Systémy tvorby palivové směsi spalovacích motorů zážehové motory Úkolem systému je připravit směs paliva se vzduchem v optimálním poměru, s cílem dosáhnout - nejnižší spotřebu - nejmenší obsah škodlivin ve výfukových plynech - největší výkon K nejlepšímu spálení paliva dojde při poměru 1 kg paliva a 14,7 kg vzduchu = 1 : 14,7 tj. tzv. stechiometrický poměr - vyjádřeno součinitelem λ = 1. je-li paliva více = bohatá směs λ > 1 je-li paliva méně = chudá směs λ < 1 Požadované složení směsi se liší dle režimu práce motoru : - spouštění - zahřívání - akcelerace - částečný výkon - plný výkon - decelerace - volnoběh systémy tvorby palivové směsi u zážehových motorů systém s karburátorem systémy vstřikovací - do sacího potrubí = nepřímé jednobodové - do sacích kanálů = nepřímé vícebodové - do spalovacích prosturů = přímé vícebodové 1
systém s karburátorem PALIVOVÝ SYSTÉM PALIVOVÉ TRYSKY PRINCIP KARBURÁTORU Z palivové nádrže je palivo čerpáno čerpadlem (membránové nebo pístové) poháněným od klikové hřídele motoru. Palivo přichází do plovákové komory karburátoru. Zde se udržuje stálá hladina paliva pomocí plováku s jehlovým ventilem. Palivo je z plovákové komory nasáváno podtlakem v sacím potrubí motoru. Podtlak vzniká v difuzoru karburátoru. Difuzor je zúžené místo, v kterém nasávaný proud vzduchu zvýší rychlost proudění a tím poklesne tlak. Z plovákové komory do difuzoru je palivo vedeno tryskou (přesný otvor) a emulzní trubicí, do které se přisává vzduch, palivo se jím napění a je pak lépe rozptýleno a odpařeno v sacím potrubí. Průtok vzduchu karburátorem a tím množství dodávané směsi je řízeno škrticí klapkou, kterou ovládá člověk. Tento hlavní systém karburátoru je doplněn - sytičem pro studený start (obohacuje směs) - systémem pro volnoběh (v hlavním systému nevzniká dostatečný podtlak) - akcelerační pumpičkou (obohacuje směs při prudké akceleraci) - druhým hlavním systémem (aktivuje se při vyšším výkonu) Systém tvorby palivové směsi pomocí karburátoru již dosáhl technického vrcholu. Je mechanicky složitý a nemůže splňovat dnešní požadavky na přesnou regulaci. Tím nelze dosáhnout snižování spotřeby pohonných hmot, obsahu škodlivin ve výfukových plynech a požadované plynulosti změn režimů práce motoru. Proto byly vyvinuty a dnes se u automobilových motorů používají elektronicky řízené systémy vstřikování benzínu. 2
systémy vstřikovací Čerpadlo dodává palivo do zásobníku, kde je udržován konstantní přetlak. Palivo z tohoto zásobníku vstřikuje do nasávaného vzduchu vstřikovací ventil. Otevírání ventilu je řízeno elektronicky mikroprocesorem. Mikroprocesor vyhodnocuje řadu signálů ze snímačů na motoru. Snímají se následující hodnoty: množství nasávaného vzduchu úhel natočení škrticí klapky teplota motoru (chladicí kapaliny) otáčky motoru množství O 2 ve výfukových plynech λ sondou otáčky motoru klepání motoru poloha vačkové hřídele (pro zapalování) Mikroprocesor na základě těchto hodnot : otevírá vstřikovací ventily nastavuje škrticí klapku při volnoběhu omezuje dodávku paliva při deceleraci řídí okamžik přeskoku jiskry na svíčce = zapalování Vstřikovací systémy umožňují snížení spotřeby paliva a obsahu škodlivin ve výfukových plynech. Snížení obsahu škodlivin umožňuje třícestný katalyzátor s lambda (λ) sondou. Katalyzátor je keramické těleso s množstvím kanálků. Jejich povrch je opatřen vrstvičkou pórovitého oxidu hliníku, čímž se dosáhne velkého povrchu. Na tento povrch je nanesena platina, která má funkci chemického katalyzátoru. Skrz kanálky prochází výfukové plyny. Při jejich kontaktu s platinou dojde k chemickému rozkladu škodlivin (CO, NO x, uhlovodíky CH) a okamžitému sloučení na sloučeniny méně škodlivé CO 2, N 2, nebo zcela neškodné H 2 O. λ sonda je ve výfukovém potrubí za motorem a sleduje proces spalování tím, že snímá obsah kyslíku O 2 ve výfukových plynech před katalyzátorem. Správný obsah je důležitý pro správné reakce v katalyzátoru, neboť je-li nedostatek O 2 zůstává část CO, je-li přebytek O 2 zůstává NO x za katalyzátorem. 3
