Elektronické soustavy uľitkových vozidel

RNDr. Bohumil Ferenc, říjen 2000

  • Na úvod
    • Současný stav techniky
  • Soustavy řízení chodu motoru
    • Motory s nepřímým vstřikováním
      • Řadové vstřikovací čerpadlo
      • Vstřikovací čerpadla s rozdělovačem paliva
    • Vstřikovací trysky
    • ®havící svíčky
  • Přímé vstřikování
  • Způsoby tvarování průběhu vstřiku
  • Obrazy

   Zavádění elektroniky do přísluąenství uľitkových automobilů výrazně přispělo ke zvýąení jejich uľitné hodnoty a to jak zlepąením hospodárnosti provozu a zvýąením jeho bezpečnosti, tak splněním stále náročnějąích předpisů na úroveň emisí ąkodlivin a hluku, tedy faktorů zhorąujících ekologii. Přitom nejde o pouhou náhradu mechanických dílů, ale dochází k integraci více vozidlových soustav do funkčních skupin, které přispívají k omezení stresových vlivů na řidiče při nouzových situacích i během kaľdodenního provozu. Praktické aplikace elektroniky významně přispívající ke zlepąení vlastností vozidel sahají od hnacího ústrojí a brzdových soustav, přes podvozek a řízení, aľ po kabinu a karoserii. Významné jsou i přínosy elektroniky ke zvýąení aktivní i pasivní bezpečnosti. Informační a komunikační soustavy ve vozidlech usnadňují orientaci řidiče a jeho spojení se základnou; i kontrolu průběhu jízdy.

   Rozvoj elektroniky umoľnil vznik soustav, které pracují spolehlivě v jakýchkoliv provozních podmínkách. Zákonodárci, provozovatelé a výrobci pak společně určují podmínky a směry k zajiątění provozních poľadavků na vozidla, v souhlase s moľnostmi, které pouľití elektroniky poskytuje.

Na úvod

   Elektronika je v uľitkových vozidlech povaľována za základní prostředek pro uskutečnění obecných cílů vývoje vozidel, kterými jsou zejména:

  • optimalizace bezpečnosti,
  • hospodárnost provozu,
  • slučitelnost se ľivotním prostředím.

   Moľnosti jiných prostředků, např. pneumatických nebo hydraulických, dosáhly v pouľití na vozidlech vrcholů svých moľností, takľe daląí zlepąení jsou moľná jen spojením těchto prostředků fluidní techniky s mikroelektronikou.

   Rozvoj elektroniky otevřel v oblasti vozidel také nové moľnosti rozvoji mechanických soustav. Význam elektroniky je patrný z její zvláątnosti, zjią»ovat hodnoty veličin mechanického prostředí snímači, které je přeměňují na elektrické signály. Tyto signály jsou následně zpracovány v elektronických obvodech a převedeny na povely pro nastavení aktuátorů ovládajících různé neelektrické, nejčastěji mechanické pochody. Logickým důsledkem toho je funkční rozdělení úloh, které jsou přiřazeny mechanickým dílům a nadřazené elektronické regulaci. Základní funkce jsou uskutečňovány mechanickými prostředky. Elektronika provádí korekční kroky tam, kde je informace o přiřazeném procesu zpracovávána a její snímání nebo snímací rychlost je na elektronice závislá, protoľe přísluąná úloha by byla nad moľnosti řidiče i mechanické soustavy.

   Nasazení elektroniky v uľitkových vozidlech usnadňuje řidiči jeho činnost a tak přispívá k lepąímu přehledu vnějąích dopravních situací. Současně znamená i praktické zbavení tělesné námahy při obsluze agregátů.

Současný stav techniky

   pouľité v agregátech uľitkových vozidel, ve kterých se uplatňuje elektronika, je obdobný jak u evropských, tak u amerických i japonských výrobců. K regulovaným částem a vlastnostem patří:

Hnací větev
s motorem, spojkou, převodovkou, pohonem náprav a kol a také s koly a pneumatikami.
Brzdová souprava
s provozní brzdou, ruční parkovací brzdou jakoľ i odlehčovací brzdová souprava, včetně snímače brzdné hodnoty, regulačního orgánu, přívodu výkonu, akčních členů a kolových brzd.
Souprava řízení
s volantem a řídící tyčí, převodovkou řízení a přívodem výkonu.
Podvozek
se zavěąením kol a potřebným přenosem síly mezi kolem a vozovkou, včetně kinematiky kol a vlastností pérování a tlumičů
Kabina řidiče
nebo odpovídající karoserie s přístrojovou deskou, informační soustavou, ovládacími zařízeními, ergonomicky optimálním seřízením sedadla, klimatizací a zabezpečením proti krádeľi.

   Podle uváľení výrobců jsou některé elektronicky řízené agregáty dodávány jako standardní vybavení vozidla, jiné zase jako zvláątě objednávané přísluąenství.

Soustavy řízení chodu motoru

   Ke standardnímu vybavení dneąních automobilů se spalovacími motory patří jednoznačně elektronické řízení chodu těchto pohonných jednotek. Větąina uľitkových vozidel je poháněna vznětovými motory, jejichľ výkon je řízen dávkováním mnoľství vstřikovaného paliva. Elektronická regulace směřuje k tomu, aby vstřikované mnoľství bylo při vąech otáčkách motoru a jeho provozních podmínkách optimálním. Zpracovává povely zadávané řidičem prostřednictvím plynového pedálu, spínače kick-down, nebo spínače motorové brzdy. Kromě toho zpracovává informace o stavech a provozních podmínkách motoru zjią»ované snímači těchto neelektrických veličin, zejména jeho otáček, teploty a zatíľení (to podle mnoľství nasávaného vzduchu nebo podle plnícího tlaku), teploty nasávaného nebo plnícího vzduchu, teploty paliva, případně i rychlosti vozidla. Pro výpočet vstřikovaného mnoľství jsou v pamě»ových obvodech řídící jednotky soustavy naprogramovány mezní hodnoty pro dosaľení úrovně emisí, mechanického a termického zatíľení motoru a pro nastavení ovládacích prvků elektrohydraulického ústrojí, které mnoľství paliva ovlivňuje. Jeho ovládací prvky jsou rovněľ opatřeny snímači nastavení a signály těchto snímačů se také přivádějí do řídící jednotky. V ní se provádí porovnání skutečné hodnoty s naprogramovanou a v případě odchylky se vstřikované mnoľství koriguje.

