34. MEZIÁRODNÍ KONFERENCE KATEDER DOPRAVNÍCH, MANIPULAČNÍCH, STAVEBNÍCH A ZEMĚDĚLSKÝCH STROJŮ 2008 MODERNÍ SYSTÉMY VSTŘIKOVÁNÍ PALIVA VHODNÉ PRO VZNĚTOVÉ MOTORY. MODERN FUEL INJECTION SYSTEMS SUITABLE FOR DIESEL ENGINES. C. Scholz Katedra vozidel a motorů, Fakulta strojní, Technická univerzita v Liberci Česká republika Celestyn.scholz@tul.cz Abstrakt This paper describes the reasons that motivate the manufacturers of Diesel engines to raise requirements on an increase of injection pressures of fuel systems. The development trends of the currently most employed fuel systems, Common Rail, are discussed, laying emphasis upon their advantages and disadvantages in comparison with systems governed mechanically or hydraulically. The possibility of their use for alternative fuels, such as bio Diesel oil, vegetable oil etc. remains an unsolved issue. Key: Injection system, diesel engine, Common Rail. 1. Úvod Vznětový motor je energeticky nejúčinnější pohonnou jednotkou a zůstane i nadále hlavním zdrojem mechanické energie, obzvláště v oblasti užitkových automobilů, zemědělských a stavebních strojů a stacionárních jednotek. Pro oblast užitkových automobilů platí tradičné nejpřísnější ekologické předpisy limitující koncentrace škodlivých látek znečišťujících ovzduší. Trend vývoje limitů škodlivin, které mají bezprostředně negativní vliv na životní prostředí, například pevných částic (PM) a oxidů dusíku (NO x ) ukazuje obr. 1. Na první pohled jsou patrné snížení limitů za posledních 20let a další perspektivy jejich poklesu pro připravované normy EU 6, nebo US-10. U předpisu EU 6 se dosud vedou diskuze [2] o konečný hraniční limit pro NO x mezi 0,4 a 1,0 g/kwh. Nižší hodnota přestavuje zvýšení spotřeby paliva a tím i zhoršení bilance oxidu uhličitého (CO 2 ). Tento vývoj ekologických předpisů neustále motivuje výrobce vznětových motorů ve výzkumech nových strategií vstřikování paliva, spalování, přeplňování a dodatečného čištění výfukových plynů. Výsledkem je stlačování hyperbolické závislosti PM na NO x ve směru šipky, viz obr.1. V oblasti vstřikování paliva převažuje trend zvyšování vstřikovacích tlaků, který vykazuje nejvyšší potenciál pro plnění emisních předpisů vznětových motorů. Další kvalitativní posun nastal zavedením elektronického řízení funkcí motoru a tedy i vstřikovacího procesu, který bylo možné rozdělit do více částí reagujících na okamžitou potřebu motoru. Vznikají palivové systémy typu Common Rail, které se stále zdokonalují a představují složitá zařízení citlivá na kvalitu a čistotu motorového paliva.
