Přehled systémů řízení vznětového motoru · Motory lokomotiv, podobně jako velké...

Přehled systémů řízení vznětového motoru základy vznětového motoru, přeplňování, vstřikování přehled všech vstřikovacích systémů dodatečná úprava spalin

Vydání 2009 l Odborné znalosti v automobilové technice Řízení vznětových motorů

Přehled systémů řízení vznětového motoru

Robert Bosch GmbH

4 Oblasti použití vznětových motorů 4 Kritéria vlastností 4 Použití 7 Charakteristiky motoru

8 Základy vznětového motoru 8 Způsob činnosti 11 Točivý moment a výkon 12 Účinnost motoru 15 Provozní stavy 19 Provozní podmínky 21 Vstřikovací systém 22 Spalovací prostory

26 Paliva 26 Palivo pro vznětový motor 32 Alternativní paliva

34 Systémy pro řízení plnění motoru 34 Přehled 35 Přeplňování 44 Vířivé klapky 45 Vzduchové filtry sání motoru

48 Základy vstřikování nafty 48 Rozdělování směsi 50 Parametry vstřikování 58 Provedení trysek a držáků trysek

60 Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru 60 Konstrukční typy

66 Přehled systémů řadových vstřikovacích čerpadel 66 Oblasti použití 66 Provedení 67 Konstrukce 67 Regulace

70 Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel 70 Oblasti použití 70 Provedení 72 Systémy řízené hranou 74 Systémy řízené magnetickými ventily

78 Přehled systémů jednoválcových čerpadel 78 Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF 78 Použití 80 Systém sdružených vstřikovačů UIS a sdružený vstřikovací systém UPS 82 Obraz systému UIS pro osobní vozidla 84 Obraz systému UIS/UPS pro užitková vozidla

86 Přehled systému Common Rail 86 Oblasti použití 87 Konstrukce 88 Princip činnosti 92 Systém Common Rail pro osobní vozidla 97 Systém Common Rail pro užitková vozidla

100 Elektronická regulace vznětového motoru EDC 100 Přehled systému 102 Zpracování dat 104 Regulace vstřikování 106 Regulace a aktivace akčních členů 107 Náhradní funkce

108 Systémy pomoci při startu 108 Systémy žhavení

112 Vstřikovací trysky 114 Otvorové trysky

118 Držáky trysek 118 Přehled

120 Dodatečná úprava spalin 121 Zásobníkový katalyzátor NOx 123 Selektivní katalytická redukce oxidů dusíku 126 Částicový filtr DPF 130 Oxidační katalyzátor pro vznětový motor

132 Rejstřík 132 Věcný rejstřík 134 Zkratky

▶ Obsah

Vznětový motor se u řidičů těší rostoucí oblibě. Jeho klasické silné stránky jsou hospo-dárnost, spolehlivost a průběh točivého momentu. Proto se již před mnoha lety prosadil u užitkových vozidel. Další vývoj vznětového motoru – zvláště jeho vstřikování – jakož i rasantní vývoj vysokotlakých vstřikovacích systémů přinášel stále další zlepšení výkonu a spotřeby. K tomu navíc přistupuje skutečnost, že se moderní vznětové motory s vysoko-tlakým vstřikováním výrazně zlepšily v oblasti jízdního komfortu a produkce škodlivin. To vedlo k tomu, že se vznětový motor v posledních letech stává čím dál oblíbenějším také v osobních vozech – i vyšší třídy. V současné době představuje podíl vznětových mo-torů u nově přihlašovaných osobních vozů v západní Evropě kolem 50%.

S rostoucím rozšířením vznětových motorů roste také zájem dozvědět se o nich více. Tento sešit z řady „Odborné znalosti v automobilové technice“ dává nahlédnout do prin-cipů činnosti vznětového motoru a poskytuje přehled různých vstřikovacích systémů Bosch a jejich komponent.

V této řadě se objevily další tituly, které se hlouběji zabývají představovanými přehledy systémů vstřikování vznětového motoru a elektronickou regulací vznětového motoru.

1 Vznětový motor osobního vozu se vstřikovacím systémem se sdruženými vstřikovači (Unit Injector) (příklad)

5

4

3 6

21

Nm

20001000 3000

Otáčky n

Výk

on P

Toč

ivý

mom

ent M

4000 min-1

320

240

50

30

70

90

110kW

UM

M06

03D

Žádný jiný spalovací motor není tak roz-manitě používán jako vznětový (Diese-lův) motor1). Důvodem je především jeho vysoká účinnost a s ní spojená hospodár-nost.

Nejdůležitější oblasti použití vznětového motoru jsou:

stacionární motory, ▶

osobní a lehká užitková vozidla, ▶

těžká užitková vozidla, ▶

stavební a zemědělské stroje, ▶

lokomotivy a ▶

lodě. ▶

Vznětové motory jsou konstruovány jako řadové a vidlicové motory. Lze v nich velmi dobře využít přeplňování, neboť se u nich na rozdíl od zážehových motorů ne-vyskytuje klepání.

1) Pojmenován po Rudolfu Dieselovi (1858 až 1913),

který v roce 1892 přihlásil svůj první patent na „Nové

racionální tepelné hnací stroje“. Vyžadovalo to však ještě

mnoho vývojové práce, než se v roce 1897 rozběhl první

vznětový (Dieselův) motor u firmy MAN v Augsburgu.

Kritéria vlastnostíPro použití vznětového motoru jsou významné následující znaky a vlastnosti (příklady):

výkon motoru, ▶

specifický výkon, ▶

provozní bezpečnost, ▶

výrobní náklady, ▶

hospodárnost v provozu, ▶

spolehlivost, ▶

ohleduplnost k životnímu prostředí, ▶

komfort ▶

„příznivost, vstřícnost“ (např. design ▶

motorového prostoru)

Podle oblasti použití se mění těžiště kon-strukce vznětového motoru.

Použití

Stacionární motoryStacionární motory (např. pro generátory elektrické energie) jsou často provozovány s konstantními otáčkami. Motor a vstřiko-vací systém tak lze optimálně přizpůsobit těmto otáčkám. Regulátor otáček mění vstřikované množství paliva podle požado-

Oblasti použití vznětových motorů

Obrázek 1

1 Ventilový pohon

2 Injektor

3 Píst s čepem

a ojnicí

4 Chladič plnicího

vzduchu

5 Čerpadlo chladicí

kapaliny

6 Válec

4 | Oblasti použití vznětových motorů | Kritéria vlastností, Použití

2 Vznětový motor užitkového vozidla se systémem Common Rail (příklad)

21

3

4Nm

1000 1500

Otáčky n

Výk

on P

Toč

ivý

mom

ent M

2000 2500 min-1

0

kW

160

120

80

40

700

600

500400

UM

M06

04D

vaného zatížení. Pro tato použití jsou i na-dále používány vstřikovací systémy s me-chanickou regulací.

Také motory osobních a užitkových vozi-del lze použít jako stacionární motory. Re-gulace motoru však musí být případně při-způsobena změněným podmínkám.

Osobní a lehká užitková vozidlaZvláště od motorů osobních vozů (obr. 1) se očekává vysoká míra tažné síly a kula-tosti chodu. V této oblasti bylo dosaženo velkého pokroku díky zdokonaleným mo-torům a novým vstřikovacím systémům s elektronickou regulací vznětového mo-toru (Electronic Diesel Control, EDC). Díky tomu mohlo dojít od počátku 90. let k vý-raznému zlepšení chování motoru v oblasti výkonu a točivého momentu. Proto se do-kázal vznětový motor prosadit kromě ji-ného i do vozů vyšší třídy.

V osobních vozidlech se používají rych-loběžné motory s otáčkami do 5500 min-1. Spektrum sahá od 10 válců s 5000 cm3 v li-muzínách po 3 válce se zdvihovým obje-mem 800 cm3 v malých vozech.

Nové vznětové motory osobních vozů jsou v Evropě vyvíjeny již jen s přímým vstřiko-váním (DI, Direct Injection), neboť spo-třeba paliva je u motorů s přímým vstřiko-váním o cca 15…20% nižší než u komůrko-vých motorů. Tyto motory, dnes téměř výlučně vybavené přeplňováním, nabízejí zřetelně vyšší točivé momenty než srovna-telné zážehové motory. Maximálně možný točivý moment ve vozidle nebývá většinou určován motorem, nýbrž dostupnými pře-vodovkami.

Stále přísnější limity spalin a rostoucí vý-konové požadavky si vynucují vstřikovací systémy s velmi vysokými vstřikovacími tlaky. Rostoucí požadavky na emisní cho-vání představují i do budoucna výzvu pro konstruktéry vznětových motorů. Proto v budoucnu dojde k dalším změnám ze-jména v oblasti dodatečné úpravy spalin.

Obrázek 2

1 Alternátor

2 Injektor

3 Rail

4 Vysokotlaké

čerpadlo

Oblasti použití vznětových motorů | Použití | 5

3 Lodní vznětový motor se samostatnými jednoválcovými vstřikovacími čerpadly (příklad)

1

2

400 600 800 1000 min-1

Otáčky n

Výk

on P

kW

1600

1200

800

400

0

b

a

v

UM

M06

05D

Těžká užitková vozidlaMotory pro těžká užitková vozidla (obr. 2) musejí být především úsporné. Proto lze v této oblasti použití najít pouze vznětové motory s přímým vstřikováním (DI). Otáč-kový rozsah těchto středně rychloběžných motorů sahá do cca. 3500 min-1.

Rovněž limity spalin pro užitková vozidla se stále snižují. To znamená vysoké poža-davky též na příslušné vstřikovací systémy a vývoj nových systémů dodatečné úpravy spalin.

Stavební a zemědělské strojeStavební a zemědělské stroje představují klasickou oblast použití vznětových motorů. Při konstrukci těchto motorů je kromě hos-podárnosti kladen obzvláště vysoký důraz na robustnost, spolehlivost a snadnost ser-visu. Získání maximálního výkonu a optima-lizace hluku mají nižší důležitost než napří-klad u motorů osobních vozidel. Používají se zde motory s výkonem od cca. 3 kW až po výkon odpovídající těžkým užitkovým vozům. U stavebních a zemědělských strojů se používají mnohdy ještě vstřikovací sys-

témy s mechanickou regulací. Na rozdíl od všech ostatních oblastí použití, kde se pou-žívají převážně vodou chlazené motory, má u stavebních a zemědělských strojů stále velký význam robustní a jednoduše realizo-vatelné vzduchové chlazení.

LokomotivyMotory lokomotiv, podobně jako velké vznětové lodní motory, jsou konstruovány zvláště na trvalý provoz. Kromě toho mu-sejí případně zvládnout i horší kvalitu pa-liva. Jejich konstrukční velikost pokrývá rozsah od velkých motorů užitkových vo-zidel po střední lodní motory.

LoděPožadavky na lodní motory jsou podle ob-lasti použití velmi rozdílné. Existují výslovně vysoce výkonné motory pro například ná-mořní lodě nebo sportovní lodě. Zde se pou-žívají 4dobé středně rychloběžné motory s rozsahem otáček mezi 400…1500 min–1 s počtem válců až 24 (obr. 3). Na druhé straně nacházejí použití 2dobé velké mo-tory, konstruované na nejvyšší hospodár-nost v trvalém provozu. S těmito pomalo-

Obrázek 3

1 Dmychadlo

2 Setrvačník

a Výkon motoru

b Křivka jízdního

odporu

v Oblast omezení při

plném zatížení

6 | Oblasti použití vznětových motorů | Použití

1 Porovnávací údaje vznětových a zážehových motorů

Vstřikovací systém Jmen

ovit

é ot

áčky

n jm

en. [m

in-1]

Kom

pre

sní

po-

měr

« Stř

ední

tla

k 1 )

pe

[bar

]

Litr

ový

výko

np

e, s

pec

. [k

W/l

]

Výk

onov

á hm

ot-

nost

msp

ec. [

kg/k

W]

Měr

ná s

pot

řeb

a p

aliv

a 2 )

be

[g/k

Wh]

Vznětové motory

IDI 3) Atmosférické motory pro osobní vozy 3500…5000 20…24 7…9 20…35 5…3 320…240

IDI 3) Přeplňované motory pro osobní vozy 3500…4500 20…24 9…12 30…45 4…2 290…240

DI 4) Atmosférické motory pro osobní vozy 3500…4200 19…21 7…9 20…35 5…3 240…220

DI 4) Přeplňované motory pro osobní vozy s chladičem plnicího vzduchu

3600…4400 16…20 8…22 30…60 4…2 210…195

DI 4) Atmosférické motory pro užitkové vozy 2000…3500 16…18 7…10 10…18 9…4 260…210

DI 4) Přeplňované motory pro užitkové vozy 2000…3200 15…18 15…20 15…25 8…3 230…205

DI 4) Přeplňované motory pro užitkové vozy s chladičem plnicího vzduchu

1800…2600 16…18 15…25 25…35 5…2 225…190

Stavební a zemědělské stroje 1000…3600 16…20 7…23 6…28 10…1 280…190

Lokomotivy 750…1000 12…15 17…23 20…23 10…5 210…200

Lodě (4dobé) 400…1500 13…17 18…26 10…26 16…13 210…190

Lodě (2dobé) 50…250 6…8 14…18 3…8 32…16 180…160

Zážehové motory

Atmosférické motory pro osobní vozy 4500…7500 10…11 12…15 50…75 2…1 350…250

Přeplňované motory pro osobní vozy 5000…7000 7…9 11…15 85…105 2…1 380…250

Užitkové vozy 2500…5000 7…9 8…10 20…30 6…3 380…270

běžnými motory (n < 300 min-1) lze též do-sáhnout efektivní účinnosti až 55%, představující nejvyšší dosažitelnou účinnost u pístového motoru.Velké motory jsou poháněny většinou ce-nově výhodným těžkým olejem. K tomu je nutná nákladná příprava paliva na palubě. Palivo musí být v závislosti na kvalitě ohřáto až na 160 °C. Teprve tím klesne jeho viskozita na hodnotu, která umožní filtraci a čerpání.

Pro menší lodě se často používají motory, které jsou vlastně určené pro těžká užit-ková vozidla. Tím je k dispozici hospo-dárný pohon s nízkými vývojovými ná-klady. Rovněž v těchto aplikacích se musí regulace přizpůsobit změněnému profilu použití.

Vícepalivové motoryPro zvláštní potřeby (například pro použití v oblastech s velmi špatnou infrastruktu-

rou a pro vojenské potřeby) byly vyvinuty motory, schopné střídavého provozu na naftu, benzín a podobná paliva. V sou-časné době nemají téměř žádný význam, neboť s takovými motory nelze splnit dnešní požadavky na emisní a výkonové chování.

Charakteristiky motoru

Tabulka 1 ukazuje nejdůležitější porov-návací údaje různých vznětových a záže-hových motorů.

U zážehových motorů s přímým vstřiko-váním benzínu (BDE) se střední hodnota tlaku pohybuje o cca 10% výše než u mo-torů s nepřímým vstřikováním (vstřikování do sacího traktu), uvedených v tabulce. Měrná spotřeba paliva je přitom až o cca. 25% nižší. Kompresní poměr u těchto mo-torů dosahuje až « =13.

Tabulka 11) Ze středního tlaku

pe lze podle

následujícího

vzorce vypočítat

specifický točivý

moment Mspec. [Nm]

25 Mspez. =

p · pe

2) Nejlepší spotřeba3) IDI Indirect Inje-

ction (komůrkové

motory)4) DI Direct Injection

(motory s přímým

vstřikem)

Oblasti použití vznětových motorů | Použití, Charakteristiky motoru | 7

1 Čtyřválcový vznětový motor bez pomocných agregátů (schéma)

155

8

7

96

1

14

3

1213

2

1110

4

SM

M06

08Y

Vznětový motor je motor se samovzníce-ním s vnitřní tvorbou směsi. Vzduch po-třebný pro spalování je ve spalovacím prostoru silně stlačen. Při tom vznikají vysoké teploty, při nichž se vstřikované palivo samo vznítí. Chemická energie ob-sažená v palivu je vznětovým motorem přeměněna na mechanickou práci.

Vznětový motor je spalovací motor s nej-vyšší efektivní účinností (u velkých poma-loběžných motorů větší než 50%). S tím spojená nízká spotřeba paliva, spaliny s relativně nízkou úrovní škodlivin a pře-devším snížený hluk díky pilotnímu vstřiku dopomohly vznětovému motoru k velkému rozšíření.

Vznětový motor je obzvláště vhodný pro přeplňování. To zvyšuje nejen výkon a zlepšuje účinnost, nýbrž navíc snižuje škodliviny ve spalinách a hluk spalování.

K redukci emisí NOX u osobních a užitko-vých vozidel se do sacího traktu motoru zpětně přivádí část spalin (zpětné vedení

spalin, recirkulace spalin). Pro získání ještě nižších emisí NOX lze zpětně přivá-děné spaliny chladit.

Vznětové motory mohou pracovat jak na 2 dobém, tak na 4 dobém principu. V auto-mobilech se používají hlavně 4 dobé motory.

Způsob činnosti

Vznětový motor obsahuje jeden nebo více válců. Hořením směsi vzduchu s palivem je poháněn píst (obr. 1, pozice 3) příslušného válce (5) a provádí periodický pohyb nahoru a dolů. Podle tohoto principu činnosti byl motor pojmenován jako „pístový motor„.

Ojnice (11) převádí zdvihy pístů na rotační pohyb klikového hřídele (14). Setrvačník (15) na klikovém hřídeli vyrovnává pohyb a snižuje nerovnoměrnost otáčení, vznika-jící působením hoření na jednotlivé písty. Otáčky klikového hřídele jsou též nazý-vány otáčkami motoru.

Základy vznětového motoru

Obrázek 1

1 Vačkový hřídel

2 Ventily

3 Píst

4 Vstřikovací systém

5 Válec

6 Recirkulace spalin

7 Sací potrubí

8 Dmychadlo (zde

turbodmychadlo)

9 Výfukové potrubí

10 Chladicí systém

11 Ojnice

12 Mazací systém

13 Blok motoru

14 Klikový hřídel

15 Setrvačník

8 | Základy vznětového motoru | Způsob činnosti

2 Pracovní cyklus čtyřdobého vznětového motoru

a

d

V h

Vc

s

1 10

HÚ

DÚ

M

a

6

7

89

5

3

4

2

b c d

UM

M00

13-3

Y

Čtyřdobý proces U čtyřdobého vznětového motoru (obr. 2) řídí ventily pro výměnu plynu výměnu vzduchu a spalin. Otvírají nebo zavírají sací a výfukové kanály k válcům. Pro každý sací respektive výfukový kanál mohou být pou-žity jeden nebo dva ventily.

1. doba: sání (a)Vycházejíc z horní úvrati (HÚ), pohybuje se píst (6) dolů a zvětšuje objem ve válci. Otevřeným sacím ventilem (3) proudí vzduch bez předřazené škrticí klapky do válce. V dolní úvrati (DÚ) dosahuje objem válce své maximální hodnoty (Vh + Vc).

2. doba: komprese (b)Ventily pro výměnu plynu jsou nyní za-vřeny. Vzhůru stoupající píst stlačuje (komprimuje) vzduch uzavřený ve válci v takové míře, jak odpovídá provedenému kompresnímu poměru (od 6:1 u velkých motorů do 24:1 u osobních vozů). Vzduch se při tom zahřívá na teplotu až 900 °C. Na konci procesu stlačování vstřikuje vstřiko-vací tryska (2) palivo pod vysokým tlakem (v současnosti až 2200 bar) do zahřátého vzduchu. V horní úvrati je dosaženo mini-málního objemu (kompresní objem Vc).

3. doba: expanze (pracovní doba) (c)Po uplynutí průtahu vznícení (několik stupňů úhlu otočení klikového hřídele) za-číná pracovní doba (expanze). Jemně roz-prášené palivo se samo vznítí ve vysoce stlačeném horkém vzduchu ve spalovacím prostoru (5) a shoří. Tím se dále zahřívá náplň válce a tlak ve válci ještě narůstá. Energie uvolněná hořením je v podstatě určena hmotností vstřikovaného paliva (kvalitativní regulace). Tlak žene píst dolů, chemická energie se převádí na energii po-hybovou. Klikový mechanismus převádí pohybovou energii pístu na točivý mo-ment, jenž je pak k dispozici na klikovém hřídeli.

4. doba: výfuk (d)Již krátce před dolní úvratí se otevírá výfu-kový ventil (4). Horké plyny, nacházející se pod tlakem, proudí z válce. Vzhůru stou-pající píst vypuzuje zbývající spaliny.

Po každých dvou otáčkách klikového hří-dele začíná sáním nový pracovní cyklus.

Obrázek 2

a sání

b komprese

c expanze

d výfuk


sacích ventilů

2 Vstřikovací tryska

3 Sací ventil

4 Výfukový ventil

5 Spalovací prostor

6 Píst

7 Stěna válce

8 Ojnice

9 Klikový hřídel


výfukových ventilů

a Úhel natočení

klikového hřídele

d Vrtání

M Točivý moment

s Zdvih pístu

Vc Kompresní objem

Vh Zdvihový objem

HÚ Horní úvrať

DÚ Dolní úvrať

Základy vznětového motoru | Způsob činnosti | 9

4 Časování ventilového rozvodu ve stupních otočení klikového hřídele čtyřdobého vznětového motoru

PH

SZ

VO

VS VZ

HÚ

kom

pres

e

výfuk

expanze

sání

40…608

5…308

0…88

2…158

20…608 (708)

0…258

OV

DÚ

SO

UM

M06

10D

3 Nárůst teploty při kompresi

900

40

Zdvih pístu

Zápalná teplota palivavznětového motoruTe

plot

a ve

vál

ci

HÚ DÚ

C

SM

M06

09D

Časování ventilového rozvoduVačky na sacím a výfukovém vačkovém hřídeli otvírají a zavírají ventily pro vý-měnu plynu. U motorů s jen jedním vačko-vým hřídelem se zdvihy vaček přenáší na ventily pákovým mechanismem. Časování rozvodu udává časy otvírání a zavírání ventilů, vztažené na polohu klikového hří-dele (obr. 4). Udávají se proto ve „stupních úhlu otočení klikového hřídele“.

Klikový hřídel pohání vačkový hřídel po-mocí ozubeného řemenu (případně řetězu nebo ozubených kol). Pracovní cyklus ob-sahuje u čtyřdobého procesu dvě otáčky

klikového hřídele. Otáčky vačkového hří-dele jsou proto jen poloviční vůči otáčkám klikového hřídele. Převodový poměr mezi klikovým a vačkovým hřídelem je tedy 2 : 1.

Při přechodu mezi dobou výfuku a sání jsou v určitém rozsahu úhlů současně ote-vřené ventily sací i výfukové. Tímto pře-krytím ventilů se vyplachuje zbytek spalin a současně se válec chladí.

Stlačení (komprese)Ze zdvihového objemu Vh a kompresního objemu Vc vyplývá kompresní poměr «:

Vh + Vc« =

Vc

Komprese motoru má rozhodující vliv nachování při studeném startu, ▶

vytvářený točivý moment, ▶

spotřebu paliva, ▶

emise hluku ▶

emise škodlivin. ▶

Kompresní poměr « dosahuje u vzněto-vých motorů pro osobní a užitková vozidla podle konstrukce motoru a typu vstřiko-vání hodnot « = 16 :1…24:1. komprese je tedy větší než u zážehových motorů (« = 7:1…13 :1). Kvůli omezené odolnosti benzínu proti klepání by se tak při velkém kompresním poměru a z toho plynoucí vy-soké teplotě ve spalovacím prostoru směs vzduchu s palivem samovolně a nekontro-lovaně vzněcovala.

Vzduch se ve vznětovém motoru stlačuje na 30…50 barů (atmosférický motor) respek-tive na 70…150 barů (přeplňovaný motor). Při tom vznikají teploty v rozsahu 700…900 °C (obr. 3). Zápalná teplota pro nejsnáze vznětlivé složky paliva je asi 250 °C.

Bild 4

VO výfuk otevírá

VZ výfuk zavírá

PH počátek hoření

SO sání otevírá

SZ sání zavírá

OV okamžik vstřiku

HÚ horní úvrať pístu

DÚ dolní úvrať pístu

■ Překrytí ventilů

10 | Základy vznětového motoru | Způsob činnosti

Obrázek 3

HÚ Horní úvrať pístu

DÚ Dolní úvrať pístu

1 Průběh točivého momentu a výkonu dvou vzně-tových motorů se zdvihovým objemem cca 2,2 l v závislosti na otáčkách motoru (příklad)

Otáčky motoru n

0 1000 2000 3000 4000min-1

Výko

n P

Toči

vý m

omen

t M

75

0

25

50

kWa

b

300

0

100

200

N•m

2

2

1

1njmen

Mmax

Mmax

Pjmen

Pjmen

NM

M05

56-1

D

Točivý moment a výkon

Točivý momentOjnice převádí zdvihy pístů na rotační po-hyb klikového hřídele. Síla, s níž rozpína-jící se směs vzduchu a paliva žene píst směrem dolů, je tak prostřednictvím ra-mene páky klikového hřídele převáděna na točivý moment. Točivý moment M, odevzdávaný motorem, závisí na středním tlaku pe (střední tlak pístu, respektive střední pracovní tlak).

Platí:

M = pe · VH / (4 · p)

kdeVH je zdvihový objem motoru a p ≈ 3,14.

Střední tlak dosahuje u přeplňovaných malých vznětových motorů pro osobní vozy hodnot 8…22 barů. Pro porovnání: zážehové motory dosahují hodnot 7…11 barů.

Maximální dosahovaný točivý moment Mmax, který je motor schopen dodat, je ur-čen konstrukcí motoru (zdvihový objem, přeplňování atd.). Přizpůsobení točivého momentu požadavkům jízdního provozu se v zásadě provádí změnou hmotnosti vzduchu a paliva a rovněž tvorbou směsi.

Točivý moment s rostoucími otáčkami n narůstá až do maximálního točivého mo-mentu Mmax (obr. 1). Při vyšších otáčkách se točivý moment zase snižuje (maximální přípustné namáhání motoru, požadované jízdní chování, konstrukce převodovky).

Vývoj v technice motorů směřuje k tomu, aby maximální točivý moment byl k dispo-zici již při nižších otáčkách v oblasti od méně než 2000 min–1, neboť v tomto otáč-kovém rozsahu je nejpříznivější spotřeba paliva a jízdní vlastnosti jsou vnímány jako příjemné (dobré chování při rozjíždění).

VýkonMotorem odevzdávaný výkon P (vytvořená práce za čas) závisí na točivém momentu M a otáčkách n. Výkon motoru roste s otáč-kami, až dosáhne při jmenovitých otáč-kách njmen své jmenovité hodnoty Pjmen, představující maximum výkonu.

Platí vztah:

P = 2 · p · n · M

Obrázek 1a ukazuje porovnání vznětových motorů z roků výroby 1968 a 1998 a jejich typický průběh výkonu v závislosti na otáčkách.

Kvůli nižším maximálním otáčkám mají vznětové motory nižší výkon vztažený na zdvihový objem než motory zážehové. Mo-derní vznětové motory pro osobní vozidla dosahují jmenovitých otáček 3500…5000 min–1.

Obrázek 1

a Průběh výkonu

b Průběh točivého

momentu

1 Rok výroby 1968

2 Rok výroby 1998

Mmax maximální točivý

moment

Pjmen jmenovitý výkon

njmen jmenovité otáčky

Základy vznětového motoru | Točivý moment a výkon | 11

1 Seiligerův proces pro vznětový motor

Objem válce

Tlak

ve

válc

i

HÚ DÚ V

p

3

W

2

1

4

3'

qBp

qBV

qA

SM

M06

11D

Účinnost motoru

Spalovací motor vykonává práci pomocí změn tlaku a objemu pracovního plynu (náplně válce).

Efektivní účinnost motoru je poměr vlo-žené energie (palivo) a využitelné práce. Vyplývá z tepelné účinnosti ideálního pra-covního procesu (Seiligerův proces) a po-dílů ztrát reálného procesu.

Seiligerův procesSeiligerův proces lze uvést jako termody-namický srovnávací proces pro pístový motor a popisuje za ideálních podmínek teoreticky využitelnou práci. Pro tento ideální proces jsou přijímána následující zjednodušení:

ideální plyn jako pracovní médium ▶

plyn s konstantní měrnou tepelnou ▶

kapacitoužádné ztráty prouděním při výměně ▶

plynuStav pracovního plynu lze popsat údajem tlaku (p) a objemu (V). Změny stavu se zná-

zorňují v p-V diagramu (obr. 1), přičemž uzavřená plocha odpovídá práci, vykonané za jeden pracovní cyklus.

V Seiligerově procesu probíhají následující kroky:

Izoentropická komprese (1-2)Při izoentropické kompresi (stlačování při konstantní entropii, tzn. bez výměny tepla) narůstá tlak ve válci, zatímco objem klesá.

Izochorický přívod tepla (2-3)Směs začíná hořet. Přívod tepla (qBV) pro-bíhá při konstantním objemu (izocho-ricky). Tlak se při tom zvyšuje.

Izobarický přívod tepla (3-39)Další přívod tepla (qBp) se odehrává při konstantní tlaku (izobaricky), zatímco se píst pohybuje směrem dolů a objem na-růstá.

Izoentropická expanze (39-4)Píst se pohybuje dále směrem k dolní úvrati. Už se dále nekoná výměna tepla. Tlak klesá, zatímco objem narůstá.

Izochorický odvod tepla (4-1)Při výměně plynu se vypuzuje zbylé teplo (qA). To se děje při konstantní objemu (ne-konečně rychle a úplně). Tím je opět dosa-ženo výchozího stavu a začíná nový pra-covní cyklus

p-V-diagram reálného procesuAby bylo možné u reálného procesu stano-vit vykonanou práci, měří se průběh tlaku ve válci a zobrazuje se v p-V-diagramu (obr. 2). Plocha horní křivky odpovídá práci, vznikající na pístu válce.

Obrázek 1

1-2 Izoentropická

komprese

2-3 Izochorický přívod

tepla

3-39 Izobarický přívod

tepla

39-4 Izoentropická

expanze

4-1 Izochorický odvod

tepla

HÚ Horní úvrať pístu

DÚ Dolní úvrať pístu

qA unikající teplo při

výměně plynů

qBp spalné teplo při

konstantním tlaku

qBV spalné teplo

při konstantním

objemu

W theoretische Arbeit

12 | Základy vznětového motoru | Účinnost motoru

2 Reálný proces přeplňovaného vznětového motoru v p-V indikátorovém diagramu (zaznamenáno tlakovým snímačem)

WM

WG pU

Vc Vh

pZ

pL

Tla

k ve

vál

ci

Objem válce

HÚ

PH

VZVO

SZ

SO

DÚ

3 Průběh tlaku přeplňovaného vznětového motoru v diagramu tlak – klikový hřídel (p-a-diagram)

pU

pZ

Tla

k ve

vál

ci

Úhel klikového hřídele

PH

SO

VZ VO VZ

SZ SO

0 180 360 540 720

HÚ DÚ HÚ DÚ HÚ

SM

M06

13D

SM

M06

12D

Obrázek 3

VO výfuk otevírá

VZ výfuk zavírá


SO sání otevírá

SZ sání zavírá



pU tlak okolního vzduchu

pL plnicí tlak

pZ maximální tlak

ve válci

Základy vznětového motoru | Účinnost motoru | 13

Obrázek 2

VO výfuk otevírá

VZ výfuk zavírá


SO sání otevírá

SZ sání zavírá



pU tlak okolního vzduchu

pL plnicí tlak

pZ maximální tlak

ve válci

Vc kompresní objem

Vh zdvihový objem

WM indikovaná práce

WG práce při výměně

plynů (dmychadlo)

K tomu musí být u přeplňovaných mo-torů přičtena plocha výměny plynu (WG), neboť vzduch stlačený dmychadlem tlačí píst ve směru k dolní úvrati.

Ztráty způsobené výměnou plynu jsou v mnoha provozních bodech překompen-zovány dmychadlem, takže vzniká kladný příspěvek k vykonávané práci.

Zobrazení tlaku v závislosti na úhlu oto-čení klikového hřídele (obr. 3, předchozí strana) nachází využití např. při termody-namické analýze průběhu tlaku.

ÚčinnostEfektivní účinnost vznětového motoru je definována jako: Wehe =

WB

kde

We je efektivně využitelná práce na kliko-vém hřídeli.WB je tepelná hodnota dodaného paliva.

Efektivní účinnost he lze vyjádřit jako sou-čin termodynamické účinnosti ideálního procesu a dalších účinností, zohledňují-cích vlivy reálného procesu:

he = hth · hg · hb · hm = hi · hm

hth: termická účinnost hth je termická účinnost Seiligerova pro-cesu. Zohledňuje tepelné ztráty, vznikající v ideálním procesu a závisí v podstatě na kompresním poměru a vzdušném součini-teli.

Jelikož vznětový motor oproti motoru zážehovému pracuje s vyšším kompresním poměrem a s vyšším přebytkem vzduchu, dosahuje větší účinnosti.

hg: jakost hg gudává práci vytvořenou v reálném vy-sokotlakém pracovním procesu v poměru k teoretické práci Seiligerova procesu.

Odchylky reálného procesu od ideálního jsou dány v podstatě použitím reálného pracovního plynu, konečnou rychlostí pří-vodu a odvodu tepla, polohou přívodu tepla, tepelnými ztrátami na stěnách a ztrátami prouděním při výměně náplně.

hb: stupeň využití paliva hb zohledňuje ztráty, které vznikají kvůli nedokonalému spalování směsi ve válci.

hm: mechanická účinnost hm zahrnuje ztráty vzniklé třením a ztráty kvůli pohonu vedlejších agregátů. Ztráty vzniklé třením a hnací ztráty narůstají s otáčkami. Ztráty vzniklé třením se sklá-dají při jmenovitých otáčkách následovně:

písty a pístní kroužky (cca. 50%), ▶

ložiska (cca. 20%), ▶

olejové čerpadlo (cca. 10%), ▶

čerpadlo chladicí kapaliny (cca. 5%), ▶

pohon ventilů (cca. 10%), ▶

vstřikovací čerpadlo (cca. 5%). ▶

Přičteno musí být též mechanické dmychadlo.

hi: indikovaná účinnost Indikovaná účinnost udává poměr „indiko-vané“ práce, vznikající na pístu ve válci, k tepelné hodnotě dodaného paliva.

Efektivně využitelná práce We na kliko-vém hřídeli vychází z indikované práce se zohledněním mechanických ztrát:We = Wi · hm.

14 | Základy vznětového motoru | Účinnost motoru

1 Tlak a teplota na konci komprese v závislosti na otáčkách motoru

200 300100

tc

min–1

Kom

pres

ní tl

ak p

c

Otáčky motoru n

C

bar

Tepl

ota

na k

onci

ko

mpr

ese

t c

pc

UM

K07

91-1

D

2 Kompresní teplota v závislosti na úhlu otočení klikového hřídele

ta08 C

0

100

200

300

400

8C

1008 808 608 408 208 KWÚhel otočení klikového hřídele před HÚ

Kom

pres

ní te

plot

a

ta –208 C

at

tZ

UM

K07

94-1

D

Provozní stavy

StartStartování motoru zahrnuje procesy: roz-táčení, zapálení a rozběh motoru k samot-nému chodu.

Vzduch zahřátý v kompresním zdvihu musí zapálit vstříknuté palivo (začátek hoření). Potřebná minimální teplota vznícení pro palivo vznětového motoru je cca. 250 °C.

Tato teplota musí být dosažena i v nepří-znivých podmínkách. Nízké otáčky, nízké venkovní teploty a studený motor vedou k poměrně nízké teplotě na konci kom-prese, neboť:

▶ čím nižší jsou otáčky motoru, tím nižší je konečný kompresní tlak a tomu také od-povídající konečná teplota (obr. 1). Příči-nou toho jsou ztráty v důsledku netěs-nosti, vznikající v mezerách pístních kroužků mezi pístem a stěnou válce. Jsou způsobeny tím, že na počátku ještě chybí

tepelná roztažnost a rovněž není ještě vy-tvořen olejový film. Kvůli tepelným ztrá-tám během stlačování leží maximum kom-presní teploty několik stupňů před HÚ (termodynamický ztrátový úhel, obr. 2).u studeného motoru vznikají během ▶

kompresní doby větší tepelné ztráty po-vrchem spalovacího prostoru. U komůr-kových motorů (IDI) jsou tyto ztráty kvůli většímu povrchu obzvláště vysoké. tření v hnacím ústrojí je při nízkých tep- ▶

lotách kvůli vyšší viskozitě motorového oleje vyšší než při provozní teplotě. Z to-hoto důvodu a též kvůli nízkému napětí akumulátoru se dosahuje jen relativně malých otáček spouštěče.za studena jsou otáčky spouštěče ob- ▶

zvlášť nízké kvůli klesajícímu napětí akumulátoru.

Pro zvýšení teploty ve válci během fáze startování se podnikají následující opat-ření:

Obrázek 2

ta okolní teplota

tZ teplota vznícení

paliva vznětového

motoru

aT termodynamický

ztrátový úhel

n ≈ 200 min–1

Základy vznětového motoru | Provozní stavy | 15

3 Topný člen k ohřátí paliva

1

3

2

4

UM

K07

92-1

Y

4 Průběh teploty dvou žhavicích svíček na klidném vzduchu

0 10 20 30 40 50650

750

850

950

1050

s

8C1

2

Čas t

Tep

lota

T

UM

S06

65-2

D

Ohřívání palivaOhříváním palivového filtru nebo přímým ohříváním paliva (obr. 3) lze zabránit vylu-čování krystalů parafínu při nízkých teplo-tách (ve fázi startování a při nízkých ven-kovních teplotách).

Systémy pomoci při startováníU motorů s přímým vstřikováním (DI) pro osobní vozidla a u komůrkových motorů všeobecně se ve fázi startování směs vzdu-chu s palivem ve spalovacím prostoru (re-spektive v předkomůrce nebo vířivé ko-můrce) ohřívá pomocí žhavicích svíček. U motorů s přímým vstřikováním pro užit-ková vozidla se předehřívá nasávaný vzduch. Oba systémy pomoci při startování slouží ke zlepšení odpařování paliva a k přípravě směsi a tím spolehlivému vzplanutí směsi vzduchu s palivem.

Žhavicí svíčky novější generace potřebují jen dobu předžhavení několik sekund (obr. 4) a umožňují tak rychlý start. Nižší teplota dožhavení dovoluje kromě toho delší časy dožhavení. Tím se ve fázi zahří-vání motoru redukují jak emise škodlivin tak i emise hluku.

Přizpůsobení vstřikuOpatřením k podpoře startu je přidání větší startovací dávky paliva pro kompen-zaci kondenzačních ztrát a ztrát z důvodu netěsnosti na studeném motoru a ke zvět-šení momentu motoru ve fázi rozběhu.

Nastavení dřívějšího počátku vstřiku bě-hem fáze zahřívání slouží ke kompenzaci většího zpoždění zapálení při nízkých tep-lotách a k zajištění zapálení v oblasti horní úvrati, tzn. při nejvyšší kompresní teplotě.

Optimální počátek vstřiku musí být do-sahován s úzkou tolerancí. Palivo vstřiko-vané příliš brzy má kvůli ještě příliš níz-kému vnitřnímu tlaku ve válci (kompresní tlak) větší hloubku vniku a sráží se na chladných stěnách válce. Tak se odpaří jen v nepatrné míře, neboť v tomto okamžiku je ještě nízká teplota náplně válce.Při příliš pozdním vstřikování paliva na-stává zapálení až v expanzním zdvihu, a píst je už jen málo zrychlován nebo do-chází k výpadkům spalování.

Obrázek 4

Materiál regulační

spirály:

1 Nikl (běžná kolíková

žhavicí svíčka S-RSK)

2 Slitina CoFe (žha-

vicí svíčka

generace GLP2)

16 | Základy vznětového motoru | Provozní stavy

Obrázek 3

1 Palivová nádrž

2 Topný člen

3 Palivový filtr

4 Vstřikovací čerpadlo

Nulové zatíženíNulové zatížení označuje všechny pro-vozní stavy motoru, v nichž motor překo-nává jen svoje vnitřní tření. Neodevzdává žádný točivý moment. Poloha plynového pedálu může být libovolná. Jsou možné všechny oblasti otáček až po přeběhové otáčky.

VolnoběhVolnoběh označuje nejnižší otáčky s nulo-vým zatížením. Plynový pedál při tom není sešlápnutý. Motor neodevzdává žádný to-čivý moment, překonává jen vnitřní tření. V některých zdrojích je jako volnoběh označována celá oblast nulového zatížení. Horní otáčky s nulovým zatížením (přebě-hové otáčky) jsou pak nazývány horními volnoběžnými otáčkami.

Plné zatíženíPři plném zatížení je plynový pedál zcela sešlápnutý nebo je řízením motoru regulo-váno omezení dávky paliva při plném zatí-žení v závislosti na provozním bodu. Je vstřikováno maximálně možné množství paliva a motor stacionárně (beze změn) odevzdává svůj maximální točivý moment. Nestacionárně (s omezením plnicího tlaku) odevzdává motor s ohledem na vzduch, kte-rým je plněn, maximálně možný (nižší) to-čivý moment při plném zatížení. Jsou možné všechny oblasti otáček od volnoběž-ných až po jmenovité otáčky.

Částeční zatíženíČástečné zatížení zahrnuje všechny oblasti mezi nulovým zatížením a plným zatíže-ním. Motor odevzdává točivý moment mezi nulou a maximálním možným točivým mo-mentem.

Spodní oblast částečného zatíženíV této pracovní oblasti jsou zvláště příz-nivé hodnoty spotřeby v porovnání se zá-žehovým motorem. Dříve vytýkané „kle-pání, hlučný chod“ – zvláště u studeného motoru – se u motorů s předvstřikem už prakticky nevyskytuje.

Při nízkých otáčkách – jak je popsáno v od-stavci Start – a nízkém zatížení se konečná kompresní teplota snižuje. V porovnání s plným zatížením je spalovací prostor re-lativně studený (i u motoru zahřátém na provozní teplotu), jelikož přísun energie a tím i teploty jsou nízké. Po studeném startu se spalovací prostor při nízkém čás-tečném zatížení jen pomalu zahřívá. To platí zejména pro motory s předkomůrkou a vířivou komůrkou, neboť u nich jsou ob-zvláště vysoké tepelné ztráty kvůli velké ploše.

Při nízkém zatížení a při pilotním vstřiku se dávkuje jen několik málo mm3 paliva na vstřik. V takovém případě jsou kladeny zvláště vysoké požadavky na přesnost po-čátku vstřiku a vstřikovaného množství. Podobně jako při startování vzniká i při volnoběhu potřebná spalovací teplota jen v malém rozsahu zdvihu pístu u horní úvrati. Počátek vstřiku je proto nastaven velmi přesně.

Během fáze průtahu vznícení se smí vstři-kovat jen málo paliva, neboť palivo pří-tomné ve spalovacím prostoru v okamžiku zapálení rozhoduje o náhlém nárůstu tlaku ve válci. Čím je vyšší, tím hlučnější je spa-lování. Pilotní vstřik o velikosti cca. 1 mm3 (pro osobní vozidla) snižuje zpoždění za-pálení hlavního vstřiku téměř na nulu a tím podstatně snižuje hluk spalování.


5 Vstřikované množství v závislosti na otáčkách a poloze pedálu plynu (příklad)

B

Startovací množství

Linie plného zatížení

Požadavek výkonu

Odstavení

Otáčky motoru n

nA nD

mm3

zdvih

min–1

Vst

řikov

ané

mno

žstv

í QH C

D

A

40%

50%

70%

10%

SM

K18

76D

DeceleraceV deceleraci je motor poháněn zvenku prostřednictvím hnací soustavy (např. při jízdě z kopce). Nevstřikuje se žádné palivo (decelerační vypnutí).

Stacionární provozTočivý moment odevzdávaný motorem od-povídá požadovanému točivému mo-mentu, danému polohou plynového pe-dálu. Otáčky zůstávají konstantní.

Nestacionární provozTočivý moment odevzdávaný motorem ne-odpovídá požadovanému točivému mo-mentu. Otáčky se mění.

Přechod mezi provozními stavyMění-li se zatížení, otáčky motoru nebo poloha plynového pedálu, mění motor svůj provozní stav (např. otáčky motoru, točivý moment).

Chování motoru lze popsat pomocí polí charakteristik. Pole charakteristik na ob-rázku 5 ukazuje na příkladu, jak se mění otáčky motoru, když se mění poloha pe-dálu plynu z 40% na 70%. Vyjde-li se z pro-vozního bodu A, dosáhne se přes plné zatí-žení (B-C) nového provozního bodu D s částečným zatížením. V tomto bodě je požadavek výkonu a výkon odevzdávaný motorem stejný. Otáčky se při tom zvýší z nA na nD.


1 Vstřikované množství paliva v závislosti na otáčkách a zatížení s dodatečnou korekturou na teplotu a atmosférický tlak

Přizpůsobení

Přeplňovaný motor

Atmosférický motor

Odstavení

Otáčky motoru n

Korekce na atmosférický tlak

Korekce na teplotu

Volnoběh

Start

Vst

řikov

ané

mno

žstv

í Q

mm3

zdvih

min–1

Plné zatížení

UM

K07

88-1

D

Provozní podmínky

U vznětového motoru se palivo vstřikuje přímo do silně stlačeného horkého vzdu-chu, od nějž se samo zapaluje. Z tohoto dů-vodu a kvůli heterogenní (různorodé) směsi vzduchu a paliva – na rozdíl od záže-hového motoru – není vznětový motor vá-zán na hranice zápalnosti směsi (tzn. ur-čité hodnoty vzdušného součinitele l). Proto je výkon motoru při konstantním množství vzduchu ve válci regulován jen množstvím paliva.

Vstřikovací systém musí převzít dávkování paliva a rovnoměrné rozdělení v celé ná-plni – a to při všech otáčkách a zatíženích a rovněž v závislosti na tlaku a teplotě na-sávaného vzduchu.

Každý provozní bod tak vyžaduje správné množství paliva, ▶

ve správném okamžiku, ▶

se správným tlakem, ▶

ve správném časovém průběhu a ▶

na správném místě spalovacího prostoru. ▶

Při dávkování paliva musí být zohledněny kromě požadavků na optimální tvorbu směsi též provozní hranice jako např.:

hranice škodlivin (např. hranice ▶

kouřivosti),hranice špičkového tlaku spalování, ▶

hranice teploty spalin, ▶

hranice otáček a plného zatížení ▶

hranice zatížení specifické pro vozidlo ▶

a těleso/skříň výškové hranice / hranice plnicího tlaku. ▶

Hranice kouřivostiLegislativa předepisuje mezní hodnoty mezi jiným pro emise částic a pro kouři-vost. Jelikož tvorba směsi probíhá z velké části až během spalování, dochází k nad-měrným lokálním koncentracím paliva a tím částečně také při středním přebytku vzduchu k nárůstu emisí sazí (pevných částic). Provozně použitelný poměr vzdu-chu a paliva na zákonem stanovené hranici kouřivosti při plném zatížení je mírou kva-lity využití vzduchu.

Hranice tlaku spalováníBěhem procesu zapálení hoří částečně od-pařené a se vzduchem smíchané palivo při velkém stlačení s vysokou rychlostí a vyso-kou první špičkou uvolnění energie. Mluví se proto o „tvrdém“ spalování. Při tom vznikají vysoké špičkové tlaky spalování a vznikající síly způsobují periodicky se


2 Vývoj vznětových motorů pro osobní vozidlo střední třídy

Rok výroby1953 1961 1968 1976 1984 1995 2000

Točivý moment největšího motoru [Nm]Točivý moment nejmenšího motoru [Nm]

Varianty motoru

Jmenovitý výkon největšího motoru [kW]Jmenovitý výkon nejmenšího motoru [kW]

30 40 40 4059 53

80 70 75100

145

44

113 113123

150

250

126172

185210

470

101118

NM

M06

16D

měnící zatížení konstrukčních součástí. Di-menzováním a trvanlivostí komponent mo-toru a hnacího systému je tak omezen pří-pustný tlak spalování a tím vstřikované množství. Prudkému nárůstu tlaku spalo-vání se zabraňuje většinou pomocí pilot-ního vstřiku.