   Elektrohydraulické ústrojí tvoří jednak trysky, které vstřikují palivo do válců motoru ve vhodně tvarovaném kuľelu drobných kapiček. Druhým článkem je vysokotlaké čerpadlo, vytvářející tlak paliva nezbytný pro vznik těchto kapiček a k jejich potřebnému rozpráąení ve spalovacím prostoru. Tím se vytváří palivová směs, po jejímľ vznícení se energie paliva přemění v teplo a následně v mechanickou práci.

   Provedení těchto dílů je značně závislé na koncepci vznětového motoru.

Motory s nepřímým vstřikováním

   Vznětové motory s nepřímým vstřikem paliva do předkomůrky, nebo nověji do vírové komůrky, pouľívají vstřikovacích čerpadel řadových a čerpadel s rozdělovačem. Tato čerpadla musí splnit několik úloh:

  • Dodávku paliva s vysokým tlakem (aľ 100 MPa).
  • Dávkování vstřikovaného paliva v závislosti na zatíľení motoru.
  • Vstříknutí paliva ve správném okamľiku.
  • Vstříknutí paliva podle předem určeného průběhu vstřiku.

Řadové vstřikovací čerpadlo

   obsahuje pro kaľdý válec motoru jeden čerpadlový článek. Palivo se čerpá z nádrľe podávacím čerpadlem, které je namontováno na vstřikovacím. Z podávacího čerpadla postupuje palivo do palivového filtru a z něj ke článkům vstřikovacího. Obě čerpadla jsou poháněna od klikové hřídele motoru prostřednictvím vaček uloľených na společné hřídeli ve vstřikovacím čerpadle, která je spřaľena s klikovou. Při otáčení motoru je palivo postupně přiváděno ke vstřikovacím tryskám jeho jednotlivých válců. Zařazením čerpadel za sebou se dosahuje potřebného tlaku paliva, který se u vstřikovacího čerpadla tohoto typu, označovaného PE pohybuje od 60 do 120 MPa, podle druhu vozidla, na kterém je pouľito.

   Hlavními díly čerpadel jsou válec a píst. Píst se ve válci pohybuje směrem k horní úvrati působením vačky na výąe zmíněné hřídeli. Do dolní úvrati je tlačen silou pruľiny, která na něj působí. V horní části stěny válce vstřikovacího čerpadla jsou dva otvory, kterými je jeho vnitřní objem spojen se sacím prostorem, kam je podávacím čerpadlem přiváděno palivo pod tlakem 150 aľ 250 kPa. Pohybuje-li se píst k dolní úvrati, vzniká v prostoru válce podtlak, protoľe válec se nahoře uzavře silou pruľiny tlakového ventilu, který jej zakončuje. Poté co píst uvolní otvory ve válci, vnikne jimi dovnitř palivo vlivem tlaku z podávacího čerpadla.

   Z dolní úvrati je píst zdvihán vačkou a jakmile uzavře otvor pro přívod paliva (a přepouątěcí otvor) vzroste tlak ve válci natolik, ľe se otevře tlakový ventil a palivo je dodáváno ke vstřikovací trysce. Tato jej pak vstřikuje do spalovacího prostoru válce motoru. Začátek vstřikování je tedy dán okamľikem uzavření otvorů ve válci vstřikovacího čerpadla.

   V pístu je provedena svislá dráľka spojená se ąikmou regulační hranou. Ukončení dodávky paliva a tedy jeho vstřikované mnoľství, je určeno okamľikem, kdy během pohybu pístu k horní úvrati hrana překryje přepouątěcí otvor. Palivo můľe odtékat přepouątěcím vedením zpět do palivové nádrľe dříve, neľ píst dosáhne horní úvrati. Tlakový ventil v horní části válce se uzavře a vstřikování paliva se ukončí.

   Na pístu je uloľena ozubená regulační objímka, do které zabírá regulační tyč. Posuvem této tyče se mění natočení pístu ve válci, takľe se současně natáčí jeho dráľka s regulační hranou proti přepouątěcím otvorům ve válci. Děje se to mezi dvěma krajními polohami, při nichľ v jedné z nich je svislá dráľka přesně proti přepouątěcímu otvoru, takľe palivo odtéká přepouątěcím vedením zpět do nádrľe a vstřikované mnoľství je nulové. V druhé krajní poloze je natočení takové, ľe vąechno palivo stlačované v prostoru válce čerpadla je dodáváno k trysce. Posuvem regulační tyče čerpadla je tedy ovládáno vstřikované mnoľství paliva.

   U mechanicky regulovaných vstřikovacích čerpadel byla regulační tyč spojena s plynovým pedálem přes regulátor otáček, který byl konstruován tak, aby motor reagoval odpovídajícím způsobem na ovládání pedálu, omezovaly se maximální otáčky motoru a zabezpečoval i jeho plynulý chod ve volnoběhu. Některé mechanické regulátory se setrvačníkem byly doplněny pneumatickým přeruąovačem přívodu paliva a tlakově a teplotně závislými korektory tohoto mnoľství. Byly schopny realizovat některé typy závislosti polohy regulační tyče na otáčkách motoru při jeho různém zatíľení. Regulace se zpravidla prováděla jen v oblasti volnoběľných a maximálních otáček. V rozmezí mezi oběma oblastmi se kroutící moment motoru určoval pouze polohou plynového pedálu.

