šestiválcový motor. PF 45 v systému Common Rail UMK0Y

81 80 Přehled systémů jednoválcových čerpadel Systém sdruženého vstřikovače UIS a sdružený vstřikovací systém UPS Systém sdruženého vstřikovače UIS a sdružený vstřikovací systém UPS Vstřikovací systémy sdruženého vstřikovače UIS (Unit Injector System) a sdružený vstřikovací systém UPS (Unit Pump System) dosahují v porovnání s ostatními vstřikovacími systémy vznětových motorů v současné době nejvyšších vstřikovacích tlaků. Umožňují přesné vstřikování, které lze optimálně přizpůsobit aktuálním provozním stavům motoru. Takto vybavené vznětové motory produkují nízký obsah škodlivin, pracují hospodárně a tiše a dosahují při tom vysokého výkonu a vysokého točivého momentu. Oblasti použití Systém sdruženého vstřikovače UIS Systém sdruženého vstřikovače (označovaný též jednotka čerpadlo-tryska PDE, Pumpe-Düse-Einheit) přišel do sériové výroby v roce 994 pro užitkové vozy a v roce 998 pro osobní vozy). Je to vstřikovací systém s časově řízenými samostatnými jednoválcovými vstřikovacími čerpadly pro motory s přímým vstřikováním (DI). Tento systém nabízí zřetelně vyšší flexibilitu pro přizpůsobení vstřikovacího systému k motoru než konvenční systémy řízené hranou. Pokrývá široké spektrum moderních vznětových motorů pro osobní a užitkové vozy: osobní a lehká užitková vozidla: oblast použití od tříválcových motorů se zdvihovým objemem, litru, výkonem 45 kw (6 k) a točivým momentem 95 Nm až po 0válcové motory se zdvihovým objemem 5 litrů, výkonem 30 kw (3 k) a točivým momentem 750 Nm. Těžká užitková vozidla do 80 kw/válec. Jelikož není nutné žádné vysokotlaké potrubí, má sdružený vstřikovač obzvlášť dobré hydraulické chování. Proto lze s tímto systémem docílit nejvyšších vstřikovacích tlaků (až 00 barů). U systému sdruženého vstřikovače pro osobní vozy se uskutečňuje mechanicko-hydraulický pilotní vstřik. Systém sdruženého vstřikovače pro užitková vozidla nabízí možnost pilotního vstřiku ve spodní oblasti otáček a zatížení. Sdružený vstřikovací systém UPS Sdružený vstřikovací systém se nazývá též čerpadlo-vedení-tryska PLD, Pumpe-Leitung-Düse. U velkých motorů bylo používáno také označení PF..MV. Sdružený vstřikovací systém stejně jako systém sdruženého vstřikovače je vstřikovacím systémem s časově řízeným samostatným jednoválcovým vstřikovacím čerpadlem pro motory s přímým vstřikováním paliva (DI). Používá se v následujících provedeních: UPS pro motory užitkových vozidel s počtem válců do 6 a výkonem do 37 kw/válec, UPS 0 pro motory těžkých užitkových vozidle s počtem válců do 8 a výkonem do 65 kw/válec, SP (zásuvné čerpadlo, Steckpumpe) pro motory těžkých užitkových vozidel s počtem válců do 8 a výkonem do 9 kw/válec, SPS (malé zásuvné čerpadlo, Steckpumpe small) pro motory užitkových vozidel s počtem válců do 6 a výkonem do 40 kw/válec, UPS pro motory stavebních a zemědělských strojů, lokomotiv a lodí v oblasti výkonu do 500 kw/válec a počtem válců do 0. Konstrukce Systémové oblasti Systém sdruženého vstřikovače a sdružený vstřikovací systém se skládá ze čtyř systémových oblastí: elektronická regulace EDC se systémovými bloky snímačů, řídicí jednotky a akčních členů zahrnuje veškeré řízení a regulaci vznětového motoru a rovněž všechna elektrická a elektronická rozhraní. zásobování palivem (nízkotlaká část) poskytuje palivo s nezbytným tlakem a čistotou. vysokotlaká část vytváří potřebný vstřikovací tlak a vstřikuuje palivo do spalovacího prostoru motoru. systém vzduchu a spalin zahrnuje zásobování vzduchem, recirkulaci spalin a dodatečnou úpravu spalin.

82 Přehled systémů jednoválcových čerpadel Systém sdruženého vstřikovače UIS a sdružený vstřikovací systém UPS 8 Rozdíly Zásadní rozdíl mezi systémem sdruženého vstřikovače a sdruženým vstřikovacím systémem spočívá v konstrukci motoru (obrázek 4). U systému sdruženého vstřikovače tvoří vysokotlaké čerpadlo a vstřikovací tryska jeden celek - sdružený vstřikovač. Pro každý válec motoru je namontován do válce jeden vstřikovač. Jelikož zde nejsou žádná vstřikovací potrubí, lze dosáhnout velmi vysokých vstřikovacích tlaků a velmi dobrého průběhu vstřiku. U sdruženého vstřikovacího systému jsou vysokotlaké čerpadlo - jednotka čerpadla - a vstřikovač oddělenými konstrukčními prvky, které jsou spolu spojeny krátkým vysokotlakým potrubím. Z toho plynou výhody pro uspořádání v motorovém prostoru, pro pohon čerpadla a v oblasti servisu. 3 Přehled systému sdruženého vstřikovače a vstřikovacího systému Elektronická regulace EDC: řízení motoru, snímače, rozhraní Zásobování palivem (nízkotlaká část) Vysokotlaká část Systémy vzduchu a spalin Signály Palivo Motor 4 Vytváření vysokého tlaku systémem sdruženého vstřikovače a sdruženým vstřikovacím systémem a b c NMK74-D UMK874-Y Obrázek 4 a Systém sdruženého vstřikovače pro osobní vozidla b Systém sdruženého vstřikovače pro užitková vozidla c Sdružený vstřikovací systém pro užitková vozidla Vahadlo Vačkový hřídel 3 Vysokotlaký magnetický ventil 4 Sdružený vstřikovač 5 Spalovací prostor motoru 6 Vstřikovač 7 Krátké vysokotlaké potrubí 8 Jednotka čerpadla

83 8 Přehled systémů jednoválcových čerpadel Obraz systému UIS pro osobní vozidla Obraz systému UIS pro osobní vozidla Obrázek 5 ukazuje všechny komponenty systému sdruženého vstřikovače pro osmiválcový vznětový motor osobního vozidla s plnou výbavou. Podle typu vozidla a druhu použití nebudou některé komponenty použity. Pro získání přehlednějšího zobrazení nejsou snímače a vysílače požadovaných hodnot (A) zobrazeny ve své montážní pozici. Výjimku tvoří komponenty dodatečné úpravy spalin (F), jelikož jejich montážní poloha je nutná k pochopení soustavy. Prostřednictvím sběrnice CAN v oblasti rozhraní (B) je možná výměna dat mezi nejrůznějšími oblastmi: spouštěč alternátor elektronický imobilizér řízení převodovky protiprokluzová regulace (ASR) a elektronický stabilizační program (ESP). Také přístrojová deska () a klimatizace (3) mohou být připojeny pomocí sběrnice CAN. Pro dodatečnou úpravu spalin jsou uváděny dvě možné kombinace systému (a nebo b). Obrázek 5 Motor, řízení motoru a vysokotlaké vstřikovací komponenty 4 Rozdělovací trubka 5 Vačkový hřídel 6 Sdružený vstřikovač (Unit Injector) 7 Kolíková žhavicí svíčka 8 Vznětový motor (DI) 9 Řídicí jednotka (Master, hlavní jednotka) 30 Řídicí jednotka (Slave, otrok, podřízená jednotka) M Točivý moment A Snímače a vysílače požadovaných hodnot Snímač pedálu plynu Spínač spojky 3 Brzdové kontakty () 4 Ovládací díl regulátoru rychlosti 5 Spínací skříňka 6 Snímač rychlosti jízdy 7 Snímač otáček klikového hřídele (induktivní) 8 Snímač teploty motoru (v okruhu chladicí kapaliny) 9 Snímač teploty nasávaného vzduchu 0 Snímač plnicího tlaku Snímač hmotnosti nasávaného vzduchu s vyhřívaným filmem B Rozhraní Přístrojová deska s výstupem signálu spotřeby paliva, otáček atd. 3 Kompresor klimatizace s ovládacím panelem 4 Diagnostické rozhraní 5 Řídicí jednotka doby žhavení CAN Controller Area Network (sériová datová sběrnice vozidla) C Zásobování palivem (nízkotlaká část) 6 Palivový filtr s přepadovým ventilem 7 Palivová nádrž s předřadným filtrem a elektrickým palivovým čerpadlem (předřadné podávací čerpadlo) 8 Snímač hladiny 9 Chladič paliva 0 Ventil omezení tlaku D Systém aditiva Jednotka dávkování aditiva Nádrž aditiva E Zásobování vzduchem 3 Chladič recirkulace spalin 3 Nastavovač plnicího tlaku 33 Turbodmychadlo (zde s variabilní geometrií turbíny VTG) 34 Klapka sání 35 Nastavovač recirkulace spalin 36 Podtlakové čerpadlo F Dodatečná úprava spalin 38 Širokopásmová lambda sonda LSU 39 Snímač teploty spalin 40 Oxidační katalyzátor 4 Filtr pevných částic 4 Snímač diferenčního (rozdílového) tlaku 43 Zásobníkový katalyzátor NOx 44 Širokopásmová lambda sonda, volitelně snímač NOx

84 Přehled systémů jednoválcových čerpadel Obraz systému UIS pro osobní vozidla 83 5 Vstřikovací zařízení vznětového motoru osobního vozidla se systémem sdruženého vstřikovače B CAN 6 C D A E M 36 CAN 30 7 a F b SMK8-Y

85 84 Přehled systémů jednoválcových čerpadel Obraz systému UIS/UPS pro užitková vozidla Obraz systému UIS/UPS pro užitková vozidla Obrázek 6 Motor, řízení motoru a vysokotlaké vstřikovací komponenty Jednotka čerpadla a vstřikovač 3 Sdružený vstřikovač 4 Vačkový hřídel 5 Vahadlo 6 Řídicí jednotka motoru 7 Relé 8 Přídavné agregáty (např. retardér, výfuková klapka pro motorovou brzdu, spouštěč, ventilátor) 9 Vznětový motor (DI) 30 Plamenová žhavicí svíčka (alternativně roštový ohřívač (Grid-Heater)) M Točivý moment A Snímače a vysílače požadovaných hodnot Snímač pedálu plynu Spínač spojky 3 Brzdové kontakty () 4 Kontakt motorové brzdy 5 Kontakt parkovací brzdy 6 Ovládací spínače (např. regulátor rychlosti jízdy, regulace meziotáček, redukce otáček a točivého momentu) 7 Spínací skříňka 8 Snímač otáček turbodmychadla 9 Snímač otáček klikového hřídele (induktivní) 0 Snímač otáček vačkového hřídele Snímač teploty paliva Snímač teploty motoru (v okruhu chladicí kapaliny) 3 Snímač teploty plnicího vzduchu 4 Snímač plnicího tlaku 5 Snímač otáček ventilátoru 6 Snímač diferenčního tlaku vzduchového filtru B Rozhraní 7 Kompresor klimatizace s ovládacím panelem 8 Alternátor Obrázek 6 ukazuje všechny komponenty systému sdruženého vstřikovače pro šestiválcový vznětový motor užitkového vozidla. Podle typu vozidla a druhu použití nebudou některé komponenty použity. Oblasti elektronické regulace EDC (snímače, rozhraní a řízení motoru), zásobování palivem, zásobování vzduchem a dodatečná úprava spalin jsou u systémů sdruženého vstřikovače a sdružených vstřikovacích systémů velmi podobné. Liší se pouze ve vysokotlaké části. Pro získání přehlednějšího zobrazení jsou ve své montážní pozici zobrazeny jen ty snímače a vysílače požadovaných hodnot, jejichž montážní poloha je nutná k pochopení soustavy. Prostřednictvím sběrnice CAN v oblasti rozhraní (B) je možná výměna dat mezi nejrůznějšími oblastmi (např. řízení převodovky, protiprokluzová regulace (ASR), elektronický stabilizační program (ESP), snímač kvality oleje, tachograf, radar pro hlídání odstupu, management vozidla, brzdový koordinátor, management vozidlové flotily až 30 řídicích jednotek). Také alternátor (8) a klimatizace (7) mohou být připojeny pomocí sběrnice CAN. Pro dodatečnou úpravu spalin jsou uváděny tři možné kombinace systému (a, b nebo c). 9 Diagnostické rozhraní 0 Řídicí jednotka SCR (selektivní katalytická redukce) CAN Controller Area Network (sériová datová sběrnice vozidla) (až 3 sběrnice) C Zásobování palivem (nízkotlaká část) 3 Předřadné podávací palivové čerpadlo 3 Palivový filtr se snímačem hladiny vody a snímačem tlaku 33 Chladič řídicí jednotky 34 Palivová nádrž s předřadným filtrem 35 Snímač hladiny 36 Ventil omezení tlaku D Zásobování vzduchem 37 Chladič recirkulace spalin 38 Regulační klapka 39 Nastavovač recirkulace spalin s ventilem recirkulace a snímačem polohy 40 Chladič plnicího vzduchu s obtokem pro studený start 4 Turbodmychadlo (zde VTG) se snímačem polohy 4 Nastavovač plnicího tlaku E Dodatečná úprava spalin 43 Snímač teploty spalin 44 Oxidační katalyzátor 45 Snímač diferenčního (rozdílového) tlaku 46 Filtr pevných částic s katalytickou vrstvou (CSF) 47 Snímač sazí 48 Snímač hladiny 49 Nádrž redukčního prostředku 50 Podávací čerpadlo redukčního prostředku 5 Tryska redukčního prostředku 5 Snímač NOx 53 Katalyzátor SCR (selektivní katalytická redukce) 54 Snímač NH3 (amoniak, čpavek)

86 Přehled systémů jednoválcových čerpadel Obraz systému UIS/UPS pro užitková vozidla 85 6 Vstřikovací zařízení vznětového motoru užitkového vozidla se systémem sdruženého vstřikovače respektive se sdruženým vstřikovacím systémem B CAN 3 3 C 7 8 G oder A D M E 0 a b nebo c nebo 54 nebo 47 SMK8-Y

87 86 Přehled systému Common Rail Oblasti použití Přehled systému Common Rail Požadavky na vstřikovací systémy vznětových motorů neustále stoupají. Vyšší tlaky, rychlejší spínací časy a pružné přizpůsobení průběhu vstřikování provoznímu stavu motoru činí vznětový motor úsporným, čistým a výkonným. Vznětové motory si tak našly cestu i do automobilů vyšší třídy. EJedním z těchto vysoce rozvinutých vstřikovacích systémů je vstřikovací systém se zásobníkem paliva Common Rail (CR). Hlavní výhoda systému Common Rail spočívá ve velkých možnostech variability při vytváření vystřikovacího tlaku a okamžiků vstřiku. Je toho dosaženo oddělením tvorby tlaku (vysokotlaké čerpadlo) od vstřikování (vstřikovače, injektory). Jako tlakový zásobník při tom slouží rail. Oblasti použití Vstřikovací systém se zásobníkem Common Rail pro vznětové motory s přímým vstřikováním paliva (Direct Injection, DI) se používá v následujících vozidlech: osobní vozidla s velmi úspornými tříválcovými motory o zdvihovém objemu 0,8 litru, s výkonem 30 kw (4 k), točivým momentem 00 Nm a spotřebou paliva 3,5 l/00km až po osmiválcové motory ve vozidlech vyšší třídy se zdvihovým objemem 4 litry, výkonem 80 kw (45 k) a točivým momentem 560 Nm. lehká užitková vozidla s výkony do 30 kw na válec a rovněž těžká užitková vozidla až po lokomotivy a lodě s výkony do cca 00 kw/válec. Vstřikovací systém se zásobníkem Common Rail v pětiválcovém vznětovém motoru Obrázek Zpětné palivové potrubí Vysokotlaké palivové potrubí ke vstřikovačům 3 Vstřikovač 4 Rail 5 Snímač tlaku v railu 6 Vysokotlaké palivové potrubí k railu 7 Zpětné palivové potrubí 8 Vysokotlaké čerpadlo UMK99Y