Hranice teploty spalinVysoké termické zatěžování konstrukčních součástí motoru, obklopujících horký spa-lovací prostor, tepelná odolnost výfuko-vých ventilů, výfukové soustavy a hlavy válců, to vše jsou faktory, určující hranici teploty spalin vznětového motoru.

Hranice otáčekKvůli existujícímu přebytku vzduchu u vznětového motoru závisí výkon při kon-stantních otáčkách v podstatě na vstřiko-vaném množství paliva. Je-li vznětovému motoru dodáno palivo, aniž by se snížil od-povídající točivý moment, rostou otáčky motoru. Není-li omezen přívod paliva před překročením kritických otáček, motor se „splaší“, nekontrolovaně se vytočí, což znamená, že se může sám zničit. Proto je u vznětového motoru nezbytně nutné ome-zení respektive regulace otáček.

U vznětového motoru jako pohonu sil-ničních vozidel musí být otáčky volitelné řidičem pomocí pedálu plynu. Při zatížení motoru nebo uvolnění pedálu plynu nesmí otáčky motoru klesnout pod hranici volno-běhu, kdy by se motor zastavil. K tomu účelu se používá regulátor volnoběhu a maximálních otáček. Otáčky v oblasti mezi volnoběžnými a maximálními jsou re-gulovány polohou plynového pedálu. Od vznětového motoru jako pohonu stroje se očekává, že i nezávisle na zatížení budou udrženy určité konstantní otáčky, respek-tive zůstanou v přípustných mezích. Ke splnění tohoto požadavku se používají va-riabilní regulátory, které regulují v celém otáčkovém rozsahu.

Pro provozní oblast motoru lze stanovit pole charakteristik. Toto pole charakteris-tik (obr. 1 na předchozí straně) ukazuje množství paliva v závislosti na otáčkách a zatížení a též potřebné korekce na tep-lotu a tlak vzduchu.

Výškové hranice / hranice plnicího tlakuDimenzování dávek paliva se obvykle pro-vádí pro nadmořskou výšku. Provozuje-li se motor ve velkých výškách nad mořem, musí se množství paliva odpovídajícím způsobem přizpůsobit poklesu tlaku vzdu-chu, aby byla dodržena hranice kouřivosti. Podle výškoměrné rovnice platí jako směrná hodnota snížení hustoty vzduchu 7% na 1000m výšky.

U přeplňovaných motorů je plnění válců v dynamickém provozu často nižší než v provozu stacionárním. Jelikož je maxi-mální dávka paliva dimenzována pro staci-onární provoz, musí se v dynamickém pro-vozu snížit, aby odpovídala sníženému množství vzduchu (plné zatížení omezené plnicím tlakem).


▶ Řády veličin vstřikování

Motor s výkonem 75 kW (102 k) a měrnou spotřebou paliva 200 g/kWh (plné zatížení) spotřebuje 15 kg paliva za hodinu. U čtyřdo-bého 4válcového motoru se množství paliva při otáčkách 2400 min-1 rozděluje na 288000 vstřiků. Z toho vychází na jeden vstřik objem paliva cca 60 mm3. Dešťová kapka má pro porovnání objem cca 30 mm3.

Ještě vyšší přesnost dávkování vyžaduje volnoběh s hodnotou cca. 5 mm3 paliva na vstřik a pouze 1 mm3 na pilotní vstřik. Už nejmenší odchylky působí negativně na klid chodu motoru a na emise hluku a škodlivin.

Vstřikovací systém musí jednak provádět přesné dávkování pro válec a rovněž musí zajistit rovnoměrné rozdělení paliva k jednot-livým válcům motoru. Elektronická regulace (EDC) přizpůsobuje vstřikované množství každému válci, aby se tak docílilo co nejrov-noměrnějšího chodu motoru.

Vstřikovací systém

Nízkotlaká část palivového systému čerpá palivo z nádrže a s určitým podávacím tla-kem je dává k dispozici vstřikovacímu sys-tému. Vstřikovací čerpadlo vytváří po-třebný tlak paliva pro vstřikování. U vět-šiny systémů se palivo dostává vysokotlakým potrubím ke vstřikovací trysce a s tlakem 200 – 2200 barů na vý-stupu trysky se vstřikuje do spalovacího prostoru.

Výkon odevzdávaný motorem, ale též hluk spalování a složení spalin jsou významnou měrou ovlivňovány vstřikovanou dávkou paliva, okamžikem vstřiku a průběhem vstřiku respektive průběhem spalování.

Až do 80.let dvacátého století bylo v moto-rech vozidel regulováno vstřikování, tzn. vstřikované množství paliva a počátek

vstřiku, výlučně mechanicky. Vstřikované množství bylo podle zatížení a otáček mě-něno regulační hranou pístu nebo šoupát-kem. Počátek vstřiku byl u mechanických čerpadel přestavován odstředivým regulá-torem nebo hydraulicky pomocí tlakového řízení.

V současnosti se v maximálním rozsahu prosadila elektronická regulace, a to nejen u vozidel. Elektronická regulace vzněto-vého motoru (EDC, Electronic Diesel Con-trol) při výpočtu vstřikování zohledňuje rozličné veličiny jako otáčky motoru, zatí-žení, teplotu, nadmořskou výšku atd. Re-gulace počátku vstřiku a množství vstřiko-vaného paliva je prováděna pomocí mag-netických ventilů a je podstatně přesnější než mechanická regulace.

Základy vznětového motoru | Vstřikovací systém | 21

1 Metoda přímého vstřiku

2

1

3

UM

K03

15-1

Y

Spalovací prostory

Tvar spalovacího prostoru spolurozhoduje o kvalitě spalování a tím o výkonu a emis-ním chování vznětového motoru. Tvar spa-lovacího prostoru při vhodném uzpůso-bení může s pomocí pohybu pístu vytvářet vířivé, vytěsňující (sekundární) a turbu-lentní proudění, které lze využít k rozdě-lení kapalného paliva nebo paprsku, tvoře-ného vzduchem a parami paliva, ve spalo-vacím prostoru.

Využívají se následující metody: nedělený spalovací prostor (Direct Inje- ▶

ction Engine, DI, motory s přímým vstři-kováním) adělený spalovací prostor (Indirect Inje- ▶

ction Engine, IDI, komůrkové motory).

Podíl motorů DI se díky jejich příznivější spotřebě paliva neustále zvětšuje (až 20% úspora paliva). Tvrdší hluk spalování (především při zrychlení) lze snížit na úro-veň komůrkových motorů použitím pilot-ního vstřiku. Při vývoji novinek už motory s dělenými spalovacími prostory téměř ne-přicházejí v úvahu.

Nedělený spalovací prostor (metoda přímého vstřikování)Motory s přímým vstřikováním (obr. 1) mají vyšší účinnost a pracují hospodárněji než komůrkové motory. Používají se proto u všech užitkových vozidel a u většiny no-vějších osobních vozidel.

U přímého vstřikování se palivo vstřikuje přímo do spalovacího prostoru, vytvoře-ného ve dně pístu (prohlubeň v pístu, 2). Rozprášení, zahřátí, odpaření a smíchání paliva se vzduchem musí proto nastávat krátce po sobě. Při tom jsou kladeny vy-soké nároky na přívod paliva a vzduchu.

Během sání a komprese se díky zvlášt-nímu tvaru sacího kanálu v hlavě válců tvoří ve válci vzduchový vír. Také tvaro-vání spalovacího prostoru přispívá k po-hybu vzduchu na konci kompresního zdvihu (tj. na počátku vstřikování). Z tvarů spalovacího prostoru, které se používaly v průběhu vývoje vznětových motorů, na-chází v současnosti nejširší použití prohlu-beň v pístu ve tvaru v.

Vedle dobrého rozvíření vzduchu musí být i palivo přiváděno rovnoměrně prostorově rozdělené, aby se docílilo rychlého smí-chání. U přímého vstřikování se používá víceotvorová tryska, u níž je poloha pa-prsku optimalizována tak, aby byla sladěna s konstrukcí spalovacího prostoru. Vstři-kovací tlak u přímého vstřikování je velmi vysoký (až 2200 barů).

V praxi jsou u přímého vstřikování pou-žívány dvě metody:

podpora přípravy směsi cíleným pohy- ▶

bem vzduchu aovlivnění přípravy směsi téměř vý- ▶

hradně vstřikováním paliva, přičemž se z velké části nebere ohled na pohyb vzduchu

Obrázek 1

1 Víceotvorová tryska

2 Prohlubeň

v pístu ve tvaru v

3 Kolíková žhavicí

svíčka

22 | Základy vznětového motoru | Spalovací prostory

2 Metoda s předkomůrkou

1

2

4

3 5

UM

K03

13-1

Y

V druhém případě se nevynakládá žádná práce k rozvíření vzduchu, což se proje-vuje nízkou ztrátou při výměně plynu a lepším plněním. Současně ale jsou značně vyšší nároky na vstřikovací vý-bavu, co se týče polohy vstřikovací trysky, počtu otvorů trysky, jemnosti rozprášení paliva (závislé na průměru vstřikovacích otvorů) a velikosti vstřikovacího tlaku, aby bylo dosaženo potřebné krátké doby vstřiku a dobré tvorby směsi.

Dělený spalovací prostor (nepřímé vstřikování)Vznětové motory s děleným spalovacím prostorem (komůrkové motory) měly dlouho výhody v emisích hluku a škodlivin oproti motorům s přímým vstřikováním. Byly proto používány u osobních a lehkých užitkových vozidel. Dnes však motory s přímým vstřikováním díky vysokému vstřikovacímu tlaku, elektronické regulaci a pilotnímu vstřiku pracují úsporněji než komůrkové motory a mají srovnatelné emise hluku. Proto se již komůrkové mo-tory v současném vývoji vozidel nepouží-vají.

U děleného spalovacího prostoru se rozli-šují dvě metody:

metoda s předkomůrkou a ▶

metoda s vířivou komůrky. ▶

Metoda s předkomůrkouU metody s předkomůrkou se palivo vstři-kuje do horké předkomůrky, umístěné v hlavě válců (obr. 2, pozice 2). Vstřikování při tom probíhá čepovou tryskou (1) pod relativně nízkým tlakem (do 450 barů). Speciálně uzpůsobená odrazná ploška (3) uprostřed komůrky rozděluje dopadající paprsek a intenzivně jej smíchává se vzdu-chem.

Spalování, nastávající v předkomůrce, žene částečně shořelou směs paliva se vzduchem proudovým kanálem (4) do hlavního spalovacího prostoru. Tam pro-bíhá během dalšího spalování intenzivní směšování s přítomným vzduchem. Poměr objemu předkomůrky a hlavního spalova-cího prostoru je asi 1:2.

Krátký průtah vznícení 1) a odstupňo-vané uvolňování energie vede k měkkému spalování s nízkou tvorbou hluku a zatíže-ním motoru.

Změněný tvar předkomůrky s odpařovací prohlubní a také změněný tvar a poloha odrazné plošky (kuličkový kolík) způso-bují vzduchu, proudícímu při stlačování z válce do předkomůrky, stanovenou ro-taci. Palivo je vstřikováno pod úhlem 5° vůči ose předkomůrky.

Aby nerušila průběh spalování, je kolíková žhavicí svíčka (5) umístěna ve „spodním“ proudu vzduchu. Řízené dožhavení až do 1 minuty po studeném startu (závislé na teplotě chladicí kapaliny) přispívá ke zlep-šení emisí a snížení hluku ve fázi zahří-vání.

Obrázek 2


2 Předkomůrka

3 Odrazná ploška

4 Proudový kanál


svíčka

Základy vznětového motoru | Spalovací prostory | 23

1) Čas od počátku

vstřiku k počátku

vznícení

▶ Metoda M

U způsobu přímého vstřikování na stěnu pro-hlubně ve dně pístu (metoda M, Muldenwan-danlagerung) pro vznětové motory užitkových vozů a stacionární motory a též vícepalivové motory je palivo nízkým vstřikovacím tlakem vstřikováno jednopaprskovou tryskou cíleně na stěnu ve spalovacím prostoru. Zde se pa-livo odpařuje a je odnášeno vzduchem. Tato metoda tak využívá teplo stěny prohlubně k odpaření paliva. Při správném sladění pohybu vzduchu ve spalovacím prostoru lze docílit

velmi homogenních směsí paliva se vzduchem s dlouhou dobou hoření, nízkým nárůstem tlaku a tím pádem tichým spalováním. Kvůli své nevýhodě co se týče spotřeby v porovnání s metodou pří-mého vstřikování, rozdělující vzduch, se již metoda M v současnosti nepo-užívá.

UM

K07

86-1

Y

3 Metoda s vířivou komůrkou

2

3

1

UM

K03

14-1

Y

Metoda vířivé komůrkyU této metody se hoření zahajuje rovněž ve vedlejším prostoru (vířivá komůrka), majícím cca. 60% kompresního objemu. Vířivá komůrka kulovitého nebo kotoučo-vitého tvaru je spojena s prostorem válce prostřednictvím tangenciálně vyúsťujícího „vystřelovacího“ kanálu (obr. 3, pozice 2).

Během doby komprese je kanálem vstupu-jící vzduch uváděn do rotačního pohybu. Palivo se vstřikuje tak, aby pronikalo ví-rem kolmo k jeho ose a vystupovalo na protilehlé straně komůrky v horké stěnové zóně.

Na začátku spalování je směs vzduchu a paliva tlačena kanálem do prostoru válce a silně rozvířena se zbylým spalovacím vzduchem, který ještě zůstal ve válci. U metody s vířivou komůrkou jsou ztráty prouděním mezi hlavním spalovacím pro-storem a vedlejší komůrkou nižší než u metody s předkomůrkou, neboť pře-pouštěcí průřez je větší. To vede k menším ztrátám škrcením s odpovídající výhodou pro vnitřní účinnost a spotřebu paliva. Hluk spalování je však vyšší než u metody s předkomůrkou.

Je důležité, aby tvorba směsi probíhala co možná nejúplněji ve vířivé komůrce. Uzpů-sobení vířivé komůrky, uspořádání a tvar paprsku trysky a také poloha žhavicí svíčky se musí pečlivě přizpůsobit motoru, aby bylo docíleno dobré přípravy směsi při všech otáčkách a stavech zatížení.

Dalším požadavkem je rychlé ohřátí vířivé komůrky po studeném startu. Tím se sni-žuje průtah vznícení a vzniká nižší hluk spalování a při zahřívání nevznikají ve spalinách žádné nespálené uhlovodíky (modrý kouř).

Obrázek 3


2 Tangenciální

„vystřelovací“ kanál


svíčka

24 | Základy vznětového motoru | Spalovací prostory

▶ Historie vstřikování nafty

Na konci roku 1922 začal u firmy Bosch

vývoj vstřikovacího systému pro vznětové

motory. Technické předpoklady byly příz-

nivé: Bosch disponoval zkušenostmi se

spalovacími motory, výrobní technika byla

vysoce rozvinutá a především mohly být

využity znalosti, které byly shromážděny

při vývoji mazacích čerpadel. Přesto to

byla od Bosche velká odvaha, neboť bylo

nutno vyřešit mnoho úkolů.

V roce 1927 byla sériově vyrobena

první vstřikovací čerpadla. Přesnost

těchto čerpadel byla tehdy jedinečná.

Čerpadla byla malá, lehká a umožňovala

vysoké otáčky vznětového motoru. Tato

řadová vstřikovací čerpadla byla od roku

1932 používána v užitkových vozidlech a

od roku 1936 též ve vozidlech osobních.

Vývoj vznětového motoru a vstřikovacích

zařízení od té doby neustále pokračoval.

V roce 1962 dalo Boschem vyvinuté

rotační vstřikovací čerpadlo s automatic-

kým přesuvníkem vstřiku vznětovému mo-

toru nový stimul. O více než dvě deseti-

letí později následovala elektronická re-

gulace vznětového motoru, připravená

firmou Bosch k sériové výrobě po dlou-

hém výzkumu.

Stále přesnější dávkování nejmenších

množství paliva přesně v pravém oka-

mžiku a zvyšování vstřikovacího tlaku je

trvalou výzvou pro vývojové pracovníky.

To vede k mnoha novým inovacím v ob-

lasti vstřikovacích systémů (viz obrázek).

Ve spotřebě a využití paliva dnes

stejně jako dříve vznětový motor předsta-

vuje „benchmark“ (tj. nastavuje měřítko).

Nové vstřikovací systémy pomáhaly

pozvednout další potenciál. Navíc se mo-

tory stávaly stále výkonnějšími, zatímco

emise hluku a škodlivin se dále snižovaly!

▶ Milníky vstřikování nafty

1927První sériové řadovévstřikovací čerpadlo

1962První rotační vstřikovacíčerpadlo VM s axiálním pístem

1986První elektronicky regulované rotačnívstřikovací čerpadlos axiálním pístem

1994První systém sdruženého vstřikovače UIS pro užitková vozidla

1995První systém sdruženéhočerpadla

1997První vstřikovací se společným zásobníkemCommon Rail

1998První systém UIS pro osobní vozidla

1996První rotační vstřikovacíčerpadlo s radiálním pístem

UM

K17

53D

Historie vstřikování nafty | 25

1 Evropská norma EN 590: Vybrané požadavky na paliva vznětového motoru (při klimaticky závislých požadavcích uvedeny hodnoty pro mírné klima)

Kritérium Parametr Jednotka

Cetanové číslo ≥ 51 –

Cetanový index ≥ 46 –

CFPP 1) v šesti sezónních třídách, max.

+ 5… – 20 2) °C

Bod vzplanutí ≥ 55 °C

Hustota při 15 °C 820…845 kg/m3

Viskozita při 40 °C 2,00…4,50 mm2/s

Mazací schopnost ≤ 460 mm (průměr stopy opotřebení)

Obsah síry 3) ≤ 350 (do 31.12.2004); ≤ 50 (s nízkým obsahem síry, 2005 – 2008); ≤ 10 (bez síry, od 2009) 4)

mg/kg

Obsah vody ≤ 200 mg/kg

Celkové znečištění ≤ 24 mg/kg

Obsah metylesteru mastných kyselin

≤ 5 Vol.-%

1) hraniční hodnota filtrovatelnosti2) určují jednotlivé státy, pro Německo 0…-20 °C3) v Německu je palivo bez síry od roku 2003 a v EU od roku 2005 nabízeno plošně 4) návrh EU

Paliva pro vznětové motory se získávají postupnou destilací z ropy. Skládají se z velkého počtu jednotlivých uhlovodíků, které mají bod varu zhruba mezi 180° C a 370° C. Palivo vznětového motoru se vzněcuje v průměru při teplotě cca. 350° C (spodní hranice 220° C), což je velmi brzy v porovnání se zážehovým motorem (v průměru při teplotě 500° C).

Palivo vznětového motoru (motorová nafta)K pokrytí rostoucí poptávky po palivech pro vznětové motory přidávají rafinerie ve stále větší míře do paliva vznětových mo-torů též konverzní produkty, tzn. kompo-nenty tepelného a katalytického krako-vání. Získávají se z těžkého oleje štěpením velkých molekul.

Kvalita a parametryPožadavky na paliva pro vznětové motory jsou v Evropě stanoveny normou EN 590. Nejdůležitější parametry ukazuje tabulka

1. Stanovení mezních hodnot má sloužit k zajištění hladkého jízdního provozu a li-mitování škodlivin.

Jiné státy a regiony mají méně přísné pa-livové normy. Například americká norma pro paliva vznětových motorů ASTM D975 předepisuje méně kvalitativních kritérií a stanoví méně těsné mezní hodnoty. Též požadavky na paliva pro lodní a stacio-nární motory jsou daleko menší.

Vysoce kvalitní palivo pro vznětový motor je charakterizováno následujícími znaky:

vysoké cetanové číslo, ▶

relativně nízký konec destilace, ▶

hustota a viskozita s malým rozptylem, ▶

nízký obsah aromatických a obzvláště ▶

polyaromatických uhlíkových sloučenin a rovněž nízký obsah síry ▶

Pro dlouhou životnost a neměnnou funkci vstřikovacích systémů jsou kromě toho zvlášť důležité:

Paliva

Tabulka 1

26 | Paliva | Palivo vznětového motoru

1 Porovnávací paliva pro měření cetanového čísla

H H

H

H

C

C

H

H C

C C

H

H

H H C

C C

C C C

C H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C C C C C C C C C C C C C C C H

Cetan (n-Hexandekan C16 H34)Velmi vznětlivý (cetanové číslo 100)

aa-metylnaftalen (C11 H10)nevznětlivý (cetanové číslo 0)

SM

K18

77D

Obrázek 1

C uhlík

H vodík

— chemická vazba

dobrá mazací schopnost, ▶

žádný obsah volné vody a ▶

omezení znečištění částicemi ▶

Nejdůležitější parametry jednotlivě jsou: Cetanové číslo, cetanový indexCetanové číslo popisuje vznětlivost paliva vznětového motoru. Je tím větší, čím snáze se palivo zapaluje. Jelikož vznětový motor pracuje bez vnějšího zapalování, musí se palivo vstřiknuté do horkého stlačeného vzduchu v co možná nejkratší době ve spa-lovacím prostoru samovznítit. Velmi vznětlivému n-hexadekanu (cetan) je přiřazeno cetanové číslo 100, nevznětli-vému metylnaftalénu cetanové číslo 0. Ce-tanové číslo paliva vznětového motoru je určováno v normovaném jednoválcovém zkušebním motoru CFR 1) s variabilním kompresním pístem. Při konstantním prů-tahu vznícení je zjišťován kompresní po-měr. Srovnávací paliva z cetanu a a-metyl-naftalénu (obr. 1) jsou provozována při zjištěném kompresním poměru. Poměr mí-šení se mění tak dlouho, až se získá stejný průtah vznícení. Podle definice je podílem cetanu dáno cetanové číslo. Příklad: směs 52% cetanu a 48% a-metylnaftalenu má cetanové číslo 52.

Pro optimální provoz moderních motorů (klid chodu, emise škodlivin) jsou žádoucí cetanová čísla větší než 50. Kvalitní paliva pro vznětové motory obsahují vysoký po-díl parafínů s vysokými hodnotami cetano-vého čísla. Aromatické uhlíkové slouče-niny naproti tomu snižují vznětlivost.

Dalším parametrem vznětlivosti je ceta-nový index, který lze vypočítat z hustoty paliva a z destilační křivky (křivka bodů varu). Tato čistě početní veličina nezo-hledňuje vliv „zlepšovačů zapálení“ na vznětlivost. Aby se omezilo nastavení ceta-nového čísla prostřednictvím zlepšovačů zapálení, byly v normě EN 590 zahrnuty do seznamu požadavků jak cetanové číslo, tak cetanový index. Paliva, jejichž cetanové číslo bylo zvýšeno použitím zlepšovačů za-

pálení, se při spalování v motorech chovají jinak než paliva se stejně vysokým přiro-zeným cetanovým číslem. Oblast varuOblast varu paliva, tzn. teplotní oblast, v níž se palivo odpařuje, závisí na jeho slo-žení.

Nízký počátek varu vede k palivu, vhod-nému pro chladné podmínky, ale také k nízkým cetanovým číslům a špatným ma-zacím schopnostem. Tím se zvyšuje nebez-peční opotřebení vstřikovacích agregátů.

Leží-li naproti tomu konec destilace v oblasti vysokých teplot, m ůže to vést ke zvýšené tvorbě sazí a zakarbonování try-sek (tvorba usazenin chemickým rozkla-dem těžkotěkavých složek paliva na vr-cholu trysky a ukládání zbytků po spalo-vání). Proto by konec destilace neměl ležet příliš vysoko. Požadavek asociace evrop-ských výrobců automobilů (ACEA) je okolo 350° C.

Paliva | Palivo vznětového motoru | 27

1) Cooperative Fuel

Research (společný

výzkum paliv)

Hranice filtrovatelnosti (chování za studena)Vylučováním krystalů parafínu může dojít při nízkých teplotách k ucpání palivového filtru a tím k přerušení dodávky paliva. Po-čátek vylučování parafínu může nastávat v nepříznivých případech již při teplotě cca. 0° C nebo i vyšší. Odolnost paliva proti chladu je posuzována na základě „mezní hodnoty filtrovatelnosti“ (CFPP: Cold Filter Plugging Point, tj. bod ucpání filtru za nízké teploty).

V normě EN 590 je CFPP definován v ně-kolika třídách, které si jednotlivé státy mo-hou určit v závislosti na geografických a klimatických podmínkách.

Dřív bylo k palivu vznětového motoru pro zlepšení odolnosti proti chladu příle-žitostně přimícháváno do nádrže vozu tro-chu benzínu. Při existenci paliv odpovída-jících normě to již není nutné a kromě toho by to vedlo při výskytu poškození ke ztrátě veškerých nároků na garanci Bod vzplanutíPod pojmem bod vzplanutí se rozumí tep-lota, při níž se z hořlavé kapaliny odpaří do okolního vzduchu právě tolik par, aby nějaký zapalovací zdroj mohl zažehnout směs vzduchu a par, přítomnou nad kapa-linou. Z bezpečnostních důvodů (např. pro transport a skladování) má palivo pro vznětové motory patřit do třídy nebezpeč-nosti A III, tj. bod vzplanutí leží nad 55° C. Již podíl motorového benzínu v palivu vznětového motoru menší než 3% může tak silně snížit bod vzplanutí, že je možné vznícení při pokojové teplotě.

HustotaObsah energie paliva vznětového motoru na jednotku objemu se zvětšuje se stoupa-jící hustotou. Když se při neměnném na-stavení vstřikovacího čerpadla (tzn. při konstantním objemovém dávkování) pou-žijí paliva s velmi odlišnými hustotami, po-

vede to kvůli kolísání výhřevnosti k po-suvu (změně) směsi.

Při provozu s vyšší hustotou paliva, zá-visející na druhu, se zvyšuje výkon a emise sazí; při klesající hustotě se výkon a emise snižují. Proto je pro palivo vznětového mo-toru požadován malý druhově závislý roz-ptyl hustoty. ViskozitaViskozita je měřítkem vazkosti paliva, tzn. odporu, který se kvůli vnitřnímu tření vy-skytuje při tečení. Příliš nízká viskozita paliva vede ke zvýšeným ztrátám netěs-nostmi ve vstřikovacím čerpadle a tím k nedostatku výkonu.

Značně vyšší viskozita – například při použití FAME (Fatty Acid Methyl Ester - metylester mastných kyselin, bionafta) – vede u systémů, v nichž není regulován tlak (např. jednotka čerpadlo – tryska , PDE), ke zvýšení špičkového vstřikovacího tlaku při vysokých teplotách. Palivo z mi-nerálních olejů se proto v těchto systé-mech nesmí použít na maximální pří-pustný systémový tlak. Vysoká viskozita vede kromě toho ke změně obrazu roz-střiku kvůli tvorbě větších kapiček. Mazací schopnost („kluzkost, mazivost“)Pro odsíření paliva pro vznětový motor se palivo hydrogenuje. Tento hydrogenační proces odstraňuje vedle síry také polární složky paliva, které dobře mažou. Po zave-dení odsířených paliv došlo v praxi kvůli nedostatečným mazacím schopnostem k problémům s opotřebením vstřikovacích čerpadel. Proto se paliva vznětových mo-torů ředí přípravky pro zlepšení mazacích schopností.


2 Zkouška opotřebení k určení mazací schopnosti paliv vznětových motorů

65431 2

SM

K20

04Y

Mazací schopnost se měří zkouškou opo-třebení kmitáním (metoda HFRR: High Frequency Reciprocating Rig – vysokofrek-venční kmitací soustava). Pevně upnutá ocelová kulička je k tomu účelu smýkána s vysokou frekvencí po desce pod hladinou paliva. Velikost vzniklého zahloubení, tzn. průměr kulové prohlubně od ocelové ku-ličky (WSD: Wear Scar Diameter- průměr stopy opotřebení, měřený v μm), slouží jako údaj opotřebení a tedy jako měřítko mazací schopnosti paliva.

Paliva pro vznětové motory podle normy EN 590 musí vykazovat WSD ≤ 460 μm. Obsah síryPodle kvality ropy a složek, použitých k je-jímu zředění, obsahují paliva pro vznětové motory síru v chemicky vázané podobě. Zvláště komponenty vzniklé krakováním (štěpením) mají většinou vysoký obsah síry. K odsíření paliva se síra odnímá ze středního destilátu v přítomnosti katalyzá-toru při vysokém tlaku a vysoké teplotě pomocí vodíkového zpracování (hydroge-nace). Při tomto postupu se nejprve tvoří sirovodík (H2S), který se poté přemění na elementární síru.

Od začátku roku 2000 povoluje norma EN 590 maximální obsah síry v palivu 350 mg/kg. Od roku 2005 musí mít v celé Evropě všechna paliva pro zážehové i vznětové mo-

tory nízký obsah síry (obsah síry < 50 mg/kg). Od roku 2009 mají být používána již jen paliva bez síry (obsah síry < 10 mg/kg).

Od roku 2003 se v Německu vybírá po-kutová daň za paliva, obsahující síru. Proto je na německém trhu už jen palivo bez síry pro vznětové motory, čímž se snížily jak přímé emise SO2 (kysličník siřičitý), tak hmotnost pevných částic (v sazích vázaný síran). Systémy pro dodatečnou úpravu spalin jako filtry NOX a filtry pevných částic pou-žívají katalyzátory. Musí být provozovány s palivem bez síry, neboť síra způsobuje otravu aktivního povrchu katalyzátoru. Sklon ke karbonizaci Sklon ke karbonizaci je měřítkem ten-dence paliva k tvorbě usazenin na vstřiko-vacích tryskách. Procesy při karbonizaci jsou velmi složité. Ke karbonizaci přispí-vají především složky, které obsahuje pa-livo na konci destilace (zvláště z podílů vzniklých krakováním).

Celkové znečištěníCelkovým znečištěním se označuje součet nerozpuštěných cizích látek v palivu, jako např. písek, rez a nerozpuštěné organické složky, k nimž patří též polymery stárnutí. Norma EN 590 připouští maximálně


Obrázek 2

1 Vana s palivem

2 Zkušební kulička

3 Vyvolané zatížení

4 Zkušební deska

5 Zařízení pro ohřev

6 Kmitavý pohyb

24 mg/kg. Zejména velmi tvrdé křemiči-tany, které se vyskytují v minerálním pra-chu, jsou škodlivé pro vysokotlaké vstřiko-vací systémy, vyrobené s úzkými vůlemi. Již zlomek celkové přípustné hodnoty těchto tvrdých částic může vyvolat ero-zivní a abrazivní opotřebení (např. v sedle magnetických ventilů). Opotřebením mo-hou vznikat netěsnosti, které mají za ná-sledek pokles vstřikovacího tlaku a vý-konu motoru, případně nárůst emisí pev-ných částic.

Typická evropská paliva pro vznětové motory obsahují okolo 100 000 částic na 100 ml. Zvláště kritické jsou velikosti čás-tic 6 až 7 mm. Výkonné palivové filtry s velmi dobrým stupněm zachycení mohou přispět k zabránění škod, způsobovaných částicemi.

Voda v palivu vznětového motoruPalivo pro vznětový motor může pojmout vodu v množství asi 100 mg/kg. Hranice rozpustnosti je určena složením paliva a okolní teplotou.

Norma EN 590 připouští maximální ob-sah vody 200 mg/kg. Ačkoliv v mnoha stá-tech se v palivu vznětových motorů vysky-tují značně vyšší množství vody, průzkumy paliva na trhu ukazují, že množství vody je zřídka nad 200 mg/kg. Při odběru vzorků většinou není přítomná voda zjištěna nebo jen částečně, neboť se jako nerozpuštěná „volná“ voda vylučuje na stěnách nebo se usazuje jako oddělená fáze na dně. Za-tímco rozpuštěná voda vstřikovacímu sys-tému neškodí, může volná voda již v nepa-trném množství po krátké době způsobit škody na vstřikovacím čerpadle. Pronikání vody do palivové nádrže kon-denzací ze vzduchu nelze zabránit. Proto jsou v určitých regionech předepsány od-lučovače vody. Dále musí výrobce vozidla konstrukčně uzpůsobit odvětrání nádrže a hrdlo nádrže tak, aby se vyloučil doda-tečný přístup vody.

▶ Parametry paliv

Výhřevnost, spalné teploPro vyjádření vnitřní energie paliva se obvykle udává měrná výhřevnost HU (dříve: spodní hod-nota výhřevnosti). Měrná výhřevnost HO (dříve: horní hodnota výhřevnosti nebo spalné teplo) je u paliv, v jejichž produktech hoření se vyskytuje vodní pára, vyšší než spodní hodnota vý-hřevnosti HU, neboť spalné teplo zohledňuje i teplo, vázané ve vodní páře (latentní teplo). Tento podíl však ve vozidlech není využíván. Specifická výhřevnost paliva vznětového motoru činí 42,5 MJ/kg Kyslíkatá paliva jako alkohol, éter nebo metylester mastných kyselin mají nižší výhřevnost než čisté uhlovodíkové látky, neboť kyslík, který je v nich vázán, se nepodílí na spalování. Pro dosažení stejného výkonu jako s bezkyslíkatými palivy je třeba větší množství paliva. Výhřevnost směsiVýhřevnost hořlavé směsi vzduchu s palivem určuje výkon motoru. Při stejném stechiometric-kém poměru je pro všechna kapalná paliva a zkapalněné plyny téměř stejně velká (cca. 3,5…3,7 MJ/m3).



AditivaPřidávání aditiv pro zlepšení kvality se u paliv vznětových motorů široce prosa-dilo. Při tom se používají většinou balíky aditiv, mající rozmanité účinky. Celková koncentrace aditiva je všeobecně < 0,1%, takže se nemění fyzikální parametry paliv jako jsou hustota, viskozita a průběh desti-lace. Zlepšovače mazací schopnostiZlepšení mazací schopnosti paliva se špat-nými mazacími vlastnostmi lze dosáhnout přidáním mastných kyselin, esterů mast-ných kyselin nebo glycerínů. Též bionafta je ester mastných kyselin. Proto se do pa-liv vznětových motorů, když už obsahují podíl bionafty, již dodatečně nepřimíchá-vají zlepšovače mazacích schopností.

Zlepšovače zapálení (Cetane improver = „cetanový zlepšovač“)U zlepšovačů zapálení se jedná o ester ky-seliny dusičné z alkoholů, které zkracují průtah vznícení. Tím se snižují emise a hluk spalování.

Zlepšovače tečeníZlepšovače tečení se skládají z polymer-ních látek, které snižují mezní hodnotu fil-trovatelnosti. Všeobecně bývají přidávány jen v zimě (bezporuchový provoz za stu-dena). Přidáním zlepšovače tečení sice ne-lze zabránit vylučování krystalů parafínu z paliva, ale lze jejich růst velmi silně ome-zit. Vznikající krystalky jsou pak tak malé, že ještě projdou přes póry filtru. DetergentyDetergenty jsou čisticí aditiva, která jsou přidávána pro udržení čistoty přívodního systému. Detergenty mohou zabránit tvorbě usazenin a omezit karbonizaci na vstřikovací trysce. Inhibitory koroze (zpomalovače koroze)Inhibitory koroze se vážou na povrchy ko-vových částí a chrání tak před korozí při vniku vody. Protipěnicí prostředkyPřílišnému pěnění při rychlém tankování lze zabránit příměsí odpěňovadel. .

2 Vliv nejdůležitějších aditiv pro paliva vznětových motorů

Aditivní složka Účinek

Zlepšovače zapálení zvýšení cetanového čísla

zlepšenístartu motoru, ▶bílého kouře z výfuku, ▶hluku motoru, ▶emisí spalin ▶spotřeby paliva ▶

Detergenty vstřikovací trysky zůstanou čistší

Zlepšovače tečení lepší provozní bezpečnost při nízkých teplotách

Aditiva proti usazování vosku lepší odolnost při skladování při nízkých teplotách

Zlepšovače mazacích schopností nižší opotřebení součástí vstřikování, zvláštěpři použití vodíkem zpracovaných paliv s nízkýmobsahem síry

Protipěnicí aditiva pohodlné tankování (menší vyšplouchnutí)

Aditiva na ochranu systemu proti korozi (inhibitory)

ochrana palivového systému Tabulka 2

1 Evropská norma EN 14214: vybrané požadavky na metylester mastných kyselin (FAME)

Kriterium Veličina Jednotka

CFPP 1) v šesti sezónníchtřídách, max.

+ 5… – 20 2) °C

Bod vzplanutí ≥ 120 °C

Hustota při 15 °C 860…900 kg/m3

Viskozita při 40 °C 3,5…5,0 mm2/s

Obsah síry 10 mg/kg

Obsah vody ≤ 500 mg/kg

1) mezní hodnota filtrovatelnosti, zde pro mírné klima 2) určováno jednotlivými státy, pro Německo 0... – 20 °C

Alternativní paliva

K alternativním palivům pro vznětové mo-tory patří biogenní paliva a v širším smyslu též fosilní paliva, která nejsou vyráběna z ropy. Dnes mají význam především es-tery rostlinných olejů.

Alkoholy (metanol a etanol) se u vzněto-vých motorů používají jen v malém rozsahu a pouze jako emulze s naftou.

Metylestery mastných kyselin (FAME)Metylestery mastných kyselin (FAME: Fatty Acid Methyl Ester) – hovorově bio-nafta – jsou metanolem esterifikované rost-linné nebo živočišné oleje nebo tuky. Me-tylestery mastných kyselin se vyrábějí z rozličných surovin, převážně z řepky (metylester řepkového oleje, RME, v Ev-ropě) a sóji (metylester sójového oleje, SME, v USA). Používají se ale také estery slunečnic a palem, estery použitých pokr-mových tuků (UFOME: Used Frying Oil Methyl Ester) a estery hovězího loje (TME: Tallow Methyl Ester) - ovšem většinou mí-chané s ostatními metylestery mastných kyselin. Místo metanolu lze k esterifiko-vání použít též etanol, jako například v Brazílii k výrobě etylesteru sóji. Metylester mastných kyselin se používá buď v čisté formě (B100, tj. 100% bionafta)

nebo je nabízen jako směs B5, představující naftu s maximálně 5% podílem metylesteru mastných kyselin. B5 je schválena podle normy EN 590 jako nafta.

Jelikož použití metylesteru mastných kyselin horší kvality může vést k provoz-ním poruchám a škodám na motoru a vstři-kovacím systému, jsou požadavky na me-tylester mastných kyselin regulovány na evropské úrovni (EN 14214). Musí se zajis-tit zejména dobrá odolnost proti stárnutí (oxidační stálost) a vyloučení znečištění, podmíněného procesem. Norma EN 14214 platí nezávisle na tom, zda je použit me-tyester mastných kyselin přímo jako B100 nebo jako příměs do nafty. Směs B5, vzniklá přimícháním metylesteru mast-ných kyselin, musí kromě toho odpovídat požadavkům na čistou naftu (EN 590).

Výroba metylesteru mastných kyselin v porovnání s palivy na bázi minerálních olejů není hospodárná a v Německu je da-ňově zvýhodněna. Čisté, neesterifikované rostlinné oleje se ve vznětových motorech s přímým vstři-kem už téměř nepoužívají, neboť vznikají značné problémy, především kvůli vysoké viskozitě rostlinného oleje a velmi silné karbonizaci trysek.

Tabulka 1

32 | Paliva | Alternativní paliva

1 Škody na vstřikovacím čerpadle kvůli špatné kvalitě paliva

a

b

SM

K18

78Y

Synfuels® a Sunfuels®

Pojmy Synfuel a Sunfuel představují pa-liva, vyráběná ze syntézního plynu (H2 a CO) metodou Fischer – Tropsch.

Při použití uhlí, koksu nebo zemního plynu k výrobě syntézního plynu se hovoří o palivu Synfuel, při použití biomasy pak Sunfuel.

Metodou Fischer – Tropsch se syntézní plyn katalyticky přeměňuje na uhlovodíky. Při tom vznikají kvalitní paliva bez síry a aromátů, používaná převážně ke zlep-šení kvality konvenčních paliv pro vzně-tové motory. V závislosti na použitých ka-talyzátorech lze vyrábět též paliva pro zá-žehové motory. Vedlejšími produkty jsou zkapalněný plyn a parafíny Kvůli vysokým nákladům byla a je výroba syntetických paliv omezena na speciální trhy (ropné embargo pro Jižní Afriku bě-hem 70. let 20. století, využití přebyteč-ného zemního plynu v Malajsii, výzkumná zařízení).

Dimetyléter (DME)Dimetyléter (DME) je synteticky vyráběný produkt, který je v současnosti vyráběn v malých množst vích z metanolu. Dimetyl-éter má cetanové číslo přibližně 55 a může být spalován ve vznětových motorech bez vzniku sazí a se sníženou tvorbou oxidů dusíku. Kvůli nízké hustotě a vysokému podílu kyslíku má nízkou výhřevnost. Kromě toho vyžaduje přizpůsobení vstři-kovací soustavy kvůli plynnému stavu.

Též ostatní étery (např. dimetoxymetan, di-n-pentyléter) jsou zkoumány s ohledem na vhodnost jako palivo. Emulze Emulze vody nebo etanolu v palivech vzně-tového motoru se zkoušejí na různých mís-tech. Voda a alkoholy jsou v palivu vzněto-vého motoru jen špatně rozpustné. Ke sta-bilizaci těchto směsí jsou potřebné emulgátory, trvale zabraňující deemulgaci. Kromě toho jsou nutná opatření k ochraně proti opotřebení a korozi. Použitím emulzí

lze snížit emise sazí a oxidů dusíku, neboť díky podílu vody je spalná směs chladnější.

K použití dosud dochází jen v omeze-ných flotilách vozidel, většinou vybave-ných řadovými vstřikovacími čerpadly. Jiné vstřikovací systémy jsou pro provoz s emulzemi buď nevhodné nebo nejsou vy-zkoušené.

Obrázek 1

a usazeniny v nasta-

vovači množství,

způsobené znečiš-

těnou

bionaftou

b poškození ložiska,

způsobené volnou

vodou (proběh vo-

zidla cca. 5600 km)

Paliva | Alternativní paliva | 33

1 Systémy pro řízení plnění vznětového motoru

1

2

3

5

6

7

4

8

SM

M06

17Y

U vznětového motoru je vedle vstřiko-vané dávky paliva přiváděné množství vzduchu rozhodující veličinou pro ode-vzdávaný točivý moment a tím pro výkon a rovněž pro složení spalin. Proto vedle vstřikovacího systému mají rovněž zvláštní význam systémy, ovlivňující ná-plň válců 1). Tyto systémy pro řízení pl-nění čistí nasávaný vzduch a ovlivňují pohyb, hustotu a složení (např. podíl kys-líku) náplně válců.

Přehled

Pro spalování paliva je nutný kyslík, který motor získává z nasávaného vzduchu. V zásadě platí: čím více kyslíku je k dispo-zici pro spalování ve spalovacím prostoru, tím více paliva v plném zatížení motoru lze vstřikovat. Tím vzniká přímá souvislost mezi vzduchovou náplní válce a maximál-ním možným výkonem.

Vzduchové systémy mají za úkol upravit nasávaný vzduch a starat se o dobré plnění válce. Řízení plnění (obr. 1) se skládá z ob-lastí:

vzduchový filtr (1), ▶

přeplňování (2), ▶

recirkulace spalin (4) ▶

vířivé klapky (5). ▶

Systémy pro přeplňování (tzn. pro před-běžné stlačení vzduchu před vstupem do válce) jsou používány ve většině vzněto-vých motorů ke zvýšení výkonu.

Recirkulace spalin se používá za účelem redukce škodlivin u všech běžných vzněto-vých motorů osobních vozů a u některých užitkových vozů. Díky recirkulaci spalin se snižuje podíl kyslíku ve válci; v důsledku klesající teploty spalování, jíž je recirku-lací dosaženo, se při spalování tvoří méně oxidů dusíku (NOX).

Systémy pro řízení plnění motoru

1) Náplň válce je

směs, která je ve

válci po uzavření

sacích ventilů.

Skládá se z přivá-

děného čerstvého

vzduchu a zbytko-

vého plynu z před-

chozího spalování.

Obrázek 1

1 Vzduchový filtr

2 Přeplňování

s chlazením plnicího

vzduchu

3 Řídicí jednotka motoru

4 Recirkulace spalin

s chladičem

5 Vířivá klapka

6 Válec motoru

7 Sací ventil

8 Výfukový ventil

34 | Systémy pro řízení plnění motoru | Přehled

Přeplňování

Přeplňování jako prostředek ke zvýšení výkonu je již dlouho známý u velkých vznětových motorů pro stacionární a lodní pohony a rovněž u vznětových motorů užitkových vozidel 1). Mezitím se prosadilo též u rychloběžných vznětových motorů osobních vozidel 2). Oproti atmosféric-kému motoru je u přeplňovaného motoru přiváděn vzduch s přetlakem. Tím se zvýší hmotnost vzduchu ve válci, která s odpoví-dajícím větším množstvím paliva vede k vyššímu výkonu při stejném zdvihovém objemu, respektive ke stejnému výkonu při menším zdvihovém objemu. Snížením zdvihového objemu („Downsizing“) lze snížit spotřebu paliva. Zároveň je také do-saženo zlepšení hodnot emisí spalin.

Vznětový motor je obzvláště vhodný pro přeplňování, neboť se u něj stlačuje jen vzduch a ne směs vzduchu a paliva a díky jeho kvalitativní regulaci jej lze výhodně kombinovat s dmychadlem. U větších mo-torů užitkových vozidel se dosahuje dalšího zvýšení středního tlaku (a tím točivého mo-mentu) díky vyššímu přeplňování a snížení komprese, za to se musí ale přijmout ome-zení ve schopnosti studeného startu.

Objemová účinnost (stupeň naplnění válce) popisuje vzduchovou náplň uzavře-nou ve válci vztaženou k teoretické náplni dané zdvihovým objemem při normálních podmínkách (tlak vzduchu p0 = 1013 hPa, teplota T0 = 273 K) bez přeplňování. Obje-mová účinnost u přeplňovaného vzněto-vého motoru je v rozsahu 0,85 až 3,0.

Během stlačování se vzduch v dmychadle zahřívá (až na 180 °C). Jelikož teplý vzduch má menší hustotu než vzduch studený, pů-sobí ohřívání nepříznivě na plnění válců. Za dmychadlem zařazený chladič stlače-ného vzduchu (s chlazením okolním vzdu-

chem nebo s odděleným okruhem chladicí kapaliny) ochlazuje stlačený vzduch a způ-sobuje tak další zvýšení plnění válců. Tím je k dispozici více kyslíku pro spalování, takže se získává vyšší maximální točivý moment a tím vyšší výkon při daných otáč-kách.

Nižší teplota vzduchu, proudícího do válce, vede též k nižším teplotám v době komprese. Z toho plynou další výhody:

lepší tepelná účinnost a tím nižší spo- ▶

třeba paliva a méně sazí u vznětových motorů,nižší tepelné zatížení spalovacího pro- ▶

storu a rovněž o něco nižší emise NO ▶ X-díky nižší teplotě spalování.

Rozlišují se dva druhy dmychadel:u ▶ turbodmychadla se výkon pro stlačo-vání získává z výfukových plynů (mezi motorem a dmychadlem je vazba pro-střednictvím proudění plynů). u ▶ mechanického dmychadla se výkon pro stlačování odebírá z klikového hřídele motoru (mechanická vazba mezi moto-rem a dmychadlem).

Přeplňování využitím výfukových plynů (turbodmychadlem)Přeplňování turbodmychadlem (ATL, Ab-gasturbolader) je nejvíce rozšířeno. Pou-žívá se u motorů osobních a užitkových vozidel a u velkých motorů pro lodě a lo-komotivy.

Přeplňování turbodmychadlem se pou-žívá k redukci hmotnosti na jednotku vý-konu a k zvýšení maximálního točivého momentu při nízkých a středních otáč-kách, zejména ve spojení s elektronickou regulací plnicího tlaku. Rostoucího vý-znamu kromě toho nabývají také hlediska omezení škodlivin.

Systémy pro řízení plnění motoru | Přeplňování | 35

1) Již Gottlieb Daimler

(1885) a Rudolf

Diesel (1896) se

zabývali předběž-

nou kompresí na-

sávaného vzduchu

pro zvýšení výkonu.

