Systémy přímého vstřikování zážehových motorů a jejich vliv na tvorbu polutantů

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání Systémy přímého vstřikování zážehových motorů a jejich vliv na tvorbu polutantů Bakalářská práce Vedoucí bakalářské práce: doc. Ing. Jiří Čupera, Ph.D Vypracoval: Mojmír Macek Brno 2017

2 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto práci: Systémy přímého vstřikování zážehových motorů a jejich vliv na tvorbu polutantů vypracoval/a samostatně a veškeré použité prameny a informace jsou uvedeny v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů, a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom/a, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle 60 odst. 1 Autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše. V Brně dne 22. května 2017

3 Poděkování Tímto bych rád poděkoval vedoucímu práce doc. Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za metodické vedení, odborné rady a podnětné konzultace při tvorbě této bakalářské práce.

4 ABSTRAKT Bakalářská práce Systémy přímého vstřikování zážehových motorů a jejich vliv na tvorbu polutantů uvádí stručný přehled vývoje systémů pro tvorbu směsi, zahrnuje s tím související problematiku tvorby směsi pro zážehové motory. Dále obsahuje způsob elektronické regulace motoru, funkci a součásti přímého vstřikování, zároveň uvádí systémy přímého vstřikování jednotlivých výrobců. Je zaměřena také na problematiku emisí ze spalovacích motorů a popisuje systémy na snižování škodlivin spolu s trendy vývoje spalovacích motorů v podobě HCCI spalování. Klíčová slova: Elektronické řízení motoru, emise, HCCI, Mitsubishi GDI, přímé vstřikování benzinu, recirkulace výfukových plynů, Saab SCC, třísložkový katalyzátor, tvorba směsi, VW MED 7, zásobníkový katalyzátor NO x. ABSTRACT Bachelor thesis The direct injection systems for petrol engines and their influence on pollutants production provides a brief overview of the development of systems for the formation of mixture, including the related issues of the mixture development for the spark ignition engines. It also includes the method of electronic engine control, the function and components of direct injection, and it introduces direct injection systems of individual manufacturers. It focuses on emissions from internal combustion engines and describes pollutant reduction systems along with the trends of combustion engines development in the form of HCCI combustion. Keywords: Direct gasoline injection, electronic engine control, emissions, exhaust gas recirculation, HCCI, Mitsubishi GDI, mixture formation, NO x adsorber system, Saab SCC, three - way catalyc converter, VW - MED 7

5 OBSAH 1 Úvod Cíle práce Tvorba směsi Iniciace spalovacího procesu zážehových motorů Složení směsi pro různé pracovní podmínky motoru Měření složení směsi z obsahu kyslíku ve výfukových plynech Řízení výkonu motoru Elektronické řízení motorů Vývoj systémů na přípravu směsi Karburátor Nepřímé vstřikování benzinu Přímé vstřikování benzinu Konstrukce přímého vstřikování benzinu do válců motoru Druhy provozu motoru s přímým vstřikováním Způsoby tvorby směsi přímého vstřikování Způsoby přímého vstřikování paliva Základní součásti přímého vstřikování Konkrétní příklady vstřikovacích soustav Vstřikovací soustava Bosch Motronic MED Přímé vstřikování benzinu Mitsubishi Přímé vstřikování dalších značek Emise zážehových motorů Zařízení ke snížení emisí ve výfukových plynech Třísložkový katalyzátor Zásobníkový katalyzátor NO x Recirkulace výfukových plynů Trendy ve vývoji zážehových motorů Diskuze Závěr Seznam literatury Seznam obrázků... 59

6 1 ÚVOD K neodmyslitelné a nejdůležitější části automobilů patří pístový spalovací motor, jehož úkolem je přeměnit chemickou energii obsaženou v palivu na mechanickou práci. Slouží tedy jako pohon strojních zařízení. První motor s vnitřním spalováním navrhl roku 1859 Étienne Lenoir (KOFROŇ, 2010). Motor tehdy využíval jako palivo uhlí. Roku 1876 vzniká první čtyřdobý motor, za jehož vytvoření je zodpovědný Nikolaus Otto. V roce 1884 vylepšil Otto svůj motor o karburátor a nízkonapěťové magneto. Tyto inovace umožnily přechod na kapalná paliva a zlepšily mobilitu motorů (KOFROŇ, 2010). V roce 1886 aplikoval Daimler svůj rychloběžný motor do samohybného kočáru, který se tak stal prvním čtyřkolovým vozidlem využívající jako palivo benzin. Motor dosahoval výkonu 1,1 kw a dokázal tento kočár rozpohybovat na rychlost 16 km h -1 (DRAGOUN, 2009). První skutečný automobil, který měl ale jen tři kola, sestrojil v roce 1885 Karl Benz a použil v něm motor vlastní konstrukce. Následovalo několik vylepšení a v roce 1888 byl zahájen jeho prodej. Vznikl tak první komerční automobil (KOFROŇ, 2010). Pístový spalovací motor se v automobilech používá stále a zatím nevznikla žádná plnohodnotná náhrada. Princip spalovacího motoru je ve své podstatě stále stejný, ale během let docházelo k jeho vylepšování. Nejrozšířenějším je čtyřdobý motor, kde dochází k přeměně chemické energie na mechanickou práci během čtyř fází (sání, komprese, expanze, výfuk). Během let byla snaha tento cyklus co nejlépe optimalizovat pro dosažení požadovaného výkonu, spotřeby a v posledních letech ke snížení škodlivých látek ve výfukových plynech. Hledali se tak možnosti jak nejlépe připravit zápalnou směs, dopravit ji s co nejmenšími ztrátami do spalovacího prostoru, zapálit ji ve vhodný okamžik, aby palivo shořelo co nejdokonaleji a také jak vhodně odvést spaliny z prostoru válce a přivést novou směs, aby se na to vynaložilo co nejméně práce. Současně se s vývojem zážehových motorů vyvíjí také systémy pro přípravu zápalné směsi. Jejich úkolem je připravit směs v požadovaném směšovacím poměru v závislosti na otáčkách a zatížení motoru. Příprava směsi je velmi důležitá a závisí na ni výkon, spotřeba motoru, ale také emise ve výfukových plynech, rychlost hoření směsi a teplota spalování. 7

7 2 CÍLE PRÁCE Ve své práci se chci věnovat problematice tvorby směsi pro zážehové spalovací motory. V úvodu shrnuji vývoj způsobu tvorby směsi pro zážehové motory za uplynulých 20 let. Dále se v práci zaměřuji na vypracování konstrukčních řešení přímého vstřiku paliva u zážehových motorů a použití elektronické regulace. V dalších kapitolách uvádím jednotlivé systémy přímého vstřikování u velkých výrobců osobních vozidel, vliv emisí ze spalovacího procesu na člověka, systémy na snížení škodlivin ve výfukových plynech. 8

8 3 TVORBA SMĚSI Motor vytváří výkon přeměnou chemické energie z paliva na teplo a jeho následnou přeměnou na mechanickou práci. Přeměna probíhá spalování uhlovodíkového paliva. Pro spalování je nezbytný kyslík, který je přiváděn do spalovacího prostoru v nasávaném vzduchu. Pro zážehové motory se jako palivo obvykle používá benzin. Do válců se dostává směs paliva a vzduchu, která je pak zažehnuta elektrickým výbojem zapalovací svíčky. Aby se využilo co nejvíce energie z paliva, je zapotřebí, aby co nejlépe shořelo. a) Vnější tvorba směsi ke smísení paliva se vzduchem dochází již v sacím potrubí. Tento způsob tvorby využívají motory s karburátorem nebo nepřímým vstřikováním benzinu. b) Vnitřní tvorba směsi ke smísení paliva a vzduchu dochází přímo ve válci motoru. Tento způsob je využíván u motorů s přímým vstřikem benzinu. (VLK, 2003) Složení směsi je určeno poměrem paliva a vzduchu. Pro benzinové motory byl vypočten ideální hmotnostní poměr paliva a vzduchu na 1:14,7. Ten udává, že na dokonalé spálení 1 kg benzinu je potřeba 14,7 kg vzduchu. Takto vzniklou směs označujeme jako stechiometrickou. Aby došlo k jejímu dokonalému spálení, kdy bude produktem hoření pouze oxid uhličitý a vodní pára, musí se palivo úplně odpařit a promísit se vzduchem (homogenní směs). Dosáhnout ideálního směšovacího poměru je nemožné z mnoha důvodů (například při startu motoru, změně zatížení, kdy dochází k značnému ochuzení nebo obohacení směsi). Protože má složení směsi podstatný vliv na parametry motoru, je potřeba poměr paliva a vzduchu regulovat tak, aby byl v různých provozních podmínkách optimální. (FERENC, 2009) Na směšovacím poměru je značně závislá měrná spotřeba paliva. Pro co nejlepší spalování a nejnižší spotřebu je nutný přebytek vzduchu, jehož hranici určuje zápalnost směsi a použitelná dobou hoření. Součinitel přebytku vzduchu se označuje λ (lambda) a používá se pro zjištění, jak se skutečný směšovací poměr odlišuje od teoretického. Je dán poměrem hmotnosti skutečně přivedeného vzduchu a teoretickou hodnotou 14,7 kg vzduchu. 9

9 Při λ = 1 se jedná o stechiometrickou směs, protože skutečné množství přivedeného vzduchu je stejné jako teoretická hodnota. Dosažení stechiometrické směsi vyžaduje elektronicky řízený palivový systém a zpětnou vazbu o složení zápalné směsi. Při λ > 1 jde o chudou směs, protože množství skutečně přivedeného vzduchu je větší než teoretická hodnota. Chudá směs je hůře zapalitelná a má menší rychlost hoření. Chudé směsi se využívá u vznětových motorů a u zážehových motorů s přímým vstřikováním paliva ve vrstveném režimu. Při λ < 1 je skutečná hmotnost vzduchu menší než teoretická. Směs má přebytek paliva a nazývá se bohatou. Dochází k nedokonalému spalování a zvýšené produkci škodlivých látek, zejména pak CO. Elektrickou jiskrou zapalovací svíčky je možné zažehnout směs jen v určitém rozsahu poměru paliva a vzduchu. Z Obr. 1 je patrné, že u zážehových motorů se minimum CO a CH a maximum NO x vyskytují v poměrně úzkém rozsahu přebytku vzduchu. To se stává důvodem pro problematické redukování škodlivých látek. (BEROUN, a další, 2001) Pro benzin je rozsah zápalnosti směsi určen hodnotami lambda pro dolní hranici λ = 0,5 a horní hranici λ = 1,3. (VLK, 2003) Obr. 1 Vliv hodnoty lambda na emise Zdroj: PETRÁS, Z.; Růžička, A. Měření emisí. Praha: Robert Bosch,