88 Přehled systému Common Rail Oblasti použití, Konstrukce 87 Systém Common Rail nabízí vysokou flexibilitu pro přizpůsobení vstřikování k motoru. Je toho dosaženo: vysokým vstřikovacím tlakem až cca 600 barů (magnetické vstřikovače) respektive 800 barů (piezo vstřikovače). vstřikovacím tlakem ( barů) přizpůsobeným provoznímu stavu. možností více pilotních a dodatečných vstřiků (jsou možné dokonce velmi pozdní dodatečné vstřiky). Tím systém Common Rail přispívá ke zvětšení litrového výkonu, ke snížení spotřeby paliva a rovněž k redukci emisí hluku a škodlivin vznětového motoru. Common Rail je v současnosti nejčastěji používaným vstřikovacím systémem pro rychloběžné motory osobních vozů s přímým vstřikováním. Konstrukce Systém Common Rail se skládá z následujících hlavním skupin (obrázky a ): nízkotlaká část s komponenty zásobování palivem, vysokotlaká část s vysokotlakým čerpadlem, railem, vstřikovači a vysokotlakými palivovými potrubími, elektronická regulace (EDC) se systémovými bloky snímačů, řídicí jednotky a akčních členů. Nejdůležitějšími součástmi systému Common Rail jsou vstřikovače. Obsahují rychle spínající ventil (magnetický ventil nebo piezoovladač), jímž je otvírána a zavírána vstřikovací tryska. Lze tak řídit vstřikovací proces pro každý válec samostatně. Systémové oblasti řízení motoru se vstřikovacím systémem Common Rail Elektronická regulace : Řízení motoru, snímače, rozhraní Zásobování palivem (nízkotlaká část) Systémy vzduchu a spalin Motor 3 Vysokotlaká část Signály Palivo NMK87D Obrázek Vysokotlaké čerpadlo Rail 3 Vstřikovače

89 88 Přehled systému Common Rail Konstrukce Obrázek 3 a Regulace tlaku na vysokotlaké straně pomocí ventilu regulace tlaku pro použití v osobních vozidlech b Regulace tlaku na sací straně pomocí dávkovací jednotky spojené přírubou s vysokotlakým čerpadlem (pro osobní a užitková vozidla) c Regulace tlaku na sací straně pomocí dávkovací jednotky a přídavné regulace s ventilem regulace tlaku (pro osobní vozidla) Vstřikovače jsou připojeny společně k railu. Z toho je odvozeno označení Common Rail (anglicky společná lišta/ trubka). Pro systém Common Rail je charakteristické, že lze nastavovat systémový tlak nezávisle na provozním bodu motoru. Nastavení tlaku se provádí ventilem regulace tlaku nebo dávkovací (odměřovací) jednotkou (obrázek 3). Modulární konstrukce systému Common Rail usnadňuje přizpůsobení k různým motorům. 3 Příklady regulace vysokého tlaku systémů Common Rail a Princip činnosti U vstřikovací systému se zásobníkem Common Rail je odděleno vytváření tlaku od vstřikování. Vstřikovací tlak je vytvářen nezávisle na otáčkách motoru a vstřikovaném množství. Elektronická regulace (EDC) aktivuje jednotlivé komponenty. Vytváření tlaku Oddělení vytváření tlaku od vstřikování je umožněno existencí jistého objemu paliva v zásobníku. Stlačené palivo v zásobníku je připraveno pro vstřikování. Kontinuálně pracující vysokotlaké čerpadlo poháněné motorem vytváří požadovaný vstřikovací tlak. Čerpadlo udržuje tlak v railu z velké části nezávisle na otáčkách motoru a vstřikovaném množství. Díky téměř rovnoměrné dodávce může být vysokotlaké čerpadlo navrženo s výrazně menšími rozměry a nižším špičkovým hnacím momentem než je tomu u konvenčních vstřikovacích systémů. Důsledkem toho je též značné odlehčení pohonu čerpadla. Vysokotlaké čerpadlo je provedeno jako radiální pístové čerpadlo, u užitkových vozidel v některých případech také jako řadové čerpadlo. Regulace tlaku V závislosti na systému se používají různé způsoby regulace tlaku. Vysokotlaké čerpadlo Přívod paliva 3 Zpětné potrubí paliva 4 Ventil regulace tlaku 5 Rail 6 Snímač tlaku v railu 7 Přípojka pro vstřikovač 8 Přípojka zpětného palivového potrubí 9 Omezovací tlakový ventil 0 Dávkovací jednotka Ventil regulace tlaku b 0 3 c SMK993Y Regulace na vysokotlaké straně U systémů pro osobní vozidla je požadovaný tlak v railu regulován na vysokotlaké straně ventilem regulace tlaku (obrázek 3a, pozice 4). Palivo, které se nespotřebuje při vstřikování, teče ventilem regulace tlaku zpět do nízkotlakého okruhu. Tato regulace umožňuje rychlé přizpůsobení tlaku v railu při změně provozního bodu (např. při změně zatížení). Regulace na vysokotlaké straně se používala u prvních systémů Common Rail. Ventil regulace tlaku se umísťuje přednostně

90 Přehled systému Common Rail Princip činnosti 89 na rail, u některých aplikací přímo na vysokotlaké čerpadlo. Regulace množství na sací straně Další možnost regulace tlaku v railu spočívá v regulaci množství na sací straně (obrázek 3b). Dávkovací jednotka (0) spojená pomocí příruby s vysokotlakým čerpadlem se stará o to, aby čerpadlo dodávalo do railu přesně takové množství paliva, s nímž bude udržován vstřikovací tlak požadovaný systémem. Omezovací tlakový ventil (9) zabraňuje nepřípustně vysokému nárůstu tlaku v případě závady. Díky regulaci množství na sací straně je menší množství paliva stlačováno na vysoký tlak a tím je také menší příkon čerpadla. To se pozitivně projevuje na spotřebě paliva. Kromě toho se snižuje teplota paliva vracejícího se zpětným potrubím do palivové nádrže ve srovnání s regulací na vysokotlaké straně. Systém se dvěma regulátory Systém se dvěma regulátory (obrázek 3c) s regulací tlaku na sací straně pomocí dávkovací jednotky a regulací na vysokotlaké straně pomocí ventilu regulace tlaku kombinuje výhody regulace na vysokotlaké straně a regulace množství na straně sací (viz odstavec Systém Common Rail pro osobní vozidla ). Vstřikování Vstřikovače vstřikují palivo přímo do spalovacího prostoru motoru. Krátkým vysokotlakým vedením je k nim přiváděno palivo z railu. Řídicí jednotka motoru aktivuje spínací ventil integrovaný ve vstřikovači, který otvírá a zavírá vstřikovací trysku. Doba otevření vstřikovače a systémový tlak určují vstřikované množství paliva. Při konstantním tlaku je množství paliva úměrné době sepnutí spínacího ventilu a tím nezávislé na otáčkách motoru respektive čerpadla (vstřikování řízené časem). Hydraulický výkonový potenciál Rozdělení funkcí vytváření tlaku a vstřikování otevírá oproti konvenčním vstřikovacím systémům další stupeň volnosti při vývoji spalování: vstřikovací tlak lze téměř libovolně volit v poli charakteristik. Maximální vstřikovací tlak je v současné době 800 barů. Systém Common Rail díky pilotním vstřikům respektive vícenásobným vstřikům umožňuje další snížení emisí spalin a výrazně redukuje hluk spalování. Několikanásobnou aktivací extrémně rychlých spínacích ventilů lze vytvářet vícenásobné vstřikování s počtem až pěti vstřiků za vstřikovací cyklus. Jehla trysky se uzavírá s hydraulickou podporou a zajišťuje tak rychlé ukončení vstřiku.

91 90 Přehled systému Common Rail Princip činnosti Řízení a regulace Princip činnosti Řídicí jednotka motoru pomocí snímačů zjišťuje polohu plynového pedálu a aktuální provozní stav motoru a vozidla (viz též kapitola elektronická regulace vznětového motoru ). Patří sem kromě jiného: otáčky a úhel klikového hřídele, tlak v railu, plnicí tlak, teplota nasávaného vzduchu, chladicí kapaliny a paliva, hmotnost nasávaného vzduchu, rychlost jízdy atd.. Řídicí jednotka vyhodnocuje vstupní signály a vypočítává synchronně se spalováním ovládací signály pro ventil regulace tlaku nebo dávkovací jednotku, vstřikovače a ostatní akční členy (např. ventil recirkulace spalin, nastavovač turbodmychadla). Potřebné krátké spínací časy pro vstřikovače lze dosáhnout optimalizovanými vysokotlakými spínacími ventily a speciálním aktivováním Systém úhel čas s pomocí údajů snímačů klikového a vačkového hřídele přizpůsobuje okamžik vstřiku stavu motoru (časové řízení). Elektronická regulace vznětového motoru (EDC) dovoluje přesně dávkovat vstřikované množství. Kromě toho nabízí elektronická regulace EDC potenciál pro další přídavné funkce, které zlepšují chování vozu při jízdě a zvyšují komfort. Základní funkce Základní funkce řídí vstřikování paliva ve správném okamžiku, ve správném množství a s předepsaným tlakem. Tím zajišťují příznivou spotřebu a klidný chod vznětového motoru. Korekční funkce pro výpočet vstřikování K vyrovnání tolerancí vstřikovacího systému a motoru je k dispozici řada korekčních funkcí: vyrovnání množství paliva jednotlivých vstřikovačů, kalibrace nulového množství paliva, regulace vyrovnání množství paliva, adaptace střední hodnoty množství paliva. Přídavné funkce Přídavné řídicí a regulační funkce slouží k redukci emisí spalin a spotřeby paliva nebo zvyšují bezpečnost a komfort. Jako příklady lze uvést: regulaci recirkulace spalin, regulaci plnicího tlaku, regulaci rychlosti jízdy, elektronický imobilizér atd. Integrace EDC do komplexního systému vozidla otevírá také řadu nových možností, např. výměnu dat s řízením převodovky nebo s regulací klimatizace. Diagnostické rozhraní umožňuje vyhodnocení uložených systémových dat při prohlídce vozidla. Konfigurace řídicí jednotky Jelikož řídicí jednotka má zpravidla jen maximálně osm koncových stupňů pro vstřikovače, používají se pro motory s více než osmi válci dvě řídicí jednotky. Jsou spojeny pomocí velmi rychlého interního rozhraní CAN do sestavy Master Slave (nadřízená podřízená ŘJ, pán otrok ). Tím je k dispozici i větší kapacita mikrokontroléru. Některé funkce jsou vždy pevně přiřazeny jedné řídicí jednotce (např. regulace vyrovnání množství paliva). Jiné funkce lze při konfiguraci flexibilně přiřadit jedné z řídicích jednotek (např. sběr údajů ze snímačů).

92 Vyrovnávání množství paliva vstřikovačů 9 Vyrovnávání množství paliva vstřikovačů Popis funkce Vyrovnávání množství paliva vstřikovačů (der Injektormengenabgleich, IMA) je softwarová funkce ke zvýšení přesnosti dávkování paliva a současně využití vstřikovače v motoru. Funkce má za úkol individuálně korigovat na požadovanou hodnotu vstřikované množství každého vstřikovače systému Common Rail v celé oblasti datového pole. Plyne z toho redukce systémových tolerancí a rozptylového pásma emisí. Vyrovnávací hodnoty potřebné pro vyrovnání množství paliva (IMA) představují rozdíl vůči požadované hodnotě aktuálního továrního zkušebního bodu a zapisují se v kódované podobě na každý vstřikovač. Pomocí korekčního datového pole, které s použitím vyrovnávacích hodnot vypočítává korekční množství, se koriguje celý pro motor významný rozsah. Na konci výrobní linky automobilového výrobce se do řídicí jednotky programují vyrovnávací hodnoty namontovaných vstřikovačů a přiřazení k válcům. I při výměně vstřikovače v servisu se nově programují vyrovnávací hodnoty. Vstřikované množství Charakteristiky EMI bez IMA Zohlednění matice při výpočtu vstřiku Požadované množství Q Q + Tlak v railu p Flash-EPROM korekční datové pole Pro všechny vstřikovače stejného typu 600 bar 00 bar Doba vstřiku Kód zapsaný alfanumerickými znaky x Kód z datové matice Vstřikované množství 600 bar 300 bar Výpočet doby aktivace Doba vstřiku Datové pole doby aktivace SMK999D Obrázek Charakteristiky různých vstřikovačů v závislosti na tlaku v railu. IMA redukuje šířku rozptylu charakteristik. EMI (Einspritzmengenindikator) Indikátor vstřikovaného množství Nutnost této funkce Technické náklady na další omezení výrobních tolerancí vstřikovačů stoupají exponenciálně a ukazují se jako neekonomické z finančního hlediska. Vyrovnávání množství paliva vstřikovačů (IMA) představuje cílené řešení ke zvýšení výtěžnosti výroby a současně ke zlepšení přesnosti dávkování paliva a tím i emisí. procesní řetězec BOSCH EEPROM Vyrovnávací EEPROM hodnoty pro jednotlivý vstřikovač Vyrovnávací EEPROM hodnoty pro Vyrovnávací EEPROM jednotlivý vstřikovač hodnoty pro jednotlivý vstřikovač Vyrovnávací hodnoty pro jednotlivý vstřikovač BOSCH. válec. válec 3. válec 4. válec SMK000D Obrázek Výpočet doby aktivace vstřikovače z požadovaného množství paliva, tlaku v railu a korekčních hodnot Měřené hodnoty při zkoušce Při zkoušce na konci výrobní linky se každý vstřikovač měří v několika bodech, které jsou reprezentativní pro rozptylové chování daného typu vstřikovače. V těchto bodech se vypočítávají odchylky vůči požadované hodnotě (vyrovnávací hodnoty) a následně se zapisují na hlavu vstřikovače. Zkouška vstřikovače Výrobce motoru Montáž vstřikovače Výrobce motoru Inj. Inj. Inj. 3 Inj. 4 Přečtení kódu kamerou Popsání vstřikovače BOSCH 00% následná kontrola Výrobce vozidla Programování ŘJ EDC daty IMA EDC SMK00D Obrázek 3 Znázornění procesního řetězce od vyrovnávání množství paliva vstřikovače u firmy Bosch až po programování na konci výrobní linky u výrobce vozidla

93 9 Přehled systému Common Rail Systém Common Rail pro osobní vozidla Systém Common Rail pro osobní vozidla Zásobování palivem U systémů Common Rail pro osobní vozidla se pro dodávání paliva k vysokotlakému čerpadlu používají elektrická palivová čerpadla nebo zubová čerpadla. Systémy s elektrickým palivovým čerpadlem Elektrické palivové čerpadlo vsazené jako součást čerpacího modulu v palivové nádrži (Intank) nebo vložené do přívodního palivového potrubí (Inline) nasává palivo přes předřadný filtr a dodává je s tlakem 6 barů do vysokotlakého čerpadla (obrázek 3). Maximální čerpací výkon činí 90 l/h. Pro zajištění rychlého startu motoru je palivové čerpadlo spínáno již při otočení klíčku ve spínací skříňce. Tím je zajištěno, aby byl při startu motoru k dispozici potřebný tlak v nízkotlakém okruhu. V přívodu k vysokotlakému čerpadlu je vestavěn palivový filtr (jemný filtr). Systémy se zubovým čerpadlem Zubové čerpadlo je pomocí příruby spojeno s vysokotlakým čerpadlem a je společně poháněno jeho hnacím hřídelem (obrázky a ). Proto zubové čerpadlo čerpá již při startu motoru. Čerpací výkon závisí na otáčkách motoru a činí až 400 l/h při tlaku až 7 barů. V palivové nádrži je zabudován předřadný palivový filtr. Jemný filtr se nachází v přívodu k zubovému čerpadlu. Kombinované systémy Existují i aplikace, v nichž se používají oba typy čerpadel. Elektrické palivové čerpadlo se stará o zlepšené startovací chování zvláště při teplém startu, jelikož při horkém a tím řidším palivu a nízkých otáčkách čerpadla je čerpací výkon zubového čerpadla nižší. Regulace vysokého tlaku U systému Common Rail první generace se regulace tlaku v railu provádí ventilem regulace tlaku. Vysokotlaké čerpadlo (provedení CP) nezávisle na potřebě paliva dodává stále maximální množství, ventil regulace tlaku odvádí nadbytečné palivo zpět do palivové nádrže. Systém Common Rail druhé generace reguluje tlak v railu prostřednictvím dávkovací jednotky na nízkotlaké straně (obrázky a ). Vysokotlaké čerpadlo (provedení CP3 a CPH) musí dodávat je tolik paliva, kolik motor skutečně potřebuje. Potřeba energie vysokotlakého čerpadla a tím i spotřeba paliva je proto nižší. Systém Common Rail třetí generace se vyznačuje použitím piezo-inline injektorů (obrázek 3). Lze-li regulovat tlak jen na nízkotlaké straně, trvá příliš dlouho snižování tlaku v railu při rychlých negativních změnách zatížení. Dynamika přizpůsobení tlaku změněným podmínkám zatížení je příliš pomalá. Je tomu tak zejména u piezo-inline injektorů na základě jejich malých vnitřních netěsností. Některé systémy Common Rail proto kromě vysokotlakého čerpadla s dávkovací jednotkou obsahují dodatečně ventil regulace tlaku (obrázek 3). S tímto dvojitým systémem regulace se kombinují výhody nízkotlaké regulace s příznivým dynamickým chováním vysokotlaké regulace. Další výhoda oproti možnosti regulovat výhradně na nízkotlaké straně plyne z toho, že lze u studeného motoru provádět regulaci na vysokotlaké straně. Vysokotlaké čerpadlo dodává více paliva než je vstřikováno, tlak je regulován ventilem regulace tlaku. Palivo je stlačováním zahříváno, takže může odpadnout topný prvek pro přídavný ohřev paliva.