Švýcarovi Alfredu

Buchimu se v roce

1925 podařilo první

úspěšné přeplňo-

vání turbodmycha-

dlem se zvýšením

výkonu o 40 %

(přihlášení patentu

bylo provedeno v

roce 1905). První

přeplňované mo-

tory pro užitkové

vozy byly zkon-

struovány v roce

1938. Prosadily se

na počátku 50. let

dvacátého století.

2) Ve větším měřítku

se začalo používat

od 70. let dvacá-

tého století.

1 Turbodmychadlo pro užitkové vozidlo s dvojitou proudovou turbínou

1

2

3

12

11

10

5

4

6

7

9

8

UM

M05

16-1

Y

Konstrukce a způsob činnostiV důsledku toho, že ze spalovacího motoru odcházejí horké spaliny pod tlakem, se ztrácí velký podíl energie. Proto se přímo nabízí využít část této energie pro vytvo-ření tlaku v sacím potrubí.

Turbodmychadlo (obr. 1) se skládá ze dvou proudových strojů:

z plynové turbíny (7), která bere energii ▶

proudu spalin a z odstředivého kompresoru (2), který je ▶

hřídelem (11) spojen s turbínou a stla-čuje nasávaný vzduch

Horké spaliny proudí do turbíny a uvádějí ji do rychlého točivého pohybu (u vzněto-vých motorů až cca. 200 000 min-1). Lo-patky turbínového kola, nasměrované do-vnitř, vedou spaliny do středu, kde pak bočně vycházejí ven (8, radiální turbína). Hřídel pohání radiální kompresor. Zde jsou poměry přesně obrácené: nasávaný vzduch (3) vstupuje dovnitř uprostřed kompresoru a je lopatkami urychlován směrem ven a při tom stlačován (4).

Na základě tlaku spalin, který se vytváří před turbínou, se zvyšuje motorem získá-vaná výfuková práce během výfukového taktu. Současně ale může turbína vedle

energie proudění spalin částečně převádět také jejich tepelnou energii na kompresní výkon, takže zvýšení plnicího tlaku je větší než nárůst tlaku spalin před turbínou (po-zitivní výplachový spád). Celková účinnost motoru se tak může zlepšit v širokých díl-čích oblastech charakteristiky motoru.

Pro stacionární provoz s konstantními otáčkami lze charakteristiku turbíny a kompresoru vyladit na příznivou účin-nost a tím vysoké přeplňování. Obtížnější je ale navržení pro nestacionárně provozo-vaný vozidlový motor, od něhož se ze-jména při akceleraci z nízkých otáček oče-kává vysoký točivý moment. Nízká teplota spalin, malé množství spalin a setrvačnost turbodmychadla samotného zpožďují tvorbu tlaku v kompresoru na začátku ak-celerace. U motorů osobních vozidel, pře-plňovaných turbodmychadlem, se to ozna-čuje jako „turbodíra“. Zvláště pro přeplňo-vání v osobních a užitkových vozech se vyvíjejí turbodmychadla, která díky svojí nízké vlastní hmotnosti zabírají již při ma-lých průtocích spalin a zřetelně zlepšují jízdní vlastnosti v oblasti nízkých otáček.

Obrázek 1

1 Těleso dmychadla

2 Proudové

dmychadlo

3 Nasávaný vzduch

4 Stlačený čerstvý

vzduch

5 Přívod mazacího

oleje

6 Těleso turbíny

7 Turbína poháněná

spalinami

8 Vystupující spaliny

9 Ložisková skříň

10 Vstupující spaliny

11 Hřídel

12 Odvod mazacího

oleje

36 | Systémy pro řízení plnění motoru | Přeplňování

2 Turbodmychadlo s obtokovým ventilem

1

5

48

9

6

7

2

3

UM

K15

51-9

Y

Rozlišují se dva principy přeplňování:U náporového přeplňování sběrný zásob-ník spalin před turbínou vyhlazuje tlakové pulsace ve výfukovém potrubí. Turbínou proto může v oblasti vysokých otáček mo-toru při nižším tlaku projít více spalin. Jeli-kož se pro motor v tomto provozním bodě snižuje protitlak spalin, snižuje se též spo-třeba paliva. Náporové přeplňování se po-užívá pro velké lodní motory, velké motory generátorů a velké stacionární motory.

U pulzního přeplňování se využívá kine-tické energie tlakových pulsací při výstupu spalin z válce. Pulzní přeplňování umož-ňuje vyšší točivý moment při nižších otáč-kách. Tento princip se využívá u motorů osobních a užitkových vozidel. Aby se jed-notlivé válce při výměně náplně vzájemně neovlivňovaly, jsou např. u 6válcového motoru vždy tři válce sloučeny do jednoho sběrného výfukového potrubí. S dvojitými proudovými turbínami (obr. 1) - které mají dva vnější kanály – jsou proudy spalin ve-deny odděleně i uvnitř turbíny.

K dosažení dobré odezvy je turbodmycha-dlo umístěno co nejblíže k výfukovým ven-tilům v horkém výfukovém traktu. Musí proto být vyrobeno z vysoce pevných ma-teriálů. Pro lodě – u nichž je z důvodu ne-bezpečí požáru nutno vyloučit horké povr-chy ve strojovně – je turbodmychadlo vo-dou chlazeno nebo tepelně izolováno. Turbodmychadla pro zážehové motory, u nichž je teplota výfukových plynů o cca. 200…300 °C vyšší než u vznětového motoru, mohou být rovněž provedena jako vodou chlazená

Konstrukční typyMotory mají vytvářet vysoký točivý mo-ment již při nízkých otáčkách. Proto se turbodmychadlo navrhuje pro malý hmot-nostní tok spalin (např. plné zatížení při otáčkách n ≤ 1800 min–1). Aby při vyšších hmotnostních tocích spalin nebyl motor přeplňován nadměrně, respektive aby se dmychadlo nezničilo, musí se plnicí tlak regulovat. K tomu účelu se používají tři konstrukční principy

dmychadlo s obtokovým ventilem (was- ▶

tegate), dmychadlo s variabilní geometrií tur- ▶

bíny (VTG) dmychadlo s variabilním šoupátkem tur- ▶

bíny (VST).

Dmychadlo s obtokovým ventilem (obr. 2)Při vysokých otáčkách nebo zatíženích motoru je dílčí proud spalin odváděn mimo turbínu do výfukového potrubí po-mocí obtokového ventilu – wastegate (5, „brána pro odpad“). Tím klesá proud spalin procházející turbínou a protitlak spalin a je zabráněno příliš vysokým otáč-kám dmychadla.Při nízkých otáčkách nebo zatíženích mo-toru se obtokový ventil zavírá a celý proud

Obrázek 2

1 Ventil pro nastavení

plnicího tlaku

2 Podtlakové čerpa-

dlo

3 Tlakový nastavovač

4 Turbodmychadlo

5 Obtokový ventil

(wastegate)

6 Proud spalin

7 Proud plnicího

vzduchu


spalinami

9 Odstředivé

dmychadlo


3 Variabilní (proměnlivá) geometrie turbíny dmychadla VTG

b

a 1 2 54

6

3

UM

M05

94Y

spalin pohání turbínu. Obvykle je obto-kový ventil v klapkovém provedení zabu-dován v tělese turbíny. V době počátku turbodmychadla byl používán talířový ventil v odděleném tělesu paralelně k tur-bíně.

Ventil pro nastavení plnicího tlaku (1) (elektropneumatický převodník) ovládá obtokový ventil. Ventil pro nastavení plni-cího tlaku je elektricky ovládaný 3/2cestný ventil, připojený na podtlakové čerpadlo. V klidové poloze (bez proudu) ventil pouští atmosférický tlak do tlakového na-stavovače (3). Pružina v tlakovém nastavo-vači otevírá obtokový ventil.

Prochází-li ventilem pro nastavení plni-cího tlaku proud, spínaný řídicí jednotkou, propojí se tlakový nastavovač s podtlako-vým čerpadlem, takže je membrána přita-žena proti síle pružiny. Obtokový ventil se zavře a otáčky turbodmychadla se zvýší

Turbodmychadlo je konstruováno tak, aby byl obtokový ventil otevřený v případě výpadku ovládání. Díky tomu se při vyso-kých otáčkách nemůže vytvořit příliš vy-soký plnicí tlak, který by poškodil turbod-mychadlo nebo motor.

U zážehových motorů se v sacím potrubí vytváří dostatečný podtlak. Není proto nutné podtlakové čerpadlo, používané u vznětových motorů. Pro oba typy motorů je taktéž možné ovládání pomocí čistě elektrického nastavovače

Dmychadlo s variabilní geometrií turbíny (VTG) (Obr. 3)Změněný náběh proudu spalin na turbínu díky variabilní (proměnlivé) geometrii tur-bíny (VTG) nabízí další možnost omezení proudu spalin při vysokých otáčkách. Pře-stavitelné rozváděcí lopatky (3) mění prů-točný průřez, jímž proudí spaliny na tur-bínu (změna geometrie). Tím lopatky při-způsobují tlak plynu působící na turbínu požadovanému plnicímu tlaku.

Při nízkých otáčkách nebo zatíženích mo-toru lopatky uvolňují malý průtočný prů-řez, takže protitlak spalin roste. Proud spalin v turbíně dosahuje vysoké rychlosti a uděluje turbíně vysoké otáčky (a). Proud spalin při tom působí na vnější oblast lopa-tek turbínového kola. Tak vzniká velké ra-meno páky, které dodatečně způsobuje vy-soký točivý moment.

Při vysokých otáčkách nebo zatíženích motoru lopatky uvolňují velký průtočný průřez, který má za následek nižší rych-lost proudění spalin (b). Tím je turbodmy-chadlo při stejném množství spalin méně zrychlováno, respektive při vyšším množ-ství spalin se neroztáčí do tak vysokých otáček. Plnicí tlak se tak omezuje.

Obrázek 3

a Poloha vodicích

lopatek pro vysoký

plnicí tlak

b Poloha vodicích

lopatek pro nízký

plnicí tlak


spalinami

2 Nastavovací kruh

3 Rozváděcí lopatka

4 Nastavovací páčka

5 Nastavovací dóza

6 Proud spalin

◀– vysoká rychlost

proudění

◁– nízká rychlost

proudění


4 Variabilní (proměnlivá) geometrie turbíny dmychadla VST

21 3 4 5 6a

b

UM

M05

52-1

Y

Rotačním pohybem přestavného kroužku (2) se dosahuje jednoduchého přestavení úhlu rozváděcích lopatek. Při tom se roz-váděcí lopatky nastavují na požadovaný úhel buď přímo pomocí jednotlivých pře-stavovacích páček, upevněných na rozvá-děcích lopatkách, nebo pomocí přestavo-vacích vaček. Otáčení přestavného kroužku se děje pneumaticky pomocí pře-stavovací dózy (5) s využitím podtlaku nebo přetlaku nebo prostřednictvím elek-tromotoru se zpětným hlášením (snímač polohy). Akční člen je aktivován řídicí jed-notkou motoru. Proto lze optimálně nasta-vovat plnicí tlak v závislosti na rozličných vstupních veličinách.

Dmychadlo s variabilní geometrií turbíny (VTG) je v klidové poloze otevřené a tím samo zabezpečené. Selže-li ovládání, ne-dojde k poškození turbodmychadla nebo motoru. Dojde jen ke ztrátě výkonu motoru při nízkých otáčkách.

U vznětových motorů se dnes používá pře-vážně tento konstrukční typ dmychadla. U zážehových motorů se tento typ zatím nemohl prosadit kromě jiného kvůli vyso-kému tepelnému zatížení a kvůli teplejším spalinám.

Dmychadlo s variabilním šoupátkem turbíny (VST) (obr. 4)Dmychadlo s variabilním šoupátkem tur-bíny (VST) se používá pro malé motory osobních vozidel. Regulační šoupátko (4) mění u tohoto konstrukčního typu průřez vtoku spalin k turbíně pomocí postupného otvírání dvou průtočných kanálů (2, 3).

Při nízkých otáčkách nebo zatíženích motoru je otevřen jen jeden průtočný ka-nál (2). Menší průtočný průřez vede k vy-sokému protitlaku spalin a k vysoké rych-losti průtoku spalin a tím k vysokým otáč-kám turbíny (1).

Při dosažení požadovaného plnicího tlaku regulační šoupátko plynule otvírá druhý průtočný kanál (3). Rychlost prou-dění spalin - a tím otáčky turbodmychadla a plnicí tlak – klesají. Řídicí jednotka pro-vádí nastavení regulačního šoupátka po-mocí pneumatické tlakové dózy.

Pomocí obtokového kanálu (5) zabudo-vaného do tělesa turbíny lze také pustit té-měř celý proud spalin mimo turbínu a tak dosáhnout velmi malého plnicího tlaku.

Obrázek 4

a Otevřen jen jeden

proudový kanál

b Otevřeny oba

proudové kanály


spalinami

2 1. proudový kanál

3 2. proudový kanál

4 Regulační šoupátko

5 Obtokový kanál

6 Nastavovací vidlice


5 Průběh výkonu a točivého momentu motoru s turbodmychadlem v porovnání s atmosférickým motorem

Toči

vý m

omen

t MV

ýkon

mot

oru

P

1/4 1/2

Specifické otáčky motorunnjmen

3/4 1

Měr

násp

otře

ba p

aliv

a

více výkonu

stejný výkon při nízkých otáčkách

nižší spotřeba

C B

b

b

a

c

a

A

E

D

stej

né

otáč

ky

SM

M06

21D

Výhody a nevýhody přeplňování turbodmychadlem Downsizing (snižování velikosti)Ve srovnání s atmosférickým motorem se stejným výkonem hovoří pro motor s tur-bodmychadlem především nižší hmotnost a zmenšený zástavbový prostor („Downsi-zing“, tj. zmenšování velikosti). V celé ob-lasti využitelného rozsahu otáček vychází lepší průběh točivého momentu (obr. 5). Při daných otáčkách z toho plyne vyšší vý-kon (A – B) při stejné specifické spotřebě paliva.

Stejný výkon je k dispozici již při nižších otáčkách (B – C) díky příznivějšímu prů-běhu točivého momentu. Pracovní bod při požadovaném výkonu je tak díky přeplňo-vání přesunut do oblasti s menšími ztrá-tami třením. Z toho vyplývá nižší spotřeba paliva (E – D).

Průběh točivého momentuPři velmi nízkých otáčkách je základní to-čivý moment motorů s turbodmychadlem na úrovni motorů atmosférických. V této oblasti nestačí energie obsažená ve spali-nách k pohonu turbíny. Nevzniká tak žádný plnicí tlak.

V nestacionárním provozu je průběh to-čivého momentu rovněž při středních otáčkách na úrovni atmosférických motorů (c). Je to způsobeno tím, že proud spalin se vytváří opožděně. Při akceleraci z nízkých otáček tak vzniká tzv. „turbodíra“.

Turbodíru lze především u zážehových motorů redukovat využitím dynamického přeplňování. To podporuje rozběh turbod-mychadla.

U vznětových motorů nabízí použití tur-bodmychadel s variabilní geometrií tur-bíny možnost značně zredukovat turbo-díru.

Další varianta představuje elektricky podporované turbodmychadlo (euATL, elektrisch unterstuetzte Abgasturbolader) s přídavným elektromotorem. Ten zrych-luje kompresorové kolo turbodmychadla nezávisle na proudu spalin a zmenšuje tak turbodíru. Tento typ dmychadla se vyvíjí v současné době.

Rychlého vytváření plnicího tlaku při níz-kých otáčkách lze docílit rovněž dvoustup-ňově regulovaným přeplňováním. Dvou-stupňové přeplňování začíná být zaváděno do sériové výroby.

Chování motorů s turbodmychadlem v zá-vislosti na nadmořské výšce je velmi příz-nivé, neboť pokles tlaku při nižším tlaku okolního vzduchu je větší. To částečně vy-rovnává nižší hustotu vzduchu. Při návrhu turbodmychadla se však musí dbát na to, aby se při tom turbína nepřetáčela.

Obrázek 5

a Atmosférický motor

ve stacionárním

provozu

b Přeplňovaný motor

ve stacionárním

provozu

c Přeplňovany motor

v nestacionarnim

(dynamickem)

provozu


6 Dvoustupňové přeplňování (princip)

4

2

1

3

6

5

UM

M05

53-1

Y

Vícestupňové přeplňováníS vícestupňovým přeplňováním lze značně rozšířit hranice výkonu ve srovnání s jed-nostupňovým přeplňováním. Cílem při tom je, jak ve stacionárním, tak i v nestaci-onárním provozu, zlepšit zásobování vzdu-chem a současně měrnou spotřebu. Prosa-dily se dvě metody přeplňování:

Rejstříkové přeplňování U rejstříkového přeplňování se k základ-nímu přeplňování s rostoucím zatížením a otáčkami motoru připojuje jedno nebo více paralelně řazených turbodmychadel. Ve srovnání s jedním větším dmychadlem, navrženým na jmenovitý výkon, tak lze do-sáhnout dvou nebo více optimálních pro-vozních bodů. Kvůli nákladnému zařízení pro připojování dmychadel se rejstříkové přeplňování používá převážně u lodních pohonů a pohonů generátorů.

Dvoustupňové regulované přeplňováníDvoustupňové regulované přeplňování je sériové zapojení dvou rozdílně velkých turbodmychadel s jednou obtokovou regu-lací a v ideálním případě se dvěma chladiči plnicího vzduchu (obr. 6, pozice 1 a 2). První dmychadlo je provedeno jako níz-kotlaké (1), druhé dmychadlo jako vysoko-

tlaké (2). Čerstvý vzduch je nejprve před-běžně stlačován v nízkotlakém stupni. Tím pracuje relativně malé vysokotlaké dmy-chadlo na vyšší úrovni tlaku s malým obje-movým proudem, takže může protlačit po-žadovaný hmotnostní proud vzduchu. S dvoustupňovým přeplňováním lze dosáh-nout obzvláště dobré účinnosti kompre-soru.

Při nižších otáčkách je obtokový ventil (5) zavřen, takže působí obě dmychadla. Tím dochází k vytváření plnicího tlaku velmi rychle a jeho hodnota je vysoká. Rostou-li otáčky motoru, otvírá se obto-kový ventil, až nakonec pracuje už jen níz-kotlaký kompresor. Díky tomu se přeplňo-vání plynule přizpůsobuje požadavkům motoru.

Tento způsob přeplňování se pro jeho jed-noduchou regulaci používá ve vozidlových aplikacích.

eBoosterPřed turbodmychadlo je zařazován pří-davný kompresor. Ten je konstruován po-dobně jako kompresor turbodmychadla a je poháněn elektromotorem (eBooster). Při akceleraci zásobuje eBooster motor vzduchem a zlepšuje tím zvláště při níz-kých otáčkách roztáčení motoru.

Mechanické přeplňováníU mechanického přeplňování je kompre-sor poháněn přímo spalovacím motorem. Zpravidla jsou motor a kompresor vzá-jemně pevně propojeny např. řemenem. U vznětových motorů jsou mechanické kompresory ve srovnání s turbodmychadly používány zřídka.

Mechanická objemová dmychadlaNejčastější provedení je mechanické obje-mové dmychadlo (kompresor). Používá se hlavně u malých a středně velkých motorů osobních vozidel.

Obrázek 6

1 Nízkotlaký stupeň

(turbodmychadlo

s chlazením plni-

cího vzduchu)

2 Vysokotlaký stupeň

(turbodmychadlo

s chlazením plni-

cího vzduchu)

3 Sací potrubí

4 Sběrné výfukové

potrubí

5 Obtokový ventil

6 Obtokové vedení


7 Princip pístového dmychadla s tuhým písem

1 2

3

4

5

NM

M06

22Y

8 Princip pístového dmychadla s membránou

2

3

4

1

NM

M06

23Y

9 Princip šroubového dmychadla

3 4

2

1

UM

M05

92-1

Y

Objemové dmychadlo s vnitřním stlačovánímU dmychadel s vnitřním stlačováním se vzduch stlačuje v kompresoru. U vzněto-vých motorů se používají pístová dmycha-dla a šroubová dmychadla.

Pístové dmychadlo: Tato dmychadla jsou konstruována buď s tuhým pístem (obr. 7) nebo s membránou (obr. 8). Píst (podobný pístu motoru) stlačuje vzduch, který pak proudí přes výstupní ventil k válci motoru.

Šroubové dmychadlo (obr. 9): dvě do sebe vzájemně zapadající lopatky šroubovitého tvaru (4) stlačují vzduch.

Objemové dmychadlo bez vnitřního stlačováníU dmychadel bez vnitřního stlačování se vzduch stlačuje vytvářeným prouděním vně dmychadla. U vznětových motorů se používá jen Rootsovo dmychadlo (obr. 10) u dvoudobých vozidlových motorů.

Rootsovo dmychadlo: Dva dvoukřídlé točící se písty (2), spojené ozubenými koly, běhají podobně jako u zubového čerpadla proti sobě a čerpají tak nasávaný vzduch.


Obrázek 8

1 Sací ventil

2 Výtlačný ventil

3 Membrána

4 Hnací hřídel

Obrázek 7

1 Sací ventil

2 Výtlačný ventil

3 Píst

4 Hnací hřídel

5 Skříň

Obrázek 9

1 Pohon

2 Nasávaný vzduch

3 Stlačený vzduch

4 Šroubovité lopatky

10 Průřez Rootsova dmychadla

2

1

UM

M05

09-1

Y

Mechanická odstředivá dmychadlaVedle mechanických objemových dmycha-del existují ještě odstředivá dmychadla (radiální kompresory), jejichž kompresor je konstruován podobně jako u turbodmy-chadla. Aby bylo dosaženo požadované vy-soké obvodové rychlosti, jsou poháněny převodovkou. Tato dmychadla nabízejí příznivou objemovou účinnost v širokém rozsahu otáček a lze na ně pohlížet zvláště u malých motorů jako na alternativu k tur-bodmychadlům. U středně velkých až vel-kých motorů osobních vozů jsou použí-vána zřídka.

Řízení plnicího tlakuU mechanického dmychadla lze řídit plnicí tlak obtokem. Jedna část proudu stlače-ného vzduchu se dostává do válce a určuje plnění. Druhá část proudí obtokem zpět na sací stranu. Ovládání obtokového ventilu přebírá řídicí jednotka motoru.

Výhody a nevýhody mechanického přeplňováníDíky přímé vazbě kompresoru a klikového hřídele je u mechanických dmychadel při zvýšení otáček kompresor zrychlován bez zpoždění. Proto se v dynamickém provozu získává vyšší točivý moment a lepší odezva než u turbodmychadel. S variabilní převo-dovkou se může zlepšit i chování motoru při změnách zátěže.

Jelikož výkon potřebný k pohonu kom-presoru (u osobních vozidel cca. 10…15 kW) nemůže být využit jako činný výkon mo-toru, stojí proti uvedeným výhodám poně-kud vyšší spotřeba paliva než u přeplňo-vání s turbodmychadlem. Tato nevýhoda je zmírněna, pokud lze prostřednictvím spojky, spínané řídicí jednotkou motoru, odpojovat kompresor při nízkých zatíže-ních a otáčkách motoru. To však zvyšuje výrobní náklady. Další nevýhodou mecha-nického přeplňování je větší potřebný montážní prostor.

Dynamické přeplňováníPřeplňování lze dosáhnout už samotným využitím dynamických efektů v sacím po-trubí. Toto dynamické přeplňování nehraje u vznětového motoru tak velkou roli jako u motoru zážehového. U vznětového mo-toru je při utváření sacího potrubí věno-vána hlavní pozornost rovnoměrnému roz-dělení vzduchu všem válcům a rozdělení zpětně vedených spalin. Kromě toho hraje důležitou roli víření ve válci. Při relativně nízkých otáčkách vznětového motoru by cílené dimenzování sacího potrubí na dy-namické přeplňování vyžadovalo ex-trémně dlouhé sací potrubí. Jelikož v sou-časné době jsou téměř všechny vznětové motory vybaveny dmychadlem, mohla by být očekávána jistá výhoda jen tehdy, když při nestacionárních procesech dmychadlo ještě nedává dostatečný tlak.

Všeobecně je sací potrubí vznětového motoru konstruováno co nejkratší. Výhody toho jsou:

zlepšené dynamické chování ▶

lepší chování regulace zpětného vedení ▶

spalin


Obrázek 10

1 Skříň

2 Krouživý píst

1 Odpojení sacího kanálu (příklad)

6

5

3

4

122

UM

A05

55Y

Vířivé klapky

Pro tvorbu směsi hrají významnou roli po-měry proudění ve válci motoru. Jsou zá-sadně ovlivněny

pohybem vzduchu, který je vytvářen ▶

paprskem vstřiku paliva, pohybem vzduchu vtékajícího do válce a ▶

pohybem pístu. ▶

Při způsobu spalování, podporovaném ví-řením, je vzduch během doby sání a kom-prese uváděn do rotačního pohybu (ví-ření), aby bylo dosaženo dobré a rychlé tvorby směsi. Vhodnými klapkami a ka-nály lze víření měnit podle otáček a zatí-žení motoru.

Sací kanály jsou uspořádány jako plnicí kanál (obr. 1, pozice 5) a vířivý kanál (2), přičemž plnicí kanál lze uzavřít klapkou (vířivá klapka, pozice 6). Klapka je řízena řídicí jednotkou motoru podle datového pole. Vedle jednoduchých systémů s polo-hami „otevřeno“ a „zavřeno“ existují též

polohově regulované systémy, u nichž může klapka dosahovat různých mezipo-loh.

Při nízkých otáčkách motoru je klapka uzavřena. Vzduch je nasáván vířivým ka-nálem, vzniká silné víření při dostatečném plnění válce.

Při vysokých otáčkách se klapka otvírá a uvolňuje plnicí kanál (5), aby bylo umož-něno větší plnění válce a zlepšen výkon motoru. Při tom se současně zmenšuje ví-ření.

Při řízení víření podle datových polí lze v oblasti nízkých otáček podstatně snížit emise NOX a pevných částic. Ztráty prou-děním způsobené odpojováním kanálu ve-dou ke zvýšené práci při výměně náplně válců. S tím spojenou vyšší spotřebu paliva však lze v maximální míře kompenzovat lepší dosažitelnou tvorbou směsi a spalo-váním. V závislosti na zatížení a otáčkách motoru se usiluje o dosažení kompromisu mezi emisemi, spotřebou a výkonem.

Odpojování sacího kanálu se v současné době používá u ně-kterých motorů osobních vozi-del a hraje stále důležitější roli v konceptu snižování emisí.

Naproti tomu moderní vzně-tové motory nákladních vozidel mohou všeobecně pracovat s velmi nízkými hodnotami ví-ření, neboť vzhledem k menšímu rozpětí otáček a větším spalova-cím prostorům pro tvorbu směsi stačí energie paprsků vstřiku

Obrázek 1

1 Sací ventil

2 Vířivý kanál

3 Válec motoru

4 Píst

5 Plnicí kanál

6 Klapka

44 | Systémy pro řízení plnění motoru | Vířivé klapky

1 Fitrační médium ze syntetických vláken pro vzduchové filtry

NM

M06

24Y

Vzduchové filtry sání motoru

Vzduchový filtr filtruje vzduch nasávaný motorem a zabraňuje tak vniknutí nerost-ného prachu a částic do motoru a do moto-rového oleje. Tím zmenšuje opotřebení např. v ložiskách, v pístních kroužcích a na stěnách válců. Kromě toho filtr chrání cit-livý měřič hmotnosti vzduchu (HFM) a za-braňuje ukládání prachu v něm, které by mohlo vést k falešným signálům, zvýšené spotřebě paliva a zvýšeným emisím škodli-vin.

Typickými znečištěními vzduchu jsou např. olejová mlhovina, aerosoly, saze, průmyslové zplodiny, pyl a prach. Pra-chové částečky, které motor nasává spolu se vzduchem, mají průměr od cca. 0,01 μm (částice sazí) do cca. 2 mm (zrnka písku).

Filtrační médium a konstrukce V případě vzduchových filtrů se jedná vět-šinou o hloubkové filtry, které na rozdíl od povrchových filtrů zadržují částice ve struktuře filtračního média. Hloubkové fil-try s velkou schopností ukládání prachu jsou tak vždy výhodné, když se musí hos-podárně filtrovat velké objemové proudy s malými koncentracemi částic.

Vzduchové filtry dosahují, vztaženo na hmotnost, celkového stupně zachycení až 99,8 % (osobní vozidla) respektive 99,95 % (užitková vozidla). Tyto hodnoty by mělo být možné dodržet za všech panujících podmínek, rovněž při dynamických pod-mínkách, jaké panují v sacím traktu mo-toru (pulzace). Filtry s nedostatečnou kva-litou pak vykazují zvýšený průnik prachu.

Uspořádání filtračních prvků se provádí individuálně pro každý motor. Díky tomu zůstávají tlakové ztráty minimální a též vy-soké stupně zachycení jsou nezávislé na průtoku vzduchu. U filtračních prvků, které jsou jako ploché filtry nebo ve válco-vých provedeních, je filtrační médium ve-stavěno ve skládané podobě, aby bylo možné do nejmenšího prostoru umístit maximální filtrační plochu. Díky odpovída-

jící ražbě a impregnacím dosahují tato mé-dia, která jsou dosud většinou založena na vláknech z celulózy, požadované mecha-nické pevnosti a dostatečné nepoddajnosti vůči vodě a odolnosti vůči chemikáliím.

Filtrační prvky se mění po intervalech, určených výrobcem vozidla.

Požadavky na malé, výkonné filtrační prvky (menší zástavbový prostor) při sou-časně prodloužených servisních interva-lech urychlují vývoj nových, inovativních médií pro filtraci vzduchu. Nová média k filtraci vzduchu ze syntetických vláken (obr. 1) s částečně silně zlepšenými výko-novými parametry se již zavádějí do séri-ové výroby

Lepší hodnoty než s čistými celulózovými médii se dosahují též s použitím „kompo-zitní kvality“ (např. papír s povlakem fou-kané taveniny) a speciálních filtračních médií z nanovláken, u nichž se na relativně hrubou nosnou vrstvu z celulózy nanášejí ultratenká vlákna s průměrem pouhých 30…40 nm. Nové skládané struktury se vzájemně uzavřenými kanály, podobně jako u filtrů sazí, jsou těsně před uvedením na trh.

Obrázek 1

Vysoce výkonné syn-

tetické filtrační rouno

s plynule rostoucí

hustotou a zmenšujícím

se průměrem vláken

v příčném řezu od sací

strany ke straně vý-

stupu čistého vzduchu.

Zdroj: Freudenberg

Vliesstoffe KG

Systémy pro řízení plnění motoru | Vzduchové filtry sání motoru | 45

2 Modul sání vzduchu pro osobní vozy (příklad)

5

6

1

2

3

4

SM

M06

19Y

Kuželovité, oválné a stupňovité jakož i li-choběžníkové geometrie rozšiřují stan-dardní konstrukční tvary, aby bylo možné optimálně využít stále těsnější zástavbový prostor v motorovém prostoru.

Tlumič hlukuDříve bývala pouzdra vzduchových filtrů provedena téměř výhradně jako „tlumicí filtr“. Velký objem je u těchto pouzder di-menzován pro akustické účely. Mezitím se stále více obě funkce „filtrace“ a „akustika/omezení hluku motoru“ oddělují a jednot-livé rozonátory se optimalizují odděleně. Tak je možné i pouzdro filtru rozměrově minimalizovat. Proto vznikají velmi plo-ché filtry, které lze integrovat např. do de-signových krytů motoru, zatímco rezoná-tory nacházejí místo v méně přístupných místech motorového prostoru.

Vzduchový filtr pro osobní vozidla Modul sání vzduchu pro osobní vozidlo (obr. 2) zahrnuje vedle skříně (1 a 3) s vál-covým filtračním prvkem (2) veškerá pří-

vodní vedení (5 a 6) a modul sání (4). Mezi tím se rozprostírají Helmholtzovy rezoná-tory a trubky s délkou λ/4 pro akustiku. S pomocí této kompletní optimalizace sys-tému lze jednotlivé komponenty lépe vzá-jemně přizpůsobit a dodržet stále se zost-řující požadavky na akustiku (hladina hluku).

Stále více jsou poptávány konstrukční sou-části pro odlučování vody, které se inte-grují do systému sání vzduchu. Slouží pře-devším k ochraně měřiče hmotnosti vzdu-chu (HFM), měřícího hmotnostní tok vzduchu. Kapičky vody, které se při nepří-znivém uspořádání sacího nátrubku, při silném dešti, přívalové stříkající vodě (např. u terénních vozidel) nebo sněžení spolu se vzduchem nasávají a dostávají ke snímači, mohou vést k chybnému zjišťo-vání plnění válců.

Obrázek 2

1 Víko skříně filtru

2 Filtrační prvek

3 Skříň filtru

4 Modul sání

5 Přívodní vedení

6 Přívodní vedení

46 | Systémy pro řízení plnění motoru | Vzduchové filtry sání motoru

3 Papírový vzduchový filtr pro užitkové vozy (příklad)

1

24 35

6

SM

M06

18Y

K odlučování vodních kapek se používají zarážky, zabudované do sacích vedení, nebo konstrukce podobné cyklónu (cyklón = vírový odprašovač). Čím kratší je cesta od vstupu vzduchu k filtračnímu prvku, tím je obtížnější řešení, neboť jsou povo-leny jen velmi malé tlakové ztráty při proudění. Je ale též možné použít vhodně konstruované filtrační prvky, které shro-mažďují vodní kapky (kapky se slévají, spojují se) a vodní film ještě před vlastním částicovým filtračním prvkem odvádějí ven. Pouzdro speciálně konstruované k to-muto účelu podporuje tento proces. Ta-kové uspořádání lze úspěšně použít k od-lučování vody též u velmi krátkých vedení vzduchu.

Vzduchový filtr pro užitková vozidlaObrázek 3 ukazuje plastový vzduchový filtr pro užitková vozidla, nenáročný na údržbu a optimalizovaný na hmotnost. Vedle vyšší odlučovací schopnosti jsou k tomu vhodné filtrační prvky dimenzo-vány tak, aby byly možné servisní inter-valy přes 100 000 km. Značně tak převy-šují to, co je běžné u osobních vozidel.

V zemích s vysokým znečištěním pra-chem, ale též u stavebních strojů a v země-dělství, je před filtračním prvkem zařazen předběžný odlučovač. Tento odlučovač odděluje velké, objemné prachové frakce a značně tak zvyšuje životnost filtračního

prvku. V nejjednodušším případě se jedná o věnec rozváděcích lopatek, jímž je prou-dící vzduch uváděn do rotace. Díky odstře-divé síle jsou odlučovány hrubé prachové částice. Ale teprve předřazené baterie mi-nicyklónů (vírových odprašovačů), opti-malizované pro následný filtrační prvek, skutečně vyčerpávají potenciál odstředi-vých odlučovačů ve vzduchových filtrech užitkových vozidel.

Obrázek 3

1 Výstup vzduchu

2 Vstup vzduchu

3 Filtrační vložka

4 Opěrná trubka

5 Skříň

6 Prachový hrnec

Systémy pro řízení plnění motoru | Vzduchové filtry sání motoru | 47

1 Průběh hoření v pokusném motoru s přímým vstři-kováním s víceotvorovou tryskou

a b

c d

SM

K18

65Y

Spalovací procesy ve vznětovém motoru - a tím výkon motoru, spotřeba paliva, slo-žení spalin a hluk spalování – závisejí rozhodující měrou na přípravě směsi vzduchu a paliva..

Pro kvalitu tvorby směsi jsou rozhodující především následující parametry vstřiko-vání paliva:

počátek vstřiku ▶

průběh a doba trvání vstřiku ▶

vstřikovací tlak ▶

počet vstřiků. ▶

U vznětového motoru se emise spalin a hluku podstatnou měrou redukují po-mocí opatření uvnitř motoru, tzn. řízením průběhu spalování.

Až do 80.let 20.století se u motorů vozi-del regulovalo množství paliva a počátek vstřiku výhradně mechanicky. Dodržení aktuálních hraničních hodnot spalin však vyžaduje velmi přesné a provoznímu stavu motoru přizpůsobené stanovení vstřikova-cích parametrů pro pilotní a hlavní vstřik jako jsou vstřikované množství, vstřikovací tlak a počátek vstřiku. To lze uskutečnit jen elektronickou regulací, která vypočí-tává veličiny vstřikování v závislosti na teplotě, otáčkách, zatížení, nadmořské výšce atd. Elektronická regulace vzněto-vého motoru (EDC) se dnes všeobecně pro-sadila ve vozidlech se vznětovými motory.

Budoucí stále přísnější emisní normy na-víc vyžadují u vznětového motoru použití dalších opatření ke snížení emisí škodli-vin. Díky vysokým vstřikovacím tlakům, jaké lze dnes dosáhnout u systémů sdruže-ných vstřikovačů, a díky průběhu vstřiku, nastavitelném nezávisle na tvorbě tlaku, jak se používá u systému Common Rail, lze dále snižovat emise při současném zohled-nění hluku spalování.

Rozdělení směsi

Vzdušný součinitel lPro vyjádření toho, jak se skutečná směs vzduchu a paliva odchyluje od stechiomet-rického 1) hmotnostního poměru, byl zave-den vzdušný součinitel l (lambda). Vzdušný součinitel udává poměr hmot-nosti přiváděného vzduchu vůči požado-vanému při stechiometrickém spalování:

hmotnost vzduchul = hmotnost paliva . stechiometrický poměr

l = 1: Hmotnost přiváděného vzduchu od-povídá teoretické požadované hmotnosti vzduchu, která je potřebná k tomu, aby shořelo veškeré palivo.

l < 1: Panuje nedostatek vzduchu a tím bo-hatá směs.

l > 1: Panuje přebytek vzduchu a tím chudá směs.

Hodnoty lambda u vznětového motoruZóny bohaté směsi jsou zodpovědné za ča-divé spalování. Aby nevznikalo příliš zón bohaté směsi, musí se pracovat – na rozdíl od zážehového motoru – celkově s přebyt-kem vzduchu. Hodnoty lambda přeplňova-ných motorů se pohybují při plném zatí-

Základy vstřikování paliva vznětového motoru

Obrázek 1

U „skleněných motorů“

lze procesy vstřikování

a spalování pozorovat

přes skleněné vložky

a zrcátka.

Časy jsou udávané po

začátku vlastního sví-

cení hoření

a 200 μs

b 400 μs

c 522 μs

d 1200 μs

48 | Základy vstřikování paliva vznětového motoru | Rozdělení směsi

1) Stechiometrický

poměr popisuje,

kolik je potřeba

kilogramů vzduchu

k dokonalému

spálení 1 kg paliva

(mvzduch /mpalivo ).

U paliva pro vznětový

motor je tento poměr

cca. 14,5.

2 Průběh poměru vzduchu a paliva u klidné jednot-livé kapky

0

d

l =

Vzd

ušný

sou

čini

tel l

l = 0jádro paprsku

1,5

0,3

čistý vzduch

vnější zóna plamene

chudá

meze zápalnosti

bohatá

Tekutá kapka paliva

vzdálenost r

zápalná oblast(zóna plamene)

3 Průběh poměru vzduchu a paliva u pohybující se jednotlivé kapky

a b

1

33

44

2 2

1

SM

K18

66Y

UM

K08

49-1

D

žení mezi l = 1,15 a l = 2,0. Při volnoběhu a nulovém zatížení rostou hodnoty na l > 10. Tyto vzdušné součinitele předsta-vují poměr hmotnosti veškerého vzduchu a paliva ve válci. Pro samovznícení a tvorbu škodlivin jsou však v podstatné míře zod-povědné lokální hodnoty lambda, které prostorově silně kolísají.

Vznětový motor pracuje s heterogenní vnitřní tvorbou směsi a samovznícením. Zcela homogenní smíšení vstřikovaného paliva se vzduchem před nebo během ho-ření není možné. U heterogenní směsi vznětového motoru pokrývají lokální hod-noty vzduchového součinitele všechny hodnoty od l = 0 (čisté palivo) v jádru pa-prsku v blízkosti otvoru trysky až po l = ∞ (čistý vzduch) ve vnější zóně paprsku. V okrajové zóně (obal par) jednotlivé te-kuté kapky se vyskytují lokálně zápalné hodnoty lambda 0,3 – 1,5 (obrázky 2 a 3). Z toho se dá odvodit, že dobrým rozpráše-ním (mnoho malých kapiček), vysokým celkovým přebytkem vzduchu a „dávkova-ným“ pohybem náplně vzniká mnoho lo-kálních zón chudé směsi se zápalnými hodnotami lambda. To způsobuje, že při hoření vzniká méně sazí, takže se zvyšuje snesitelná míra recirkulace spalin, umož-ňující redukci emisí NOX.

Dobré rozprášení se dosahuje vysokými vstřikovacími tlaky: v současnosti se pohy-bují na maximální hodnotě 2200 barů u systémů UIS (sdružené vstřikovače), sys-témy Common Rail pracují s maximálním vstřikovacím tlakem 1800 barů. Tím vzniká mezi palivovým paprskem a vzdu-chem ve válci vysoká relativní rychlost, která tak palivový paprsek „roztrhá“.

S ohledem na nízkou hmotnost motoru a náklady na motor by mělo být získáno maximum výkonu z daného zdvihového objemu. Při vysokém zatížení proto musí motor pracovat s co nejmenším přebytkem vzduchu. Nedostatečný přebytek vzduchu ovšem zvyšuje zejména emise sazí. Aby byly omezeny, musí se při disponibilním množství vzduchu a v závislosti na otáč-kách motoru přesně dávkovat množství paliva.

Při nízkém tlaku vzduchu (např. ve vy-soké nadmořské výšce) je rovněž potřeba, aby bylo množství paliva přizpůsobeno nižšímu nabízenému množství vzduchu.

Základy vstřikování paliva vznětového motoru | Rozdělení směsi | 49

Obrázek 2

d průměr kapky

(cca. 2…20 μm)

Obrázek 3

a nízká náběžná rych-

lost proudění

b vysoká náběžná

rychlost proudění

1 zóna plamene

2 zóna páry

3 kapka paliva

4 proud vzduchu

4 Pole charakteristik počátku vstřiku v závislosti na otáčkách a zatížení pro motor osobního vozu při studeném startu a provozní teplotě (příklad)

1

2

3

Otáčky

Poč

átek

vst

řiku

před

HÚ

8KH

min–1

2

0

4

6

200 1000

5 Pásma rozptylu emisí NOx a HC v závislosti na počátku vstřiku u užitkového vozu bez recirkulace spalin

%

220

180

100

60

3

140

2 14

260až cca.10 před HÚ αN

HÚ

HC

1 2 3 4 5 6

αV

časný pozdníPočátek vstřiku

Em

ise

KH

NOX

UM

K07

97-1

D

UM

K07

96-2

D

Parametry vstřikování

Počátek vstřiku a dodávky Počátek vstřikuPočátek vstřikování paliva do spalovacího prostoru významně ovlivňuje počátek ho-ření směsi paliva se vzduchem a tím emise, spotřebu paliva a hluk spalování. Proto má počátek vstřiku, nazývaný také předvstřik, velký význam pro optimální chování mo-toru.

Počátek vstřiku udává úhel klikového hří-dele vůči horní úvrati (HÚ) pístu motoru, při němž vstřikovací tryska otvírá a vstři-kuje palivo do spalovacího prostoru mo-toru. Okamžitá poloha pístu vůči horní úvrati ovlivňuje pohyb vzduchu ve spalo-vacím prostoru a rovněž jeho hustotu a teplotu. Takže kvalita promíšení směsi vzduchu a paliva závisí též na počátku vstřiku. Počátek vstřiku má tudíž vliv na emise jako jsou saze, oxidy dusíku (NOX),

nespálené uhlovodíky (HC) a oxid uhelnatý (CO).

Předepsané hodnoty pro počátek vstřiku jsou různé v závislosti na zatížení, otáčkách a teplotě motoru. Pro každý mo-tor se zjišťují optimální hodnoty, přičemž se zohledňují dopady na spotřebu paliva, emise škodlivin a hluku. Takto zjištěné hodnoty se ukládají do datového pole po-čátku vstřiku (obr. 4). Pomocí datového pole se reguluje přestavení počátku vstřiku, závislé na zatížení.

Systémy Common Rail nabízejí oproti systémům řízeným vačkou dodatečné stupně volnosti při volbě počtu a oka-mžiku vstřiků a vstřikovacího tlaku. Vy-plývá to z toho, že tlak paliva je tvořen sa-mostatným vysokotlakým čerpadlem a je prostřednictvím řízení motoru optimálně přizpůsoben každému provoznímu bodu a vstřikování je řízeno magnetickými ven-tily nebo piezoelementy.

Směrné hodnoty pro počátek vstřiku

Obrázek 4

1 Studený start (< 0 °C)

2 Plné zatížení

3 Částečné zatížení

Obrázek 5

Příklad aplikace:

aN Optimální počátek

vstřiku při nulovém

zatížení: nízké

emise HC, zatímco

emise NOx při nu-

lovém zatížení jsou

tak jako tak nízké.

aV Optimální počátek

vstřiku při plném

zatížení: nízké

emise NOx, za-

tímco emise HC při

plném zatížení jsou

tak jako tak nízké.

50 | Základy vstřikování paliva vznětového motoru | Parametry vstřikování

V datovém poli vznětového motoru jsou pro nízkou spotřebu paliva optimální hod-noty počátku hoření v rozsahu 0 – 8° KH (úhlový stupeň otočení klikového hřídele) před horní úvratí. Z toho a z hraničních hodnot pro emise spalin vyplývají násle-dující hodnoty počátku vstřiku:

Motory s přímým vstřikováním pro osobní vozidla:

nulové zatížení: 2° KH před HÚ až 4° KH ▶

po HÚčástečné zatížení: 6° KH před HÚ až 4° ▶

KH po HÚ plné zatížení: 6…15° KH před HÚ ▶

Motory s přímým vstřikováním pro užit-ková vozidla (bez recirkulace spalin):

nulové zatížení: 4…12° KH před HÚ ▶

plné zatížení: 3…6° KH před HÚ až 2° KH ▶

po HÚ

U studeného motoru osobních i užitkových vozidel je počátek vstřiku o 3…10° KH dříve. Doba hoření při plném zatížení činí 40…60° KH.

Počátek vstřiku před HÚNejvyšší kompresní teplota (teplota na konci komprese) nastává krátce před horní úvratí pístu. Zahájí-li se spalování daleko před HÚ, stoupá strmě tlak spalování a pů-sobí jako brzdicí síla proti pohybu pístu. Teplo, které se při tom vydává, zhoršuje účinnost motoru a zvyšuje tak spotřebu paliva. Strmý vzestup tlaku spalování má kromě toho za následek hlučné spalování.

Počátek spalování časově posunutý vpřed zvyšuje teplotu ve spalovacím pro-storu. Proto stoupají emise NOx a snižuje se tvorba HC (obr. 5).Minimalizace modrého a bílého kouře vy-žaduje u studeného motoru brzké počátky vstřiku a/nebo pilotní vstřik.

Počátek vstřiku po HÚPozdní počátek vstřiku při nízkém zatížení může vést k nedokonalému spalování a tím k emisím nedokonale spálených uhlovo-díků (HC) a oxidu uhelnatého (CO), neboť teplota ve spalovacím prostoru již zase klesá (obr. 5).Částečně protichůdné závislosti speci-

fické spotřeby paliva a emisí HC na jedné straně stejně jako emisí sazí (černý kouř) a emisí NOx na straně druhé vyžadují při přizpůsobení počátku vstřiku k danému motoru kompromisy a úzké tolerance.

Počátek dodávkyVedle počátku vstřiku se často sleduje také počátek dodávky. Vztahuje se na počátek dodávky paliva vstřikovacím čerpadlem.

Počátek dodávky hraje roli u starších vstřikovacích systémů, neboť u nich musí být k motoru přiřazeno řadové nebo ro-tační vstřikovací čerpadlo. Časové sladění čerpadla s motorem se provádí k počátku dodávky, jelikož ten lze zjistit snáze než skutečný počátek vstřiku. Tento postup je možný, protože mezi počátkem dodávky a počátkem vstřiku existuje definovaný vztah (zpoždění vstřiku1)).