   Elektronická regulace nahradila mechanické regulační prvky elektromagnetickým stavědlem se zpětným hláąením polohy regulační tyče. Její poloha se snímá snímačem a porovnává s hodnotou vloľenou v paměti řídící jednotky v závislosti na otáčkách motoru. Ty jsou rovněľ snímány snímačem, jehoľ rotor je uloľen na vačkové hřídeli vstřikovacího čerpadla. Poloha regulační tyče se koriguje podle daląích parametrů jako je teplota chladící kapaliny nasávaného vzduchu a paliva, plnícího tlaku a rychlosti vozidla. Je také přihlíľeno k postavení ovládacích prvků vozidla jako řazení rychlosti, spojka, brzda a případně motorová brzda. Podle těchto veličin a podle polohy plynového pedálu je vypočítána poloha řídící tyče a přísluąný signál se přivádí ke stavědlu. Elektronická regulace tedy nejen umoľňuje realizovat sloľitějąí průběhy neľ mechanická, ale přidává i daląí funkce, jako řazení rychlosti bez ąkubání, protoľe reaguje na odlehčení motoru při neutrálu a vyąlápnutí spojky aj.

   Mimo mnoľství paliva je třeba regulovat i začátek jeho dodávky, nazývaný začátkem vstřiku, někdy také předvstřikem. Mění-li se vhodně úhel začátku vstřiku během celého rozsahu otáček motoru, zlepąí se charakteristika jeho výkonu i točivého momentu. Motor má pruľnějąí chod a jeho provoz je hospodárnějąí. Proto byla řadová vstřikovací čerpadla vybavována přesuvníkem vstřiku. Ten mění v závislosti na otáčkách motoru úhel natočení mezi jeho klikovou hřídelí a vačkovou hřídelí vstřikovacího čerpadla. Děje se to pomocí odstředivého regulátoru a otočného spojkového kotouče. Závislost natočení vačkové hřídele proti náhonu je dána odstředivou silou závaľíček regulátoru, která jsou vyvaľována jeho pruľinami.

   Pro dosaľení niľąích úrovní emisí vąak pouhá otáčková regulace začátku vstřiku nepostačuje. Proto bylo vyvinuto řadové vstřikovací čerpadlo se zdvihovým ąoupátkem. Toto provedení umoľňuje realizovat volně programovatelný začátek vstřikování. Vstřikované mnoľství je v ąirokých mezích nezávislé na nastavení začátku vstřiku, které se provádí ąoupátkem.

   To běhá v "okénku" válce vstřikovacího čerpadla po pístu a jeho poloha je měnitelná stavěcí hřídelí. ©oupátka, která jsou uspořádána v kaľdém válci čerpadla, přejímají úlohu dříve popsaných otvorů ve válci pro přívod a přepouątění paliva. Jakmile se při pohybu pístu čerpadla z dolní úvrati uzavře dolní hranou ąoupátka řídící otvor provedený uvnitř pístu, vzroste tlak ve válci čerpadla a začne vstřikování paliva. Při pokračujícím zdvihu pístu uvolní jeho ąikmá regulační dráľka v boční stěně pístu odtok paliva přes ní a přes řídící otvor. Tlak paliva v prostoru nad pístem klesne a vstřikování je ukončeno. Ukončení vstřikování paliva, tedy nastavení jeho mnoľství se provádí jako u předchozího typu natočením pístu čerpadla. Konstrukční řeąení mechanismu natáčení pístu je ale rozdílné, nevyuľívá ozubení, ale zajią»uje nezávislé nastavení obou parametrů vstřiku.

   Změna začátku vstřikování probíhá přestavením zdvihového ąoupátka ve směru dopravy paliva. Poloha ąoupátka blíľe horní úvrati pístu čerpadla znamená větąí předzdvih a tím i pozdějąí začátek vstřiku. Poloha blíľe dolní úvrati naopak menąí předzdvih a dřívějąí začátek vstřiku.

   Podle pouľitého tvaru vaček čerpadla se přitom můľe měnit s rychlostí vstřikování paliva i jeho tlak.

   Ovládání polohy ąoupátka je prováděno u vąech článků čerpadla současně a to přestavovací hřídelí. Tím je odstraněn hlavní nedostatek setrvačníkové regulace začátku vstřiku - velký přenáąený kroutící moment i vazba mezi vstřikovaným mnoľstvím a začátkem vstřiku, běľná u nahoře umístěné regulační hraně pístu u předchozího typu čerpadel.

   Stavěcím členem přestavovací hřídele regulace začátku vstřiku je rovněľ elektromagnet, který hřídelí posouvá svisle. Na rozdíl od regulace mnoľství paliva není dráha ani poloha této hřídele snímána, ale je snímán skutečný začátek vstřiku a to snímačem, který je integrován přímo v drľáku jedné ze vstřikovacích trysek. Signál tohoto snímače, který je odvozen od pohybu jehlu trysky, je přiváděn do řídící jednotky vstřikování, ve které je porovnáván skutečný začátek vstřiku se zadaným a vypočítána případná korekce.

   Řadová vstřikovací čerpadla vytvářejí poměrně vysoký tlak paliva a proto byla a dosud jsou pouľívána u vznětových motorů středních a těľkých nákladních automobilů a autobusů, kde je poľadován větąí výkon na válec.

   U rychloběľných vznětových motorů lehčích uľitkových vozidel jsou poľadována vstřikovací čerpadla s niľąí hmotností a menąími zastavovacími rozměry. Tyto poľadavky splňují

Vstřikovací čerpadla s rozdělovačem paliva

   Spojují podávací čerpadlo, vysokotlaké čerpadlo, regulátor otáček i přesuvník vstřiku do jednoho malého kompaktního agregátu.

   Vysokotlaké čerpadlo pouľívá pro vąechny válce motoru pouze jediného článku. Jeho píst dopravuje palivo zdvihem a otočením jej rozděluje do výstupů k jednotlivým válcům přes rozdělovací dráľku. Během jedné otáčky hnacího hřídele vykoná píst tolik zdvihů, ke kolika válcům motoru palivo dodává.

   Palivo přichází k podávacímu čerpadlu otvorem ve společném tělese agregátu z palivové nádrľe nízkotlakým vedením, přes palivový filtr, ve kterém jsou zachycovány nejen v něm obsaľené nečistoty, ale i voda, jak ve formě emulzí, tak kondenzátu vznikajícího v důsledku teplotních změn. Voda musí být v odpovídajících intervalech vypuątěna, proto někdy bývá součástí filtru automatický varovný okruh signalizující rozsvícením signálky nutnost tohoto kroku.