10 3.1 Iniciace spalovacího procesu zážehových motorů Hoření paliva a vzduchu ve válci spalovacího motoru je poměrně složitý fyzikálně chemický proces, proto zůstává většinou mimo úlohy, které se na spalovacích motorech řeší. U zážehových motorů se spalovací proces vyznačuje velkou proměnlivostí pracovních cyklů, cyklus od cyklu má jiný průběh tlaků ve válci. Příčiny proměnlivosti jsou spatřovány v působení více či méně příznivých skutečných podmínek pro rozvoj hoření z počátečního ohniska zážehu: nehomogenita směsi, ředění čerstvé směsi zbytkovými spalinami, turbulentnost v nejtěsnějším okolí jiskřiště. Dobře zvládnutou metodou jak sledovat průběh hoření je vysokotlaká indikace podle změny tlaku ve válci. Pomocí indikátorového diagramu můžeme získat představu o souvislostech provozního režimu motoru, charakteristik průběhu hoření, podmínkách ve válci motoru, kvality směsi atd. Náročnější metody jsou založeny na přímém pozorování dějů ve válci nebo na chemické analýze vzorků odebíraných během jednotlivých fází hoření přímo ze spalovacího prostoru. (BEROUN, a další, 2001) Iniciace spalovacího procesu probíhá tzv. mechanismem vysokoteplotního vznícení. Elektrický výboj na elektrodách zapalovací svíčky vyvolá intenzivní místní zvýšení teploty ve velmi malém objemu připravené zápalné směsi. Tím se nastartuje předoxidační reakce, při které vznikají aktivované částice. Při dostatečné koncentraci aktivovaných částic vznikne ohnisko zážehu., ze kterého se hoření rozšiřuje přestupem tepla z čela plamene a pronikáním aktivovaných částic do nespálené směsi, ve které díky tomu roste koncentrace aktivovaných části. Oxidační reakce se šíří nejprve z ohniska zážehu a potom i z dalších oblastí postupujícího hoření až do vyhoření směsi. Chemické vlastnosti paliva jsou důležitým požadavkem pro zabezpečení normálního průběhu hoření. Závisí na nich možnost samovolného vznícení v dalších ohniscích vznícení účinkem vysoké teploty a koncentrace aktivovaných částic. Tyto vlastnosti paliv pro zážehové mory jsou vyjádřeny oktanovým, případně metanovým číslem (antidetonační odolnost). Pro snížení náchylnosti k detonačnímu spalování se využívají i různá konstrukční řešení (např. kompresní poměr motoru, tvar a umístění spalovacího prostoru, umístění a typ zapalovací svíčky) a také regulace předstihu zážehu. Pro odhalení detonačního spalování se u elektronicky řízených zážehových motorů používá příslušný sensor. (TAKÁTS, 1997) 11

11 3.2 Složení směsi pro různé pracovní podmínky motoru Při provozu se motor vyskytuje v různých pracovních podmínkách, které se liší od ustáleného chodu, a proto je nutné provádět korekce složení směsi. Studený start Při studeném startu dochází k ochuzení nasávané směsi, protože smísení paliva a vzduchu není dostatečné. Snižuje se schopnost paliva odpařovat se, dochází ke kondenzaci par paliva na stěnách sacího potrubí a válců. Pro usnadnění startu tak musí být přiváděno palivo navíc. U karburátoru se toho docílí pomocí otevřeného sytiče, u motorů se vstřikováním se vstřikuje více paliva. Postartovní fáze Po startu je potřeba krátkodobě obohacovat směs, do doby, než se zvýší teplota spalovacího prostoru a zlepší se tak příprava směsi. Zahřívání motoru Motor potřebuje pro zahřátí obohacenou směs, protože palivo ještě kondenzuje na stěnách sacího potrubí a válců. Volnoběh a částečné zatížení V těchto oblastech se využívá stechiometrické složení směsi Plné zatížení Požadavek řidiče je plný výkon, čemuž odpovídá úplně otevřená škrticí klapka. Aby se dosáhlo plného výkonu, je potřeba směs obohacovat. Obohacení směsi má vliv i na ochranu motoru, popřípadě katalyzátoru proti přehřátí. Zrychlení a decelerace Při těchto podmínkách se mění tlak v sacím potrubí, tím je ovlivněna schopnost paliva odpařovat se. Při zrychlení dochází k náhlému otevření škrticí klapky a nárůstu tlaku, což způsobí, že se zhorší odpařování paliva a ztloustne jeho vrstva na stěnách sacího potrubí. Směs se tak na krátkou dobu ochudí. Při náhlém zpomalení dochází naopak k obohacení směsi. Proto je zapotřebí pomocí korekce upravovat směs tak, aby bylo dosaženo optimálních jízdních vlastností a správného směšovacího poměru potřebného pro správnou funkci katalyzátoru. Brzdění motorem Využívá se při jízdě z kopce, kdy se přerušuje přívod paliva. Tím se snižuje spotřeba paliva a tvorba emisí. 12

12 Zažehnutí připravené směsi Nedílnou součástí je kromě správného složení směsi také její zažehnutí, které také záleží na provozních podmínkách motoru. Při stejném složení směsi je doba hoření stálá, ale se změnou otáček se mění rychlost pístu a je potřeba upravit okamžik zažehnutí, aby vznikalo teplo při hoření pokud možno za stálého objemu. (GREGORA, a další, 2008) 3.3 Měření složení směsi z obsahu kyslíku ve výfukových plynech Složení zápalné směsi má zásadní vliv na spalovací proces a činnost katalyzátoru. Aby byla zajištěna správná příprava směsi paliva a vzduchu, je potřeba kontrolovat její složení. To lze zjistit pouze z obsahu zbytkového kyslíku ve výfukových plynech. Jako snímač se používá lambda sonda, která může být provedena jako skoková nebo širokopásmová. Řídicí jednotka pak na základě signálu ze snímače provádí korekce přiváděného paliva. První lambda sonda byla vynalezena a používána firmou Bosch od roku (GREGORA, a další, 2008) Skoková lambda sonda funguje na principu galvanického kyslíkového článku. Nejvíce se využívá vlastností keramického materiálu ZrO 2, jenž se po ohřátí na teplotu 350 O C stává vodivým pro ionty kyslíku. Funkční schéma lambda sondy je vidět na Obr. 2. Napětí je vyvoláno rozdílným obsahem kyslíku mezi vnitřní a vnější elektrodou, které jsou odděleny keramickým jádrem tzv. Nernstův článek. Vnitřní elektroda je v kontaktu s výfukovými plyny a vnější elektroda je spojena s okolním vzduchem. Je-li směs chudá (s přebytkem vzduchu), tak se napětí pohybuje kolem 100 mv. Pokud je naopak směs bohatá (s nedostatkem vzduchu), tak se napětí pohybuje kolem 900 mv. V přechodové části mezi chudou a bohatou směsí se napětí mění skokově. Tento typ lambda sondy rozlišuje pouze to, jestli je směs bohatá nebo chudá, přesné složení však nezjistí. (VLK, 2002) 13

13 Obr. 2 Funkční schéma skokové lambda sondy Zdroj: Širokopásmová lambda sonda se používá pro přesné určení složení směsi, což je důležité u motorů, kde se výkon upravuje změnou množství paliva. Širokopásmová lambda sonda, jejíž schéma je na Obr. 3, využívá tzv. přečerpávací článek, který udržuje v měřícím prostoru stechiometrické složení směsi. Napětí z Nernstova článku je srovnáváno s referenčním napětím 450 mv, které odpovídá stechiometrické směsi. Měřenou veličinou je proud přečerpávacího článku, který nám téměř lineárně popisuje složení směsi. Pokud nebude ve výfukových plynech přebytek ani nedostatek vzduchu, pak přečerpávacím článkem nebude protékat žádný přečerpávací proud. Pokud je ve výfukových plynech přebytek kyslíku, tak je přečerpáván článkem ven a vzniká přečerpávací proud, který je tak velký, kolik kyslíku se musí přečerpat. Při nedostatku kyslíku ve výfukových plynech je kyslík přečerpáván z okolního vzduchu do měřícího prostoru a směr přečerpávacího proudu je obrácený a velikost úměrná potřebě kyslíku. (FERENC, 2009) 14

14 Obr. 3 Zjednodušené schéma širokopásmové lambda sondy Zdroj: 15

15 4 ŘÍZENÍ VÝKONU MOTORU Výkon motoru je závislý na množství přiváděného paliva. Podle způsobu tvorby směsi můžeme řízení výkonu motoru rozdělit na kvantitativní a kvalitativní řízení. Kvantitativní řízení spočívá v tom, že se nastavuje množství vzduchu nasávaného motorem a podle jeho množství se přidává odpovídající množství paliva. Množství nasávaného vzduchu se nastavuje pomocí škrticí klapky umístěné v sacím potrubí. Škrticí klapka je spojena mechanicky nebo elektronicky s plynovým pedálem a podle jeho sešlápnutí dochází ke změně průřezu v sacím potrubí. Kvantitativní způsob řízení se používá u zážehových motorů s tvorbou směsi mimo spalovací prostor. Nevýhodou tohoto řízení výkonu je zmenšený průřez sacího potrubí při částečném zatížení, protože rostou ztráty výkonu při výměně náplně, tím dochází také k nárůstu měrné spotřeby a emisí. U kvalitativního řízení se výkon řídí pouze odměřením množství paliva. Průtok nasávaného vzduchu není omezen nebo je omezován velmi málo. Při malém zatížení motoru je složení směsi hodně vzdáleno stechiometrickému poměru a vzniká směs velmi chudá. To přináší dost vysokou úroveň emisí. Na tomto principu řízení výkonu motoru jsou založeny vznětové motory a zážehové motory s přímým vstřikem benzinu. (FERENC, 2009) 4.1 Elektronické řízení motorů Stále rostoucí požadavky na výkonové parametry motorů, jejich spotřebu a tlak na snížení vlivu spalovacích motorů na životní prostředí si vyžádaly řadu náročných konstrukčních řešení. Nejzásadnějším řešením je řízení spalovacího procesu v reálném čase pomocí elektronického řízení. Z toho důvodu je nutné podrobně pochopit reálný spalovací proces. Elektronické řízení se v podstatě stalo nejdůležitější částí celého systému pro přípravu směsi a u přímého vstřikování je nezbytností. Zahrnuje dohromady řízení vstřikování a řízení zapalování. Řídicí jednotka zpracovává různé signály o stavu motoru, požadavky na točivý moment motoru a provádí co nejrychleji potřebné zásahy v řízení motoru, které spočívají v korekci zápalné směsi a nastavení správného okamžiku zážehu. Protože přímé vstřikování umožňuje provoz motoru v režimu s vrstvenou nebo 16