Zpoždění vstřiku plyne z doby šíření tla-kové vlny od vysokotlakého vstřikovacího čerpadla ke vstřikovací trysce a závisí tak na délce potrubí. Při různých otáčkách je výsledkem rozdílné zpoždění vstřiku vyjá-dřené ve stupních KH. Motor má při vyš-ších otáčkách také větší zpoždění vzní-cení2), vztažené na polohu klikového hří-dele (° KH). Obojí se musí kompenzovat, a proto musí být u vstřikovacího systému mechanické nebo elektronické přestavení počátku dodávky, respektive počátku vstřiku, závislé na otáčkách, zatížení a tep-lotě motoru.

Základy vstřikování paliva vznětového motoru | Parametry vstřikování | 51

1) Čas nebo uběhnutý

úhel klikového

hřídele (° KH) od

počátku dodávky

k počátku vstřiku

2) Čas nebo uběhnutý

úhel klikového

hřídele (° KH) od

počátku vstřiku

k počátku vznícení

Vstřikovaná dávkaPotřebná hmotnost paliva me pro jeden vá-lec motoru na pracovní dobu se vypočítá podle následujícího vzorce:

P · be · 33,33me = [mg/zdvih] n · z

P výkon motoru v kWbe specifická spotřeba paliva motoru

v g/kWhn otáčky motoru v min–1 z počet válců motoru

Odpovídající objem paliva (vstřikovaná dávka) QH v mm3/zdvih respektive mm3/vstřikovací cyklus pak je:

P · be · 1000QH = [mm3/zdvih] 30 · n · z · r

Hustota paliva r v g/cm3 závisí na teplotěVýkon odevzdávaný motorem je při

předpokládané konstantní účinnosti (h ,1/be) přímo úměrný vstřikované dávce.

Hmotnost paliva vstřikovaného vstřikova-cím systémem závisí na následujících veli-činách:

průřezu vstřikovací trysky, jímž pro- ▶

chází palivo,době trvání vstřiku, ▶

průběhu rozdílového tlaku mezi vstřiko- ▶

vacím tlakem a tlakem ve spalovacím prostoru motoru a rovněž hustotě paliva ▶

Palivo pro vznětový motor je stlačitelné, tzn. při vysokých tlacích se stlačuje. To zvyšuje vstřikované množství; odchylkou požadovaného množství v datovém poli vůči skutečnému množství jsou ovlivněny výkon a produkce škodlivin. Precizně pra-cujícími vstřikovacími systémy s elektro-nickou regulací vznětového motoru lze tento vliv kompenzovat a velmi přesně dávkovat potřebné vstřikované množství paliva.

Doba trvání vstřikuHlavní veličina průběhu vstřiku je doba tr-vání vstřiku, během níž je otevřena vstři-kovací tryska a palivo se vstřikuje do spa-lovacího prostoru. Udává se v úhlových stupních polohy klikového nebo vačko-vého hřídele (° KH respektive ° VH) nebo v milisekundách. Různé způsoby spalování vyžadují vždy rozdílné doby trvání vstřiku (přibližné údaje při jmenovitém výkonu):

motory osobních vozů s přímým vstřiko- ▶

váním cca. 32…38 ° KH,komůrkové motory osobních vozů cca. ▶

35…40 ° KH amotory užitkových vozů s přímým vstři- ▶

kováním cca. 25…36 ° KH

Úhel otočení klikového hřídele 30 ° KH, proběhnuvší za dobu trvání vstřiku, odpo-vídá 15 ° VH. To při otáčkách vstřikovacího čerpadla 3) 2000 min–1 vede k době trvání vstřiku 1,25 ms.

Aby byly spotřeba paliva a emise udržo-vány na nízké úrovni, musí se doba trvání vstřiku určovat v závislosti na provozním bodu a sladit s počátkem vstřiku (obrázky 6 až 9).

Průběh vstřikuPrůběh vstřiku popisuje časový průběh hmotnostního toku paliva, který je vstřiko-ván do spalovacího prostoru během doby trvání vstřiku.

Průběh vstřiku u vstřikovacích systémů ří-zených vačkouU vstřikovacích systémů řízených vačkou se během procesu vstřikování kontinuálně vytváří tlak pístem čerpadla. Při tom má rychlost pístu přímý vliv na rychlost do-dávky a tím na vstřikovací tlak.

U rotačních a řadových vstřikovacích čerpadel řízených hranou nelze vytvořit pilotní vstřik. Dvoupružinové vstřikovače zde však nabízejí možnost snížit vstřiko-vané množství (vztaženo na úhel otočení


3) u čtyřdobých motorů

odpovídají polovič-

ním otáčkám motoru

6 Měrná spotřeba paliva be v kg/kWh v závislosti na počátku vstřiku a době trvání vstřiku

10

-20

-15

-10

-5

0

5

10

KHpo HÚ

KHpřed HÚ

15 20 25 30 35 KHDoba trvání vstřiku

Poč

átek

vst

řiku

300 275

250

225

210

200 197

197 200

8 Měrné emise nespálených uhlovodíků (HC) v g/kWh v závislosti na počátku vstřiku a době trvání vstřiku

10

-20

-15

-10

-5

0

5

10

KHpo HÚ

KHpo HÚ


Poč

átek

vst

řiku

0,20 0,30

0,10

0,08

0,08

0,09

0,09

0,10

1,00 0,50

7 Měrné emise oxidů dusíku (NOX) v g/kWh v závislosti na počátku vstřiku a době trvání vstřiku

10

-20

-15

-10

-5

0

5

10

KHpo HÚ

KHpřed HÚ


Poč

átek

vst

řiku

2,2

3,0

5,0 7,0

10,0 15,0 20,0 30,0 40,0

2,5

9 Měrné emise sazí v g/kWh v závislosti na počátku vstřiku a době trvání vstřiku

10

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15 20 25 30 35

0,001

0,010 0,050

0,150

0,400 0,200 0,100

KHpo HÚ

KHpřed HÚ

KHDoba trvání vstřiku

Poč

átek

vst

řiku

SM

K18

67D

SM

K18

68D

SM

K18

69D

SM

K18

70D


Obrázky 6 až 9

Motor:

6válcový vznětový mo-

tor užitkového vozu se

vstřikovacím systémem

Common Rail.

Provozní bod:

n = 1400 min–1,

50 % plného zatížení.

Variace (změny) doby

trvání vstřiku v tomto

příkladě se provádějí

změnami vstřikova-

cího tlaku tak, aby se

v každém vstřikovacím

procesu dosáhlo kon-

stantní vstřikované

dávky.

10 Průběh vstřikovacího tlaku konvenčního vstřikování

Vstřikované množství me

1

2

3

Vst

řikov

ací t

lak

p e

11 Průběh vstřikování u vstřikovacího systému Common Rail

Čas t

Vst

řikov

ací t

lak

p

pr

po

Pilotní vstřik

Hlavní vstřik

UM

K17

22-1

D

UM

K15

85-3

D

vačky) na počátku vstřikování, aby bylo do-saženo zlepšení ohledně hluku spalování.

U rotačních vstřikovacích čerpadel říze-ných magnetickým ventilem je také možný pilotní vstřik. U systémů sdružených vstři-kovačů (UIS) pro osobní vozy se uskuteč-ňuje mechanicko-hydraulicky řízené pi-lotní vstřikování, které lze ale jen časově omezeně řídit.

Vytváření tlaku a přichystání vstřikova-ného množství je u vačkou řízených sys-témů svázáno vačkou a výtlačným pístem. To má pro chování vstřikování následující důsledky:

vstřikovací tlak stoupá s rostoucími ▶

otáčkami (až k dosažení maximálního tlaku) a se vstřikovaným množstvím (obrázek 10),na počátku vstřikování narůstá vstřiko- ▶

vací tlak, ale před koncem vstřikování (od konce dodávky) opět klesá až k uza-víracímu tlaku trysky

Důsledky toho jsou:malé vstřikované dávky jsou vstřikovány ▶

s nižším tlakem aprůběh vstřikování je přibližně trojúhel- ▶

níkový

Tento trojúhelníkový průběh je v částeč-ném zatížení a v oblasti nízkých otáček příznivý pro spalování, protože je dosa-ženo měkkého nárůstu tlaku a tím tichého spalování; nepříznivý je tento průběh při plném zatížení, jelikož při co možná nejvíc obdélníkovém průběhu s vysokými hodno-tami vstřikovaného množství (vztaženo na úhel otočení vačky) se dosahuje lepšího využití vzduchu.

U komůrkových motorů (motory s před-komůrkou nebo vířivou komůrkou) se pou-žívají škrticí čepové trysky, které vytvářejí jediný paprsek a utvářejí průběh vstřiku. Tyto vstřikovací trysky řídí výtokový prů-řez v závislosti na zdvihu jehly trysky. To vede též k měkkému nárůstu tlaku a tím k „tichému spalování“.

Průběh vstřiku u systému Common RailVysokotlaké čerpadlo vytváří tlak v zásob-níku paliva (Rail) nezávisle na vstřikování. Vstřikovací tlak je během procesu vstřiko-vání přibližně konstantní (obrázek 11). Vstřikované množství paliva je při daném tlaku úměrné době sepnutí ventilu v injek-toru a nezávislé na otáčkách motoru, re-spektive čerpadla (časově řízené vstřiko-vání).

Z toho vychází téměř obdélníkový prů-běh vstřiku, který na základě kratších dob

Obrázek 10

1 Vysoké otáčky

motoru

2 Střední otáčky

motoru

3 Nízké otáčky

motoru

Obrázek 11

pr tlak v railu

po otvírací tlak trysky


12 Průběhy vstřikování

Úhel klikového hřídeleHÚ

8KH

Vst

řikov

ací t

lak

p e

1

Os. vozy 5…158KHUž. vozy 6…128KH

9

3 4 5 6 7

b (do 40…608KH)

1…58KH

v

ZV* *ZV: bez pilotního vstřiku: 4… 108KH s pilotním vstřikem: 1… 28KH

8

2 (do 368KH) 90…1808KH

ps

Počátek hlavního vstřiku (užitkové vozy při vysokém zatížení 5° před …5° KH po HÚ, osobní vozy až 15° KH před HÚ)

po

UM

K17

21-3

D

vstřiku a téměř konstantně vysokých rych-lostí paprsku zlepšuje využití vzduchu při plném zatížení a tím dovoluje vyšší měrné výkony.

S ohledem na hluk spalování je to spíše nepříznivé, jelikož kvůli vysoké rychlosti nárůstu vstřikovaného množství (vztaženo na úhel otočení vačky) na počátku vstřiko-vání je vstřikováno velké množství paliva během doby zpoždění vznícení a to vede k vysokému nárůstu tlaku během spalo-vání předem namíchané směsi. Díky mož-nosti zavést až dva pilotní vstřiky však lze spalovací prostor předehřát, čímž se zkrátí zpoždění vznícení a lze tak dosáhnout nej-nižších hodnot hluku spalování.

Protože injektory ovládá řídicí jednotka, lze počátek vstřiku, dobu trvání vstřiku a vstřikovací tlak v dané aplikaci motoru li-bovolně nastavit pro různé provozní body motoru. Jsou řízeny elektronickou regulací motoru (EDC). Pomocí vyrovnání množství injektoru (IMA) při tom řídicí jednotka EDC kompenzuje rozptyl množství paliva jed-notlivých injektorů.

Moderní vstřikovací systémy Common Rail s piezo-injektory dovolují více pilotních i dodatečných vstřiků, přičemž je možných až pět vstřiků během pracovního taktu.

Vstřikovací funkcePodle motorové aplikace jsou požadovány následující funkce vstřikování (obr. 12):

pilotní vstřik ▶ (1) ke snížení hluku spalo-vání a emisí NOx, zvláště u motorů s pří-mým vstřikováním,stoupající průběh tlaku během hlavního ▶

vstřiku (3) ke snížení emisí NOX-při pro-vozu bez recirkulace spalin,průběh tlaku ve tvaru „boty“ ▶ (4) během hlavního vstřiku ke snížení emisí NOX a sazí při provozu bez recirkulace spalin,konstantně vysoký tlak během hlavního ▶

vstřiku (3, 7) ke snížení emisí sazí při provozu s recirkulací spalin,časný dodatečný vstřik ▶ (8) ke snížení emisí sazí,pozdní dodatečný vstřik (9) k regeneraci ▶

systémů dodatečné úpravy spalin.

Obrázek 12

Přizpůsobení pro do-

sažení nízkých hodnot

NOx vyžadují při vyso-

kém zatížení počátky

vstřiku okolo HÚ. Počá-

tek dodávky leží značně

před počátkem vstřiku,

zpoždění vstřiku je

závislé na vstřikovacím

systému.

1 Pilotní vstřik

2 Hlavní vstřik

3 Strmý vzestup tlaku

(Common Rail)

4 Vzestup tlaku ve

tvaru „boty“

(UPS s dvoustupňově

otvírající jehlou

magnetického

ventilu CCRS).

S dvoupružinovými

vstřikovači lze

dosáhnout „botového“

tvaru průběhu

zdvihu jehly trysky

(nikoliv průběhu

tlaku!).

5 Stoupající průběh

tlaku (konvenční

vstřikování)

6 Plochý pokles

tlaku (řadová

a rotační vstřikovací

čerpadla)

7 Strmý pokles tlaku

(UIS, UPS, u systému

Common Rail

trochu plošší)

8 Časný dodatečný

vstřik

9 Pozdní dodatečný

vstřik

ps Špičkový tlak

po Otvírací tlak trysky

b Doba hoření hlavní

vstřiku

v Doba hoření pilot-

ního vstřiku

ZV Zpoždění vznícení

hlavního vstřiku


13 Vliv pilotního vstřiku na průběh tlaku spalování

Úhel klikového hřídele

OT

hMI

Zdv

ih je

hly

try

sky

hT

lak

spal

ován

í pz

hPIb

a,b

a

b

UM

K15

87-6

D

Pilotní vstřikSpalováním malého množství paliva (cca. 1 mg) během fáze komprese se zvýší úro-veň tlaku a teploty ve válci v okamžiku hlavního vstřiku (obrázek 13). Tím se zkrátí zpoždění vznícení hlavního vstřiku. Projeví se to příznivě na hluku spalování, protože klesá podíl paliva při spalování předtím namíchané směsi. Současně se zvyšuje difúsně spálené množství paliva. Tím a kvůli zvýšené úrovni teploty ve válci se zvyšují emise sazí a NOX.

Na druhé straně jsou vyšší teploty ve spalovacím prostoru především při stude-ném startu a v oblasti nízkého zatížení pří-znivé pro stabilizaci spalování a tím sní-žení emisí HC a CO.

Přizpůsobením časového odstupu mezi pilotním a hlavním vstřikem a dávkováním množství paliva pilotního vstřiku lze v zá-vislosti na provozním bodě nastavit vhodný kompromis mezi hlukem spalování a emisemi NOX.

Pozdní dodatečný vstřikPři pozdním dodatečném vstřiku se palivo nespaluje, nýbrž se v důsledku zbytkového

tepla odpařuje ve spalinách. Dodatečný vstřik přichází po hlavním vstřiku během expanzní nebo výfukové doby do 200 ° KH po HÚ. Dodává přesně dávkované množ-ství paliva do spalin. Tato směs spalin s pa-livem je ve výfukové době vypouštěna vý-fukovými ventily do výfukového systému.

Pozdní dodatečný vstřik slouží v zásadě k přichystání uhlovodíků, které oxidací v oxidačním katalyzátoru rovněž způso-bují zvýšení teploty spalin. Toto opatření se používá k regeneraci systémů doda-tečné úpravy spalin, jakými jsou částicový filtr nebo zásobníkový katalyzátor NOX.

Protože pozdní dodatečný vstřik může vést k ředění motorového oleje palivem, musí se odsouhlasit s výrobcem motoru.

Časný dodatečný vstřikU systému Common Rail je možné uskuteč-nit dodatečný vstřik bezprostředně po hlavním vstřiku do ještě trvajícího hoření. Částice sazí se tímto způsobem dodatečně spálí a emise sazí se sníží o 20…70 %.

Časové chování ve vstřikovacím systémuObrázek 14 představuje na příkladu rotač-ního vstřikovacího čerpadla s radiálním pístem (VP44), jak vačka na vačkovém kruhu zahajuje dodávku a palivo nakonec vystupuje z trysky. Ukazuje, že se průběh tlaku a vstřiku od vysokotlakého prostoru (prostor elementu) až po trysku silně mění a je ovlivněn součástmi, které určují vstřik (vačka, element, tlakový ventil, potrubí a tryska). Proto je nutné přesné naladění vstřikovacího systému na motor.

U všech vstřikovacích systémů, u nichž je tlak vytvářen pístem čerpadla (řadová vstřikovací čerpadla, sdružené vstřikovače a sdružená čerpadla), je chování podobné.

Škodlivý objem u konvenčních vstřikova-cích systémůPojem škodlivý objem označuje objem vy-sokotlaké strany vstřikovacího systému.

Obrázek 13

a bez pilotního

vstřiku

b s pilotním vstřikem

hPI Zdvih jehly při

pilotním vstřiku

hMI Zdvih jehly při

hlavním vstřiku


14 Řetězec ovlivňujících veličin od zdvihu vačky po průběh vstřiku v závislosti na úhlu natočení vačko-vého hřídele

Zdv

ih v

ačky

R

ychl

ost z

dvih

u T

lak

ve v

eden

í na

vstři

kova

cím

čer

padl

e M

nožs

tví v

střik

ovan

ého

paliv

a (v

ztaž

ené

na ú

hel

vačk

y)

hN

vH

-168 HÚ 88-88 168-248

Úhel vačkového hřídele

Q

Zdv

ih je

hly

trysk

y

hD

Tla

k ve

ved

ení

na tr

ysce

Zdv

ih m

agne

ti-ck

ého

vent

ilu

0

0,25mm

0

4

2

0

3

4

2

1

0

0,4

mm

mmm/s

mm3

8VH

pLD

0

400

800

1200 tL

pLP

bar

0

400

800

1200

1600

2000

bar1600

2000

hM

UM

K07

98-1

D

Skládá se z vysokotlaké oblasti vstřikova-cího čerpadla, palivových potrubí a ob-jemu vstřikovače. Škodlivý objem je při každém vstřiku „napumpován“ a na konci zase uvolněn. Tím vznikají kompresní ztráty a průběh vstřiku se protahuje. V „nitkovitém“ objemu potrubí se při tom v důsledku dynamických dějů tlakové vlny stlačuje palivo.

Čím větší je škodlivý objem, tím horší je hydraulická účinnost vstřikovacího sys-tému. Cílem při vývoji vstřikovacího sys-tému proto je udržet škodlivý objem co nejmenší. U systému sdruženého vstřiko-vače (Unit Injector) je škodlivý objem nejmenší.

Aby byla zaručena jednotná regulace pro motor, musejí být škodlivé objemy stejně velké pro všechny válce.

Vstřikovací tlakU vstřikování se tlaková energie v palivu převádí na energii proudění. Vysoký tlak paliva vede k vysoké výtokové rychlosti paliva na výstupu vstřikovací trysky. Roz-prášení nastává impulsní výměnou turbu-lentního vstřikovacího paprsku se vzdu-chem ve spalovacím prostoru. Palivo se proto rozpraší tím jemněji, čím vyšší je re-lativní rychlost mezi palivem a vzduchem a čím větší je hustota vzduchu ve spalova-cím prostoru. Díky délce vysokotlakého palivového vedení naladěné na odraženou tlakovou vlnu může být vstřikovací tlak na trysce vyšší než ve vstřikovacím čerpadle.

Obrázek 14

Příklad rotačního vstři-

kovacího čerpadla s ra-

diálním pístem (VP-44)

při plném zatížení bez

pilotního vstřiku

tL doba průchodu

paliva vedením


15 Vliv vstřikovacího tlaku a počátku vstřiku na spo-třebu paliva a emise sazí a oxidů dusíku

2

220

200

8

Čer

ný k

ouř

0

642Oxid dusíku NOX

SZB

g/kWh

1

Spo

třeb

a pa

liva

b e

210

g/kWh

190

aSpe = 435 bar

+18

+48

800 bar–88

–128

pe = 800 bar

aS

+18 +48

435 bar –88

–128

UM

K08

01-1

D

Motory s přímým vstřikem (DI)U vznětových motorů s přímým vstřikem je rychlost vzduchu ve spalovacím pro-storu poměrně nízká, protože se pohybuje jen na základě svojí hmotnostní setrvač-nosti (tzn. vzduch si chce zachovat svoji vstupní rychlost, vzniká vír). Pohyb pístu posiluje vír ve válci, protože vytěsňující proudění přivádí vzduch do prohlubně dna pístu a tím do menšího průměru. Cel-kově je ale pohyb vzduchu menší než u ko-můrkových motorů.

Kvůli menšímu pohybu vzduchu se musí palivo vstřikovat s vysokým tlakem. Sys-témy pro osobní vozidla v současné době vytvářejí při plném zatížení špičkové tlaky 1000…2050 barů a pro užitkové vozy 1000…2200 barů. Špičkový tlak je však k dispozici – kromě systémů Common Rail – jen v horní oblasti otáček.

Pro příznivý průběh točivého momentu spolu s nízkou kouřivostí (tj. s nízkými emi-semi částic) je rozhodující poměrně vysoký vstřikovací tlak při nízkých otáčkách s pl-ným zatížením, přizpůsobený metodě spa-lování. Protože při nízkých otáčkách je

hustota vzduchu ve válci poměrně malá, musí se vstřikovací tlak natolik omezit, aby se zabránilo nanášení paliva na stěnu válce. Od otáček cca 2000 min -1 je použi-telný maximální plnicí tlak, takže se může vstřikovací tlak zvýšit na maximální hod-notu.

Aby se docílilo příznivé účinnosti motoru, musí vstřikování probíhat v určitém úhlo-vém okně okolo horní úvrati, závislém na otáčkách. Při vysokých otáčkách (jmeno-vitý výkon) jsou proto potřebné vysoké vstřikovací tlaky, aby se zkrátila doba vstřiku.

Motory s nepřímým vstřikováním (IDI)U vznětových motorů s děleným spalova-cím prostorem žene rostoucí tlak spalo-vání náplň z předkomůrky nebo vířivé ko-můrky (vedlejší spalovací prostor) do hlav-ního spalovacího prostoru. Tato metoda pracuje s vysokými rychlostmi vzduchu ve vedlejším spalovacím prostoru a ve spojo-vacím kanálu mezi vedlejším a hlavním spalovacím prostorem.

Obrázek 15

Motor s přímým vstřiko-

váním, otáčky motoru

1200 min–1,

střední tlak 16,2 bar

pe Vstřikovací tlak

αS Počátek vstřiku po HÚ

SZB Stupeň černého

kouře


16 Vliv provedení trysky na emise uhlovodíků

1

03

Em

ise

HC

2

210

Objem vstřikovacího otvorua slepého vývrtu trysky

g/kWh

mm3

1 2

b

a

17 Špičky trysek

b

a

1

UM

K08

00-1

D

SM

K18

58-1

Y

Obrázek 16

a Tryska s otvory

do sedla

b Tryska s miniatur-

ním slepým vývrtem

(Mikrosackloch)

1 Motor s 1 otvorem

/ válec

2 Motor s 2 otvory

/ válec

Obrázek 17

a Tryska s otvory

do sedla

b Tryska s miniatur-

ním slepým vývrtem

1 Zbytkový objem

Provedení trysek a držáků trysek

Dostřik (úkap)Obzvláště nepříznivě se na kvalitě spalin projevují nechtěné „dostřiky“. Při dostřiku se vstřikovací tryska po uzavření ještě na krátkou dobu otevírá a odstříkne špatně zpracované palivo v pozdní době spalo-vání. Toto palivo neshoří úplně nebo vůbec a proudí jako nespálený uhlovodík do vý-fuku. Rychle zavírající vstřikovače s dosta-tečně vysokým zavíracím tlakem a nízkým stálým tlakem ve vedení zabraňují tomuto jevu.

Zbytkový objemPodobně jako dostřik se projevuje zbyt-kový objem ve vstřikovací trysce směrem za těsnicím sedlem. Palivo nahromaděné v takovém objemu vytéká po ukončení ho-ření do spalovacího prostoru a proudí také částečně do výfuku. Též toto palivo zvy-šuje emise nespálených uhlovodíků (obrá-zek 16). Trysky, u nichž jsou vstřikovací otvory vyvrtány do těsnicího sedla, vyka-zují nejmenší zbytkový objem.

Směr vstřiku Motory s přímým vstřikováním (DI)Vznětové motory s přímým vstřikováním pracují všeobecně s co možná nejvíc stře-dově uspořádanými otvorovými tryskami s 4 až 10 vstřikovacími otvory (většinou 6 až 8 otvorů). Směr vstřiku je velmi přesně přizpůsoben spalovacímu pro-storu. Odchylky řádově 2 stupně od opti-málního směru vstřiku vedou k měřitel-nému zvýšení emisí sazí a spotřeby paliva.

Motory s nepřímým vstřikováním (IDI)Komůrkové motory pracují s čepovými tryskami s pouze jedním vstřikovým pa-prskem. Tryska vstřikuje do předkomůrky nebo vířivé komůrky tak, aby se paprsek dotýkal žhavicí svíčky. Směr paprsku je přesně sladěn se spalovacím prostorem. Odchylky vedou k horšímu využití vzdu-chu pro spalování a tím k nárůstu emisí sazí a uhlovodíků.

Základy vstřikování paliva vznětového motoru | Provedení trysek a držáků trysek | 59

1 Princip funkce řadového vstřikovacího čerpadla

a b

5

6

7

10

1

9

3

45

6

7

2

8

X

10

1

2

X

3

4

UM

K17

59Y

Vstřikovací systém vstřikuje palivo do spa-lovacího prostoru pod vysokým tlakem, ve správném okamžiku a ve správném množ-ství. Podstatnými součástmi vstřikovacího systému jsou vstřikovací čerpadlo, vytvá-řející vysoký tlak, a dále vstřikovací trysky, které jsou s výjimkou systému sdružených vstřikovačů (Unit Injektor) spojeny vysokotlakým potrubím se vstři-kovacím čerpadlem. Vstřikovací trysky ční do spalovacího prostoru jednotlivých válců.

U většiny systémů vstřikovací tryska ot-vírá, když tlak paliva dosáhne jistého otví-racího tlaku a zavírá, když tlak spadne pod tuto úroveň. Jen u systému Common Rail je tryska otvírána z vnějšku pomocí elektro-nické regulace

Konstrukční typy

Vstřikovací systémy se v zásadě liší ve způ-sobu vytváření vysokého tlaku a v řízení počátku vstřiku a doby vstřiku. Zatímco starší systémy jsou částečně ještě regulo-vány čistě mechanicky, v současné době se prosadila elektronická regulace.

Řadová vstřikovací čerpadla Standardní řadová vstřikovací čerpadlaŘadová vstřikovací čerpadla (obrázek 1) mají pro každý válec motoru jeden ele-ment čerpadla, který se skládá z válce (1) a pístu (4). Píst čerpadla se pohybuje ve směru výtlaku (zde směrem nahoru) půso-bením vačkového hřídele (7), integrova-ného v čerpadle a poháněného motorem, a pomocí pružiny pístu je tlačen zpět. Jed-notlivé elementy čerpadla jsou uspořá-dány do řady (proto název řadové vstřiko-vací čerpadlo).

Zdvih pístu je neměnný. Uzavře-li horní hrana pístu při pohybu vzhůru sací otvor (2), začíná vytváření vysokého tlaku. Tento okamžik je nazýván počátkem dodávky. Píst se pohybuje dále vzhůru. Proto roste tlak paliva, tryska otvírá a vstřikuje se pa-livo.

Uvolní-li řídicí hrana (3), nacházející se šikmo v pístu, sací otvor, může palivo od-tékat a tlak klesá. Jehla trysky zavírá a vstřikování je ukončeno.

K řízení vstřikovaného množství v závis-losti na otáčkách a zatížení je píst čerpadla natáčen regulační tyčí. Tím se mění poloha řídicí hrany vůči sacímu otvoru a v dů-sledku toho užitečný zdvih. Regulační tyč

Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru

Obrázek 1

a Standardní řadové

vstřikovací čerpadlo

b Řadové vstřikovací

čerpadlo se zdviho-

vým šoupátkem

1 Válec čerpadla

2 Sací otvor

3 Řídicí hrana

4 Píst čerpadla

5 Pružina pístu

6 Dráha natočení

vyvolaná regulační

tyčí (vstřikované

množství)

7 Hnací vačka

8 Zdvihové šoupátko

9 Dráha přestavení

vyvolaná stavěcím

hřídelem (počátek

dodávky)

10 Tok paliva ke vstři-

kovací trysce

X Užitečný zdvih

60 | Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru | Konstrukční typy

2 Princip funkce rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálním pístem, řízeného hranou

4 5

6

7

8X1

32

UM

K17

60Y

je ovládána mechanickým odstředivým re-gulátorem nebo elektrickým nastavova-čem.

Vstřikovací čerpadla, která pracují na tomto principu, se označují jako „řízená hranou“.

Řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovým šoupátkemŘadové vstřikovací čerpadlo se zdvihovým šoupátkem má zdvihové šoupátko (obrá-zek 1, pozice 8) klouzající po pístu. Šoupát-kem lze s pomocí stavěcího hřídele měnit předzdvih – tj. dráhu pístu k uzavření sa-cího otvoru. Tím se přestavuje počátek do-dávky. Řadová vstřikovací čerpadla se zdviho-

vým šoupátkem jsou vždy regulována elektronicky. Vstřikované množství a po-čátek vstřiku se nastavují podle vypočíta-ných požadovaných hodnot.

Naproti tomu u standardního řadového vstřikovacího čerpadla je počátek vstřiku závislý na otáčkách.

Rotační vstřikovací čerpadlaRotační vstřikovací čerpadla mají jen jeden vysokotlaký element pro všechny válce (obrázky 2 a 3). Křídlové čerpadlo dodává

palivo do vysokotlakého prostoru (6). Vy-tváření vysokého tlaku se provádí jedním axiálním pístem (obrázek 2, pozice 4) nebo několika radiálními písty (obrázek 3, po-zice 4). Rotující centrální rozdělovací píst otvírá a zavírá řídicí drážku (8) a řídicí ka-nálky a rozděluje tak palivo k jednotlivým válcům motoru. Doba vstřiku se reguluje regulačním šoupátkem (obrázek 2, po-zice 5) nebo vysokotlakým magnetickým ventilem (obrázek 3, pozice 5).

Rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pístemRotující kotoučová vačka (obrázek 2, po-zice 3) je poháněna motorem. Počet vyvý-šenin vačky na spodní straně kotoučové vačky odpovídá počtu válců motoru. Odva-lují se po kladkách (2) prstence kladek a způsobují tím u rozdělovacího pístu navíc k otáčivému pohybu i pohyb zdvihový. Bě-hem jedné otáčky hnacího hřídele udělá píst tolik zdvihů, kolik je válců motoru, jimž je třeba dodávat palivo.

Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru | Konstrukční typy | 61

Obrázek 2


vstřiku na kotouči

kladek

2 Kladka

3 Kotoučová vačka

4 Axiální píst

5 Regulační šoupátko

6 Vysokotlaký prostor


kovací trysce

8 Řídicí drážka

X Užitečný zdvih

3 Princip funkce rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty řízeného magnetickým ventilem

8

7

5

3

1

4

2

6

UM

K17

65Y

U rotačního vstřikovacího čerpadla s axiál-ním pístem, řízeného hranou, s mechanic-kým odstředivým otáčkovým regulátorem nebo elektronicky regulovaným nastavo-vačem určuje regulační šoupátko (5) uži-tečný zdvih a dávkuje tím vstřikované množství.

Přesuvník vstřiku přestavuje počátek do-dávky čerpadla otáčením válečkového ko-touče.

Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními pístyTlak se vytváří radiálním pístovým čerpa-dlem s vačkovým prstencem (obrázek 3, pozice 3) a dvěma až čtyřmi radiálními písty (4). Radiálními pístovými čerpadly lze dosahovat vyšších vstřikovacích tlaků než čerpadly s axiálním pístem. Musí však vykazovat vyšší mechanickou pevnost.

Vačkový prstenec lze natáčet přesuvníkem vstřiku (1), čímž se posouvá počátek do-dávky. Počátek vstřiku a doba vstřiku se u rotačních vstřikovacích čerpadel s radi-álními písty řídí výhradně magnetickými ventily.

Rotační vstřikovací čerpadla řízená mag-netickými ventilyU rotačních vstřikovacích čerpadel říze-ných magnetickými ventily je elektronicky řízeným vysokotlakým magnetickým ven-tilem (5) dávkováno vstřikované množství a měněn počátek vstřiku. Je-li magnetický ventil uzavřen, může se ve vysokotlakém prostoru (6) vytvářet tlak. Je-li otevřen, uniká palivo, takže nelze vytvářet tlak a proto ani nelze vstřikovat. Jedna nebo dvě řídicí jednotky (řídicí jednotka čerpa-dla a případně řídicí jednotka motoru) vy-tvářejí řídicí a regulační signály.

Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF

Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF (čerpadlo s cizím pohonem, Pumpe mit Fremdantrieb), používaná pře-devším pro lodní motory, lokomotivy, sta-vební stroje a malé motory, jsou poháněna přímo vačkovým hřídelem motoru. Vač-kový hřídel motoru má kromě vaček pro časování ventilů hnací vačky pro jednot-livá vstřikovací čerpadla.

Princip činnosti samostatného jednovál-cového vstřikovacího čerpadla PF jinak odpovídá v podstatě řadovému vstřikova-címu čerpadlu.


Obrázek 3


vstřiku na vačko-

vém prstenci

2 Kladka

3 Vačkový prstenec

4 Radiální píst

5 Vysokotlaký magne-

tický ventil

6 Vysokotlaký prostor


kovací trysce

8 Řídicí drážka

4 Princip funkce vysokotlakých součástí systému sdruženého vstřikovače

2

1

3

4

5 Princip funkce vysokotlakých součástí systémujednotky čerpadla (UPS)

4

3

1 5

2

6

UM

K17

61Y

UM

K17

66Y

Systém sdruženého vstřikovače UIS (Unit Injector System)U systému sdruženého vstřikovače, UIS (nazývaného též jednotka čerpadlo - tryska, PDE), tvoří vstřikovací čerpadlo a vstřikovací tryska jeden celek (obrázek 4). Pro každý válec motoru je v hlavě válců zabudován jeden sdružený vstřikovač. Je poháněn vačkovým hřídelem buď přímo prostřednictvím zdvihátka nebo nepřímo pomocí vahadla

Díky integrované konstrukci sdruženého vstřikovače odpadá vysokotlaké potrubí mezi vstřikovacím čerpadlem a tryskou, které je u jiných vstřikovacích systémů ne-zbytné. Proto může být systém sdruženého vstřikovače dimenzován na podstatně vyšší vstřikovací tlak. Maximální vstřiko-vací tlak je v současné době 2200 barů (pro užitkové vozy).

Systém sdruženého vstřikovače je řízen elektronicky. Počátek vstřiku a doba vstřiku jsou vypočítávány řídicí jednotkou a řízeny vysokotlakým magnetickým ventilem

Systém jednotky čerpadla UPS (Unit Pump System)Modulární systém jednotky čerpadla, UPS (nazývaný též čerpadlo - vedení - tryska, PLD), pracuje stejným způsobem jako sys-tém sdruženého vstřikovače (obrázek 5). Na rozdíl od systému sdruženého vstřiko-vače jsou vstřikovač (2) a vstřikovací čer-padlo spojeny krátkým vysokotlakým po-trubím (3), přesně sladěným s danými komponenty. Toto oddělení vstřikovače od vytváření vysokého tlaku dovoluje jedno-dušší zástavbu do motoru. Pro každý válec motoru je vestavěna jedna vstřikovací jed-notka (vstřikovací čerpadlo, potrubí a vstřikovač). Je poháněna vačkovým hří-delem motoru (6).

Také u systému jednotky čerpadla jsou doba vstřiku a počátek vstřiku elektronicky regulovány pomocí rychle spínajícího vyso-kotlakého magnetického ventilu (4).

Obrázek 4

1 Hnací vačka

2 Píst čerpadla


tický ventil


Obrázek 5


2 Vstřikovač

3 Vysokotlaké potrubí


tický ventil

5 Píst čerpadla

6 Hnací vačka

Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru | Konstrukční typy | 63

6 Princip funkce systému Common Rail

EDC 16

3

2

4

1

UM

K20

01Y

Systém Commom Rail CRU vstřikovacího systému s vysokotlakým zásobníkem Common Rail jsou od sebe od-děleny vytváření tlaku a vstřikování. Děje se tak s pomocí zásobního objemu, skláda-jícího se ze společné rozdělovací lišty (Common Rail) a vstřikovačů (obrázek 6). Vstřikovací tlak je vytvářen vysokotlakým čerpadlem do značné míry nezávisle na otáčkách motoru a vstřikovaném množství. Systém tak nabízí vysokou flexibilitu při utváření vstřikování.

Úroveň tlaku je v současné době až 1800 barů.

Způsob činnostiPředřadné podávací čerpadlo čerpá palivo přes flitr s odlučovačem vody k vysokotla-kému čerpadlu. Vysokotlaké čerpadlo se stará o trvale potřebný vysoký tlak paliva v railu (zásobníku paliva).

Okamžik vstřiku a vstřikované množství, jakož i tlak v railu se vypočítávají v elek-tronické řídicí jednotce vznětového mo-toru (EDC, Electronic Diesel Control) v zá-vislosti na provozních stavech motoru a okolních podmínkách.

Dávkování paliva se provádí regulací doby vstřiku a vstřikovacího tlaku. Tlak je regu-lován prostřednictvím ventilu regulace tlaku, který přepouští přebytečné palivo zpět do palivové nádrže. V novější gene-raci systému Common Rail se regulace provádí pomocí dávkovací jednotky v níz-kotlaké části, regulující čerpací výkon čer-padla.

Injektor (vstřikovač) je připojen krát-kým vedením k railu. U dřívějších generací CR se používají injektory s magnetickým ventilem, zatímco u nejnovějších systémů se používají piezo injektory. U nich jsou sníženy pohyblivé hmoty a vnitřní tření, díky čemuž lze realizovat velmi krátké ča-sové odstupy mezi vstřiky. To se příznivě projevuje na emisích.

Obrázek 6

1 Vysokotlaké čerpa-

dlo

2 Rail (vysokotlaký

zásobník paliva)

3 Injektor

4 Řídicí jednotka EDC


▶ Přehled vstřikovacích systému pro vznětové motory

▶ Oblasti použití vstřikovacích systémů Bosch pro vznětové motory

ZWM

PF

UIS

UPS

CR

M

PF

VE

VR

MW MW MW MW CW

PF(R)

CWM

VE

VR

UIS

CR

M

PF

VE

VR

UIS

CR

A/P

PF

VE

VR

UIS

UPS

CR

P/H

PF

VE

VR

UIS

UPS

CR

ZWM

PF

VE

UPS

CR

PF(R)

UM

K15

63-4

Y

Obrázek 1

M, MW,

A, P, H,

ZWM,

CW Řadová vstřikovací

čerpadla s rostoucí

konstrukční velikostí

PF Samostatná jedno-

válcová vstřikovací

čerpadla

VE Rotační vstřikovací

čerpadla s axiálním

pístem

VR Rotační vstřikovací

čerpadla s radiál-

ními písty

UIS Systém sdruženého

vstřikovače

UPS Sdružený vstřiko-

vací systém

CR Systém Common Rail

Přehled vstřikovacích systémů vznětového motoru | 65

Oblasti použitíVznětové motory se vyznačují vysokou hospodárností. Od začátku výroby prvního sériového vstřikovacího čerpadla Bosch v roce 1927 se vstřikovací systémy neustále dále vyvíjejí.

Vznětové motory se používají v rozmanitých provedeních ( obrázek 1), např. jako

pohon mobilních elektrocentrál ▶

(do cca. 10 kW/válec),rychloběžné motory pro osobní a lehká ▶

užitková vozidla (do cca. 50 kW/válec),motory pro stavebnictví, zemědělství ▶

a lesnictví (do cca. 50 kW/válec),motory pro těžká užitková vozidla, ▶

autobusy a tahače (do cca. 80 kW/válec),stacionární motory, např. pro záložní ▶

elektrocentrály (nouzové zdroje proudu) (do cca. 160 kW/válec),motory pro lokomotivy a lodě ▶

(až 1000 kW/válec).

PožadavkyZostřující se předpisy pro emise škodlivin a hluku a přání nižší spotřeby paliva kladou stále nové požadavky na vstřikovací zařízení vznětového motoru.

Principielně musí vstřikovací zařízení pro dobrou přípravu směsi dle použitého způsobu spalování (přímé nebo nepřímé vstřikování) a provozního stavu vstříknout palivo pod vy-sokým tlakem (v současné době mezi 350 a 2050 bary) do spalovacího prostoru vznětového motoru a při tom musí dávkovat vstřikované množství s nejvyšší možnou přes-ností. Regulace vznětového motoru v závislosti na zatížení a otáčkách se provádí dávkováním množství paliva bez škrcení nasávaného vzduchu.

Mechanická regulace vstřikovacích systémů vznětového motoru je stále více vytlačována elektronickou regulací (EDC). V osobnícha užitkových vozech jsou nové vstřikovací systémy vznětových motorů regulovány vý-hradně elektronickou regulací EDC.

Žádný jiný vstřikovací systém není tak mnohostranně používán jako řadová vstřikovací čerpadla – „klasika vstřiko-vací techniky vznětového motoru“.Tento systém byl neustále dále vyvíjen a při-způsobován odpovídající oblasti použití. Proto jsou i dnes ještě používány četné varianty. Obzvláště silnou stránkou těchto čerpadel je jejich robustnost a ne-náročnost na údržbu.

Oblasti použití

Vstřikovací zařízení zásobuje vznětový motor palivem. K tomu vytváří vstřikovací čerpadlo tlak potřebný pro vstřikování a dává k dispozici požadovanou dávku pa-liva. Palivo je dopravováno vysokotlakým vedením ke vstřikovací trysce a vstřiko-váno do spalovacího prostoru motoru. Spalovací procesy ve vznětovém motoru jsou rozhodující měrou závislé na tom, v jakém množství a jakým způsobem je pa-livo přivedeno do spalovacího prostoru. Nejdůležitějšími kritérii při tom jsou:

časový okamžik a doba trvání vstřiku ▶

paliva,rozdělení paliva ve spalovacím prostoru, ▶

časový okamžik počátku hoření, ▶

přivedené množství paliva na stupeň ▶

úhlu otočení klikového hřídele acelkové množství přivedeného paliva od- ▶

povídající požadovanému výkonu motoru.

Řadové vstřikovací čerpadlo se celosvětově používá v motorech středních a těžkých užitkových vozidel a odpovídajících lod-ních a stacionárních motorech. Jejich řízení se provádí buď mechanickým odstředivým regulátorem a případ od případu montova-ným přesuvníkem vstřiku nebo elektronic-kým regulátorem (tabulka 1, následující dvoustrana).

Na rozdíl od všech ostatních vstřikova-cích systémů se řadové vstřikovací čerpa-dlo maže oběhem motorového oleje. Proto zvládne i horší kvalitu paliva.

Provedení

Standardní řadové vstřikovací čerpadloMomentálně vyráběné spektrum standard-ních řadových vstřikovacích čerpadel za-hrnuje značný počet typů (viz tabulka 1). Používají se pro vznětové motory s 2…12 válci a pokrývají tím oblast výkonů motoru od 10 do 200 kW na válec. Tato řa-dová vstřikovací čerpadla nacházejí vyu-žití jak pro motory s přímým vstřikem (DI), tak pro komůrkové motory (IDI).

Podle vstřikovacího tlaku, vstřikovaného množství a doby vstřiku jsou k dispozici následující provedení:

M pro 4…6 válců do 550 barů, ▶

A pro 2…12 válců do 750 barů, ▶

P3000 pro 4…12 válců do 950 barů, ▶




R pro 4…12 válců do 1150 barů, ▶


ZW(M) pro 4…12 válců do 950 barů, ▶

P9 pro 6…12 válců do 1200 barů a ▶

CW pro 6…10 válců do 1000 barů. ▶

V oblasti užitkových vozidel je montován hlavně typ P.

Řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovým šoupátkemK řadovým vstřikovacím čerpadlům patří také řadové vstřikovací čerpadlo se zdvi-hovým šoupátkem (typové označení H), u něhož lze kromě dodávaného množství měnit i počátek dodávky. Toto „čerpadlo H“ je řízeno elektronickým regulátorem RE, obsahujícím dva nastavovače. Tento systém umožňuje regulaci počátku vstřiku a vstřikovaného množství pomocí dvou re-gulačních tyčí a automatický přesuvník vstřiku se tak stává zbytečným. K dispozici jsou následující provedení:

H1 pro 6…8 válců do 1300 barů a ▶

H1000 pro 5…8 válců do 1350 barů. ▶

Přehled systémů řadových vstřikovacích čerpadel

66 | Přehled systémů řadových vstřikovacích čerpadel | Oblasti použití, Provedení

1 Vstřikovací systém s mechanicky regulovaným standardním řadovým vstřikovacím čerpadlem

14

5

2

1

4

6

7 8

93

13

12

10

11

15

UM

K07

84-1

Y

Konstrukce

Ke kompletnímu vstřikovacímu zařízení (obrázky 1 a 2) patří kromě řadového vstřikovacího čerpadla:

předřadné podávací palivové čerpadlo ▶

k nasátí a dodání paliva z palivové ná-drže přes palivový filtr a palivové po-trubí ke vstřikovacímu čerpadlu,mechanická nebo elektronická regulace ▶

otáček motoru a vstřikovaného množství paliva,přesuvník vstřiku (je-li potřeba) k otáč- ▶

kově závislému přestavení počátku do-dávky,počet vysokotlakých palivových potrubí ▶

odpovídající počtu válců motoru avstřikovače. ▶

Pro bezvadnou funkci vznětového motoru musejí být všechny komponenty vstřiko-vací soustavy vzájemně sladěné.

Regulace

O dodržení provozních podmínek se stará vstřikovací čerpadlo a regulátor, který pů-sobí na regulační tyč vstřikovacího čerpa-dla. Točivý moment motoru je přibližně proporcionální (úměrný) množství vstřiko-vaného paliva na zdvih pístu.

Mechanické regulátoryMechanický regulátor řadového vstřikova-cího čerpadla je nazýván též odstředivým regulátorem. Je spojen táhlem a regulační pákou s plynovým pedálem. Regulátor na výstupní straně ovládá regulační tyč čer-padla. Od regulátoru jsou požadovány podle oblasti použití rozdílné regulační charakteristiky:

omezovací regulátor RQ omezuje maxi- ▶

mální otáčky.omezovací regulátor RQ s regulátorem ▶

volnoběžných otáček RQU regulují kromě maximálních otáček též otáčky volnoběhu.

Přehled systémů řadových vstřikovacích čerpadel | Konstrukce, Regulace | 67

Obrázek 1

1 Palivová nádrž

2 Palivový filtr s pře-

padovým

ventilem (volitelně)

3 Přesuvník vstřiku

4 Řadové vstřikovací

čerpadlo

5 Předřadné podávací

palivové čerpadlo

(namontované na

vstřikovacím čerpa-

dle)

6 Odstředivý

regulátor

7 Plynový pedál

8 Vysokotlaké

palivové potrubí

9 Vstřikovač

10 Zpětné palivové

potrubí


svíčka GLP

12 Řídicí jednotka

doby žhavení GZS

13 Akumulátor

14 Spínací skříňka

15 Vznětový motor

s nepřímým

vstřikováním

(Indirect Injection

Engine, IDI)

2 Vstřikovací systém s elektronicky regulovaným řadovým vstřikovacím čerpadlem se zdvihovým šoupátkem

24

16 17

14

1810

19 21 2220 25

23

11

12 13

1

23

4

5

6

7

8

9

15U

MK

0657

-1Y

výkonnostní regulátory RQV, RQUV, ▶

RQV…K, RSV a RSUV regulují navíc i v oblastech otáček mezi volnoběžnými a maximálními

Přesuvník vstřikuK řízení počátku vstřiku a ke kompenzaci doby šíření tlakové vlny ve vstřikovacím potrubí slouží u standardního řadového vstřikovacího čerpadla přesuvník vstřiku, který přestavuje počátek dodávky vstřiko-vacího čerpadla s rostoucími otáčkami směrem k časnějšímu. Ve zvláštních přípa-dech je čerpadlo opatřeno řízením v závis-losti na zatížení. Řízení vznětového mo-toru závislé na zatížení a otáčkách je určo-váno vstřikovaným množstvím bez škrcení nasávaného vzduchu.