   Podávací čerpadlo sestává z lopatkového kola upevněného centricky na hnací hřídeli celého agregátu. Lopatkové kolo je obklopeno prstencem provedeným v tělese čerpadla excentricky vůči ose otáčení kola.

   Při otáčení kola se lopatky vysouvají a dopravují palivo přes otvor do vnitřního prostoru čerpadla. Současně jde část paliva přes druhý otvor k regulátoru tlaku. Je to pruľinou zatíľený ąoupátkový ventil, kterým se můľe měnit tlak ve vnitřním prostoru čerpadla v závislosti na dodávaném mnoľství paliva. Stoupne-li tlak nad hodnotu určovanou silou pruľiny, otevře pístek ventilu otvor zpětného odtoku paliva a to proudí tímto kanálem k sací straně lopatkového podávacího čerpadla. Při niľąích tlacích paliva, neľ je určeno nastavením síly pruľiny, zůstává otvor zpětného odtoku uzavřen.

   Tlak paliva, potřebný k jeho vstřikování, se získává ve vysokotlaké části. Otáčivý pohyb hnací hřídele se přenáąí na rozdělovací píst. Přitom zabírají ozubce hnací hřídele do kříľového kotouče zalisovaného na hřídeli zdvihové vačky s pístem. Zdvihová (axiálně) vačka přeměňuje čistě otáčivý pohyb vačkové dráhy po válečcích válečkového prstence. Ve zdvihové vačce je vsazen rozdělovací píst. Jeho pohyb ve směru "horní úvrati" uskutečňuje zdvihová vačka, o pohyb ve směru "dolní úvrati" se starají obě souměrně umístěné vratné pruľiny. Opírají se o rozdělovací hlavu a působí na rozdělovací píst přes pruľinový můstek. Kromě toho brání vratné pruľiny odskoku zdvihové vačky od válečků prstence vlivem vyąąího zrychlení. Pohyb pístu mezi dolní a horní úvratí je umoľněn posouvatelným záběrem ozubců hnací hřídele v kříľovém kotouči na hřídeli zdvihové vačky.

   Tlak paliva potřebný ke vstřikování je vytvářen pístovým čerpadlem. Při pohybu rozdělovacího pístu k dolní úvrati protéká palivo otevřeným sacím průřezem a plnící dráľkou pístu do vysokotlakého prostoru před píst. V dolní úvrati se sací průřez natočením pístu uzavře a otevře se rozdělovací dráľka přísluąného válce motoru. Píst se začne pohybovat k horní úvrati. Ve vysokotlakém prostoru před pístem i ve vnitřním otvoru pístu se vytváří tlak, protoľe příčně poloľený řídící otvor pístu je uzavřen přepouątěcím ąoupátkem. Palivo je dodáváno vypouątěcím otvorem přes tlakový ventil vstřikovacího čerpadla ke vstřikovací trysce přísluąného válce.

   Pracovní zdvih je ukončen, jakmile příčně poloľený řídící otvor pístu dosáhne řídící hrany přepouątěcího ąoupátka. Od tohoto okamľiku přestane být palivo tlačeno ke vstřikovací trysce a tlakový ventil uzavře vysokotlaké vedení. Palivo proudí vzniklým propojením do vnitřního prostoru čerpadla. Krátce před horní úvratí se otevře sací průřez a během pohybu pístu k dolní úvrati se vysokotlaký objem plní palivem, protoľe se při posouvání pístu uzavře ąoupátkem příčně poloľený řídící otvor a natočením pístu otvor vypouątěcí. Celý proces proběhne u čtyřválcového motoru během jedné ąestiny její otáčky.

   Je zřejmé, ľe polohou přepouątěcího ąoupátka je určen okamľik, kdy palivo přestane být dodáváno ke vstřikovací trysce přísluąného válce motoru. Změnou jeho polohy je tedy určováno mnoľství dodávaného paliva.

   Mnoľství paliva pro poľadovaný výkon motoru je závislé na seąlápnutí plynového pedálu, který je přímo spřaľen s mechanismem měnícím polohu přepouątěcího ąoupátka. Určitým rozdílem proti řadovému vstřikovacímu čerpadlu je způsob činnosti otáčkového regulátoru, i kdyľ zajią»uje tytéľ funkce, tj. omezovat maximální otáčky motoru, zabezpečovat jeho plynulý chod i ve volnoběhu a ve zbývajícím rozmezí otáček dosáhnout, aby bylo mnoľství paliva závislé pouze na zatíľení motoru, tj. na seąlápnutí pedálu. Otáčkový regulátor pracuje také na setrvačníkovém principu, působí ale tak, ľe podle změny otáček reguluje v malých mezích polohu ąoupátka nastavenou plynovým pedálem. Informace o otáčkách motoru se přenáąí na setrvačníkový regulátor pohonem od ozubeného kola na hnací hřídeli čerpadla. Kolo zabírá do menąího ozubeného kola otáčejícího závaľíčky regulátoru. Vychýlením těchto závaľíček je posunována regulační návlačka, která změnou své polohy koriguje nastavení přepouątěcího ąoupátka. Podle potřeb motoru bývá tato regulace doplněna různými korektory upravujícími vstřikované mnoľství podle teploty, plnícího tlaku u přeplňovaných motorů a daląích podmínek.

   Přesuvník vstřiku, který posouvá začátek vstřikování proti úhlu natočení hnací hřídele čerpadla (a tedy i proti poloze klikové hřídele motoru) pracuje na hydraulickém principu. Natáčí prstencem s válečky a tím mění jejich polohu v rovině otáčení hřídele. Natáčení prstence provádí svorník, na který působí píst přestavníku. Ten je v klidové poloze drľen pruľinou, jejíľ předepnutí je vhodně nastaveno. Od lopatkového čerpadla se do prostoru přesuvníku přivádí palivo, jehoľ tlak se se stoupajícími otáčkami motoru zvyąuje a palivo začne přesouvat píst přesuvníku proti tlaku pruľiny. Toto posunutí se převádí kamenem kulisy a svorníkem na otáčivý pohyb, tj. na natočení válečků, po kterých klouzají výstupky zdvihové vačky. Toto natočení bude tím větąí, čím větąí budou otáčky motoru (a tedy tlak paliva). Tak se posouvá začátek vstřiku směrem od horní úvrati válců motoru. Předepnutí pruľiny v pouzdře přestavníku určuje otáčky, od kterých regulace začíná působit.

