MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2012 VÍT MAREK

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Příprava směsi pro vznětové motory Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph. D. Vypracoval: Vít Marek Brno 2012

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma Příprava směsi pro vznětové motory vypracoval samostatně a pouţil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis bakaláře..

4

5 PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph. D za pomoc při psaní bakalářské práce, za poskytnutí odborné literatury, ochotu spolupracovat a za čas strávený na konzultačních hodinách. Dále bych chtěl poděkovat panu Jakubovi Krejskovi, Pavlu Trněnému, Michalu Smičkovi, Jiřímu Hortovi a mému otci Vítu Markovi z firmy Volvo Truck Center Brno, Olomouc za poskytnutí odborné literatury a školení v oblasti vstřikovacích systémů vznětových motorů.

6 ABSTRAKT Ve své bakalářské práci popisuji přípravu směsi pro vznětové motory. V úvodu se zabývám počátky vznětového motoru. V další části jsem se zaměřil na historický vývoj vstřikování paliva pro vznětové motory. Zde jsem se zaměřil na firmu Bosch, Denso, Motorpal. Následuje popis termomechaniky vznětových motorů a porovnávacích oběhů spalovacích motorů. Zde jsem srovnal účinnosti záţehového a vznětového motoru. Příprava a spalování směsi je další část, kterou jsem popsal a rozdělil jsem vznětové motory na základní skupiny, jako jsou motory s přímým a nepřímým vstřikem paliva. Další část se věnuje systémům vstřikování směsi pro vznětové motory. V této kapitole jsem popsal systémy, jako jsou řadová čerpadla, rotační čerpadla, sdruţené vstřikovací jednotky, Common Rail. Vstřikovací systém Common Rail jsem charakterizoval podle generací vstřikovacích tlaků a podrobněji jsem se zaměřil na palivovou soustavu. V poslední části jsem popsal moţnosti sniţování emisí vznětových motorů. Klíčová slova: vznětový motor, příprava směsi, vstřikování, emise This thesis describes the preparation of compositions for diesel engines. The introduction deals with the beginnings of a diesel motor. In the next section, I focused on the historical development of fuel injection for diesel engines. Here I focused on the Bosch, Denso, Motorpal. The following description of the thermodynamics of diesel engines and internal combustion engines comparative runs. Here I compared the efficiency of petrol and diesel. Preparation and combustion of the mixture is another part which I have described and I shared the diesel engines in the basic group, such as engines with direct and indirect fuel injection. Another part deals with the mixture injection systems for diesel engines. In this chapter I have described systems, such as row pump, rotary pump, injection units, common rail. Common Rail Injection System I characterized by generation of injection pressures and more specifically, I focused on the fuel system. In the last section I described ways to reduce emissions of diesel engines. Keywords: diesel engine, mixture preparation, injection, emissions

7 OBSAH 1 Úvod Rudolf Diesel a počátky vznětového motoru Historie firmy Roberta Bosche Cíl práce Historický vývoj vstřikování vznětových motorů Vývoj vstřikovacích systémů Bosch Počátky vstřikování Common Rail Denso Vývoj MOTORPAL, a.s Termomechanika tepelných strojů Porovnávací oběhy spalovacích motorů Základní pojmy pro výpočet termické účinnosti Kompresní poměr (ε) Stupeň isochorického zvětšení tlaku (ψ) Stupeň isobarického zvětšení objemu (φ) Cyklus záţehových motorů Rovnotlaký cyklus Smíšený (Sabatův) cyklus Činnost čtyřdobého vznětového motoru Příprava a spalování směsi ve vznětových motorech Způsoby vstřikování motorové nafty Dělené spalovací prostory motorů s nepřímým vstřikem paliva Tlaková komůrka Vírová komůrka Nedělené spalovací prostory motorů s přímým vstřikem paliva Válcový (miskový) spalovací prostor Spalovací prostor Hesselman Toroidní spalovací prostor Kulovitý spalovací prostor s termickým způsobem tvoření směsi 26 6 Vstřikovací systémy vznětových motorů Řadová vstřikovací čerpadla... 27

8 6.2 Rotační vstřikovací čerpadla s axiálními písty VP Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty VP Systém vstřikování čerpadlo tryska Princip činnosti sdruţené jednotky čerpadlo - tryska Samostatné vstřikovací jednotky PLD Princip činnosti systému PLD Vstřikovací systém Common Rail Oblast pouţití Konstrukce Systém Common Rail pro osobní vozidla Systémy s elektrickým palivovým čerpadlem Systémy se zubovým čerpadlem Vysokotlaká regulace Systém Common Rail pro nákladní vozidla Zásobování palivem, nízkotlaká část systému Common Rail Palivová nádrţ Palivová potrubí Palivové čerpadlo Palivový filtr Předřadný filtr pro podávací čerpadla Vysokotlaké komponenty systému Common Rail Vstřikovače Vysokotlaká čerpadla Konstrukce vysokotlakého čerpadla Princip činnosti vysokotlakého čerpadla Rail (vysokotlaký zásobník) s vestavěnými komponenty Emise vznětových motorů Emisní normy EURO Sloţení výfukových plynů Sniţování emisí ve výfukových plynech u vznětových motorů Systém zpětného vedení výfukových plynů vznětových motorů... 52

9 7.3.2 Keramický filtr Oxidační katalyzátor Filtr pevných částic Systém s aditivem Systém bez aditiva Konstrukce filtru pevných částic Funkce filtru pevných částic Regenerace filtru pevných částic Systém selektivní katalytické redukce SCR Hlavní části SCR Princip činnosti SCR Závěr Pouţitá a citovaná literatura Seznam obrázků... 60

10 1 ÚVOD V této bakalářské práci se zaměřím na přípravu směsi pro vznětové motory. Hlavní pozornost budu věnovat přípravě směsi, přímému vstřikování paliva a generacím vstřikování typu Common Rail. V poslední části se zaměřím na systémy redukce polutantů Rudolf Diesel a počátky vznětového motoru Obr. 1 Rudolf Diesel (Vacek Z., 2009) Rudolf Diesel se narodil v německém Ausburgu v roce 1858, ovšem uţ v dětství odešel s rodiči do Francie hledat lepší podmínky pro ţivot. Jeho otec se snaţil uţivit rodinu, jak to jen šlo. Pracoval jako brašnář, knihař, léčitel magnetismem. Na církevní škole zaujal mladý Rudolf svými technickými vlohami a kreslířskou zručností. Kvůli válce mezi Francií a Německem ( ) poslali rodiče Rudolfa ke strýci do německého Augsburgu a sami emigrovali do Londýna. Rudolf Diesel nastupuje na strojní průmyslovku a setkává se tam s fascinujícím pneumatickým zapalovačem. V Mnichově pokračuje na polytechnice, studuje teorii Sadiho Carnota o ideálních tepelných výměnách a vrhá se za motorem se stoprocentní účinností. První Rudolfův patent z roku 1881 se vztahoval na výrobu čistého ledu v lahvích, coţ přivítali distributoři osvěţujících limonád. Rudolf Diesel se dlouhá léta marně mořil se čpavkem. Experiment s čpavkovými parami v motoru ho v továrně stál málem ţivot. Dokázal vyrobit čpavkové granáty, se kterými v praxi u policie neuspěl. Aţ v roce 1888 pochopil, ţe kdyţ lze stlačením vzduchu vyvinout teplo, mohlo by to navíc být ideální okysličovadlo povzbuzující prohoření i méně kvalitních paliv. Jeho první motory běţely na olej z podzemnice olejné. Zlom přichází 27. února 1892, kdy získává příslušný patent. Brzy následovala dotace od Kruppa a laboratoř v augsburských strojírnách. Teoretická účinnost sice vycházela % a pracovní tlaky měly činit 30 MPa, ale kvůli netěsnostem a problémům s mazáním se dařilo udrţet sotva desetinovou kompresi. Experimentovalo 10

11 se s uhelným mourem a dehtem, ale nejlepší výsledky byly s kapalnými palivy. Výsledkem byla účinnost 26 %. Dnes mají vznětové motory účinnost nad 40 %. Obr. 2 Prototyp jednoválcového motoru po explozi (Vacek Z., 2009) Prototyp jednoválcového motoru byl tři metry vysoký, plnil jej externí kompresor a roztáčel parní stroj. Brzy zavrhli uhelný prach a vyzkoušeli nové palivové čerpadlo. Pak do nádrţky nalili benzín. Třeskla rána a části hlavy válců se rozletěly po dílně. V říjnu uţ se devítikilowattový agregát točil celou minutu a vykonal 88 otáček. Diesel po konzultaci s Robertem Boschem pouţil nakonec místo benzínu petrolej a dosáhl tak kultivovanějšího chodu motoru. Diesel tehdy prohlásil: Výfukové plyny uţ nejsou vidět! V roce 1898 Rudolf Diesel uzavírá ţivotní obchod. Své motory začne upravovat na ropné produkty a získává velký balík rychle rostoucích akcií těţařských podniků. Vznětové motory se začaly prosazovat v dopravních prostředcích. Roald Amundsen díky dieselové lodi Fram dobyl Jiţní pól, Zeppelinovy vzducholodě drţela nafta ve vzduchu desítky hodin. Obrovský zájem projevily armády všech evropských velmocí a podle některých badatelů byl tento zákulisní mocenský střet příčinou Dieselovy tajemné smrti v předvečer první světové války. Na obchodní cestě do Londýna zmizel v noci z 29. na 30. září 1913 z paluby lodi. Teprve 10. října vylovil holandský rybář bezvládné tělo bez jakýchkoli dokumentů a podle starého zvyku je vrátil hlubinám. Na základě pozdějšího výslechu policie usoudila, ţe patřilo nešťastnému vynálezci. (Vacek Z., 2009) 11

12 1.2. Historie firmy Roberta Bosche Historie společnosti Bosch se datuje uţ od roku 1886, kdy Bosch byl malý podnik ve Stuttgartu v Německu. Firma se od roku 1886 do roku 1895 zabývala výhradně montáţemi elektrických zařízení a telefonních systémů. Ovšem změna přišla uţ v roce 1887, kdy Robert Bosch vyrobil magnetoelektrický zapalovač na ţádost zákazníka podle výrobku z produkce kolínského výrobce motorů Deutz. Bosch provedl v konstrukci zapalovače několik změn, které odstranily technické problémy, které brzdily automobilový průmysl. Tato revoluční změna mu pomohla ve finanční krizi splatit dluhy. Od roku 1900 do roku 1925 se společnost v oblasti automobilové techniky pevně usadila. Díky velkým poptávkám se v rozmezí let 1900 a 1925 zaloţily první prodejní pobočky a výrobní provozy mimo Německo. Také na našem území fungovala Československá centrála Bosch na praţských Vinohradech. V roce 1913 dosáhla firma Bosch druhé významné změny v automobilovém průmyslu. Na trh byl uveden světelný systém Bosch pro automobily. Systém skládající se z generátoru, baterie a reflektorů představoval první kompletní systém společnosti Bosch. Tím byly poloţeny základy všech dnešních palubních automobilových elektrických systémů. Obrat ovšem nastal, kdyţ se začal pouţívat systém montáţní linky, který byl zaveden v roce Pro firmu to znamenalo prudké zvýšení produktivity. Robert Bosch se začal soustřeďovat na jiné výrobní segmenty, aby tak sníţil svoji závislost na automobilismu. Firma Bosch se začala orientovat v jiných směrech. Mezi novinky na trhu od firmy Bosch patří první elektrické nářadí (1928), první evropské sériově vyráběné autorádio společnosti Blaupunkt (1932) a první chladnička Bosch (1933). V tomto období vznikla novinka v automobilovém světě techniky. Jednalo se o vstřikovací systém pro vznětové motory nákladních automobilů (1927), který byl od roku 1936 k dispozici i pro osobní automobily. ( 2009) 12