Obr. 1 Vývoj emisních předpisů a směr motivace vývoje V současné době neexistuje zdroj energie, který by zcela dokázal nahradit časově omezené ropné produkty. Na místě proto jsou snahy ekologů, ekonomů a politiků rozvíjet použití alternativních paliv u pohonných jednotek. Výrobci vznětových motorů na tuto situaci reagují uvážlivě dalším vývojem úprav palivových systémů, tak aby nebyly ohroženy požadavky na spolehlivost, životnost a výše uvedené emisní předpisy. Tento proces je složitý, neboť z důvodů nedokončeného vývoje ekonomických technologií výrob těchto paliv se mění i jejich vlastnosti. 2. Vývojové trendy vstřikovacích systémů V Evropě je od roku 1980, v oblasti vznětových motorů pro užitkové automobily, znatelný trend růstu vstřikovacích tlaků vyvolaný požadavky na snižování spotřeby paliva a škodlivin ve výfukových plynech. Řadové vstřikovací čerpadlo s počátečním tlakem 60 MPa v roce 1980, prošlo vývojem v dimenzování a optimalizací tvaru vaček, velikosti výtlačných pístků, druhu ventilků (rovnoobjemových a rovnotlakých), a nakonec i náhradou stále složitějších mechanických regulátorů elektronickými regulačními systémy. Na přelomu tisíciletí bylo na řadovém čerpadle dosahováno již tlaku 115 MPa. Důslednou optimalizací poměrně dlouhého vedení paliva mezi čerpadlem a tryskou byl vstřikovací tlak paliva do válce motoru zvýšen až na 135 MPa. Pro další zvýšení vstřikovacích tlaků nalezly uplatnění plně elektronicky regulované vstřikovací jednotky, v nichž je vyvozován tlak pístem poháněným vačkovou hřídelí umístěnou v bloku, nebo hlavě válce. Tryska je s tímto samostatným čerpadlem spojena velice krátkým vedením, nebo je přímo jeho součástí (sdružená vstřikovací jednotka). Proto jsou tlaky na trysce a čerpadle shodné a dosahují hodnot 180 až 220 MPa.
Vedle toho našel uplatnění, zpočátku jen u vznětových motorů pro osobní automobily, technicky jednodušší palivový systém Common Rail. Vysokotlaké pístové čerpadlo plní trvale vysokým tlakem společný (common) zásobník ve tvaru trubky (rail) odkud se palivo sekvenčně rozděluje do jednotlivých válců prostřednictvím elektromagneticky nebo piezoelektronicky ovládaných ventilů. Systém prošel vývojem od tlaků 135 do 200 MPa a jeho předností je nezávislost vstřikovacího tlaku na otáčkách motoru a flexibilita rozdělení a tvarování jednotlivých částí výstřiku. V současné době je ve vývoji již 4. generace systému s hydraulickým zesilovačem vstřikovacího tlaku paliva až na 250 MPa a možností tvarování jednotlivých výstřiků co se týče velikosti a rychlosti náběhu. Dnes patří systém Common Rail mezi světově nejrozšířenější palivové systémy vznětových motorů. Za zmínku stojí systémy vstřikovacích jednotek, kdy je tlak vyvozován hydraulickým zesilovačem poháněným tlakem oleje z externího okruhu. Představitelem vývojové alternativy včetně její elektronické regulace je fa Caterpillar. 3. Vstřikovací systém Common Rail Vznik prototypu systému Common Rail se datuje od konce 60. let minulého století. Jako první ho zavedla do sériové výroby fa Bosch pro osobní automobily fem Alfa Romeo a Mercedes Benz v roce 1997. Dnes se jeho výrobou zabývají přední fy palivového příslušenství, jako Bosch, Denso, Siemens-VDO a další, pro použití u vznětových motorů všech výrobců osobních i u nákladních automobilů. Funkce systému je zřejmá z obrázku 2. Obr. 2 Vysokotlaká část Common Rail 1,2,3- Čerpadlo s ventily, 4- vysokotlaké palivové potrubí, 5- zásobník paliva (rail), 6- čidlo tlaku, 7- omezovač tlaku, 8- omezovač průtoku, 9- injektor, 10- elektronická řídící jednotka. Obr. 3 Schéma injektoru ve funkcích: a-zavřený, b-otevřený, 1-zpětné palivo, 2-elektrický konektor, 3,5-elektromagnetický ventil s kuličkou, 4- vstup paliva do injektoru, 8,7,6-řídící prostor pístu s tryskami přítoku a odtoku paliva, 9-řídící píst, 10-přívod paliva k jehle trysky, 11-jehla trysky.