16 homogenní směsí, musí být zajištěn také plynulý přechod mezi nimi. V neposlední řadě se bere ohled i na splnění emisních požadavků. Struktura řídicí jednotky motoru je patrná z Obr. 4. a je členěna na tři základní části: Vstupní obvody pro senzory, stavové členy a komunikační rozhraní. Vlastní procesorové části obsahující algoritmy regulace. Výstupní obvody pro akční členy (aktuátory), zobrazení a komunikační rozhraní. Mozkem elektronické řídicí jednotky je mikroprocesor jednoprocesorové jádro univerzální architektury vybavené základními periferiemi, ale také například komunikačními linkami CAN atp. Data o vstřikování, aj. jsou uložena v paměti typu Flash, což je blokově rozdělená paměť ROM. Dále je architektura řídicí jednotky tvořena pamětí typu RAM sloužící pro práci rutinami programů, která po odpojení napájení ztrácí svůj obsah. Na desce je dále umístěna paměť EEPROM pro uložení adaptačních hodnot, různých kalibračních čísel, identifikaci a také paměť pro závady interní diagnostiky. (GREGORA, a další, 2008) Komunikační rozhraní je obousměrné a je součástí systému předávání informací v rámci vozidlové sítě. Vstupní obvody řídicí jednotky upravují vstupní data pro mikroprocesor, který je zpracovává a vyhodnocuje provozní stav motoru. Na základě algoritmu pak vypočítává ovládací signály, které jsou zesilovány koncovými stupni a ovládají akční členy (např. vstřikovače). (VLK, 2003) V praxi to vypadá tak, že jsou na vstupních obvodech řídicí jednotky určeny výše hodnot. Nejdůležitější vstupní informací je požadavek na točivý moment motoru, který vzniká sešlápnutím plynového pedálu. Propojení pedálu a škrticí klapky je elektronické. Poloha pedálu je snímána potenciometrem, jehož signál je zpracováván řídicí jednotkou motoru, která následně ovládá servomotor škrticí klapky. Dále jsou zaznamenávány hodnoty otáček motoru, množství vzduchu pro spalování, teploty vzduchu, teploty chladicí kapaliny motoru, teploty motorového oleje, teploty paliva, rychlosti vozidla aj. Na vstupní straně jsou také přijaty požadavky z komunikačních linek o dalších požadavcích, například od brzdové soustavy, stabilizačních systémů, řízení převodovky. Výpočtem je určen čas otevření trysky vstřikovače, hodnoty pro ovládání vstřikovačů jsou převedeny zvláštním obvodem. Kromě uvedených vstupů zohledňuje řídicí jednotka také vstupy ze systémů tempomatu, ochrany proti odcizení, regulace 17

17 alternátoru, klimatizace aj. Kontrolu správného složení směsi pak zajišťují kyslíkové sondy umístěné před a za katalyzátorem. Na základě signálů z lambda sondy je regulováno dávkování paliva pro režim s homogenní směsí, chudou vrstvenou směsí a pro řízení regenerace zásobníkového katalyzátoru NO x. (GREGORA, a další, 2008) Vstupní signály pro řídicí jednotku mohou být: měřič hmotnosti nasávaného vzduchu se snímačem teploty snímač otáček a polohy klikové hřídele snímač polohy vačkové hřídele snímač polohy škrticí klapky snímač polohy plynového pedálu snímač teploty chladicí kapaliny snímač tlaku vzduchu v sacím potrubí snímač tlaku paliva v tlakovém zásobníku snímač detonačního spalování lambda sonda před katalyzátorem lambda sonda za katalyzátorem snímač teploty výfukových plynů spínač volnoběhu spínač brzdového pedálu spínač spojkového pedálu napětí akumulátoru Akční členy ovládané řídicí jednotkou: vstřikovací ventily ventil odvětrání ventil recirkulace spalin ventil regulace tlaku paliva servomotor škrticí klapky EFS cívky s koncovými stupni relé palivového čerpadla 18

18 Obr. 4 Struktura řídicí jednotky Zdroj: GREGORA, Stanislav; MAŠEK, Zdeněk. Elektronické a mechatronické systémy v konstrukci silničních vozidel. Pardubice: Univerzita Pardubice,

19 5 VÝVOJ SYSTÉMŮ NA PŘÍPRAVU SMĚSI 5.1 Karburátor Prvním používaným systémem na přípravu směsi byl karburátor, který v různých vylepšeních přetrval u některých vozidel až do začátku 90. let. Základní princip karburátoru využívá zúženého průtočného průřezu tzv. Venturiho trubice provedeného v sacím potrubí před škrticí klapkou. Protože v zúženém místě je nejvyšší rychlost vzduchu a největší podtlak, tak je v něm umístěno ústí palivové trysky. Palivo je pak díky podtlaku nasáváno vzduchem z plovákové komory a mísí se s ním ve směšovací komoře. (BAUMRUK, 1999) 5.2 Nepřímé vstřikování benzinu Již od první poloviny 70. let začíná nepřímé vstřikování nahrazovat karburátory. Výrobce Bosch vyvinul v roce 1973 dva systémy nepřímého vícebodového vstřikování pro sériové automobily. Jednalo se o mechanické vstřikování označené K Jetronic, další vstřikování bylo elektronicky řízené a označovalo se L Jetronic. Od roku 1979 se masivně rozšířilo komplexně elektronicky řízené vstřikování se zapalováním Motronic. Aplikováno bylo na jednobodové i vícebodové vstřikování. Palivo se vstřikuje do sacího potrubí buď před škrticí klapku (jednobodové vstřikování) nebo před sací ventily (vícebodové vstřikování). (DUSIL, 2017) Předností je dostatečně dlouhá doba na promísení paliva se vzduchem. Oproti karburátorům je lepší plnění válců, vyšší měrný výkon, nižší měrná spotřeba paliva, zlepšení přechodů mezi zatíženími motoru, přesnější přizpůsobení dávky paliva, což umožňuje lepší spouštění studeného i zahřátého motoru a v neposlední řadě přineslo vstřikování úsporu paliva při brzdění motorem, kdy je vstřikování odstaveno. (JAN, a další, 2010) Jednobodové vstřikování (SPI) Jednobodové vstřikování vstřikuje palivo pouze jedním centrálním vstřikovačem umístěným před škrticí klapkou. Oproti karburátorům umožňuje lépe měnit množství paliva v závislosti aktuálních požadavků na výkon, spotřebu, škodlivé emise. Usnadnilo se také spouštění studeného motoru. Jako u karburátoru nevýhodou stále zůstává nestejné složení směsi pro jednotlivé válce v důsledku nestejné délky sacího potrubí, a 20

20 tím zhoršení emisí. Proto byl tento systém používán maximálně pro čtyřválcové motory. (GREGORA, a další, 2008) Vícebodové vstřikování (MPI) Odstraňuje nevýhody v plnění jednotlivých válců, protože každému válci patří jeden vstřikovač. Vícebodové vstřikování se rozděluje na nepřetržité (kontinuální), kdy všechny vstřikovače vstřikují palivo stále bez ohledu na pracovní takt příslušného pístu, dále skupinové, u kterého je palivo vstřikováno střídavě skupinou vstřikovačů. Nejmodernějším systémem je sekvenční vstřikování, u kterého pracuje každý vstřikovač samostatně. (DUSIL, 2017) 5.3 Přímé vstřikování benzinu Zatím posledním vývojovým stupněm je právě přímé vstřikování paliva do válců motoru. Tento systém není vlastně úplná novinka, jeho aplikace proběhla již koncem třicátých let na výkonných leteckých motorech nebo v roce 1951 na dvoudobém motoru osobního automobilu Gutbrod. Na čtyřdobém motoru jej použila v roce 1954 firma Mercedes na voze Mercedes Benz 300 SL. Tehdy šlo ještě o čistě mechanický systém. (GREGORA, a další, 2008) Masivnímu rozšíření bránila absence potřebných technologií, materiálu pro elektronické řízení a také vysoké náklady. Další pokusy s přímým vstřikováním provedl koncem 70. let Ford s motorem PROCO, který připomínal dnešní GDI. Koncem 80. let vyvinul přímé vstřikování také Volkswagen, ale nebyl schopen tehdy splnit emisní limity. Do sériové výroby se tak systém opět dostal v roce 1996, kde ho prvně použila firma Mitsubishi, pod ochranným názvem GDI (Gasoline Direct Injection), ve voze Mitsubishi Galant. (JAN, a další, 2010) Později začaly přímé vstřikování používat i další automobilky. Např. koncern VW pod označením FSI/TFSI, r. 2004; Renault IDE, r. 1999; Peugeot/Citroën HPI, r. 2000; Alfa Romeo JTS, r. 2002; Mercedes Benz CGI, r. 2002; Saab SCC, r (PEKÁREK, 2016) 21

21 6 KONSTRUKCE PŘÍMÉHO VSTŘIKOVÁNÍ BENZINU DO VÁLCŮ MOTORU U přímého vstřikování je palivo vstřikováno přímo do jednotlivých válců motoru, kde probíhá také promísení se vzduchem. Tento způsob se označuje jako vnitřní tvorba směsi. Palivo odpařující se ve válci zlepšuje vnitřní chlazení motoru a nedochází tak k detonačnímu spalování. Díky tomu lze zvýšit kompresní poměr až na 1:12 a dosáhnout tak vyšší účinnosti. Díky přímému vstřikování lze motor provozovat i s velmi chudou směsí, což přináší úsporu paliva kolem 10 % až 16 %. Při plném zatížení ale nelze pracovat s chudou směsí, protože se zhoršují emisní parametry. Musí se proto přepnout na stechiometrický směšovací poměr. Motor tak pracuje ve dvou základních režimech. Při malém zatížení s vrstvenou chudou směsí, při plném zatížení s homogenní stechiometrickou směsí. (PEKÁREK, 2016) Příprava vrstvené chudé směsi je poměrně složitá. V okamžiku zážehu se musí vytvořit v oblasti zapalovací svíčky taková směs paliva a vzduchu, která je ještě schopna zapálení. Z konstrukčního hlediska to znamená, že se musí navrhnout vhodný spalovací prostor, tvar sacího kanálu, vhodné umístění vstřikovače a zapalovací svíčky. S provozem na vrstvenou směs souvisí také tvorba velkého množství NO x, které vznikají právě při spalování chudé směsi za vysokých teplot. Děje se tak oxidací dusíku, který je obsažen společně s kyslíkem ve spalovacím vzduchu. Tvorbu vysokoteplotních NO x popisuje Zeldovičův mechanismus: NO = k 1 e k 2 T C N2 C O2 t [mg/m N 3 ] Kde: k 1, k 2 jsou konstanty, T je absolutní teplota [K], t je doba trvání reakčních podmínek [s], C N2 je koncentrace dusíku [%], C O2 je koncentrace kyslíku [%]. Z rovnice vyplívá, že tvorba termického NO x je závislá na teplotě, koncentraci dusíku a kyslíku a na době trvání reakce. (VÍDEN, 2005) Pro snížení tvorby NO x se do směsi paliva a vzduchu přimíchávají recirkulované výfukové plyny, které snižují teplotu hoření. Další nezbytnou součástí pro eliminaci NO x je zásobníkový katalyzátor. Tvorba NO x je tak značnou nevýhodou přímého vstřikování. (Split injection in a homogeneous stratified gasoline direct injection, 2016) Protože se palivo vstřikuje již do nasátého vzduchu ve válcích motoru, tak není potřeba provádět korekce složení směsi jako u motorů s nepřímým vstřikováním. U nepřímého vstřikování totiž probíhá tvorba směsi již v sacím potrubí, kde se palivo usazuje na jeho 22