94 Přehled systému Common Rail Systém Common Rail pro osobní vozidla 93 Příklad systému Common Rail druhé generace pro čtyřválcový motor Příklad systému Common Rail druhé generace s dvojitým systémem regulace pro motor V Příklad systému Common Rail třetí generace s dvojitým systémem regulace pro čtyřválcový motor SMK09Y SMK08Y SMK07Y Obrázek Vysokotlaké čerpadlo CP3 se zubovým předřadným podávacím čerpadlem a dávkovací jednotkou Palivový filtr s odlučovačem vody a ohřevem (volitelně) 3 Palivová nádrž 4 Předřadný filtr 5 Rail 6 Snímač tlaku v railu 7 Vstřikovač s magnetickým ventilem 8 Tlakový omezovací ventil Obrázek Vysokotlaké čerpadlo CP3 se zubovým předřadným podávacím čerpadlem a dávkovací jednotkou Palivový filtr s odlučovačem vody a ohřevem (volitelně) 3 Palivová nádrž 4 Předřadný filtr 5 Rail 6 Snímač tlaku v railu 7 Vstřikovač s magnetickým ventilem 8 Ventil regulace tlaku 9 Funkční blok (rozdělovač) Obrázek 3 Vysokotlaké čerpadlo CPH s dávkovací jednotkou Palivový filtr s odlučovačem vody a ohřevem (volitelně) 3 Palivová nádrž 4 Předřadný filtr 5 Rail 6 Snímač tlaku v railu 7 Piezo-inline vstřikovač 8 Ventil regulace tlaku 9 Elektrické palivové čerpadlo

95 94 Přehled systému Common Rail Systém Common Rail pro osobní vozidla Obraz systému pro osobní vozidla Obrázek 4 ukazuje všechny komponenty systému Common Rail pro čtyřválcový vznětový motor osobního vozu s plnou výbavou. Podle typu vozidla a druhu použití nebudou některé komponenty použity. Pro získání přehlednějšího zobrazení nejsou snímače a vysílače požadovaných hodnot (A) zobrazeny ve své montážní pozici. Výjimku tvoří komponenty dodatečné úpravy spalin (F) a snímač tlaku v railu, jelikož jejich montážní poloha je nutná k pochopení soustavy. Prostřednictvím sběrnice CAN v oblasti rozhraní (B) je možná výměna dat mezi nejrůznějšími oblastmi: spouštěč alternátor elektronický imobilizér řízení převodovky protiprokluzová regulace (ASR) a elektronický stabilizační program (ESP). Také přístrojová deska (3) a klimatizace (4) mohou být připojeny pomocí sběrnice CAN. Pro dodatečnou úpravu spalin jsou uváděny dvě možné kombinace systému (a nebo b). Obrázek 4 Motor, řízení motoru a vysokotlaké vstřikovací komponenty 7 Vysokotlaké čerpadlo 8 Dávkovací jednotka 5 Řídicí jednotka motoru 6 Rail 7 Snímač tlaku v railu 8 Ventil regulace tlaku (DRV-) 9 Vstřikovač 30 Kolíková žhavicí svíčka 3 Vznětový motor s přímým vstřikováním (DI) M Točivý moment A Snímače a vysílače požadovaných hodnot Snímač pedálu plynu Spínač spojky 3 Brzdové kontakty () 4 Ovládací díl regulátoru rychlosti 5 Spínací skříňka 6 Snímač rychlosti jízdy 7 Snímač otáček klikového hřídele (induktivní) 8 Snímač otáček vačkového hřídele (induktivní nebo Hallův snímač) 9 Snímač teploty motoru (v okruhu chladicí kapaliny) 0 Snímač teploty nasávaného vzduchu Snímač plnicího tlaku Snímač hmotnosti nasávaného vzduchu s vyhřívaným filmem B Rozhraní 3 Přístrojová deska s výstupem signálu spotřeby paliva, otáček atd. 4 Kompresor klimatizace s ovládacím panelem 5 Diagnostické rozhraní 6 Řídicí jednotka doby žhavení CAN Controller Area Network (sériová datová sběrnice vozidla) C Zásobování palivem (nízkotlaká část) 9 Palivový filtr s přepadovým ventilem 0 Palivová nádrž s předřadným filtrem a elektrickým palivovým čerpadlem (předřadné podávací čerpadlo) Snímač stavu paliva D Systém aditiva Jednotka dávkování aditiva 3 Řídicí jednotka systému aditiva 4 Nádrž aditiva E Zásobování vzduchem 3 Chladič recirkulace spalin 33 Nastavovač plnicího tlaku 34 Turbodmychadlo (zde s variabilní geometrií turbíny VTG) 35 Regulační klapka 36 Nastavovač recirkulace spalin 37 Podtlakové čerpadlo F Dodatečná úprava spalin 38 Širokopásmová lambda sonda LSU 39 Snímač teploty spalin 40 Oxidační katalyzátor 4 Filtr částic 4 Snímač diferenčního (rozdílového) tlaku 43 Zásobníkový katalyzátor NOx 44 Širokopásmová lambda sonda, volitelně snímač NOx

96 Přehled systému Common Rail Systém Common Rail pro osobní vozidla 95 4 Vstřikovací zařízení vznětového motoru osobního vozidla se systémem Common Rail B CAN 9 C D A M 4 E a F b SMK89-Y

97 Rozmach vznětového motoru v Evropě 96 Rozmach vznětového motoru v Evropě Použití vznětového motoru Na počátku historie automobilu sloužil jako hnací agregát silničních vozidel zážehový motor. V roce 97 byla konečně vyrobena první užitková vozidla a v roce 936 též osobní vozidla se vznětovými motory. V oblasti užitkových vozidel se mohl vznětový motor prosadit díky své hospodárnosti a dlouhé životnosti. V oblasti osobních vozů však byl vznětový motor ještě dlouhou dobu ve stínu. Až s příchodem moderních vznětových motorů s přímým vstřikováním a přeplňováním princip přímého vstřiku byl použit již u prvních vznětových motorů pro užitková vozidla se obraz vznětového motoru změnil. V současné době je podíl vznětových motorů u nově registrovaných vozidel v Evropě přibližně 50%. Vlastnosti vznětového motoru Co charakterizuje dnešní vznětový motor, že zažívá v Evropě takový rozmach? Hospodárnost Předně je spotřeba paliva oproti srovnatelným zážehovým motorům pořád ještě nižší vyplývá to z vyšší účinnosti vznětového motoru. Dále je na paliva pro vznětové motory v mnoha evropských zemích uvalena nižší daň. Pro řidiče, kteří najezdí mnoho kilometrů, je proto vznětový motor i přes vyšší pořizovací cenu hospodárnější alternativou. lze i s výkonově slabším vznětovým motorem dosáhnout většího požitku z jízdy. Image chromého smraďocha se moderních vozidel se vznětovým motorem nové generace již netýká. Šetrnost vůči životnímu prostředí Kouřová clona, kterou dříve vozidla se vznětovým motorem při vysokém zatížení vytvářela, patří již minulosti. Je tomu tak díky zdokonaleným systémům vstřikování a elektronické regulaci (EDC). Množství paliva lze těmito systémy přesně dávkovat a přizpůsobit provoznímu bodu motoru a okolním podmínkám. S touto technikou jsou plněny aktuálně platné emisní normy. Oxidační katalyzátory, odstraňující ze spalin oxid uhelnatý (CO) a uhlovodíky (HC), jsou u vznětového motoru standardem. S dalšími systémy pro dodatečnou úpravu spalin, jako jsou např. filtry pevných částic a zásobníkové katalyzátory NOx, se splní i budoucí zpřísněné emisní normy včetně norem legislativy USA. Typický průběh točivého momentu a výkonu vznětového motoru osobního vozidla Požitek z jízdy Téměř všechny současné vznětové motory pracují s přeplňováním. Proto lze již při nízkých otáčkách dosáhnout velkého plnění válců. Adekvátně velké může být i dávkované množství paliva, čímž motor dosáhne vysokého točivého momentu. Z toho plyne takový průběh točivého momentu, který umožňuje jezdit s velkým točivým momentem již při nízkých otáčkách. Točivý moment a nikoliv výkon motoru je rozhodující pro tažnou sílu motoru. V porovnání se zážehovým motorem bez přeplňování Točivý moment M Nm M P Otáčky motoru kw min - Výkon P SMK03D

98 Přehled systému Common Rail Systém Common Rail pro užitková vozidla 97 Systém Common Rail pro užitková vozidla Zásobování palivem Předřadné podávání paliva Systémy Common Rail pro lehká užitková vozidla se jen málo liší od systémů pro osobní vozy. K předřadnému podávání paliva se používají elektrická palivová čerpadla nebo zubová čerpadla. U systémů Common Rail pro těžká užitková vozidla se k dodávání paliva do vysokotlakého čerpadla používají výhradně zubová čerpadla (viz kapitola Zásobování palivem, nízkotlaká část, odstavec zubové palivové čerpadlo ). Předřadné podávací čerpadlo je zpravidla spojeno prostřednictvím příruby s vysokotlakým čerpadlem (obrázky a ), u některých aplikací je připevněno na motor. Filtrace paliva Narozdíl od systémů pro osobní vozidla je zde palivový filtr (jemný filtr) namontován na výtlačné straně. Vysokotlaké čerpadlo proto potřebuje přívodní palivové potrubí umístěné vně i v případě přírubou napojeného zubového čerpadla. Systém Common Rail pro užitková vozidla s vysokotlakým čerpadlem CP SMK05Y Obrázek Palivová nádrž Předřadný filtr 3 Palivový filtr 4 Zubové předřadné podávací čerpadlo 5 Vysokotlaké čerpadlo CP3.4 6 Dávkovací jednotka 7 Snímač tlaku v railu 8 Rail 9 Omezovací tlakový ventil 0 Vstřikovač Systém Common Rail pro užitková vozidla s vysokotlakým čerpadlem CPN SMK06Y Obrázek Palivová nádrž Předřadný filtr 3 Palivový filtr 4 Zubové předřadné podávací čerpadlo 5 Vysokotlaké čerpadlo CPN. 6 Dávkovací jednotka 7 Snímač tlaku v railu 8 Rail 9 Omezovací tlakový ventil 0 Vstřikovač

99 98 Přehled systému Common Rail Systém Common Rail pro užitková vozidla Obraz systému pro užitková vozidla Obrázek 3 ukazuje všechny komponenty systému Common Rail pro šestiválcový vznětový motor užitkového vozidla. Podle druhu použití a typu vozidla nebudou některé komponenty použity. Pro získání přehlednějšího zobrazení jsou ve své montážní pozici zobrazeny jen ty snímače a vysílače požadovaných hodnot, jejichž montážní poloha je nutná k pochopení soustavy. Prostřednictvím sběrnice CAN v oblasti rozhraní (B) je možná výměna dat mezi nejrůznějšími oblastmi (např. řízení převodovky, protiprokluzová regulace (ASR), elektronický stabilizační program (ESP), snímač kvality oleje, tachograf, radar pro hlídání odstupu ACC, brzdový koordinátor až 30 řídicích jednotek). Také alternátor (8) a klimatizace (7) mohou být připojeny pomocí sběrnice CAN. Pro dodatečnou úpravu spalin jsou uváděny tři možné kombinace systému: pouhý systém DPF (filtr pevných částic) (a) převážně pro trh USA, pouhý systém SCR (selektivní katalytická redukce) (b) převážně pro trh EU a rovněž kombinovaný systém (c). Obrázek 3 Motor, řízení motoru a vysokotlaké vstřikovací komponenty Vysokotlaké čerpadlo 9 Řídicí jednotka motoru 30 Rail 3 Snímač tlaku v railu 3 Vstřikovač 33 Relé 34 Přídavné agregáty (např. retardér, výfuková klapka pro motorovou brzdu, spouštěč, ventilátor) 35 Vznětový motor (DI) 36 Plamenová žhavicí svíčka (alternativně roštový ohřívač (Grid-Heater)) M Točivý moment A Snímače a vysílače požadovaných hodnot Snímač pedálu plynu Spínač spojky 3 Brzdové kontakty () 4 Kontakt motorové brzdy 5 Kontakt parkovací brzdy 6 Ovládací spínače (např. regulátor rychlosti jízdy, regulace meziotáček, redukce otáček a točivého momentu) 7 Spínací skříňka 8 Snímač otáček turbodmychadla 9 Snímač otáček klikového hřídele (induktivní) 0 Snímač otáček vačkového hřídele Snímač teploty paliva Snímač teploty motoru (v okruhu chladicí kapaliny) 3 Snímač teploty plnicího vzduchu 4 Snímač plnicího tlaku 5 Snímač otáček ventilátoru 6 Snímač diferenčního tlaku vzduchového filtru B Rozhraní 7 Kompresor klimatizace s ovládacím dílem 8 Alternátor 9 Diagnostické rozhraní 0 Řídicí jednotka SCR (selektivní katalytická redukce) Vzduchový kompresor CAN Controller Area Network (sériová datová sběrnice vozidla) (až 3 sběrnice) C Zásobování palivem (nízkotlaká část) 3 Předřadné podávací palivové čerpadlo 4 Palivový filtr se snímačem hladiny vody a snímačem tlaku 5 Chladič řídicí jednotky 6 Palivová nádrž s předřadným filtrem 7 Tlakový omezovací ventil 8 Snímač hladiny D Zásobování vzduchem 37 Chladič recirkulace spalin 38 Regulační klapka 39 Nastavovač recirkulace spalin s ventilem recirkulace a snímačem polohy 40 Chladič plnicího vzduchu s obtokem pro studený start 4 Turbodmychadlo (zde VTG) se snímačem polohy 4 Nastavovač plnicího tlaku E Dodatečná úprava spalin 43 Snímač teploty spalin 44 Oxidační katalyzátor 45 Snímač diferenčního (rozdílového) tlaku 46 Filtr pevných částic s katalytickou vrstvou (CSF) 47 Snímač sazí 48 Snímač hladiny 49 Nádrž redukčního prostředku 50 Podávací čerpadlo redukčního prostředku 5 Tryska redukčního prostředku 5 Snímač NOx 53 Katalyzátor SCR (selektivní katalytická redukce) 54 Snímač NH3 (amoniak, čpavek)

100 Přehled systému Common Rail Systém Common Rail pro užitková vozidla 99 3 Vstřikovací zařízení vznětového motoru užitkového vozidla se systémem Common Rail B CAN 3 4 C G A D M E a nebo 54 3 b c nebo 54 nebo 47 SMK80-Y

101 00 Elektronická regulace vznětového motoru Přehled systému Elektronická regulace vznětového motoru EDC Elektronické řízení vznětového motoru umožňuje přesné a diferencované (odstupňované, oddělené) utváření veličin vstřikování. Je tak lze splnit mnoho požadavků, kladených na moderní vznětový motor. Elektronická regulace vznětového motoru EDC (Electronic Diesel Control) se dělí na tři systémové bloky snímače a vysílače požadovaných hodnot, řídicí jednotka a akční členy (aktuátory). Přehled systému Požadavky Snižování spotřeby paliva a emisí škodlivin (NO x, CO, HC, pevné částice) při současném zvyšování výkonu respektive točivého momentu motorů jsou určujícími faktory aktuálního vývoje v oblasti techniky vznětových motorů. To vedlo v posledních letech ke zvýšenému používání vznětových motorů s přímým vstřikováním (DI), u nichž jsou vstřikovací tlaky výrazně vyšší než u motorů s nepřímým vstřikováním s vířivou komůrkou nebo předkomůrkou. Díky lepší tvorbě směsi a absenci ztrát vznikajících prouděním mezi předkomůrkou respektive vířivou komůrkou a hlavním spalovacím prostorem je spotřeba paliva motorů s přímým vstřikováním o 0 0% nižší než u motorů s nepřímým vstřikováním. Kromě toho se na vývoji moderních vznětových motorů projevují vysoké nároky na komfort jízdy. Stále vyšší požadavky jsou kladeny rovněž na emise hluku. Z toho vyplývají zvýšené požadavky na vstřikovací systém a jeho regulaci s ohledem na: vysoké vstřikovací tlaky, formování průběhu vstřiku, pilotní vstřik a eventuálně dodatečný vstřik, vstřikované množství, plnicí tlak a počátek vstřiku přizpůsobené každému provoznímu stavu, teplotně závislé startovací množství paliva, regulaci volnoběhu nezávislou na zatížení motoru, regulovanou recirkulaci spalin, regulaci rychlosti jízdy a rovněž malé tolerance doby vstřiku a vstřikovaného množství a vysokou přesnost po celou dobu životnosti (dlouhodobé chování). Tradiční mechanická regulace otáček ovládá pomocí rozličných přizpůsobovacích zařízení různé provozní stavy a zajišťuje vysokou kvalitu zpracování směsi. Systémové bloky EDC (příklad systému Common Rail) Snímače a vysílače požadovaných hodnot Řídicí jednotka Akční členy (aktuátory) Snímač pedálu plynu Snímač hmotnosti vzduchu Snímač tlaku v railu Snímač plnicího tlaku Snímače teploty (vzduchu a chladicí kapaliny) Lambda sonda Snímače otáček (klikového a vačkového hřídele) Brzdový spínač Spínač spojky Startovací spínač (spínací skříňka) Řídicí jedn. doby žhavení CAN Diagnostika ADC Počítač pro výpočet funkcí RAM Flash- EPROM EEPROM Kontrolní modul Vstřikovače Odpojení sacího kanálu Nastavovač plnicího tlaku Nastavovač recirkulace spalin Nastavovač škrticí klapky Kompresor klimatizace Přídavné topení Ventilátor Ventil regulace tlaku v railu Elektronické vypínání (EAB) Diagnostická kontrolka UMK988D