   Také u vstřikovacích čerpadel s rozdělovačem se prosadila elektronická regulace, jak mnoľství vstřikovaného paliva, tak začátku jeho vstřiku. Elektronická řídící jednotka dostává signály ze snímačů neelektrických veličin charakterizujících provozní podmínky motoru a poľadavek řidiče na jeho výkon. Podle svého programového vybavení je zpracovává na výstupní elektrické signály, které jsou pak přiváděny k aktuátorům provádějícím potřebné zákroky v regulovaném procesu. Změnu polohy přepouątěcího ąoupátka na pístu vysokotlaké části provádí elektromagnetické stavědlo, jehoľ částí je i induktivní nebo potenciometrický snímač polohy ąoupátka. Signál z tohoto snímače se přivádí rovněľ do řídící jednotky, kde je srovnáván se signálem vypočítaným ze vstupních signálů od ostatních snímačů a v případě rozdílu je provedena potřebná korekce polohy ąoupátkem zákrokem stavědla.

   Obdobným způsobem se reguluje začátek vstřiku. Jeho skutečný okamľik udává signál ze snímače začátku vstřikování, který je součástí vstřikovací trysky (stejný jako u řadového čerpadla). Ten se srovnává se signálem vypočteným v řídící jednotce a případný rozdílový signál taktuje proporcionální elektromagnetický ventil, který vpouątí palivo od nízkotlakého čerpadla do prostoru pístu přesuvníku vstřiku. Ten pak natáčí prstenec s válečky. Při otevřeném ventilu je palivo jak před pístem, tak za ním a začátek vstřiku není posunut. Je-li ventil zcela uzavřen, je palivo pouze v části bez vratné pruľiny a píst je jím tlačen do krajní polohy proti síle pruľiny. Začátek vstřiku je posunut maximálně. Taktováním se nastavuje potřebné natočení prstence a tedy poľadovaný začátek vstřiku.

   Princip "samozáľehů" vyuľívaný u vznětových motorů má za následek, ľe jejich chod lze zastavit jen odstavením přívodu paliva k motoru. U vstřikovacích čerpadel s rozdělovačem je to prováděno buď elektromagnetickým odstavovačem, jehoľ vinutí je "klíčkem zapalování" odpojeno od napětí a kotva uzavře silou protipruľiny otvor, kterým protéká palivo od vysokotlakého prostoru čerpadla. Nebo se přepouątěcí ąoupátko na pístu vysokotlakého čerpadla přesune do krajní polohy, v níľ je příčně poloľený řídící otvor pístu neustále uvolněn a palivo se jím vrací zpět. U čerpadel s mechanickým regulátorem a ovládači mnoľství paliva se to děje stavěcím mechanismem, který je ovládán řidičem z kabiny, např. bovdenem. U čerpadel s elektronickou regulací je ąoupátko posunuto svým elektromagnetickým stavědlem.

Vstřikovací trysky

   jsou druhým článkem soustavy řízení chodu vznětových motorů. U motorů s nepřímým vstřikem paliva do předkomůrky, nebo do vírové komůrky se pouľívá vstřikovacích trysek otvíraných tlakem paliva přiváděného k nim ze vstřikovacího čerpadla potrubím. Vstřikovací potrubí mezi tryskou a čerpadlem pro jednotlivé válce musí mít stejnou délku, protoľe rozdílné časové průběhu a stlačitelnost paliva by způsobily rozdílná vstřikovaná mnoľství a okamľiky vstřiku.

   Vstřikovací tryska se skládá z drľáku a vlastní trysky. Na horním konci drľáku je napojeno vstřikovací potrubí. Palivo v tlakové komoře trysky tlačí na osazení jehly a otevírá trysku. Po ukončení vstřikování jehlu trysky uzavírá pruľina. Otevírací tlak trysky se nastavuje předepnutím pruľiny.

   Jehla trysky se přesně zalapuje do tělesa trysky, takľe oba dílce se mohou vyměňovat jen společně, podobně jako válec a píst u vstřikovacího čerpadla. Palivo, které prosakuje okolo jehly trysky se odvádí přepadovým potrubím zpět do nádrľe.

   Motory se vstřikem paliva do komůrek pouľívají čepových vstřikovacích trysek. Úprava paliva na směs je u těchto motorů prováděna hlavně vířením nasávaného vzduchu a musí být podpořena odpovídajícím tvarováním vstřikovaného svazku paliva. Čep na jehle trysky formuje tvar palivového svazku a zabraňuje zanesení otvorů trysky karbonem. Pouľívá se válcového, kuľelového a kombinovaného čepu. U trysky s kombinovaným čepem jehly ąkrtí válcová část čepu na začátku zdvihu mnoľství vystříknutého paliva. Chod motoru je proto měkčí, protoľe náběh tlaku při spalování probíhá pomaleji.

®havící svíčky

   Studené vznětové motory se obtíľně startují, protoľe netěsnosti a tepelné ztráty sniľují při stlačování vzduchu konečný kompresní tlak natolik, ľe startování není bez pomocných zařízení moľné. To je zvláą» závaľné u motorů s nepřímým vstřikováním. U nich se jako pomocného zařízení pouľívá horké plochy (ľhavící svíčky), která je umístěna v oddělené komůrce. Dnes se téměr výhradně pouľívá typu s vyhřívaným kolíkem. Svíčka je sloľena z krytu, ve kterém je plynotěsně zalisována topná spirála. Je elektricky odizolována práąkovou náplní a sestává z materiálů s kladným i záporným teplotním součinitelem měrného odporu, takľe toto ľhavící tělísko je sloľeno ze dvou částí. ®havící část z materiálu se záporným součinitelem se stará o rychlé zahřátí svíčky, zatímco regulační část působí svým kladným součinitelem jako omezovač proudu a zabraňuje přehřátí. Vhodnou volbou poměru obou materiálů se dosáhne rychlého ohřátí na teplotu potřebnou pro nastartování motoru bez toho, aby doąlo k překročení přípustné teploty svíčky, není-li např. včas odpojena.