22 stěnách, ve spalovacím prostoru je nedostatek paliva a proto se musí provádět obohacení směsi. Při zahřívání motoru spotřebovává usazené palivo na stěnách sacího potrubí kyslík na vypařování. Výsledkem je pak nedostatek kyslíku ve spalovacím prostoru, což vede ke zvýšení emisí uhlovodíků a oxidu uhelnatého. Přímé vstřikování také odstraňuje problémy se studenými starty, protože díky vysokému vstřikovacímu tlaku dojde k lepšímu promísení paliva se vzduchem a palivo se nezachytává na stěnách válce. (Gasoline Direct Injection: An Efficient Technology, 2015). Princip: Do válců je přiváděn vzduch nebo kombinace vzduchu a recirkulovaných výfukových plynů, které izolují hořící směs od stěn válců motoru, takže ztráty tepla jsou menší a zvýší se tak termodynamická účinnost motoru. Aby se dosáhlo atomizace paliva a usnadnilo se tak jeho vypařování, vstřikuje se do vzduchu pod vysokým tlakem, který se pohybuje nad 5 MPa, u nových systémů až kolem 20 MPa (např. Audi DI Motronic). Tabulka 1 ukazuje porovnání vstřikovacích tlaků přímého, nepřímého vstřikování zážehových motorů a vznětových motorů. Tabulka 1 Přehled vstřikovacích tlaků jednotlivých systémů vstřikování Zážehový motor Vznětový motor GDI MPI Vstřikovací tlak (MPa) 5 15 (20) 0,3-0, Podle toho, jestli motor pracuje v režimu s homogenní nebo vrstvenou směsí, tak se palivo vstřikuje na začátku sacího zdvihu, nebo na konci kompresního zdvihu. Rozdíl ve vstřikování mezi homogenní a vrstvenou směsí je vidět na Obr. 5. Výkon motoru se reguluje množstvím vstřikovaného paliva. Množství vzduchu proudícího do válců není omezováno škrticí klapkou, ale je dáno zatížením motoru, takže jsou omezeny ztráty výkonu výměnou náplně. Při větším zatížení je palivo vstřikováno tak, aby výsledná směs byla co nejblíže stechiometrickému složení a došlo k úplnému odpaření a promísení se vzduchem (homogenní směs). (FERENC, 2009) 23

23 Obr. 5 Homogenní režim (vlevo) a vrstvení směsi (vpravo) Zdroj: CHINCHOLKAR, S.P. Gasoline Direct Injection. Mumbai: ICAER, 2015 Výhody: Jemnější rozptýlení paliva díky vyšším tlakům paliva. Lepší plnění spalovacího prostoru. Lepší vnitřní chlazení motoru díky vnitřní tvorbě směsi. Menší sklon k detonačnímu hoření. Vyšší kompresní poměr. Nižší ztráty škrcením při vrstveném plnění. Bez tvorby palivového filmu na vnitřních stěnách sacího potrubí. Vysoký podíl recirkulovaných výfukových plynů ve vrstveném provozu, což vede k menšímu odvodu tepla stěnami válce. Zvýšení termodynamické účinnosti. Snížení specifické spotřeby paliva a hodnot emisí. Nevýhody Složité řízení provozu s vrstvenou směsí a omezený rozsah jejího použití. Složité elektronické řízení. Vysoké nároky na přesné umístění vstřikovače a zapalovací svíčky. V režimu s chudou směsí vysoká tvorba NO x. Použití zásobníkového katalyzátoru pro snížení NO x. Nutnost vytvořit vysoký tlak paliva v systému. Vznik značného množství pevných částic. 24

24 6.1 Druhy provozu motoru s přímým vstřikováním Protože se výkon motoru řídí změnou množství přiváděného paliva, tak při různých pracovních podmínkách motoru bude složení směsi značně odlišné. Pro provoz motoru se tak kromě základních režimů s chudou vrstvenou nebo homogenní směsí využívá i dalších druhů provozu. Řídicí systém motoru optimálně volí druh provozu na základě otáček, požadovaného točivého momentu a také podle funkčních požadavků, jako je např. regenerace zásobníkového katalyzátoru. Použití a kombinace jednotlivých druhů provozu se liší podle typu motoru a výrobce. Přehled provozních režimů zachycuje Obr. 6. (HROMÁDKO, 2011) Provoz s vrstveným plněním Motor pracuje s přebytkem vzduchu, vzniklá směs je velmi chudá a byla by těžko zapalitelná. Proto se využívá vrstvení směsi. To znamená, že se bohatší zapalitelná směs soustřeďuje kolem zapalovací svíčky, v dalších vrstvách je směs čím dál víc chudší, ve vnější vrstvě je už jen vzduch popřípadě recirkulované výfukové plyny. Palivo se vstřikuje na konci kompresního zdvihu těsně před vznikem jiskry na zapalovací svíčce. Díky proudění vzduchu uvnitř válce se palivo přemisťuje k zapalovací svíčce, takže v okamžik zážehu je v oblasti svíčky zapalitelná směs. Vrstvené plnění se používá při nízkém zatížení motoru cca do 3000 min -1. Při tomto režimu je směs k celkovému prostoru velmi chudá, což zapříčiňuje značné emise oxidů dusíku, proto se pro eliminaci jejich vzniku musí snížit spalovací teplota. Toho se docílí přimícháváním velkého procenta recirkulovaných výfukových plynů do spalovacího prostoru. Použití Vrstveného plnění je omezeno otáčkami a zatížením motoru, protože při větším zatížení se vstřikuje více paliva a došlo by k místnímu obohacení a nedostatku kyslíku, což by vedlo k tvorbě sazí. (VLK, 2002) Homogenní provoz se stechiometrickou směsí Používá se ve vysokých otáčkách a velkém výkonu. Pokud by se zůstalo u vrstveného plnění, tak by se zvýšením dávky paliva vytvořila ve vrstveném oblaku příliš bohatá směs a zvýšily by se emise ve výfukových plynech. Palivo se vstřikuje během sacího zdvihu a dojde tak k výbornému promísení paliva se vzduchem. Je vstřikováno takové množství paliva, aby se vytvořila stechiometrická 25

25 směs, nebo směs s malým přebytkem paliva pro dosažení nejvyššího krouticího momentu nebo pro regeneraci zásobníkového katalyzátoru pro snížení oxidů dusíku. Při tomto druhu provozu nejsou do vzduchu přimíchávány recirkulované výfukové plyny. Stechiometrická směs je ideální pro činnost třícestného katalyzátoru. (GREGORA, a další, 2008) Homogenní provoz s chudou směsí Palivo se vstřikuje také během sacího zdvihu ale v množství odpovídající chudé směsi. Protože se výkon řídí množstvím paliva, je spotřeba paliva menší. Kvůli přebytku vzduchu je větší tvorba oxidů dusíku, které lze potlačit recirkulací výfukových plynů a katalyzátorem DeNO x. Homogenní provoz s vrstveným plněním Celý spalovací prostor je vyplněn homogenní chudou směsí, která vznikne vstříknutím malé dávky paliva během sacího zdvihu. Při kompresním zdvihu dojde k dalšímu vstřiku a kolem zapalovací svíčky se vytvoří bohatší směs, která je snadno zapalitelná a svým plamenem pak zapálí zbylou chudou směs. Díky rozdělení dávky paliva do dvou vstřiků má chudá směs nižší sklony k detonačnímu hoření, což umožňuje použít vyšší kompresní poměr a snížit tak spotřebu paliva a emise. (FERENC, 2009) Homogenní dělený (split) provoz Speciální režim pro rychlé zahřátí katalyzátoru po startu. Využívá se homogenního vrstveného dvojitého vstřiku. Díky stabilizačnímu druhému vstřiku během komprese se může posunout okamžik zážehu o 15 o 30 o za horní úvrať. Velká část energie se tak nevyužije ke zvýšení krouticího momentu, ale na rychlé ohřátí katalyzátoru. ( Robert Bosch odbytová s.r.o., 2006) Homogenní provoz s ochranou proti klepání Díky dvojitému vstřiku při plném zatížení se nemusí posouvat okamžik zážehu směrem k horní úvrati, protože vrstvení směsi zabraňuje detonačnímu spalování tzv. klepání. Díky vhodnému zážehu se zvyšuje točivý moment. 26

26 Provoz s vrstveným plněním a zahříváním katalyzátoru Využívá se zase dvojitého vstřiku. První vstřik je při kompresním zdvihu těsně před vznikem elektrické jiskry. Druhý vstřik paliva je proveden až při expanzním zdvihu po shoření směsi. K jeho spalování dojde, protože výfukové plyny chudé směsi obsahují přebytek vzduchu a okolní teplota po hoření je vysoká. Tím se zvýší teplota výfukových plynů. Tento provoz se využívá po studeném startu motoru, aby došlo k rychlejšímu zahřátí katalyzátoru. Tím se sníží množství produkovaných uhlovodíků. (GREGORA, a další, 2008) Vrstvený provoz při startu motoru Při startování se dávka vstřikuje do kompresního zdvihu. Dávka paliva se tak vstřikuje již do stlačeného a kompresí zahřátého vzduchu, takže se odpaří více paliva než při vstřikování do chladného válce, kdy se značná část paliva zachytí na jeho stěnách a procesu hoření se neúčastní. Výsledkem je snížení dávky paliva při startu a tím nižší emise HC. ( Robert Bosch odbytová s.r.o., 2006) Obr. 6 Přehled provozních režimů Zdroj: Robert Bosch odbytová s.r.o. Automotive aftermarket