102 Elektronická regulace vznětového motoru Přehled systému 0 Omezuje se však na jednoduchý regulační okruh na motoru a není schopna zpracovávat důležité ovlivňující veličiny respektive není schopna je zpracovat dostatečně rychle. Elektronická regulace vznětového motoru EDC se s rostoucími požadavky vyvinula od jednoduchého systému s elektricky ovládanou regulační tyčí ke komplexnímu elektronickému řízení motoru, které je schopné zpracovávat značné množství dat v reálném čase. Může být součástí komplexního systému vozidla (Drive by wire, řízení po drátě ). Díky rostoucí integraci elektronických součástek lze komplexní elektroniku umístit na malém prostoru. Princip činnosti Elektronická regulace vznětového motoru (EDC) díky faktu, že výpočetní výkon dostupných mikrokontrolérů v posledních letech silně vzrostl, je schopna splnit dříve jmenované požadavky. Na rozdíl od vznětových vozidel s konvenčními mechanicky řízenými vstřikovacími čerpadly nemá řidič u systému EDC přímý vliv na vstřikované množství paliva, např. prostřednictvím pedálu plynu a bowdenu. Vstřikované množství je určováno spíše různými ovlivňujícími veličinami. Jsou to například: přání řidiče (poloha pedálu plynu), provozní stav, teplota motoru, zásahy dalších systémů (např. ABS), dopady na emise škodlivin atd. Vstřikované množství se v řídicí jednotce vypočítává z těchto ovlivňujících veličin. Rovněž okamžik vstřiku se může měnit. To podmiňuje rozsáhlý kontrolní koncept, který rozpoznává vznikající odchylky a podle účinků zavádí odpovídající opatření (např. omezení točivého momentu nebo nouzový chod v oblasti volnoběhu). V EDC je proto obsaženo mnoho regulačních obvodů. Elektronická regulace vznětového motoru umožňuje též výměnu dat s ostatními elektronickými systémy jako např. protiprokluzová regulace (ASR), elektronické řízení převodovky (EGS, Elektronische Getriebesteuerung) nebo regulace jízdní dynamiky pomocí elektronického stabilizačního programu (ESP). Tak lze integrovat řízení motoru do komplexního systému vozidla (např. redukce momentu motoru při řazení automatické převodovky, přizpůsobení momentu motoru prokluzu kol, uvolnění vstřikování prostřednictvím imobilizéru atd.). Systém EDC je plně integrován do diagnostického systému vozidla. Splňuje všechny požadavky OBD (On-Board-Diagnose) a EOBD (European OBD). Systémové bloky Elektronická regulace vznětového motoru (EDC) se člení do tří systémových bloků (obr. ):. Snímače a vysílače požadovaných hodnot zjišťují provozní podmínky (např. otáčky motoru) a požadované hodnoty (např. polohu spínače). Převádějí fyzikální veličiny na elektrické signály.. Řídicí jednotka zpracovává informace snímačů a vysílačů požadovaných hodnot podle určitých matematických výpočetních postupů (řídicí a regulační algoritmy). Aktivuje akční členy pomocí elektrických výstupních signálů. Dále řídicí jednotka vytváří rozhraní k dalším systémům a k diagnostice vozidla. 3. Akční členy (aktuátory) převádějí elektrické výstupní signály řídicí jednotky na mechanické veličiny (např. magnetický ventil pro vstřikování).

103 0 Elektronická regulace vznětového motoru Zpracování dat Zpracování dat Důležitým úkolem elektronické regulace vznětového motoru (EDC) je řízení vstřikovaného množství a okamžiku vstřiku. Vstřikovací systém se společným zásobníkem Common Rail reguluje ještě také vstřikovací tlak. Kromě toho řídicí jednotka motoru u všech systémů ovládá různé akční členy. Funkce elektronické regulace vznětového motoru musejí být přesně přizpůsobeny každému vozidlu a motoru. Jen tak mohou všechny komponenty optimálně spolupracovat (obrázek ). Řídicí jednotka vyhodnocuje signály senzorů a omezuje je na přípustné napěťové úrovně. Některé vstupní signály se kromě toho kontrolují z hlediska plausibility. Mikroprocesor vypočítává z těchto vstupních dat a z polí charakteristik uložených v paměti okamžik a trvání vstřikování a převádí tyto hodnoty na časové průběhy signálů, které jsou přizpůsobeny pohybům pístů motoru. Výpočetní program se nazývá "software řídicí jednotky". Kvůli požadované přesnosti a vysoké dynamice vznětového motoru je nutný velký výpočetní výkon. Výstupními signály se aktivují koncové stupně, poskytující dostatečný výkon pro akční členy (např. vysokotlaké magnetické ventily pro vstřikování, nastavovač recirkulace spalin a nastavovač plnicího tlaku). Kromě toho jsou aktivovány ještě další komponenty s pomocnými funkcemi (např. žhavicí relé a klimatizace). Diagnostické funkce koncových stupňů magnetických ventilů rozpoznávají též chybné průběhy signálů. Dodatečně probíhá prostřednictvím rozhraní výměna signálů s ostatními systémy vozidla. V rámci bezpečnostního konceptu kontroluje řídicí jednotka také celý vstřikovací systém. Znázornění funkce na příkladu regulace proudu I skutečný PT I požadovaný PT l DT x + x x Min Max PWM požadov SAE0987Y

104 Elektronická regulace vznětového motoru Zpracování dat 03 Pricipiální průběh elektronické regulace vznětového motoru Regulační okruh paliva (vstřikovací komponenty) Regulační okruh paliva (motor) Oklika přes řidiče Řídicí jednotka EDC Aktivace vstřikovacích komponentů Regulační okruh vzduchu Tok dat a signálů Výměna dat s ostatními systémy protiprokluzová regulace, řízení převodovky, řízení klimatizace... CAN Regulace vstřiku Regulace a aktivace ostatních akčních členů Požadavky řidiče přání řidiče, tempomat, motorová brzda... Snímače a vysílače požadovaných hodnot snímač pedálu plynu, snímač otáček, spínače... Motor Systém řízení plnění motoru vzduchem přeplňování, recirkulace spalin. Vzduch Palivo Vstřikovací komponenty řadová vstřikovací čerpadla, rotační vstřikovací čerpadla, sdružené vstřikovače / jednotka čerpadla, vysokotlaké čerpadlo a vstřikovače systému Common Rail, držáky trysek a trysky Akční členy (aktuátory) elektropneumatický převodník, zařízení pro trvalé brzdění, ventilátor, řízení doby žhavení... SMK793-D

105 04 Elektronická regulace vznětového motoru Regulace vstřikování Regulace vstřikování Tabulka podává funkční přehled různých regulačních funkcí, které jsou možné u řídicích jednotek EDC. Obrázek ukazuje průběh výpočtu vstřikování se všemi funkcemi. Některé funkce jsou zvláštní výbavou. Mohou být při doplnění výbavy aktivovány v řídicí jednotce i dodatečně prostřednictvím servisu. Aby motor pracoval v každém provozním stavu s optimálním spalováním, vypočítává se v řídicí jednotce vždy vhodné vstřikované množství. Přitom musí být brán ohled na různé veličiny.u některých rotačních vstřikovacích čerpadel řízených magnetickými ventily je prováděna aktivace magnetických ventilů pro dávku paliva a počátek vstřiku prostřednictvím separátní řídicí jednotky čerpadla PSG (Pumpensteuergerät). Funkční přehled variant EDC pro motorová vozidla Tabulka ) jen řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovým šoupátkem ) jen osobní vozidla 3) jen užitková vozidla Vstřikovací systém Funkce Řadová vstřikovací čerpadla PE Rotační vstřikovací čerpadla řízená hranou VE-EDC Rotační vstřikovací čerpadla řízená magnetickými ventily VE-M, VR-M Systém sdruženého vstřikovače UIS a sdružený vstřikovací systém UPS Omezovací množství Externí zásah do momentu 3 ) Omezení rychlosti jízdy 3 ) Regulace rychlosti jízdy Korekce nadmořské výšky Regulace plnicího tlaku Regulace volnoběhu Regulace otáček mezi 3 ) volnoběhem a přeběhem Aktivní tlumení škubání ) Regulace BIP Odpojení sacího kanálu ) Elektronický imobilizér ) Řízený pilotní vstřik ) Řízení doby žhavení ) ) Odpojení klimatizace ) Přídavný ohřev chladicí kapaliny ) Regulace klidného chodu ) Regulace vyrovnání množství paliva ) Aktivace ventilátoru Regulace recirkulace spalin ) ) Regulace počátku vstřiku se snímačem ) 3 ) Vypínání válců 3 ) 3 ) 3 ) Systém Common Rail CR

106 Elektronická regulace vznětového motoru Regulace vstřikování 05 Výpočet vstřikování v řídicí jednotce Požadavky Snímač pedálu plynu (požadavek řidiče) Regulátor rychlosti, jízdy, omezovač rychlosti jízdy Požadavky jiných systémů (např. ABS, ASR, ESP) Výpočty CAN Externí zásah do momentu Volba požadovaného vstřikovaného množství +/- Regulátor volnoběhu (LLR) respektive regulátor vyrovnání množství (MAR) Omezovací množství Regulátor klidného chodu Aktivní tlumič škubání + + Startovací množství Start Přepínač Jízdní provoz Regulace počátku vstřiku respektive počátku dodávky Odměřování dávky paliva (datové pole čerpadla) Aktivace Aktivace přesuvníku vstřiku Aktivace magnetických ventilů Signál k řídicí jednotce čerpadla NMK755D

107 6NMM0555Y 06 Elektronická regulace vznětového motoru Regulace a aktivace akčních členů Regulace a aktivace akčních členů Kromě vstřikovacích komponentů je systémem EDC regulováno a aktivováno značné množství dalších akčních členů. Působí například na řízení plnění válců, na chlazení motoru nebo podporují startovací chování vznětového motoru. Jako u regulace vstřikování jsou i zde zohledňovány požadavky ostatních systémů (např. ASR). Podle typu vozidla, oblasti použití a vstřikovacího systému se používají různé akční členy. Některé příklady jsou popsány v tomto odstavci. Při aktivaci se používají různé způsoby: Akční členy jsou pomocí odpovídajících signálů přímo aktivovány prostřednictvím koncového stupně v řídicí jednotce (např. ventil recirkulace spalin). Při vysoké proudové spotřebě je řídicí jednotkou aktivováno relé (např. aktivace ventilátoru). Řídicí jednotka motoru předává signály nezávislé řídicí jednotce, která pak aktivuje nebo reguluje další akční členy (např. řízení doby žhavení). Přídavný ohřev chladicí kapaliny Výkonné vznětové motory mají velmi vysokou účinnost. Odpadní teplo motoru za určitých okolností již nestačí na to, aby dostatečné vytápělo vnitřní prostor vozidla. Proto se používá přídavný ohřev chladicí kapaliny pomocí žhavicích svíček. Podle kapacity alternátoru je ohřev aktivován v různých stupních. Přídavný ohřev chladicí kapaliny je regulován řídicí jednotkou motoru. Odpojení sacího kanálu Při odpojování sacího kanálu se ve spodní oblasti otáček a ve volnoběhu zavírá plnicí kanál (obrázek, pozice 5) každého válce prostřednictvím klapky (6), protéká-li proud elektropneumatickým převodníkem. Čerstvý vzduch se pak nasává jen vířivými kanály (). Tím vzniká ve spodní oblasti otáček lepší víření vzduchu, což vede k lepšímu spalování. V horní oblasti otáček se zvyšuje stupeň plnění pomocí dodatečně otevřených plnicích kanálů a v důsledku toho se zlepšuje výkon motoru. Integrace všech funkcí motoru v řídicí jednotce EDC nabízí tu výhodu, že v konceptu regulace motoru lze zohlednit nejen vstřikované množství a okamžik vstřiku, nýbrž i všechny ostatní funkce motoru jako např. recirkulaci spalin a regulaci plnicího tlaku. To vede k podstatnému zlepšení regulace motoru. Kromě toho je v řídicí jednotce již k dispozici mnoho informací, které jsou třeba pro další funkce (např. teplota motoru a teplota nasávaného vzduchu pro řízení doby žhavení). Odpojení sacího kanálu 3 5 Obrázek Sací ventil Vířivý kanál 3 Válec 4 Píst 5 Plnicí kanál 6 Klapka 4

108 Elektronická regulace vznětového motoru Regulace a aktivace akčních členů 07 Regulace plnicího tlaku Regulace plnicího tlaku turbodmychadla (LDR, Ladedruckregelung) zlepšuje charakteristiku točivého momentu v provozu s plným zatížením a výměnu náplně válců při provozu s částečným zatížením. Požadovaná hodnota plnicího tlaku závisí na otáčkách, vstřikovaném množství, teplotách chladicí kapaliny a nasávaného vzduchu a rovněž na tlaku okolního vzduchu. Porovnává se se skutečnou hodnotou snímače plnicího tlaku. Při regulační odchylce aktivuje řídicí jednotka elektropneumatický převodník obtokového ventilu nebo vodicích lopatek turbodmychadla s variabilní geometrií turbíny (VTG). Aktivace ventilátoru Nad určitou hodnotou teploty motoru aktivuje řídicí jednotka ventilátor motoru. I po vypnutí motoru ventilátor ještě po jistou dobu běží. Tato doba doběhu závisí na aktuální teplotě chladicí kapaliny a stavu zatížení posledního jízdního cyklu. Recirkulace spalin Ke snižování emisí NO x se zavádí spaliny do sacího traktu motoru. Děje se tak prostřednictvím kanálu, jehož průřez lze měnit pomocí ventilu recirkulace spalin. Ovládání ventilu recirkulace spalin se provádí buď elektropneumatickým převodníkem nebo elektrickým nastavovačem. Vzhledem k vysoké teplotě a podílu nečistot ve spalinách lze proud zpětně vedených spalin špatně měřit. Proto se provádí regulace nepřímo pomocí měřiče hmotnosti nasávaného vzduchu, umístěného v proudu čerstvého vzduchu. Jeho měřená hodnota se v řídicí jednotce porovnává s teoretickou potřebou vzduchu. Ta se zjišťuje z různých datových polí (např. otáčky motoru). Čím nižší je skutečná měřená hmotnost čerstvého vzduchu v porovnání s teoretickou potřebou vzduchu, tím vyšší je podíl recirkulovaných spalin. Náhradní funkce Dojde-li k výpadku jednotlivých vstupních signálů, chybějí řídicí jednotce důležité informace pro výpočty. V tomto případě se provádí aktivace pomocí náhradních funkcí. Dvěma takovými příklady jsou: Příklad : Teplota paliva je potřeba k výpočtu vstřikovaného množství. Vypadne-li snímač teploty paliva, počítá řídicí jednotka s náhradní hodnotou. Ta musí být zvolena tak, aby nedocházelo k silné tvorbě sazí. Proto může při vadném snímači teploty paliva dojít k poklesu výkonu v některých provozních oblastech. Příklad : Při výpadku snímače vačkového hřídele použije řídicí jednotka signál snímače klikového hřídele jako náhradní signál. V závislosti na výrobci vozidla existují různé koncepty, jimiž je z průběhu signálu klikového hřídele zjišťováno, kdy je. válec v kompresním zdvihu. Jako důsledek této náhradní funkce je však skutečnost, že nastartování motoru trvá poněkud déle. Různé náhradní funkce se mohou lišit podle výrobce vozidla. Proto jsou možné mnohé funkce, specifické dle vozidla. Všechny závady se pomocí diagnostických funkcí ukládají do paměti a lze je vyčíst v servisu.