První generace systému Common Rail z roku 1997 pracovala na principu hlavního vstřiku pod vysokým tlakem 140-160 MPa, kterému předcházel předstřik nepatrného množství paliva k snížení nárůstu spalovacího tlaku a tím snížení charakteristického hluku spalování u vznětových motorů. Druhá generace z roku 2001 pracuje na stejném principu, ale s vyššími vstřikovacími tlaky v rozmezí 160-200 MPa. Navíc používá třetí fázi, tak zvaný dostřik, kterým se dokončuje celková dávka paliva za pracovní cyklus motoru a je užitečný pro funkci filtru pevných částic. Obě generace používají injektory ovládané elektromagnetickými ventily, viz obr. 3. Plný tlak paliva přicházejícího z railu působí v řídícím prostoru na píst a z druhé strany na mezikruží jehly, která rozdílem působících sil uzavírá trysku. Řídící prostor je spojen odtokovou tryskou, která je uzavřena kuličkovým ventilem. Elektromagnet sekvenčním buzením ovládá pohyb kuličky ventilu a uvolňuje odtok paliva z řídícího prostoru za současného poklesu tlaku. Tím se změní směr výslednice síl působících na píst spojený s jehlou, jehla se nadzvedne a otevře otvůrky trysky, kterými je palivo pod vysokým tlakem vstřikováno do válce motoru. Při přerušení buzení elektromagnetu, kulička silou pružiny uzavře odtok paliva z řídícího prostoru a zde nastane obnovení plného tlaku, který zatlačí jehlu do sedla trysky a ukončí výstřik paliva do válce. Common Rail se dnes výhradně používá u motorů Euro 3,4 a 5 užitkových automobilů a motorů pro průmyslové použití, např. u fy Cummins, Scania, MAN. Třetí generace z roku 2003 rovněž disponuje tlakem 160-200 MPa a navíc umožňuje zvládat větší počet dílčích vstřiků (až 5 za cyklus). To je umožněno díky velmi krátké době spínání piezoelektrického ovladače, který je asi 4x rychlejší než elektromagnetický ventil. Obr. 4 Schéma piezoelektrického vstřikovače fy Bosch (3 generace) Piezoelektrický ovladač je složen z několika stovek vrstev tenkých folií keramického materiálu, který je odolný teplotám vznětového motoru. Přivedením napětí 150V na svazek folií se jeho krystaly protáhnou o setiny milimetrů. Tato deformace se převede, podobně jako u elektromagnetického provedení vstřikovače, na zdvih jehly vstřikovací trysky. Vzhledem ke své rychlosti umožňuje piezoelektrický vstřikovač vytvářet strategii průběhu vstřiku
v závislosti na režimu motoru, viz obr. 5. Rozdělení celkového vstřikovaného množství do několika rozdílně velikých dávek vede ke snížení hluku, emisí a k regeneraci filtru pevných částic a používá se u vznětových motorů osobních automobilů. Při recirkulaci výfukových plynů se využívá i změn délky mezi jednotlivými vstřiky. Obr. 5 Příklad strategie vstřiku v různých režimech motoru [2] Čtvrtá generace systémů Common rail pro osobní automobily HADI (Hydraulically Amplified Diesel Injektor) a pro nákladní automobily např. CRIN4.2 od fy Bosch garantuje vyšší vstřikovací tlak 210-250 MPa a vysokou flexibilitu v tvarování průběhů jednotlivých vstřiků. Tato inovativní technika je určena pro splnění budoucích předpisů EU6 a US 10, viz obr. 1, a je založena na filozofii dvoustupňového vytváření tlaku. Palivo je dodáváno známým způsobem vysokotlakým čerpadlem do railu a odtud do vstřikovače pod poměrně nízkým tlakem 90-135 MPa. Ve vstřikovači se prostřednictvím tlakového převodníku tlak zesílí na zhruba dvojnásobnou hodnotu 210-250 MPa. Prostřednictvím řízení dvou sekvenčně buzených elektromagnetických ventilu se může programovaně dosáhnout vstřiku paliva do válce motoru, buď pod nižším tlakem, nebo pod zesíleným tlakem. Vhodným časováním funkce obou ventilů lze docílit tvar průběhu vstřiku pravoúhlého (Square), se skokovým náběhem (Ramp), nebo s plynulým náběhem (Boot), viz obr. 6. Konfigurace dvou tlakových stupňů má výhodu také v tom, že nejvyšším tlakem jsou zatížené jen některé části systému s nižším časovým podílem, což vede k vyšší těsnosti paliva a tím ke zvýšení účinnosti.