13 2 CÍL PRÁCE Cílem této práce je popsat vývoj vstřikovacích systémů vznětových motorů od historie po současnost. Mé zaměření bude hlavně směřováno na přímé vstřikování vznětových motorů a zároveň pojednám o systémech redukce polutantů. 13

14 3 HISTORICKÝ VÝVOJ VSTŘIKOVÁNÍ VZNĚTOVÝCH MOTORŮ Historie vznětových motorů se datuje od 19. století. První vznětový motor zkonstruoval Rudolf Diesel roku 1897 a tím dal podnět pro vývoj vstřikování vznětových motorů. Do prvních vznětových motorů bylo palivo dopravováno pomocí vzduchového kompresoru. Nevýhodou tohoto kompresoru byla velká hmotnost a cenová dostupnost. Proto nemohl být vznětový motor pouţit v osobních automobilech. Tuto nevýhodu odstranil ve 20. letech 20. století Robert Bosch, který vynalezl řadové vstřikovací čerpadlo, na jehoţ principu pracují vstřikovací čerpadla dodnes. (Růţička A., Petrás Z., 1998) 3.1 Vývoj vstřikovacích systémů Bosch V roce 1927 byla zahájena výroba první série řadových vstřikovacích čerpadel a vstřikovacích trysek pro vznětové motory nákladních automobilů. V polovině 30. let 20. století byla zahájena sériová výroba řadových vstřikovacích čerpadel pro osobní automobily. Začátkem roku 1962 uvedla firma Bosch na trh první rotační vstřikovací čerpadlo s axiálním pístem. O 13 let později bylo toto čerpadlo pouţito u vozidel značky Volkswagen Golf I a v polovině 90. let 20. století bylo prodáno celkem 25 milionu kusů těchto čerpadel. V roce 1986 uvedla na trh firma Bosch rotační čerpadlo s elektronickým systémem vstřikování paliva pro vznětové motory. O rok později byl systém EDC ( Elektronic Diesel Control) zaveden i u řadových vstřikovacích čerpadel. Nový princip vstřikování byl uveden na trh v polovině 90. let 20. století. Jedná se o vstřikovací jednotky UIS - PDE (Pumpe Düse Einheit), které byly na trh uvedeny v roce Charakteristickým znakem tohoto systému je to, ţe kaţdý válec motoru má svou vlastní elektronicky řízenou vstřikovací jednotku. V roce 1998 byl poprvé pouţit systém UIS PDE v osobních automobilech. V roce 1996 bylo na trh uvedeno radiální rotační čerpadlo s magneticky ovládanými ventily. Toto čerpadlo bylo poprvé pouţito v osobních vozidlech značky Opel. Rok 1997 je pro firmu Bosch charakteristický pouţitím systému vstřikování s tlakovým zásobníkem Common Rail. (Růţička A., Petrás Z., 1998) 14

15 3.2 Počátky vstřikování Common Rail Denso Vývoj firmy Denso se do historie přípravy směsi pro vznětové motory zapsal velkým podílem. Prototyp systému Common Rail vyvinul koncem 60. let Švýcar Robert Huber. V období let 1976 aţ 1992 pokračoval ve vývoji systému Swiss Federal Institute of Technology. V první polovině 90. let Dr. Shohei Itoh a Masahiko Mijaki z firmy Denso vyvinuli Common Rail pro velká nákladní vozidla. Prvním prakticky pouţitelným systémem označeným ECD-U2 Common Rail byl vybaven automobil Hino Raising Ranger. Začátkem 90. let na vývoji spolupracovaly firmy Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat a Elasis, tato fáze skončila v roce Koncem roku 1993 patenty zakoupila německá firma Robert Bosch GmbH a pokračovala ve výzkumu a vývoji pro uvedení do sériové výroby. V roce 1997 přišly na trh první modely osobních automobilů, jako první se představila 1. října Alfa Romeo JTD a později i Mercedes-Benz E 320 CDI. (Bosch R., 2009) 3.3 Vývoj MOTORPAL, a.s. Jihlavský závod vznikl 26. července 1949 po osamostatnění od podniku PAL Jihlava a k změnil svůj název na MOTORPAL JIHLAVA, národní podnik, Jihlava. Hlavním výrobním programem byla výroba vstřikovacího zařízení pro vznětové motory. Během desítek let své existence musel MOTORPAL konkurovat ostatním firmám a výsledkem je neustálý rozvoj a hledání nových cest k novým technologiím vstřikování. Výrobky Motorpalu našly uplatnění v Evropě, Asii a také Americe. Mezi nejznámější zákazníky patří firmy jako Deutz, John Deere, Škoda, VW, Tatra, Wabco, Zetor a další výrobci dieselových motorů. Od počátku svého zaloţení se MOTORPAL zabývá nejen vlastním vstřikováním nafty, ale i celým systémem vstřikování paliva, komplexním servisem a individuálním přizpůsobováním návrhů. Vstřikovací systémy společnosti MOTORPAL nacházejí široké uplatnění ve světě dieselových motorů. Vývojoví pracovníci a konstruktéři MOTORPALU společně s výrobci motorů řeší ekologické problémy spojené se zkvalitňováním řídicích systémů motorů, sniţováním emisních limitů a v neposlední řadě sniţováním energetické náročnosti pohonů. Příkladem je dosaţení hodnot emisní normy EURO 4. ( 2008) 15

16 4 TERMOMECHANIKA TEPELNÝCH STROJŮ V tepelných strojích dochází k přeměně tepla v mechanickou práci prostřednictvím pracovní látky, kterou je plyn nebo pára a zároveň je nositelem tepelné energie. Přivedeným teplem dochází ke zvýšení vnitřní a objemové energie pracovní látky. Tlak u pístových strojů působí na dno pístu, uvádí jej do pohybu a klikovým mechanizmem se přímočarý pohyb pístu mění v rotační pohyb. Ve většině skutečných tepelných pístových strojů se v kaţdém cyklu přivádí nová pracovní látka se stejnými počátečními termodynamickými parametry. Po proběhnutí cyklu látka odchází o niţším tlaku a teplotě, z čehoţ plyne, ţe se jedná o cykly otevřené. Pro vzájemné porovnání pracovních cyklů se pro ně stanovuje termická účinnost (η t ): (%) (1) a poměr vykonané práce (J), q 1 celkové přivedené teplo (J) (Groda B., Vítěz T., 2008) 4.1 Porovnávací oběhy spalovacích motorů U záţehových motorů je do spalovacího prostoru nasávána směs vzduchu a par paliva, která je ke konci komprese zaţehnuta elektrickou jiskrou. Hoření má charakter explozivní, a proto se povaţuje za hoření při konstantním objemu. Teplota směsi nesmí být na konci komprese vyšší, neţli je zápalná teplota směsi. U vznětových motorů je komprimován čistý vzduch, do kterého se pod vysokým tlakem vstřikuje palivo (nafta), která se zapálí kompresním teplem. Proto teplota na konci komprese musí být vyšší, neţli je zápalná teplota paliva a vzduchu. Hoření probíhá za konstantního tlaku. Kombinací těchto dvou cyklů vzniká cyklus smíšený, také nazývaný Sabatův, při němţ hoření probíhá z části za konstantního objemu a z části za konstantního tlaku. (Groda B., Vítěz T., 2008) Základní pojmy pro výpočet termické účinnosti Pro zjednodušení výpočtu termické účinnosti se některé poměry stavových veličin vyjadřují jako samostatné veličiny. Mezi základní veličiny patří například kompresní poměr (ε), stupeň isochorického zvýšení tlaku (ψ), stupeň isobarického zvětšení objemu (φ). (Groda B., Vítěz T., 2008) 16

17 Kompresní poměr (ε) Kompresní poměr je dán poměrem celkového objemu (V) k objemu škodného prostoru (V š ). Škodný prostor je objem nad pístem v horní úvrati, který musí umoţnit otevírání ventilů a vytváří spalovací prostor u spalovacích motorů. [-] (2) V celkový objem [m 3 ], V š škodný objem [m 3 ], V z zdvihový objem [m 3 ] (Groda B., Vítěz T., 2008) Stupeň isochorického zvětšení tlaku (ψ) Stupeň isochorického zvětšení tlaku je dán poměrem tlaku na konci (p 2 ) a na počátku (p 1 ) přivádění tepla pracovní látce při konstantním objemu: [-] (3) p 1 stav tlaku na konci přívodu tepla [MPa], p 2 stav tlaku na začátku přívodu tepla [MPa] (Groda B., Vítěz T., 2008) Stupeň isobarického zvětšení objemu (φ) Stupeň isobarického zvětšení objemu je dán poměrem konečného a počátečního objemu při isobarickém přivádění tepla: [-] (4) V 3 konečný objem [m 3 ], V 2 počáteční objem [m 3 ] (Groda B., Vítěz T., 2008) Cyklus záţehových motorů U čtyřdobého záţehového motoru dochází v prvém zdvihu k nasávání směsi do válce o niţším tlaku, neţ je tlak atmosférický. Po uzavření sacího ventilu dochází ve druhém zdvihu ke kompresi (4-1). Těsně před koncem komprese se jiskrou zaţehne směs, aby bylo dosaţeno isochorického spalovaní (1-2) a tím dosaţeno maximálního tlaku (p 2 ). Cyklu je tedy přivedeno teplo (q 12 ). Třetí zdvih pístu je expanze (2-3). Před ukončením třetího zdvihu se otevře výfukový ventil a převáţná část spalin odchází za stálého objemu (3-4), čímţ je cyklus uzavřen. Přesto je nutno ve čtvrtém zdvihu pístu vytlačit z válce zbytek spalin, aby mohla být znovu nasávána nová směs. (Groda B., Vítěz T., 2008) 17

18 Obr. 3 Záţehový cyklus v p V a T s diagramu (Groda B., Vítěz T., 2008) Cyklus sestává ze dvou isochor a dvou adiabat. Práce záţehového cyklu je dána v p- V diagramu šrafovanou plochou ohraničenou body V T-s diagramu je teplo přivedené (q 12 ) ohraničeno body Teplo odvedené (q 34 ) je ohraničeno body Rozdíl těchto ploch vyjadřuje produkovanou práci (a). 1-2 isochorická změna (přívod tepla) 2-3 adiabatická změna (neprobíhá ani přívod ani odvod tepla) 3-4 isochorická změna (odvod tepla) 4-1 adiabatická změna (neprobíhá ani přívod ani odvod tepla) Výpočet termické účinnosti : (5) κ Poissonova konstanta [-], ε kompresní poměr [-] (Groda B., Vítěz T., 2008) Termická účinnost záţehového cyklu roste se stoupajícím kompresním poměrem, jehoţ hodnota je omezena teplotou vznícené směsi. Je tedy závislá na druhu paliva. Dále roste s rostoucí hodnotou exponentu κ, který je dán poměrem měrné tepelné kapacity za stálého tlaku a stálého objemu. (Groda B., Vítěz T., 2008) Rovnotlaký cyklus Je tvořen dvěma adiabatami, isobarou a isochorou. Do stlačeného vzduchu se vstřikuje čerpadlem palivo (zpravidla nafta). U rovnotlakého cyklu probíhá spalování paliva ve válci vzhledem k volnoběţnosti motoru teoreticky za konstantního tlaku. (Groda B., Vítěz T., 2008) 18