   Teplo z topné spirály vyhřívané elektrickým proudem se přenáąí práąkovou náplní rovnoměrně na ľhavící trubičku krytu svíčky. Palivo vstřikované do spalovacího prostoru není vstřikováno přímo na svíčku, protoľe při styku paliva s jejím ľhavým povrchem by se mohla zničit. Pouze horký vzduch od svíčky je zasahován menąím počtem částeček paliva, které se tam odpaří a zapálí.

   Dříve byly pouľívány i ľhavící svíčky, u kterých byl topný článek odkryt. Svíčka se umís»ovala v komůrce v určité vzdálenosti od hranice rozstřiku paliva. Jestliľe se proud paliva dotkne ľhavící spirály, proces zapálení se zlepąí, ale ľivotnost svíčky se zkrátí.

   Připravení ľhavících svíček ke startování motoru, signalizované rozsvícením kontrolky na přístrojové desce vozidla, bylo dříve řízeno bimetalovým spínačem. Později byla k tomu účelu pouľita elektronická řídící jednotka, zvláątě pro něj konstruovaná. Mimo řízení doby ľhavení svíček v závislosti na teplotě motoru a nasávaného vzduchu, případně i teploty paliva, byly v ní zahrnuty i diagnostické funkce, jako např. signalizace závad svíček, dále ochranné obvody odpojující napájení ľhavení svíček v případech zkratu atd.

   Po zapnutí přepínače "ľhavení-start" do první polohy začíná předehřívání svíček. Jakmile jsou dostatečně horké, rozsvítí se startovní kontrolka a můľe se přikročit ke startování motoru přepnutím přepínače do daląí polohy. Během startu se v horkém stlačeném vzduchu kapičky vstříknutého paliva odpaří a uvolněné teplo způsobí vznik spalovacího procesu. Pokud není motor startován, odpojí ochranný obvod po 10 aľ 20 s napájecí napětí. Tím se zabrání zbytečnému zahřívání svíček a vybíjení baterie. U některých soustav se do řídící jednotky přivádí signál z alternátoru, který informuje, zda motor nastartoval či nikoliv.

   Po nastartování je po určitou dobu, závislou na teplotě, přiváděno napětí na ľhavící svíčky přes předřadný odpor. Tím se udrľuje teplota v komůrce během zahřívání motoru nebo ve volnoběhu na takové výąi, aby nedocházelo k poklesu otáček nebo ke ąkubavému chodu. U nejnovějąích soustav je řízení ľhavících svíček integrováno do řídící jednotky chodu motoru. Dává to moľnost vyuľít v ní zpracovávaných informací k optimálnímu nastavování ľhavících svíček v různých provozních stavech motoru. To poskytuje daląí moľnost omezit emise modrého kouře a hluku.

Přímé vstřikování

   Na rozdíl od nepřímého vstřikování, kde se palivo vstřikuje do oddělené části spalovacího prostoru tvořené tlakovou nebo vírovou komůrkou, ve které je vstřikovací tryska, je u přímého vstřikování palivo vstřikováno přímo do spalovacího prostoru. Ten je vytvářen v horní části pístu jako miskovitá prohlubenina různých tvarů. Vstřikovací tryska je obvykle ve středu hlavy válce, je směrována svisle nebo ąikmo a palivo vstřikuje v několika paprscích s různými úhly.

   Kaľdý z těchto způsobů má své přednosti i nedostatky. Z hlediska jejich pouľití v automobilech jsou zásadními kriteriemi spotřeba, emise ąkodlivin, hlučnost chodu a snadnost startování. Jejich porovnání vyplývá z tabulky.

Parametr motoru Nepřímé vstřikování Přímé vstřikování
s tlakovou komůrkou s vírovou komůrkou
Spotřeba Střední vlivem pomalejąího pohybu vzduchu v tlakové komůrce. Dobrá, malé ztráty při přechodu hořící směsi. Děj je urychlen vírem. Velmi dobrá, přibliľně o 15 aľ 20 % lepąí neľ u komůrkových motorů.
Emise Nízké emise uhlovodíků a oxidů dusíku. Problémy jsou jen po studeném startu. Velmi dobré, zejména malá emise částic, problémy po studeném startu a během zahřívání. Dobré v oblasti plného výkonu, problémy s kouřivostí. Kritické jsou emise oxidů dusíku.
Hlučnost Velmi dobrá, pouze u studeného motoru klepavý zvuk Dobrá, u studeného motoru a při malém zatíľení klepavý zvuk Tvrdąí zvuk v celé provozní oblasti. Sníľení vyľaduje náročnějąí regulaci chodu motoru.
Startovatelnost Zahřívání nasávaného vzduchu bezpodmínečně nutné. Zahřívání nasávaného vzduchu bezpodmínečně nutné. Zahřívání nasávaného vzduchu aľ při nízkých teplotách.

   Jiľ u nepřímého vstřikování byly ukázány výhodu elektronických způsobů řízení chodu motoru z hlediska emisí a hlučnosti chodu. K pouľití přímého vstřikování vedla hlavně niľąí spotřeba motorů jím vybavených a jejich snadnějąí startovatelnost. Aby ale tuto přednosti nebyly zastíněny vyąąími emisemi a hlučností chodu, musí být pouľito daląích opatření, která zmíněné nedostatky související s pouľitím přímého vstřikování, zcela odstraní, nebo alespoň omezí na přijatelnou míru.