Elektronické regulátoryPři použití elektronického regulátoru se na plynovém pedálu nachází snímač, spojený s elektronickou řídicí jednotkou. Převádí polohu plynového pedálu se zohledněním

okamžitých otáček na odpovídající poža-dovanou dráhu regulační tyče.

Elektronický regulátor splňuje podstatně rozsáhlejší požadavky než mechanický re-gulátor. Pomocí elektrického měření, pruž-ného elektronického zpracování dat a po-mocí regulačních obvodů s elektrickými nastavovači umožňuje rozšířené zpraco-vání ovlivňujících veličin, které dosud ne-mohly být mechanickými regulátory zo-hledněny.

Elektronická regulace vznětového motoru dovoluje též výměnu dat s ostatními elek-tronickými regulacemi vozidla (např. s pro-tiprokluzovou regulací ASR, elektronickým řízením převodovky) a tím i integraci do komplexního systému vozidla.

Elektronická regulace vznětového motoru díky přesnému dávkování paliva zlepšuje emisní chování vznětového motoru.

68 | Přehled systémů řadových vstřikovacích čerpadel | Regulace

Obrázek 2

1 Palivová nádrž

2 Palivový filtr

3 Elektrický ventil od-

pojení paliva ELAB

4 Řadové vstřikovací

čerpadlo


palivové čerpadlo

6 Snímač teploty paliva

7 Regulátor počátku

dodávky

8 Regulátor množství

paliva se snímačem

regulační dráhy

a snímačem otáček

9 Vstřikovač


svíčka GLP

11 Snímač teploty

motoru (v okruhu

chladicí kapaliny)

12 Snímač otáček

klikového hřídele

13 Vznětový motor

s přímým vstřikem

(Direkt Injection

Engine, DI)


doby žhavení GZS


motoru MSG

16 Snímač teploty

vzduchu

17 Snímač plnicího tlaku

18 Turbodmychadlo

19 Snímač plynového

pedálu

20 Ovládací prvek pro

např. FGR (tempo-

mat), EDR, HGB

nebo ZDR

21 Tachograf nebo sní-

mač jízdní rychlosti

22 Spínače na pedálu

spojky, brzdy

a motorové brzdy

23 Akumulátor

24 Diagnostické rozhraní


3 Příklady řadových vstřikovacích čerpadel

NM

K18

13Y

a

c

d

e

f

b

20 cm

Obrázek 3

Provedení čerpadel:

a ZWM (8 válců)

b CW (6 válců)

c H (řadové vstřikovací

čerpadlo se zdviho-

vými šoupátky)

(6 válců)

d P9/P10 (8 válců)

e P7100 (6 válců)

f A (3 válce)

Přehled systémů řadových vstřikovacích čerpadel | Regulace | 69

1 Oblasti použití nejdůležitějších řadových vstřikovacích čerpadel a jejich regulátorů

Oblast použití Oso

bní

voz

y

Sta

cion

ární

m

otor

y

Uži

tkov

é vo

zy

Sta

veb

ní

a ze

měd

ělsk

é st

roje

Loko

mot

ivy

Lod

ě

Typ čerpadla

Standardní řad. vstřik. čerpadlo M ● – – ● – –

Standardní řad. vstřik. čerpadlo A – ● – ● – –

Standardní řad. vstřik. čerpadlo MW 1) – – ● ● – –

Standardní řad. vstřik. čerpadlo P – ● ● ● ● ●

Standardní řad. vstřik. čerpadlo R 2) – – ● ● ● ●

Standardní řad. vstřik. čerpadlo P10 – ● – ● ● ●

Standardní řad. vstřik. čerpadlo ZW(M) – – – – ● ●

Standardní řad. vstřik. čerpadlo P9 – ● – ● ● ●

Standardní řad. vstřik. čerpadlo CW – – – – ● ●

Řad. vstřik. čerpadlo H se zdvih. šoupátkem – – ● – – –

Druh regulátoru

Omezovací reg. ot. a reg. volnoběhu RSF ● – – ● – –

Omezovací reg. ot. a reg. volnoběhu RQ – – ● ● – –

Omezovací reg. ot. a reg. volnoběhu RQU – – – – – ●

Výkonnostní regulátor otáček RQV – ● ● ● – –

Výkonnostní regulátor otáček RQUV – – – – ● ●

Výkonnostní regulátor otáček RQV..K – – ● – – –

Výkonnostní regulátor otáček RSV – ● – ● – –

Výkonnostní regulátor otáček RSUV – – – – – ●

RE (elektrický regulátor) ● – ● – – –

Tabulka 11) Tento typ čerpadla

se již nepoužívá

pro nově vyvíjené

systémy.2) Stejná konstrukce

jako typ čerpadla P,

avšak zesíleno.

Spalovací procesy ve vznětovém motoru závisí v rozhodující míře na tom, jak je vstřikovacím systémem zpracováno pa-livo. Vstřikovací čerpadlo při tom hraje zásadní roli. Vytváří tlak potřebný pro vstřikování. Palivo je dopravováno vyso-kotlakým potrubím ke vstřikovačům a vstřikováno do spalovacího prostoru. Malé, rychloběžné vznětové motory vy-žadují vstřikovací zařízení s vysokou vý-konností, rychlými sledy vstřiků, nízkou hmotností a malým montážním objemem. Rotační rozdělovací čerpadla splňují tyto požadavky. Představují malý, kompaktní agregát, který zahrnuje podávací čerpa-dlo, vysokotlaké čerpadlo a regulaci.

Oblasti použití

Od uvedení v roce 1962 se rotační vstřiko-vací čerpadlo s axiálním pístem stalo nej-používanějším vstřikovacím čerpadlem v osobních vozech. Vstřikovací čerpadlo a regulátor byly neustále vylepšovány. Bylo nutné zvýšení vstřikovacího tlaku, aby se u motorů s přímým vstřikem dosáhlo sní-žení spotřeby a aby bylo možné dodržet nižší hraniční hodnoty emisí. Celkem bylo u firmy Bosch mezi roky 1962 a 2001 vyro-beno přes 45 milionů vstřikovacích čerpa-del VE s axiálním pístem a čerpadel VR s radiálními písty. Adekvátně rozmanitá jsou konstrukční provedení a uspořádání celého systému.

Rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pístem pro motory s nepřímým vstřiková-ním (IDI) vytvářejí tlaky až do 350 barů (35 MPa) na vstřikovací trysce. Pro motory s přímým vstřikováním (DI) se používají jak rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pís-tem, tak i čerpadla s radiálními písty. Ta vytvářejí tlaky do 900 barů (90 MPa) pro pomaloběžné motory a až do 1900 barů (190 MPa) pro rychloběžné motory.

Po mechanické regulaci rotačních vstřiko-vacích čerpadle následovala elektronická regulace s elektrickým regulátorem. Poz-ději přišla na trh čerpadla s vysokotlakým magnetickým ventilem.

Rotační vstřikovací čerpadla se vyznačují kromě své kompaktní konstrukce také mnohostranným použitím u osobních, leh-kých užitkových vozidel, stacionárních motorů, stavebních a zemědělských strojů.

Jmenovité otáčky, výkon a konstrukce vznětového motoru určují oblast použití a dimenzování rotačního vstřikovacího čerpadla. Nacházejí uplatnění u motorů s 3…6 válci.

Rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pístem se používají pro motory s výkonem do 30 kW na válec, rotační vstřikovací čer-padla s radiálními písty do 45 kW na válec.

Rotační vstřikovací čerpadla se mažou palivem a jsou proto bezúdržbová.

Provedení

Rotační vstřikovací čerpadla se rozlišují podle druhu jejich řízení množství, vytvá-ření tlaku a regulace (obrázek 1).

Způsob řízení množstvíVstřikovací čerpadla řízená hranouDoba trvání vstřiku se mění pomocí řídi-cích hran, vývrtů a šoupátka. Hydraulický přesuvník vstřiku mění počátek vstřiku.

Vstřikovací čerpadla řízená magnetickými ventilyVysokotlaký magnetický ventil uzavírá vysokotlaký prostor a určuje tak počátek vstřiku a dobu vstřiku. Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty jsou řízena výhradně magnetickými ventily.

Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel

70 | Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel | Oblasti použití, Provedení

1 Provedení rotačních vstřikovacích čerpadel

Rotační vstřikovací čerpadla

Elektronicky regulovaná (EDC)Mechanicky regulovaná

Čerpadlo s axiálním pístem

Řízená hranou Řízená magnetickými ventilyŘízení množství

Regulace

Vytváření vysokého tlaku

VE..F VE..EDC VE..MV VR

Čerpadlo s radiálními písty

NM

K17

94D

Způsob vytváření vysokého tlaku Rotační vstřikovací čerpadla VE s axiálním pístemStlačují palivo jedním pístem, pohybujícím se axiálně vůči hnacímu hřídeli čerpadla.

Rotační vstřikovací čerpadla VR s radiál-ními pístyStlačují palivo více písty, uspořádanými ra-diálně vůči hnacímu hřídeli čerpadla. S ra-diálními písty lze vytvářet vyšší tlaky než s axiálním pístem.

Druh regulaceMechanická regulaceVstřikovací čerpadlo je regulováno regulá-torem s navazujícími konstrukčními skupi-nami z pák, pružin, podtlakových dóz atd.

Elektronická regulaceŘidič dává požadavek na točivý moment respektive otáčky prostřednictvím pedálu plynu (snímač). V řídicí jednotce jsou na-programovaná datová pole pro startovací množství, volnoběh, plné zatížení, charak-teristiku plynového pedálu, omezení kou-řivosti a charakteristiku čerpadla.

S použitím těchto uložených hodnot da-tových polí a skutečných hodnot snímačů se stanovuje požadovaná hodnota pro akční členy čerpadla. Při tom se zohledňují aktuální provozní stav motoru a data okol-ního prostředí (např. úhel natočení

a otáčky klikového hřídele, plnicí tlak, tep-lota nasávaného vzduchu, chladicí kapa-liny a paliva, rychlost jízdy atd.). Řídicí jednotka pak ovládá regulátor respektive magnetické ventily ve vstřikovacím čerpa-dle podle předepsaných hodnot.

Elektronickou regulací vznětového motoru EDC (Electronic Diesel Control) se získává oproti mechanické regulaci mnoho výhod:

nižší spotřeba paliva, méně emisí, vyšší ▶

výkon a točivý moment díky zlepšené regulaci množství a přesnějšímu po-čátku vstřiku.nižší volnoběžné otáčky a přizpůsobení ▶

dodatečných komponentů (např. klima-tizace) díky zlepšené regulaci otáček.zlepšené komfortní funkce (např. ak- ▶

tivní tlumení škubání, regulace rovno-měrnosti chodu motoru, regulace rych-losti jízdy).zlepšené možnosti diagnostiky ▶

dodatečné řídicí a regulační funkce ▶

(např. řízení doby žhavení, recirkulace spalin, regulace plnicího tlaku, elektro-nický imobilizér).výměna dat s ostatními elektronickými ▶

systémy (např. protiprokluzová regulace ASR, elektronické řízení převodovky) a tím integraci do komplexního systému vozidla.

Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel | Provedení | 71

1 Vstřikovací systém s mechanicky regulovaným rotačním vstřikovacím čerpadlem VE..F s axiálním pístem

1413

11

10

56

8

9

15

16

7

3

2

1

4

12

UM

K11

99-1

Y

Systémy řízené hranou

Mechanicky regulovaná rotační vstřiko-vací čerpadlaMechanická regulace se používá výhradně u rotačních vstřikovacích čerpadel s axiál-ním pístem. Její výhoda spočívá v nízkých výrobních nákladech a relativně jednodu-ché údržbě.

Mechanická regulace otáček zahrnuje různé provozní stavy a zajišťuje vysokou kvalitu zpracování směsi. Přídavné nava-zující konstrukční skupiny přizpůsobují okamžik vstřiku a vstřikované množství různým provozním stavům motoru:

otáčkám motoru ▶

zatížení motoru ▶

teplotě motoru ▶

plnicímu tlaku a ▶

atmosférickému tlaku. ▶

Ke vstřikovacímu zařízení vznětového mo-toru (obrázek 1) patří kromě vstřikovacího čerpadla (4) palivová nádrž (11), palivový filtr (10), předřadné podávací palivové čer-padlo (12), vstřikovač (8) a palivová po-trubí (1, 6 a 7). Důležité komponenty vstři-kovacího systému jsou vstřikovací trysky ve vstřikovačích. Jejich konstrukce zá-sadně ovlivňuje průběh vstřiku a vstřikový paprsek. Elektrický vypínací ventil ELAB (Elektrische Abstellventil) (5) přerušuje při vypnutém „zapalování“ přívod paliva k vy-sokotlakému prostoru čerpadla1).

Pedálem plynu (3) a bowdenem respek-tive táhlem (2) se řidičův požadavek vý-konu přenáší na regulátor vstřikovacího čerpadla. Mimo to lze odpovídajícími na-vazujícími konstrukčními skupinami regu-lovat také volnoběžné a maximální otáčky a otáčky ležící mezi těmito krajními hod-notami.

Označení VE..F znamená rotační vstřiko-vací čerpadlo s odstředivým regulátorem.

72 | Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel | Systémy řízené hranou

1) U lodních motorů je

to přesně naopak.

Zde je vypínací

ventil ELAB při

vypnutém proudu

otevřen.

Obrázek 1

1 Přívod paliva

2 Táhlo

3 Pedál plynu

4 Rotační vstřikovací

čerpadlo

5 Elektrický vypínací

ventil ELAB

6 Vysokotlaké pali-

vové potrubí


potrubí

8 Vstřikovač


svíčka GSK

10 Palivový filtr

11 Palivová nádrž


palivové čerpadlo

(jen u dlouhých

vedení nebo velkém

výškovém rozdílu

mezi palivovou ná-

drží a vstřikovacím

čerpadlem)

13 Akumulátor



doby žhavení GZS

16 Vznětový motor

s nepřímým vstři-

kováním (Indirect

Injection Engine,

IDI)

2 Vstřikovací systém s elektronicky regulovaným rotačním vstřikovacím čerpadlem VE..EDC s axiálním pístem

22

18

19

20 216

74

32

1

5

121113 14 15

1716

8

9 10

UM

K17

97Y

Elektronicky regulovaná rotační vstřiko-vací čerpadlaElektronická regulace vznětového motoru (EDC) oproti mechanické regulaci zohled-ňuje dodatečné požadavky. Pomocí elek-trického měření, pružného elektronického zpracování dat a pomocí regulačních ob-vodů s elektrickými nastavovači umožňuje rozšířené zpracování ovlivňujících veličin, které nemohou být mechanickou regulací zohledněny.

Obrázek 2 ukazuje komponenty plně vy-baveného vstřikovacího zařízení s elektro-nicky regulovaným rotačním vstřikovacím čerpadlem s axiálním pístem. Podle druhu použití a typu vozidla odpadají jednotlivé komponenty. Systém se skládá ze čtyř ob-lastí:

zásobování palivem (nízkotlaká část), ▶

vstřikovací čerpadlo, ▶

elektronická regulace (EDC) se systémo- ▶

vými bloky snímačů, řídicí jednotky a akčních členů a rovněžperiférie (např. turbodmychadlo, recir- ▶

kulace spalin a řízení doby žhavení).

Magnetický regulátor ve vstřikovacím čer-padle (otočný nastavovač) nastupuje na místo mechanického regulátoru a ostat-ních konstrukčních skupin. Prostřednic-tvím hřídele posouvá regulačním šoupát-kem, určujícím množství paliva. Řídicí průřezy jsou jako u mechanicky regulova-ného vstřikovacího čerpadla podle polohy regulačního šoupátka dříve nebo později otvírány. V řídicí jednotce se s ohledem na uložené hodnoty datových polí a skutečné hodnoty snímačů vypočítává požadovaná hodnota polohy magnetického nastavo-vače vstřikovacího čerpadla.

Snímač úhlu (např. polodiferenciální snímač se zkratovým kroužkem) zpětně hlásí řídicí jednotce úhel natočení nastavo-vače a tím polohu regulačního šoupátka.

Tlak ve vnitřním prostoru čerpadla, zá-vislý na otáčkách, působí prostřednictvím taktovaného magnetického ventilu na pře-suvník vstřiku, načež přesuvník mění po-čátek vstřiku.

Obrázek 2

1 Palivová nádrž

2 Palivový filtr


čerpadlo s mag-

netickým nastavo-

vačem, snímačem

regulační dráhy

a snímačem teploty

paliva

4 Elektrický vypínací

ventil ELAB

5 Magnetický ventil

přesuvníku vstřiku

6 Vstřikovač se sní-

mačem pohybu

jehly (většinou

1. válec)


svíčka

8 Snímač teploty

motoru (v okruhu

chladicí kapaliny)

9 Snímač otáček kli-

kového hřídele

10 Vznětový motor

s přímým vstřiko-

váním (Direct Inje-

ction Engine, DI)

11 Řídicí jednotka mo-

toru MSG


doby žhavení

13 Snímač jízdní rych-

losti

14 Snímač polohy pe-

dálu plynu

15 Ovládací díl re-

gulátoru rychlosti

(tempomat)


17 Akumulátor

18 Diagnostické roz-

hraní

19 Snímač teploty

vzduchu

20 Snímač plnicího

tlaku

21 Turbodmychadlo

22 Snímač hmotnosti

vzduchu

Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel | Systémy řízené hranou | 73

1 Systémové oblasti řízení motoru s rotačním vstřikovacím čerpadlem řízeným magnetickými ventily

Elektronická regulace EDC: Řízení motoru, snímače, rozhraní

Integrovaná řídicíjednotka

EDC Systém s oddělenou řídicí jednotkou

Vysokotlaká část

Systémy vzduchu a spalin

Motor

SignályPalivo vznětového motoru

Zásobování palivem(nízkotlaká část)

NM

K17

95D

Systémy řízené magnetic-kými ventily

Vstřikovací systémy řízené magnetickými ventily dovolují větší flexibilitu při dávko-vání paliva a změnách počátku vstřiku než systémy řízené hranou. Umožňují též pi-lotní vstřik ke snížení hluku a rovněž ko-rekci množství paliva jednotlivých válců.

Systém řízení motoru se vstřikovacími čer-padly řízenými magnetickými ventily se skládá ze čtyř oblastí (obrázek 1):

zásobování palivem (nízkotlaká část), ▶

vysokotlaká část se všemi vstřikovacími ▶

komponenty,elektronická regulace (EDC) se systémo- ▶

vými bloky snímačů, řídicí jednotky (případně jednotek) a akčních členů a rovněžsystémy vzduchu a spalin (zásobování ▶

vzduchem, dodatečná úprava spalin a recirkulace spalin).

Konfigurace řídicích jednotekOddělené řídicí jednotkyVstřikovací zařízení s rotačními vstřikova-cími čerpadly řízenými magnetickými ven-tily (VE..MV [VP30], VR [VP44] pro motory s přímým vstřikováním a VE..MV [VP29] pro motory s nepřímým vstřikováním) první generace vyžadovala dvě řídicí jed-notky pro elektronické řízení vznětového motoru: řídicí jednotku motoru (MSG) a ří-dicí jednotku čerpadla (PSG). Toto rozdě-lení mělo dva důvody: na jedné straně se zabrání přehřívání určitých elektronic-kých součástí v přímé blízkosti čerpadla a motoru. Na druhé straně se díky krátkým vedením k magnetickému ventilu vyloučí vliv rušivých signálů, které mohou vznikat v důsledku velkých proudů (až 20 A).

Zatímco řídicí jednotka čerpadla přijímá od snímačů uvnitř čerpadla signály úhlu otáčení a teploty paliva a používá je pro přizpůsobení okamžiku vstřiku, řídicí jed-

74 | Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel | Systémy řízené magnetickými ventily

2 Příklad vstřikovacího zařízení vznětového motoru s rotačním vstřikovacím čerpadlem s radiálními písty řízeným magnetickými ventily a oddělenou řídicí jednotkou motoru a čerpadla

1

2

3

4

5

6

7 8 9

12

13

10

11

UM

K12

06-2

Y

notka motoru zpracovává všechna data motoru a okolního prostředí, získaná ex-terními snímači, a vypočítává z nich regu-lační zásahy, které je třeba provést v čer-padle.Řídicí jednotky motoru a čerpadla ko-

munikují prostřednictvím rozhraní CAN.

Integrovaná řídicí jednotkaTeplotně odolné desky plošných spojů, zhotovené technikou hybridních obvodů, umožnily u druhé generace rotačních vstřikovacích čerpadel řízených magnetic-kými ventily integrovat řídicí jednotku motoru do řídicí jednotky čerpadla. Tato integrace řídicí jednotky dovoluje kon-strukci s úsporou místa..

Dodatečná úprava spalinRůzná opatření zlepšují emise respektive komfort. Jsou to kupříkladu recirkulace spalin, utváření průběhu vstřiku (např. pi-lotní vstřik) a zvýšení vstřikovacího tlaku. K dodržení stále se zpřísňujících emisních předpisů bude však u mnohých vozidel nutná dodatečná úprava spalin.

Obrázek 2


doby žhavení


toru MSG


svíčka


čerpadlo VP44

s radiálním písty

s řídicí jednotkou

čerpadla PSG5

5 Alternátor

6 Palivový filtr

7 Snímač teploty

motoru (v okruhu

chladicí kapaliny)

8 Snímač otáček kli-

kového hřídele

9 Snímač pedálu

plynu

10 Přívod paliva

11 Zpětné potrubí

paliva

12 Vstřikovač

13 Snímač hmotnosti

vzduchu

Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel | Systémy řízené magnetickými ventily | 75

Obraz systémuObrázek 3 ukazuje jako příklad vstřikovací zařízení s rotačním vstřikovacím čerpa-dlem VR s radiálními písty na čtyřválco-vém vznětovém motoru s přímým vstřiko-vání (DI) s jeho rozličnými komponenty. Toto čerpadlo je vybaveno integrovanou řídicí jednotkou motoru a čerpadla. Obrá-zek ukazuje plnou výbavu. Podle druhu použití a typu vozidla nebudou některé komponenty použity..

Pro dosažení přehlednějšího zobrazení nejsou snímače a vysílače požadovaných hodnot (A) zobrazeny ve svých montáž-ních pozicích. Výjimku tvoří snímač po-hybu jehly (21).

Prostřednictvím sběrnice CAN v oblasti „rozhraní“ (B) je možná výměna dat mezi nejrůznějšími oblastmi:

spouštěč ▶

alternátor ▶

elektronický imobilizér ▶

řízení převodovky ▶

protiprokluzová regulace (ASR) a ▶

elektronický stabilizační program (ESP). ▶

Také přístrojová deska (12) a klimatizace (13) mohou být připojeny pomocí sběrnice CAN.

76 | Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel | Systémy řízené magnetickými ventily

Obrázek 3

Motor, řízení motoru a vysokotlaké

vstřikovací komponenty

16 Pohon vstřikovacího čerpadla

17 Integrovaná řídicí jednotka motoru a čerpadla PSG16

18 Rotační vstřikovací čerpadlo s radiálními písty (VP44)

21 Vstřikovač se snímačem pohybu jehly (1. válec)

22 Kolíková žhavící svíčka

23 Vznětový motor s přímým vstřikováním (DI)

M Točivý moment

A Snímače a vysílače požadovaných hodnot

1 Snímač pedálu plynu

2 Spínač spojky

3 Brzdové kontakty (2)

4 Ovládací díl regulátoru rychlosti jízdy


6 Snímač rychlosti jízdy

7 Snímač otáček klikového hřídele (induktivní)

8 Snímač teploty motoru (v okruhu chladicí kapaliny)

9 Snímač teploty nasávaného vzduchu


11 Snímač hmotnosti nasávaného vzduchu s vyhřívaným

filmem

B Rozhraní

12 Přístrojová deska se signálovým výstupem pro spo-

třebu paliva, otáček atd.

13 Kompresor klimatizace s ovládacím panelem


15 Řídicí jednotka doby žhavení

CAN Controller Area Network (sériová datová sběrnice

ve vozidle)

C Zásobování palivem (nízkotlaká část)

19 Palivový filtr s přepadovým ventilem

20 Palivová nádrž s předřadným filtrem a předřadným

podávacím čerpadlem (předřadné podávací čerpadlo

jen u dlouhých potrubí nebo velkém výškovém rozdílu

mezi palivovou nádrží a vstřikovacím čerpadlem)

D Zásobování vzduchem

24 Ovladač recirkulace spalin s ventilem recirkulace spalin

25 Podtlaková dóza

26 Regulační klapka

27 Turbodmychadlo (zde s variabilní geometrií turbíny VTG)

28 Ovladač plnicího tlaku

E Dodatečná úprava spalin

29 Oxidační katalyzátor pro vznětový motor DOC (Diesel

Oxygen Catalyst)

3 Vstřikovací zařízení vznětového motoru s magnetickým ventilem řízeným rotačním vstřikovacím čerpadlem s radi-álními písty VP44 a integrovanou řídicí jednotkou motoru a čerpadla PSG16

M

CAN

B

1

2

3

4

5

7

6

8

9

10

11

12

13

14

15

29

20

22

24

25

26

27

28

21

19

20

17

18

16

C

23

D

E

A

NM

K17

96Y

Přehled systémů rotačních vstřikovacích čerpadel | Systémy řízené magnetickými ventily | 77

1 Konstrukční typy a oblasti použití systémů jednoválcových čerpadel

Systémy jednoválcových čerpadel

řízené hranou řízené magnetickými ventily

mechanická/hydraulická elektronická

Samostatné jednoválcové vstřikovací čerpadlo PF

- stavební stroje- čerpadla- traktory- elektrické agregáty- lokomotivy- lodě

- těžká užitková vozidla- stavební a zemědělské stroje- lokomotivy- lodě

- osobní vozidla- užitková vozidla

Sdružený vstřikovací systém UPS

Systém sdruženého vstřikovače UIS

Řízení množství

Regulace

Konstrukční typ

Oblast použití

NM

K18

73D

Vznětové motory se systémy pro jednot-livé válce mají pro každý válec motoru jednu vstřikovací jednotku. Tyto vstřiko-vací jednotky lze snadno přizpůsobit pří-slušnému motoru. Krátká vstřikovací po-trubí umožňují obzvlášť dobré vstřiko-vací chování a nejvyšší vstřikovací tlaky.

Trvale rostoucí požadavky vedly k vývoji rozličných vstřikovacích systémů, které jsou přizpůsobeny aktuálním potřebám. Moderní vznětové motory mají pracovat s nízkými emisemi a hospodárně, mají do-sahovat vysokých výkonů a točivých mo-mentů a při tom mají být tiché.

Zásadně se u systémů pro jednotlivé válce rozlišují tři rozdílné konstrukce: samo-statná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF řízená hranou a magnetickými ventily řízené systémy sdružených vstřikovačů a sdružené vstřikovací systémy. Tyto kon-strukční typy se liší nejen svojí konstrukcí, nýbrž také svými výkonovými údaji a svými oblastmi použití (obrázek 1).

Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF

Použití

Samostatná jednoválcová vstřikovací čer-padla PF jsou obzvlášť jednoduchá na údržbu. Jsou používána v oblasti „mimo silnice“:

vstřikovací čerpadla pro vznětové mo- ▶

tory o výkonu 4…75 kW/válec pro malé stavební stroje, čerpadla, traktory a elektrické agregáty avstřikovací čerpadla pro velké motory ▶

s výkonem od 75 kW/válec do výkonu na válec 1000 kW. Tato čerpadla umožňují čerpání paliva pro vznětové motory (motorové nafty) a těžkého oleje s vyso-kou viskozitou.

Konstrukce a princip činnostiSamostatná jednoválcová vstřikovací čer-padla PF mají stejný princip činnosti jako řadová vstřikovací čerpadla PE. Mají ele-ment, u něhož lze vstřikované množství měnit pomocí řídicí hrany.

Přehled systémů jednoválcových čerpadel

78 | Přehled systémů jednoválcových čerpadel | Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF

2 PF 45 v systému Common Rail

UM

K21

01Y

Samostatná jednoválcová vstřikovací čer-padla jsou k motoru připevněna vždy pomocí příruby a jsou poháněna vačkovým hřídelem ventilového rozvodu motoru. Z toho je odvo-zeno označení čerpadlo s cizím pohonem PF. Také se používá název zásuvná čerpadla.

Malá samostatná vstřikovací čerpadla PF existují také v 2, 3 a 4válcové verzi. Obvyk-lou konstrukcí je však jednoválcová verze, označovaná jako samostatné jednoválcové vstřikovací čerpadlo.

RegulaceJako u řadových vstřikovacích čerpadel za-sahuje regulační tyč, integrovaná v mo-toru, do elementu čerpadla. Regulátor po-souvá regulační tyč a mění tak dodávané respektive vstřikované množství.

U velkých motorů je regulátor umístěn bez-prostředně na tělese motoru. Při tom se pou-žívají mechanicko-hydraulické, elektronické nebo vzácněji čistě mechanické regulátory.

Mezi regulační tyčí samostatného jedno-válcového vstřikovacího čerpadla a přeno-sovým táhlem k regulátoru je u velkých čerpadel PF zařazen pružný mezičlánek,

takže zůstává zajištěna regulace zbylých čerpadel při eventuelním blokování pře-stavného mechanismu jednoho z čerpadel.

Zásobování palivemPalivo je k samostatným jednoválcovým vstřikovacím čerpadlům přiváděno zubo-vým předřadným podávacím čerpadlem. Toto čerpadlo dodává asi 3…5 krát větší množství paliva než je maximální dodávané množství všech vstřikovacích čerpadel při plném zatížení. Tlak paliva je asi 3…10 barů.

Filtrace paliva jemným filtrem s velikostí pórů 5...30 μm zabraňuje pronikání částic do vstřikovacího systému. Mohly by vést k předčasnému opotřebení vysoce přes-ných součástí vstřikovacího systému.

Použití v systému Common RailSamostatná jednoválcová vstřikovací čerpa-dla se též používají a dále vyvíjejí jako vy-sokotlaká čerpadla pro systémy Common Rail 2. a 3. generace v nákladních automo-bilech a v aplikacích „mimo silnice“. Obrá-zek 2 ukazuje použití čerpadel PF 45 v sys-tému Common Rail pro šestiválcový motor.

Přehled systémů jednoválcových čerpadel | Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF | 79

Systém sdruženého vstřiko-vače UIS a sdružený vstřiko-vací systém UPSVstřikovací systémy sdruženého vstřikovače UIS (Unit Injector System) a sdružený vstři-kovací systém UPS (Unit Pump System) dosa-hují v porovnání s ostatními vstřikovacími systémy vznětových motorů v současné době nejvyšších vstřikovacích tlaků. Umožňují přesné vstřikování, které lze optimálně při-způsobit aktuálním provozním stavům mo-toru. Takto vybavené vznětové motory pro-dukují nízký obsah škodlivin, pracují hospo-dárně a tiše a dosahují při tom vysokého výkonu a vysokého točivého momentu.

Oblasti použitíSystém sdruženého vstřikovače UISSystém sdruženého vstřikovače (označovaný též jednotka čerpadlo-tryska PDE, Pumpe-Dü-se-Einheit) přišel do sériové výroby v roce 1994 pro užitkové vozy a v roce 1998 pro osobní vozy). Je to vstřikovací systém s časově řízenými samostatnými jednoválcovými vstřikovacími čerpadly pro motory s přímým vstřikováním (DI). Tento systém nabízí zřetelně vyšší flexibi-litu pro přizpůsobení vstřikovacího systému k motoru než konvenční systémy řízené hra-nou. Pokrývá široké spektrum moderních vzně-tových motorů pro osobní a užitkové vozy:

osobní a lehká užitková vozidla: ▶ oblast po-užití od tříválcových motorů se zdviho-vým objemem 1,2 litru, výkonem 45 kW (61 k) a točivým momentem 195 Nm až po 10válcové motory se zdvihovým objemem 5 litrů, výkonem 230 kW (312 k) a točivým momentem 750 Nm. Těžká užitková vozidla ▶ do 80 kW/válec.

Jelikož není nutné žádné vysokotlaké po-trubí, má sdružený vstřikovač obzvlášť dobré hydraulické chování. Proto lze s tímto systémem docílit nejvyšších vstřikovacích tlaků (až 2200 barů). U systému sdruženého vstřikovače pro osobní vozy se uskutečňuje mechanicko-hydraulický pilotní vstřik. Sys-tém sdruženého vstřikovače pro užitková vozidla nabízí možnost pilotního vstřiku ve spodní oblasti otáček a zatížení.

Sdružený vstřikovací systém UPSSdružený vstřikovací systém se nazývá též čerpadlo-vedení-tryska PLD, Pumpe-Lei-tung-Düse. U velkých motorů bylo použí-váno také označení PF..MV.

Sdružený vstřikovací systém stejně jako sys-tém sdruženého vstřikovače je vstřikovacím systémem s časově řízeným samostatným jednoválcovým vstřikovacím čerpadlem pro motory s přímým vstřikováním paliva (DI). Používá se v následujících provedeních:

UPS 12 pro motory užitkových vozidel ▶

s počtem válců do 6 a výkonem do 37 kW/válec,UPS 20 pro motory těžkých užitkových ▶

vozidle s počtem válců do 8 a výkonem do 65 kW/válec,SP (zásuvné čerpadlo, Steckpumpe) pro mo- ▶

tory těžkých užitkových vozidel s počtem válců do 18 a výkonem do 92 kW/válec,SPS (malé zásuvné čerpadlo, Steck- ▶

pumpe small) pro motory užitkových vozidel s počtem válců do 6 a výkonem do 40 kW/válec,UPS pro motory stavebních a zemědělských ▶

strojů, lokomotiv a lodí v oblasti výkonu do 500 kW/válec a počtem válců do 20.

KonstrukceSystémové oblastiSystém sdruženého vstřikovače a sdru-žený vstřikovací systém se skládá ze čtyř systémových oblastí:

elektronická regulace EDC ▶ se systémovými bloky snímačů, řídicí jednotky a akčních členů zahrnuje veškeré řízení a regulaci vznětového motoru a rovněž všechna elektrická a elektronická rozhraní.zásobování palivem ▶ (nízkotlaká část) posky-tuje palivo s nezbytným tlakem a čistotou.vysokotlaká část ▶ vytváří potřebný vstřiko-vací tlak a vstřikuuje palivo do spalova-cího prostoru motoru.systém vzduchu ▶ a spalin zahrnuje zásobo-vání vzduchem, recirkulaci spalin a doda-tečnou úpravu spalin.

80 | Přehled systémů jednoválcových čerpadel | Systém sdruženého vstřikovače UIS a sdružený vstřikovací systém UPS

3 Přehled systému sdruženého vstřikovače a vstřikovacího systému

Signály

Palivo

Motor

Elektronická regulace EDC: řízení motoru, snímače, rozhraní

Zásobování palivem(nízkotlaká část)

Vysokotlaká část Systémy vzduchu a spalin

4 Vytváření vysokého tlaku systémem sdruženého vstřikovače a sdruženým vstřikovacím systémem

a

2

b c

1

3

4

5

6

7

3

5

2

8

2

1

34

5

NM

K17

24-1

DU

MK

1874

-1Y

RozdílyZásadní rozdíl mezi systémem sdruženého vstřikovače a sdruženým vstřikovacím sys-témem spočívá v konstrukci motoru (obrá-zek 4).

U systému sdruženého vstřikovače tvoří vysokotlaké čerpadlo a vstřikovací tryska jeden celek - „sdružený vstřikovač“. Pro každý válec motoru je namontován do válce jeden vstřikovač. Jelikož zde nejsou žádná vstřikovací potrubí, lze dosáhnout

velmi vysokých vstřikovacích tlaků a velmi dobrého průběhu vstřiku.

U sdruženého vstřikovacího systému jsou vysokotlaké čerpadlo - „jednotka čerpadla“ - a vstřikovač oddělenými konstrukčními prvky, které jsou spolu spojeny krátkým vy-sokotlakým potrubím. Z toho plynou vý-hody pro uspořádání v motorovém pro-storu, pro pohon čerpadla a v oblasti ser-visu.

Obrázek 4

a Systém sdruženého

vstřikovače pro

osobní vozidla

b Systém sdruženého

vstřikovače pro užit-

ková vozidla

c Sdružený vstřikovací

systém pro užitková

vozidla

1 Vahadlo



tický ventil

4 Sdružený vstřikovač


motoru

6 Vstřikovač

7 Krátké vysokotlaké

potrubí

8 Jednotka čerpadla

Přehled systémů jednoválcových čerpadel | Systém sdruženého vstřikovače UIS a sdružený vstřikovací systém UPS | 81

Obraz systému UIS pro osobní vozidla

Obrázek 5 ukazuje všechny komponenty systému sdruženého vstřikovače pro osmi-válcový vznětový motor osobního vozidla s plnou výbavou. Podle typu vozidla a druhu použití nebudou některé kompo-nenty použity.Pro získání přehlednějšího zobrazení ne-jsou snímače a vysílače požadovaných hodnot (A) zobrazeny ve své montážní po-zici. Výjimku tvoří komponenty dodatečné úpravy spalin (F), jelikož jejich montážní poloha je nutná k pochopení soustavy.


spouštěč ▶

alternátor ▶






Pro dodatečnou úpravu spalin jsou uvá-děny dvě možné kombinace systému (a nebo b).

Obrázek 5

Motor, řízení motoru a vysokotlaké vstřikovací kompo-

nenty

24 Rozdělovací trubka


26 Sdružený vstřikovač (Unit Injector)

27 Kolíková žhavicí svíčka

28 Vznětový motor (DI)

29 Řídicí jednotka (Master, hlavní jednotka)

30 Řídicí jednotka (Slave, „otrok“, podřízená jednotka)

M Točivý moment



2 Spínač spojky


4 Ovládací díl regulátoru rychlosti








filmem

B Rozhraní

12 Přístrojová deska s výstupem signálu spotřeby paliva,

otáček atd.





vozidla)



17 Palivová nádrž s předřadným filtrem a elektrickým

palivovým čerpadlem (předřadné podávací čerpadlo)

18 Snímač hladiny

19 Chladič paliva

20 Ventil omezení tlaku

D Systém aditiva

21 Jednotka dávkování aditiva

22 Nádrž aditiva

E Zásobování vzduchem

31 Chladič recirkulace spalin

32 Nastavovač plnicího tlaku


34 Klapka sání

35 Nastavovač recirkulace spalin

36 Podtlakové čerpadlo

F Dodatečná úprava spalin

38 Širokopásmová lambda sonda LSU

39 Snímač teploty spalin

40 Oxidační katalyzátor

41 Filtr pevných částic

42 Snímač diferenčního (rozdílového) tlaku

43 Zásobníkový katalyzátor NOx

44 Širokopásmová lambda sonda, volitelně snímač NOx

82 | Přehled systémů jednoválcových čerpadel | Obraz systému UIS pro osobní vozidla

5 Vstřikovací zařízení vznětového motoru osobního vozidla se systémem sdruženého vstřikovače

44 39

43 41

3839

b

42

39

40 41

3938

a

42

E

16

1721

18

19

20

M

C D

35

36

23

29

30

22

CANB

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

CA

N

27

26

25

32

34

33

31

24

F

A

28S

MK

1821

-1Y

Přehled systémů jednoválcových čerpadel | Obraz systému UIS pro osobní vozidla | 83

Obraz systému UIS/UPS pro užitková vozidla

Obrázek 6 ukazuje všechny komponenty systému sdruženého vstřikovače pro šesti-válcový vznětový motor užitkového vozi-dla. Podle typu vozidla a druhu použití ne-budou některé komponenty použity.

Oblasti elektronické regulace EDC (sní-mače, rozhraní a řízení motoru), zásobo-vání palivem, zásobování vzduchem a do-datečná úprava spalin jsou u systémů sdruženého vstřikovače a sdružených vstřikovacích systémů velmi podobné. Liší se pouze ve vysokotlaké části.

Pro získání přehlednějšího zobrazení jsou ve své montážní pozici zobrazeny jen ty snímače a vysílače požadovaných hod-

not, jejichž montážní poloha je nutná k po-chopení soustavy.

Prostřednictvím sběrnice CAN v oblasti „rozhraní“ (B) je možná výměna dat mezi nejrůznějšími oblastmi (např. řízení převo-dovky, protiprokluzová regulace (ASR), elektronický stabilizační program (ESP), snímač kvality oleje, tachograf, radar pro hlídání odstupu, management vozidla, brz-dový koordinátor, management vozidlové flotily – až 30 řídicích jednotek). Také alter-nátor (18) a klimatizace (17) mohou být připojeny pomocí sběrnice CAN.

Pro dodatečnou úpravu spalin jsou uvá-děny tři možné kombinace systému (a, b nebo c).

Obrázek 6Motor, řízení motoru a vysokotlaké vstřikovací komponenty

22 Jednotka čerpadla a vstřikovač

23 Sdružený vstřikovač


25 Vahadlo


27 Relé

28 Přídavné agregáty (např. retardér, výfuková klapka

pro motorovou brzdu, spouštěč, ventilátor)


30 Plamenová žhavicí svíčka (alternativně roštový ohří-

vač (Grid-Heater))M Točivý moment

A Snímače a vysílače požadovaných hodnot 1 Snímač pedálu plynu2 Spínač spojky3 Brzdové kontakty (2)4 Kontakt motorové brzdy5 Kontakt parkovací brzdy

6 Ovládací spínače (např. regulátor rychlosti jízdy, regu-

lace meziotáček, redukce otáček a točivého momentu)7 Spínací skříňka8 Snímač otáček turbodmychadla9 Snímač otáček klikového hřídele (induktivní)10 Snímač otáček vačkového hřídele11 Snímač teploty paliva12 Snímač teploty motoru (v okruhu chladicí kapaliny)13 Snímač teploty plnicího vzduchu14 Snímač plnicího tlaku 15 Snímač otáček ventilátoru16 Snímač diferenčního tlaku vzduchového filtru

B Rozhraní17 Kompresor klimatizace s ovládacím panelem18 Alternátor

19 Diagnostické rozhraní20 Řídicí jednotka SCR (selektivní katalytická redukce)CAN Controller Area Network (sériová datová sběrnice

vozidla) (až 3 sběrnice)


31 Předřadné podávací palivové čerpadlo

32 Palivový filtr se snímačem hladiny vody a snímačem tlaku

33 Chladič řídicí jednotky

34 Palivová nádrž s předřadným filtrem

35 Snímač hladiny

36 Ventil omezení tlaku

D Zásobování vzduchem37 Chladič recirkulace spalin38 Regulační klapka39 Nastavovač recirkulace spalin s ventilem recirkulace a snímačem polohy40 Chladič plnicího vzduchu s obtokem pro studený start41 Turbodmychadlo (zde VTG) se snímačem polohy42 Nastavovač plnicího tlaku

E Dodatečná úprava spalin43 Snímač teploty spalin44 Oxidační katalyzátor 45 Snímač diferenčního (rozdílového) tlaku46 Filtr pevných částic s katalytickou vrstvou (CSF)47 Snímač sazí48 Snímač hladiny49 Nádrž redukčního prostředku50 Podávací čerpadlo redukčního prostředku51 Tryska redukčního prostředku52 Snímač NOx53 Katalyzátor SCR (selektivní katalytická redukce)54 Snímač NH3 (amoniak, čpavek)

84 | Přehled systémů jednoválcových čerpadel | Obraz systému UIS/UPS pro užitková vozidla

6 Vstřikovací zařízení vznětového motoru užitkového vozidla se systémem sdruženého vstřikovače respektive se sdruženým vstřikovacím systémem

33

32 31

22

23

34 35

36

oder

M

C

26

27

28

CAN B

1

2

3

6

7

9

10

11

12

13

14

16

17

18

19

20

21

15

8

4

5

G

A

29 30

42

38

39

40

41

37

D

24

53 44

46

43 43

45

53

43

a

b

c

43 43

52 nebo54

52 nebo54 nebo47

44

44

48

49

50

51

48

49

50

46

51

E 45

24

25

SM

K18

22-1

Y

Přehled systémů jednoválcových čerpadel | Obraz systému UIS/UPS pro užitková vozidla | 85

1 Vstřikovací systém se zásobníkem Common Rail v pětiválcovém vznětovém motoru

1

4

5

6

8

7

2

3

UM

K19

91Y

Požadavky na vstřikovací systémy vzně-tových motorů neustále stoupají. Vyšší tlaky, rychlejší spínací časy a pružné při-způsobení průběhu vstřikování provoz-nímu stavu motoru činí vznětový motor úsporným, čistým a výkonným. Vznětové motory si tak našly cestu i do automobilů vyšší třídy.

EJedním z těchto vysoce rozvinutých vstři-kovacích systémů je vstřikovací systém se zásobníkem paliva Common Rail (CR). Hlavní výhoda systému Common Rail spo-čívá ve velkých možnostech variability při vytváření vystřikovacího tlaku a okamžiků vstřiku. Je toho dosaženo oddělením tvorby tlaku (vysokotlaké čerpadlo) od vstřikování (vstřikovače, injektory). Jako tlakový zásobník při tom slouží rail.

Oblasti použitíVstřikovací systém se zásobníkem Com-mon Rail pro vznětové motory s přímým vstřikováním paliva (Direct Injection, DI) se používá v následujících vozidlech:

osobní vozidla ▶ s velmi úspornými třívál-covými motory o zdvihovém objemu 0,8 litru, s výkonem 30 kW (41 k), toči-vým momentem 100 Nm a spotřebou pa-liva 3,5 l/100km až po osmiválcové mo-tory ve vozidlech vyšší třídy se zdviho-vým objemem 4 litry, výkonem 180 kW (245 k) a točivým momentem 560 Nm.lehká užitková vozidla ▶ s výkony do 30 kW na válec a rovněžtěžká užitková vozidla ▶ až po lokomotivy a lodě s výkony do cca 200 kW/válec.

Přehled systému Common Rail

Obrázek 1


potrubí

2 Vysokotlaké

palivové potrubí

ke vstřikovačům

3 Vstřikovač

4 Rail

5 Snímač tlaku v railu

6 Vysokotlaké

palivové potrubí

k railu


potrubí

8 Vysokotlaké

čerpadlo

86 | Přehled systému Common Rail | Oblasti použití

2 Systémové oblasti řízení motoru se vstřikovacím systémem Common Rail

Signály

Palivo

Motor

Elektronická regulace : Řízení motoru, snímače, rozhraní

Zásobování palivem (nízkotlaká část)

Vysokotlaká část

1

2

3

Systémy vzduchu a spalin

NM

K18

71D

Systém Common Rail nabízí vysokou flexi-bilitu pro přizpůsobení vstřikování k mo-toru. Je toho dosaženo:

vysokým vstřikovacím tlakem až cca ▶

1600 barů (magnetické vstřikovače) re-spektive 1800 barů (piezo vstřikovače). vstřikovacím tlakem (200…1800 barů) ▶

přizpůsobeným provoznímu stavu.možností více pilotních a dodatečných ▶

vstřiků (jsou možné dokonce velmi pozdní dodatečné vstřiky).

Tím systém Common Rail přispívá ke zvět-šení litrového výkonu, ke snížení spotřeby paliva a rovněž k redukci emisí hluku a škodlivin vznětového motoru.

Common Rail je v současnosti nejčastěji používaným vstřikovacím systémem pro rychloběžné motory osobních vozů s pří-mým vstřikováním.

Konstrukce

Systém Common Rail se skládá z následují-cích hlavním skupin (obrázky 1 a 2):

nízkotlaká část ▶ s komponenty zásobo-vání palivem,vysokotlaká část ▶ s vysokotlakým čerpa-dlem, railem, vstřikovači a vysokotla-kými palivovými potrubími,elektronická regulace (EDC) ▶ se systémo-vými bloky snímačů, řídicí jednotky a akčních členů.

Nejdůležitějšími součástmi systému Com-mon Rail jsou vstřikovače. Obsahují rychle spínající ventil (magnetický ventil nebo piezoovladač), jímž je otvírána a zavírána vstřikovací tryska. Lze tak řídit vstřikovací proces pro každý válec samostatně.