19 Obr. 4 Rovnotlaký cyklus v p V a T s diagramu (Groda B., Vítěz T., 2008) 1-2 isobarická změna (přívod tepla) 2-3 adiabatická změna (neprobíhá ani přívod ani odvod tepla) 3-4 isochorická změna (odvod tepla) 4-1 adiabatická změna (neprobíhá ani přívod ani odvod tepla) Z T-s diagramu je zřejmé, že zážehový cyklus vykoná teoreticky větší práci než rovnotlaký cyklus. Znázorňuje to plocha ohraničená body 1-2-V 1. Ve skutečnosti je vznětový cyklus lepší, protože pracuje s vyššími kompresními tlaky a má větší termickou účinnost. (Groda B., Vítěz T., 2008) Výpočet termické účinnosti η t : (6) κ - Poissonova konstanta [-], ε - kompresní poměr [-], φ - stupeň isobarického zvětšení objemu [-] (Groda B., Vítěz T., 2008) Termická účinnost (η t ) rovnotlakého cyklu roste se stoupajícím stupněm komprese (ε) a stoupajícím exponentem jako u záţehového cyklu. Současně také termická účinnost rovnotlakého cyklu roste se zmenšujícím se φ, tzn. s klesajícím zatíţením motoru. Ve výrazu je člen pro φ i κ větší jak jedna, tedy i celkově. Z toho plyne, ţe účinnost rovnotlakého cyklu při stejném stupni komprese (ε) je menší neţ účinnost záţehového cyklu. Ve výsledku je termická účinnost rovnotlakého cyklu větší, protoţe pouţívá podstatně větších kompresních poměrů (ε). (Groda B., Vítěz T., 2008) 19

20 4.1.4 Smíšený (Sabatův) cyklus U volnoběţných vznětových motorů probíhalo spalování v podstatě za konstantního tlaku. Rudolf Diesel pouţil pro vstřikování paliva stlačeného vzduchu o tlaku 4,0 8,0 MPa. Tento způsob zdokonalil hoření paliva, neboť se palivo dostávalo do spalovacího prostoru dobře rozprášené. Později byla pouţita vstřikovací čerpadla, která pracovala s tlaky 20,0 MPa a více. Obr. 5 Smíšený cyklus v p V a T s diagramu (Groda B., Vítěz T., 2008) Smíšený cyklus sestává z následujících změn: 1-2 isochorická změna (přívod tepla) 2-3 isobarická změna (přívod tepla) 3-4 adiabatická změna (neprobíhá ani přívod ani odvod tepla) 4-5 isochorická změna (odvod tepla) 5-1 adiabatická změna (neprobíhá ani přívod ani odvod tepla) Teplo je výhodnější přivádět isochoricky, protože výsledná plocha v T-s diagramu je pod křivkou větší. Z toho plyne větší účinnost cyklu. (Groda B., Vítěz T., 2008) Výpočet termické účinnosti η t : (7) κ Poissonova konstanta [-], ε kompresní poměr [-], φ - stupeň isobarického zvětšení objemu [-], - stupeň isochorického zvětšení tlaku [-] (Groda B., Vítěz T., 2008) Termická účinnost smíšeného cyklu roste obdobně jako u záţehového a rovnotlakého cyklu s rostoucím stupněm komprese a jako u rovnotlakého cyklu s klesajícím a. Smíšený cyklus se při změní v rovnotlaký a při se změní v záţehový cyklus. (Groda B., Vítěz T., 2008) 20

21 4.2 Činnost čtyřdobého vznětového motoru Pracovní proces čtyřdobého motoru probíhá během dvou otáček klikového hřídele a je sloţen ze čtyř fází. Obr. 6 Pracovní oběh čtyřdobého vznětového motoru (Bauer F., 2006) A sání, B komprese, C expanze, D výfuk Sání (obr. 6 A) Ve fázi sání je sací ventil otevřen, výfukový ventil je uzavřen. Píst se pohybuje z horní úvratě do dolní úvratě. Sacím kanálem je nasáván vzduch do válce. Sací ventil se uzavře ve chvíli, kdy píst dosáhne dolní úvratě. Komprese (obr. 6 B) Při kompresi směsi ve válci je sací a výfukový ventil uzavřen. Píst se pohybuje z dolní do horní úvratě. Před horní úvratí se začne vstřikovat palivo. Expanze (obr. 6 C) Při expanzi ve válci dojde k samovznícení směsi vlivem kompresního tepla. V této fázi dochází ke zvyšování teploty a tlaku. Tlakem je píst přesouván do dolní úvratě a dochází k roztáčení klikového hřídele. Výfuk (obr. 6 D) Těsně před dosaţením dolní úvratě je otevřen výfukový ventil. Píst se pohybuje do horní úvratě a vytlačuje zbylé výfukové plyny z válce. Výfukový ventil je uzavřen těsně za horní úvratí. (Bauer F., 2006) 21

22 5 PŘÍPRAVA A SPALOVÁNÍ SMĚSI VE VZNĚTOVÝCH MOTORECH U kaţdého spalovacího motoru hraje důleţitou roli příprava směsi, neboť přímo ovlivňuje parametry, které charakterizují činnost motoru (emise výfukových plynů, spotřeba paliva, uţitečný výkon, hluk motoru). Aby bylo dosaţeno správné činnosti motoru, je potřeba ve správný okamţik přivést do spalovacího prostoru potřebné mnoţství vzduchu a paliva k uvolnění tepelné energie. U vznětového motoru je výkon regulován kvalitativně. To znamená, ţe se mění mnoţství vstřikovaného paliva do spalovacího prostoru motoru. V důsledku vysoké teploty stlačeného vzduchu při kompresi se vstřikované palivo odpaří a po vytvoření hořlavé směsi se vzduchem se samo vznítí. Teplota stlačeného vzduchu při kompresi se pohybuje v rozmezí 800 C aţ 900 C. Palivo je do spalovacího prostoru dopravováno v podobě elementárních kapiček pomocí vstřikovacího systému. Tato podoba paliva se s pomocí intenzivního víření vzduchu a vysokých kompresních teplot přemění do plynného stavu a umoţní vznícení a hoření paliva. Hoření probíhá při rychlostech 20 aţ 50 m/s. Nejdříve dojde ke spálení vnější vrstvy molekul paliva, protoţe ihned mohou reagovat s kyslíkem. Po shoření vnější vrstvy musí zůstat ve spalovacím prostoru dostatek kyslíku na pokračování procesu hoření. Pokud ve válci nezůstane správné mnoţství kyslíku k hoření, dojde k nedokonalému spalování a tvorbě škodlivých emisí. Stechiometrický směšovací poměr pro vznětové motory je 14,3:1, to znamená, ţe na 1kg paliva je potřeba 14,3 kg vzduchu. Moderní naftový motor pracuje při chodu naprázdno s mimořádně chudou směsí se součinitelem přebytku vzduchu λ = 3,4. Při plném zatíţení se součinitelem λ = 1,3 2. Přípravu směsi a průběh spalovaní ovlivňují činitelé: začátek dodávky paliva a vstřiku doba a průběh vstřiku hodnota vstřikovacího tlaku směr a počet vstřikovaných paprsků přebytek a rozvíření vzduchu (Bauer F., 2006) 22

23 5.1 Způsoby vstřikování motorové nafty U vznětových motorů existují dva základní způsoby vstřikování motorové nafty. Motorová nafta můţe být vstřikována buď do zvláštní komůrky vytvořené v hlavě válce motory s nepřímým vstřikem, nebo přímo do neděleného spalovacího prostoru v pístu motory s přímým vstřikem. (Jan Z., Ţďánský B., 2004) Dělené spalovací prostory motorů s nepřímým vstřikem paliva U děleného spalovacího prostoru s nepřímým vstřikem se palivo vstřikuje do zvláštní komůrky, která je vytvořená v hlavě válce. V současné době se nejvíce pouţívá komůrka tlaková a vírová. (Jan Z., Ţďánský B., 2004) Tlaková komůrka Obr. 7 Tlaková komůrka (Jan Z., Ţďánský B., 2004) Představuje nejstarší provedení komůrkového vznětového motoru. Objem této komůrky představuje podle provedení 20 % aţ 40 % celkového objemu spalovacího prostoru. Palivo je vstřikováno čepovou vstřikovací tryskou (1) na čep (3) umístěný v komůrce (4): Otevírací tlak čepové trysky se volí v rozmezí od 10 MPa do 14 MPa. (Jan Z., Žďánský B., 2004) Čep je tepelně izolován a vyhříván ţhavicí svíčkou (2). Palivo se ve styku s horkým prostředím odpaří a spaluje se za nedostatku vzduchu. Následně v komůrce vzroste tlak i teplota. Hořící směs proudí vysokou rychlostí z komůrky spojovacími kanálky velmi malého průřezu do prostoru nad píst, kde se nespálené palivo smísí se vzduchem a dojde k spalování za přebytku vzduchu. Nárůst tlaku ve válci je pomalý a výsledkem je tišší a měkčí chod motoru. Jakmile vzroste tlak ve válci, proud spalin se obrátí a nese s sebou nespotřebovaný kyslík do komůrky, kde zůstalo nespálené palivo. (Jan Z., Ţďánský B., 2004) 23

24 Vírová komůrka Obr. 8 Vírová komůrka (Jan Z., Ţďánský B., 2004) U vírové komůrky je palivo vstřikováno čepovou vstřikovací tryskou (1): Otevírací tlaky čepové vstřikovací trysky se pohybují v rozmezí od 12 MPa do 15 MPa. (Jan Z., Žďánský B., 2004) Tangenciálním umístěním spojovacího kanálu (4) s velkým průřezem se dosáhne v komůrce (3) uspořádaného rotačního víření náplně. Následně dochází k rovnoměrnému rozdělení paliva a k jeho rychlému vznícení. Po vznícení paliva dochází k nárůstu tlaku a teploty v komůrce, kde hořící a nespálené palivo proudí spojovacím kanálkem do hlavního spalovacího prostoru ve válci. Palivo ve válci dohořívá za přebytku vzduchu. Objem vírové komůrky představuje asi 40 % aţ 60 % celkového objemu spalovacího prostoru. (Jan Z., Ţďánský B., 2004) Nedělené spalovací prostory motorů s přímým vstřikem paliva Nedělené spalovací prostory se vyznačují tím, ţe prostor, do kterého se vstřikuje palivo, je vytvořen v pístu. Tento prostor tvoří podstatnou část spalovacího prostoru. Palivo je vstřikováno víceotvorovou tryskou, která je umístěná v hlavě válce: Otevírací tlak víceotvorové trysky se pohybuje od 17,5 MPa do 26 MPa. (Jan Z., Žďánský B., 2004) Válcový (miskový) spalovací prostor Obr. 9 Válcový (miskový) spalovací prostor (Jan Z., Ţďánský B., 2004) 24