   Příčiny horąích parametrů přímého vstřikování souvisí s pouľitým způsobem přípravy palivové směsi a s průběhem jejího spalování. Jelikoľ se u nepřímého vstřikování palivo vstřikuje do komůrky, kde je vysoká teplota, jej průtah vznícení krátký i při velmi rozdílných palivech. Spalování začíná bezprostředně po začátku vstřikování a motor není na kvalitu paliva citlivý. Čepové trysky vstřikují palivo v poměrně úzkém kuľelu a v komůrce je nedostatek kyslíku, takľe dochází ke krakování s následkem pomalého a neúplného spalování. Stoupnutím tlaku v komůrce se celý její obsah vytlačí velkou rychlostí do hlavního spalovacího prostoru, kde se spalování dokončí. V hlavním spalovacím prostoru vznikají silné víry a krakované palivo shoří bez vytváření sazí. Nárůst tlaku i maximální tlak jsou nízké, protoľe krakováním s nedostatkem kyslíku se dosáhne měkkého průběhu spalování. Chod motoru je pak poměrně tichý.

   U přímého vstřikování se palivo v místě vstřiku vstřikuje velkou rychlostí do spalovacího prostoru, jemně se rozpráąí ve vzduchu a vytvoří nerovnoměrnou (heterogenní) směs. V blízkosti palivového paprsku je nedostatek kyslíku, ve větąí vzdálenosti od něj přebytek. Malé kapičky paliva se v horkém vzduchu začnou odpařovat a hořet. Tyto děje začínají tam, kde mají kyslík a teplo nejdříve přístup k povrchu paliva. Spálení vnějąí vrstvy proběhne velmi rychle, protoľe molekuly na povrchu paliva ihned reagují s kyslíkem. Při velké povrchové ploąe vąech kapiček shoří naráz mnoho paliva a změna tlaku na stupeň otočení klikové hřídele i maximální tlak ve válci jsou velké. Celková povrchová plocha vąech kapiček bude velká při jemném rozpráąení paliva a při velkém průtahu jeho vznícení. V takovém případě totiľ bude na začátku spalování ve válci jiľ velké mnoľství paliva. Aby motor neměl velmi tvrdý a hlučný chod, neměla by být změna tlaku ve válci připadající na 1 stupeň natočení klikové hřídele větąí neľ 0.5 MPa.

   Vysoká teplota a velký tlak při nedostatku kyslíku podporují krakování (ątěpení) molekul, které jsou ve vrstvě paliva pod hořící povrchovou vrstvou. Po spálení povrchové vrstvy zachvátí plamen vrstvu pod ní, ale v ní uľ vznikly zlomku molekul a spalování proběhne pomaleji. Počáteční velká rychlost hoření se ke konci spalování zpomaluje, krakování můľe pokročit tak dalece, ľe na konci zbude jen velmi málo reakce schopného aktivního uhlíku. Jestliľe se jej nepodaří dostat dostatečně do styku s kyslíkem, např. silným prouděním vzduchu, uľ neshoří a v formě sazí zabarvuje do tmava výfukové plyny.

   Jestliľe shoří velmi mnoho vstřikovaného paliva jiľ před horní úvratí, jsou nárůst tlaku a maximální tlak ve válci velké a chod motoru je nepříjemně hlučný. Ke konci spalování se následkem reakcí krakování velmi sníľí uvolňování tepla a vzniká nebezpečí tvoření sazí. Pokud ale spalování začne pomalu, ale stupňuje svoji rychlost, pak i při stejném celkovém mnoľství tepla jako v prvním případě, se spalování dříve skončí, takľe účinnost motoru je vyąąí. Rychlejąí průběh spalování ke konci hoření svědčí o minimálním krakování paliva (nafty).

   Vhodného průběhu vývinu tepla se nejsnáze dosáhne regulací průběhu vstřikování, tj. řízením mnoľství vstřikovaného paliva připadajícího na stupeň úhlu natočení klikové hřídele tak, aby se toto mnoľství vhodně měnilo s jejím otáčením. To znamená, ľe při různém natočení hřídele vzhledem k horní úvrati bude vstřikováno různé mnoľství paliva. To lze provádět prostřednictvím některé z následujících funkcí nebo kombinací více z nich:

  • Časově proměnným tlakem sloupce paliva na vstupu vstřikovací trysky.
  • Časově proměnným zdvihem jehly vstřikovací trysky.
  • Časově proměnným průřezem vstřikovacích otvorů během otevírání trysky.

   Nejúčinnějąí je, kdyľ se vstřikované mnoľství paliva během otáčení klikové hřídele mění tak, aby nejprve bylo vstříknuto menąí mnoľství, postačující k vytvoření zapálitelné směsi a v daląím průběhu pak mnoľství potřebné k dosaľení poľadovaného výkonu motoru. Proces veąkerého shoření paliva by měl proběhnout v bezprostřední blízkosti horní úvrati, jinak je hlučnost chodu nejvyąąí a vzhledem k vysokému tlaku a teplotě ve spalovacím prostoru rostou i emise NOx.

   Podle konstrukčního řeąení celé vstřikovací soupravy bývá průběh vstřikování buď spojitý, přičemľ mnoľství postupně roste s různou rychlostí, nebo je přeruąovaný tak, ľe nejdříve se vstřikuje malé mnoľství paliva, asi 6 mm3 na 1 l objemu válce, nazývané předvstřikem, nebo pilotním vstřikem. Za ním následuje krátké přeruąení dodávky paliva a po něm je vstřikována hlavní část dávky. I průběh tohoto vstřiku je zpravidla "modulován".

Způsoby tvarování průběhu vstřiku

   Ke vstřikování paliva se u přímého vstřiku pouľívá otvorových trysek, které palivo vstřikují do miskovitého nebo kulového vyhloubení v horní části pístu válce motoru. Provedení vstřikovací trysky i úhel jejího vestavění mají spolu se vstřikovacím tlakem rozhodující vliv na kvalitu přípravy směsi. Nejčastěji se pouľívá víceotvorových trysek, které mají pod těsnícím kuľelem kanálek, do něhoľ ústí několik výstupních otvorů. Jejich osy leľí na povrchu kuľele s určitým vrcholovým úhlem. Vrcholový úhel, počet i velikost výstupních otvorů a jejich rozmístění, jsou závislé na tvaru kompresního prostoru. Je-li prostor nesouměrný, je zpravidla nesouměrné rozmístění i úhly výstupních otvorů. Počet výstupních otvorů bývá od 3 do 7, průměr otvorů 0.2 mm se můľe zvětąovat aľ o 0.02 mm. Vrcholový úhel jejich kuľele bývá od 15 do 180 stupňů.