Přehled systému Common Rail | Oblasti použití, Konstrukce | 87

Obrázek 2


dlo

2 Rail

3 Vstřikovače

3 Příklady regulace vysokého tlaku systémů Common Rail

c11 5 6

81

2

10

3

7 7 7 7

b

1

2 3

59 6

7 7 7 710

a

1

2 3

5 64

78 7 7 7

SM

K19

93Y

Vstřikovače jsou připojeny společně k railu. Z toho je odvozeno označení „Com-mon Rail“ (anglicky „společná lišta/trubka).

Pro systém Common Rail je charakteris-tické, že lze nastavovat systémový tlak ne-závisle na provozním bodu motoru. Nasta-vení tlaku se provádí ventilem regulace tlaku nebo dávkovací (odměřovací) jednot-kou (obrázek 3).

Modulární konstrukce systému Common Rail usnadňuje přizpůsobení k různým motorům.

Princip činnosti

U vstřikovací systému se zásobníkem Com-mon Rail je odděleno vytváření tlaku od vstřikování. Vstřikovací tlak je vytvářen nezávisle na otáčkách motoru a vstřikova-ném množství. Elektronická regulace (EDC) aktivuje jednotlivé komponenty.

Vytváření tlakuOddělení vytváření tlaku od vstřikování je umožněno existencí jistého objemu paliva v zásobníku. Stlačené palivo v zásobníku je připraveno pro vstřikování.

Kontinuálně pracující vysokotlaké čerpa-dlo poháněné motorem vytváří požadovaný vstřikovací tlak. Čerpadlo udržuje tlak v railu z velké části nezávisle na otáčkách motoru a vstřikovaném množství. Díky té-měř rovnoměrné dodávce může být vysoko-tlaké čerpadlo navrženo s výrazně menšími rozměry a nižším špičkovým hnacím mo-mentem než je tomu u konvenčních vstřiko-vacích systémů. Důsledkem toho je též značné odlehčení pohonu čerpadla.

Vysokotlaké čerpadlo je provedeno jako radiální pístové čerpadlo, u užitkových vo-zidel v některých případech také jako řa-dové čerpadlo.

Regulace tlakuV závislosti na systému se používají různé způsoby regulace tlaku.

Regulace na vysokotlaké straněU systémů pro osobní vozidla je požado-vaný tlak v railu regulován na vysokotlaké straně ventilem regulace tlaku (obrázek 3a, pozice 4). Palivo, které se nespotřebuje při vstřikování, teče ventilem regulace tlaku zpět do nízkotlakého okruhu. Tato regulace umožňuje rychlé přizpůsobení tlaku v railu při změně provozního bodu (např. při změně zatížení).Regulace na vysokotlaké straně se použí-vala u prvních systémů Common Rail. Ven-til regulace tlaku se umísťuje přednostně

Obrázek 3

a Regulace tlaku na

vysokotlaké straně

pomocí ventilu

regulace tlaku pro

použití v osobních

vozidlech

b Regulace tlaku na

sací straně pomocí

dávkovací jednotky

spojené přírubou

s vysokotlakým čer-

padlem (pro osobní

a užitková vozidla)

c Regulace tlaku na

sací straně pomocí

dávkovací jednotky

a přídavné regulace

s ventilem regulace

tlaku (pro osobní

vozidla)

1 Vysokotlaké čerpadlo

2 Přívod paliva

3 Zpětné potrubí

paliva

4 Ventil regulace tlaku

5 Rail


7 Přípojka pro vstři-

kovač

8 Přípojka zpětného

palivového potrubí

9 Omezovací tlakový

ventil

10 Dávkovací jednotka


88 | Přehled systému Common Rail | Konstrukce

na rail, u některých aplikací přímo na vy-sokotlaké čerpadlo.

Regulace množství na sací straněDalší možnost regulace tlaku v railu spo-čívá v regulaci množství na sací straně (ob-rázek 3b). Dávkovací jednotka (10) spojená pomocí příruby s vysokotlakým čerpadlem se stará o to, aby čerpadlo dodávalo do railu přesně takové množství paliva, s nímž bude udržován vstřikovací tlak po-žadovaný systémem. Omezovací tlakový ventil (9) zabraňuje nepřípustně vysokému nárůstu tlaku v případě závady.

Díky regulaci množství na sací straně je menší množství paliva stlačováno na vy-soký tlak a tím je také menší příkon čerpa-dla. To se pozitivně projevuje na spotřebě paliva. Kromě toho se snižuje teplota pa-liva vracejícího se zpětným potrubím do palivové nádrže ve srovnání s regulací na vysokotlaké straně.

Systém se dvěma regulátorySystém se dvěma regulátory (obrázek 3c) s regulací tlaku na sací straně pomocí dáv-kovací jednotky a regulací na vysokotlaké straně pomocí ventilu regulace tlaku kom-binuje výhody regulace na vysokotlaké straně a regulace množství na straně sací (viz odstavec „Systém Common Rail pro osobní vozidla“).

VstřikováníVstřikovače vstřikují palivo přímo do spa-lovacího prostoru motoru. Krátkým vyso-kotlakým vedením je k nim přiváděno pa-livo z railu. Řídicí jednotka motoru akti-vuje spínací ventil integrovaný ve vstřikovači, který otvírá a zavírá vstřiko-vací trysku.

Doba otevření vstřikovače a systémový tlak určují vstřikované množství paliva. Při konstantním tlaku je množství paliva úměrné době sepnutí spínacího ventilu a tím nezávislé na otáčkách motoru respek-tive čerpadla (vstřikování řízené časem).

Hydraulický výkonový potenciálRozdělení funkcí vytváření tlaku a vstřiko-vání otevírá oproti konvenčním vstřikova-cím systémům další stupeň volnosti při vý-voji spalování: vstřikovací tlak lze téměř li-bovolně volit v poli charakteristik. Maximální vstřikovací tlak je v současné době 1800 barů.

Systém Common Rail díky pilotním vstřikům respektive vícenásobným vstři-kům umožňuje další snížení emisí spalin a výrazně redukuje hluk spalování. Několi-kanásobnou aktivací extrémně rychlých spínacích ventilů lze vytvářet vícenásobné vstřikování s počtem až pěti vstřiků za vstřikovací cyklus. Jehla trysky se uzavírá s hydraulickou podporou a zajišťuje tak rychlé ukončení vstřiku.

Přehled systému Common Rail | Princip činnosti | 89

Řízení a regulacePrincip činnostiŘídicí jednotka motoru pomocí snímačů zjišťuje polohu plynového pedálu a aktu-ální provozní stav motoru a vozidla (viz též kapitola „elektronická regulace vzněto-vého motoru“). Patří sem kromě jiného:

otáčky a úhel klikového hřídele, ▶

tlak v railu, ▶

plnicí tlak, ▶

teplota nasávaného vzduchu, chladicí ▶

kapaliny a paliva,hmotnost nasávaného vzduchu, ▶

rychlost jízdy atd.. ▶

Řídicí jednotka vyhodnocuje vstupní sig-nály a vypočítává synchronně se spalová-ním ovládací signály pro ventil regulace tlaku nebo dávkovací jednotku, vstřikovače a ostatní akční členy (např. ventil recirku-lace spalin, nastavovač turbodmychadla).

Potřebné krátké spínací časy pro vstřiko-vače lze dosáhnout optimalizovanými vy-sokotlakými spínacími ventily a speciálním aktivováním

Systém úhel – čas s pomocí údajů sní-mačů klikového a vačkového hřídele při-způsobuje okamžik vstřiku stavu motoru (časové řízení). Elektronická regulace vznětového motoru (EDC) dovoluje přesně dávkovat vstřikované množství. Kromě toho nabízí elektronická regulace EDC po-tenciál pro další přídavné funkce, které zlepšují chování vozu při jízdě a zvyšují komfort.

Základní funkceZákladní funkce řídí vstřikování paliva ve správném okamžiku, ve správném množ-ství a s předepsaným tlakem. Tím zajišťují příznivou spotřebu a klidný chod vzněto-vého motoru.

Korekční funkce pro výpočet vstřikováníK vyrovnání tolerancí vstřikovacího systému a motoru je k dispozici řada korekčních funkcí:

vyrovnání množství paliva jednotlivých ▶

vstřikovačů,kalibrace nulového množství paliva, ▶

regulace vyrovnání množství paliva, ▶

adaptace střední hodnoty množství paliva ▶ .

Přídavné funkcePřídavné řídicí a regulační funkce slouží k redukci emisí spalin a spotřeby paliva nebo zvyšují bezpečnost a komfort. Jako příklady lze uvést:

regulaci recirkulace spalin, ▶

regulaci plnicího tlaku, ▶

regulaci rychlosti jízdy, ▶

elektronický imobilizér atd. ▶

Integrace EDC do komplexního systému vozidla otevírá také řadu nových možností, např. výměnu dat s řízením převodovky nebo s regulací klimatizace.

Diagnostické rozhraní umožňuje vyhodno-cení uložených systémových dat při pro-hlídce vozidla.

Konfigurace řídicí jednotkyJelikož řídicí jednotka má zpravidla jen maximálně osm koncových stupňů pro vstřikovače, používají se pro motory s více než osmi válci dvě řídicí jednotky. Jsou spojeny pomocí velmi rychlého interního rozhraní CAN do sestavy „Master – Slave“ (nadřízená – podřízená ŘJ, „pán – otrok“). Tím je k dispozici i větší kapacita mikro-kontroléru. Některé funkce jsou vždy pevně přiřazeny jedné řídicí jednotce (např. regulace vyrovnání množství pa-liva). Jiné funkce lze při konfiguraci flexi-bilně přiřadit jedné z řídicích jednotek (např. sběr údajů ze snímačů).

90 | Přehled systému Common Rail | Princip činnosti

▶ Vyrovnávání množství paliva vstřikovačů

Popis funkce Vyrovnávání množství paliva vstřikovačů (der Injektormengenabgleich, IMA) je softwarová funkce ke zvýšení přesnosti dávkování paliva a současně využití vstřikovače v motoru. Funkce má za úkol individuálně korigovat na požadovanou hodnotu vstřikované množství každého vstřikovače systému Common Rail v celé oblasti datového pole. Plyne z toho re-dukce systémových tolerancí a rozptylového pásma emisí. Vyrovnávací hodnoty potřebné pro vyrovnání množství paliva (IMA) předsta-vují rozdíl vůči požadované hodnotě aktuál-ního továrního zkušebního bodu a zapisují se v kódované podobě na každý vstřikovač. Pomocí korekčního datového pole, které s použitím vyrovnávacích hodnot vypočítává korekční množství, se koriguje celý pro motor významný rozsah. Na konci výrobní linky au-tomobilového výrobce se do řídicí jednotky programují vyrovnávací hodnoty namontova-ných vstřikovačů a přiřazení k válcům. I při výměně vstřikovače v servisu se nově progra-mují vyrovnávací hodnoty.

Nutnost této funkceTechnické náklady na další omezení výrob-ních tolerancí vstřikovačů stoupají exponenci-álně a ukazují se jako neekonomické z finanč-ního hlediska. Vyrovnávání množství paliva vstřikovačů (IMA) představuje cílené řešení ke zvýšení výtěžnosti výroby a současně ke zlepšení přesnosti dávkování paliva a tím i emisí.

Měřené hodnoty při zkoušcePři zkoušce na konci výrobní linky se každý vstřikovač měří v několika bodech, které jsou reprezentativní pro rozptylové chování da-ného typu vstřikovače. V těchto bodech se vypočítávají odchylky vůči požadované hod-notě (vyrovnávací hodnoty) a následně se za-pisují na hlavu vstřikovače.

Obrázek 3

Znázornění procesního

řetězce od vyrovnávání

množství paliva vstři-

kovače u firmy Bosch

až po programování na

konci výrobní linky u

výrobce vozidla

Obrázek 2

Výpočet doby aktivace

vstřikovače z požadova-

ného množství paliva,

tlaku v railu a korekč-

ních hodnot

Obrázek 1

Charakteristiky různých

vstřikovačů v závislosti

na tlaku v railu.

IMA redukuje šířku

rozptylu charakteristik.

EMI (Einspritzmenge-

nindikator) Indikátor

vstřikovaného množství

▶ Zohlednění matice při výpočtu vstřiku

+

x

Vst

řikov

ané

mno

žstv

í

Výpočet doby aktivace

Datové pole doby aktivace

Doba vstřikuFlash-EPROM

korekční datové pole

Pro všechny vstřikovače stejného typu

Požadované množství Q

1. válec

2. válec

3. válec

4. válec

Q

Tlak v railu p

Kód zapsaný alfanumerickými znaky

Kód z datové matice

SM

K20

00D

▶ procesní řetězec

Výrobce motoru

Výrobce vozidlaVýrobce motoru

Programování ŘJ ‘EDC daty IMA

ED

C

Inj. 4 Inj. 3

Inj. 2 Inj. 1

BOSCH

100% následná kontrola

BOSCH

Popsání vstřikovače

BOSCH

Zkouška vstřikovače

Přečtení kódu kamerou

Montáž vstřikovače

▶ Charakteristiky EMI bez IMA

Vst

řikov

ané

mno

žstv

íDoba vstřiku

300 bar

600 bar

1600 bar 1200 bar

SM

K19

99D

SM

K20

02D

EEPROM

Vyrovnávací hodnotypro jednotlivý vstřikovač

EEPROM


EEPROM


EEPROM


Vyrovnávání množství paliva vstřikovačů | 91

Systém Common Rail pro osobní vozidla

Zásobování palivemU systémů Common Rail pro osobní vozidla se pro dodávání paliva k vysokotlakému čerpadlu používají elektrická palivová čer-padla nebo zubová čerpadla.

Systémy s elektrickým palivovým čerpadlemElektrické palivové čerpadlo – vsazené jako součást čerpacího modulu v palivové nádrži (Intank) nebo vložené do přívod-ního palivového potrubí (Inline) – nasává palivo přes předřadný filtr a dodává je s tlakem 6 barů do vysokotlakého čerpadla (obrázek 3). Maximální čerpací výkon činí 190 l/h. Pro zajištění rychlého startu mo-toru je palivové čerpadlo spínáno již při otočení klíčku ve spínací skříňce. Tím je zajištěno, aby byl při startu motoru k dis-pozici potřebný tlak v nízkotlakém okruhu.

V přívodu k vysokotlakému čerpadlu je vestavěn palivový filtr (jemný filtr).

Systémy se zubovým čerpadlemZubové čerpadlo je pomocí příruby spo-jeno s vysokotlakým čerpadlem a je spo-lečně poháněno jeho hnacím hřídelem (ob-rázky 1 a 2). Proto zubové čerpadlo čerpá již při startu motoru. Čerpací výkon závisí na otáčkách motoru a činí až 400 l/h při tlaku až 7 barů.

V palivové nádrži je zabudován před-řadný palivový filtr. Jemný filtr se nachází v přívodu k zubovému čerpadlu.

Kombinované systémy Existují i aplikace, v nichž se používají oba typy čerpadel. Elektrické palivové čerpa-dlo se stará o zlepšené startovací chování zvláště při teplém startu, jelikož při hor-kém a tím řidším palivu a nízkých otáč-kách čerpadla je čerpací výkon zubového čerpadla nižší.

Regulace vysokého tlakuU systému Common Rail první generace se regulace tlaku v railu provádí ventilem re-gulace tlaku. Vysokotlaké čerpadlo (prove-dení CP1) nezávisle na potřebě paliva do-dává stále maximální množství, ventil re-gulace tlaku odvádí nadbytečné palivo zpět do palivové nádrže.

Systém Common Rail druhé generace re-guluje tlak v railu prostřednictvím dávko-vací jednotky na nízkotlaké straně (ob-rázky 1 a 2). Vysokotlaké čerpadlo (prove-dení CP3 a CP1H) musí dodávat je tolik paliva, kolik motor skutečně potřebuje. Potřeba energie vysokotlakého čerpadla a tím i spotřeba paliva je proto nižší.

Systém Common Rail třetí generace se vyznačuje použitím piezo-inline injektorů (obrázek 3).

Lze-li regulovat tlak jen na nízkotlaké straně, trvá příliš dlouho snižování tlaku v railu při rychlých negativních změnách zatížení. Dynamika přizpůsobení tlaku změněným podmínkám zatížení je příliš pomalá. Je tomu tak zejména u piezo-in-line injektorů na základě jejich malých vnitřních netěsností. Některé systémy Common Rail proto kromě vysokotlakého čerpadla s dávkovací jednotkou obsahují dodatečně ventil regulace tlaku (obrázek 3). S tímto dvojitým systémem regulace se kombinují výhody nízkotlaké regulace s příznivým dynamickým chováním vyso-kotlaké regulace.

Další výhoda oproti možnosti regulovat výhradně na nízkotlaké straně plyne z toho, že lze u studeného motoru prová-dět regulaci na vysokotlaké straně. Vyso-kotlaké čerpadlo dodává více paliva než je vstřikováno, tlak je regulován ventilem re-gulace tlaku. Palivo je stlačováním zahří-váno, takže může odpadnout topný prvek pro přídavný ohřev paliva.

92 | Přehled systému Common Rail | Systém Common Rail pro osobní vozidla

1 Příklad systému Common Rail druhé generace pro čtyřválcový motor

1

68

2

3

4

7

5

2 Příklad systému Common Rail druhé generace s dvojitým systémem regulace pro motor V8

118

96

2

37

5

5

4

3 Příklad systému Common Rail třetí generace s dvojitým systémem regulace pro čtyřválcový motor

1 68

2

37

5

49

SM

K20

19Y

SM

K20

18Y

SM

K20

17Y

Přehled systému Common Rail | Systém Common Rail pro osobní vozidla | 93

Obrázek 3


dlo CP1H s dávko-

vací jednotkou

2 Palivový filtr s od-

lučovačem vody

a ohřevem (voli-

telně)

3 Palivová nádrž

4 Předřadný filtr

5 Rail


7 Piezo-inline vstřiko-

vač


9 Elektrické palivové

čerpadlo

Obrázek 2


dlo CP3 se zubo-

vým předřadným

podávacím čerpa-

dlem a dávkovací

jednotkou


lučovačem vody

a ohřevem (voli-

telně)

3 Palivová nádrž


5 Rail


7 Vstřikovač s magne-

tickým ventilem


9 Funkční blok

(rozdělovač)

Obrázek 1


dlo CP3 se zubo-

vým předřadným

podávacím čerpa-

dlem a dávkovací

jednotkou


lučovačem vody

a ohřevem (voli-

telně)

3 Palivová nádrž


5 Rail


7 Vstřikovač s magne-

tickým ventilem

8 Tlakový omezovací

ventil

Obraz systému pro osobní vozidlaObrázek 4 ukazuje všechny komponenty systému Common Rail pro čtyřválcový vznětový motor osobního vozu s plnou vý-bavou. Podle typu vozidla a druhu použití nebudou některé komponenty použity.

Pro získání přehlednějšího zobrazení ne-jsou snímače a vysílače požadovaných hodnot (A) zobrazeny ve své montážní po-zici. Výjimku tvoří komponenty dodatečné úpravy spalin (F) a snímač tlaku v railu, je-likož jejich montážní poloha je nutná k po-chopení soustavy.


spouštěč ▶

alternátor ▶






Pro dodatečnou úpravu spalin jsou uváděny dvě možné kombinace systému (a nebo b).

94 | Přehled systému Common Rail | Systém Common Rail pro osobní vozidla

Obrázek 4

Motor, řízení motoru a vysokotlaké vstřikovací

komponenty




26 Rail


28 Ventil regulace tlaku (DRV-2)

29 Vstřikovač

30 Kolíková žhavicí svíčka

31 Vznětový motor s přímým vstřikováním (DI)

M Točivý moment



2 Spínač spojky


4 Ovládací díl regulátoru rychlosti




8 Snímač otáček vačkového hřídele (induktivní nebo

Hallův snímač)





filmem

B Rozhraní

13 Přístrojová deska s výstupem signálu spotřeby paliva,

otáček atd.





vozidla)



20 Palivová nádrž s předřadným filtrem a elektrickým

palivovým čerpadlem (předřadné podávací čerpadlo)

21 Snímač stavu paliva

D Systém aditiva

22 Jednotka dávkování aditiva

23 Řídicí jednotka systému aditiva

24 Nádrž aditiva

E Zásobování vzduchem





36 Nastavovač recirkulace spalin

37 Podtlakové čerpadlo

F Dodatečná úprava spalin

38 Širokopásmová lambda sonda LSU



41 Filtr částic


43 Zásobníkový katalyzátor NOx

44 Širokopásmová lambda sonda, volitelně snímač NOx

4 Vstřikovací zařízení vznětového motoru osobního vozidla se systémem Common Rail

E

19

2022

21

M

17

C D

33

35

34

3736

24

25

44 39

23

CANB

1

2

3

4

5

6

8

9

10

11

12

13

14

15

16

7

43 41

3839

b

30

29

31

32

26 2728

18

F

A

42

39

40 41

3938

a

42

SM

K18

19-1

Y

Přehled systému Common Rail | Systém Common Rail pro osobní vozidla | 95

▶ Rozmach vznětového motoru v Evropě

Použití vznětového motoru Na počátku historie automobilu sloužil jako hnací agregát silničních vozidel zážehový mo-tor. V roce 1927 byla konečně vyrobena první užitková vozidla a v roce 1936 též osobní vo-zidla se vznětovými motory. V oblasti užitkových vozidel se mohl vzně-tový motor prosadit díky své hospodárnosti a dlouhé životnosti. V oblasti osobních vozů však byl vznětový motor ještě dlouhou dobu ve stínu. Až s příchodem moderních vzněto-vých motorů s přímým vstřikováním a přepl-ňováním – princip přímého vstřiku byl použit již u prvních vznětových motorů pro užitková vozidla – se obraz vznětového motoru změnil. V současné době je podíl vznětových motorů u nově registrovaných vozidel v Evropě při-bližně 50%.

Vlastnosti vznětového motoru Co charakterizuje dnešní vznětový motor, že zažívá v Evropě takový rozmach?

Hospodárnost Předně je spotřeba paliva oproti srovnatelným zážehovým motorům pořád ještě nižší – vy-plývá to z vyšší účinnosti vznětového motoru. Dále je na paliva pro vznětové motory v mnoha evropských zemích uvalena nižší daň. Pro řidiče, kteří najezdí mnoho kilometrů, je proto vznětový motor i přes vyšší pořizovací cenu hospodárnější alternativou.

Požitek z jízdyTéměř všechny současné vznětové motory pracují s přeplňováním. Proto lze již při níz-kých otáčkách dosáhnout velkého plnění válců. Adekvátně velké může být i dávkované množství paliva, čímž motor dosáhne vyso-kého točivého momentu. Z toho plyne takový průběh točivého momentu, který umožňuje jezdit s velkým točivým momentem již při níz-kých otáčkách. Točivý moment – a nikoliv výkon motoru – je rozhodující pro tažnou sílu motoru. V porov-nání se zážehovým motorem bez přeplňování

lze i s výkonově slabším vznětovým motorem dosáhnout většího požitku z jízdy. Image „chro-mého smraďocha“ se moderních vozidel se vznětovým motorem nové generace již netýká. Šetrnost vůči životnímu prostředíKouřová clona, kterou dříve vozidla se vzně-tovým motorem při vysokém zatížení vytvá-řela, patří již minulosti. Je tomu tak díky zdo-konaleným systémům vstřikování a elektro-nické regulaci (EDC). Množství paliva lze těmito systémy přesně dávkovat a přizpůso-bit provoznímu bodu motoru a okolním pod-mínkám. S touto technikou jsou plněny aktu-álně platné emisní normy. Oxidační katalyzátory, odstraňující ze spa-lin oxid uhelnatý (CO) a uhlovodíky (HC), jsou u vznětového motoru standardem. S dal-šími systémy pro dodatečnou úpravu spalin, jako jsou např. filtry pevných částic a zásob-níkové katalyzátory NOx, se splní i budoucí zpřísněné emisní normy – včetně norem le-gislativy USA.

▶ Typický průběh točivého momentu a výkonu vznětového motoru osobního vozidla

160

200

240

280

320

360

Nm

40

50

60

70

80

90

100

kW

0 1000 2000 3000 4000

Otáčky motoru

min-1

Toči

vý m

omen

t M

Výk

on P

M

P

SM

K20

23D

Rozmach vznětového motoru v Evropě | 96

1 Systém Common Rail pro užitková vozidla s vysokotlakým čerpadlem CP3

9

1

2

10

87

6

5

4 3

2 Systém Common Rail pro užitková vozidla s vysokotlakým čerpadlem CPN2.2

1

2

10

7 83

6

4

59

SM

K20

25Y

SM

K20

26Y

Systém Common Rail pro užitková vozidla

Zásobování palivemPředřadné podávání palivaSystémy Common Rail pro lehká užitková vozidla se jen málo liší od systémů pro osobní vozy. K předřadnému podávání pa-liva se používají elektrická palivová čerpa-dla nebo zubová čerpadla. U systémů Com-mon Rail pro těžká užitková vozidla se k dodávání paliva do vysokotlakého čerpa-dla používají výhradně zubová čerpadla (viz kapitola „Zásobování palivem, níz-kotlaká část, odstavec „zubové palivové

čerpadlo“). Předřadné podávací čerpadlo je zpravidla spojeno prostřednictvím pří-ruby s vysokotlakým čerpadlem (obrázky 1 a 2), u některých aplikací je připevněno na motor.

Filtrace palivaNarozdíl od systémů pro osobní vozidla je zde palivový filtr (jemný filtr) namontován na výtlačné straně. Vysokotlaké čerpadlo proto potřebuje přívodní palivové potrubí umístěné vně i v případě přírubou napoje-ného zubového čerpadla.

Přehled systému Common Rail | Systém Common Rail pro užitková vozidla | 97

Obrázek 1

1 Palivová nádrž


3 Palivový filtr

4 Zubové předřadné

podávací čerpadlo


dlo CP3.4



8 Rail


ventil

10 Vstřikovač

Obrázek 2

1 Palivová nádrž


3 Palivový filtr

4 Zubové předřadné

podávací čerpadlo


dlo CPN2.2



8 Rail


ventil

10 Vstřikovač

Obraz systému pro užitková vozidlaObrázek 3 ukazuje všechny komponenty systému Common Rail pro šestiválcový vznětový motor užitkového vozidla. Podle druhu použití a typu vozidla nebudou ně-které komponenty použity.

Pro získání přehlednějšího zobrazení jsou ve své montážní pozici zobrazeny jen ty snímače a vysílače požadovaných hod-not, jejichž montážní poloha je nutná k po-chopení soustavy.

Prostřednictvím sběrnice CAN v oblasti „rozhraní“ (B) je možná výměna dat mezi nejrůznějšími oblastmi (např. řízení pře-

vodovky, protiprokluzová regulace (ASR), elektronický stabilizační program (ESP), snímač kvality oleje, tachograf, radar pro hlídání odstupu ACC, brzdový koordinátor – až 30 řídicích jednotek). Také alternátor (18) a klimatizace (17) mohou být připo-jeny pomocí sběrnice CAN.

Pro dodatečnou úpravu spalin jsou uvá-děny tři možné kombinace systému: pouhý systém DPF (filtr pevných částic) (a) pře-vážně pro trh USA, pouhý systém SCR (se-lektivní katalytická redukce) (b) převážně pro trh EU a rovněž kombinovaný systém (c).

98 | Přehled systému Common Rail | Systém Common Rail pro užitková vozidla

Obrázek 3

Motor, řízení motoru a vysokotlaké vstřikovací komponenty



30 Rail


32 Vstřikovač

33 Relé

34 Přídavné agregáty (např. retardér, výfuková klapka

pro motorovou brzdu, spouštěč, ventilátor)


36 Plamenová žhavicí svíčka (alternativně roštový

ohřívač (Grid-Heater))

M Točivý moment



2 Spínač spojky


4 Kontakt motorové brzdy

5 Kontakt parkovací brzdy

6 Ovládací spínače (např. regulátor rychlosti jízdy, regu-

lace meziotáček, redukce otáček a točivého momentu)


8 Snímač otáček turbodmychadla


10 Snímač otáček vačkového hřídele

11 Snímač teploty paliva


13 Snímač teploty plnicího vzduchu


15 Snímač otáček ventilátoru

16 Snímač diferenčního tlaku vzduchového filtru

B Rozhraní

17 Kompresor klimatizace s ovládacím dílem

18 Alternátor


20 Řídicí jednotka SCR (selektivní katalytická redukce)

21 Vzduchový kompresor


vozidla) (až 3 sběrnice)


23 Předřadné podávací palivové čerpadlo

24 Palivový filtr se snímačem hladiny vody a snímačem tlaku

25 Chladič řídicí jednotky

26 Palivová nádrž s předřadným filtrem

27 Tlakový omezovací ventil

28 Snímač hladiny

D Zásobování vzduchem



39 Nastavovač recirkulace spalin s ventilem recirkulace

a snímačem polohy

40 Chladič plnicího vzduchu s obtokem pro studený start

41 Turbodmychadlo (zde VTG) se snímačem polohy


E Dodatečná úprava spalin




46 Filtr pevných částic s katalytickou vrstvou (CSF)

47 Snímač sazí

48 Snímač hladiny

49 Nádrž redukčního prostředku

50 Podávací čerpadlo redukčního prostředku

51 Tryska redukčního prostředku

52 Snímač NOx

53 Katalyzátor SCR (selektivní katalytická redukce)

54 Snímač NH3 (amoniak, čpavek)

3 Vstřikovací zařízení vznětového motoru užitkového vozidla se systémem Common Rail

25

24 23

26 28

27

M

22

C

29

CAN B

1

2

3

6

7

9

10

11

12

13

14

16

17

18

19

20

21

15

8

4

5

35 36

53 44

46

43 43

45

53

G

43

a

b

c

43 43

52 nebo54

52 nebo54 nebo47

44

44

48

49

50

51

48

49

50

46

51

32 33

34

42

38 39

40

41

37

30 31

D

A

E 45

SM

K18

20-1

Y

Přehled systému Common Rail | Systém Common Rail pro užitková vozidla | 99

1 Systémové bloky EDC (příklad systému Common Rail)

ADCPočítač pro výpočet funkcí

RAM

Flash-EPROM

EEPROM

Kontrolní modul

Snímač pedálu plynu

Snímače a vysílače požadovaných hodnot

Řídicí jednotka Akční členy (aktuátory)

Snímač hmotnosti vzduchu

Snímač plnicího tlaku

Snímač tlaku v railu

Snímače otáček(klikového a vačko-vého hřídele)

Snímače teploty(vzduchu a chladicí kapaliny)

Lambda sonda

Brzdový spínač

Spínač spojky

Řídicí jedn. doby žhavení

Vstřikovače

Nastavovač plnicího tlakuNastavovač recirkulace spalinNastavovač škrticí klapky

Diagnostická kontrolka

Kompresor klimatizace

Přídavné topeníVentilátor

Odpojení sacího kanálu

Elektronické vypínání (EAB)

Ventil regulace tlaku v railu

Startovací spínač (spínací skříňka)

Diagnostika

CAN

UM

K19

88D

Elektronické řízení vznětového motoru umožňuje přesné a diferencované (od-stupňované, oddělené) utváření veličin vstřikování. Je tak lze splnit mnoho poža-davků, kladených na moderní vznětový motor. Elektronická regulace vznětového motoru EDC (Electronic Diesel Control) se dělí na tři systémové bloky „snímače a vysílače požadovaných hodnot“, „řídicí jednotka“ a „akční členy (aktuátory)“.

Přehled systému

PožadavkySnižování spotřeby paliva a emisí škodli-vin (NOx, CO, HC, pevné částice) při sou-časném zvyšování výkonu respektive toči-vého momentu motorů jsou určujícími fak-tory aktuálního vývoje v oblasti techniky vznětových motorů. To vedlo v posledních letech ke zvýšenému používání vzněto-vých motorů s přímým vstřikováním (DI), u nichž jsou vstřikovací tlaky výrazně vyšší než u motorů s nepřímým vstřiková-ním s vířivou komůrkou nebo předkomůr-kou. Díky lepší tvorbě směsi a absenci ztrát vznikajících prouděním mezi předko-můrkou respektive vířivou komůrkou a hlavním spalovacím prostorem je spo-třeba paliva motorů s přímým vstřiková-

ním o 10…20% nižší než u motorů s nepří-mým vstřikováním.

Kromě toho se na vývoji moderních vznětových motorů projevují vysoké ná-roky na komfort jízdy. Stále vyšší poža-davky jsou kladeny rovněž na emise hluku. Z toho vyplývají zvýšené požadavky na vstřikovací systém a jeho regulaci s ohle-dem na:

vysoké vstřikovací tlaky, ▶

formování průběhu vstřiku, ▶

pilotní vstřik a eventuálně dodatečný ▶

vstřik,vstřikované množství, plnicí tlak a počá- ▶

tek vstřiku přizpůsobené každému pro-voznímu stavu,teplotně závislé startovací množství paliva, ▶

regulaci volnoběhu nezávislou na zatí- ▶

žení motoru,regulovanou recirkulaci spalin, ▶

regulaci rychlosti jízdy a rovněž ▶

malé tolerance doby vstřiku a vstřikova- ▶

ného množství a vysokou přesnost po ce-lou dobu životnosti (dlouhodobé chování).

Tradiční mechanická regulace otáček ovládá pomocí rozličných přizpůsobova-cích zařízení různé provozní stavy a zajiš-ťuje vysokou kvalitu zpracování směsi.

Elektronická regulace vznětového motoru EDC

100 | Elektronická regulace vznětového motoru | Přehled systému

Omezuje se však na jednoduchý regulační okruh na motoru a není schopna zpracová-vat důležité ovlivňující veličiny respektive není schopna je zpracovat dostatečně rychle.

Elektronická regulace vznětového mo-toru EDC se s rostoucími požadavky vyvi-nula od jednoduchého systému s elektricky ovládanou regulační tyčí ke komplexnímu elektronickému řízení motoru, které je schopné zpracovávat značné množství dat v reálném čase. Může být součástí kom-plexního systému vozidla (Drive by wire, „řízení po drátě“). Díky rostoucí integraci elektronických součástek lze komplexní elektroniku umístit na malém prostoru.

Princip činnostiElektronická regulace vznětového motoru (EDC) díky faktu, že výpočetní výkon do-stupných mikrokontrolérů v posledních letech silně vzrostl, je schopna splnit dříve jmenované požadavky.

Na rozdíl od vznětových vozidel s kon-venčními mechanicky řízenými vstřikova-cími čerpadly nemá řidič u systému EDC přímý vliv na vstřikované množství paliva, např. prostřednictvím pedálu plynu a bowdenu. Vstřikované množství je určo-váno spíše různými ovlivňujícími veliči-nami. Jsou to například:

přání řidiče (poloha pedálu plynu), ▶

provozní stav, ▶

teplota motoru, ▶

zásahy dalších systémů (např. ABS), ▶

dopady na emise škodlivin atd. ▶

Vstřikované množství se v řídicí jednotce vypočítává z těchto ovlivňujících veličin. Rovněž okamžik vstřiku se může měnit. To podmiňuje rozsáhlý kontrolní koncept, který rozpoznává vznikající odchylky a podle účinků zavádí odpovídající opat-ření (např. omezení točivého momentu nebo nouzový chod v oblasti volnoběhu). V EDC je proto obsaženo mnoho regulač-ních obvodů.

Elektronická regulace vznětového motoru umožňuje též výměnu dat s ostatními elek-tronickými systémy jako např. protipro-kluzová regulace (ASR), elektronické ří-zení převodovky (EGS, Elektronische Get-riebesteuerung) nebo regulace jízdní dynamiky pomocí elektronického stabili-začního programu (ESP). Tak lze integro-vat řízení motoru do komplexního systému vozidla (např. redukce momentu motoru při řazení automatické převodovky, při-způsobení momentu motoru prokluzu kol, uvolnění vstřikování prostřednictvím imo-bilizéru atd.).

Systém EDC je plně integrován do dia-gnostického systému vozidla. Splňuje všechny požadavky OBD (On-Board-Dia-gnose) a EOBD (European OBD).

Systémové blokyElektronická regulace vznětového motoru (EDC) se člení do tří systémových bloků (obr. 1):

1. Snímače a vysílače požadovaných hodnot zjišťují provozní podmínky (např. otáčky motoru) a požadované hodnoty (např. po-lohu spínače). Převádějí fyzikální veličiny na elektrické signály.

2. Řídicí jednotka zpracovává informace snímačů a vysílačů požadovaných hodnot podle určitých matematických výpočetních postupů (řídicí a regulační algoritmy). Akti-vuje akční členy pomocí elektrických vý-stupních signálů. Dále řídicí jednotka vy-tváří rozhraní k dalším systémům a k dia-gnostice vozidla.

3. Akční členy (aktuátory) převádějí elek-trické výstupní signály řídicí jednotky na mechanické veličiny (např. magnetický ventil pro vstřikování).

Elektronická regulace vznětového motoru | Přehled systému | 101

1 Znázornění funkce na příkladu regulace proudu

Max Min

¯

x x

x

+

PT1

DT1

l

I–skutečný

I–požadovaný

PWM–požadov

PT1

SA

E09

87Y

Zpracování dat

Důležitým úkolem elektronické regulace vznětového motoru (EDC) je řízení vstřiko-vaného množství a okamžiku vstřiku. Vstřikovací systém se společným zásobní-kem Common Rail reguluje ještě také vstři-kovací tlak. Kromě toho řídicí jednotka motoru u všech systémů ovládá různé akční členy. Funkce elektronické regulace vznětového motoru musejí být přesně při-způsobeny každému vozidlu a motoru. Jen tak mohou všechny komponenty opti-málně spolupracovat (obrázek 2).

Řídicí jednotka vyhodnocuje signály sen-zorů a omezuje je na přípustné napěťové úrovně. Některé vstupní signály se kromě toho kontrolují z hlediska plausibility. Mi-kroprocesor vypočítává z těchto vstupních dat a z polí charakteristik uložených v pa-měti okamžik a trvání vstřikování a pře-vádí tyto hodnoty na časové průběhy sig-nálů, které jsou přizpůsobeny pohybům

pístů motoru. Výpočetní program se na-zývá "software řídicí jednotky".

Kvůli požadované přesnosti a vysoké dy-namice vznětového motoru je nutný velký výpočetní výkon. Výstupními signály se aktivují koncové stupně, poskytující dosta-tečný výkon pro akční členy (např. vyso-kotlaké magnetické ventily pro vstřiko-vání, nastavovač recirkulace spalin a na-stavovač plnicího tlaku). Kromě toho jsou aktivovány ještě další komponenty s po-mocnými funkcemi (např. žhavicí relé a klimatizace).

Diagnostické funkce koncových stupňů magnetických ventilů rozpoznávají též chybné průběhy signálů. Dodatečně pro-bíhá prostřednictvím rozhraní výměna sig-nálů s ostatními systémy vozidla. V rámci bezpečnostního konceptu kontroluje řídicí jednotka také celý vstřikovací systém.

102 | Elektronická regulace vznětového motoru | Zpracování dat

2 Pricipiální průběh elektronické regulace vznětového motoru

Řídicí jednotka EDC

Požadavky řidiče

¯ přání řidiče,

¯ tempomat,

¯ motorová brzda...

Výměna dat s ostatními systémy

¯ protiprokluzová regulace,

¯ řízení převodovky,

¯ řízení klimatizace...

Systém řízení plnění motoru vzduchem

¯ přeplňování,

¯ recirkulace spalin.

Akční členy (aktuátory)

¯ elektropneumatický převodník,

¯ zařízení pro trvalé brzdění,

¯ ventilátor,

¯ řízení doby žhavení...

Vzduch

Palivo

Motor

Snímače a vysílače požadovaných hodnot

¯ snímač pedálu plynu,

¯ snímač otáček,

¯ spínače...

Regulace a aktivace ostatních akčních členů

CAN

Aktivace vstřikovacích komponentů

¯ řadová vstřikovací čerpadla,

¯ rotační vstřikovací čerpadla,

¯ sdružené vstřikovače / jednotka čerpadla,

¯ vysokotlaké čerpadlo a vstřikovače systému Common Rail,

¯ držáky trysek a trysky

Regulační okruh vzduchuTok dat a signálů

Vstřikovací komponenty

Regulační okruh paliva 1 (vstřikovací komponenty)Regulační okruh paliva 2 (motor)„Oklika“ přes řidiče

Regulace vstřiku

SM

K17

93-1

D

Elektronická regulace vznětového motoru | Zpracování dat | 103

Regulace vstřikování

Tabulka 1 podává funkční přehled různých regulačních funkcí, které jsou možné u ří-dicích jednotek EDC. Obrázek 1 ukazuje průběh výpočtu vstřikování se všemi funk-cemi. Některé funkce jsou zvláštní výba-vou. Mohou být při doplnění výbavy akti-vovány v řídicí jednotce i dodatečně pro-střednictvím servisu.

Aby motor pracoval v každém provozním stavu s optimálním spalováním, vypočítává se v řídicí jednotce vždy vhodné vstřiko-vané množství. Přitom musí být brán ohled na různé veličiny.U některých rotačních vstřikovacích čerpadel řízených magnetic-kými ventily je prováděna aktivace magne-tických ventilů pro dávku paliva a počátek vstřiku prostřednictvím separátní řídicí jed-notky čerpadla PSG (Pumpensteuergerät).

104 | Elektronická regulace vznětového motoru | Regulace vstřikování

1 Funkční přehled variant EDC pro motorová vozidla

Vstřikovací systém Řad

ová

vstř

ikov

ací

čerp

adla

PE

Rot

ační

vst

řiko

vací

če

rpad

la ř

ízen

á hr

anou

VE

-ED

C

Rot

ační

vst

řiko

vací

če

rpad

la ř

ízen

á m

agne

tick

ými

vent

ily V

E-M

, V

R-M

Sys

tém

sd

ruže

ného

vs

třik

ovač

e U

IS a

sd

ruže

ný

vstř

ikov

ací

syst

ém U

PS

Sys

tém

Com

mon

Rai

l C

R

Funkce

Omezovací množství ● ● ● ● ●

Externí zásah do momentu ● 3) ● ● ● ●

Omezení rychlosti jízdy ● 3) ● ● ● ●

Regulace rychlosti jízdy ● ● ● ● ●

Korekce nadmořské výšky ● ● ● ● ●

Regulace plnicího tlaku ● ● ● ● ●

Regulace volnoběhu ● ● ● ● ●

Regulace otáček mezi volnoběhem a přeběhem

● 3) ● ● ● ●

Aktivní tlumení škubání ● 2) ● ● ● ●

Regulace BIP – – ● ● –

Odpojení sacího kanálu – – ● ● 2) ●

Elektronický imobilizér ● 2) ● ● ● ●

Řízený pilotní vstřik – – ● ● 2) ●

Řízení doby žhavení ● 2) ● ● ● 2) ●

Odpojení klimatizace ● 2) ● ● ● ●

Přídavný ohřev chladicí kapaliny ● 2) ● ● – ●

Regulace klidného chodu ● 2) ● ● ● ●

Regulace vyrovnání množství paliva ● 2) – ● ● ●

Aktivace ventilátoru – ● ● ● ●

Regulace recirkulace spalin ● 2) ● ● ● 2) ●

Regulace počátku vstřiku se sní-mačem

● 1) 3) ● ● – –

Vypínání válců – – ● 3) ● 3) ● 3)

Tabulka 11) jen řadová vstřiko-

vací čerpadla se

zdvihovým šoupát-

kem2) jen osobní vozidla3) jen užitková vozidla

1 Výpočet vstřikování v řídicí jednotce

Snímač pedálu plynu(požadavek řidiče)

Požadavky

Výpočty

Aktivace

Regulátor rychlosti,jízdy, omezovačrychlosti jízdy

Požadavky jiných systémů

(např. ABS, ASR, ESP)

CAN

Start

Přepínač

Jízdní provoz

Startovací množství

Odměřování dávky paliva(datové pole čerpadla)

Aktivace přesuvníkuvstřiku

Aktivace magnetickýchventilů

Signál k řídicí jednotce čerpadla

Regulace počátku vstřikurespektive počátku dodávky

Volba požadovanéhovstřikovaného množství

Externí zásah do momentu

Omezovací množství

+/-

+

+

Regulátor volnoběhu (LLR) respektive regulátor

vyrovnání množství (MAR)

Aktivní tlumič škubáníRegulátor klidného chodu

NM

K17

55D

Elektronická regulace vznětového motoru | Regulace vstřikování | 105

1 Odpojení sacího kanálu

1

2

3

4

5

6

NM

M05

55Y

Regulace a aktivace akčních členů

Kromě vstřikovacích komponentů je systé-mem EDC regulováno a aktivováno značné množství dalších akčních členů. Působí na-příklad na řízení plnění válců, na chlazení motoru nebo podporují startovací chování vznětového motoru. Jako u regulace vstři-kování jsou i zde zohledňovány požadavky ostatních systémů (např. ASR).

Podle typu vozidla, oblasti použití a vstřikovacího systému se používají různé akční členy. Některé příklady jsou po-psány v tomto odstavci.

Při aktivaci se používají různé způsoby:Akční členy jsou pomocí odpovídajících ▶

signálů přímo aktivovány prostřednic-tvím koncového stupně v řídicí jednotce (např. ventil recirkulace spalin).Při vysoké proudové spotřebě je řídicí ▶

jednotkou aktivováno relé (např. akti-vace ventilátoru).Řídicí jednotka motoru předává signály ▶

nezávislé řídicí jednotce, která pak akti-vuje nebo reguluje další akční členy (např. řízení doby žhavení).

Integrace všech funkcí motoru v řídicí jed-notce EDC nabízí tu výhodu, že v konceptu regulace motoru lze zohlednit nejen vstři-kované množství a okamžik vstřiku, nýbrž i všechny ostatní funkce motoru jako např. recirkulaci spalin a regulaci plnicího tlaku. To vede k podstatnému zlepšení regulace motoru. Kromě toho je v řídicí jednotce již k dispozici mnoho informací, které jsou třeba pro další funkce (např. teplota mo-toru a teplota nasávaného vzduchu pro ří-zení doby žhavení).

Přídavný ohřev chladicí kapalinyVýkonné vznětové motory mají velmi vyso-kou účinnost. Odpadní teplo motoru za ur-čitých okolností již nestačí na to, aby do-statečné vytápělo vnitřní prostor vozidla. Proto se používá přídavný ohřev chladicí kapaliny pomocí žhavicích svíček. Podle kapacity alternátoru je ohřev aktivován v různých stupních. Přídavný ohřev chla-dicí kapaliny je regulován řídicí jednotkou motoru.

Odpojení sacího kanáluPři odpojování sacího kanálu se ve spodní oblasti otáček a ve volnoběhu zavírá plnicí kanál (obrázek 1, pozice 5) každého válce prostřednictvím klapky (6), protéká-li proud elektropneumatickým převodníkem. Čerstvý vzduch se pak nasává jen vířivými kanály (2). Tím vzniká ve spodní oblasti otáček lepší víření vzduchu, což vede k lepšímu spalování. V horní oblasti otáček se zvyšuje stupeň plnění pomocí doda-tečně otevřených plnicích kanálů a v dů-sledku toho se zlepšuje výkon motoru.

Obrázek 1

1 Sací ventil

2 Vířivý kanál

3 Válec

4 Píst

5 Plnicí kanál

6 Klapka

106 | Elektronická regulace vznětového motoru | Regulace a aktivace akčních členů

Regulace plnicího tlakuRegulace plnicího tlaku turbodmychadla (LDR, Ladedruckregelung) zlepšuje cha-rakteristiku točivého momentu v provozu s plným zatížením a výměnu náplně válců při provozu s částečným zatížením. Poža-dovaná hodnota plnicího tlaku závisí na otáčkách, vstřikovaném množství, teplo-tách chladicí kapaliny a nasávaného vzdu-chu a rovněž na tlaku okolního vzduchu. Porovnává se se skutečnou hodnotou sní-mače plnicího tlaku. Při regulační od-chylce aktivuje řídicí jednotka elektro-pneumatický převodník obtokového ven-tilu nebo vodicích lopatek turbodmychadla s variabilní geometrií turbíny (VTG).

Aktivace ventilátoruNad určitou hodnotou teploty motoru akti-vuje řídicí jednotka ventilátor motoru. I po vypnutí motoru ventilátor ještě po jistou dobu běží. Tato doba doběhu závisí na ak-tuální teplotě chladicí kapaliny a stavu za-tížení posledního jízdního cyklu.