109 08 Systémy pomoci při startu Žhavicí systémy Systémy pomoci při startu Horké vznětové motory s předkomůrkou a vířivou komůrkou a motory s přímým vstřikem (DI) při venkovních teplotách 0 C startují spontánně. Teploty 50 C pro samovznícení paliva při startu je dosaženo pomocí otáček spouštěče. Studené motory s předkomůrkou a vířivou komůrkou při okolních teplotách < 40 C respektive < 0 C vyžadují pomoc při startu, motory s přímým vstřikem až při teplotě pod 0 C. Žhavicí systémy Pro osobní a lehká užitková vozidla se používají žhavicí systémy. Skládají se v podstatě ze žhavicích kolíkových svíček (GLP), řídicí jednotky doby žhavení a softwaru pro žhavení v řídicí jednotce motoru. U konvenčních žhavicích systémů se používají žhavicí svíčky s jmenovitým napětím V, napájené palubním napětím. Nové nízkonapěťové žhavicí systémy vyžadují žhavicí svíčky s jmenovitým napětím pod V, jejichž topný výkon je pomocí elektronické řídicí jednotky doby žhavení přizpůsoben potřebě motoru. U motorů s předkomůrkou a vířivou komůrkou (IDI) vyčnívají žhavicí svíčky do vedlejšího spalovací prostoru, u motorů s přímým vstřikem (DI) do spalovacího prostoru válce motoru. Směs vzduchu a paliva se vede kolem horké špičky žhavicí svíčky a při tom se ohřívá. Ve spojení s ohříváním nasávaného vzduchu během doby komprese je dosaženo teploty vznícení. Pro vznětové motory se zdvihovým objemem větším než litr/válec (užitková vozidla) se normálně nepoužívají žhavicí systémy, nýbrž zařízení pro ohřev plamenem při startu. Fáze žhavení Předžhavení: kolíková žhavicí svíčka se ohřívá na provozní teplotu. Pohotovostní žhavení: žhavicí systém drží po definovanou dobu teplotu žhavicí svíčky nutnou pro start. Startovací žhavení: používá se během rozběhu motoru. Fáze dožhavení: začíná po odpadnutí spouštěče. Mezižhavení: po ochlazení motoru při deceleraci nebo k podpoření regenerace filtru pevných částic. Konvenční žhavicí systém Konvenční žhavicí systémy se skládají z kovové kolíkové žhavicí svíčky s jmenovitým napětím V, relé řídicí jednotky doby žhavení a softwarového modulu pro funkci žhavení, integrovaného do řídicí jednotky motoru. Kolíková žhavicí svíčka GLP Obrázek Připojovací konektor Izolační podložka 3 Pouzdro 4 Žhavicí trubička 5 Regulační spirála 6 Prášková výplň z oxidu magnesia 7 Topná spirála 8 Těsnění topného tělesa 9 Dvojité těsnění 0 Okrajová matice cm UMS0685-Y

110 Systémy pomoci při startu Žhavicí systémy 09 Software žhavení v řídicí jednotce motoru EDC zahajuje a ukončuje proces žhavení v závislosti na aktivaci spínače ve spínací skříňce a na základě parametrů uložených v softwaru. Řídicí jednotka žhavení podle údajů EDC během fází žhavení předžhavení, pohotovostní žhavení, startovací žhavení a dožhavení aktivuje žhavicí svíčky tím, že je pomocí relé připojuje k palubnímu napětí. Jmenovité napětí žhavicích svíček je V. V důsledku toho je topný výkon závislý na aktuálním palubním napětí a teplotně závislém odporu (PTC) žhavicí svíčky. Z toho plyne autoregulační chování žhavicí svíčky. Ve spojení s vypínací funkcí závislou na zatížení motoru, obsaženou v softwaru žhavení v řídicí jednotce motoru, se lze spolehlivě vyhnout teplotnímu přetížení žhavicí svíčky. Kolíková žhavicí svíčka Duraterm Konstrukce a vlastnosti Žhavicí kolík (obrázek ) se skládá z trubičkového topného tělesa, které je plynotěsně zalisováno do pouzdra (3). Trubičkové topné těleso se skládá z žhavicí trubičky (4), odolné horkým plynům a korozi, která má uvnitř žhavicí spirálu, uloženou ve zhutněném prášku z oxidu magnesia (6). Tato žhavicí spirála je tvořena dvěma sériově zapojenými odpory: topnou spirálou (7), umístěnou ve špičce žhavicí trubičky, a regulační spirálou (5). Zatímco topná spirála má elektrický odpor nezávislý na teplotě, regulační spirála vykazuje kladný teplotní součinitel (PTC). Její odpor se u žhavicí svíčky generace GLP s rostoucí teplotou zvyšuje ještě silněji než u starších kolíkových žhavicích svíček typu S-RSK. Díky tomu svíčka GLP dosahuje rychleji teplotu potřebnou pro vznícení paliva (850 C za 4 sekundy) a má nižší ustálenou teplotou. Teplota je tak omezena na hodnoty, které nejsou pro kolíkovou žhavicí svíčku kritické. Proto může být po startu ještě až tři minuty dále v provozu. Toto dožhavení způsobuje zlepšený volnoběh za studena s výrazně nižšími emisemi hluku a spalin. Topná spirála je přivařena k vypouklému konci žhavicí trubičky, čímž je vytvořeno spojení s kostrou. Regulační spirála je spojena s připojovacím kolíkem, jímž je žhavicí svíčka připojena k palubní síti. Funkce Při přivedení palubního napětí ke kolíkové žhavicí svíčce se nejprve největší část elektrické energie převádí v topné spirále na teplo; teplota na špičce žhavicí svíčky tak strmě narůstá. Teplota regulační spirály a tím i odpor se zvyšuje s časovým zpožděním. Spotřeba proudu a tedy celkový topný výkon kolíkové žhavicí svíčky se snižuje a teplota se blíží ustálenému stavu (obrázek ). Porovnání průběhů žhavení kolíkové žhavicí svíčky GSK, HighSpeed a GSK3 Teplota 8C a s 0 Čas 3 UMK03D Nízkonapěťový žhavicí systém Nízkonapěťový žhavicí systém obsahuje keramické kolíkové žhavicí svíčky DuraSpeed nebo kovové kolíkové žhavicí svíčky HighSpeed v nízkonapěťovém provedení < V, elektronickou řídicí jednotku doby žhavení a softwarový modul pro funkci žhavení, integrovaný v řídicí jednotce motoru. Obrázek a od t = 0 s probíhá ofukování s rychlostí proudění m/s Kolíková žhavicí svíčka DuraSpeed (7 V) Kovová kolíková žhavicí svíčka High- Speed (5 V) 3 Kovová kolíková žhavicí svíčka ( V)

111 0 Systémy pomoci při startu Žhavicí systémy Aby bylo při předžhavení co možná nejrychleji dosaženo potřebné žhavicí teploty pro start motoru, jsou kolíkové žhavicí svíčky v této fázi krátkodobě napájeny napětím větším než je jmenovité napětí. Během pohotovostního žhavení pro start se pracovní napětí snižuje na hodnotu jmenovitého napětí. Během startovacího žhavení se provozní napětí opět zvyšuje, aby se vyrovnalo ochlazení kolíkové žhavicí svíčky, způsobené studeným nasávaným vzduchem. Toto je možné i v oblasti dožhavení a mezižhavení. Potřebné napětí se zjišťuje z datového pole, které je přizpůsobeno danému motoru. Datové pole obsahuje parametry otáčky, vstřikované množství, čas po vypnutí spouštěče a teplotu chladicí kapaliny. Aktivace žhavení podporovaná datovým polem spolehlivě zabraňuje tepelnému přetížení kolíkové žhavicí svíčky ve všech provozních stavech motoru. Funkce žhavení, implementovaná v řídicí jednotce EDC, obsahuje ochranu proti přehřátí při opakovaném žhavení. Tyto žhavicí systémy umožňují při použití kovových kolíkových žhavicích svíček HighSpeed rychlý start a při použití kolíkových žhavicích svíček DuraSpeed okamžitý start podobně jako u zážehového motoru až do teploty - 8 C. Kovová kolíková žhavicí svíčka HighSpeed Konstrukcí a způsobem činnosti odpovídá kovová kolíková žhavicí svíčka HighSpeed svíčce Duraterm. Topná a regulační spirála jsou zde dimenzovány na nižší jmenovité napětí a velkou rychlost nažhavení. Štíhlé konstrukční provedení je přizpůsobeno omezenému prostoru pro montáž u čtyřventilových motorů. Žhavicí kolík (Ø 4/3,3 mm) má v přední části zúžení, aby se topná spirála přiblížila k žhavicí trubičce. To umožňuje spolu se zvýšeným provozním napětím ve fázi předžhavení dosáhnout rychlosti nažhavení až 000 C / 3 s. Maximální žhavicí teplota leží v oblasti nad 000 C. Teplota během pohotovostního žhavení pro start a při dožhavení je cca. 980 C. Tyto funkční vlastnosti jsou přizpůsobeny požadavkům vznětových motorů s kompresním poměrem «8. Kolíková žhavicí svíčka DuraSpeed Kolíkové žhavicí svíčky DuraSpeed mají žhavicí kolík z nového, vysoce teplotně odolného materiálu. Na základě své velmi vysoké odolnosti proti oxidaci a teplotnímu šoku dovolují okamžitý start a rovněž několik minut dlouhé dožhavení a mezižhavení při teplotě 300 C. Redukce emisí u vznětových motorů s nízkým kompresním poměrem Zmenšením kompresního poměru u moderních vznětových motorů z hodnoty = 8 na «= 6 lze snížit emise NO x a sazí při současném zvýšení litrového výkonu. Chování při studeném startu a ve volnoběhu za studena je však u těchto motorů problematické. Aby bylo u těchto motorů dosaženo minimálních hodnot kouřivosti a velkého klidu chodu motoru při studeném startu a ve volnoběhu za studena, jsou potřebné teploty žhavicích svíček přes 50 C pro konvenční motory postačuje 850 C. Během fáze chodu motoru za studena lze udržet tyto nízké emisní hodnoty emise modrého kouře a sazí jen díky několikaminutovému dožhavení. V porovnání se standardními žhavicími systémy se při použití keramického žhavicího systému Bosch redukují hodnoty kouřivosti až o 60 %.

112 Dimenze vstřikovací techniky vznětových motorů Dimenze vstřikovací techniky vznětových motorů Svět vstřikování vznětových motorů je světem superlativů. Jehla trysky motoru užitkového vozidla za svoji životnost vykoná více než miliardu otvíracích a zavíracích zdvihů. Spolehlivě těsní při hodnotách tlaku až 050 barů a musí při tom leccos vydržet: absorbuje rázy rychlého otvírání a zavírání (u motoru osobního vozu až krát za minutu při pilotních a dodatečných vstřicích), odolává vysokému namáhání prouděním při vstřikování a čelí tlaku a teplotě ve spalovacím prostoru. Následující srovnání ukazují, co vše dokážou moderní vstřikovací trysky: V tlakové komoře panuje tlak až 050 barů. Tento tlak vznikne, pokud by se postavilo vozidlo vyšší třídy na nehet prstu. Doba vstřiku obnáší milisekundy (ms). Za jednu milisekundu urazí zvuková vlna z reproduktoru vzdálenost jen asi 33 cm. Vstřikované množství u osobních vozidel se mění od mm 3 (pilotní vstřik) do 50 mm 3 (dávka při plném zatížení); u užitkových vozidel od 3 mm 3 (pilotní vstřik) do 350 mm 3 (dávka při plném zatížení). mm 3 odpovídá objemu poloviny špendlíkové hlavičky. 350 mm 3 se rovná množství velkých dešťových kapek (30 mm 3 na kapku). Toto množství se protlačuje během ms rychlostí 000 km/h otvorem o průřezu menším než 0,5 mm! Vůle ve vedení jehly trysky je 0,00 mm ( μm). Lidský vlas je 30 krát tlustší (0,06 mm). Splnění všech těchto vysokých výkonů vyžaduje obrovské know-how ve vývoji, nauce o technických materiálech, výrobě a měřicí technice. Lidský vlas (Ø 0,06mm) Tlak 050 barů Vůle ve vedení 0,00mm Špendlíková hlavička (mm 3 ) Vstřikované množství...350mm 3 Rychlost zvuku Doba vstřiku...ms 0,33 m/ms NMK708-D

113 Vstřikovací trysky Vstřikovací trysky Vstřikovací tryska vstřikuje palivo do spalovacího prostoru vznětového motoru. Zásadním způsobem ovlivňuje tvorbu směsi a spalování a tím i výkon motoru, emisní chování a hlučnost motoru. Aby vstřikovací trysky mohly optimálně plnit své úkoly, musejí být přizpůsobeny motoru prostřednictvím různých provedení v závislosti na vstřikovacím systému. Vstřikovací tryska (v dalším textu nazývaná zkráceně tryska ) je ústředním prvkem vstřikovacího systému, vyžadujícím mnoho technického know-how. Tryska má určující podíl na: vytváření průběhu vstřiku (přesný průběh tlaku a rozdělení množství na stupeň úhlu otočení klikového hřídele), optimální rozprášení a rozdělení paliva ve spalovacím prostoru a utěsnění palivového systému vůči spalovacímu prostoru Tryska vzhledem ke své exponované poloze ve spalovacím prostoru podléhá trvale pulsujícímu mechanickému a tepelnému namáhání, pocházejícímu od motoru a vstřikovacího systému. Proudící palivo musí trysku chladit. V režimu decelerace, kdy se nevstřikuje, výrazně narůstají teploty v trysce. Její teplotní odolnost musí být proto dimenzována na tento provozní režim. U vstřikovacích systémů s řadovými vstřikovacími čerpadly (PE), rotačními vstřikovacími čerpadly (VE/VR) a jednotkami čerpadel (UP) jsou trysky do motoru montovány s použitím držáků trysek (obrázek ). U vysokotlakých vstřikovacích systémů Common Rail (CR) a sdružených vstřikovačů (UI) je tryska integrována ve vstřikovači. Držák trysky není u těchto systémů potřeba. Pro komůrkové motory (IDI) se používají čepové trysky a u motorů s přímým vstřikováním (DI) otvorové trysky. Tlak paliva otvírá trysku. Otvory trysky, doba vstřiku a průběh vstřiku v podstatě určují vstřikované množství. Klesne-li tlak, musí se tryska rychle a spolehlivě zavřít. Zavírací tlak leží minimálně o 40 barů nad maximálním spalovací tlakem, aby se zabránilo nežádoucím následným vstřikům nebo pronikání plynů ze spalování. Tryska musí být přizpůsobena různým poměrům v motoru: způsob spalování (přímé (DI) nebo nepřímé (IDI) vstřikování), geometrie spalovacího prostoru, tvar a směr vstřikového paprsku, průrazná síla a rozprášení paprsku paliva, doba vstřiku a vstřikované množství na stupeň úhlu otočení klikového hřídele. Standardizované rozměry a konstrukční skupiny dovolují potřebnou flexibilitu s minimem variant jednotlivých dílů. Vzhledem k lepšímu výkonu při nižší spotřebě paliva se nové motory vyvíjejí už jen s přímým vstřikováním (tzn. s otvorovými tryskami). Vstřikovací tryska jako rozhraní mezi vstřikovacím systémem a vznětovým motorem CR UI PE VE/VR UP Držák trysky Vstřikovací tryska Spalovací prostor vznětového motoru NMK856D

114 Vstřikování vznětového motoru je technikou vysoké přesnosti 3 Vstřikování vznětového motoru je technikou vysoké přesnosti U vznětových motorů si mnozí laici představí spíše hrubé strojírenství než přesnou mechaniku. Moderní komponenty vstřikování pro vznětové motory se však skládají z vysoce přesných dílů, vystavených extrémnímu namáhání. Vstřikovací tryska tvoří rozhraní mezi vstřikovacím systémem a motorem. Po celou dobu životnosti motoru se musí přesně otvírat a zavírat. V zavřeném stavu se nesmí objevit žádná netěsnost. Ta by zvýšila spotřebu paliva, zhoršila emise spalin nebo dokonce vedla k poškození motoru. Aby trysky při vysokých tlacích v moderních vstřikovacích systémech VR (VP44), CR, UPS a UIS (až 050 barů) spolehlivě těsnily, musejí být speciálně konstruovány a velmi přesně vyráběny. Zde je několik příkladů: Aby těsnicí plocha tělesa trysky () spolehlivě těsnila, má maximální odchylku tvaru 0,00 mm ( μm). To znamená, že se musí vyrábět s přesností cca vrstev atomů kovu! Vůle ve vedení mezi jehlou trysky a tělesem trysky () obnáší 0,00 0,004 mm ( 4 μm). Odchylky tvaru jsou díky nejjemnějšímu obrábění rovněž menší než 0,00 mm ( μm). přesné měřicí metody, jakými jsou například: optický souřadnicový 3D měřicí stroj k proměřování vstřikovacích otvorů nebo laserová interferometrie k měření rovinnosti těsnicí plochy trysky. Výroba komponentů vstřikování vznětových motorů tedy představuje špičkovou technologii ( hightech ) ve velkosériové výrobě. Zde záleží na přesnosti Jemné vstřikovací otvory (3) trysek se při výrobě vyhlubují elektroerozivním vrtáním. Při vyhlubování se odpařuje kov v důsledku vysoké teploty při jiskrovém výboji mezi elektrodou a obrobkem. S přesně vyrobenými elektrodami a přesným nastavením parametrů lze vyrábět velmi přesné vývrty o průměru 0, mm. Nejmenší průměr vstřikovacího otvoru je tak jen dvakrát větší než průměr lidského vlasu (0,06 mm). K dosažení lepšího chování při vstřiku se náběhové hrany vstřikovacích otvorů zaoblují proudovým broušením speciální kapalinou (hydroerozivní obrábění). Nepatrné tolerance vyžadují speciální, vysoce 3 NMK709-Y Těsnicí plocha tělesa trysky Vůle ve vedení mezi jehlou trysky a tělesem trysky 3 Vstřikovací otvor

