Elektronické soustavy užitkových vozidel

end-logo
Sdílejte:

 

Elektronické soustavy užitkových vozidel

RNDr. Bohumil Ferenc, říjen 2000



   Zavádění elektroniky do příslušenství užitkových automobilů výrazně přispělo ke zvýšení jejich užitné hodnoty a to jak zlepšením hospodárnosti provozu a zvýšením jeho bezpečnosti, tak splněním stále náročnějších předpisů na úroveň emisí škodlivin a hluku, tedy faktorů zhoršujících 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 každodenního provozu. Praktické aplikace elektroniky významně přispívající ke zlepšení vlastností vozidel sahají od hnacího ústrojí a brzdových soustav, přes podvozek a řízení, až po kabinu a karoserii. Významné jsou i přínosy elektroniky ke zvýšení aktivní i pasivní bezpečnosti. Informační a komunikační soustavy ve vozidlech usnadňují orientaci řidiče a jeho spojení se základnou; i kontrolu průběhu jízdy.

   Rozvoj elektroniky umožnil vznik soustav, které pracují spolehlivě v jakýchkoliv provozních podmínkách. Zákonodárci, provozovatelé a výrobci pak společně určují podmínky a směry k zajištění provozních požadavků na vozidla, v souhlase s možnostmi, které použití elektroniky poskytuje.

Na úvod

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

   Možnosti jiných prostředků, např. pneumatických nebo hydraulických, dosáhly v použití na vozidlech vrcholů svých možností, takže další zlepšení jsou možná jen spojením těchto prostředků fluidní techniky s mikroelektronikou.

   Rozvoj elektroniky otevřel v oblasti vozidel také nové možnosti rozvoji mechanických soustav. Význam elektroniky je patrný z její zvláštnosti, zjišťovat 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, protože příslušná úloha by byla nad možnosti řidiče i mechanické soustavy.

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

Současný stav techniky

   použité v agregátech užitkových 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 jakož 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 zavěšením 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 krádeži.

   Podle uvážení výrobců jsou některé elektronicky řízené agregáty dodávány jako standardní vybavení vozidla, jiné zase jako zvláště objednávané příslušenství.

Soustavy řízení chodu motoru

   Ke standardnímu vybavení dnešních automobilů se spalovacími motory patří jednoznačně elektronické řízení chodu těchto pohonných jednotek. Většina užitkových vozidel je poháněna vznětovými motory, jejichž výkon je řízen dávkováním množství vstřikovaného paliva. Elektronická regulace směřuje k tomu, aby vstřikované množství bylo při všech 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 zjišťované snímači těchto neelektrických veličin, zejména jeho otáček, teploty a zatížení (to podle množství nasávaného vzduchu nebo podle plnícího tlaku), teploty nasávaného nebo plnícího vzduchu, teploty paliva, případně i rychlosti vozidla. Pro výpočet vstřikovaného množství jsou v paměťových obvodech řídící jednotky soustavy naprogramovány mezní hodnoty pro dosažení úrovně emisí, mechanického a termického zatížení motoru a pro nastavení ovládacích prvků elektrohydraulického ústrojí, které množství paliva ovlivňuje. Jeho ovládací prvky jsou rovněž 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 množství koriguje.

   Elektrohydraulické ústrojí tvoří jednak trysky, které vstřikují palivo do válců motoru ve vhodně tvarovaném kuželu drobných kapiček. Druhým článkem je vysokotlaké čerpadlo, vytvářející tlak paliva nezbytný pro vznik těchto kapiček a k jejich potřebnému rozprášení ve spalovacím prostoru. Tím se vytváří palivová směs, po jejímž 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, používají vstřikovacích čerpadel řadových a čerpadel s rozdělovačem. Tato čerpadla musí splnit několik úloh:

Řadové vstřikovací čerpadlo

   obsahuje pro každý válec motoru jeden čerpadlový článek. Palivo se čerpá z nádrže 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 uložených na společné hřídeli ve vstřikovacím čerpadle, která je spřažena 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 použito.

   Hlavními díly čerpadel jsou válec a píst. Píst se ve válci pohybuje směrem k horní úvrati působením vačky na výše zmíněné hřídeli. Do dolní úvrati je tlačen silou pružiny, 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 až 250 kPa. Pohybuje-li se píst k dolní úvrati, vzniká v prostoru válce podtlak, protože válec se nahoře uzavře silou pružiny 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 přepouštěcí otvor) vzroste tlak ve válci natolik, že 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 okamžikem uzavření otvorů ve válci vstřikovacího čerpadla.