   Otvírací tlak otvorových trysek bývá mezi 15 aľ 30 MPa, protoľe musí zajistit jemné rozpráąení paliva. Palivo přiváděné pod takovým tlakem ze vstřikovacího čerpadla působí na osazení jehly trysky a tím ji zvedne ze sedlového uloľení. Otevírací tlak trysky je fixován silou tlačné pruľiny.

   Řízení průběhu zdvihu jehly můľe být prováděno následujícími způsoby:

  • Vestavěním dvou nebo více tlačných pruľin s rozdílnými konstantami pruľnosti do trysky, které budou během zdvihu jehly aktivní a ovlivní účinek průběhu palivového tlaku na průběh zdvihu jehly.
  • Řízením zdvihu jehly elektromagnetem působícím současně s průběhem palivového tlaku. Změna magnetické síly elektromagnetu je řízena průběhem elektrického proudu protékajícího jeho vinutím. Elektromagnet obvykle neotevírá trysku přímo, ale prostřednictvím jím ovládaného ventilu mění tlak paliva působícího na trysku a ta se pak otevře po dobu průtoku proudu vinutím. Průběh otevírání je závislý na časové změně protékajícího proudu

   Při malém zdvihu jehly je vstřikováno málo paliva s poměrně nízkou rychlostí. Je to dáno tím, ľe u otvorových trysek jsou výstupní otvory zpočátku překryty jehlou a v důsledku malé vzdálenosti mezi ní a jejím sedlem vzniká průtočný odpor. Začátek zdvihu jehly je maximální v přítoku k otvorům trysky. S rostoucím zdvihem průtočný odpor klesá a vstřikované mnoľství bude větąí.

   Podstatné zlepąení průběhu spalovacího procesu přináąení nové koncepce vstřikovacích trysek s řízením průřezu trysky. Velikost uvolňovaného vstřikovacího průřezu je také závislá na zdvihu jehly. Průřez se ale mění, takľe při malém zdvihu jehly je menąí, neľ při následném větąím. Malým vstřikovacím průřezem se dosáhne lepąího kompromisu mezi kouřivostí a emisemi NOx.

   Společnost Bosch vyvíjí trysku ovládanou dvěmi pruľinami, nazvanou tryska s varioregistrem. Vyznačuje se dvěma různými, nad sebou leľícími registry vstřikovacích otvorů, pro částečná zatíľení a pro plná. Při menąích zatíľeních je otevírán jen jeden registr a s rostoucím zatíľením je připojen i druhý. V porovnání s otvorovými tryskami pro obdobné zatíľení se takovým řeąením dosahuje výrazně niľąí kouřivosti v dolní oblasti výkonově-otáčkové regulace.

   Pro řízení změnou průtočného průřezu elektromagnetem jsou vyvíjeny konstrukce se dvěma vstřikovacími jehlami integrovanými v drľáku trysky. Byla zkonstruována dvě provedení - koaxiální, nazývané také "tryska v trysce" a tandemové, neboli "tryska vedle trysky".

   U koaxiální vstřikovací trysky jsou vestavěny dvě soustředně uspořádané jehly. S vnějąí jehlou jsou uváděny v činnost vstřikovací otvory pro plné zatíľení motoru, s vnitřní jehlou, která je zavedena do vnějąí, jsou ovládány vstřikovací otvory pro zatíľení dílčí. Obě jehly jsou opatřeny uzavíracími pruľinami, obdobnými konvenčním tryskám a palivo s vysokým tlakem se k nim přivádí současně. Aby se při vstřikování zabránilo otevření obou jehel, je k zadní horní straně té jehly, která má zůstat uzavřena, přiváděno rovněľ stejně tlakované palivo. Přívod paliva s tlakem k zadní straně jehly je řízen 4/2 cestným ąoupátkovým ventilem, který je ovládán elektromagnetem.

   Tato koncepce skýtá velkou volnost v tvarování průběhu vstřiku. Jak pro částečné, tak pro plné zatíľení můľe být libovolně zvolen počet vstřikovacích otvorů i směry paprsků.

   Také v tandemové vstřikovací trysce jsou vestavěny dvě jehly. Nejsou vzájemně soustředně uspořádány, jako v koaxiální trysce, ale leľí jedna vedle druhé. Pouľití tandemové trysky je obdobné. Při vysokých otáčkách a velkém zatíľení je palivo vstřikováno větąími vstřikovacími otvory, zatímco při niľąích otáčkách a malém zatíľení bude pouľito menąích vstřikovacích ovorů. Současný provoz obou vstřikovacích trysek není ani zde předpokládán, přes 4/2 cestný elektromagnetický ventil je otevřena buď jehla trysky pro plné zatíľení nebo jehla pro částečné. Aktivace vhodné z obou jehel je zajią»ována jak u koaxiálního, tak u tandemového provedení, elektromagnetickým ventilem, který je umístěn na horní straně kombinované vstřikovací trysky.


Autodíly MJauto, náhradní díly Brno, Vančurova 5, Židenice tel: 548 533 193, 603 812 458

Alfa Romeo -Audi- Austin- BMW- Citroen- Daewoo- Daf- Daihatsu- Dodge- Ferrari- Fiat- Ford- Honda- Hyundai- Isuzu- Jaguar- Iveco- Jaguar- Jeep- Kia- Lancia- Land Rover- Lexus- Maserati- Mazda- Mercedes- Mini- Mitsubishi- Nissan- Opel- Peugeot- Porsche- Renault- Rover- Saab- Seat- Skoda- Smart- Skoda- Subaru- Suzuki- Toyota- Vauxhal- Volkswagen- Volvo.

Copyright© 1998 - 2012 Autodíly MJauto, všechna práva vyhrazena