Obr. 6 Možnosti časování a tvarování vstřiků v jednom pracovním cyklu [1] Schéma systému CRIN 4.2 vyvíjený fou Bosch pro nákladní automobily DaimlerChrysler je na obr. 7. Obr. 7 Schéma systému Common Rail (CRIN 4.2) čtvrté generace [1] Samotný vstřikovač je modulární a sestává ze dvou jednotek. Modul vstřikování paliva, viz obr.8, tvoří silně zmenšený vstřikovač Common Rail 2.generace. Miniaturní elektromagnetický ventil s plochou kotvou ovládá otvírání a zavírání jehly trysky. Situování ovládacího elektromagnetického ventilu blízko trysky má výhodu v nízké hmotnosti jehly. Obr.8 Modul vstřikování paliva [1] Obr. 9 Řídící modul zesilovače tlaku [1]
Řídící modul vstřikovače, viz obr. 9, se skládá z tlakového převodníku s odstupňovaným pístem, který je aktivován druhým elektromagnetickým ventilem. 4. Použitelnost vstřikovacích systémů pro alternativní kapalná paliva Přínos vstřikovacích systémů Common Rail u vznětových motorů je v tichosti chodu, úspornosti paliva a plnění limitů emisí škodlivin výfukových plynů. Jak vysokotlaké čerpadlo, tak zejména vstřikovače nejen dopravují palivo do válce pod vysokým tlakem, ale jsou rovněž palivem mazány. Vzhledem k malým průřezům regulačních orgánů a malých otvůrků trysek jsou pro provoz palivového systému nežádoucí nečistoty, zbytky benzinu nebo vody, a rostlinných olejů, které tvoří lepkavé a karbonové úsady. Proto se výrobci k použití alternativních biopaliv vyjadřují s nejvyšší mírou obezřetnosti. V úvahu připadají u vznětových motorů tato alternativní paliva: Dimetyléter (DME) je syntetické palivo a má ze všech alternativních paliv nejvyšší energetickou účinnost (1 litru dimetyléteru odpovídá 0,97 litrů motorové nafty). Základem pro výrobu může být fosilní surovina, pak mluvíme o palivu Gas-to-Liquid (GtL), nebo biologicky obnovitelná surovina (dřevo, sláma a další zemělské odpady), pak mluvíme o palivu Biomas-to-Liquid (BtL). Z hlediska požadavků na snižování CO 2 má perspektivu BtL, jehož technologie pro ekonomickou výrobu je ve vývoji (společný projekt DaimlerChrysler, VW a Chozen Industrie). BtL má širokou surovinovou základnu, téměř neutrální energetickou bilanci vůči motorové naftě, vykazuje v provozu motorů nižší kouřivost a lepší zápalnost, je bez aromátů, bez síry a lze ho používat bez nutnosti větších úprav motorů. Nevýhodou jsou prozatím velké investice na zavedení výroby. Bionafta (FAME fatty acid methyl esters) je palivo z obnovitelných zdrojů, v první generaci ze všech olejnin, nebo v druhé generaci ze zemědělských a lesnických zbytků. V Evropě se prozatím používá k výrobě semen řepky olejky, kdy z řepkového oleje procesem transesterifikace za přítomnosti metanolu a katalyzátoru vzniká MERO (methyl esters of rapeseed oil). Vedlejším produktem je glycerin využívaný v mazivech a kosmetice. Energetická účinnost je nižší (1 litru MERO odpovídá 0,91 litrů motorové nafty). V praxi je odsouhlasen provoz motorů na směs 5 % MERO v motorové naftě, na tzv. směsné palivo B5, které může být v nemodifikovaných motorech používáno bez problémů. Je předpoklad