25 Miskový spalovací prostor je charakteristický jednoduchostí spalovacího prostoru. Nízké tepelné ztráty usnadňují spouštění studeného motoru. Avšak nevýhodou tohoto a podobných typů spalovacích prostorů je malé rozvíření vzduchu. Proto se u miskového spalovacího prostoru pouţívají pěti aţ osmiotvorové vstřikovací trysky: Palivo proto musí být vstřikováno minimálně pod tlakem 120 MPa. (Jan Z., Žďánský B., 2004) Tyto spalovací prostory jsou vhodné pro pomaluběţné přeplňované motory uţitkových vozidel. (Jan Z., Ţďánský B., 2004) Spalovací prostor Hesselman Tvar spalovacího prostoru Hesselman co nejvíce odpovídá prostoru, který zaujímají vstřikované paprsky paliva. Vlastnosti jsou podobné jako u válcového spalovacího prostoru. Pro snadnost vypláchnutí čerstvým vzduchem bývá Hesselmanův prostor uţíván především u přeplňovaných prostorů. (Jan Z., Ţďánský B., 2004) Obr. 10 Spalovací prostor Hessel-manův (Jan Z., Ţďánský B., 2004) Toroidní spalovací prostor Toroidní spalovací prostor je vhodný pro menší rychloběţné vznětové motory. Spalovací prostor je vytvořen v pístu a zároveň bývá mírně vyosen. Má srdcovitý tvar se zúţeným ústím, jehoţ průměr bývá asi jedna polovina průměru pístu. Obr. 11 Toroidní spalovací prostor (Jan Z., Ţďánský B., 2004) 25

26 V toroidním prostoru vzniká víření jednak prouděním z obvodu do středu, jednak rotací ve vybrání. Tím se dosáhne velmi dobrého rozvíření vzduchu, takţe se často vystačí se čtyř aţ pěti otvorovou vstřikovací tryskou. Vstřikovač se vstřikovací tryskou bývá umístěn v ose válce nebo je mírně skloněn. Spalovací prostor vytvořený téměř výhradně v pístu působí ovšem zvýšené tepelné namáhání, a proto je tento spalovací prostor vyuţíván pro motory menších rozměrů. (Jan Z., Ţďánský B., 2004) Kulovitý spalovací prostor s termickým způsobem tvoření směsi Obr. 12 Kulovitý spalovací prostor (Jan Z., Ţďánský B., 2004) Spalovací prostor je tvořen z větší části v pístu a má kulovitý tvar. Horní okraj kulovitého prostoru v pístu je chráněn krouţkem z litiny legované niklem, který je spojen s nosičem prvního krouţku a tvoří s ním jeden celek a zároveň vyztuţuje horní část pístu. Kulovitý tvar umoţňuje poměrně silné rozvíření vzduchu. U tohoto způsobu je palivo vstřikováno víceotvorovou tryskou do prostoru pístu. Jemně rozprášené palivo se odpaří, promísí se vzduchem a vznítí. U kulovitého spalovacího prostoru se pouţívá termický způsob tvoření zápalné směsi. Poloha vstřikovací trysky je volena tak, aby palivo bylo vstřikováno tangenciálně ke stěně kulovitého vybrání. Paprsek paliva dopadá na stěnu spalovacího prostoru z malé vzdálenosti, takţe se nemůţe dobře rozprášit. Palivo se zahřeje od teplé stěny pístu a odpařuje se. Po dosaţení vhodné koncentrace v některém místě spalovacího prostoru nastává pozvolné měkké spalování, které je podobné spalování v komůrkových vznětových motorech. V současné době se tento typ spalovacího prostoru s přímým vstřikem nepouţívá. Důvodem je velká kouřivost a zvýšené emise u studeného motoru. (Jan Z., Ţďánský B., 2004) 26

27 6 VSTŘIKOVACÍ SYSTÉMY VZNĚTOVÝCH MOTORŮ 6.1 Řadová vstřikovací čerpadla Řadová vstřikovací čerpadla mají pro kaţdý válec motoru jeden element čerpadla. Ten se skládá z válce čerpadla a pístu čerpadla. Píst čerpadla se pohybuje ve směru dodávky prostřednictvím vačkového hřídele poháněného motorem a vrací se zpět pruţinou pístu. Elementy čerpadla jsou uspořádané v řadě. Zdvih pístu je neměnný. Aby bylo moţné dosáhnout změny dávky, jsou v pístu šikmé řídicí hrany, takţe lze pootočením pístu prostřednictvím posuvné regulační tyče dosáhnout poţadovaného zdvihu. (Vlk F., 2006) Princip činnosti spočívá v nasávání paliva z nádrţe (1) pomocí dopravního podávacího čerpadla (2). Čerpadlo vytlačuje palivo přes čistič paliva (3) do vstřikovacího čerpadla (4). Vstřikovací čerpadlo dodává palivo vysokotlakým potrubím do vstřikovací trysky upevněné ve vstřikovači: Ve vysokotlakém potrubí je tlak 25 MPa až 120 MPa. (Jan Z., Žďánský B., 2003) Tento tlak je závislý na druhu motoru. Palivo, které vstřikovací čerpadlo nespotřebuje, se vrací zpětným potrubím (8) do nádrţe. (Jan Z., Ţďánský B., 2003) Obr. 13 Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem (Jan Z., Ţďánský B., 2003) 1 palivová nádrţ, 2 palivové čerpadlo, 3 čistič paliva, 4 řadové vstřikovací čerpadlo, 5 přesuvník vstřiku, 6 ovládání čerpadla, 7 vstřikovač se vstřikovací tryskou, 8 zpětné potrubí, 9 ţhavicí svíčka, 10 akumulátor, 11 spínač ţhavicího zařízení, 12 hlídač ţhavení 27

28 6.2 Rotační vstřikovací čerpadla s axiálními písty VP 30 Obr. 14 Komponenty rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálními písty VP 30 (Bosch R., 2007) 1 řídicí jednotka čerpadla, 2 připojovací konektor, 3 - rozdělovací hlava, 4 elektromagnetický ventil mnoţství, 5 magnetický ventil přesuvníku vstřiku, 6 vačkový kotouč, 7 impulzní kolo, 8 snímač úhlu otočení Systém VP 30 je rozdělovací vstřikovací čerpadlo s axiálními písty řízenými vysokotlakými elektromagnetickými ventily s plně elektronickým řízením mnoţství paliva a okamţiku vstřiku. Systém VP 30 má snímač impulzů, snímač úhlu otáčení, vysokotlaký elektromagnetický ventil pro řízení vstřikované dávky paliva a pro odpojování paliva, elektromagnetický ventil přestavování začátku vstřiku pro okamţik vstřiku a pro dobu vstřiku a řídicí jednotku čerpadla. V tomto typu vstřikovacího čerpadla je vytvářen vysoký tlak až 90 MPa. (Vlk F., 2006) Tímto vysokým tlakem se dosáhne vysoké energie rozprášení paliva na trysce a rychlé odezvy řízení mnoţství paliva pomocí vysokotlakého elektromagnetického ventilu. Řídicí jednotka čerpadla je namontována na horní straně vstřikovacího čerpadla. Jednotka vypočítá z informací snímače úhlu otáčení a řídicí jednotky hnacího ústrojí ovládací signály pro vysokotlaký elektromagnetický ventil a přestavení počátku vstřikování. Plnění zahajuje axiální píst, který koná zpětný pohyb. Vysokotlaký elektromagnetický ventil a tím předběţný kanál jsou otevřeny. Tlakem čerpadla a sacím účinkem axiálního pístu je palivo dodáváno do vysokotlakého prostoru. 28

29 Ve fázi čerpání axiální píst koná dopředný pohyb, řídicí štěrbina je otevřena. V tomto okamţiku ještě není dopravováno palivo, protoţe vysokotlaký elektromagnetický ventil nebyl ještě ovládán řídicí jednotkou čerpadla (situace jako obrázek C, pouze axiální píst se nedostal ještě tak daleko). V určitém okamţiku určeném řídicí jednotkou čerpadla se uzavře vysokotlaký elektromagnetický ventil a jehla ventilu uzavře předběţný kanál. Uzavřením jehly je definován okamţik, který se označuje jako začátek dodávky. Od tohoto okamţiku začíná nárůst tlaku uvnitř vysokotlakého systému. U konečné dodávky paliva axiální píst stále ještě koná dopředný pohyb, řídicí štěrbina je dále otevřena. V určitém okamţiku určeném řídicí jednotkou čerpadla se vysokotlaký elektromagnetický ventil opět otevře a jehla ventilu otevře předběţný kanál. Palivo stále ještě dopravované axiálním pístem můţe přes kanál zpětného toku uniknout do skříně čerpadla. K odstavení motoru je vytváření vysokého tlaku zcela přerušeno vysokotlakým magnetickým ventilem, takţe odpadá přídavný odstavný ventil, který je u mechanického rozdělovacího vstřikovacího čerpadla. (Vlk F., 2006) Obr. 15 Odměřování paliva vysokotlakým elektromagnetickým ventilem (Vlk F., 2006) A plnění, B - čerpání, C konec dodávky paliva, 1 axiální píst, 2 vysokotlaký prostor, 3 prstencový kanál (přítok), 4 cívka, 5 jehla ventilu, 6 přívodní kanál, 7 směr zdvihu axiálního pístu, 8 kanál ke vstřikovací trysce, 9 řídicí štěrbina, 10 kanál zpětného toku 29

30 6.3 Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty VP 44 Mezi nejdůleţitější části VP 44 patří křídlové čerpadlo, vysokotlaké čerpadlo s radiálními písty s rozdělovacím hřídelem a tlakovým ventilem, vysokotlaký elektromagnetický ventil, přesuvník vstřiku s magnetickým ventilem, snímač úhlu otáčení, řídicí jednotka čerpadla. (Vlk F., 2006) Obr. 16 Komponenty rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty VP 44 Bosch (Jan Z., Ţďánský B., 2003) 1 snímač úhlu natočení, 2 řídicí jednotka čerpadla, 3 radiální písty vysokotlakého čerpadla, 4 rozdělovací hřídel vysokotlakého čerpadla, 5 elektromagnetický ventil, 6 výtlačný ventil, 7 elektromagnetický ventil přesuvníku vstřiku, 8 přesuvník vstřiku, 9 prstenec s radiálními vačkami, 10 - křídlové čerpadlo. U systému VP 44 se vytváří vstřikovací tlak až 160 MPa. (Vlk F., 2006) Tímto způsobem je přesně splněna poţadovaná výkonová charakteristika. Protoţe systém VP 44 můţe na straně čerpadla vytvářet velmi vysoký tlak paliva, není samotné křídlové čerpadlo schopno zaručit dostatečnou cirkulaci paliva přes rozdělovací vstřikovací čerpadlo, aby se palivo příslušně ochlazovalo. Z toho důvodu je v přívodu paliva zabudováno dodatečné elektrické palivové čerpadlo, které podporuje křídlové čerpadlo. Ve vratném vedení mezi systémem VP 44 a palivovou nádrţí je zabudován chladič paliva, který ochlazuje zahřáté palivo od vstřikovacího čerpadla, dříve neţ se palivo vrátí zpět do palivové nádrţe. Při plnění se pohybují podávací písty vysokotlakého čerpadla s radiálními písty směrem ven. Vysokotlaký elektromagnetický ventil, a tím i přítok, jsou otevřeny. 30