a/ systém vstřikovací do sacího potrubí = nepřímé jednobodové ( mono ) Palivo je jediným vstřikovacím ventilem rozprašováno do sacího potrubí před větvením k jednotlivým válcům. Vstřikovací ventil je na obdobném místě jako byl karburátor. 1. palivová nádrž 2. palivové čerpadlo 3. palivový čistič 4. regulátor tlaku paliva 0,1 MPa 5. vstřikovací ventil 7. řídící jednotka - mikroprocesor 9. snímač polohy škrtící klapky 12. λ sonda 13. snímač teploty motoru Systém je vhodný pouze pro motory do výkonu 80 kw, mající max. čtyři válce. b/ systém vstřikovací do sacích kanálů = nepřímé vícebodové ( MPI ) Palivo je vstřikovacími ventily vstřikováno do sacích kanálů před ventily. Po otevření ventilu strhává proud nasávaného vzduchu palivové výpary, v průběhu sání jsou dobře promíseny se vzduchem a vytvoří se dobře zapálitelná směs. 4
1. palivová nádrž 2. palivové čerpadlo 3. palivový čistič 4. vstřikovací ventil 5. zásobník paliva 6. regulátor tlaku paliva až 0,5 MPa 7. sací potrubí 8. snímač polohy škrtící klapky 9. snímač množství vzduchu 11. λ sonda 12. snímač teploty motoru c/ systém vstřikovací do spalovacích prostorů = přímé vícebodové Palivo je vstřikováno vstřikovacími ventily přímo do pracovních prostorů motoru. Jde o technicky nejnáročnější způsob tvorby palivové směsi, ale s nejlepšími výsledky nízká spotřeba a nízký obsah škodlivin ve výfukových plynech. 1. přívod paliva 2. zásobník paliva 3. vstřikovací ventil 6. regulátor tlaku paliva až 12 MPa 7. snímač klepání 8. snímač otáček 9. snímač teploty motoru 10. λ sonda 11. třícestný katalyzátor 12. snímač teploty výfukových plynů 13. NO x katalyzátor 14. λ sonda 5
Při částečném zatížení, a tím potřebě částečného výkonu, postačí spalovat chudou směs, což vede k výrazné úspoře paliva. Takovouto směs ale nelze zapálit jiskrou na svíčce. Proto se palivo vstřikuje až ke konci kompresního zdvihu a dno pístu je tvarováno tak, aby obláček bohaté směsi byl naveden ke svíčce, kde se zapálí a hoření se rozšíří na okolní již chudou směs. Tento způsob vstřikování se nazývá vrstvení směsi. Při plném zatížení, a tím potřebě velkého výkonu, se palivo vstřikuje již ke konci sacího zdvihu, čímž se následně vytvoří bohatá homogenní směs v celém objemu. Automobilový motor v běžném provozu většinou pracuje s částečným zatížením, spaluje tedy chudou směs, ale tím je i nižší teplotu hoření, čímž ale vzniká více NO x. Po průchodu spalin třícestným katalyzátorem se zbylý NO x zachycuje v dalším katalyzátoru. Asi po 1 minutě se naplní, pak se asi na 2 sekundy změní směs na bohatou, tím se zvýší teplota a obsah CO a NO x se v katalyzátoru zredukuje na N a proces se opakuje. 6
vznětové motory Směs paliva (nafty) se vzduchem se vytvoří po vstříknutí paliva do stlačeného vzduchu v závěru kompresního zdvihu. V následujícím okamžiku se směs vznítí. Ke vznícení dojde vlivem teploty vzduchu zahřátého prudkou kompresí. Podle toho, kam se palivo vstřikuje, rozlišujeme motory - s přímým vstřikováním - s nepřímým vstřikováním ( komůrkové ) Motor s přímým vstřikováním do spalovacího prostoru Spalovací prostor je vytvořen ve dně pístu. Aby bylo dosaženo co nejlepšího promísení vstřikovaného paliva se vzduchem, je vzduch nasáván přes ventil tangenciálně a dno pístu je tvarováno, tím vzduch při stlačování v pracovním prostoru víří. Jedná se o