115 4 Vstřikovací trysky Otvorové trysky Otvorové trysky Použití Otvorové trysky se používají u motorů, které pracují s přímým vstřikováním (Direct Injection, DI). Montážní poloha je většinou dána konstrukcí motoru. Vstřikovací otvory umístěné pod různými úhly musí být vhodně orientovány vůči spalovacímu prostoru (obrázek ). Otvorové trysky se dělí na trysky se slepým vývrtem a trysky s otvory do sedla. Kromě toho se rozdělují otvorové trysky podle konstrukční velikosti na: Typ P s průměrem jehly 4 mm (trysky se slepým vývrtem a s otvory do sedla) nebo Typ S s průměrem jehly 5 mm a 6 mm (trysky se slepým vývrtem pro velké motory). U vstřikovacího systému sdružených vstřikovačů (UI) a Common Rail (CR) jsou otvorové trysky integrovány ve vstřikovačích. Vstřikovače tak přebírají funkci držáku trysky. Otvírací tlak otvorových trysek leží mezi bary. Poloha otvorové trysky ve spalovacím prostoru g Konstrukce Vstřikovací otvory (obrázek, pozice 6) jsou na plášti špičky trysky (7). Počet a průměr otvorů závisí na požadovaném vstřikovaném množství, tvaru spalovacího prostoru a víru vzduchu ve spalovacím prostoru. Průměr vstřikovacích otvorů na vnitřní straně je o něco větší než na vnější straně. Tento rozdíl je definován faktorem k. Náběhové hrany vstřikovacích otvorů mohou být zaobleny hydroerozivním obráběním. Na místech, kde se vyskytují vysoké rychlosti proudění (náběh otvoru trysky), jsou abrazivními částicemi, obsaženými v hydroerozivní tekutině, zaoblovány hrany. Hydroerozivní obrábění lze použít jak pro trysky se slepým vývrtem tak pro trysky s otvory do sedla. Cílem při tom je, optimalizovat součinitel proudění, předejít opotřebení hran, způsobenému abrazivními částicemi v palivu, zúžit tolerance průtoku. Trysky musejí být pečlivě přizpůsobeny daným poměrům v motoru. Konstrukce trysky spolurozhoduje o dávkovaném vstřikování (doba vstřiku a vstřikované množství na stupeň úhlu otočení klikového hřídele), přípravě paliva (počet paprsků, tvar paprsku a rozprášení paprsku paliva), rozdělení paliva ve spalovacím prostoru a rovněž utěsnění vůči spalovacímu prostoru. Obrázek Držák trysky nebo vstřikovač Těsnicí podložka 3 Otvorová trysky g Sklon d Úhel vstřikovacího kuželu d 3 UMK40-Y Tlaková komora (0) se vytváří elektrochemickým obráběním kovu (ECM). Při něm se do navrtaného tělesa trysky zavede elektroda, která je proplachována elektrolytem. Z elektricky kladně nabitého tělesa trysky je ubírán materiál (anodové rozpouštění, rozklad).

116 Vstřikovací trysky Otvorové trysky 5 Provedení Palivo v prostoru pod sedlem jehly trysky se po spalování odpařuje a výrazně tak přispívá k emisím uhlovodíků, produkovaných motorem. Proto je důležité, aby tento objem (zbytkový nebo škodlivý objem) byl co možná nejmenší. Kromě toho má geometrie sedla jehly a tvar špičky trysky rozhodující vliv na chování trysky při otvírání a zavírání. To má vliv na emise sazí a NO x motoru. Zohlednění těchto faktorů podle požadavků motoru a vstřikovacího systému vedlo k různým provedením trysek. V zásadě existují dvě provedení: trysky se slepým vývrtem trysky s otvory do sedla. U trysek se slepým vývrtem jsou používány různé varianty. Tryska se slepým vývrtem Vstřikovací otvory trysky se slepým vývrtem (obrázek, pozice 6) jsou umístěny po obvodu slepého vývrtu. U zakulacené špičky se vstřikovací otvory vrtají dle konstrukce mechanicky nebo elektrickým úběrem částic (elektroerozivně). Trysky se slepým vývrtem s kuželovitou špičkou se vrtají elektroerozivně. Trysky se slepým vývrtem jsou k dispozici s válcovitým a kuželovitým slepým vývrtem v různých rozměrech. Tryska s kuželovitým slepým vývrtem a zakulacenou špičkou (obrázek 3), skládající se z válcovité části a části tvaru polokoule, má velkou konstrukční volnost co se týká počtu otvorů, délky otvorů a úhlu vstřikovacího kuželu. Špička trysky má tvar polokoule a tím zajišťuje společně s tvarem slepého vývrtu rovnoměrnou délku otvorů. Tryska se slepým vývrtem 3 4 F F F D mm 3 Označení částí u špičky trysky s válcovitým slepým vývrtem a zakulacenou špičkou SMK403-4Y NMK650-3Y Obrázek Plocha dorazu zdvihu Aretační otvor 3 Tlakový kužel 4 Dvojité vedení jehly 5 Dřík jehly 6 Vstřikovací otvor 7 Špička trysky 8 Dřík tělesa trysky 9 Osazení tělesa trysky 0 Tlaková komora Přívodní vrtaný otvor Vedení jehly 3 Pás tělesa trysky 4 Těsnicí plocha FF Síla pružiny FD Síla na tlakový kužel, vznikající působením tlaku paliva Obrázek 3 Usazovací hrana Náběh sedla 3 Sedlo jehly 4 Špička jehly 5 Vstřikovací otvor 6 Zakulacená špička 7 Válcovitý slepý vývrt (zbytkový objem) 8 Náběh vstřikovacího otvoru 9 Poloměr hrdla 0 Kužel špičky trysky Sedlo tělesa trysky Tlumicí kužel

117 6 Vstřikovací trysky Otvorové trysky Tryska s válcovitým slepým vývrtem a kuželovitou špičkou (obrázek 4a) existuje jen pro délky otvoru 0,6 mm. Kuželovitý tvar špičky zvyšuje pevnost špičky díky větší tloušťce stěny mezi poloměrem hrdla (3) a sedlem tělesa trysky (4). 4 Špičky trysek Tryska s kuželovitým slepým vývrtem a kuželovitou špičkou (obrázek 4b) má menší zbytkový objem než tryska s válcovitým slepým vývrtem. Svým objemem slepého vývrtu se řadí mezi trysku s otvory do sedla a trysku s válcovitým slepým vývrtem. Aby byla dosažena rovnoměrná tloušťka stěny špičky, má špička kuželovité provedení odpovídající slepému vývrtu. a b 4 3 Dalším vývojem trysky se slepým vývrtem je tryska s miniaturním slepým vývrtem (obrázek 4c). Objem jejího slepého vývrtu je o 30% zmenšen oproti běžné trysce se slepým vývrtem. Tato tryska se hodí obzvláště pro systémy Common Rail, které pracují s relativně pomalým zdvihem jehly a v důsledku toho s poměrně dlouhým škrcením v sedle při otvírání. Tryska s miniaturním slepým vývrtem představuje v současné době nejlepší kompromis mezi malým zbytkovým objemem a rovnoměrným rozdělením paprsku při otvírání. Obrázek 4 a válcovitý slepý vývrt a kuželovitá špička b kuželovitý slepý vývrt a kuželovitá špička c miniaturní slepý vývrt d tryska s otvory do sedla c d 5 Tryska s otvory do sedla Aby se minimalizoval zbytkový objem a tím i emise uhlovodíků (HC), je začátek vstřikovacího otvoru v sedle tělesa trysky. Při uzavřené trysce jehla trysky zcela zakrývá začátek vstřikovacího otvoru, takže není přímé spojení mezi slepým vývrtem a spalovacím prostorem (obrázek 4d). Objem slepého vývrtu je oproti trysce se slepým vývrtem výrazně zmenšen. Trysky s otvory do sedla mají oproti tryskám se slepým vývrtem značně nižší mez zatížení a mohou proto být vyráběny jen s délkou otvoru mm. Tvar špičky je kuželovitý. Vstřikovací otvory jsou vrtány elektroerozivně. Válcovitý slepý vývrt Kuželovitá špička 3 Poloměr hrdla 4 Sedlo tělesa trysky 5 Kuželovitý slepý vývrt NMK858Y Zvláštní geometrie vstřikovacího otvoru, dvojité vedení jehly trysky nebo komplexní geometrie špičky jehly ještě dále zlepšují rozdělení paprsku a tím tvorbu směsi u trysek se slepým vývrtem a trysek s otvory do sedla.

118 Vstřikovací trysky Otvorové trysky 7 Tepelná ochrana U otvorových trysek leží horní teplotní hranice na 300 C (tepelná odolnost materiálu). Pro zvlášť náročné aplikace jsou k dispozici tepelně ochranná pouzdra nebo pro větší motory dokonce chlazené vstřikovací trysky. Otvorové trysky mají až šest (osobní vozy) respektive deset otvorů (užitkové vozy). Cílem vývoje do budoucna je ještě dále zvětšit počet otvorů a zmenšit jejich průměr (< 0, mm), aby se dosáhlo ještě jemnějšího rozdělení paliva. Vliv na emise Geometrie trysky má přímý vliv na emise škodlivin motoru: Geometrie vstřikovacího otvoru (obrázek 5, pozice ) ovlivňuje emise pevných částic a NO x. Geometrie sedla () svým působením na pilotní množství tzn. množství paliva na začátku vstřikování ovlivňuje hluk motoru. Cílem optimalizace vstřikovacího otvoru a geometrie sedla je dosáhnout robustním návrhem se způsobilým výrobním postupem co možná nejmenších tolerancí. Geometrie slepého vývrtu (3) ovlivňuje, jak již bylo zmíněno dříve, emise uhlovodíků (HC). Ze stavebnice trysek může konstruktér zvolit optimální variantu specifickou pro dané vozidlo. 5 Rozhodující místa geometrie trysky 3 NMK859Y Proto je důležité, aby byly trysky přesně přizpůsobeny vozidlu, motoru a vstřikovacímu systému. V případě oprav vozidla se smí používat jen originální náhradní díly, aby nedošlo ke zhoršení výkonu a emisí škodlivin motoru. Tvary paprsku Principielně je vstřikovací paprsek pro motory osobních vozidel dlouhý a úzký, neboť tyto motory vytvářejí silný vír ve spalovacím prostoru. U motorů užitkových vozidel dochází k velmi malému víření. Proto je paprsek krátký a baňatý. Vstřikovací paprsky se nesmějí ani při velkém víření navzájem stýkat, jinak by se palivo vstřikovalo do oblastí, v nichž již probíhá spalování a tím v nich panuje nedostatek vzduchu. To by vedlo k silné tvorbě sazí. 6 Vysokorychlostní záznam průběhu vstřiku otvorové trysky osobního vozu mm 0,5 Zdvih jehly Čas ms NMK860Y Obrázek 5 Geometrie vstřikovacího otvoru Geometrie sedla 3 Geometrie slepého vývrtu

119 8 Držáky trysek Přehledt Držáky trysek Držáky trysek spolu s příslušnými vstřikovacími tryskami tvoří vstřikovače (v německé literatuře se používá termín Düsenhalterkombination DHK, kombinace držáku trysky, v dalším textu však bude používán výhradně termín vstřikovač). Pro každý válec motoru je v hlavě válců zabudován jeden vstřikovač (obrázek ). Vstřikovače jsou důležitou součástí vstřikovacího systému a podstatným způsobem ovlivňují výkon motoru, emisní chování a hlučnost motoru. Aby optimálně plnily svoje úkoly, musejí být přizpůsobeny motoru použitím různých provedení. Kromě toho držák trysky podle provedení obsahuje těsnění a distanční podložky. Standardizované rozměry a konstrukční skupiny dovolují potřebnou flexibilitu s minimem variant jednotlivých dílů. Princip montáže vstřikovače na příkladu motoru s přímým vstřikováním Obrázek Přívod paliva Těleso držáku 3 Zpětné palivové vedení 4 Vstřikovací tryska 5 Těsnicí podložka 6 Spalovací prostor vznětového motoru 7 Hlava válců 8 Upínací matice trysky 9 Tlačná pružina 0 Tlakový kanál Filtr Přehled Vstřikovací tryska (4) v držáku trysky vstřikuje palivo do spalovacího prostoru (6) vznětového motoru. Držák trysky obsahuje následující důležité prvky: Tlačná(é) pružina(y) (9): Opírají se o jehlu trysky a zavírají tak vstřikovací trysku. Upínací matice trysky (8): Drží a vystřeďuje vstřikovací trysku. Filtr (): Zachycuje nečistoty. Přípojky pro přívod paliva a zpětné vedení tvoří prostřednictvím tlakového kanálu (0) spojení s palivovými potrubími UMK79-Y Typový vzorec držáků trysek Bosch K Držák trysky K B A L Z 05 S V XX Číslo data dodávky vzorek: posledních 7 číslic číselného označení B Upev. přírubou nebo upínacím třmenem C Závit na upínací matici trysky pro našroubování D Převlečný šroub V Pokusný držák Bez písmene = sériový držák Obrázek Toto číslo je vyraženo na držáku trysky a umožňuje přesnou identifikaci držáku trysky. A E N Dole umístěná pružina Držák Ø 7 mm (tryska P), Ø 5 mm (tryska S) Dole umístěná pružina Držák Ø mm (tryska P a S) Dole umístěná pružina Držák Ø 7/ mm (tryska P) L Dlouhý pás trysky Bez písmene = krátký pás trysky Z Dva přívodní vrtané otvory Bez písmene = jeden přívodní vrtaný otvor P Tryska (pás Ø 4,3 mm) S Tryska (pás Ø 7 mm) Montážní délka (mm) SMK83D

120 Držáky trysek Přehled 9 Konstrukce držáku trysky je principielně stejná pro motory s přímým (DI) nebo nepřímým (IDI) vstřikováním. Jelikož dnes se vyvíjejí téměř výhradně motory s přímým vstřikováním, jsou zde představovány především vstřikovače pro motory s přímým vstřikem. Popisy platí ale též pro motory s nepřímým vstřikováním, u nichž se potom používají čepové trysky místo otvorových trysek. Držáky trysek lze kombinovat s různými tryskami. Podle požadavků na průběh vstřiku jsou k dispozici Standardní držáky trysek (jednopružinové držáky trysek) a Dvoupružinové držáky trysek (nikoliv u sdružených vstřikovacích systemů). Jednou z variant těchto provedení je stupňovitý držák, který je obzvláště vhodný pro těsné prostory. Držáky trysek se používají v závislosti na vstřikovacím systému se snímačem nebo bez snímače pohybu jehly. Snímač pohybu jehly hlásí řídicí jednotce motoru přesný počátek vstřiku. 3 Příklad vstřikovačů cm Držáky trysek mohou být upevněny k hlavě válců pomocí přírub, upínacích třmenů, převlečných matic a závitu pro našroubování. Tlakový přívod je umístěn centrálně nebo bočně. Palivo, které prosakuje okolo jehly trysky, slouží k mazání. U mnoha variant držáků trysek je vedením uniklého paliva (zpětným vedením) odváděno zpět do palivové nádrže. Některé držáky trysek pracují bez úniku paliva tedy bez odpovídajícího zpětného vedení. Palivo v pružinové komoře při velkých vstřikovaných množstvích a otáčkách tlumí zdvih jehly, takže vzniká podobný průběh vstřiku jako u dvoupružinového držáku trysky. U vysokotlakých vstřikovacích systémů Common Rail a sdružených vstřikovačů (UI, Unit Injector, nazývaných též jednotka čerpadlo - tryska) je tryska integrována ve vstřikovači. Držák trysky není u těchto systémů potřeba. Pro velké motory s výkonem přes 75 kw na válec existují specifické vstřikovače s chlazením a bez chlazení. a b c d e f g h i j Obrázek 3 a Stupňovitý držák trysky pro užitkové vozy b Standardní držák trysky pro různé motory c Dvoupružinový držák trysky pro osobní vozy d Standardní držák trysky pro různé motory e Stupňovitý držák trysky bez přípojky zpětného vedení uniklého paliva pro užitkové vozy f Stupňovitý držák trysky pro užitkové vozy g Stupňovitý držák trysky pro různé motory h Dvoupružinový držák trysky pro osobní vozy i Stupňovitý držák trysky pro různé motory j Standardní držák trysky s čepovou tryskou pro různé motory s nepřímým vstřikováním IDI