31 Vysokotlaký prostor čerpadla s radiálními písty je plněn. Nadbytečné palivo odtéká zpětným vedením paliva. Ve fázi čerpání je podávacími písty palivo stlačováno ve středu vysokotlakého čerpadla s radiálními písty. Při dotyku válečků s vačkovou dráhou na prstenci se vysokotlaký elektromagnetický ventil uzavře a jehla ventilu uzavře přívodní kanál. Palivo je dodáváno výtlačným ventilem do vstřikovací trysky. Konec dodávky paliva nastane tehdy, kdyţ je dosaţeno potřebného vstřikovaného mnoţství paliva. Nyní se opět otevře vysokotlaký elektromagnetický ventil signálem od řídicí jednotky čerpadla a jehla ventilu otevře přívodní kanál. V tomto okamţiku se pohybují radiální písty stále ještě ve směru do středu vysokotlakého čerpadla s radiálními písty. Palivo stále dopravované aţ do maximálního zdvihu vačky dospěje přes přívodní kanál do membránového prostoru. Vysoké tlakové špičky, které přitom působí na nízkotlaké straně vstřikovacího čerpadla, jsou tlumeny membránou zásobníku. Kromě toho akumulované mnoţství paliva v membránovém prostoru podporuje plnění pro příští vstřikování. (Vlk F., 2006) Obr. 17 Odměřování paliva vysokotlakým elektromagnetickým ventilem (Vlk F., 2006) A plnění, B čerpání, C konec dodávky paliva, 1 podávací píst, 2 rozdělovací hřídel, 3 vratný tok paliva, 4 jehla ventilu, 5 cívka, 6 přívodní kanál, 7 vačkový kotouč, 8 kanál ke vstřikovací trysce, 9 membránový prostor, 10 membrána zásobníku 31

32 6.4 Systém vstřikování čerpadlo tryska Palivová soustava se sdruţenými vstřikovacími jednotkami PDE (Pumpe Düse Einheit) je také označována zkratkou UIS (Unit Injektor System) a všeobecně je nazývána jako systém čerpadlo tryska. U tohoto vstřikovacího systému odpadá vstřikovací čerpadlo a vysokotlaké potrubí, které rozvádí palivo pod vysokým tlakem do jednotlivých vstřikovačů. Právě na první pohled krátká, ale přece jenom choulostivá cesta stlačované nafty od vstřikovacího čerpadla ke vstřikovačům, je slabým místem klasických palivových soustav vznětových motorů. Mezi nejčastější příčiny nedokonalého vstřikování patří i nepatrné rezonance potrubí vlivem tlakových kmitů, které mohou nepříznivě ovlivnit jak časování vstřiku, tak i kvalitu rozprášení paliva do válců motoru. (Jan Z., Ţďánský B., 2003) Jednotka čerpadlo tryska je umístěna v hlavě válců. Kaţdému válci přísluší jedna sdruţená vstřikovací jednotka. Jednotka čerpadlo tryska je v hlavě válců utěsněna O krouţky. Vedení paliva je řešeno pomocí kanálů, které jsou umístěny v hlavě motoru. (ŠKODA AUTO, 2004) Obr. 18 Umístění jednotky čerpadlo tryska (ŠKODA AUTO, 2004) 32

33 6.4.1 Princip činnosti sdruţené jednotky čerpadlo - tryska Vysoký tlak se vytváří odděleně v kaţdé jednotce (obr. 19) a pro kaţdý válec zvlášť pohybem pístu (7) po uzavření elektromagnetického ventilu (12). Po dosaţení otevíracího tlaku dojde k nadzvednutí jehly ve vstřikovací trysce (18) a ke vstřiku paliva. Proces vstřiku paliva ovládá řídicí jednotka uzavíráním a otevíráním odtoku paliva elektromagnetickým ventilem (12): Tento systém umožňuje dosažení vstřikovacích tlaků až 200 MPa. (Jan Z., Žďánský B., 2003) Vyšší tlak přináší lepší rozvíření směsi, její lepší prohoření, a tím i vyšší účinnost, výkony i niţší emise a spotřebu paliva. Sdruţené vstřikovací jednotky umoţňují přesné stanovení objemu a mnoţství paliva pro předvstřik. Právě předvstřik je vhodnou cestou k dosaţení hladkého průběhu spalování, kdy tlaky ve spalovacím prostoru narůstají plynule, namísto prudkého nárůstu skokem. Pro tento účel musí být vstřikované mnoţství paliva malé a přesně načasované vzhledem k hlavnímu vstřiku. Předvstřik, během kterého se do spalovacího prostoru dostává asi 1,5 mm 3 paliva, je oproti hlavnímu vstřiku předsazen asi jenom o 10 stupňů natočení klikového hřídele. Tím se podstatně sniţuje hlučnost spalovacího procesu a klesá mnoţství oxidů dusíku ve výfukových plynech. (Jan Z., Ţďánský B., 2003) Obr. 19 Sdruţená vstřikovací jednotka Volvo D 12 (Jan Z., Ţďánský B., 2003) 33

34 6.5 Samostatné vstřikovací jednotky PLD Palivová soustava PLD (Pumpe Leitung Düse) je do češtiny překládána jako systém čerpadlo - potrubí tryska. Konstrukce je patrná z obrázku 20. Ze vstřikovacích jednotek je palivo vytlačováno krátkým vysokotlakým potrubím do příslušných vstřikovačů jednotlivých válců motoru. Regulace vstřikování je prováděna elektronickou řídicí jednotkou prostřednictvím elektromagnetických ventilů umístěných na jednotlivých vstřikovacích čerpadlech. (Jan Z., Ţďánský B., 2003) Obr. 20 Palivová soustava se samostatnou vstřikovací jednotkou PLD (Jan Z., Ţďánský B., 2003) Princip činnosti systému PLD Oproti řadovým vstřikovacím čerpadlům se pístky u vstřikovacích jednotek systému PLD nenatáčejí, ale pracují stále s plným zdvihem. Dávkování a časování výtlaku paliva se řídí otevíráním a uzavíráním zpětného odtoku paliva, které je dodáváno dopravním palivovým čerpadlem. Palivo vytlačované dopravním čerpadlem protéká do zpětného palivového potrubí. Odtokový ventil je otevřen. Jakmile začne vinutím elektromagnetu protékat proud, dojde k vtáhnutí jádra elektromagnetu a k uzavření odtokového ventilu: Píst ovládaný vačkou začne stlačovat palivo na vysoký tlak, jehož horní hranice může být až 180 MPa. (Jan Z., Žďánský B., 2003) Palivo je pod vysokým tlakem přiváděno vysokotlakým potrubím do dvoupruţinového vstřikovače. (Jan Z., Ţďánský B., 2003) 34

35 6.6 Vstřikovací systém Common Rail Jedním z vysoce vyvíjených vstřikovacích systémů je vstřikovací systém se zásobníkem Common Rail. Hlavní výhoda systému Common Rail spočívá ve velkých moţnostech variability při vytváření vstřikovacího tlaku a časového okamţiku vstřiku. Toho je dosaţeno oddělením vytváření vysokého tlaku a vstřikování. Jako zásobník tlaku přitom slouţí tlakový zásobník Rail. (Bosch R., 2005) Oblast pouţití Systém vstřikovaní s tlakovým zásobníkem Common Rail pro vznětové motory s přímým vstřikem paliva je pouţíván: v osobních vozidlech od objemu 0,8 l s výkonem 30 kw, s točivým momentem 100 Nm a spotřebou paliva od 3,5 l aţ do osmiválcových motorů s objemem 4 l, výkonem 180 kw a točivým momentem 560 Nm. lehká uţitková vozidla s výkonem 30 kw / válec. nákladní vozidla, lokomotivy, lodě (cca 200 kw / válec). (Bosch R., 2005) Konstrukce Systém Common Rail se skládá z následujících základních skupin: nízkotlaká část s komponenty pro zásobování palivem. vysokotlaká část s komponenty, mezi které patří vysokotlaké čerpadlo, tlakový zásobník (Rail), vstřikovače a vysokotlaká palivová vedení. elektronická regulace vznětových motorů (EDC) se systémovými bloky snímačů, řídicí jednotka a akční členy. (Bosch R., 2005) Systém Common Rail pro osobní vozidla U systémů Common Rail pro osobní vozidla se pro dopravu paliva k vysokotlakému čerpadlu pouţívají elektrická palivová čerpadla nebo zubová palivová čerpadla. (Bosch R., 2005) Systémy s elektrickým palivovým čerpadlem Elektrické palivové čerpadlo (obr. 26) je součást jednotky vestavěné v palivové nádrţi (Intank) nebo vestavěné do palivového potrubí (Inline): Čerpadlo nasává palivo přes předřadný filtr a dodává ho pod tlakem 0,6 MPa k vysokotlakému čerpadlu. (Bosch R., 2005) Aby byl zajištěn rychlý start motoru, zapíná se palivové čerpadlo uţ při otočení klíčku ve spínací skříňce. Tím je zajištěno, ţe při spuštění motoru bude v nízkotlaké části okruhu k dispozici dostatečný tlak paliva. V přívodním vedení k vysokotlakému čerpadlu je zabudován jemný palivový filtr. (Bosch R., 2005) 35

36 Systémy se zubovým čerpadlem Zubové čerpadlo je pomocí příruby uchyceno na vysokotlakém čerpadle a je poháněno od jeho hřídele (obr. 22). Zubové čerpadlo tak dopravuje palivo aţ při startování motoru: Jeho dodávané množství je závislé na otáčkách motoru a dosahuje až tlaku až 0,7 MPa. (Bosch R., 2005) V palivové nádrţi je namontován předřadný palivový filtr. Jemný filtr se nachází v přívodním potrubí k zubovému čerpadlu. (Bosch R., 2005) Vysokotlaká regulace U systémů Common Rail první generace probíhá regulace tlaku paliva v Railu pomocí regulačního tlakového ventilu, nebo pomocí regulačního ventilu v čerpadle. Vysokotlaké čerpadlo dopravuje maximální mnoţství paliva nezávisle na jeho potřebě a regulační tlakový ventil odvádí přebytečné palivo zpět do palivové nádrţe. (Bosch R., 2005) Obr. 21 Common Rail první generace (Bosch R., 1999) 1 vysokotlaké čerpadlo, 2 odpojovací ventil elementu, 3 tlakový regulační ventil, 4 vysokotlaké palivové potrubí, 5 vysokotlaký zásobník (Rail), 6 snímač tlaku v Railu, 7 pojistný ventil, 8 omezovač průtoku, 9 vstřikovač, 10 řídicí jednotka Systém Common Rail druhé generace reguluje tlak paliva v Railu na straně nízkého tlaku pomocí dávkovací jednotky (obr. 22). Vysokotlaké čerpadlo musí dopravovat jen takové mnoţství paliva, které motor skutečně potřebuje. 36

37 Obr. 22 Příklad systému Common Rail druhé generace pro čtyřválcový motor (Bosch R., 2005) 1 vysokotlaké čerpadlo CP3 s vestaveným zubovým podávacím čerpadlem a dávkovací jednotkou, 2 palivový filtr s odlučovačem vody a vyhříváním (zvláštní výbava), 3 palivová nádrţ, 4 předřadný filtr, 5 vysokotlaký zásobník (Rail), 6 snímač tlaku v zásobníku Rail, 7 vstřikovač s elektromagnetickým ventilem, 8 omezovací tlakový ventil Systém Common Rail třetí generace se vyznačuje piezoelektrickými vstřikovači inline (obr. 23). Pokud můţe být tlak regulován jen na straně nízkého tlaku, trvá sníţení tlaku v Railu při rychlé změně zatíţení velmi dlouho. Dynamika přizpůsobení tlaku změněným podmínkám zatíţení má příliš velkou setrvačnost. To se týká zejména piezoelektrických inline vstřikovačů jako důsledek jejich velmi malé vnitřní netěsnosti. Některé systémy Common Rail proto mají kromě vysokotlakého čerpadla s dávkovací jednotkou navíc ještě regulační tlakový ventil. Tento dvojitý systém regulace kombinuje výhody regulace na nízkotlaké straně s výhodnými dynamickými vlastnostmi regulace na vysokotlaké straně. Další výhoda vůči regulačním moţnostem výlučně na nízkotlaké straně vyplývá z toho, ţe u studeného motoru můţe být pouţita regulace na vysokotlaké straně. Vysokotlaké čerpadlo přitom dopravuje více paliva, neţ je vstřikováno a regulace tlaku probíhá pomocí regulačního tlakového ventilu. Palivo se stlačováním zahřívá a nemusí být pouţit systém přídavného ohřevu paliva. (Bosch R., 2005) 37