27 6.2 Způsoby tvorby směsi přímého vstřikování S vedením stěnami: Při způsobu tvorby směsí vedením stěnami rozlišujeme dva druhy proudění vzduchu, jichž se dosáhne cíleným uspořádáním sacích kanálů a tvaru dna pístu. Vířivé (swirl) proudění na Obr. 8 Nasávaný vzduch vytváří turbulentní proudění podél stěny válce Valivé (tumble) proudění na Obr. 7 Vzduch vycházející se shora mění svůj směr v prohlubni pístu a pohybuje se nahoru k zapalovací svíčce. Po vstříknutí paliva do proudícího vzduchu se vytvoří směs a jako uzavřený oblak se pohybuje k zapalovací svíčce. V režimu vrstvené směsi je palivo vstřikováno před ukončením kompresního zdvihu pístu. Okamžik vstřikování a vznik elektrické jiskry musí být přesně načasovány, aby k zažehnutí došlo ve chvíli, kdy bude mít směs vhodné složení k zažehnutí. Při homogenním složení směsi se palivo vstřikuje během sacího zdvihu do nasávaného vzduchu. Po překonání dolní úvratě se uzavírají sací ventily a díky prohlubni v pístu dochází ke změně směru proudění vzduchu. Díky tomu se dosáhne rovnoměrného složení směsi. (HROMÁDKO, 2011) Obr. 8 Vířivé proudění Zdroj: Robert Bosch odbytová s.r.o. Automotive aftermarket Obr. 7 Valivé proudění Zdroj: Robert Bosch odbytová s.r.o. Automotive aftermarket S řízením proudění nasávaného vzduchu: Vzduch je do válce nasáván přes dva sací kanály, z nichž jeden obsahuje natáčecí klapku, jak je vidět na Obr. 9. V režimu nízkého zatížení je sací kanál klapkou uzavřen. Vzduch tak může proudit pouze jedním kanálem a vytváří se tak vzdušný vír, 28

28 do kterého je před koncem kompresního zdvihu vstřikováno palivo a následně je zažehnuto. Pomalejší hoření chudé směsi je urychleno díky tomu, že vířením vzduchu je vytvořeno turbulentní proudění. V režimu plného zatížení je klapka otevřena a vzduch tak proudí oběma kanály. Díky prohlubni pístu mění proudění svůj směr a pohybuje se nahoru. Palivo se vstřikuje během sacího zdvihu a vytváří se homogenní směs. Natočení klapky do mezipolohy umožňuje nastavit poměr mezi vířením a překlápěním vzduchu podle aktuálního zatížení motoru. Obr. 9 Řízení proudění nasávaného vzduchu pomocí klapky v sacím potrubí (vlevo otevřená, vpravo uzavřená) Zdroj: Oba uvedené způsoby tvorby směsi využívají umístění vstřikovače ze strany pod určitým úhlem ke kolmé ose pístu. Vedený paprskem Jak je vidět na Obr. 10, využívá se vstřikovač umístěný téměř ve svislé pozici v ose válce. Palivo je vstřiknuto v blízkosti zapalovací svíčky, kde se odpaří. Jsou zde kladeny velké nároky na přesné umístění vstřikovače i zapalovací svíčky. 29

29 Obr. 10 Způsob tvorby směsi vedený paprskem Zdroj: Robert Bosch odbytová s.r.o. Automotive aftermarket Způsoby přímého vstřikování paliva Palivo může být do válců vstřikováno buď v kapalném stavu, nebo jako částečně vytvořená směs vzduchu a paliva. Vstřikování kapalného paliva K potřebnému promísení paliva se vzduchem se musí dosáhnout jemného rozprášení paliva. Ve spojení s krátkou dobou na přípravu směsi se musí použít vysokotlaké vstřikování. Množství vstřikovaného paliva je určeno dobou otevření vstřikovače, což ve spojitosti s krátkým časem na přípravu směsi vyžaduje použití trysky, která bude rychle reagovat na signály z řídicí jednotky a zajistí rovnoměrný průtok paliva během jejího otevření. Dále je množství vstřikovaného paliva závislé na rozdílu mezi tlakem v zásobníku a tlakem ve spalovacím prostoru, proto se používá snímač tlaku v sacím potrubí, který zabezpečuje stálý rozdíl tlaku paliva vůči tlaku v sacím potrubí. Palivo se přivádí pod tlakem 0,5 MPa podávacím čerpadlem umístěným v palivové nádrži. Tlak paliva z podávacího čerpadla je regulován pomocí regulátoru tlaku umístěným v palivové nádrži. Přebytečné palivo je vedeno z podávacího čerpadla krátkým vratným potrubím zpět do nádrže. Palivový filtr je umístěn mezi podávacím a vysokotlakým čerpadlem. Při startování se palivo vstřikuje jen pod podávacím tlakem, až po nastartování se vytvoří vysoký tlak v zásobníku. Palivová soustava vstřikování tekutého paliva je vidět na Obr. 11 (FERENC, 2009) 30

30 Obr. 11 Schéma soustavy přímého vstřikování tekutého paliva Zdroj: ERENC, Bohumil. Spalovací motory: karburátory, vstřikování paliva a optimalizace parametrů motoru. Brno: Computer press, Vstřikování částečně vytvořené směsi vzduchu s palivem Jedná se o způsob, kdy se do válce vstřikuje předmísená směs paliva se vzduchem, což snižuje požadavky na vysoký vstřikovací tlak. V mísicí komoře se palivo mísí se vzduchem do formy aerosolu. Ten se pak přivádí do spalovacího prostoru kanálem, který je otvírán elektromagnetickým ventilem. Vzduch je vháněn do mísicí komory pod tlakem přibližně 0,5 MPa. Následně se do mísící komory vstřikuje palivo pod tlakem přibližně 0,6 MPa. Tlak paliva je tedy o něco větší než tlak vzduchu. Tlakový rozdíl mezi vzduchem a palivem zajišťuje regulátor tlaku. (Gasoline Direct Injection: An Efficient Technology, 2015) Doba vstřiku paliva trvá od 1,5 do 10 milisekund. Tím se docílí vytvoření kapiček paliva, které mají průměr kolem 8 tisícin milimetru. Tyto kapičky paliva se pak ve spalovacím prostoru rychle odpařují. Zkrátí se tak doba potřebná na přípravu směsi ve spalovacím prostoru. Systém umožňuje použití podobných vstřikovacích trysek jako u systému s nepřímým vstřikováním, protože se zde palivo vstřikuje pod podobným tlakem. Složení směsi 31

31 ve spalovacím prostoru je dáno poměrem paliva a vzduchu ve vstřikovaném aerosolu a také hmotností vzduchu, který je nasáván pístem do spalovacího prostoru. Poměr složení aerosolu je dán délkou vstřiku jednotlivých složek. (FERENC, 2009) 6.4 Základní součásti přímého vstřikování Komponenty přímého vstřikování, které ukazuje Obr. 12, můžeme rozdělit na nízkotlaké a vysokotlaké. Nízkotlaká část se moc neliší od té u nepřímého vstřikování. Zahrnuje podávací čerpadlo a regulátor tlaku umístěný v nádrži. Přes palivový filtr je pak palivo dopravováno pod tlakem asi 0,3 0,5 MPa k vysokotlakému čerpadlu. Vysokotlaká část má za úkol zvýšit tlak paliva až na MPa, snížit kolísání tlaku paliva v zásobníku, zamezit smíchání paliva s motorovým olejem. Základními komponenty jsou vysokotlaké čerpadlo, tlakový zásobník, ventil pro řízení tlaku, snímač tlaku v tlakovém zásobníku, vysokotlaké vstřikovací ventily. (VLK, 2003) Popis: 1. Vysokotlaké čerpadlo, 2. Řídicí ventil dávky, 3. Nízkotlaké potrubí, 4. Vysokotlaké potrubí, 5. Palivový zásobník I, 6. Vysokotlaký vstřikovací ventil řízený magnet.ventilem, 7. Vysokotlaké propojovací potrubí, 8. Palivový vysokotlaký snímač, 9. Palivový zásobník II Obr. 12 Komponenty vysokotlakého vstřikování (Porsche DFI) Zdroj: Robert Bosch odbytová s.r.o. Automotive aftermarket

32 6.4.1 Tlakový zásobník Do tlakového zásobníku je přiváděno palivo pomocí vysokotlakého čerpadla a rozdělováno k jednotlivým vstřikovacím ventilům. Zásobník má za úkol kompenzovat změny výstupního tlaku dodávaného čerpadlem, dále tlakové pulsace vzniklé otevíráním a zavíráním vstřikovacích ventilů. Proto musí být vyroben z pružného a pevného materiálu. V zásobníku paliva se udržuje stálý tlak pomocí elektronicky řízeného regulátoru na základě signálu ze snímače tlaku v tlakovém zásobníku. Na Obr. 13Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. je znázorněn tlakový zásobník a napojení jednotlivých částí vstřikování. (FERENC, 2009) Obr. 13 Tlakový zásobník Zdroj: Robert Bosch odbytová s.r.o. Automotive aftermarket Vysokotlaké čerpadlo Elektrické podávací čerpadlo dopravuje palivo pod tlakem 0,3 0,5 MPa do vysokotlakého čerpadla, poháněného motorem. Je tak vytvářen tlak potřebný pro vstřikování 5 12 MPa. Vysokotlaké čerpadlo vytváří vysoký tlak až po nastartování motoru, proto je při startování vstřikováno palivo pod tlakem vytvořeným podávacím čerpadlem. Vysokotlaké čerpadlo musí být mazáno palivem, aby nedošlo k jeho smíchání s mazivem. Pulsace vytvořené čerpadlem nesmějí být velké, aby mohli být kompenzovány tlakovým zásobníkem. Používají se různé konstrukce vysokotlakých čerpadel. Funkce je demonstrována na radiálním pístovém čerpadle se třemi válci HDP1. Řez čerpadlem je na Obr. 14. Pohon čerpadla je zajištěn přes vačkový hřídel motoru. Ten pohání hnací hřídel 33

33 s excentrem, který svým otáčením pohybuje písty ve válcích čerpadla. Při pohybu pístu dolů začne proudit do válce přes vstupní ventil palivo pod podávacím tlakem. Když se píst začne pohybovat nahoru, tak je palivo stlačováno na vysoký tlak. Když se dosáhne potřebného tlaku, tak se otevře výstupní ventil a palivo je vytlačeno k vysokotlaké přípojce tlakového zásobníku. Písty čerpadla jsou pootočeny o 120 o, což zajistí malé zbytkové pulsace v tlakovém zásobníku. Aby bylo zajištěno dostatečné množství paliva, tak je dodáváno o něco málo větší množství paliva, než je jeho spotřeba. Přebytečné palivo je ventilem pro řízení tlaku upouštěno zpět do nízkotlakého okruhu, odkud je opět dodáváno do čerpadla. U čerpadla HDP1 je funkce tohoto ventilu zastoupena ventilem pro regulaci množství paliva. Ventil pro regulaci množství paliva propojuje prostor čerpadla a přítok paliva. Pokud se ventil otevře před dokončením zdvihu pístu, tak klesne tlak v prostoru čerpadla a palivo teče zpět do přítoku. Pokud je dosaženo maximálního tlaku v zásobníku, tak se otevře ventil pro řízení množství paliva a tlak již dále nenarůstá. (HROMÁDKO, 2011) 1. Excentr, 2. Kluzný segment, 3. Válec čerpadla, 4. Element čerpadla s pístem (dutý píst, přítok paliva), 5. Uzavírací kulička, 6. Výstupní ventil, 7. Vstupní ventil, 8. Přípojka k tlakovému zásobníku, 9. Přívod paliva (nízký tlak), 10. Zdvihový kroužek, 11. Axiálně působící těsnění (těsnící třecí kroužek), 12. Statické těsnění, 13. Hnací hřídel Obr. 14 Příčný a podélný řez čerpadlem HDP1 Zdroj: HROMÁDKO, Jan. Spalovací motory. Praha: Grada,