121 0 Dodatečná úprava spalin Dodatečná úprava spalin Obrázek A: Regulace DPF (filtr pevných částic) B: Regulace DPF a NSC (filtr pevných částic a zásobníkový katalyzátor NOx), použití jen pro užitková vozidla Dosud bylo snižování emisí vznětových motorů prováděno převážně opatřeními uvnitř samotného motoru. U mnoha vznětových vozidel však budou emise vycházející z motoru (surové, neupravené emise) překračovat budoucí mezní emisní hodnoty platné v Evropě, USA a Japonsku. Potřebný vysoký stupeň redukce emisí lze pravděpodobně dosáhnout jen účinnou kombinací opatření uvnitř a vně motoru. Analogicky k osvědčeným metodám používaným u benzínových vozidel se proto také pro vozy se vznětovými motory intenzivně vyvíjejí systémy pro dodatečnou úpravu spalin (snižování emisí poté, co opustí motor). Pro benzínová vozidla byl v 80. letech 0. století zaveden třícestný katalyzátor, který oxidy dusíku (NO x ) s uhlovodíky (HC) a oxidem uhelnatým (CO) redukuje na dusík. Třícestný katalyzátor se provozuje se součinitelem l =. Pro vznětové motory pracující s přebytkem vzduchu nelze použít třícestný katalyzátor pro redukci NO x, neboť v chudých spalinách vznětového motoru uhlovodíky (HC) a oxid uhelnatý (CO) v katalyzátoru přednostně reagují se zbytkovým kyslíkem ze spalin a nikoliv s NO x. Odstranění emisí HC a CO ze spalin vznětového motoru lze provádět srovnatelně jednoduše pomocí oxidačního katalyzátoru, kdežto odstraňování dusíku v přítomnosti kyslíku je nákladnější. Principielně je možné zbavit se dusíku pomocí zásobníkového katalyzátoru NO x nebo katalyzátoru SCR (Selective Catalytic Reduction, selektivní katalytická redukce) Vnitřní tvorbou směsi u vznětového motoru vznikají výrazně vyšší emise sazí než u motoru zážehového. Aktuální tendencí u osobních vozidel je odstraňovat emise sazí následnou úpravou spalin vycházejících z motoru pomocí filtru pevných částic a opatření prováděná uvnitř motoru soustředit především na snižování NO x a hluku motoru. U užitkových vozidel se zpravidla dává přednost snižování emisí NOx pomocí následné úpravy spalin vycházejících z motoru s využitím systému SCR. Snižování emisí pomocí řízené úpravy spalin (příklad osobního vozu se systémem Common Rail) Řídicí jednotka motoru Měřič hmotnosti nasávaného vzduchu (HFM) 3 Vstřikovač 4 Rail 5 Vysokotlaké čerpadlo 6 Plynový pedál 7 Turbodmychadlo 8 Oxidační katalyzátor pro vznětový motor 9 Zásobníkový katalyzátor NOx 0 Filtr pevných částic Tlumič výfuku A B Luftmanagement Abgasmanagement UMA007Y

122 Dodatečná úprava spalin Zásobníkový katalyzátor NOx Zásobníkový katalyzátor NO x Zásobníkový katalyzátor NO x (NSC: NO x Storage Catalyst) odstraňuje oxidy dusíku ve dvou krocích: Fáze ukládání: kontinuální ukládání NOx do akumulačních složek katalyzátoru při chudých spalinách. Regenerace: periodické uvolňování NOx a konverze (přeměna) při bohatých spalinách. Fáze ukládání trvá v závislosti na provozním bodě s, regenerace zásobníku se provádí za 0 s. Ukládání NOx Zásobníkový katalyzátor NO x je potažen chemickými sloučeninami, které mají velký sklon tvořit s NO pevnou, ale chemicky vratnou sloučeninu. Příkladem toho jsou oxidy a uhličitany alkalických kovů a kovů alkalických zemin, přičemž vzhledem k teplotnímu chování je používán převážně dusičnan barnatý. Protože lze ukládat jen NO, ale nikoliv přímo NO, jsou podíly NO ve spalinách okysličovány na NO na povrchu platinového povlaku v předřazeném nebo integrovaném oxidačním katalyzátoru. Tato reakce probíhá vícestupňově, protože během ukládání se koncentrace volného NO ve spalinách snižuje a pak je další NO okysličován na NO. V zásobníkovém katalyzátoru NO x reaguje NO se sloučeninami povrchu katalyzátoru (např. uhličitan barnatý BaCO 3 jako akumulační materiál) a kyslík (O ) z chudých spalin vznětového motoru na dusičnany: BaCO 3 + NO + / O = Ba(NO 3 ) + CO. Zásobníkový katalyzátor NO x tak ukládá oxidy dusíku. Ukládání je optimální jen v teplotním intervalu spalin mezi 50 a 450 C, závislém na materiálu. Při nižší teplotě je okysličování NO na NO velmi pomalé, při vyšší teplotě není NO stabilní. Zásobníkové katalyzátory však mají i v oblasti nízkých teplot malou akumulační schopnost (povrchové ukládání), která stačí k tomu, aby se oxidy dusíku, vznikající při startování v rozsahu nízkých teplot, ukládaly v dostatečné míře. Snižování emisí pomocí řízené úpravy spalin (příklad osobního vozu se systémem Common Rail) 8 Obrázek Vznětový motor Ohřev spalin (volitelně) 3 Oxidační katalyzátor 4 Snímač teploty 5 Širokopásmová lambda sonda 6 Zásobníkový katalyzátor NOx 7 Snímač NOx 8 Řídicí jednotka motoru SMA0044-Y

123 Dodatečná úprava spalin Zásobníkový katalyzátor NOx S přibývajícím množstvím uložených oxidů dusíku (ukládání) klesá schopnost katalyzátoru dále vázat oxidy dusíku. Proto s přibývajícím časem stoupá množství oxidů dusíku, které procházejí katalyzátorem. Jsou dvě možnosti jak zjistit, kdy je katalyzátor natolik naplněn, že musí být ukončena fáze ukládání metoda s podporou matematického modelu počítá při zohlednění stavu katalyzátoru množství uložených oxidů dusíku a z toho zbývající schopnost ukládání Snímač NOx za zásobníkovým katalyzátorem NO x měří koncentraci oxidů dusíku ve spalinách a určuje tak aktuální stupeň naplnění. Uvolňování a konverze (přeměna) NO x Na konci fáze ukládání se katalyzátor musí regenerovat, tzn. uložené oxidy dusíku se musí z akumulační složky katalyzátoru odstranit a přeměnit na dusík (N ) a kysličník uhličitý (CO ). Procesy uvolňování a přeměny NO x probíhají odděleně. K tomu musí být ve spalinách nastaven nedostatek vzduchu (bohaté, l < ). Jako redukční prostředek slouží CO, H a různé uhlovodíky. Uvolňování v následujícím čase představované kysličníkem uhelnatým CO jakožto redukčním prostředkem se děje tím způsobem, že CO redukuje dusičnan (např. dusičnan barnatý Ba(NO 3 ) ) na N a spolu s bariem tvoří opět uhličitan: Ba(NO 3 ) +3 CO BaCO 3 + NO + CO Při tom vznikají CO a NO. Povlak rhodia redukuje následně oxidy dusíku prostřednictvím CO na N a CO : NO + CO N + CO Jsou dvě metody, jak zjistit konec fáze uvolňování: Metoda s podporou matematického modelu vypočítává množství oxidů dusíku, které jsou ještě přítomny v zásobníkovém katalyzátoru NO x. Lambda sonda za katalyzátorem měří přebytek kyslíku ve spalinách a vykazuje změnu napětí z chudé na bohatou, když je uvolňování ukončeno. U vznětových motorů lze nastavit bohaté provozní podmínky (l < ) mimo jiné pomocí pozdního vstřiku a škrcením nasávaného vzduchu. Motor pracuje během této fáze s horší účinností. Aby byl udržen nízký nárůst spotřeby paliva, měla by být fáze regenerace co nejkratší v poměru k fázi ukládání. Při přepnutí z chudého na bohatý provoz je třeba zajistit neomezené jízdní vlastnosti a rovněž stálost točivého momentu, reakčních vlastností a hluku. Odsulfátování (odstranění síranu) Problémem zásobníkových katalyzátorů je jejich citlivost na síru. Sloučeniny síry, obsažené v palivu a mazacím oleji, oxidují na kysličník siřičitý (SO ). Povlaky použité v katalyzátoru pro tvorbu dusičnanů (BaCO 3 ) však mají velmi vysokou afinitu (slučivost) na síran, tzn., že se SO ještě účinněji než NO x odstraňuje ze spalin a tvořením síranu se váže v akumulačním materiálu. Síranová vazba se při normální regeneraci zásobníku nerozděluje, takže množství uloženého síranu se během doby provozu nepřetržitě zvyšuje. Proto je k dispozici čím dál méně úložných míst pro ukládání NO x a slábne přeměna NO x. Aby byla zajištěna dostatečná schopnost ukládání NO x, musí se proto pravidelně provádět odsulfátování (regenerace síry). Při obsahu síry 0 mg/kg paliva ( palivo bez síry ) je tato regenerace nutná po ujetí cca km.

124 Dodatečná úprava spalin Selektivní katalytická redukce oxidů dusíku 3 K odsulfátování se katalyzátor na dobu více než 5 minut zahřívá na teplotu přes 650 C a ostřikuje bohatými spalinami (l < ). Ke zvýšení teploty se mohou použít stejná opatření jako k regeneraci filtru pevných částic (DPF). Na rozdíl od regenerace filtru pevných částic se však řízením spalování usiluje o dokonalé odstranění O ze spalin. Za těchto podmínek se síran barnatý přeměňuje opět na uhličitan barnatý. Při odsulfátování je nutné volbou vhodného řízení procesu (např. součinitel l oscilující okolo hodnoty ) dbát na to, aby se uvolňující se SO neredukoval kvůli trvalému nedostatku zbytkového kyslíku (O ) na sirovodík (H S). H S je již při velmi nízkých koncentracích prudce jedovatý a kvůli svému intenzivnímu zápachu rozpoznatelný. Podmínky nastavené při odsulfátování musejí být kromě toho zvoleny tak, aby se nadměrně nezvýšilo stárnutí katalyzátoru. Vysoké teploty (> 750 C) sice urychlují odsulfátování, ale způsobují též zesílené stárnutí katalyzátoru. Odsulfátování optimalizované pro katalyzátor proto musí probíhat v ohraničeném teplotním okně a ohraničeném okně součinitele přebytku vzduchu (l) a nesmí nijak významně narušit jízdní provoz. Vysoký obsah síry v palivu vede kvůli potřebné četnosti procesu odsulfátování k zesílenému stárnutí katalyzátoru a zvýšené spotřebě paliva. Nasazení zásobníkových katalyzátorů proto předpokládá plošnou dostupnost paliva bez síry. Selektivní katalytická redukce oxidů dusíku Přehled Selektivní katalytická redukce (metoda SCR: Selective Catalytic Reduction) na rozdíl od metody NSC (zásobníkový katalyzátor NO x ) pracuje kontinuálně a nezasahuje do provozu motoru. Tato metoda je v současné době sériové zaváděna u užitkových vozů. Nabízí možnost zajistit nízké emise NO x současně s nízkou spotřebou paliva. Naproti tomu uvolňování a přeměna NO x u metody NSC způsobuje zvýšenou spotřebu paliva. U velkých topenišť se selektivní katalytická redukce pro odstranění dusíku ze spalin již osvědčila. Spočívá v tom, že vybraný redukční prostředek v přítomnosti kyslíku selektivně redukuje oxidy dusíku (NO x ). Selektivně přitom znamená, že oxidace redukčního prostředku přednostně (selektivně) probíhá s kyslíkem z oxidu dusíku a nikoliv s molekulárním kyslíkem, jehož je ve spalinách podstatně více. Čpavek (amoniak, NH 3 ) se přitom osvědčil jako redukční prostředek s nejvyšší selektivitou. Pro provoz ve vozidle by se musela ukládat množství NH 3, která vzhledem k toxicitě (jedovatosti) jsou povážlivá z pohledu bezpečnostně-technického. NH 3 však lze vyrobit z nejedovatých nosných substancí jako močovina nebo karbaminan amonný. Jako nosná substance se osvědčila močovina. Močovina, (NH )CO, se vyrábí ve velkém jako hnojivo a krmivo, snáší se se spodními vodami a je v přírodních podmínkách chemicky stálá. Močovina vykazuje velmi dobrou rozpustnost ve vodě a lze ji proto přidávat do spalin jako jednoduše dávkovatelný roztok močoviny s vodou.

125 4 Dodatečná úprava spalin Selektivní katalytická redukce oxidů dusíku Při hmotnostní koncentraci 3,5% močoviny ve vodě má bod tuhnutí při - C své lokální minimum: tvoří se eutektikum, čímž je vyloučeno rozložení směsi v případě zamrznutí. Pro přesné dávkování redukčního prostředku do spalin byl vyvinut systém DE- NOXTRONIC (obrázek ). Tento systém je proveden tak, že je odolný proti zamrznutí. Důležité součásti lze vyhřívat, aby byla zajištěna funkce dávkování i krátce po studeném startu. Roztok močoviny s vodou je v Německu plošně dostupný pod obchodním názvem AdBlue. Pro AdBlue existuje návrh normy DIN , který závazně určuje vlastnosti roztoku. Chemické reakce Před vlastní reakcí SCR se nejprve musí z močoviny vytvořit čpavek (amoniak). To se děje ve dvou reakčních krocích, které se souhrnně označují jako hydrolýza. Nejprve se termolýzou tvoří NH 3 a kyselina isokyanatá: (NH ) CO NH 3 + HNCO (termolýza) Následně se hydrolýzou přeměňuje kyselina isokyanatá s vodou na čpavek a oxid uhličitý. HNCO + H O NH 3 + CO (hydrolýza) Aby nedošlo k pevným výměškům, je nezbytné, aby se druhá reakce volbou vhodných katalyzátorů a dostatečně vysokých teplot (od 50 C) provedla dostatečně rychle. Moderní reaktory SCR přebírají současně funkci katalyzátoru hydrolýzy, takže (dříve obvyklý) předřadný katalyzátor hydrolýzy se může vynechat. Čpavek vznikající termohydrolýzou reaguje v katalyzátoru SCR podle následujících rovnic: Modulární konstrukce systému DENOXTRONIC 5 Obrázek 3 Oxidační katalyzátor pro vznětový motor 4 3 Snímač teploty 3 Vyhřívání 4 Filtr Čerpací modul DE- NOX 6 Dávkovací modul Akční členy Snímače AdBlue 7 Řídicí jednotka dávkování CAN pohonného systému CAN pro diagnostiku 8 Katalyzátor SCR 9 Snímač NOx 0 Blokovací katalyzá tor proti úniku NH3 Nádrž AdBlue Snímač hladiny Ad- Blue UMA0085D

126 Dodatečná úprava spalin Selektivní katalytická redukce oxidů dusíku 5 4 NO + 4 NH 3 + O 4 N + 6H O (rovnice ) NO + NO + NH 3 N + 3 H O (rovnice ) 6 NO + 8 NH 3 7 N + H O (rovnice 3) Při nízkých teplotách (< 300 C) probíhá přeměna převážně prostřednictvím reakce. Pro dobrou přeměnu při nízké teplotě je proto nutné nastavit poměr NO :NO na asi :. Za těchto okolností se může reakce uskutečňovat již při teplotách od C. Okysličování NO na NO x nastává v předřadném oxidačním katalyzátoru, který je proto důležitý pro optimální účinnost. Dávkuje-li se více redukčního prostředku, než se přeměňuje při redukci s NO x, může dojít k nežádoucímu úniku ( proklouznutí ) NH 3. NH 3 je plynného skupenství a má velmi nízký práh zápachu (5 ppm), takže by mohlo dojít k zatížení životního prostředí, jemuž je třeba se vyhnout. Odstranění NH 3 lze dosáhnout přídavným oxidačním katalyzátorem za katalyzátorem SCR. Tento blokovací katalyzátor okysličuje čpavek, který se případně vyskytne ve spalinách, na N a H O. Kromě toho je nutná pečlivá aplikace dávkování AdBlue. Důležitou veličinou pro aplikaci je tzv. dávkovací poměr α, definovaný jako molární poměr dávkovaného NH 3 ku NO x ve spalinách. Při ideálních provozních podmínkách (žádný únik NH 3, žádné vedlejší reakce, žádná oxidace NH 3 ) je α přímo úměrný stupni redukce NO x : při α = se dosahuje teoreticky 00% redukce NO x. V praktickém použití lze při úniku NH 3 < 0 ppm docílit 90% redukce NO x ve stacionárním a nestacionárním provozu. Množství AdBlue, které je k tomu potřeba, odpovídá asi 5% množství použitého paliva vznětového motoru. Potřeba redukčního prostředku závisí na specifických emisích NO x (g NOx /kg paliva ). S touto metodou SCR lze přidáním AdBlue kompenzovat vyšší emise NO x v surových (neupravených) spalinách, které vznikají při metodách spalování, optimalizovaných s ohledem na účinnost. Předřadnou hydrolýzou se u dnešních katalyzátorů SCR dosahuje přeměna NO x > 50% až při teplotách nad cca. 50 C, optimální míry přeměny se dosahuje v teplotním okně C. Zvětšení pracovního rozsahu teplot a zvláště zlepšená nízkoteplotní aktivita jsou cílem současného výzkumu katalyzátorů. Porovnání emisí NOx v evropském krátkodobém jízdním cyklu (ETC) a únik NH3 za katalyzátorem SCR NO x / ppm NH 3 / ppm s Čas SMA005-D Obrázek Horní diagram: bez přimíchání roztoku močoviny s vodou: 0,9 g/kwh s přimícháním 3,5%-ního roztoku močoviny s vodou:,0 g/kwh