38 Obr. 23 Příklad systému Common Rail třetí generace s dvojitým regulačním systémem pro čtyřválcový motor (Bosch R., 2005) 1 vysokotlaké vstřikovací čerpadlo CP1H s dávkovací jednotkou, 2 palivový filtr s odlučovačem vody a vyhříváním (zvláštní výbava), 3 palivová nádrţ, 4 předřadný filtr, 5 vysokotlaký zásobník (Rail), 6 snímač tlaku v zásobníku Rail, 7 piezoelektrický vstřikovač Inline, 8 regulační tlakový ventil, 9 elektrické palivové čerpadlo Systém Common Rail pro nákladní vozidla U systémů Common Rail pro těţká nákladní vozidla se pro dopravu paliva k vysokotlakému čerpadlu pouţívají výhradně zubová palivová čerpadla. Podávací čerpadlo je zpravidla upevněno přírubou na vysokotlakém čerpadle (obr. 24), u některých pouţití je upevněno na motoru. Obr. 24 Systém Commonrail s vysokotlakým čerpadlem pro nákladní vozidla (Bosch R., 2005) 1 palivová nádrţ, 2 předřadný filtr, 3 palivový filtr, 4 podávací zubové čerpadlo, 5 vysokotlaké čerpadlo, 6 dávkovací jednotka (škrticí ventil), 7 snímač tlaku v zásobníku Rail, 8 vysokotlaký zásobník (Rail), 9 omezovací tlakový ventil, 10 vstřikovač 38

39 6.6.5 Zásobování palivem, nízkotlaká část systému Common Rail Úkolem systému zásobování palivem je akumulovat, filtrovat palivo a pod určitým podávacím tlakem ho za všech provozních podmínek dodávat do vstřikovacího systému. U některých aplikací je pouţito přídavné chlazení paliva ve zpětném palivovém potrubí. V zásadě se systém zásobování palivem výrazně liší v závislosti na typu pouţívaného vstřikovacího systému. Na obrázku 25 je typická konstrukce systému Common Rail pro osobní vozy. Obr. 25 Palivová soustava se vstřikovacím systémem Common Rail (Bosch R., 2005) 1 palivová nádrţ, 2 předřadný filtr, 3 podávací čerpadlo, 4 palivový filtr, 5 nízkotlaké palivové potrubí, 6 vysokotlaké čerpadlo, 7 vysokotlaké palivové potrubí, 8 zásobník (Rail), 9 vstřikovač, 10 zpětné palivové potrubí, 11 snímač teploty paliva, 12 řídicí jednotka, 13 kolíková ţhavicí svíčka Palivová nádrž Palivová nádrţ slouţí k ukládání paliva: Musí být odolná vůči korozi a musí zaručovat těsnost při dvojnásobku provozního tlaku, tj. přetlaku nejméně 0,03 MPa. (Bosch R., 2005) Vzniklý přetlak musí samočinně unikat vhodnými otvory nebo pojistnými ventily. (Bosch R., 2005) Palivová potrubí Pro nízkotlakou část mohou být kromě kovových trubek pouţita také pruţná vedení se ztíţenou hořlavostí opatřená oplétanou kovovou výztuţí. Musí být provedena tak, aby bylo zabráněno mechanickému poškození a zároveň nesmí být ve své funkci ovlivňována pohybem motoru nebo podobnými vlivy. (Bosch R., 2005) 39

40 Palivové čerpadlo Úkolem palivového čerpadla v nízkotlaké části okruhu je zásobovat vysokotlaké komponenty dostatkem paliva, a to: při kaţdém provozním stavu při co nejniţší úrovni hluku při dodrţení poţadovaného tlaku po celou dobu ţivotnosti vozidla Palivové čerpadlo nasává palivo z palivové nádrţe a plynule dopravuje potřebné mnoţství paliva ve směru k vysokotlakému vstřikovacímu zařízení: Čerpadlo pracuje s tlakem 0,3 0,7 MPa. (Bosch R., 2005) Mnohá čerpadla mají samočinné odvzdušnění, takţe je moţné nastartování i po doplnění zcela vyprázdněné nádrţe. Existují tři různé konstrukce: elektrická palivová čerpadla mechanicky poháněná zubová palivová čerpadla tandemová palivová čerpadla (Bosch R., 2005) Elektrická palivová čerpadla mohou být v provedení pro vestavbu do potrubí (Inline) nebo pro vestavbu do nádrţe (In-tank). Obr. 26 Jednostupňové elektrické palivové čerpadlo (Bosch R., 2005) A element čerpadla, B elektromotor, C připojovací víko, 1 strana tlaku, 2 kotva motoru, 3 element čerpadla, 4 omezovač tlaku, 5 strana sání, 6 zpětný ventil 40

41 Zubové palivové čerpadlo (obr. 27) se pouţívá pro zásobování vstřikovacího modulu systémů se samostatným čerpadlem (nákladní vozidla) a systémů Common Rail (osobní, uţitková a zemědělská vozidla). Je upevněno přímo na motoru nebo je integrováno ve vysokotlakém čerpadle Common Rail. Pohon je přes spojku, ozubené kolo nebo ozubený řemen. Základními konstrukčními prvky jsou dvě vzájemně zabírající, protiběţně se otáčející ozubená kola, která dopravují palivo v zubových mezerách od sací (obr. 27, poz. 1) k výtlačné straně (5). Styková plocha ozubených kol tvoří těsnění mezi sací a výtlačnou stranou a zabraňuje, aby palivo mohlo odtékat zpět. Dodávané mnoţství je přibliţně úměrné otáčkám motoru. Regulace mnoţství se proto provádí buď regulačním škrcením na sací straně, nebo přepouštěcím ventilem na výtlačné straně. Zubové palivové čerpadlo pracuje bez nutnosti údrţby. K odvzdušnění palivového systému při prvním startu nebo při vyprázdnění palivové nádrţe můţe být namontováno ruční čerpadlo přímo na zubové palivové čerpadlo nebo do nízkotlakého potrubí. (Bosch R., 2005) Obr. 27 Proudění paliva v zubovém čerpadle (Bosch R., 2005) 1 strana sání (přívod paliva), 2 škrcení sání, 3 primární ozubené kolo (hnací kolo), 4 sekundární ozubené kolo, 5 výtlačná strana Palivový filtr Moderní systémy s přímým vstřikem pro vznětové motory reagují citlivě i na nejmenší nečistoty v palivu. K poškození můţe dojít především při výskytu pevných částic a zkondenzované vody. Projektovaná ţivotnost vstřikovacího systému je zajištěna teprve při určité minimální čistotě paliva. Jednou z úloh palivového filtru je sníţení znečištění paliva pevnými částicemi. Tím jsou chráněny komponenty vstřikovacího systému vystavené opotřebení. Vstřikovací systém vyţaduje určitou jemnost palivového filtru. Kromě zajištění ochrany proti 41

42 opotřebení musí palivové filtry vykazovat také dostatečnou kapacitu pro ukládání pevných částic, jinak můţe dojít k ucpání ještě před intervalem výměny. V tomto případě klesá dodávané mnoţství paliva a tím také výkon motoru. Druhou funkcí palivového filtru pro vznětové motory je odlučování vody z paliva, aby se zabránilo poškození korozí. Účinné odlučování vody vyšší neţ 93 % při maximálním průtoku je důleţité zvláště u rotačních vstřikovacích čerpadel a systému Common Rail. Hlavní palivový filtr u vznětových motorů je zpravidla umístěn v nízkotlakém okruhu v motorovém prostoru mezi elektrickým palivovým čerpadlem a vysokotlakým čerpadlem. (Bosch R., 2005) Obr. 28 Výměnný filtr pro vznětové motory (Bosch R., 2005) Odlučování vody probíhá ve filtračním médiu na principu tvoření kapek v důsledku rozdílného povrchového napětí vody a paliva. Odloučená voda se shromaţďuje v prostoru pro vodu ve spodní části tělesa filtru (obr. 29). Ke sledování hladiny vody se v současné době pouţívají snímače vyuţívající princip vodivosti. Odvodnění se provádí ručně pomocí vypouštěcího šroubu nebo tlačítkového spínače. (Bosch R., 2005) Obr. 29 Schéma palivového filtru (Bosch R., 1999) 1 víko filtru, 2 přívod paliva, 3 papírová filtrační vloţka, 4 pouzdro, 5 prostor pro hromadění vody, 6 odvodňovací šroub, 7 vývod paliva 42

43 Předřadný filtr pro podávací čerpadla Pro velmi vysoké nároky je výhodné pouţít přídavný předřadný filtr, který je umístěn na sací nebo výtlačné straně hlavního filtru. Většinou jsou provedeny jako filtr se sítkem s velikostí ok o průměru 300 μm. (Bosch R., 2005) Vysokotlaké komponenty systému Common Rail Vysokotlaká část systému Common Rail se dělí na tři oblasti. Do první oblasti patří vytváření tlaku, do druhé udrţování tlaku a na závěr do třetí oblasti patří odměřování paliva. Vysokotlaké čerpadlo přebírá úlohu vytváření tlaku. Udrţování tlaku se provádí v zásobníku Rail, na němţ jsou upevněny snímač tlaku Rail a tlakový regulační ventil resp. tlakový omezovací ventil. Vstřikování správného mnoţství paliva ve správnou dobu zajišťují vstřikovače. Vysokotlaká vedení paliva propojují jednotlivé části okruhu. Rozlišovací znaky jednotlivých generací systémů Common Rail spočívají v provedení vysokotlakého čerpadla a vstřikovačů. (Bosch R., 2005) Vstřikovače Tabulka č. 1 Přehled systémů Common Rail (Bosch R., 2005) Generace CR Maximální tlak Vstřikovač Vysokotlaké čerpadlo 1. Generace Vstřikovač s CP1. Regulace tlaku na straně vysokého Osobní MPa elektromagnetickým ventilem tlaku s regulačním tlakovým ventilem vozidla 1. Generace Nákladní vozidla 2. Generace Osobní a nákladní vozidla 3. Generace Osobní vozidla 3. Generace Nákladní vozidla 140 MPa 160 MPa MPa 180 MPa Vstřikovač s elektromagnetickým ventilem Vstřikovač s elektromagnetickým ventilem Piezoelektrický vstřikovač Inline Vstřikovač s elektromagnetickým ventilem CP2. Regulace mnoţství na straně sání s dávkovací jednotkou CP3, CP1H. Regulace mnoţství na straně sání s dávkovací jednotkou CP3, CP1H. Regulace mnoţství na straně sání s dávkovací jednotkou CP3. Dávkovací jednotka (škrticí ventil) U vstřikovacího systému Common Rail pro vznětové motory jsou vstřikovače připojeny k vysokotlakému zásobníku Rail krátkými vysokotlakými palivovými potrubími. Těsnění vstřikovačů u spalovacího prostoru je provedeno pomocí měděné těsnicí podloţky. Vstřikovače jsou pomocí upínacích prvků upevněny k hlavě válců. 43