34 6.4.3 Ventil pro řízení tlaku Je umístěn mezi tlakovým zásobníkem a nízkotlakou stranou vysokotlakého čerpadla. Úkolem je nastavovat a udržovat systémový tlak paliva, tak aby odpovídal hodnotám nastaveným v datovém poli řídicí jednotky. Hodnota systémového tlaku se pohybuje v rozmezí od 5 MPa až do 12 MPa, u nových systémů až 20 MPa a závisí na provozním stavu motoru. Tlakový řídicí ventil nastavuje požadovaný tlak tím, že změnou průtočného průřezu přepouští palivo do nízkotlakého okruhu. (VLK, 2003) Snímač tlaku v tlakovém zásobníku Snímač měří tlak v tlakovém zásobníku. Když je naměřen maximální přípustný tlak, tak je řídicí jednotkou ovládán ventil pro řízení tlaku. Dodržení předepsaného tlaku má zásadní vliv na emise, hlučnost a výkon motoru. Tolerance pro tento snímač jsou velmi malé. Chyba v měření musí být menší než 2 % měřicího rozsahu. (HROMÁDKO, 2011) Vysokotlaký vstřikovací ventil Vstřikovací ventily jsou připojené přímo na zásobník paliva a zajišťují dávkování paliva, jeho rozprášení a nasměrování paliva tak, aby došlo k jeho promísení se vzduchem v požadované oblasti spalovacího prostoru. Řídicím signálem je určen počátek vstřiku a množství vstřikovaného paliva. Na samotnou konstrukci trysky jsou kladeny značné nároky. Především se jedná o rychlost reakcí, protože čas na přípravu směsi ve spalovacím prostoru je podstatně kratší než u nepřímého vstřikování. Pro homogenní provoz se palivo vstřikuje v době sání, takže vstřikování musí proběhnout během půl otáčky klikového hřídele, čemuž při otáčkách 6000 min -1 odpovídá doba vstřiku 5 ms. Dále musí vstřikovací ventil zajistit konstantní průřez otvoru během celé doby vstřikování. V neposlední řadě můžeme vhodnou konstrukcí trysky dosáhnout požadovaného rozprášení paliva. (VLK, 2003) Vstřikovací trysky pro vstřik kapalného paliva Používají se vysokotlaké trysky ovládané eletromagnetem. Řez vstřikovací tryskou je vidět na Obr. 15. Výstupní otvor malých rozměrů v sedle tělesa uzavírá jehla, na jejímž horním konci je umístěna kotva elektromagnetu. Kotva je uzavírána silou uzavírací pružiny i tlakem paliva. Když je jehla uzavřena, je tlak paliva kolem jehly stejný jako v zásobníku. Jehla se otevře, když vinutím elektromagnetu začne protékat proud. Vytvořené magnetické pole přitáhne kotvu proti síle uzavírací pružiny a tlaku paliva. Pro rychlé otevření jehly se používá paralelně připojený kondenzátor, který svoji 35

35 kapacitou kompenzuje induktivní složku odporu vinutí elektromagnetu. Vstřikované množství paliva je dáno tlakem v zásobníku, protitlakem ve spalovacím prostou a dobou otevření trysky. (FERENC, 2009) Obr. 15 Konstrukce vstřikovací trysky pro vstřikování tekutého paliva Zdroj: Robert Bosch odbytová s.r.o. Automotive aftermarket Vstřikovací trysky pro vstřik emulze paliva se vzduchem Pomocí rozdělovacího potrubí je dopravován vzduch i palivo ke vstřikovacím dílům pro všechny válce. Mísící komora je umístěna v tělese vzduchové trysky, která pak provádí samotný vstřik vytvořeného aerosolu. Tryska nemá tak malé výstupní otvory jako trysky použité u vstřikování kapalného paliva. Hrot vzduchové vstřikovací trysky má tvar komolého kužele, aby bylo zajištěno vrstvení emulze v nasávaném vzduchu. Vstřikovač je umístěn blízko středu válce, skoro kolmo na rovinu dna pístu. Aerosol se vstřikuje do miskového vyhloubení ve dně pístu během kompresního nebo sacího zdvihu. Konstrukce vstřikovací trysky pro emulzi paliva a vzduchu je znázorněna na Obr. 16Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. (FERENC, 2009) 36

36 Obr. 16 Konstrukce vstřikovací trysky pro vstřikování směsi paliva se vzduchem Zdroj: FERENC, Bohumil. Spalovací motory. Brno: Computer press, KONKRÉTNÍ PŘÍKLADY VSTŘIKOVACÍCH SOUSTAV 7.1 Vstřikovací soustava Bosch Motronic MED 7 Motronic MED 7 je soustava pro řízení chodu motoru s přímým vstřikováním. Nákres soustavy viz. Obr. 17. Vyvinuta byla pro koncern Volkswagen a poprvé použita na modelu VW Lupo 1,4 FSI. Motory využívající přímého vstřikování nesou označení FSI. Soustava využívá provoz s vrstvenou směsí, homogenní provoz se stechiometrickou směsí a krátkodobé obohacení směsi pro regeneraci katalyzátoru DeNO x. Vysokotlaké čerpadlo vytváří tlak kolem 15 MPa u FSI (Fuel Stratified Injection), až 20 MPa u TFSI (Turbo Fuel Stratified Injection) V režimu s vrstvenou směsí se výkon motoru řídí vstřikovaným množstvím paliva (kvalitativně). Při provozu s homogenní směsí je výkon regulován množstvím nasávaného vzduchu (kvantitativně) prostřednictvím škrticí klapky. Při změně na režim s vrstvenou směsí musí být klapka uzavřena, aby se zajistil hladký přechod. Proto je propojení pedálu a škrticí klapky elektronické. 37

37 Rozhodující mezní hodnoty součinitele λ pro přepnutí druhu provozu: Spodní hranice pro provoz s vrstvenou směsí λ = 1,5; z důvodu zabránění tvorbě sazí Horní hranice pro provoz s homogenní směsí λ = 1,3; kvůli špatnému zapálení chudé směsi Při přepínání se musí skokově změnit množství vstřikovaného paliva, abychom se vyhnuli zakázanému rozsahu. To by mělo za následek skokovou změnu točivého momentu, proto se provádí změna předstihu zážehu. Kvůli regeneraci zásobníkového katalyzátoru se cyklicky přepíná na homogenní provoz s obohacenou směsí λ < 0,8. Zvýšená dávka paliva se vstřikuje jen několik sekund s opakováním po jedné minutě. Lambda sonda za zásobníkovým katalyzátorem vyšle signál o ukončení regenerace. (PEKÁREK, 2016) Obr. 17 Nákres soustavy Bosch Motronic MED 7 Zdroj: HROMÁDKO, Jan. Spalovací motory. Praha: Grada,

38 7.2 Přímé vstřikování benzinu Mitsubishi Motory Mitsubishi s přímým vstřikováním nesou označení GDI. Řez motorem je možno vidět na Obr. 18. Na rozdíl od systému Motronic MED 7 byl použit svislý sací kanál, takže nasávaný vzduch je usměrňován téměř kolmo na paprsek vstřikovaného paliva. Nasávaný vzduch směřuje do vyhloubení ve dně pístu, vzniká silný zpětný vír, do kterého se pak během sacího nebo kompresního zdvihu vstřikuje palivo. V systému je použita víceotvorová tryska, jejíž otvory směřují tangenciálně k obvodu jehly, při vstřiku tak vzniká vířivý kužel paprsků. Tvar kužele se mění v závislosti na počátku vstřiku. Když se vstřikuje palivo během sacího zdvihu, nepůsobí na vstřikovaný kužel paliva protitlak vzduchu a kužel má velký vrcholový úhel. I bez působení dna pístu se vytvoří v celém prostoru válce homogenní směs. Při vstřikování během kompresního zdvihu působí proti kuželu paliva velký protitlak vzduchu. Kužel paliva je úzký a je směrován vyhloubením ve dně pístu k zapalovací svíčce. Vytváří se tak vrstvená směs. Aby byla zajištěna vhodná tvorba směsi v celém rozsahu zatížení a otáček, využívá se změn počátku i délky vstřikování. Palivo může být podobně jako u systému Motronic MED 7 rozděleno do dvou dávek pro homogenní provoz s vrstvenou směsí nebo pro provoz s vrstvenou směsí a následným zahříváním katalyzátoru. Homogenní provoz s vrstvenou směsí se využívá při přechodu mezi vrstvenou a homogenní směsí nebo se využívá trvale, pokud motor pracuje v oblasti mezi vrstvenou směsí a homogenním provozem. (FERENC, 2009) 39

39 Obr. 18 Řez motorem GDI Mitsubishi Zdroj: FERENC, Bohumil. Spalovací motory. Brno: Computer press, Přímé vstřikování dalších značek Princip fungování přímého vstřikování je u všech výrobců stejný. Každý výrobce si však systém přizpůsobuje. Koncern PSA využívá, jako Mitsubishi, svislý sací kanál. V oblasti nízkého zatížení se opět využívá vrstveného plnění, od 3500 min -1 se přepíná na homogenní provoz se stechiometrickou směsí. Podle zatížení se reguluje vstřikovací tlak od 3 MPa pro přechod mezi homogenním a vrstveným provozem, do 10 MPa pro nejvyšší zatížení. Toyota označuje motory s přímým vstřikováním D-4. Využívá tvorbu směsi pomocí řízení proudění nasávaného vzduchu. Vrstvené směsi se docílí pomocí vzdušného víření, které vznikne uzavřením jednoho sacího kanálu škrticí klapkou. Palivo se vstřikuje před koncem kompresního zdvihu do miskovitého vyhloubení ve dně pístu. Naopak při vyšším zatížení je škrticí klapka otevřena a vzduch tak proudí oběma sacími kanály. Palivo se vstřikuje do proudícího vzduchu během sacího zdvihu. K homogenní směsi dojde při pohybu pístu k horní úvrati. (JAN, a další, 2010) 40