Recirkulace spalinKe snižování emisí NOx se zavádí spaliny do sacího traktu motoru. Děje se tak prostřed-nictvím kanálu, jehož průřez lze měnit po-mocí ventilu recirkulace spalin. Ovládání ventilu recirkulace spalin se provádí buď elektropneumatickým převodníkem nebo elektrickým nastavovačem.

Vzhledem k vysoké teplotě a podílu ne-čistot ve spalinách lze proud zpětně vede-ných spalin špatně měřit. Proto se provádí regulace nepřímo pomocí měřiče hmot-nosti nasávaného vzduchu, umístěného v proudu čerstvého vzduchu. Jeho měřená hodnota se v řídicí jednotce porovnává s teoretickou potřebou vzduchu. Ta se zjiš-ťuje z různých datových polí (např. otáčky motoru). Čím nižší je skutečná měřená hmotnost čerstvého vzduchu v porovnání s teoretickou potřebou vzduchu, tím vyšší je podíl recirkulovaných spalin.

Náhradní funkce

Dojde-li k výpadku jednotlivých vstupních signálů, chybějí řídicí jednotce důležité in-formace pro výpočty. V tomto případě se provádí aktivace pomocí náhradních funkcí. Dvěma takovými příklady jsou:

Příklad 1: Teplota paliva je potřeba k vý-počtu vstřikovaného množství. Vypadne-li snímač teploty paliva, počítá řídicí jed-notka s náhradní hodnotou. Ta musí být zvolena tak, aby nedocházelo k silné tvorbě sazí. Proto může při vadném sní-mači teploty paliva dojít k poklesu výkonu v některých provozních oblastech.

Příklad 2: Při výpadku snímače vačkového hřídele použije řídicí jednotka signál sní-mače klikového hřídele jako náhradní sig-nál. V závislosti na výrobci vozidla existují různé koncepty, jimiž je z průběhu signálu klikového hřídele zjišťováno, kdy je 1. vá-lec v kompresním zdvihu. Jako důsledek této náhradní funkce je však skutečnost, že nastartování motoru trvá poněkud déle.

Různé náhradní funkce se mohou lišit podle výrobce vozidla. Proto jsou možné mnohé funkce, specifické dle vozidla.

Všechny závady se pomocí diagnostických funkcí ukládají do paměti a lze je vyčíst v servisu.

Elektronická regulace vznětového motoru | Regulace a aktivace akčních členů | 107

1 Kolíková žhavicí svíčka GLP2

1 2 3 4 7

8 1 cm910

65

UM

S06

85-2

Y

Horké vznětové motory s předkomůrkou a vířivou komůrkou a motory s přímým vstřikem (DI) při venkovních teplotách ≥ 0 °C startují spontánně. Teploty 250 °C pro samovznícení paliva při startu je dosaženo pomocí otáček spouštěče. Studené motory s předkomůrkou a víři-vou komůrkou při okolních teplotách < 40 °C respektive < 20 °C vyžadují pomoc při startu, motory s přímým vstřikem až při teplotě pod 0 °C.

Žhavicí systémy

Pro osobní a lehká užitková vozidla se po-užívají žhavicí systémy. Skládají se v pod-statě ze žhavicích kolíkových svíček (GLP), řídicí jednotky doby žhavení a softwaru pro žhavení v řídicí jednotce motoru. U konvenčních žhavicích systémů se pou-žívají žhavicí svíčky s jmenovitým napětím 11 V, napájené palubním napětím. Nové nízkonapěťové žhavicí systémy vyžadují žhavicí svíčky s jmenovitým napětím pod 11 V, jejichž topný výkon je pomocí elek-tronické řídicí jednotky doby žhavení při-způsoben potřebě motoru.

U motorů s předkomůrkou a vířivou ko-můrkou (IDI) vyčnívají žhavicí svíčky do vedlejšího spalovací prostoru, u motorů s přímým vstřikem (DI) do spalovacího prostoru válce motoru. Směs vzduchu a paliva se vede kolem horké špičky žha-

vicí svíčky a při tom se ohřívá. Ve spojení s ohříváním nasávaného vzduchu během doby komprese je dosaženo teploty vzní-cení.

Pro vznětové motory se zdvihovým obje-mem větším než 1 litr/válec (užitková vozi-dla) se normálně nepoužívají žhavicí sys-témy, nýbrž zařízení pro ohřev plamenem při startu.

Fáze žhaveníPředžhavení: kolíková žhavicí svíčka se ▶

ohřívá na provozní teplotu.Pohotovostní žhavení: žhavicí systém ▶

drží po definovanou dobu teplotu žha-vicí svíčky nutnou pro start.Startovací žhavení: používá se během ▶

rozběhu motoru.Fáze dožhavení: začíná po odpadnutí ▶

spouštěče.Mezižhavení: po ochlazení motoru při ▶

deceleraci nebo k podpoření regenerace filtru pevných částic.

Konvenční žhavicí systémKonvenční žhavicí systémy se skládají z kovové kolíkové žhavicí svíčky s jmeno-vitým napětím 11 V, relé – řídicí jednotky doby žhavení a softwarového modulu pro funkci žhavení, integrovaného do řídicí jednotky motoru.

Systémy pomoci při startu

Obrázek 1

1 Připojovací konektor

2 Izolační podložka

3 Pouzdro

4 Žhavicí trubička

5 Regulační spirála

6 Prášková výplň

z oxidu magnesia

7 Topná spirála

8 Těsnění topného

tělesa

9 Dvojité těsnění

10 Okrajová matice

108 | Systémy pomoci při startu | Žhavicí systémy

2 Porovnání průběhů žhavení kolíkové žhavicí svíčky GSK2, HighSpeed a GSK3

0

12001

a

2

800

400

8C

Tep

lota

Čas–10 0 10 20s

3

UM

K20

32D

Obrázek 2

a od t = 0 s probíhá

ofukování s rych-

lostí proudění

11 m/s


svíčka DuraSpeed

(7 V)

2 Kovová kolíková

žhavicí svíčka High-

Speed (5 V)

3 Kovová kolíková žha-

vicí svíčka (11 V)

Software žhavení v řídicí jednotce mo-toru EDC zahajuje a ukončuje proces žha-vení v závislosti na aktivaci spínače ve spí-nací skříňce a na základě parametrů ulože-ných v softwaru. Řídicí jednotka žhavení podle údajů EDC během fází žhavení – předžhavení, pohotovostní žhavení, starto-vací žhavení a dožhavení – aktivuje žhavicí svíčky tím, že je pomocí relé připojuje k palubnímu napětí. Jmenovité napětí žha-vicích svíček je 11 V. V důsledku toho je topný výkon závislý na aktuálním palub-ním napětí a teplotně závislém odporu (PTC) žhavicí svíčky. Z toho plyne autore-gulační chování žhavicí svíčky. Ve spojení s vypínací funkcí závislou na zatížení mo-toru, obsaženou v softwaru žhavení v řídicí jednotce motoru, se lze spolehlivě vyhnout teplotnímu přetížení žhavicí svíčky.

Kolíková žhavicí svíčka DuratermKonstrukce a vlastnosti Žhavicí kolík (obrázek 1) se skládá z tru-bičkového topného tělesa, které je plyno-těsně zalisováno do pouzdra (3). Trubič-kové topné těleso se skládá z žhavicí tru-bičky (4), odolné horkým plynům a korozi, která má uvnitř žhavicí spirálu, uloženou ve zhutněném prášku z oxidu magnesia (6). Tato žhavicí spirála je tvořena dvěma sériově zapojenými odpory: topnou spirá-lou (7), umístěnou ve špičce žhavicí tru-bičky, a regulační spirálou (5).

Zatímco topná spirála má elektrický od-por nezávislý na teplotě, regulační spirála vykazuje kladný teplotní součinitel (PTC). Její odpor se u žhavicí svíčky generace GLP2 s rostoucí teplotou zvyšuje ještě sil-něji než u starších kolíkových žhavicích svíček typu S-RSK. Díky tomu svíčka GLP2 dosahuje rychleji teplotu potřebnou pro vznícení paliva (850 °C za 4 sekundy) a má nižší ustálenou teplotou. Teplota je tak omezena na hodnoty, které nejsou pro ko-líkovou žhavicí svíčku kritické. Proto může být po startu ještě až tři minuty dále v pro-vozu. Toto dožhavení způsobuje zlepšený volnoběh za studena s výrazně nižšími emisemi hluku a spalin.

Topná spirála je přivařena k vypouk-lému konci žhavicí trubičky, čímž je vytvo-řeno spojení s kostrou. Regulační spirála je spojena s připojovacím kolíkem, jímž je žhavicí svíčka připojena k palubní síti.

FunkcePři přivedení palubního napětí ke kolíkové žhavicí svíčce se nejprve největší část elektrické energie převádí v topné spirále na teplo; teplota na špičce žhavicí svíčky tak strmě narůstá. Teplota regulační spi-rály – a tím i odpor – se zvyšuje s časovým zpožděním. Spotřeba proudu a tedy cel-kový topný výkon kolíkové žhavicí svíčky se snižuje a teplota se blíží ustálenému stavu (obrázek 2).

Nízkonapěťový žhavicí systémNízkonapěťový žhavicí systém obsahuje

keramické kolíkové žhavicí svíčky Du- ▶

raSpeed nebo kovové kolíkové žhavicí svíčky HighSpeed v nízkonapěťovém provedení < 11 V, elektronickou řídicí jednotku doby ▶

žhavení a softwarový modul pro funkci žhavení, ▶

integrovaný v řídicí jednotce motoru.

Systémy pomoci při startu | Žhavicí systémy | 109

Aby bylo při předžhavení co možná nej-rychleji dosaženo potřebné žhavicí teploty pro start motoru, jsou kolíkové žhavicí svíčky v této fázi krátkodobě napájeny na-pětím větším než je jmenovité napětí. Bě-hem pohotovostního žhavení pro start se pracovní napětí snižuje na hodnotu jmeno-vitého napětí.

Během startovacího žhavení se provozní napětí opět zvyšuje, aby se vyrovnalo ochlazení kolíkové žhavicí svíčky, způso-bené studeným nasávaným vzduchem. Toto je možné i v oblasti dožhavení a mezi-žhavení. Potřebné napětí se zjišťuje z dato-vého pole, které je přizpůsobeno danému motoru. Datové pole obsahuje parametry otáčky, vstřikované množství, čas po vy-pnutí spouštěče a teplotu chladicí kapaliny.

Aktivace žhavení podporovaná datovým polem spolehlivě zabraňuje tepelnému přetížení kolíkové žhavicí svíčky ve všech provozních stavech motoru. Funkce žha-vení, implementovaná v řídicí jednotce EDC, obsahuje ochranu proti přehřátí při opakovaném žhavení.

Tyto žhavicí systémy umožňují při použití kovových kolíkových žhavicích svíček HighSpeed rychlý start a při použití kolí-kových žhavicích svíček DuraSpeed oka-mžitý start podobně jako u zážehového motoru až do teploty - 28 °C.

Kovová kolíková žhavicí svíčka HighSpeedKonstrukcí a způsobem činnosti odpovídá kovová kolíková žhavicí svíčka HighSpeed svíčce Duraterm. Topná a regulační spirála jsou zde dimenzovány na nižší jmenovité napětí a velkou rychlost nažhavení.

Štíhlé konstrukční provedení je přizpů-sobeno omezenému prostoru pro montáž u čtyřventilových motorů. Žhavicí kolík (Ø 4/3,3 mm) má v přední části zúžení, aby se topná spirála přiblížila k žhavicí tru-bičce. To umožňuje spolu se zvýšeným provozním napětím ve fázi předžhavení

dosáhnout rychlosti nažhavení až 1000 °C / 3 s. Maximální žhavicí teplota leží v oblasti nad 1000 °C. Teplota během po-hotovostního žhavení pro start a při do-žhavení je cca. 980 °C. Tyto funkční vlast-nosti jsou přizpůsobeny požadavkům vznětových motorů s kompresním pomě-rem « ≥ 18.

Kolíková žhavicí svíčka DuraSpeedKolíkové žhavicí svíčky DuraSpeed mají žhavicí kolík z nového, vysoce teplotně odolného materiálu. Na základě své velmi vysoké odolnosti proti oxidaci a teplot-nímu šoku dovolují okamžitý start a rov-něž několik minut dlouhé dožhavení a me-zižhavení při teplotě 1300 °C.

Redukce emisí u vznětových motorů s nízkým kompresním poměremZmenšením kompresního poměru u mo-derních vznětových motorů z hod-noty = 18 na « = 16 lze snížit emise NOx a sazí při současném zvýšení litro-vého výkonu. Chování při studeném startu a ve volnoběhu za studena je však u těchto motorů problematické. Aby bylo u těchto motorů dosaženo minimálních hodnot kouřivosti a velkého klidu chodu motoru při studeném startu a ve volno-běhu za studena, jsou potřebné teploty žhavicích svíček přes 1150 °C – pro kon-venční motory postačuje 850 °C. Během fáze chodu motoru za studena lze udržet tyto nízké emisní hodnoty – emise mod-rého kouře a sazí – jen díky několikaminu-tovému dožhavení. V porovnání se stan-dardními žhavicími systémy se při použití keramického žhavicího systému Bosch re-dukují hodnoty kouřivosti až o 60 %.

110 | Systémy pomoci při startu | Žhavicí systémy

▶ Dimenze vstřikovací techniky vznětových motorů

Svět vstřikování vznětových motorů je světem superlativů.

Jehla trysky motoru užitkového vozidla za svoji životnost vykoná více než miliardu otví-racích a zavíracích zdvihů. Spolehlivě těsní při hodnotách tlaku až 2050 barů a musí při tom leccos vydržet:

absorbuje rázy rychlého otvírání a zavírání ▶

(u motoru osobního vozu až 10 000 krát za minutu při pilotních a dodatečných vstřicích),odolává vysokému namáhání prouděním ▶

při vstřikování ačelí tlaku a teplotě ve spalovacím prostoru. ▶

Následující srovnání ukazují, co vše dokážou moderní vstřikovací trysky:

V tlakové komoře panuje tlak až ▶

2050 barů. Tento tlak vznikne, pokud by se postavilo vozidlo vyšší třídy na nehet prstu.

Doba vstřiku obnáší 1…2 milisekundy (ms). ▶

Za jednu milisekundu urazí zvuková vlna z reproduktoru vzdálenost jen asi 33 cm.Vstřikované množství u osobních vozidel ▶

se mění od 1 mm3 (pilotní vstřik) do 50 mm3 (dávka při plném zatížení); u užit-kových vozidel od 3 mm3 (pilotní vstřik) do 350 mm3 (dávka při plném zatížení). 1 mm3 odpovídá objemu poloviny špendlí-kové hlavičky. 350 mm3 se rovná množství 12 velkých dešťových kapek (30 mm3 na kapku). Toto množství se protlačuje během 2 ms rychlostí 2000 km/h otvorem o prů-řezu menším než 0,25 mm2!Vůle ve vedení jehly trysky je 0,002 mm ▶

(2 μm). Lidský vlas je 30 krát tlustší (0,06 mm).

Splnění všech těchto vysokých výkonů vyža-duje obrovské know-how ve vývoji, nauce o technických materiálech, výrobě a měřicí technice.

Tlak 2050 barů

Špendlíková hlavička (2mm3)

Vstřikované množství 1...350mm3

Vůle ve vedení 0,002mm

Lidský vlas(Ø 0,06mm)

Rychlost zvuku 0,33 m/ms

Doba vstřiku 1...2ms

NM

K17

08-2

D

Dimenze vstřikovací techniky vznětových motorů | 111

1 Vstřikovací tryska jako rozhraní mezi vstřikovacím systémem a vznětovým motorem

PE

VE/VR

UP

CR

UI

Držák trysky

Vstřikovací tryska

Spalovací prostor vznětového motoru

NM

K18

56D

Vstřikovací tryska vstřikuje palivo do spalovacího prostoru vznětového mo-toru. Zásadním způsobem ovlivňuje tvorbu směsi a spalování a tím i výkon motoru, emisní chování a hlučnost mo-toru. Aby vstřikovací trysky mohly opti-málně plnit své úkoly, musejí být přizpů-sobeny motoru prostřednictvím různých provedení v závislosti na vstřikovacím systému.

Vstřikovací tryska (v dalším textu nazý-vaná zkráceně „tryska“) je ústředním prv-kem vstřikovacího systému, vyžadujícím mnoho technického „know-how“. Tryska má určující podíl na:

vytváření průběhu vstřiku (přesný prů- ▶

běh tlaku a rozdělení množství na stu-peň úhlu otočení klikového hřídele),optimální rozprášení a rozdělení paliva ▶

ve spalovacím prostoru autěsnění palivového systému vůči spalo- ▶

vacímu prostoru

Tryska vzhledem ke své exponované po-loze ve spalovacím prostoru podléhá tr-vale pulsujícímu mechanickému a tepel-nému namáhání, pocházejícímu od motoru a vstřikovacího systému. Proudící palivo musí trysku chladit. V režimu decelerace, kdy se nevstřikuje, výrazně narůstají tep-loty v trysce. Její teplotní odolnost musí být proto dimenzována na tento provozní režim.

U vstřikovacích systémů s řadovými vstři-kovacími čerpadly (PE), rotačními vstřiko-vacími čerpadly (VE/VR) a jednotkami čerpadel (UP) jsou trysky do motoru mon-továny s použitím držáků trysek (obrá-zek 1). U vysokotlakých vstřikovacích sys-témů Common Rail (CR) a sdružených vstřikovačů (UI) je tryska integrována ve vstřikovači. Držák trysky není u těchto systémů potřeba.

Pro komůrkové motory (IDI) se používají čepové trysky a u motorů s přímým vstři-kováním (DI) otvorové trysky.

Tlak paliva otvírá trysku. Otvory trysky, doba vstřiku a průběh vstřiku v podstatě určují vstřikované množství. Klesne-li tlak, musí se tryska rychle a spolehlivě zavřít. Zavírací tlak leží minimálně o 40 barů nad maximálním spalovací tlakem, aby se za-bránilo nežádoucím následným vstřikům nebo pronikání plynů ze spalování.

Tryska musí být přizpůsobena různým poměrům v motoru:

způsob spalování (přímé (DI) nebo ne- ▶

přímé (IDI) vstřikování),geometrie spalovacího prostoru, ▶

tvar a směr vstřikového paprsku, ▶

„průrazná síla“ a rozprášení paprsku ▶

paliva,doba vstřiku a ▶

vstřikované množství na stupeň úhlu ▶

otočení klikového hřídele.

Standardizované rozměry a konstrukční skupiny dovolují potřebnou flexibilitu s mi-nimem variant jednotlivých dílů. Vzhledem k lepšímu výkonu při nižší spotřebě paliva se nové motory vyvíjejí už jen s přímým vstřikováním (tzn. s otvorovými tryskami).

Vstřikovací trysky

112 | Vstřikovací trysky

▶ Vstřikování vznětového motoru je technikou vysoké přesnosti

U vznětových motorů si mnozí laici představí spíše hrubé strojírenství než přesnou mecha-niku. Moderní komponenty vstřikování pro vznětové motory se však skládají z vysoce přesných dílů, vystavených extrémnímu na-máhání.

Vstřikovací tryska tvoří rozhraní mezi vstřiko-vacím systémem a motorem. Po celou dobu životnosti motoru se musí přesně otvírat a zavírat. V zavřeném stavu se nesmí objevit žádná netěsnost. Ta by zvýšila spotřebu pa-liva, zhoršila emise spalin nebo dokonce vedla k poškození motoru. Aby trysky při vysokých tlacích v moder-ních vstřikovacích systémech VR (VP44), CR, UPS a UIS (až 2050 barů) spolehlivě těsnily, musejí být speciálně konstruovány a velmi přesně vyráběny. Zde je několik příkladů:

Aby těsnicí plocha tělesa trysky (1) spo- ▶

lehlivě těsnila, má maximální odchylku tvaru 0,001 mm (1 μm). To znamená, že se musí vyrábět s přesností cca. 4000 vrs-tev atomů kovu! Vůle ve vedení mezi jehlou trysky a těle- ▶

sem trysky (2) obnáší 0,002…0,004 mm (2…4 μm). Odchylky tvaru jsou díky nej-jemnějšímu obrábění rovněž menší než 0,001 mm (1 μm).

Jemné vstřikovací otvory (3) trysek se při vý-robě vyhlubují elektroerozivním vrtáním. Při vyhlubování se odpařuje kov v důsledku vy-soké teploty při jiskrovém výboji mezi elek-trodou a obrobkem. S přesně vyrobenými elektrodami a přesným nastavením parame-trů lze vyrábět velmi přesné vývrty o průměru 0,12 mm. Nejmenší průměr vstřikovacího ot-voru je tak jen dvakrát větší než průměr lid-ského vlasu (0,06 mm). K dosažení lepšího chování při vstřiku se náběhové hrany vstři-kovacích otvorů zaoblují proudovým brouše-ním speciální kapalinou (hydroerozivní obrá-bění).

Nepatrné tolerance vyžadují speciální, vysoce

přesné měřicí metody, jakými jsou například:optický souřadnicový 3D měřicí stroj ▶

k proměřování vstřikovacích otvorů nebolaserová interferometrie k měření rovin- ▶

nosti těsnicí plochy trysky.

Výroba komponentů vstřikování vznětových motorů tedy představuje špičkovou technolo-gii („hightech“) ve velkosériové výrobě.

▼ Zde záleží na přesnosti

2

3

1

NM

K17

09-2

Y

Vstřikování vznětového motoru je technikou vysoké přesnosti 113

1 Těsnicí plocha tě-

lesa trysky

2 Vůle ve vedení mezi

jehlou trysky a těle-

sem trysky

3 Vstřikovací otvor

1 Poloha otvorové trysky ve spalovacím prostoru

g

d

1

2

3

UM

K14

02-2

Y

Obrázek 1

1 Držák trysky nebo

vstřikovač

2 Těsnicí podložka

3 Otvorová trysky

g Sklon

d Úhel vstřikovacího

kuželu

Otvorové trysky

PoužitíOtvorové trysky se používají u motorů, které pracují s přímým vstřikováním (Di-rect Injection, DI). Montážní poloha je vět-šinou dána konstrukcí motoru. Vstřikovací otvory umístěné pod různými úhly musí být vhodně orientovány vůči spalovacímu prostoru (obrázek 1). Otvorové trysky se dělí na

trysky se slepým vývrtem a ▶

trysky s otvory do sedla. ▶

Kromě toho se rozdělují otvorové trysky podle konstrukční velikosti na:

Typ P s průměrem jehly 4 mm (trysky se ▶

slepým vývrtem a s otvory do sedla) neboTyp S s průměrem jehly 5 mm a 6 mm ▶

(trysky se slepým vývrtem pro velké motory).

U vstřikovacího systému sdružených vstřiko-vačů (UI) a Common Rail (CR) jsou otvorové trysky integrovány ve vstřikovačích. Vstřiko-vače tak přebírají funkci držáku trysky.

Otvírací tlak otvorových trysek leží mezi 150…350 bary.

KonstrukceVstřikovací otvory (obrázek 2, pozice 6) jsou na plášti špičky trysky (7). Počet a průměr otvorů závisí na

požadovaném vstřikovaném množství, ▶

tvaru spalovacího prostoru a ▶

víru vzduchu ve spalovacím prostoru. ▶

Průměr vstřikovacích otvorů na vnitřní straně je o něco větší než na vnější straně. Tento rozdíl je definován faktorem k. Ná-běhové hrany vstřikovacích otvorů mohou být zaobleny hydroerozivním obráběním. Na místech, kde se vyskytují vysoké rych-losti proudění (náběh otvoru trysky), jsou abrazivními částicemi, obsaženými v hyd-roerozivní tekutině, zaoblovány hrany. Hydroerozivní obrábění lze použít jak pro trysky se slepým vývrtem tak pro trysky s otvory do sedla. Cílem při tom je,

optimalizovat součinitel proudění, ▶

předejít opotřebení hran, způsobenému ▶

abrazivními částicemi v palivu,zúžit tolerance průtoku. ▶

Trysky musejí být pečlivě přizpůsobeny daným poměrům v motoru. Konstrukce trysky spolurozhoduje o

dávkovaném vstřikování (doba vstřiku ▶

a vstřikované množství na stupeň úhlu otočení klikového hřídele),přípravě paliva (počet paprsků, tvar pa- ▶

prsku a rozprášení paprsku paliva),rozdělení paliva ve spalovacím prostoru ▶

a rovněžutěsnění vůči spalovacímu prostoru. ▶

Tlaková komora (10) se vytváří elektroche-mickým obráběním kovu (ECM). Při něm se do navrtaného tělesa trysky zavede elektroda, která je proplachována elektro-lytem. Z elektricky kladně nabitého tělesa trysky je ubírán materiál (anodové roz-pouštění, rozklad).

114 | Vstřikovací trysky | Otvorové trysky

2 Tryska se slepým vývrtem

7

1

2

3

4

5 8

10

11

13

14

FF

FD

12

6

10 m

m

9

3 Označení částí u špičky trysky s válcovitým slepým vývrtem a zakulacenou špičkou

1

3

4

2

12

11

10

9

8

7

5

6

NMK1650-3Y

SM

K14

03-4

Y

ProvedeníPalivo v prostoru pod sedlem jehly trysky se po spalování odpařuje a výrazně tak přispívá k emisím uhlovodíků, produkova-ných motorem. Proto je důležité, aby tento objem (zbytkový nebo škodlivý objem) byl co možná nejmenší.

Kromě toho má geometrie sedla jehly a tvar špičky trysky rozhodující vliv na chování trysky při otvírání a zavírání. To má vliv na emise sazí a NOx motoru.

Zohlednění těchto faktorů – podle poža-davků motoru a vstřikovacího systému – vedlo k různým provedením trysek.

V zásadě existují dvě provedení:trysky se slepým vývrtem ▶

trysky s otvory do sedla. ▶

U trysek se slepým vývrtem jsou použí-vány různé varianty.

Tryska se slepým vývrtemVstřikovací otvory trysky se slepým vývr-tem (obrázek 2, pozice 6) jsou umístěny po obvodu slepého vývrtu.

U zakulacené špičky se vstřikovací ot-vory vrtají dle konstrukce mechanicky nebo elektrickým úběrem částic (elektroe-rozivně).

Trysky se slepým vývrtem s kuželovitou špičkou se vrtají elektroerozivně.

Trysky se slepým vývrtem jsou k dispo-zici s válcovitým a kuželovitým slepým vý-vrtem v různých rozměrech.

Tryska s kuželovitým slepým vývrtem a zakulacenou špičkou (obrázek 3), sklá-dající se z válcovité části a části tvaru polo-koule, má velkou konstrukční volnost co se týká počtu otvorů, délky otvorů a úhlu vstřikovacího kuželu. Špička trysky má tvar polokoule a tím zajišťuje – společně s tvarem slepého vývrtu – rovnoměrnou délku otvorů.

Vstřikovací trysky | Otvorové trysky | 115

Obrázek 2

1 Plocha dorazu

zdvihu

2 Aretační otvor

3 Tlakový kužel

4 Dvojité vedení jehly

5 Dřík jehly


7 Špička trysky

8 Dřík tělesa trysky

9 Osazení tělesa

trysky

10 Tlaková komora

11 Přívodní vrtaný

otvor

12 Vedení jehly

13 Pás tělesa trysky

14 Těsnicí plocha

FF Síla pružiny

FD Síla na tlakový

kužel, vznikající

působením tlaku

paliva

Obrázek 3

1 Usazovací hrana

2 Náběh sedla

3 Sedlo jehly

4 Špička jehly


6 Zakulacená špička

7 Válcovitý slepý

vývrt (zbytkový ob-

jem)

8 Náběh vstřikova-

cího otvoru

9 Poloměr hrdla

10 Kužel špičky trysky

11 Sedlo tělesa trysky

12 Tlumicí kužel

4 Špičky trysek

1

a

b

c

d

2

3

4

25

NM

K18

58Y

Tryska s válcovitým slepým vývrtem a ku-želovitou špičkou (obrázek 4a) existuje jen pro délky otvoru 0,6 mm. Kuželovitý tvar špičky zvyšuje pevnost špičky díky větší tloušťce stěny mezi poloměrem hrdla (3) a sedlem tělesa trysky (4).

Tryska s kuželovitým slepým vývrtem a kuželovitou špičkou (obrázek 4b) má menší zbytkový objem než tryska s válco-vitým slepým vývrtem. Svým objemem sle-pého vývrtu se řadí mezi trysku s otvory do sedla a trysku s válcovitým slepým vý-vrtem. Aby byla dosažena rovnoměrná tloušťka stěny špičky, má špička kuželo-vité provedení odpovídající slepému vý-vrtu.

Dalším vývojem trysky se slepým vývrtem je tryska s miniaturním slepým vývrtem (obrázek 4c). Objem jejího slepého vývrtu je o 30% zmenšen oproti běžné trysce se slepým vývrtem. Tato tryska se hodí ob-zvláště pro systémy Common Rail, které pracují s relativně pomalým zdvihem jehly a v důsledku toho s poměrně dlouhým škr-cením v sedle při otvírání. Tryska s minia-turním slepým vývrtem představuje v sou-časné době nejlepší kompromis mezi ma-lým zbytkovým objemem a rovnoměrným rozdělením paprsku při otvírání.

Tryska s otvory do sedlaAby se minimalizoval zbytkový objem – a tím i emise uhlovodíků (HC), je začátek vstřikovacího otvoru v sedle tělesa trysky. Při uzavřené trysce jehla trysky zcela za-krývá začátek vstřikovacího otvoru, takže není přímé spojení mezi slepým vývrtem a spalovacím prostorem (obrázek 4d). Ob-jem slepého vývrtu je oproti trysce se sle-pým vývrtem výrazně zmenšen. Trysky s otvory do sedla mají oproti tryskám se slepým vývrtem značně nižší mez zatížení a mohou proto být vyráběny jen s délkou otvoru 1 mm. Tvar špičky je kuželovitý. Vstřikovací otvory jsou vrtány elektroero-zivně.

Zvláštní geometrie vstřikovacího otvoru, dvojité vedení jehly trysky nebo kom-plexní geometrie špičky jehly ještě dále zlepšují rozdělení paprsku a tím tvorbu směsi u trysek se slepým vývrtem a trysek s otvory do sedla.

116 | Vstřikovací trysky | Otvorové trysky

Obrázek 4

a válcovitý slepý

vývrt a kuželovitá

špička

b kuželovitý slepý

vývrt a kuželovitá

špička

c miniaturní slepý

vývrt

d tryska s otvory

do sedla

1 Válcovitý slepý

vývrt

2 Kuželovitá špička

3 Poloměr hrdla

4 Sedlo tělesa

trysky

5 Kuželovitý slepý

vývrt

5 Rozhodující místa geometrie trysky

13

2

6 Vysokorychlostní záznam průběhu vstřiku otvorové trysky osobního vozu

Zdv

ih je

hly

Čas

0,25

mm

2ms

NM

K18

59Y

NM

K18

60Y

Tepelná ochranaU otvorových trysek leží horní teplotní hranice na 300 °C (tepelná odolnost mate-riálu). Pro zvlášť náročné aplikace jsou k dispozici tepelně ochranná pouzdra nebo pro větší motory dokonce chlazené vstřikovací trysky.

Vliv na emiseGeometrie trysky má přímý vliv na emise škodlivin motoru:

Geometrie vstřikovacího otvoru (obrá- ▶

zek 5, pozice 1) ovlivňuje emise pevných částic a NOx.Geometrie sedla (2) svým působením na ▶

pilotní množství – tzn. množství paliva na začátku vstřikování – ovlivňuje hluk motoru. Cílem optimalizace vstřikova-cího otvoru a geometrie sedla je dosáh-nout robustním návrhem se způsobilým výrobním postupem co možná nejmen-ších tolerancí.Geometrie slepého vývrtu (3) ovlivňuje, ▶

jak již bylo zmíněno dříve, emise uhlo-vodíků (HC). Ze „stavebnice trysek“ může konstruktér zvolit optimální vari-antu specifickou pro dané vozidlo.

Proto je důležité, aby byly trysky přesně přizpůsobeny vozidlu, motoru a vstřikova-címu systému. V případě oprav vozidla se smí používat jen originální náhradní díly, aby nedošlo ke zhoršení výkonu a emisí škodlivin motoru.

Tvary paprskuPrincipielně je vstřikovací paprsek pro motory osobních vozidel dlouhý a úzký, neboť tyto motory vytvářejí silný vír ve spalovacím prostoru. U motorů užitkových vozidel dochází k velmi malému víření. Proto je paprsek krátký a „baňatý“. Vstři-kovací paprsky se nesmějí ani při velkém víření navzájem stýkat, jinak by se palivo vstřikovalo do oblastí, v nichž již probíhá spalování a tím v nich panuje nedostatek vzduchu. To by vedlo k silné tvorbě sazí.

Otvorové trysky mají až šest (osobní vozy) respektive deset otvorů (užitkové vozy). Cílem vývoje do budoucna je ještě dále zvětšit počet otvorů a zmenšit jejich průměr (< 0,12 mm), aby se dosáhlo ještě jemnějšího rozdělení paliva.

Vstřikovací trysky | Otvorové trysky | 117

Obrázek 5

1 Geometrie vstřiko-

vacího otvoru

2 Geometrie sedla

3 Geometrie slepého

vývrtu

1 Princip montáže vstřikovače na příkladu motoru s přímým vstřikováním

4

5

6

2

310

1

11

9

8

7

2 Typový vzorec držáků trysek Bosch

K B A L Z 105 S V XX…

K

B C D

Držák trysky

LBez písmene

VBez písmene

Dlouhý pás trysky = krátký pás trysky

Pokusný držák = sériový držák

P S

Tryska (pás Ø 14,3 mm)Tryska (pás Ø 17 mm)

Montážní délka (mm)

ZBez písmene

Dva přívodní vrtané otvory = jeden přívodní vrtaný otvor

A E N

Dole umístěná pružinaDržák Ø 17 mm (tryska P), Ø 25 mm (tryska S)Dole umístěná pružinaDržák Ø 21 mm (tryska P a S)Dole umístěná pružinaDržák Ø 17/21 mm (tryska P)

Upev. přírubou nebo upínacím třmenemZávit na upínací matici tryskypro našroubováníPřevlečný šroub

Číslo data dodávkyvzorek: posledních 7 číslic

číselného označení

Držáky trysek spolu s příslušnými vstřiko-vacími tryskami tvoří vstřikovače (v ně-mecké literatuře se používá termín Dü-senhalterkombination – DHK, „kombinace držáku trysky“, v dalším textu však bude používán výhradně termín vstřikovač). Pro každý válec motoru je v hlavě válců zabudován jeden vstřikovač (obrázek 1). Vstřikovače jsou důležitou součástí vstři-kovacího systému a podstatným způsobem ovlivňují výkon motoru, emisní chování a hlučnost motoru. Aby optimálně plnily svoje úkoly, musejí být přizpůsobeny mo-toru použitím různých provedení.

Přehled

Vstřikovací tryska (4) v držáku trysky vstřikuje palivo do spalovacího prostoru (6) vznětového motoru. Držák trysky obsa-huje následující důležité prvky:

Tlačná ▶ (é) pružina(y) (9): Opírají se o jehlu trysky a zavírají tak vstřikovací trysku.Upínací matice trysky ▶ (8):Drží a vystřeďuje vstřikovací trysku.Filtr ▶ (11): Zachycuje nečistoty.Přípojky pro přívod paliva ▶ a zpětné ve-dení tvoří prostřednictvím tlakového ka-nálu (10) spojení s palivovými potrubími.

Držáky trysek

118 | Držáky trysek | Přehledt

UM

K17

19-1

YS

MK

1831

D

Kromě toho držák trysky podle provedení obsahuje těsnění a distanční podložky. Standardizované rozměry a konstrukční skupiny dovolují potřebnou flexibilitu s minimem variant jednotlivých dílů.

Obrázek 1

1 Přívod paliva

2 Těleso držáku


vedení


5 Těsnicí podložka


vznětového motoru

7 Hlava válců

8 Upínací matice

trysky

9 Tlačná pružina

10 Tlakový kanál

11 Filtr

Obrázek 2

Toto číslo je vyraženo

na držáku trysky

a umožňuje přesnou

identifikaci držáku

trysky.

3 Příklad vstřikovačů

a b c d e f g h i j2 cm

Konstrukce držáku trysky je principielně stejná pro motory s přímým (DI) nebo ne-přímým (IDI) vstřikováním. Jelikož dnes se vyvíjejí téměř výhradně motory s přímým vstřikováním, jsou zde představovány pře-devším vstřikovače pro motory s přímým vstřikem. Popisy platí ale též pro motory s nepřímým vstřikováním, u nichž se po-tom používají čepové trysky místo otvoro-vých trysek.

Držáky trysek lze kombinovat s různými tryskami. Podle požadavků na průběh vstřiku jsou k dispozici

Standardní držáky trysek ▶ (jednopruži-nové držáky trysek) aDvoupružinové držáky trysek (nikoliv ▶

u sdružených vstřikovacích systemů).

Jednou z variant těchto provedení je stupňovitý držák, který je obzvláště vhodný pro těsné prostory.

Držáky trysek se používají v závislosti na vstřikovacím systému se snímačem nebo bez snímače pohybu jehly. Snímač pohybu jehly hlásí řídicí jednotce motoru přesný počátek vstřiku.

Držáky trysek mohou být upevněny k hlavě válců pomocí přírub, upínacích tř-menů, převlečných matic a závitu pro na-šroubování. Tlakový přívod je umístěn centrálně nebo bočně.

Palivo, které prosakuje okolo jehly trysky, slouží k mazání. U mnoha variant držáků trysek je vedením uniklého paliva (zpětným vedením) odváděno zpět do pali-vové nádrže.

Některé držáky trysek pracují bez úniku paliva – tedy bez odpovídajícího zpětného vedení. Palivo v pružinové komoře při vel-kých vstřikovaných množstvích a otáčkách tlumí zdvih jehly, takže vzniká podobný průběh vstřiku jako u dvoupružinového držáku trysky.

U vysokotlakých vstřikovacích systémů Common Rail a sdružených vstřikovačů (UI, Unit Injector, nazývaných též jednotka čerpadlo - tryska) je tryska integrována ve vstřikovači. Držák trysky není u těchto systémů potřeba.

Pro velké motory s výkonem přes 75 kW na válec existují specifické vstřikovače s chlazením a bez chlazení.

Držáky trysek | Přehled | 119

Obrázek 3

a Stupňovitý držák

trysky pro užitkové

vozy

b Standardní držák

trysky pro různé

motory

c Dvoupružinový

držák trysky pro

osobní vozy

d Standardní držák

trysky pro různé

motory

e Stupňovitý držák

trysky bez přípojky

zpětného vedení

uniklého paliva pro

užitkové vozy

f Stupňovitý držák

trysky pro užitkové

vozy

g Stupňovitý držák

trysky pro různé

motory

h Dvoupružinový

držák trysky pro

osobní vozy

i Stupňovitý držák

trysky pro různé

motory

j Standardní držák

trysky s čepovou

tryskou pro různé

motory s nepřímým

vstřikováním IDI

1 Snižování emisí pomocí řízené úpravy spalin (příklad osobního vozu se systémem Common Rail)

A

B

1

2

7

34

5 6

8

9

10

10

11

11

Luftmanagement

Abgasmanagement

UM

A00

72Y

Dosud bylo snižování emisí vznětových motorů prováděno převážně opatřeními uvnitř samotného motoru. U mnoha vznětových vozidel však budou emise vy-cházející z motoru (surové, neupravené emise) překračovat budoucí mezní emisní hodnoty platné v Evropě, USA a Japonsku. Potřebný vysoký stupeň re-dukce emisí lze pravděpodobně dosáh-nout jen účinnou kombinací opatření uvnitř a vně motoru. Analogicky k osvěd-čeným metodám používaným u benzíno-vých vozidel se proto také pro vozy se vznětovými motory intenzivně vyvíjejí systémy pro dodatečnou úpravu spalin (snižování emisí poté, co opustí motor).

Pro benzínová vozidla byl v 80. letech 20. století zaveden třícestný katalyzátor, který oxidy dusíku (NOx) s uhlovodíky (HC) a oxidem uhelnatým (CO) redukuje na du-sík. Třícestný katalyzátor se provozuje se součinitelem l = 1.

Pro vznětové motory pracující s přebyt-kem vzduchu nelze použít třícestný kataly-zátor pro redukci NOx, neboť v chudých spalinách vznětového motoru uhlovodíky (HC) a oxid uhelnatý (CO) v katalyzátoru

přednostně reagují se zbytkovým kyslíkem ze spalin a nikoliv s NOx.

Odstranění emisí HC a CO ze spalin vzně-tového motoru lze provádět srovnatelně jednoduše pomocí oxidačního katalyzá-toru, kdežto odstraňování dusíku v přítom-nosti kyslíku je nákladnější. Principielně je možné zbavit se dusíku pomocí zásobníko-vého katalyzátoru NOx nebo katalyzátoru SCR (Selective Catalytic Reduction, selek-tivní katalytická redukce)

Vnitřní tvorbou směsi u vznětového mo-toru vznikají výrazně vyšší emise sazí než u motoru zážehového. Aktuální tendencí u osobních vozidel je odstraňovat emise sazí následnou úpravou spalin vycházejí-cích z motoru pomocí filtru pevných částic a opatření prováděná uvnitř motoru sou-středit především na snižování NOx a hluku motoru. U užitkových vozidel se zpravidla dává přednost snižování emisí NOx pomocí následné úpravy spalin vycházejících z mo-toru s využitím systému SCR.

Dodatečná úprava spalin

Obrázek 1

A: Regulace DPF (filtr

pevných částic)

B: Regulace DPF

a NSC (filtr pev-

ných částic a zá-

sobníkový kataly-

zátor NOx), použití

jen pro užitková

vozidla


toru

2 Měřič hmotnosti

nasávaného vzdu-

chu (HFM)

3 Vstřikovač

4 Rail

5 Vysokotlaké

čerpadlo

6 Plynový pedál

7 Turbodmychadlo

8 Oxidační katalyzá-

tor pro vznětový

motor

9 Zásobníkový kataly-

zátor NOx


11 Tlumič výfuku

120 | Dodatečná úprava spalin

2 Snižování emisí pomocí řízené úpravy spalin (příklad osobního vozu se systémem Common Rail)

54 7

8

12 3 6

SM

A00

44-2

Y

Zásobníkový katalyzátor NOx

Zásobníkový katalyzátor NOx (NSC: NOx Storage Catalyst) odstraňuje oxidy dusíku ve dvou krocích:

Fáze ukládání: kontinuální ukládání NO ▶ x do akumulačních složek katalyzátoru při chudých spalinách.Regenerace: periodické uvolňování NO ▶ x a konverze (přeměna) při bohatých spa-linách.

Fáze ukládání trvá v závislosti na provoz-ním bodě 30…300 s, regenerace zásobníku se provádí za 2…10 s.

Ukládání NOxZásobníkový katalyzátor NOx je potažen chemickými sloučeninami, které mají velký sklon tvořit s NO2 pevnou, ale che-micky vratnou sloučeninu. Příkladem toho jsou oxidy a uhličitany alkalických kovů a kovů alkalických zemin, přičemž vzhle-dem k teplotnímu chování je používán pře-vážně dusičnan barnatý.

Protože lze ukládat jen NO2, ale nikoliv přímo NO, jsou podíly NO ve spalinách okysličovány na NO2 na povrchu platino-

vého povlaku v předřazeném nebo inte-grovaném oxidačním katalyzátoru. Tato reakce probíhá vícestupňově, protože bě-hem ukládání se koncentrace volného NO2 ve spalinách snižuje a pak je další NO okysličován na NO2.

V zásobníkovém katalyzátoru NOx rea-guje NO2 se sloučeninami povrchu kataly-zátoru (např. uhličitan barnatý BaCO3 jako akumulační materiál) a kyslík (O2) z chu-dých spalin vznětového motoru na dusič-nany:

BaCO3 + 2 NO2 +1/2 O2 = Ba(NO3)2 + CO2.

Zásobníkový katalyzátor NOx tak ukládá oxidy dusíku. Ukládání je optimální jen v teplotním intervalu spalin mezi 250 a 450 °C, závislém na materiálu. Při nižší teplotě je okysličování NO na NO2 velmi pomalé, při vyšší teplotě není NO2 stabilní. Zásobníkové katalyzátory však mají i v ob-lasti nízkých teplot malou akumulační schopnost (povrchové ukládání), která stačí k tomu, aby se oxidy dusíku, vznika-jící při startování v rozsahu nízkých teplot, ukládaly v dostatečné míře.

Obrázek 2

1 Vznětový motor

2 Ohřev spalin (voli-

telně)


tor

4 Snímač teploty

5 Širokopásmová

lambda sonda

6 Zásobníkový kataly-

zátor NOx

7 Snímač NOx


toru

Dodatečná úprava spalin | Zásobníkový katalyzátor NOx | 121

S přibývajícím množstvím uložených oxidů dusíku (ukládání) klesá schopnost katalyzátoru dále vázat oxidy dusíku. Proto s přibývajícím časem stoupá množ-ství oxidů dusíku, které procházejí kataly-zátorem. Jsou dvě možnosti jak zjistit, kdy je katalyzátor natolik naplněn, že musí být ukončena fáze ukládání

metoda s podporou matematického mo- ▶

delu počítá při zohlednění stavu kataly-zátoru množství uložených oxidů dusíku a z toho zbývající schopnost ukládáníSnímač NO ▶ x za zásobníkovým katalyzá-torem NOx měří koncentraci oxidů du-síku ve spalinách a určuje tak aktuální stupeň naplnění.

Uvolňování a konverze (přeměna) NOx

Na konci fáze ukládání se katalyzátor musí regenerovat, tzn. uložené oxidy dusíku se musí z akumulační složky katalyzátoru od-stranit a přeměnit na dusík (N2) a kysličník uhličitý (CO2). Procesy uvolňování a pře-měny NOx probíhají odděleně. K tomu musí být ve spalinách nastaven nedostatek vzduchu (bohaté, l < 1). Jako redukční prostředek slouží CO, H2 a různé uhlovo-díky. Uvolňování – v následujícím čase představované kysličníkem uhelnatým CO jakožto redukčním prostředkem – se děje tím způsobem, že CO redukuje dusičnan (např. dusičnan barnatý Ba(NO3)2) na N2 a spolu s bariem tvoří opět uhličitan:

Ba(NO3)2+3 CO → BaCO3+2 NO + 2 CO2

Při tom vznikají CO2 a NO. Povlak rhodia redukuje následně oxidy dusíku prostřed-nictvím CO na N2 a CO2:

2 NO + 2 CO → N2 + 2 CO2

Jsou dvě metody, jak zjistit konec fáze uvolňování:

Metoda s podporou matematického mo- ▶

delu vypočítává množství oxidů dusíku, které jsou ještě přítomny v zásobníko-vém katalyzátoru NOx. Lambda sonda za katalyzátorem měří ▶

přebytek kyslíku ve spalinách a vyka-zuje změnu napětí z „chudé“ na „boha-tou“, když je uvolňování ukončeno.

U vznětových motorů lze nastavit bohaté provozní podmínky (l < 1) mimo jiné po-mocí pozdního vstřiku a škrcením nasáva-ného vzduchu. Motor pracuje během této fáze s horší účinností. Aby byl udržen nízký nárůst spotřeby paliva, měla by být fáze regenerace co nejkratší v poměru k fázi ukládání. Při přepnutí z chudého na bohatý provoz je třeba zajistit neomezené jízdní vlastnosti a rovněž stálost točivého momentu, reakčních vlastností a hluku.