44 V současné době jsou sériově pouţívány tři typy vstřikovačů: vstřikovač s elektromagnetickým ventilem s jednodílnou kotvou vstřikovač s elektromagnetickým ventilem s dvojdílnou kotvou vstřikovač s piezoelektrickým členem (Bosch R., 2005) Obr. 30 Vstřikovač s elektromagnetickým ventilem princip činnosti (Bosch R., 2005) a klidový stav, b vstřikovač se otvírá, c vstřikovač se zavírá, 1 zpětné palivové potrubí, 2 cívka elektromagnetu, 3 pruţina přeběhu, 4 kotva, 5 kulička ventilu, 6 řídicí prostor ventilu, 7 pruţina trysky, 8 tlačné mezikruţí jehly trysky, 9 objem komory, 10 vstřikovací otvor, 11 pruţina elektromagnetického ventilu, 12 škrcení na odpadu, 13 vysokotlaká přípojka, 14 škrcení na přívodu, 15 píst ventilu (řídicí píst), 16 jehla trysky Vstřikovač lze rozdělit na několik funkčních bloků: otvorová tryska hydraulický servosystém elektromagnetický ventil Palivo je přiváděno od vysokotlaké přípojky (obr. 30 a, poz. 13) přes přívodní kanál ke vstřikovací trysce a rovněţ přes škrcení na přívodu (14) v řídicím prostoru ventilu (6). Řídicí prostor ventilu je prostřednictvím škrcení na odpadu (12), který se otevírá pomocí elektromagnetického ventilu, spojen se zpětným palivovým potrubím (1). 44

45 Funkci vstřikovače při běţícím motoru a zásobovaném vysokotlakém čerpadle lze rozdělit na čtyři provozní stavy: vstřikovač uzavřen (působením vysokého tlaku) vstřikovač se otvírá (počátek vstřiku) vstřikovač je zcela otevřen vstřikovač se zavírá (konec vstřiku) (Bosch R., 2005) Piezoelektrický vstřikovač inline se konstrukčně dělí schematicky podle podstatných konstrukčních skupin (obr. 31). modul akčního členu (3) hydraulický vazební člen nebo převodník (4) řídicí ventil nebo servoventil (5) modul trysky (6). Obr. 31 Konstrukční provedení piezoelektrického vstřikovače (Bosch R., 2005) 1 zpětné palivové potrubí, 2 vysokotlaká přípojka, 3 piezoelektrický regulační modul, 4 hydraulický vazební člen (převodník), 5 servoventil (řídicí ventil), 6 modul trysky s jehlou trysky, 7 vstřikovací otvor 45

46 Tento vstřikovací systém nabízí moţnost realizovat velmi krátké intervaly mezi vstřiky. Díky počtu a vybavení dávkování paliva lze provádět aţ pět vstřiků na jeden vstřikovací cyklus a tím jej přizpůsobit poţadavkům na pracovní body motoru. Potřebný zdvih jehly vstřikovací trysky vyţaduje určitou tloušťku piezoelektrického prvku. Například firma Siemens VDO jej vyrábí z asi 400 vrstev velmi tenké keramické fólie, které jsou seskupeny do válcového piezoelektrického prvku o výšce asi 30 mm. Na tento prvek se přivádí napětí 150 V, které způsobí prodlouţení krystalů celkem asi o 0,04 mm. Pohyb krystalů se mechanicky pomocí pístků a pruţinek převede na zdvih jehly vstřikovací trysky asi 0,08 mm. Tento poměrně malý zdvih postačuje k tomu, aby se vstřikovací tryska mohla přesně otevírat a zavírat. Tímto způsobem lze přesně odměřovat i velmi malá mnoţství paliva o objemu kolem l mm 3. (Jan Z., Ţďánský B., 2003) Výhody piezoelektrických vstřikovačů inline: několikanásobný vstřik s pruţným počátkem vstřiku a prodlevami mezi jednotlivými vstřiky velmi malé vstřikované mnoţství při předvstřiku malé konstrukční rozměry a nízká hmotnost vstřikovače (270 g oproti 490 g), nízká hlučnost niţší spotřeba paliva (-3 %), niţší emise (-20 %), zvýšení výkonu motoru (+7 %) (Bosch R., 2005) Vysokotlaká čerpadla Úkolem vysokotlakého čerpadla je dodávat dostatek paliva pod tlakem do všech provozních oblastí po celou dobu ţivotnosti vozidla. Vysokotlaké čerpadlo vytváří trvale, nezávisle na vstřikování, systémový tlak pro vysokotlaký zásobník (Rail). Jako vysokotlaké čerpadlo pro vytvoření tlaku slouţí u systému pro osobní vozidla třípístové radiální čerpadlo. U nákladních vozidel se pouţívají také dvoupístová řadová čerpadla. Jsou poháněna motorem přes spojku, ozubené kolo, řetěz nebo ozubený řemen. Vysokotlaká radiální pístová čerpadla pouţívaná u osobních vozidel jsou mazána palivem. U nákladních vozidel se pouţívají radiální pístová čerpadla mazaná palivem nebo olejem, ale také dvoupístová řadová čerpadla. Čerpadla mazaná olejem mají lepší odolnost proti horší kvalitě paliva. (Bosch R., 2005) 46

47 Konstrukce vysokotlakého čerpadla V tělese vysokotlakého čerpadla je uloţen centrální hnací hřídel (obr. 32, poz. 1). Radiálně k němu jsou v roztečích 120 uspořádány jednotlivé elementy čerpadla (3). Výstředník (2) nasazený na hnacím hřídeli vyvolává vratný pohyb pístů čerpadla. Přenos síly mezi výstředníkem a pracovními písty se provádí s pouţitím oběţné vačky, kluzného krouţku uloţeného na výstředníku a patní desce pístu upevněné na patě pístu. (Bosch R., 1999) Obr. 32 Vysokotlaké čerpadlo 1 hnací hřídel 2 výstředník 3 element čerpadla s pístem čerpadla, 4 sací ventil, 5 výstupní ventil, 6 přívod paliva (Bosch R., 1999) Princip činnosti vysokotlakého čerpadla Podávací čerpadlo dodává palivo přes filtr s odlučovačem vody k přívodu do vysokotlakého čerpadla (6). Za přívodem je zařazen pojistný ventil. Kdyţ pracovní tlak podávacího čerpadla překročí otvírací tlak pojistného ventilu (0,05 aţ 0,15 MPa), je palivo jeho škrticími otvory vytlačeno do mazacího a chladicího okruhu vysokotlakého čerpadla. Hnací hřídel s výstředníkem vyvolává vratný pohyb tří pístů čerpadla v souladu se zdvihem výstředníku. Palivo přichází vstupním ventilem (4) vysokotlakého čerpadla do prostoru příslušného elementu, kdyţ se píst čerpadla pohybuje dolů. Tento proces se nazývá sací zdvih čerpadla. Jakmile píst čerpadla překročí dolní úvrať, zavře se vstupní ventil a palivo v prostoru elementu nemá moţnost uniknout. Nyní můţe dojít k jeho kompresi na tlak 47

48 vyšší, neţ je tlak podávacího čerpadla. Vytvořený tlak otevře výstupní ventil (5) a jakmile je dosaţen tlak v zásobníku Rail, stlačené palivo se dostane do vysokotlaké části okruhu. Píst čerpadla dodává palivo tak dlouho, aţ dosáhne horní úvratě. Tyto fáze čerpadla se označují jako dopravní zdvih čerpadla. Poté tlak poklesne a výstupní ventil se zavře. Zbylé palivo se uvolní, píst čerpadla se pohybuje dolů. Jakmile tlak v elementu poklesne pod tlak podávacího čerpadla, vstupní ventil se otevře a celý cyklus se znovu opakuje. (Bosch R., 2005) Rail (vysokotlaký zásobník) s vestavěnými komponenty Obr. 33 Tlakový zásobník (Rail) (Bosch R., 2005) 1 vysokotlaký zásobník (Rail), 2 regulační tlakový ventil, 3 zpětné vedení od zásobníku Rail k palivové nádrţi, 4 přívod od vysokotlakého čerpadla, 5 snímač tlaku v Railu, 6 vedení ke vstřikovači Zásobník Rail je konstruován ve tvaru trubky. Zahrnuje moţnost montáţe snímače tlaku v Railu (5) a omezovacího tlakového ventilu resp. regulačního tlakového ventilu (2). Palivo stlačené vysokotlakým čerpadlem je přiváděno vysokotlakým palivovým potrubím k přívodu (4) zásobníku Rail. Odtud je palivo rozdělováno do několika vstřikovačů. Tlak paliva je měřen snímačem tlaku v Railu a pomocí regulačního tlakového ventilu regulován na poţadovanou hodnotu. Omezovací tlakový ventil je v závislosti na poţadavcích systému pouţit jako alternativa k regulačnímu tlakovému ventilu a jeho úkolem je omezovat tlak paliva v zásobníku Rail na maximální povolený tlak. (Bosch R., 2005) 48

49 7 EMISE VZNĚTOVÝCH MOTORŮ Jiţ v 70 letech 20. století se setkáváme se snahami o vytvoření zákonů, které by pomohly sníţit znečišťování atmosféry. Se zvyšujícím se počtem automobilů na silnicích bylo znečišťování ovzduší výfukovými plyny aut stále zřetelnější. V USA byl pro součásti, které se podílejí na obsahu emisí ve výfukových plynech, vyvinut a zaveden diagnostický systém, který má název OBD I (On - Board - Diagnose). Od roku 1985 se pouţívá novější a zdokonalený systém OBD II. Pro Evropu upravený systém OBD II = EOBD (Euro - On - Board - Diagnose) byl ve státech Evropské unie zaveden na počátku roku 2000, a to nejprve pro záţehové motory. Vznětové motory následovaly vývoj v emisních limitech hned za benzínovými motory. Zavedení systému OBD s sebou přineslo potěšující výsledky pro zachování čistoty ovzduší, jak je vidět v grafu 1. (ŠKODA AUTO., 2004) Graf 1 Přehled vývoje emisních hodnot v Kalifornii (ŠKODA AUTO., 2004) 7.1 Emisní normy EURO Aby mohl být automobil homologován, musí plnit řadu norem, mezi jinými i důleţitou emisní normu. Emisní norma určuje mnoţství spalin, které automobil můţe vypouštět do ovzduší. V České republice upravuje tyto hodnoty zákon č. 56/2001 Sb. ve znění pozdějších předpisů. Tyto předpisy vycházejí z norem Evropské hospodářské komise a Evropského společenství. Jako souhrnné označení norem emisních předpisů se pouţívá označení EURO, za kterým následuje číslo normy (EURO 5). Díky těmto normám se v Evropě daří sniţovat emise. (Sajdl J., 2011) 49

50 Tabulka č. 2 Přehled limitů jednotlivých emisních norem EURO pro naftové motory * 0,90 pro motory s přímým vstřikováním paliva ** 0,10 pro motory s přímým vstřikováním paliva (Sajdl J., 2011) Rok/norma CO(g/km) NO X HC + NO X (g/km) PČ (g/km) 1992 I 3,16 1,13 0, II 1,00 0,70 * 0,08** 2000 III 0,64 0,50 0,56 0, IV 0,50 0,25 0,30 0, V 0,50 0,18 0,23 0, VI 0,50 0,08 0,17 0, Sloţení výfukových plynů Při dokonalém spalovaní vznikají sloţky CO 2 a H 2 O. Ve skutečnosti však mohou být při spalování v automobilových motorech součástí výfukových plynů ještě další látky: nespálené uhlovodíky částečně spálené uhlovodíky oxidy dusíku oxidy síry Hovoří-li se o sloţení výfukových plynů, padnou vţdy i následující výrazy: oxid uhelnatý (CO) uhlovodíky (HC) oxidy dusíku (NO x ) částice sazí (Particulate Matter) Obyčejně se však jiţ nemluví o tom, ţe uvedené látky tvoří jen nepatrný zlomek celkového mnoţství výfukových plynů. V následujícím grafu je znázorněno sloţení výfukových plynů vznětových motorů. (ŠKODA AUTO., 2004) 50