40 SAAB Automobilka využívala systém přímého vstřikování emulze při stechiometrickém složení směsi a označovala ho SCC (Saab Combustion Control) Vstřikování bylo vyvinuto s cílem snížit spotřebu paliva a výrazně omezit emise ve výfukových plynech, aniž by se přitom zhoršil výkon motoru. Při vývoji spolupracoval s australskou firmou Orbital. Kombinuje přímé vstřikování aerosolu paliva se vzduchem, proměnné časování ventilů a proměnnou vzdálenost elektrod zapalovací svíčky. Součástí zapalovací svíčky je také integrována vstřikovací tryska. Těsně před horní úvratí výfukového zdvihu dochází ke vstřikování aerosolu a současně se otevírají sací ventily. Výfukové plyny smíchané s emulzí odcházejí částečně výfukovými kanály a částečně unikají do sacích kanálů. Dobou překrytí sacích a výfukových ventilů se reguluje množství přimíchávaných výfukových plynů, které je takové, aby bylo vždy zajištěno stechiometrické složení směsi. Ztráty vznikající sáním jsou omezeny, protože ve válci je vždy takové množství paliva a vzduchu, jaké je potřeba pro požadovaný výkon, zbytek prostoru je vyplněn výfukovými plyny a to až 70 % z celkové hmotnosti náplně. Při nižším zatížení je jejich obsah vyšší, s rostoucím zatížením se jejich obsah snižuje. Přibližně v polovině kompresního zdvihu je ještě do válce vstřikovací tryskou vehnán stlačený vzduch, který vytvoří turbulenci. Díky tomu dojde k lepšímu spálení paliva a k jeho rychlejšímu hoření. Těsně před koncem kompresního zdvihu dojde k zažehnutí směsi zapalovací svíčkou. Zapalovací svíčka má proměnou vzdálenost elektrod. Jedna elektroda je umístěna na svíčce ve vzdálenosti 3,5 mm od centrální elektrody, druhá elektroda je na pístu. Mezi kterými elektrodami jiskra vznikne, záleží na okamžiku zážehu. Při nízkém zatížení motoru směřuje jiskra k elektrodě na svíčce, když je zatížení vyšší, tak jiskra směřuje k elektrodě na pístu (vzdálenost od centrální elektrody je menší než 3,5mm). Výhoda použití výfukových plynů místo vzduchu pro zaplnění objemu válce je v tom, že výfukové plyny jsou inertní. Nepřidávají do spalovacího procesu žádný kyslík a neovlivňují tedy směšovací poměr. Systém SCC snižuje emise oxidů dusíku až o 75% a nepotřebuje tak katalyzátor DeNO x. Vystačí si s konvenčním třícestným katalyzátorem. (The Saab Network, 2000) 41

41 8 EMISE ZÁŽEHOVÝCH MOTORŮ Princip spalovacího motoru je založen na spalování směsi paliva se vzduchem, kdy oxidují hořlavé složky paliva s kyslíkem obsaženým ve vzduchu a palivu. Během spalování dochází k chemickým reakcím složek směsi při uvolňování tepelné a tlakové energie. Produktem hoření jsou pak složky ve skupenství jak plynném (CO, CO 2,...), tak pevném (pevné částice) a kapalném (H 2 O). Na průběh spalování má vliv, kromě vlastností spalovacího prostoru, také způsob a kvalita vstřikování paliva. U zážehových motorů s nepřímým vstřikováním je nevýhodou, že po zážehu již nejde zasahovat do průběhu hoření, na rozdíl od motorů s přímým vstřikem benzinu. Ve skutečnosti nejde dosáhnout dokonalého spálení směsi tak, aby byl produktem hoření pouze oxid uhličitý a vodní pára. Vznikají tak další škodlivé sloučeniny označované jako emise, které jsou produktem nedokonalého hoření. (ŠMERDA, a další, 2013) Následující reakce ukazuje dokonalé hoření a vznik CO 2 a H 2 O: C O 2 CO 12kgC 32kgO 32 1kgC kgo 12 2H 2 4kgH 1kgH O kgO 2 2 2H 32kgO 2 44kgCO 44 kgco O 2 2 3, , kgH O 5,7210 9kgH O kj kj kj kj Z první rovnice vyplývá, že k dokonalému spálení 1 kg C je potřeba 2,66 kg kyslíku. Při jeho 23 % zastoupení ve vzduchu to bude 11,6 kg vzduchu. Produktem dokonalého hoření bude 3,67 kg CO 2. Analogicky z druhé rovnice plyne, že k dokonalému spálení 1 kg H 2 je zapotřebí 8 kg kyslíku. Při jeho 23 % zastoupení ve vzduchu to bude 34,78 kg vzduchu. Výsledným produktem je 9 kg H 2 O. Pokud budeme uvažovat zastoupení uhlíku (0,86) a vodíku (0,14) v benzinu, tak můžeme na základě předchozích rovnic stanovit výsledné množství CO 2 a H 2 O vzniklé dokonalým spálením 1 kg benzinu. Produkce CO 2 při dokonalém spálení 1 kg benzinu bude 3,15 kg. Produkce H 2 O při dokonalém spálení 1kg benzinu bude 1,26 kg. 42

42 Pro dokonalé spálení 1 kg benzinu se spotřebuje 3,4 kg kyslíku. Pro dokonalé spálení 1 kg benzinu je potřeba 14,78 kg vzduchu. (ŠMERDA, a další, 2013) Produkty spalování obsažené ve výfukových plynech Oxid uhličitý (CO 2 ) je produktem dokonalé oxidace paliva, takže jeho přítomnost ve spalinách je důsledkem kvalitního spalování. Účinky: Látka není toxická, pokud nedojde k takové koncentraci, která by ovlivňovala koncentraci kyslíku ve vdechovaném vzduchu. Problém CO 2 je však spatřován ve vlivu na životní prostředí. Patří mezi tzv. skleníkové plyny, které omezují sdílení tepla ze zeměkoule sáláním, takže dochází ke zvyšování teploty a změně klimatu. Oxid uhelnatý (CO) vzniká při nedokonalém spalování, kdy není dostatek kyslíku pro úplné shoření paliva. Množství CO je závislé na složení směsi vzduchu a paliva. I když bude směs obsahovat přebytek vzduchu, může se vytvářet CO z důvodu jejího nehomogenního rozložení ve spalovacím prostoru. Účinky: Jedná se o jedovatý plyn, který se váže na krevní barvivo intenzívněji než kyslík a vytváří se karboxylhemoglobin. Tím se zablokuje schopnost distribuovat kyslík, což vede k poškození orgánů nedostatkem kyslíku. Nespálené uhlovodíky jsou sloučeniny HC (parafiny, olefiny, aromáty). Výskyt sloučenin je podmíněn nedostatkem vzduchu při spalování. Dále k jejich tvorbě dochází při vynechání zážehu, zhasnutí zapálené směsi z důvodu její nízké teploty nebo slabé energii elektrického výboje a také při nerovnoměrném rozložení směsi. Účinky: Škodlivé účinky jednotlivých zástupců nespálených uhlovodíků jsou různé. Nejmenší vliv mají uhlovodíky obsažené v palivu, které se ve spalinách vyskytují kvůli ztrátě paliva při zkratovém vyplachování (př. alifatické uhlovodíky). Jejich přípustná koncentrace se určuje podle čichového prahu. Nespálené uhlovodíky však zahrnují i nebezpečnější složky. Nenasycené aldehydy působí již při malé koncentraci silně dráždivě na sliznice a oči. Formaldehydy mají mutagenní účinky. Nejnebezpečnější jsou polycyklické aromatické uhlovodíky, které mají rakovinotvorný účinek. 43

43 Oxidy dusíku (NO x ) jsou závislé na teplotě a tlaku ve spalovacím prostoru. Vznikají oxidací dusíku obsaženého v přiváděném vzduchu. Označením oxidy dusíku souhrnně označujeme tvorbu oxidu dusnatého (NO), oxidu dusičitého (NO 2 ) a v malém množství také oxid dusný (N 2 O). Tvorba NO x je největším problémem u vznětových motorů a také v určitých režimech provozu zážehových motorů s přímým vstřikováním paliva do válců. Účinky: U živých organismů způsobuje desinformaci regulační soustavy, která na NO x reaguje jako na začínající hoření a začne přivírat přístup vzduchu do plic, což vede k nucenému kašli a dušení. Množství oxidů dusíku ve spalinách se však sleduje hlavně kvůli podílu na letním smogu. Pevné částice jsou například karbon, pevný uhlík v podobě sazí, zbytky nespáleného motorového oleje, popel, otěrové částice atd. Neexistuje ale pro ně všeobecná definice. Pevný uhlík vzniká při spalování za vysokých okolních teplot bez přístupu kyslíku, což bývá důsledkem nehomogenity směsi a souvisí tedy s rozprášením paliva. Množství pevného uhlíku klesá s rostoucím přebytkem součinitele vzduchu, protože se k molekulám paliva dostane více kyslíku. Účinky: Samotné částice nejsou toxické, ale na jejich povrchu se usazují zdravotně závadné látky, například právě polycyklické aromáty, které jsou považovány za nejškodlivější složku. Kontaminované částice se usazují v plicních sklípcích a umožňují dlouhodobé působení karcinogenů. (TAKÁTS, 1997) Oxidy síry (SO x ) tvoří nejmenší podíl na emisích spalovacích motorů. Týkají se zejména vznětových motorů. Protože klesá množství síry obsažené v palivu, tak se snižuje i množství oxidů síry při spalování paliva ve spalovacích motorech. (ŠMERDA, a další, 2013) 44

44 9 ZAŘÍZENÍ KE SNÍŽENÍ EMISÍ VE VÝFUKOVÝCH PLYNECH Již od 90. let jsou směrnicemi regulovány emise z výfukových plynů. Směrnice se zpřísňují a nutí výrobce k řešení, aby dosáhly limitů stanovující přípustné množství škodlivých látek obsažených ve výfukových plynech. Z části tato řešení vycházejí z moderní konstrukce a řízení spalovacího motoru (nárůst vstřikovacích tlaků, vícenásobné vstřikování, variabilní časování ventilů, řízení proudění nasávaného vzduchu atd.), přesto je pro dosažení zákonných limitů nutné používat dodatečné zařízení, které redukují emise přímo ve výfukovém traktu. Patří sem zařízení: oxidační a třísložkový katalyzátor recirkulace výfukových plynů zásobníkový NO x katalyzátor U některých typů motorů se používá i kombinace uvedených zařízení. Např. právě u zážehových motorů s přímým vstřikováním paliva se využívá kromě třísložkového katalyzátoru také recirkulace výfukových plynů a zásobníkový katalyzátor pro redukci NO x. (TAKÁTS, 1997) Výfuková soustava pro motor s přímým vstřikováním je zobrazena na Obr. 19. Obr. 19 Výfuková soustava se systémy na úpravu výfukových plynů Zdroj: PEKÁREK, Stanislav. Technologie oprav 1. Nový Jičín: Střední škola technická a zemědělská,