Odsulfátování (odstranění síranu)Problémem zásobníkových katalyzátorů je jejich citlivost na síru. Sloučeniny síry, ob-sažené v palivu a mazacím oleji, oxidují na kysličník siřičitý (SO2). Povlaky použité v katalyzátoru pro tvorbu dusičnanů (BaCO3) však mají velmi vysokou afinitu (slučivost) na síran, tzn., že se SO2 ještě účinněji než NOx odstraňuje ze spalin a tvořením síranu se váže v akumulačním materiálu. Síranová vazba se při normální regeneraci zásobníku nerozděluje, takže množství uloženého síranu se během doby provozu nepřetržitě zvyšuje. Proto je k dispozici čím dál méně úložných míst pro ukládání NOx a slábne přeměna NOx. Aby byla zajištěna dostatečná schopnost ukládání NOx, musí se proto pravidelně provádět odsulfátování (regenerace síry). Při obsahu síry 10 mg/kg paliva („palivo bez síry“) je tato regenerace nutná po ujetí cca. 5 000 km.

122 | Dodatečná úprava spalin | Zásobníkový katalyzátor NOx

K odsulfátování se katalyzátor na dobu více než 5 minut zahřívá na teplotu přes 650 °C a ostřikuje bohatými spalinami (l < 1). Ke zvýšení teploty se mohou použít stejná opatření jako k regeneraci filtru pevných částic (DPF). Na rozdíl od regene-race filtru pevných částic se však řízením spalování usiluje o dokonalé odstranění O2 ze spalin. Za těchto podmínek se síran bar-natý přeměňuje opět na uhličitan barnatý.

Při odsulfátování je nutné volbou vhod-ného řízení procesu (např. součinitel l os-cilující okolo hodnoty 1) dbát na to, aby se uvolňující se SO2 neredukoval kvůli trva-lému nedostatku zbytkového kyslíku (O2) na sirovodík (H2S). H2S je již při velmi níz-kých koncentracích prudce jedovatý a kvůli svému intenzivnímu zápachu roz-poznatelný.

Podmínky nastavené při odsulfátování musejí být kromě toho zvoleny tak, aby se nadměrně nezvýšilo stárnutí katalyzátoru. Vysoké teploty (> 750 °C) sice urychlují od-sulfátování, ale způsobují též zesílené stár-nutí katalyzátoru. Odsulfátování optimali-zované pro katalyzátor proto musí probí-hat v ohraničeném teplotním okně a ohraničeném okně součinitele přebytku vzduchu (l) a nesmí nijak významně naru-šit jízdní provoz.

Vysoký obsah síry v palivu vede kvůli potřebné četnosti procesu odsulfátování k zesílenému stárnutí katalyzátoru a zvý-šené spotřebě paliva. Nasazení zásobníko-vých katalyzátorů proto předpokládá ploš-nou dostupnost paliva bez síry.

Selektivní katalytická redukce oxidů dusíku

PřehledSelektivní katalytická redukce (metoda SCR: Selective Catalytic Reduction) na roz-díl od metody NSC (zásobníkový katalyzá-tor NOx) pracuje kontinuálně a nezasahuje do provozu motoru. Tato metoda je v sou-časné době sériové zaváděna u užitkových vozů. Nabízí možnost zajistit nízké emise NOx současně s nízkou spotřebou paliva. Naproti tomu uvolňování a přeměna NOx u metody NSC způsobuje zvýšenou spo-třebu paliva.

U velkých topenišť se selektivní kataly-tická redukce pro odstranění dusíku ze spalin již osvědčila. Spočívá v tom, že vy-braný redukční prostředek v přítomnosti kyslíku selektivně redukuje oxidy dusíku (NOx). Selektivně přitom znamená, že oxi-dace redukčního prostředku přednostně (selektivně) probíhá s kyslíkem z oxidu dusíku a nikoliv s molekulárním kyslíkem, jehož je ve spalinách podstatně více. Čpa-vek (amoniak, NH3) se přitom osvědčil jako redukční prostředek s nejvyšší selektivi-tou.

Pro provoz ve vozidle by se musela uklá-dat množství NH3, která vzhledem k toxi-citě (jedovatosti) jsou povážlivá z pohledu bezpečnostně-technického. NH3 však lze vyrobit z nejedovatých nosných substancí jako močovina nebo karbaminan amonný. Jako nosná substance se osvědčila močo-vina. Močovina, (NH2)2CO, se vyrábí ve velkém jako hnojivo a krmivo, snáší se se spodními vodami a je v přírodních pod-mínkách chemicky stálá. Močovina vyka-zuje velmi dobrou rozpustnost ve vodě a lze ji proto přidávat do spalin jako jedno-duše dávkovatelný roztok močoviny s vo-dou.

Dodatečná úprava spalin | Selektivní katalytická redukce oxidů dusíku | 123

1 Modulární konstrukce systému DENOXTRONIC 2

1 2 6 8 2

2

7

3

3

3 12

11

3

4

5

9 10

CAN pohonného systému

SnímačeAkční členy

CAN pro diagnostiku

UM

A00

85D

Při hmotnostní koncentraci 32,5% močo-viny ve vodě má bod tuhnutí při -11 °C své lokální minimum: tvoří se eutektikum, čímž je vyloučeno rozložení směsi v pří-padě zamrznutí.

Pro přesné dávkování redukčního pro-středku do spalin byl vyvinut systém DE-NOXTRONIC (obrázek 1). Tento systém je proveden tak, že je odolný proti zamrz-nutí. Důležité součásti lze vyhřívat, aby byla zajištěna funkce dávkování i krátce po studeném startu.

Roztok močoviny s vodou je v Německu plošně dostupný pod obchodním názvem AdBlue. Pro AdBlue existuje návrh normy DIN 70 070, který závazně určuje vlast-nosti roztoku.

Chemické reakcePřed vlastní reakcí SCR se nejprve musí z močoviny vytvořit čpavek (amoniak). To se děje ve dvou reakčních krocích, které se souhrnně označují jako hydrolýza. Nejprve

se termolýzou tvoří NH3 a kyselina iso-kyanatá:

(NH2)2CO → NH3 + HNCO (termolýza)

Následně se hydrolýzou přeměňuje kyse-lina isokyanatá s vodou na čpavek a oxid uhličitý.

HNCO + H2O → NH3 + CO2 (hydrolýza)

Aby nedošlo k pevným výměškům, je ne-zbytné, aby se druhá reakce volbou vhod-ných katalyzátorů a dostatečně vysokých teplot (od 250 °C) provedla dostatečně rychle. Moderní reaktory SCR přebírají současně funkci katalyzátoru hydrolýzy, takže (dříve obvyklý) předřadný katalyzá-tor hydrolýzy se může vynechat.

Čpavek vznikající termohydrolýzou rea-guje v katalyzátoru SCR podle následují-cích rovnic:

Obrázek 1


tor pro vznětový

motor

2 Snímač teploty

3 Vyhřívání

4 Filtr

5 Čerpací modul DE-

NOX 2

6 Dávkovací modul

AdBlue

7 Řídicí jednotka dáv-

kování

8 Katalyzátor SCR

9 Snímač NOx

10 Blokovací katalyzá-

tor proti úniku NH3

11 Nádrž AdBlue

12 Snímač hladiny Ad-

Blue

124 | Dodatečná úprava spalin | Selektivní katalytická redukce oxidů dusíku

2 Porovnání emisí NOx v evropském krátkodobém jízdním cyklu (ETC) a únik NH3 za katalyzátorem SCR

0

NH

3 / p

pm

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 s Čas

50

NO

x / p

pm

0

500

1000

1500

2000

SM

A00

51-1

D

4 NO + 4 NH3 + O2 → 4 N2 + 6H2O (rovnice 1)

NO + NO2 + 2 NH3 → 2 N2 + 3 H2O (rovnice 2)

6 NO2 + 8 NH3 → 7 N2 + 12 H2O (rovnice 3)

Při nízkých teplotách (< 300 °C) probíhá přeměna převážně prostřednictvím reakce 2. Pro dobrou přeměnu při nízké teplotě je proto nutné nastavit poměr NO2:NO na asi 1:1. Za těchto okolností se může reakce 2 uskutečňovat již při teplotách od 170 … 200 °C.

Okysličování NO na NOx nastává v před-řadném oxidačním katalyzátoru, který je proto důležitý pro optimální účinnost.

Dávkuje-li se více redukčního prostředku, než se přeměňuje při redukci s NOx, může dojít k nežádoucímu úniku („proklouz-nutí“) NH3. NH3 je plynného skupenství a má velmi nízký práh zápachu (15 ppm), takže by mohlo dojít k zatížení životního prostředí, jemuž je třeba se vyhnout. Od-stranění NH3 lze dosáhnout přídavným oxidačním katalyzátorem za katalyzátorem SCR. Tento blokovací katalyzátor okysli-čuje čpavek, který se případně vyskytne ve spalinách, na N2 a H2O. Kromě toho je nutná pečlivá aplikace dávkování AdBlue.

Důležitou veličinou pro aplikaci je tzv. „dávkovací“ poměr α, definovaný jako mo-lární poměr dávkovaného NH3 ku NOx ve spalinách. Při ideálních provozních pod-mínkách (žádný únik NH3, žádné vedlejší reakce, žádná oxidace NH3) je α přímo úměrný stupni redukce NOx: při α = 1 se dosahuje teoreticky 100% redukce NOx. V praktickém použití lze při úniku NH3 < 20 ppm docílit 90% redukce NOx ve stacio-nárním a nestacionárním provozu. Množ-ství AdBlue, které je k tomu potřeba, odpo-vídá asi 5% množství použitého paliva vznětového motoru.

Potřeba redukčního prostředku závisí na specifických emisích NOx (gNOx/kgpaliva). S touto metodou SCR lze přidáním AdBlue kompenzovat vyšší emise NOx v surových (neupravených) spalinách, které vznikají při metodách spalování, optimalizovaných s ohledem na účinnost.

Předřadnou hydrolýzou se u dnešních ka-talyzátorů SCR dosahuje přeměna NOx > 50% až při teplotách nad cca. 250 °C, optimální míry přeměny se dosahuje v tep-lotním okně 250…450 °C. Zvětšení pracov-ního rozsahu teplot a zvláště zlepšená níz-koteplotní aktivita jsou cílem současného výzkumu katalyzátorů.

Dodatečná úprava spalin | Selektivní katalytická redukce oxidů dusíku | 125

Obrázek 2

Horní diagram:

— bez přimíchání

roztoku močoviny

s vodou:

10,9 g/kWh

—— s přimícháním

32,5%-ního roztoku

močoviny s vodou:

1,0 g/kWh

1 Keramický filtr pevných částic

1 2 3 4 5

UM

A00

62-1

Y

2 Provedení keramického filtru pevných částic

a

b

UM

A00

71Y

Filtr pevných částic DPF

Částice sazí, vytvářené vznětovým moto-rem, lze účinně odstranit ze spalin pomocí filtru pevných částic (DPF). Filtry pevných částic, dosud používané u osobních vozi-del, se skládají z pórovitých keramických materiálů.

Uzavřené filtry pevných částicKeramické filtry pevných částic se v pod-statě skládají z voštinového tělesa z kar-bidu křemičitého nebo cordieritu, vykazu-jícího velký počet paralelních, většinou čtvercových, kanálů. Tloušťka stěny ka-nálu je typicky 300…400 μm. Velikost ka-nálů je udávána údajem hustoty buněk (channels per square inch, cpsi, počet ka-nálů na čtvereční palec)(typická hodnota: 100…300 cpsi

Sousední kanály jsou na protilehlých stranách uzavřeny keramickými zátkami, takže spaliny musí procházet porézními keramickými stěnami. Při průchodu stě-nami jsou částice sazí nejprve přenášeny difuzí k porézním stěnám (uvnitř keramic-kých stěn), kde ulpívají (hloubková fil-trace). S přibývajícím plněním filtru sa-zemi se i na povrchu stěn kanálů (na straně obrácené ke vstupním kanálům) tvoří vrstva sazí, která nejprve způsobuje velmi účinnou povrchovou filtraci pro následu-

jící provozní fázi. Nadměrnému plnění je však třeba zabránit (viz odstavec „regene-race“).

Na rozdíl od hloubkové filtrace ukládají filtry Wall-Flow (filtry s prouděním po stěně) částice v podstatě na povrchu kera-mických stěn (povrchová filtrace).

Vedle filtrů se symetrickým uspořádáním čtvercových vstupních a výstupních ka-nálů jsou nyní nabízeny také keramické „octosquaresubstrate“ (obrázek 2). Mají větší osmiúhlé vstupní kanály a menší čtvercové výstupní kanály. Velkými vstup-ními kanály lze značně zvýšit akumulační schopnost filtru pevných částic pro popel, nehořlavé zbytky ze spáleného motoro-vého oleje a také popel z aditiv (viz odsta-vec „Systém aditiva“).

Keramické filtry dosahují stupeň zachy-cení více než 95 % pro částice celého rele-vantního spektra velikostí (10 nm…1 μm). U těchto uzavřených filtrů pevných částic procházejí veškeré spaliny porézními stě-nami.

Obrázek 1

1 Vstupující proud

spalin

2 Těleso

3 Keramické zátky

4 Voštinová keramika

5 Vystupující proud

spalin

Obrázek 2

a Čtvercový kanál – řez

b Octosquare-design

126 | Dodatečná úprava spalin | Filtr pevných částic DPF

3 Výfukový systém s oxidačním katalyzátorem a filtrem pevných částic se systémem aditiva

11

2CO + O2 → 2CO2

2NO + O2 → 2NO2

2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O

11

109

1 2

5

43

7

8

64

12

13

NM

A00

43Y

Otevřené filtry pevných částicU otevřených filtrů pevných částic je pouze část spalin vedena stěnou filtru, za-tímco zbytek proudí kolem nefiltrován. Otevřené filtry dosahují podle použití stu-peň zachycení 30…80 %.

S přibývajícím ukládáním částic roste podíl spalin, které procházejí filtrem nefil-trovaně a tudíž jej nemohou ucpat. Tím však klesá stupeň zachycení. Otevřené fil-try se používají hlavně jako dovybavovací filtry, kdy není zapotřebí řízené čištění fil-tru (regenerace viz příští odstavec). Čištění otevřených filtrů se provádí efektem CRT® (viz odstavec Systém CRT®).

RegeneraceFiltry pevných částic se musejí čas od času zbavit ulpěných částic, tzn. musejí se rege-nerovat. S přibývajícím ukládáním sazí plynule narůstá protitlak spalin. Účinnost motoru a zrychlení vozidla se zhoršují. Regenerace se musí provádět vždy po asi 500 km; v závislosti na surových emisích sazí a velikosti filtru může tato hodnota silně kolísat (cca. 300…800 km). Doba tr-vání regeneračního provozu je řádově

10…15 minut, při systému s aditivem i méně. Tato doba je kromě toho závislá na provozních podmínkách motoru.

Regenerace filtru se provádí spálením nahromaděných sazí ve filtru. Uhlovodí-kový podíl částic se při teplotě nad cca. 600 °C může okysličovat (spálit) s kyslíkem stále obsaženým ve spalinách na nejedo-vatý CO2. Takové vysoké teploty jsou jen při provozu se jmenovitým výkonem mo-toru a při normálním jízdním provozu se vyskytují velmi zřídka. Proto musejí být učiněna taková opatření, aby se snížila teplota hoření sazí a/nebo se zvýšila tep-lota spalin.

S NO2 jako oxidačním prostředkem se mohou saze okysličovat již při teplotách 300…450 °C. Tato metoda je technicky vyu-žívána v systému CRT®.

Obrázek 3

1 Řídicí jednotka adi-

tiva


toru

3 Čerpadlo aditiva

4 Snímač hladiny

5 Nádrž aditiva


aditiva

7 Palivová nádrž

8 Vznětový motor


tor


11 Snímač teploty

12 Snímač diferenč-

ního (rozdílového)

tlaku

13 Snímač sazí

Dodatečná úprava spalin | Filtr pevných částic DPF | 127

4 Systém HCI (hydro carbon injection)

276

5

3 3

8 9

10

4

1

SnímačeAkční členy

CAN pohonného systému

CAN pro diagnostiku

UM

A00

86D

Systém aditivaPřidáním aditiva – většinou sloučeniny ceru nebo železa – do paliva vznětového motoru lze snížit teplotu okysličení (spá-lení) sazí z 600 °C na cca. 450…500 °C. Avšak ani tato teplota není ve výfukovém traktu při provozu vozidla vždy dosaho-vána, takže saze se nespalují nepřetržitě. Nad určitou úrovní naplnění filtru pevných částic sazemi se proto zahajuje aktivní re-generace. K tomu účelu se řízení spalování motoru změní tak, aby se teplota spalin zvýšila na teplotu vypalování sazí. Toho lze dosáhnout např. pozdějším vstřiková-ním.

Aditivum přidané do paliva zůstává po regeneraci jako zbytek (popel) ve filtru. Tento popel, stejně jako popel ze zbytků motorového oleje nebo paliva, pozvolna zanáší filtr a zvyšuje protitlak spalin. Aby se nárůst tlaku snížil, zvětšuje se schop-nost akumulace popela u keramických fil-trů typu „octosquare“ tím, že se volí co možná největší průřezy vstupních kanálů. Proto nabízejí tyto filtry dostatečnou ka-pacitu pro všechny zbytky popela, vznika-

jící při vypalování, které se vyskytnou bě-hem normální životnosti vozidla.

U tradičního keramického filtru se vychází z toho, že se při použití regenerace na bázi aditiva musí každých cca. 120 000 km vymontovat a mechanicky vyčistit.

Filtr potažený katalytickou vrstvou (CDPF)Potažením filtru vzácnými kovy (většinou platina) lze rovněž zlepšit vypalování čás-tic sazí. Tento efekt je však menší než při použití aditiva.

Pro regeneraci jsou u filtrů CDPF nutná další opatření ke zvýšení teploty spalin, odpovídající opatřením u systému s aditi-vem. Oproti systému s aditivem má však katalytický potah tu výhodu, že se ve filtru neobjevuje žádný popel z aditiva. Potažení katalytickou vrstvou plní více funkcí:

okysličování CO a HC, ▶

okysličování NO na NO ▶ 2,okysličování CO na CO ▶ 2.

Obrázek 4

1 Palivové čerpadlo

2 Palivová nádrž

3 Snímač teploty

4 Vstřikovací modul HC


HC

6 Palivový filtr


toru


pro vznětový motor


pro vznětový motor

10 Snímač diferenčního

(rozdílového) tlaku

128 | Dodatečná úprava spalin | Filtr pevných částic DPF

Systém CRT®Motory užitkových vozidel jsou častěji než motory osobních vozů provozovány poblíž maximálního točivého momentu, tedy při poměrně vysokých emisích NOx. U užitko-vých vozidel je proto možná kontinuální regenerace filtru pevných částic na prin-cipu CRT® (Continuously Regenerating Trap).

Tento princip spočívá v tom, že saze s NO2 lze spálit již při teplotách 300…450 °C. Pro-ces funguje při těchto teplotách spoleh-livě, je-li hmotnostní poměr NO2 a sazí větší než 8:1. Pro využití metody je před filtr pevných částic zařazován oxidační ka-talyzátor, který okysličuje NO na NO2. Tím jsou zpravidla dány předpoklady pro rege-neraci podle metody CRT® u užitkových vozidel v normálním provozu. Tato metoda je označována též jako pasivní regenerace, neboť se saze kontinuálně spalují bez za-vádění aktivních opatření. Účinnost metody byla předvedena při zkouškách ve flotilách užitkových vozidel,

ale zpravidla se i u užitkových vozidel plá-nují další regenerační opatření.

U osobních vozidel, která se často pro-vozují v oblasti nízkého zatížení, nelze uskutečnit dokonalou regeneraci filtru pevných částic efektem CRT®.

Systém HCIAby se filtr pevných částic aktivně regene-roval, musí se teplota ve filtru zvýšit nad 600 °C. Lze toho dosáhnout nastaveními uvnitř motoru. U nepříznivých aplikací – např. při velké vzdálenosti mezi filtrem pevných částic a motorem – se opatření uvnitř motoru stávají velmi nákladnými. Zde se potom používá systém HCI (hydro carbon injection), u něhož se před kataly-zátorem vstřikuje respektive odpařuje pa-livo (obrázek 4, pozice 8) a v něm pak ka-talyticky shoří. Teplo vznikající při hoření se využívá k regeneraci filtru pevných čás-tic (9), umístěného za oxidačním katalyzá-torem.

Dodatečná úprava spalin | Filtr pevných částic DPF | 129

Oxidační katalyzátor pro vznětový motor

FunkceOxidační katalyzátor pro vznětový motor (Diesel Oxidation Catalyst, DOC) plní různé funkce pro dodatečnou úpravu spalin:

snižování emisí CO a HC, ▶

redukce hmotnosti částic ▶

okysličování NO na NO ▶ 2,použití jako katalytický hořák. ▶

Snižování emisí CO a HC V oxidačním katalyzátoru (DOC) se okysli-čuje kysličník uhelnatý (CO) a uhlovodíky (HC) na kysličník uhličitý (CO2) a vodní páru (H2O). Okysličování (oxidace) probíhá v oxidačním katalyzátoru (DOC) od určité hraniční teploty, označované jako teplota Light-off, téměř dokonale. Teplota Light-off leží podle složení spalin, rychlosti proudění a složení katalyzátoru v rozsahu 170…200 °C. Od této teploty stoupá pře-měna v teplotním intervalu 20…30 °C na hodnotu nad 90 %.

Redukce hmotnosti částicČástice vytvářené vznětovým motorem se skládají částečně z uhlovodíků, které při stoupajících teplotách desorbují (uvolňují se) z jader částic. Okysličováním těchto uhlovodíků v oxidačním katalyzátoru (DOC) se může o 15…30 % snížit hmotnost částic (Partikelmasse, PM).

Okysličování NO na NO2

Důležitá funkce oxidačního katalyzátoru (DOC) je oxidace (okysličování) NO na NO2. Vysoký podíl NO2 v NOx je důležitý pro řadu komponentů, zapojených za oxidač-ním katalyzátorem (filtr pevných částic, NSC, SCR).

V surových emisích vycházejících z mo-toru je podíl NO2 v NOx ve většině provoz-ních bodů jen asi 1:10. NO2 je s NO v pří-tomnosti kyslíku (O2) v teplotně závislé rovnováze. Tato rovnováha je při nízkých

teplotách (< 250 °C) na straně NO2. Nad teplotou cca. 450 °C je naopak NO termo-dynamicky upřednostňovaná složka. Úko-lem oxidačního katalyzátoru (DOC) je zvý-šit poměr NO2 : NOx při nízkých teplotách nastavením termodynamické rovnováhy. Podle toho jakými vrstvami je katalyzátor potažen a podle složení spalin se to daří od teploty 180…230 °C, takže koncentrace NO2 v tomto teplotním rozsahu silně stoupá. Jak odpovídá termodynamické rovnováze, s rostoucími teplotami koncen-trace NO2 opět klesá.

Katalytický hořákOxidační katalyzátor může být použit i jako katalytický topný prvek (katalytický hořák, katalytischer Brenner, Cat-Burner). Při tom se využívá reakční teplo, uvolňo-vané při oxidaci CO a HC, ke zvýšení tep-loty spalin za oxidačním katalyzátorem. Emise CO a HC se za tímto účelem cíleně zvyšují pozdním vstřikem do motoru nebo vstřikovacím ventilem, umístěným za mo-torem.

Katalytické hořáky se používají např. ke zvýšení teploty spalin při regeneraci filtru pevných částic.

Jako přibližná hodnota pro teplo uvolňo-vané při oxidaci platí, že za každé obje-mové % CO vzroste teplota spalin asi o 90 °C. Protože zvýšení teploty nastává velmi rychle, dosahuje se v katalyzátoru velkého teplotního gradientu. V nejnepříz-nivějším případě probíhá přeměna CO re-spektive HC a uvolňování tepla jen v přední části katalyzátoru. Namáhání ma-teriálu keramického nosiče a katalyzátoru, které v důsledku toho vzniká, omezuje pří-pustný zdvih teploty na cca. 200…250 °C.

130 | Dodatečná úprava spalin | Oxidační katalyzátor pro vznětový motor

1 Přeměna CO a HC v závislosti na teplotě katalyzátoru

SM

A00

73D

KonstrukceStrukturální konstrukceOxidační katalyzátory se skládají z nosné struktury z keramiky nebo kovu, vrstvy směsi oxidů („Washcoat“) z kysličníku hli-nitého (Al2O3), kysličníku ceričitého (CeO2) a kysličníku zirkoničitého (ZrO2) a rovněž katalyticky aktivních složek vzácných kovů platiny (Pt), paládia (Pd) a rhodia (Rh).

Primárním úkolem vrstvy směsi oxidů (Washcoat) je poskytnout velkou plochu pro vzácný kov a zpomalit spékání kataly-zátoru, vyskytující se při vysokých teplo-tách, které vede k nevratnému poklesu ak-tivity katalyzátoru. Vysoce porézní struk-tura vrstvy směsi oxidů (Washcoat) musí být stabilní vůči procesům spékání.

Množství vzácných kovů, použité pro na-nesení vrstvy, označované často též jako náklad, se udává v g/ft3. Náklad je v roz-sahu 50…90 g/ft3 (1,8…3,2 g/l). Protože chemicky aktivní jsou jen povrchové atomy, je cílem vývoje vytvářet a stabilizo-vat co možná nejmenší částice vzácných kovů (řádově několik nm), aby se tak mini-malizovalo použití vzácných kovů.

Strukturální konstrukcí katalyzátoru a vol-bou složení katalyzátoru lze ve velkém rozsahu měnit důležité vlastnosti jakými jsou chování při náběhu (teplota Light-off), přeměna spalin, teplotní stabilita, to-lerance vůči otravě, ale též výrobní ná-klady.

Vnitřní strukturaDůležitými parametry katalyzátoru jsou hustota kanálů (udávaná v cpi, channels per inch2, počet kanálů na čtvereční pa-lec), tloušťka stěny jednotlivých kanálů a vnější rozměry katalyzátoru (plocha prů-řezu a délka). Hustota kanálů a tloušťka stěny určují chování při ohřívání, protitlak spalin a rovněž mechanickou stabilitu ka-talyzátoru.

DimenzováníObjem katalyzátoru VKat se určuje v závis-losti na objemovém proudu spalin, který je úměrný zdvihovému objemu Vzdvih motoru. Typické hodnoty pro dimenzování oxidačního katalyzátoru jsou VKat/Vzdvih = 0,6 … 0,8.

Poměr objemového proudu spalin vůči ob-jemu katalyzátoru je označován jako pro-storová rychlost (jednotka: h–1). Typické hodnoty pro oxidační katalyzátor jsou 150 000…250 000 h–1.

Provozní podmínkyPro účinnou dodatečnou úpravu spalin jsou kromě použití vhodného katalyzátoru důležité také vhodné provozní podmínky. Lze je nastavit v širokém rozsahu pomocí managementu motoru.

Při příliš vysokých provozních teplotách se objevují procesy spékání, tzn. z mnoha menších částic vzácných kovů vzniká větší částice s adekvátně menším povrchem a tím sníženou aktivitou. Úkolem řízení teploty spalin proto je zlepšit trvanlivost katalyzátoru tím, že se zabrání příliš vyso-kým teplotám.

Dodatečná úprava spalin | Oxidační katalyzátor pro vznětový motor | 131

Věcný rejstřík

A

AdBlue, 124

Aditiva, 31

Aktivace ventilátoru, 107

Alternativní paliva, 32

B

Bod vzplanutí, 28

C

Celkové znečištění, palivo vzněto-

vého motoru, 29

Cetanové číslo, 27

Cetanový index, 27

Č

Časování ventilového rozvodu, 10

Částečné zatížení, 17

Čtyřdobý proces, 9

D

Decelerace, 18

Dělený spalovací prostor, 23

DENOXTRONIC, 124

Detergenty, 31

Dimetyléter, 33

Dmychadlo s obtokovým ventilem

(wastegate), 37

Dmychadlo VST (s variabilním šou-

pátkem turbíny), 39

Dmychadlo VTG (s variabilní geomet-

rií turbíny), 38

Doba trvání vstřiku, 52

Dodatečná úprava spalin, 120

Dodatečný vstřik, 56

Downsizing (zmenšování velikosti),

40

Držáky trysek, 118

Dvoustupňové regulované přeplňo-

vání, 41

Dynamické přeplňování, 43

E

eBooster, 41

Elektronická regulace vznětového

motoru, 100

Emulze, 33

Expanze (pracovní doba), 9

F

Fáze žhavení, 108

Filtr pevných částic, 126

H

Hranice kouřivosti, 19

Hranice otáček, 20,

Hranice teploty spalin, 20

Hranice tlaku spalování, 19

Hydrolýza, 124

CH

Charakteristiky motoru, 7

I

Indikovaná účinnost, 14

Inhibitory (zpomalovače) koroze, 31

J

Jakost, 14

K

Kolíková žhavicí svíčka DuraSpeed,

110

Kolíková žhavicí svíčka Duraterm,

109,

Komprese, 9

Kompresní poměr, 10

Komůrkové motory, 23

Konvenční žhavicí systém, 108

Konverze (přeměna), 122

M

Mazací schopnost, palivo vznětového

motoru, 28

Mechanická objemová dmychadla, 41

Mechanická odstředivá

dmychadla, 43

Mechanická účinnost, 14

Mechanické přeplňování, 41

Metoda přímého vstřikování, 22

Metoda s předkomůrkou, 23

Metoda vířivé komůrky, 24

Metylester mastných kyselin, 32

N

Náhradní funkce, 107

Náporové přeplňování, 37

Nedělený spalovací prostor, 22

Nepřímé vstřikování, 23

Nestacionární provoz, 18

Nízkonapěťový žhavicí systém, 109

Nulové zatížení, 17

O

Objemová účinnost, 35

Oblast varu, 27

Obsah síry, palivo vznětového mo-

toru, 29

Obsah vody, palivo vznětového mo-

toru, 30

Rejstřík

132 | Rejstřík, |, Entstehung von Schadstoffen

Odolnost proti chladu, palivo vzněto-

vého motoru, 28

Odpojení sacího kanálu, 106

Odstředivé dmychadlo, 36

Odsulfátování, 122

Otevřené filtry pevných částic, 126

Otvorové trysky, 114

P

Palivo vznětového motoru (mot.

nafta), 26

Pilotní vstřik, 56

Pístové dmychadlo, 42

Plné zatížení, 17

Plynová turbína (turbína poháněná

spalinami), 36

Počátek dodávky, 51

Počátek vstřiku, 50

Počátek vstřiku, 50

Protipěnicí prostředky, 31

Průběh vstřiku, 52

Přeplňování turbodmychadlem, 35

Přeplňování, 35

Přesuvník vstřiku, 68

Přídavný ohřev chladicí kapaliny, 106

Pulzní přeplňování, 37

p-V diagram, 12

R

Recirkulace spalin, 107

Regenerace, filtr pevných částic, 127

Regulace plnicího tlaku, 107

Regulace vysokého tlaku, Common

Rail, 92

Rejstříkové přeplňování, 41

Rootsovo dmychadlo, 42

Rotační vstřikovací čerpadla řízená

magnetickými ventily, 62

Rotační vstřikovací čerpadla s radiál-

ními písty, 62, 71

Rotační vstřikovací čerpadla, 61, 70

Rotační vstřikovací čerpadlo s axiál-

ním pístem, 61, 71

Rozdělení směsi, 48

Roztok močoviny s vodou, 124

Ř

Řadová vstřikovací čerpadla se zdvi-

hovým šoupátkem, 61

Řadová vstřikovací čerpadla, 60, 66

Řadové vstřikovací čerpadlo se zdvi-

hovým šoupátkem, 66

Řízení plnění motoru, 34

S

Samostatná jednoválcová vstřikovací

čerpadla, 62, 78

Sání, 9

Seiligerův proces, 12

Selektivní katalytická redukce, 123

Sklon ke karbonizaci, palivo vzněto-

vého motoru, 29

Stacionární provoz, 18

Standardní řadová vstřikovací čerpa-

dla, 60, 66

Start, provozní stav, 15

Stechiometrický hmotnostní poměr,

48

Sunfuel, 33

Synfuel, 33

Systém aditiva, 128

Systém Common Rail pro os vozidla,

92

Systém Common Rail pro užitková

vozidla, 97

Systém Common Rail, 64, 86

Systém CRT®, 129

Systém HCI, 129

Systém jednotky čerpadla, 63, 80

Systém sdruženého vstřikovače, 63,

80

Systémy pomoci při startu, 108

Š

Šroubové dmychadlo, 42

T

Termická účinnost, 14

Točivý moment, 11

Tryska s otvory do sedla, 116

Tryska se slepým vývrtem, 115

Turbodíra, 36

Turbodmychadlo, 36

Tvar spalovacího prostoru, 22

U

Účinnost motoru, 12

Účinnost, 14

Ukládání NOx, 121

Uvolňování NOx, 122

Uzavřené filtry pevných částic, 126

V

Vícestupňové přeplňování, 41

Vířivé klapky, 44

Viskozita, palivo vznětového motoru,

28

Volnoběh, 17

Vstřikovací čerpadla řízená hranou,

70,

Vstřikovací čerpadla řízená magnetic-

kými ventily, 70

Vstřikovací systémy vznětového mo-

toru, přehled, 60

Vstřikovací tlak, 57

Vstřikovací trysky, 112

Vstřikovaná dávka, 52

Vstřikování paliva vznětového mo-

toru, základy, 48

Výfuk, 9

Výkon, 11

Využití paliva, 14

Vzduchové filtry sání motoru, 45

Vzdušný součinitel λ, 48

Vznětový motor, oblasti použití, 4

Vznětový motor, základy, 8

W

Zásobníkový katalyzátor NOx, 121

Zbytkový objem, 59

Zlepšovače mazací schopnosti, 31

Zlepšovače tečení, 31

Zlepšovače zapálení, 31

Zpoždění vstřiku, 51

Zpoždění vznícení, 51

Zpracování dat, EDC, 102

Ž

Žhavicí systémy, 108

Rejstřík | 133

Zkratky

A

ACEA: Association des Constructeurs Européens

d’Automobiles (Asociace evropských výrobců

automobilů)

ADC: Analog/Digital-Converter (Analogově digitální

převodník)

AGR: Abgasrückführung (Recirkulace spalin)

AHR: Abgashubrückmelder (Zpětný hlásič zdvihu spalin)

ARD: Aktive Ruckeldämpfung (Aktivní tlumení škubání)

ASIC: Application Specific Integrated Circuit (Integrovaný

obvod specifický pro danou aplikaci)

ATL: Abgasturbolader (Turbodmychadlo)

AU: Abgasuntersuchung (Měření emisí spalin)

B

BDE: Benzin-Direkteinspritzung (Přímé vstřikování

benzínu)

BIP-Signal: Begin of Injection Period-Signal (Signál

počátku dodávky paliva)

C

CAN: Controller Area Network (Datová síť spojující řídicí

jednotky vozidla)

CARB: California Air Resources Board (Kalifornský úřad

na ochranu životního prostředí)

CDPF: Catalyzed Diesel Particulate Filter (Filtr pevných

částic s katalytickou vrstvou)

CFPP: Cold Filter Plugging Point (Bod ucpání filtru za

nízké teploty, tj. mezní hodnota filtrovatelnosti)

CFR: Cooperative Fuel Research (Společný výzkum paliv)

CFV: Critical Flow Venturi (Kritický průtok venturiho

trubice)

CPU: Central Processing Unit (Centrální procesorová

jednotka, procesor)

CR: Common Rail

CRT: Continuously Regenerating Trap (Systém s filtrem

pevných částic s kontinuální regenerací)

CSF: Catalyzed Soot Filter (Filtr pevných částic

s katalytickou vrstvou)

D

DCU: DENOXTRONIC Control Unit (Řídicí jednotka

DENOXTRONIC)

DHK: Düsenhalterkombination (Vstřikovač)

DI: Direct Injection (Přímé vstřikování)

DME: Dimethylether (Dimethyléter)

DOC: Diesel Oxidation Catalyst (Oxidační katalyzátor pro

vznětový motor)

DPF: Dieselpartikelfilter (Filtr pevných částic pro

vznětový motor)

E

ECE: Economic Commission for Europe (Evropská

hospodářská komise Organizace spojených národů)

EDC: Electronic Diesel Control (Elektronická regulace

vznětového motoru)

EDR: Enddrehzahlregelung (Regulace přeběhových

otáček)

EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read Only

Memory (Elektricky mazatelná programovatelná paměť

určená pouze pro čtení dat)

EKP: Elektrokraftstoffpumpe (Elektrické palivové

čerpadlo)

ELR: Elektronische Leerlaufregelung (Elektronická

regulace volnoběhu)

ELR: European Load Response (Testovací cyklus motoru

pro měření kouřivosti)

EMI: Einspritzmengenindikator (Indikátor vstřikovaného

množství)

EMV: Elektromagnetische Verträglichkeit

(Elektromagnetická slučitelnost)

EOBD: European OBD (Evropská modifikace normy OBD)

EOL-programování: End-Of-Line-Programmierung

(Programování na konci výrobní linky)

EPA: Environmental Protection Agency (Americký úřad na

ochranu životního prostředí)

EPROM: Erasable Programmable Read Only Memory

(Mazatelná programovatelná paměť určená pouze pro

čtení dat)

euATL: Elektrisch unterstützter Abgasturbolader

(Elektricky podporované turbodmychadlo)

EWIR: Emissions Warranty Information Report

(Informační zpráva o emisní záruce)

F

FAME: Fatty Acid Methyl Ester (Metylester mastných

kyselin)

FTP: Federal Test Procedure (Federální testovací postup)

G

GDV: Gleichdruckventil (Rovnotlaký ventil)

GRV: Gleichraumventil (Rovnoobjemový ventil)

GLP: Glow Plug (Kolíková žhavicí svíčka)

H

H-čerpadlo: Hubschieber-Reihen einspritzpumpe (Řadové

vstřikovací čerpadlo se zdvihovými šoupátky)

HBA: Hydraulisch betätigte Angleichung (Hydraulicky

aktivované přizpůsobení)

HCCI: Homogeneous Compressed Combustion Ignition

(Metoda spalování s rovnoměrným tvořením směsi)

HD: Hochdruck (Vysoký tlak)

HDK: Halb-Differenzial Kurzschlussringsensor (Snímač

s polodiferenciálním zkratovým kroužkem)

134 | Rejstřík, |, Zkratky

Rejstřík, |, Zkratky | 135

HDV: Heavy-Duty Vehicle (Těžké užitkové vozidlo)

HFM: Heißfilm-Luftmassenmesser (Měřič hmostnosti

vzduchu s vyhřívaným filmem)

HFRR-metoda: High Frequency Reciprocating Rig

(Metoda měření opotřebení vysokofrekvenčním

kmitáním)

HGB: Höchstgeschwindigkeits begrenzung (Omezení

maximální rychlosti)

H-kat: Hydrolyse-Katalysator (Hydrolyzační katalyzátor)

HSV: Hydraulische Startmengen verriegelung (Hydraulické

zablokování startovacího množství)

HWL: Harnstoff-Wasser-Lösung (Roztok močoviny

s vodou)

I

IC: Integrated Circuit (Integrovaný obvod)

IDI: Indirect Injection (Nepřímé vstřikování)

IMA: Injektormengenabgleich (Vyrovnání množství paliva

vstřikovače)

IWZ-signál: Inkremental-WinkelZeit-Signal (Signál

inkrementálního snímače úhel-čas, tj. signál snímače

polohy přestavení čerpadla)

J

JAMA: Japan Automobile Manufacturers Association

(Asociace japonských výrobců automobilů)

K

KMA: Kontinuierliche Mengenanalyse (Kontinuální měření

množství paliva)

KSB: Kaltstartbeschleuniger (Urychlovač studeného

startu)

KW: Kurbelwellenwinkel (Úhel klikového hřídele)

L

LDA: Ladedruckabhängiger Volllastanschlag (Doraz

plného zatížení závislý na plnicím tlaku)

LDR: Ladedruckregelung (Regulace plnicího tlaku)

LDT: Light-Duty Truck (Lehké užitkové vozidlo)

LED: Light-Emitting Diode (Světelná dioda)

LEV: Low-Emission Vehicle (Vozidlo s nízkými emisemi)

LFG: Leerlauffeder gehäusefest (Volnoběžná pružina

upevněná k pouzdru regulátoru)

LLR: Leerlaufregelung (Regulace volnoběhu)

LRR: Laufruheregelung (Regulace klidného chodu)

LSF: (Zweipunkt-)Finger-Lambda-Sonde (Dvoubodová

tyčová lambda sonda)

LSU: (Breitband-)Lambda-Sonde- Universal

(Širokopásmová univerzální lambda sonda)

M

MAB: Mengenabstellung (Vypnutí dávky paliva)

MAR: Mengenausgleichsregelung (Regulace vyrovnání

množství paliva)

MBEG: Mengenbegrenzung (Omezení množství paliva)

MC: Microcomputer (Mikropočítač)

MDPV: Medium Duty Passenger Vehicle (Těžké užitkové

vozidlo navržené především pro přepravu osob)

MI: Main Injection (Hlavní vstřik)

MIL: Malfunction Indicator Lamp (Kontrolka závad)

MKL: Mechanischer Kreisellader (Mechanické odstředivé

dmychadlo)

MMA: Mengenmittelwertadaption (Adaptace střední

hodnoty množství paliva)

MSG: Motorsteuergerät (Řídicí jednotka motoru)

MV: Magnetventil (Magnetický ventil)

MVL: Mechanischer Verdrängerlader (Mechanické

objemové dmychadlo)

N

NBF: Nadelbewegungsfühler (Snímač pohybu jehly)

NBS: Nadelbewegungssensor (Snímač pohybu jehly)

ND: Niederdruck (Nízký tlak)

Nkw: Nutzkraftwagen (Užitkové vozidlo)

NLK: Nachlaufkolben(-Spritz versteller) (Vlečný píst,

přesuvník vstřiku)

NMHC: Nicht-methanhaltige Kohlenwasserstoffe

(Uhlovodíky neobsahující metan)

NMOG: Nicht-methanhaltige organische Gase (Organické

plyny neobsahující metan)

NSC: NOX Storage Catalyst (Zásobníkový katalyzátor NOx)

NTC: Negative Temperature Coefficient (Negativní

teplotní koeficient, záporný teplotní součinitel)

NW: Nockenwellenwinkel (Úhel vačkového hřídele)

O

OBD: On-Board-Diagnose („Palubní diagnostika“)

OHW: Off-Highway (Terénní)

OT: Oberer Totpunkt (Horní úvrať)

Oxi-Kat: Oxidationskatalysator (Oxidační katalyzátor)

P

PASS: Photo-acoustic Soot Sensor (Fotoakustický senzor

sazí, pevných částic)

PDE: Pumpe-Düse-Einheit (Jednotka čerpadlo – tryska,

systém sdruženého vstřikovače, UIS)

PDP: Positive Displacement Pump (Objemové čerpadlo)

PF: Partikelfilter (Filtr pevných částic)

pHCCI: partly Homogeneous Compressed Combustion

Ignition (Metoda spalování s částečně rovnoměrným

tvořením směsi)

PI: Pilot Injection (Pilotní vstřik)

Pkw: Personenkraftwagen (Osobní vozidlo)

PLA: Pneumatische Leerlaufanhebung (Pneumatické

zvýšení volnoběhu)

PLD: Pumpe-Leitung-Düse (Čerpadlo – vedení – tryska,

sdružený vstřikovací systém, UPS)

PM: Partikelmasse (Hmotnost částice)

PNAB: Pneumatische Abstell vorrichtung (Pneumatické

vypínací zařízení)

PO: Post Injection (Dodatečný vstřik)

PSG: Pumpensteuergerät (Řídicí jednotka čerpadla)

PTC: Positive Temperature Coefficient (Positivní teplotní

koeficient, kladný teplotní součinitel)

PWG: Pedalwertgeber (Snímač polohy pedálu)

PWM: Pulsweitenmodulation (Modulace šířky impulsu)

PZEV: Partial Zero-Emission Vehicle (Vozidlo s částečně

nulovými emisemi)

R

RAM: Random Access Memory (Paměť pro zápis a čtení

dat, paměť s libovolným přístupem)

RDV: Rückströmdrosselventil (Škrticí ventil zpětného

proudění)

RIV: Regler-Impuls-Verfahren (Metoda kontroly/nastavení

předvstřiku pomocí snímače polohy regulátoru)

RME: Rapsölmethylester (Metylester řepkového oleje)

ROM: Read Only Memory (Paměť pouze pro čtení dat)

RSD: Rückströmdrosselventil (Škrticí ventil zpětného

proudění)

RWG: Regelweggeber (Snímač zdvihu regulační tyče/

objímky)

RZP: Rollenzellenpumpe (Válečkové čerpadlo)

S

SAE: Society of Automotive Engineers (Organizace

automobilového průmyslu v USA)

SCR: Selective Catalytic Reduction (Selektivní katalytická

redukce)

SD: Steuergeräte-Diagnose (Diagnostika řídicích

jednotek)

SG: Steuergerät (Řídicí jednotka)

SME: Sojamethylester (Metylester sóji)

SMPS: Scanning Mobility Particle Sizer (Přístroj na

měření velikostního rozložení částic, založený na

principu pohyblivosti nabitých částic v elektrickém

poli)

SRC: Smooth Running Control (Regulace vyrovnání

množství paliva u užitkových vozidel)

SULEV: Super Ultra-Low-Emission Vehicle (Vozidlo se

super ultra nízkými emisemi)

SV: Spritzverzug (Zpoždění vstřiku)

SZ: Schwärzungszahl (Koeficient zčernání, koeficient

kouřivosti)

T

TLEV: Transitional Low-Emission Vehicle (Transitní

nízkoemisní vozidlo)

TME: Tallow Methyl Ester (Ester hovězího loje)

U

UFOME: Used Frying Oil Methyl Ester (Metylester

použitého oleje na smažení)

UIS: Unit Injector System (Systém sdruženého

vstřikovače)

ULEV: Ultra-Low-Emission Vehicle (Vozidlo s ultra nízkými

emisemi)

UPS: Unit Pump System (Sdružený vstřikovací systém)

UT: Unterer Totpunkt (Dolní úvrať)

V

VE: Voreinspritzung (Pilotní vstřik)

VST-Lader: Turbolader mit variabler Schieberturbine

(Dmychadlo VST, s variabilním šoupátkem turbíny)

VTG-Lader: Turbolader mit variabler Turbinengeometrie

(Dmychadlo VTG, s variabilní geometrií turbíny)

W

WSD: Wear Scar Diameter (Průměr stopy opotřebení

u metody HFRR)

WWH-OBD: World Wide Harmonized On Board

Diagnostics (Celosvětově sladěná diagnostika OBD)

Z

ZEV: Zero-Emission Vehicle (Vozidlo s nulovými emisemi)

Seznam příruček Objednací číslo

Elektrika a elektronika ve vozidleMikroelektronika v motorových vozidlech 1 987 711 022 CZSnímače v motorových vozidlech 1 987 711 031 CZ

Řízení vznětových motorůPřehled systémů řízení vznětového motoru 1 987 722 058 CZElektronická regulace vznětových motorů, EDC 1 987 711 035 CZ

Systém vstřikování s tlakovým zásobníkem Common Rail pro vz-nětové motory

1 987 711 062 CZ

Řízení zážehových motorůVstřikovací systém K-Jetronic 1 987 711 009 CZVstřikovací systém KE-Jetronic 1 987 711 021 CZVstřikovací systém L-Jetronic 1 987 711 010 CZVstřikovací systém Mono-Jetronic 1 987 720 033 CZ

Systém řízení motoru Motronic 1 987 711 011 CZ

Řízení zážehového motoru I: Základy a komponenty

1 987 711 036 CZ

Bezpečnostní a komfortní systémyKonvenční a elektronické brzdové soustavy 1 987 711 023 CZBezpečnostní a komfortní systémy 1 987 720 037 CZRegulace dynamiky jízdy (ESP) 1 987 711 052 CZ

Obj. č. 1 987 722 058 CZ l AA/MKK2-10.09-Cz

Distribuce:Robert Bosch odbytová s.r.o.Automobilová technikaPod Višňovkou 35/1661140 00 Praha 4 – KrčTel.: 261 300 438Fax: 261 300 524www.bosch.czwww.esitronic.cz

Od

bor

né z

nalo

sti v

aut

omob

ilové

tec

hnic

e l P

řehl

ed s

ysté

mů

říze

ní v

znět

ovéh

o m

otor

uŽl

utá

řad

a

Date post:	17-Feb-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	12 times
Download:	1 times

Přehled systémů řízení vznětového motoru · Motory lokomotiv, podobně jako velké...

Documents