51 Graf 2 Sloţení výfukových plynů vznětových motorů (ŠKODA AUTO., 2004) N 2 dusík, O 2 kyslík, H 2 O voda/vodní pára, CO 2 oxid uhličitý, CO oxid uhelnatý, NO x oxidy dusíku, SO 2 oxid siřičitý, HC uhlovodíky, PM částice sazí (Particulate Matter) 7.3 Sniţování emisí ve výfukových plynech u vznětových motorů V rámci vývoje vozidla se řeší problematika sniţování emisí jak u vznětových motorů, tak i u benzínových motorů v následujících třech oblastech: sniţování spotřeby paliva čištění výfukových plynů, případně jejich opětovné pouţití kontrola činnosti systémů, které mají rozhodující vliv na sloţení výfukových plynů. Sníţení spotřeby paliva je v dnešní době dosahováno sníţením odporu vzduchu vozidla, hmotností vozidla, systémem řízení motoru, odvzdušněním palivové nádrţe a zpětným vedením výfukových plynů. Čištění výfukových plynů u vznětových motorů je řešeno pomocí oxidačního katalyzátoru, keramických vloţek, filtru pevných částic a selektivní katalytické redukce. Kombinací těchto systémů je dosaţeno emisní normy, kterou má vznětový motor splňovat. Kontrola činnosti systému je zajištěna signalizací kontrolky emisí na přístrojovém panelu vozidla. Pokud dojde k nesprávné činnosti komponentů, které mají vliv na emise motoru, můţe také dojít ke sníţení výkonu vozidla. (ŠKODA AUTO., 2004) 51

52 7.3.1 Systém zpětného vedení výfukových plynů vznětových motorů Obr. 34 Schéma zpětného vedení výfukových plynů (ŠKODA AUTO., 2004) A chladič plnicího vzduchu, AGR mechanický ventil pro zpětné vedení výfukových plynů, G28 snímač otáček motoru, G62 čidlo teploty chladicí kapaliny, G70 snímač mnoţství nasávaného vzduchu, G72 snímač teploty nasávaného vzduchu, J248 řídicí jednotka motoru 1,9 TDI, N18 elektromagnetický ventil pro zpětné vedení výfukových plynů, VP vakuová pumpa Zpětným vedením výfukových plynů se dosahuje sníţení škodlivin ve výfukových plynech. Vznětový motor s přímým vstřikem paliva pracuje s vyšší teplotou spalování neţ motor s předkomůrkou. Vysoké spalovací teploty a přebytek vzduchu mají za následek vyšší obsah oxidů dusíku (NO x ) ve výfukových plynech. Při niţších otáčkách je tvorba těchto oxidů ještě vyšší. Systém zpětného vedení výfukových plynů zajišťuje dodávání části výfukových plynů do nasávaného vzduchu. Výsledkem je sníţení přebytku vzduchu při spalování a tím niţší teplota spalování. Díky tomu se sníţí obsah oxidů dusíku ve výfukových plynech. (ŠKODA AUTO., 2004) 52

53 7.3.2 Keramický filtr Jestliţe spalování probíhá za malého přebytku vzduchu, zvětšuje se ve výfukových plynech podíl oxidu uhelnatého, uhlovodíků a částic sazí. Částice sazí vzniklé spalováním nafty se skládají z jádra a několika navrstvených součástí, z nichţ se v oxidačním katalyzátoru přeměňují jen uhlovodíky. Částice sazí je moţno zachycovat pouze pomocí speciálního filtru (např. filtry s ocelovou vlnou, s keramickými monolity). Aby byla zajištěna jejich plná funkčnost, je nutno filtry v určitých časových intervalech buď chemicky, nebo tepelně regenerovat. Obr. 35 Schéma keramického filtru (ŠKODA AUTO., 2004) 1 přívod výfukových plynů, 2 keramické ucpávky, 3 porézní mezistěna, 4 výstup výfukových plynů Oxidační katalyzátor Jako nejčastější kombinace pro sníţení emisí vznětových motorů se nabízí kombinace zpětného vedení výfukových plynů a oxidačního katalyzátoru. Hlavním důvodem pouţití oxidačního katalyzátoru je omezení zápachu z nafty a rovněţ omezení pevných částic. Tento katalyzátor se nepoškodí, pokud bude vozidlo pracovat na naftu s vyšším obsahem síry. U nákladních vozidel Scania je pouţita technologie CRT. Jedná se o kombinaci oxidačního katalyzátoru a keramického filtru. Katalyzátor je montován na vstup filtru a má za úkol, aby docházelo ke vzniku sloţky NO 2, která můţe reagovat se sazemi ve filtru. Uhlík reaguje s kyslíkem z NO 2 na CO 2. Reakce začíná přibliţně kolem 200 C a při teplotě 250 C dochází k rovnováze mezi částicemi zachycenými filtrem a částicemi, které zoxidují. (SCANIA, CUMINS., 2011) 53

54 Obr. 36 Systém CRT (Continuously Regenerating Trap) ( (SCANIA, CUMINS., 2011) Filtr pevných částic Produkce částic sazí můţe být výrazně sníţena pouţitím filtru pevných částic jako jednoho ze systémů konečné úpravy výfukových plynů. Tento filtr, pracující s podporou aditiv v palivu, je schopen zadrţet aţ 97 % zbytkových částic sazí obsaţených ve výfukových plynech. Pevné částečky, zachycené filtrem, procházejí při teplotě kolem 500 C procesem oxidace, coţ zabraňuje zanesení filtru, který se tak průběţně regeneruje. V zájmu dokonalé regenerace se do paliva přidává aditivum na metalické bázi, zaručující efektivní oxidaci za poměrně nízkých teplot. Aditivum zároveň sniţuje mnoţství vznikajících sazí, čímţ se prodluţuje ţivotnost celého systému. V současné době jsou vyvinuty dva systémy filtru pevných částic - systém s aditivem a bez aditiva. (ŠKODA AUTO., 2006) Systém s aditivem Tento systém je pouţíván u automobilů s filtrem pevných částic, který je umístěný z konstrukčních důvodů dále od motoru. Vzhledem k dlouhé cestě výfukových plynů od motoru k filtru pevných částic můţe být dosaţena teplota potřebná ke spalování částic sazí jen přidáním aditiva. Obr. 37 Systém filtru pevných částic s aditivem (ŠKODA AUTO., 2006) 54

55 Systém bez aditiva Tento systém je pouţíván u vozidel, která mají filtr pevných částic blíţe motoru. Díky krátké vzdálenosti filtru pevných částic od motoru je teplota výfukových plynů potřebná ke spálení částic dostatečně vysoká, v případě potřeby můţe být ještě zvýšena řídicí jednotkou motoru. Obr. 38 Systém filtru pevných částic bez aditiva (ŠKODA AUTO., 2006) Konstrukce filtru pevných částic Filtr pevných částic pro vznětové motory je namontován ve výfukovém potrubí za oxidačním katalyzátorem. Zachycuje částice sazí z výfukových plynů motoru. Filtr pevných částic je sloţen z voštinového keramického tělesa z karbidu křemíku uzavřeného v kovovém pouzdře. Keramické těleso je rozděleno na mnoţství rovnoběţně uspořádaných mikroskopických kanálků s porézními stěnami, které jsou střídavě vţdy z jedné strany zaslepeny. Karbid křemíku se jako materiál na filtry hodí pro své následující vlastnosti: vysoká mechanická pevnost velmi dobrá odolnost vůči změnám teploty teplotní zatíţitelnost a vodivost vysoká odolnost proti opotřebení (ŠKODA AUTO., 2006) Funkce filtru pevných částic Výfukové plyny musejí projít tělesem filtru, které tvoří velké mnoţství střídavě vţdy z jedné strany zaslepených kanálků. Zaslepení kanálků je střídavé, takţe plyn, který vstoupil do kanálku volným směrem, musí následně projít jeho porézními stěnami do sousedního kanálku, který je otevřený směrem od motoru. Při proudění výfukových plynů skrz filtr jsou tak částice sazí ve vstupních kanálcích zadrţeny, zatímco plynné sloţky výfukových plynů mohou proniknout skrz porézní stěny kanálků. 55

56 Obr. 39 Schéma filtru pevných částic (ŠKODA AUTO., 2006) Regenerace filtru pevných částic Filtr pevných částic musí být pravidelně zbavován zachycených částic sazí, aby nedošlo k jeho zanesení a tím se nesníţila jeho funkčnost. Během regenerace jsou nahromaděné částice sazí ve filtru pevných částic odstraňovány katalytickým spalováním při teplotě kolem 500 C. Přitom skutečný bod vzplanutí sazí je kolem 600 aţ 650 C. Tuto teplotu výfukových plynů lze dosáhnout u vznětových motorů jen při plné zátěţi. (ŠKODA AUTO., 2006) Systém selektivní katalytické redukce SCR Technologie SCR zpracování výfukových plynů pomocí katalyzátoru se pouţívá pro splnění poţadavků normy Euro 4 a následně i vyšších emisních hodnot, coţ je norma pro čistotu výfukových plynů, která vstoupila v platnost v roce Technologie SCR je zaloţena na zpracování výfukových plynů přidáváním roztoku AdBlue. Tento roztok je vstřikován do výfukových plynů dříve, neţ projdou katalyzátorem. Toto aditivum způsobí převod oxidů dusíku na plynný dusík a vodní páru, coţ jsou látky, které se v přírodě běţně vyskytují. Ke splnění poţadavků Euro 4 jsou zapotřebí 3-4 % AdBlue vztaţené k objemu paliva. Norma Euro 4 byla vyvinuta pro efektivnější úrovně spalování a její řídicí jednotka motoru vypočítává optimální mnoţství roztoku AdBlue, které má být vstříknuto, podle aktuálního zatíţení a otáček motoru. (VOLVO TRUCK., 2011) 56

57 Hlavní části SCR Čištění výfukových plynů SCR je jednoduchý systém s několika komponenty, které jsou zobrazeny v následujícím schématu. Obr. 40 Schéma SCR nákladního vozidla (SCANIA, CUMINS., 2011) 1 řízení vstřikování, 2 řízení vstřikovaného mnoţství močoviny, 3 kontrola reakce Princip činnosti SCR Roztok AdBlue je rozprašován a vstřikován do výfukových plynů před katalyzátor. Dávkování přesně řídí EMS (Engine Management System) zaručující optimální redukci emisí za všech provozních podmínek. Vysoká teplota ve výfukové soustavě rychle rozloţí roztok AdBlue na amoniak a oxid uhličitý. Amoniak je aktivní látkou a klíčovou sloţkou v chemickém procesu, který se odehrává v katalyzátoru, kde jsou oxidy dusíku (NO x ) přeměňovány na neškodnou směs dusíku a vodních par. Tato chemická reakce probíhá při teplotách přibliţně nad 200 C. Adblue zamrzá při teplotě -10 C. Je proto nutné vytvořit ohřívací systém pro okruh Adblue. (VOLVO TRUCK., 2011) 57