45 9.1 Třísložkový katalyzátor Třísložkový katalyzátor bývá také označován jako třícestný. Používá se k čištění spalin u zážehových motorů jak s tvorbou směsi v sacím potrubí, tak i s vnitřní tvorbou směsi. Podle názvu má katalyzátor za úkol přeměňovat tři škodlivé složky spalin oxid uhelnatý CO, nespálené uhlovodíky HC, oxidy dusíku NO x na nejedovaté složky. Ve výsledku se za katalyzátorem vyskytuje H 2 O v podobě vodní páry, oxid uhličitý CO 2, dusík N 2. (TAKÁTS, 1997) Podmínkou pro maximální účinnost katalyzátoru je udržet složení směsi v oblasti λ = 1. Beroun, Scholz (2001) udávají, že podmínkou vysoké účinnosti katalyzátoru je udržení hodnoty λ v rozmezí 0,99 1,002; při jakékoliv odchylce λ mimo uvedené rozmezí, účinnost katalyzátoru výrazně klesá. Účinnost katalyzátoru u jednotlivých složek: NO x 99%, HC 70 90%, CO 95% Princip činnosti K přeměně škodlivých látek se využívá redukčně oxidační chemická reakce, která probíhá ve spalinách při jejich průtoku pórovitými průřezy, jejichž povrch je nasycen vzácnými kovy s katalytickými účinky např. platinou, rhodiem, paladiem. Katalyzátor plní svou funkci až po ohřátí nad teplotu 300 o C. Nejprve dochází k oxidaci oxidu uhelnatého a uhlovodíků. Kyslík potřebný pro oxidaci je obsažen buď ve spalinách jako zbytkový kyslík, nebo se odebírá oxidům dusíku. Tím jsou oxidy dusíku redukovány. Jak již bylo zmíněno, správná funkce katalyzátoru vyžaduje stechiometrické složení směsi. Toto složení je zajištěno pomocí lambda sondy umístěné před katalyzátorem. U přímého vstřikování je vyžadována pro provoz s chudou směsí spojitá regulace, ke které se používá širokopásmová lambda sonda. Činnost hlavní lambda sondy je kontrolována druhou lambda sondou umístěnou za katalyzátorem. (BEROUN, a další, 2001) 46

46 9.2 Zásobníkový katalyzátor NO x Jestliže motor pracuje v režimu s chudou směsí, nedokáže třícestný katalyzátor kvůli přebytku vzduchu ve výfukových plynech zcela přeměňovat NO x. Proto se používá zásobníkový katalyzátor NO x. Tento problém je typický pro motory s přímým vstřikováním benzinu, kde se motor pracuje i v režimu s chudou směsí. Zásobníkový katalyzátor bývá označován též jako absorbér. Konstrukce je podobná jako u třísložkového katalyzátoru, ale obsahuje navíc absorpční vrstvu z barya, na kterou jsou dočasně vázány NO x. Absorpční schopnost s množstvím uložených NO x klesá, proto je nutné pro obnovení schopnosti provádět regeneraci, která probíhá v pravidelných intervalech v řádu minut. (MACEK, 2007) Princip činnosti V režimu stechiometrické směsi funguje jako běžný třísložkový katalyzátor. V provozu s chudou směsí pak redukuje množství NO x. Zásobníkový katalyzátor pracuje ve třech fázích: ukládání NO x, uvolnění NO x, konverze. V první fázi se oxidy dusíku přeměňují působením aktivní platinové vrstvy na oxid dusičitý (NO 2 ). Následně reaguje s oxidem barnatým (BaO) a vzniká dusičnan barnatý (Ba(NO 3 ) 2 ). S množstvím uložených NO x klesá ukládací schopnost, je potřeba kontrolovat nasycení katalyzátoru a provádět regenerace. Nasycení katalyzátoru je zjišťováno pomocí snímače NO x za absorbérem. Uvolnění NO x a konverze probíhá přepnutím režimu na provoz s bohatou směsí. Tím se zvýší množství nespálených uhlovodíků a oxidu uhelnatého ve spalinách, které pak reagují s uloženými NO x. Proces uvolnění a konverze NO x probíhají odděleně. Ukončení fáze uvolňování je hlídána lambda sondou za zásobníkovým katalyzátorem. Když je uvolňování ukončené reaguje na změnu obsahu kyslíku a vykáže napěťový skok z chudá na bohatá. Schopnost ukládat NO x závisí na teplotě. Maximální ukládací schopnost je dosažena kolem o C, což je nižší oblast než ve které pracuje třísložkový katalyzátor. Proto se musí použít oba druhy katalyzátorů. Třísložkový je umístěn jako předřadný blíže motoru, kde je teplota spalin ještě vysoká, hlavní zásobníkový katalyzátor je umístěn dále od motoru. Velkým problémem pro absorbér je síra obsažená v palivu, která způsobuje zanášení. Síra obsažená ve spalinách pak reaguje s ukládacím materiálem (oxid barnatý) a 47

47 přeměňuje se na síran barnatý. Tím klesá množství ukládacího materiálu pro NO x. Regenerace katalyzátoru nezlikviduje síran barnatý zcela, protože je teplotně velmi stálý. Při používání paliva s větším obsahem síry se musí neustále provádět odsíření pomocí střídání bohaté a chudé směsi, což zvyšuje spotřebu paliva. (GREGORA, a další, 2008) 9.3 Recirkulace výfukových plynů Recirkulace výfukových plynů se využívá ke snížení obsahu NO x. Systém je založen na přivádění výfukových plynů do spalovacího prostoru, kde z části sníží podíl vzduchu a tím množství kyslíku, který by mohl za vysokých teplot reagovat s dusíkem na NO x. Dalším účinkem přimíchávaných plynů je snížení teploty spalovacího prostoru, která také ovlivňuje tvorbu NO x. Výfukové plyny totiž mají vetší měrnou tepelnou kapacitu a jsou tak schopny přijmout více tepla než vzduch. Množství recirkulovaných výfukových plynů musí být takové, aby bylo zachováno dostatečné množství vzduchu pro dokonalé shoření paliva. Větší podíl výfukových plynů by zapříčinil nedokonalé spalování a tím větší tvorbu emisí HC. Vliv podílu výfukových plynů ve spalovacím prostoru na emise škodlivých látek ukazuje Obr. 20. (ŠMERDA, a další, 2013) Obr. 20 Vliv recirkulovaných výfukových plynů na emise Zdroj: VLK, František. Příslušenství vozidlových motorů. Brno: František Vlk,

48 Vnitřní recirkulace spalin Množství výfukových plynů ve válci můžeme ovlivnit prostřednictvím variabilního časování ventilů. Tím se určí množství plynů, které zůstanou ve válci. Během překrytí ventilů je část výfukových plynů vpuštěna do sacího potrubí, odkud jsou v následujícím sacím zdvihu nasávány spolu s čerstvým vzduchem. Vnější recirkulace spalin Pomocí vnější recirkulace můžeme dosáhnout většího podílu výfukových plynů. U vnější recirkulace se můžeme setkat s označením AGR (Abgasrückführung) nebo EGR (Exhaust gas recirculation). Vnější recirkulace spalin spočívá v přivádění již vytlačených výfukových plynů do sacího potrubí. Jejich množství je určováno průtočným průřezem ventilu, který je ovládán řídicí jednotkou motoru. (VLK, 2003) 49

49 10 TRENDY VE VÝVOJI ZÁŽEHOVÝCH MOTORŮ Trendu snižování produkovaných emisí lze kromě jiného vyhovět pomocí změny teplotního režimu procesu hoření, který omezuje tvorbu emisí již ve spalovacím prostoru a odpadá tak používání systémů pro následnou úpravu výfukových plynů, zejména NO x katalyzátoru a filtru pevných částic. Tomu odpovídá řízené spalování označované jako HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition - kompresní vznícení homogenní směsi), PCCI (Premixed Controlled Compression Ignition kompresní vznícení směsi vrsvené směsi, obdoba HCCI), SCCI (Stratification Charge Compresion Ignition zapalování vrstvené směsi). Výzkum v oblasti spalovacích procesů probíhá již několik desítek let, ale až díky rozšíření senzorů, elektronickému řízení motoru, měřicí technice lze poznatky aplikovat do reálného spalovacího procesu. HCCI Využívá pozitivních vlastností jak zážehového motoru, který má nízkou produkci pevných částic a NO x, tak vznětového motoru, který má zase větší účinnost. Spalovací proces HCCI se testuje pro různá paliva, jako je např. benzin, etanol, motorová nafta, metylester řepkového oleje. Použití tohoto spalovacího procesu zvyšuje účinnost motoru, snižuje tak spotřebu paliva a výsledné množství emisí. (ŠMERDA, a další, 2013) HCCI je založeno na vytvoření homogenní směsi a jejím vznícení kompresní teplotou. U zážehového a vznětového motoru se hoření síří plamenem, který tvoří rozhrání mezi spálenou a nespálenou směsí, to je pak výsledkem tvorby NO x. U HCCI ale hoření probíhá najednou v celém spalovacím prostoru, kde pak nejsou tak velké teplotní rozdíly a shoří veškeré palivo, takže ho můžeme vstříknout méně pro stejný výkon a tím docílit nižší spotřeby. Rozdíly v šíření plamene mezi zážehovým, vznětovým a HCCI motorem jsou patrné z Obr. 21. Nízká teplota hoření snižuje výrazně tvorbu pevných částic a NO x. (BENDU, a další, 2014) 50

50 Obr. 21 Rozdíl v hoření zážehového, vznětového a HCCI motoru Zdroj: Zásadním problémem HCCI, který je stále předmětem vývoje, je řízení okamžiku vznícení homogenní směsi v celém provozním rozsahu, protože spalování je ovlivněno řadou činitelů měnících se s otáčkami a zatížením motoru. Zatím se tedy režim HCCI využívá jen za určitých provozních podmínek a kombinuje s klasickou koncepcí. Místo pouhé regulace předstihu zážehu je nutné měnit komplexní soubor vstupních veličin, jako je složení směsi, teplota a tlak ve válci atd. Aby nedocházelo k brzkému zažehnutí směsi, využívá se např. změna kompresního poměru, bohatosti směsi, množství recirkulovaných výfukových plynů. Snížením kompresního poměru se sníží kompresní teplo a počátek vznícení se posune k horní úvrati. Směšováním výfukových plynů s nasávaným vzduchem se zvýší měrná tepelná kapacita náplně válce, takže dojde k pomalejšímu nárůstu teploty, což vede k pozdějšímu vznícení homogenní směsi. Problémem jsou také zvýšené emise CO a HC. Větší množství CO zde vzniká v důsledku nedostatku kyslíku díky recirkulaci spalin a nízké teplotě, která neumožňuje úplnou oxidaci na CO 2. Aby se produkce CO snížila, vyžaduje to snížení množství vstřikovaného paliva. Důsledkem je pak i pokles výkonu motoru. Další omezení použití HCCI spalování je při studených startech, protože část tepla potřebného k zažehnutí směsi je odváděnou studenými stěnami válců. To se dá u zážehových motorů vyřešit klasickým použitím zapalovací svíčky. (ŠMERDA, a další, 2013) 51