uvolnění provozu na vyšší koncentrace B30 (již USA, PSA/Peuegot-Citroen). Nevýhodou je vazba na zemědělskou půdu, omezený pěstitelský potenciál a potřebný fosilní metanol. Rostlinný olej (PPO pure plant oil) Jedná se o neupravený rostlinný olej z řepky olejky nebo dalších olejnin, který lze spalovat jen za určitých podmínek v upravených motorech. Poměrně vysoká energetická účinnost (1 litru PPO odpovídá 0,96 litrů motorové nafty). Použití v praxi je velmi řídké, neplní limity emisí Euro 4 a 5, proto jsou hlavními uživateli mimosilniční vozidla a stroje v zemědělství a lesnictví. Používání je stále ve stádiu experimentů na klasických vstřikovacích systémech s nízkými vstřikovacími tlaky. Je málo pravděpodobné, že složité vstřikovací systémy Common Rail umožní širší použití těchto paliv. Určitá šance je snad u traktorů, kde může být největší spotřebitelská poptávka. Výhodou je jednoduchá a levná výroba tohoto paliva a jeho biologická odbouratelnost při úniku následkem havárie. Nevýhodou je omezený surovinový potenciál, omezená zápalnost a snížené možnosti pro plnění nejpřísnějších limitu emisí, problémy při nasazení filtrů pevných částic a zvýšené náklady na přestavbu motorů.
5. Závěr Neustálé snižování limitů plynných a pevných škodlivin ve výfukových plynech vznětových motorů vede výrobce k vývoji vstřikovacích palivových systémů s co nejvyššími vstřikovacími tlaky a vysokou variabilitou procesu vstřikování. Právě flexibilita průběhu mnoha výstřiků během jednoho pracovního cyklu je jednou z příčin proč se dnes nejvíce používá systém Common Rail. Lze stěží odhadovat vývoj dalších generací tohoto systému, který klade mimořádné nároky na čistotu paliva, na diagnostiku a servis. Je zřejmé, že současné snahy o využitelnosti rostlinných olejů ve vznětových motorech, zejména v souvislosti s požadavky globálního snižováním produkce oxidu uhličitého, najdou odezvu v dalším vývoji modifikací systémů Common Rail. Pracoviště katedry vozidel a motorů Technické univerzity v Liberci, v rámci projektů VCJB, GAČR a MPO, získává zkušenosti s experimenty použití rostlinných olejů u vznětových motorů s různými vstřikovacími systémy. 6. Literatura [1] W. Schmid, B. Heil, T. Harr, K. Maderthaner. Brennverfahren für neue Generation von schweren DaimlerChrysler Nutzfahrzeug-Dieselmotoren und die Anforderungen an das Einspritzsystem. In: 28. Internationales Wiener Motorensymposium 2007, Reihe 12, Nr. 639, bl.148-161. [2] S. Bauer, H. Zhang, A. Pfeifer, K. Wenzlawski. Pkw- Dieselmotor und EU6: Ganzheitlicher Systemansatz zur Weiterentwiclung von Einspritzsystem, Luft/EGR-Pfad und Abgasnachbehandlung. In: 28. Internationales Wiener Motorensymposium 2007, Reihe 12, Nr. 639, bl.265-285. Poděkování: Příspěvek vznikl v rámci řešení projektu Výzkumného centra Josefa Božka (č. 1M68400770002) podporovaného MŠMT ČR a část v rámci projektu FI- IM5/112 s podporou MPO ČR. Doc. Celestýn Scholz, PhD., Katedra vozidel a motorů, Technická univerzita v Liberci, Studentská 2, 461 17 Liberec, tel. +420 485 353 155, e-mail: celestyn.scholz@tul.cz