nejobvyklejší způsob vstřikování. Motor s nepřímým vstřikováním Palivo se vstřikuje do komůrky vedle hlavního spalovacího prostoru. Zde dochází v intenzivnímu víření vzduchu vlivem tangenciálně umístěnému spojovacímu kanálu. Po vstřiku paliva se zde vytvořená směs vznítí, splodinami je vytlačována nad píst, kde se hoření dokončí. Výhodou těchto motorům je plynulý nárůst tlaku na píst (měkčí chod motoru), stačí nižší vstřikovací tlaky paliva (8 15 MPa), jednodušší vstřikovací tryska. Nevýhodou je nižší účinnost (větší spotřeba) a při spouštění studeného motoru je nutno komůrku vyhřívat žhavicí svíčkou (elektricky odporovým drátem). Tento typ motorů se používá např. na lodích jako pomocný pro pohon kompresoru, čerpadla a alternátoru. Byl též používán v osobních automobilech. 7
systémy vstřikování nafty u vznětových motorů systém se vstřikovacími čerpadly pro přímé i nepřímé vstřikování Každý válec motoru má jedno pístové čerpadlo. To se skládá z válce, pístu a výtlačného ventilu. Pohyb pístu při výtlačném zdvihu zajišťuje vačka, zpětný sací zdvih zajišťuje pružina. Vačková hřídel je poháněna od klikové hřídele motoru. Zdvih pístu je neměnný. Aby se dalo regulovat množství vstřikovaného paliva, je v pístu šroubovitá řídící hrana, která ukončuje užitečný výtlačný zdvih. Regulace se provádí pootočením pístu, čímž se změní poloha regulační hrany vůči palivovému kanálu ve stěně válce. Válce čerpadel jsou uloženy v řadě ve společné skříni. U velkých motorů (lodních) jsou samostatná. V obou případech se regulace natáčením pístů provádí pomocí posuvné regulační tyče s ozubeným hřebenem. Tyč posouvá obsluha pákou (pedálem) akcelerátoru nebo automaticky odstředivým nebo elektronickým regulátorem. Pracovní prostor každého čerpadla uzavírá výtlačný ventil. Ventil se otevírá tlakem paliva, uzavírán je pružinou v okamžiku poklesu tlaku, tím je zamezeno nežádoucímu dostřiku nižším tlakem. Od vstřikovacích čerpadel k vstřikovačům je palivo vedeno vysokotlakým potrubím. Do pracovního prostoru motoru ústí vstřikovací tryska. Jehla trysky se otevírá tlakem paliva, uzavírá se pružinou ve vstřikovači. Existují dva typy trysek. otvorová tryska pro motory s přímým vstřikováním (dokonalejší rozstřik, tlakem nad 30 MPa) čepová tryska pro motory s nepřímým vstřikováním (tlakem 8 15 MPa) 8
Common Rail Direkt Ijekcion ( CDI ) systém přímého vstřikování Systém se používá u osobních i nákladních automobilů. Z nádrže paliva (poz. 5) plní yysokotlaké čerpadlo (poz. 8) vysokotlaký zásobník paliva (poz. 2). Tlak až 220 MPa udržuje ventil (poz 4). Palivo je vstříknuto otevřením vstřikovacího ventilu (poz. 6). Ventily jsou ovládány elektromagneticky nebo piezoelektricky. Vstřikování řídí elektronická řídící jednotka (poz.10) dle řady vstupních signálů (poz. 9), kterými jsou otáčky, poloha klikové hřídele, poloha pedálu akcelerátoru, tlak vzduchu v sacím potrubí, teplota vzduchu, množství nasávaného vzduchu, teplota chladicí kapaliny, množství recyrkulovaných výfukových plynů. Commom Rail CRS (piezomodul u vstřikovače) Piezomodul je krystal, skládající se z cca 400 na sobě uložených vrstev. Přivedením elektrického proudu se krystal deformuje a tím otevře trysku. Tento systém je 3 x rychlejší než elektromagnetický ventil. Pumpe - Düse = čerpadlo - tryska ( PDI ) systém přímého vstřikování značky Volkswagen Na každém válci je v bezprostřední blízkosti sacího ventilu jednotka, která se skládá z čerpadla a trysky. Čerpadlo je umístěno v hlavě přímo u vstřikovací trysky. V současnosti dosahuje systém tlaku 240 MPa. U motorů nákladních automobilů se používá podobný systém s označením UIS = Unit-Injektor-Systém (sdružený vstřikovací systém). 9