127 6 Dodatečná úprava spalin Filtr pevných částic DPF Filtr pevných částic DPF Částice sazí, vytvářené vznětovým motorem, lze účinně odstranit ze spalin pomocí filtru pevných částic (DPF). Filtry pevných částic, dosud používané u osobních vozidel, se skládají z pórovitých keramických materiálů. Uzavřené filtry pevných částic Keramické filtry pevných částic se v podstatě skládají z voštinového tělesa z karbidu křemičitého nebo cordieritu, vykazujícího velký počet paralelních, většinou čtvercových, kanálů. Tloušťka stěny kanálu je typicky μm. Velikost kanálů je udávána údajem hustoty buněk (channels per square inch, cpsi, počet kanálů na čtvereční palec)(typická hodnota: cpsi Sousední kanály jsou na protilehlých stranách uzavřeny keramickými zátkami, takže spaliny musí procházet porézními keramickými stěnami. Při průchodu stěnami jsou částice sazí nejprve přenášeny difuzí k porézním stěnám (uvnitř keramických stěn), kde ulpívají (hloubková filtrace). S přibývajícím plněním filtru sazemi se i na povrchu stěn kanálů (na straně obrácené ke vstupním kanálům) tvoří vrstva sazí, která nejprve způsobuje velmi účinnou povrchovou filtraci pro následující provozní fázi. Nadměrnému plnění je však třeba zabránit (viz odstavec regenerace ). Na rozdíl od hloubkové filtrace ukládají filtry Wall-Flow (filtry s prouděním po stěně) částice v podstatě na povrchu keramických stěn (povrchová filtrace). Vedle filtrů se symetrickým uspořádáním čtvercových vstupních a výstupních kanálů jsou nyní nabízeny také keramické octosquaresubstrate (obrázek ). Mají větší osmiúhlé vstupní kanály a menší čtvercové výstupní kanály. Velkými vstupními kanály lze značně zvýšit akumulační schopnost filtru pevných částic pro popel, nehořlavé zbytky ze spáleného motorového oleje a také popel z aditiv (viz odstavec Systém aditiva ). Keramické filtry dosahují stupeň zachycení více než 95 % pro částice celého relevantního spektra velikostí (0 nm μm). U těchto uzavřených filtrů pevných částic procházejí veškeré spaliny porézními stěnami. Keramický filtr pevných částic Provedení keramického filtru pevných částic Obrázek Vstupující proud spalin Těleso 3 Keramické zátky 4 Voštinová keramika 5 Vystupující proud spalin a Obrázek a Čtvercový kanál řez b Octosquare-design UMA006-Y b UMA007Y

128 Dodatečná úprava spalin Filtr pevných částic DPF 7 Otevřené filtry pevných částic U otevřených filtrů pevných částic je pouze část spalin vedena stěnou filtru, zatímco zbytek proudí kolem nefiltrován. Otevřené filtry dosahují podle použití stupeň zachycení %. S přibývajícím ukládáním částic roste podíl spalin, které procházejí filtrem nefiltrovaně a tudíž jej nemohou ucpat. Tím však klesá stupeň zachycení. Otevřené filtry se používají hlavně jako dovybavovací filtry, kdy není zapotřebí řízené čištění filtru (regenerace viz příští odstavec). Čištění otevřených filtrů se provádí efektem CRT (viz odstavec Systém CRT ). Regenerace Filtry pevných částic se musejí čas od času zbavit ulpěných částic, tzn. musejí se regenerovat. S přibývajícím ukládáním sazí plynule narůstá protitlak spalin. Účinnost motoru a zrychlení vozidla se zhoršují. Regenerace se musí provádět vždy po asi 500 km; v závislosti na surových emisích sazí a velikosti filtru může tato hodnota silně kolísat (cca km). Doba trvání regeneračního provozu je řádově 0 5 minut, při systému s aditivem i méně. Tato doba je kromě toho závislá na provozních podmínkách motoru. Regenerace filtru se provádí spálením nahromaděných sazí ve filtru. Uhlovodíkový podíl částic se při teplotě nad cca. 600 C může okysličovat (spálit) s kyslíkem stále obsaženým ve spalinách na nejedovatý CO. Takové vysoké teploty jsou jen při provozu se jmenovitým výkonem motoru a při normálním jízdním provozu se vyskytují velmi zřídka. Proto musejí být učiněna taková opatření, aby se snížila teplota hoření sazí a/nebo se zvýšila teplota spalin. S NO jako oxidačním prostředkem se mohou saze okysličovat již při teplotách C. Tato metoda je technicky využívána v systému CRT. 3 Výfukový systém s oxidačním katalyzátorem a filtrem pevných částic se systémem aditiva CO + O CO NO + O NO C H 6 + 7O 4CO + 6H O 3 NMA0043Y Obrázek 3 Řídicí jednotka aditiva Řídicí jednotka motoru 3 Čerpadlo aditiva 4 Snímač hladiny 5 Nádrž aditiva 6 Dávkovací jednotka aditiva 7 Palivová nádrž 8 Vznětový motor 9 Oxidační katalyzátor 0 Filtr pevných částic Snímač teploty Snímač diferenčního (rozdílového) tlaku 3 Snímač sazí

129 8 Dodatečná úprava spalin Filtr pevných částic DPF Systém aditiva Přidáním aditiva většinou sloučeniny ceru nebo železa do paliva vznětového motoru lze snížit teplotu okysličení (spálení) sazí z 600 C na cca C. Avšak ani tato teplota není ve výfukovém traktu při provozu vozidla vždy dosahována, takže saze se nespalují nepřetržitě. Nad určitou úrovní naplnění filtru pevných částic sazemi se proto zahajuje aktivní regenerace. K tomu účelu se řízení spalování motoru změní tak, aby se teplota spalin zvýšila na teplotu vypalování sazí. Toho lze dosáhnout např. pozdějším vstřikováním. Aditivum přidané do paliva zůstává po regeneraci jako zbytek (popel) ve filtru. Tento popel, stejně jako popel ze zbytků motorového oleje nebo paliva, pozvolna zanáší filtr a zvyšuje protitlak spalin. Aby se nárůst tlaku snížil, zvětšuje se schopnost akumulace popela u keramických filtrů typu octosquare tím, že se volí co možná největší průřezy vstupních kanálů. Proto nabízejí tyto filtry dostatečnou kapacitu pro všechny zbytky popela, vznikající při vypalování, které se vyskytnou během normální životnosti vozidla. U tradičního keramického filtru se vychází z toho, že se při použití regenerace na bázi aditiva musí každých cca km vymontovat a mechanicky vyčistit. Filtr potažený katalytickou vrstvou (CDPF) Potažením filtru vzácnými kovy (většinou platina) lze rovněž zlepšit vypalování částic sazí. Tento efekt je však menší než při použití aditiva. Pro regeneraci jsou u filtrů CDPF nutná další opatření ke zvýšení teploty spalin, odpovídající opatřením u systému s aditivem. Oproti systému s aditivem má však katalytický potah tu výhodu, že se ve filtru neobjevuje žádný popel z aditiva. Potažení katalytickou vrstvou plní více funkcí: okysličování CO a HC, okysličování NO na NO, okysličování CO na CO. 4 Systém HCI (hydro carbon injection) 6 7 Obrázek 4 Palivové čerpadlo Palivová nádrž 3 Snímač teploty 4 Vstřikovací modul HC 5 Dávkovací jednotka HC 6 Palivový filtr 7 Řídicí jednotka motoru 8 Oxidační katalyzátor pro vznětový motor 9 Filtr pevných částic pro vznětový motor 0 Snímač diferenčního (rozdílového) tlaku 5 Akční členy Snímače CAN pohonného systému CAN pro diagnostiku 0 UMA0086D

130 Dodatečná úprava spalin Filtr pevných částic DPF 9 Systém CRT Motory užitkových vozidel jsou častěji než motory osobních vozů provozovány poblíž maximálního točivého momentu, tedy při poměrně vysokých emisích NO x. U užitkových vozidel je proto možná kontinuální regenerace filtru pevných částic na principu CRT (Continuously Regenerating Trap). Tento princip spočívá v tom, že saze s NO lze spálit již při teplotách C. Proces funguje při těchto teplotách spolehlivě, je-li hmotnostní poměr NO a sazí větší než 8:. Pro využití metody je před filtr pevných částic zařazován oxidační katalyzátor, který okysličuje NO na NO. Tím jsou zpravidla dány předpoklady pro regeneraci podle metody CRT u užitkových vozidel v normálním provozu. Tato metoda je označována též jako pasivní regenerace, neboť se saze kontinuálně spalují bez zavádění aktivních opatření. Účinnost metody byla předvedena při zkouškách ve flotilách užitkových vozidel, ale zpravidla se i u užitkových vozidel plánují další regenerační opatření. U osobních vozidel, která se často provozují v oblasti nízkého zatížení, nelze uskutečnit dokonalou regeneraci filtru pevných částic efektem CRT. Systém HCI Aby se filtr pevných částic aktivně regeneroval, musí se teplota ve filtru zvýšit nad 600 C. Lze toho dosáhnout nastaveními uvnitř motoru. U nepříznivých aplikací např. při velké vzdálenosti mezi filtrem pevných částic a motorem se opatření uvnitř motoru stávají velmi nákladnými. Zde se potom používá systém HCI (hydro carbon injection), u něhož se před katalyzátorem vstřikuje respektive odpařuje palivo (obrázek 4, pozice 8) a v něm pak katalyticky shoří. Teplo vznikající při hoření se využívá k regeneraci filtru pevných částic (9), umístěného za oxidačním katalyzátorem.

131 30 Dodatečná úprava spalin Oxidační katalyzátor pro vznětový motor Oxidační katalyzátor pro vznětový motor Funkce Oxidační katalyzátor pro vznětový motor (Diesel Oxidation Catalyst, DOC) plní různé funkce pro dodatečnou úpravu spalin: snižování emisí CO a HC, redukce hmotnosti částic okysličování NO na NO, použití jako katalytický hořák. Snižování emisí CO a HC V oxidačním katalyzátoru (DOC) se okysličuje kysličník uhelnatý (CO) a uhlovodíky (HC) na kysličník uhličitý (CO ) a vodní páru (H O). Okysličování (oxidace) probíhá v oxidačním katalyzátoru (DOC) od určité hraniční teploty, označované jako teplota Light-off, téměř dokonale. Teplota Lightoff leží podle složení spalin, rychlosti proudění a složení katalyzátoru v rozsahu C. Od této teploty stoupá přeměna v teplotním intervalu 0 30 C na hodnotu nad 90 %. Redukce hmotnosti částic Částice vytvářené vznětovým motorem se skládají částečně z uhlovodíků, které při stoupajících teplotách desorbují (uvolňují se) z jader částic. Okysličováním těchto uhlovodíků v oxidačním katalyzátoru (DOC) se může o 5 30 % snížit hmotnost částic (Partikelmasse, PM). Okysličování NO na NO Důležitá funkce oxidačního katalyzátoru (DOC) je oxidace (okysličování) NO na NO. Vysoký podíl NO v NO x je důležitý pro řadu komponentů, zapojených za oxidačním katalyzátorem (filtr pevných částic, NSC, SCR). teplotách (< 50 C) na straně NO. Nad teplotou cca. 450 C je naopak NO termodynamicky upřednostňovaná složka. Úkolem oxidačního katalyzátoru (DOC) je zvýšit poměr NO : NO x při nízkých teplotách nastavením termodynamické rovnováhy. Podle toho jakými vrstvami je katalyzátor potažen a podle složení spalin se to daří od teploty C, takže koncentrace NO v tomto teplotním rozsahu silně stoupá. Jak odpovídá termodynamické rovnováze, s rostoucími teplotami koncentrace NO opět klesá. Katalytický hořák Oxidační katalyzátor může být použit i jako katalytický topný prvek (katalytický hořák, katalytischer Brenner, Cat-Burner). Při tom se využívá reakční teplo, uvolňované při oxidaci CO a HC, ke zvýšení teploty spalin za oxidačním katalyzátorem. Emise CO a HC se za tímto účelem cíleně zvyšují pozdním vstřikem do motoru nebo vstřikovacím ventilem, umístěným za motorem. Katalytické hořáky se používají např. ke zvýšení teploty spalin při regeneraci filtru pevných částic. Jako přibližná hodnota pro teplo uvolňované při oxidaci platí, že za každé objemové % CO vzroste teplota spalin asi o 90 C. Protože zvýšení teploty nastává velmi rychle, dosahuje se v katalyzátoru velkého teplotního gradientu. V nejnepříznivějším případě probíhá přeměna CO respektive HC a uvolňování tepla jen v přední části katalyzátoru. Namáhání materiálu keramického nosiče a katalyzátoru, které v důsledku toho vzniká, omezuje přípustný zdvih teploty na cca C. V surových emisích vycházejících z motoru je podíl NO v NO x ve většině provozních bodů jen asi :0. NO je s NO v přítomnosti kyslíku (O ) v teplotně závislé rovnováze. Tato rovnováha je při nízkých

132 Dodatečná úprava spalin Oxidační katalyzátor pro vznětový motor 3 Konstrukce Strukturální konstrukce Oxidační katalyzátory se skládají z nosné struktury z keramiky nebo kovu, vrstvy směsi oxidů ( Washcoat ) z kysličníku hlinitého (Al O 3 ), kysličníku ceričitého (CeO ) a kysličníku zirkoničitého (ZrO ) a rovněž katalyticky aktivních složek vzácných kovů platiny (Pt), paládia (Pd) a rhodia (Rh). Primárním úkolem vrstvy směsi oxidů (Washcoat) je poskytnout velkou plochu pro vzácný kov a zpomalit spékání katalyzátoru, vyskytující se při vysokých teplotách, které vede k nevratnému poklesu aktivity katalyzátoru. Vysoce porézní struktura vrstvy směsi oxidů (Washcoat) musí být stabilní vůči procesům spékání. Množství vzácných kovů, použité pro nanesení vrstvy, označované často též jako náklad, se udává v g/ft 3. Náklad je v rozsahu g/ft 3 (,8 3, g/l). Protože chemicky aktivní jsou jen povrchové atomy, je cílem vývoje vytvářet a stabilizovat co možná nejmenší částice vzácných kovů (řádově několik nm), aby se tak minimalizovalo použití vzácných kovů. Dimenzování Objem katalyzátoru V Kat se určuje v závislosti na objemovém proudu spalin, který je úměrný zdvihovému objemu V zdvih motoru. Typické hodnoty pro dimenzování oxidačního katalyzátoru jsou V Kat /V zdvih = 0,6 0,8. Poměr objemového proudu spalin vůči objemu katalyzátoru je označován jako prostorová rychlost (jednotka: h ). Typické hodnoty pro oxidační katalyzátor jsou h. Provozní podmínky Pro účinnou dodatečnou úpravu spalin jsou kromě použití vhodného katalyzátoru důležité také vhodné provozní podmínky. Lze je nastavit v širokém rozsahu pomocí managementu motoru. Při příliš vysokých provozních teplotách se objevují procesy spékání, tzn. z mnoha menších částic vzácných kovů vzniká větší částice s adekvátně menším povrchem a tím sníženou aktivitou. Úkolem řízení teploty spalin proto je zlepšit trvanlivost katalyzátoru tím, že se zabrání příliš vysokým teplotám. Strukturální konstrukcí katalyzátoru a volbou složení katalyzátoru lze ve velkém rozsahu měnit důležité vlastnosti jakými jsou chování při náběhu (teplota Lightoff), přeměna spalin, teplotní stabilita, tolerance vůči otravě, ale též výrobní náklady. Přeměna CO a HC v závislosti na teplotě katalyzátoru Vnitřní struktura Důležitými parametry katalyzátoru jsou hustota kanálů (udávaná v cpi, channels per inch, počet kanálů na čtvereční palec), tloušťka stěny jednotlivých kanálů a vnější rozměry katalyzátoru (plocha průřezu a délka). Hustota kanálů a tloušťka stěny určují chování při ohřívání, protitlak spalin a rovněž mechanickou stabilitu katalyzátoru. SMA0073D