   V pístu je provedena svislá drážka spojená se šikmou regulační hranou. Ukončení dodávky paliva a tedy jeho vstřikované množství, je určeno okamžikem, kdy během pohybu pístu k horní úvrati hrana překryje přepouštěcí otvor. Palivo může odtékat přepouštěcím vedením zpět do palivové nádrže dříve, než píst dosáhne horní úvrati. Tlakový ventil v horní části válce se uzavře a vstřikování paliva se ukončí.

   Na pístu je uložena ozubená regulační objímka, do které zabírá regulační tyč. Posuvem této tyče se mění natočení pístu ve válci, takže se současně natáčí jeho drážka s regulační hranou proti přepouštěcím otvorům ve válci. Děje se to mezi dvěma krajními polohami, při nichž v jedné z nich je svislá drážka přesně proti přepouštěcímu otvoru, takže palivo odtéká přepouštěcím vedením zpět do nádrže a vstřikované množství je nulové. V druhé krajní poloze je natočení takové, že všechno palivo stlačované v prostoru válce čerpadla je dodáváno k trysce. Posuvem regulační tyče čerpadla je tedy ovládáno vstřikované množství 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 přerušovačem přívodu paliva a tlakově a teplotně závislými korektory tohoto množství. Byly schopny realizovat některé typy závislosti polohy regulační tyče na otáčkách motoru při jeho různém zatížení. Regulace se zpravidla prováděla jen v oblasti volnoběžných 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 hlášením polohy regulační tyče. Její poloha se snímá snímačem a porovnává s hodnotou vloženou v paměti řídící jednotky v závislosti na otáčkách motoru. Ty jsou rovněž snímány snímačem, jehož rotor je uložen na vačkové hřídeli vstřikovacího čerpadla. Poloha regulační tyče se koriguje podle dalších parametrů jako je teplota chladící kapaliny nasávaného vzduchu a paliva, plnícího tlaku a rychlosti vozidla. Je také přihlíženo 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 příslušný signál se přivádí ke stavědlu. Elektronická regulace tedy nejen umožňuje realizovat složitější průběhy než mechanická, ale přidává i další funkce, jako řazení rychlosti bez škubání, protože reaguje na odlehčení motoru při neutrálu a vyšlápnutí spojky aj.

   Mimo množství 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, zlepší se charakteristika jeho výkonu i točivého momentu. Motor má pružnější chod a jeho provoz je hospodárnější. 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 závažíček regulátoru, která jsou vyvažována jeho pružinami.

   Pro dosažení nižších úrovní emisí však pouhá otáčková regulace začátku vstřiku nepostačuje. Proto bylo vyvinuto řadové vstřikovací čerpadlo se zdvihovým šoupátkem. Toto provedení umožňuje realizovat volně programovatelný začátek vstřikování. Vstřikované množství je v širokých mezích nezávislé na nastavení začátku vstřiku, které se provádí šoupátkem.

   To běhá v „okénku“ válce vstřikovacího čerpadla po pístu a jeho poloha je měnitelná stavěcí hřídelí. ©oupátka, která jsou uspořádána v každém válci čerpadla, přejímají úlohu dříve popsaných otvorů ve válci pro přívod a přepouštění paliva. Jakmile se při pohybu pístu čerpadla z dolní úvrati uzavře dolní hranou šoupátka řídící otvor provedený uvnitř pístu, vzroste tlak ve válci čerpadla a začne vstřikování paliva. Při pokračujícím zdvihu pístu uvolní jeho šikmá regulační drážka 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 množství se provádí jako u předchozího typu natočením pístu čerpadla. Konstrukční řešení mechanismu natáčení pístu je ale rozdílné, nevyužívá ozubení, ale zajišťuje nezávislé nastavení obou parametrů vstřiku.

   Změna začátku vstřikování probíhá přestavením zdvihového šoupátka ve směru dopravy paliva. Poloha šoupátka blíže horní úvrati pístu čerpadla znamená větší předzdvih a tím i pozdější začátek vstřiku. Poloha blíže dolní úvrati naopak menší předzdvih a dřívější začátek vstřiku.

   Podle použitého tvaru vaček čerpadla se přitom může měnit s rychlostí vstřikování paliva i jeho tlak.

   Ovládání polohy šoupátka je prováděno u všech článků čerpadla současně a to přestavovací hřídelí. Tím je odstraněn hlavní nedostatek setrvačníkové regulace začátku vstřiku – velký přenášený kroutící moment i vazba mezi vstřikovaným množstvím a začátkem vstřiku, běžná u nahoře umístěné regulační hraně pístu u předchozího typu čerpadel.

   Stavěcím členem přestavovací hřídele regulace začátku vstřiku je rovněž elektromagnet, který hřídelí posouvá svisle. Na rozdíl od regulace množství paliva není dráha ani poloha této hřídele snímána, ale je snímán skutečný začátek vstřiku a to snímačem, který je integrován přímo v držáku 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 používána u vznětových motorů středních a těžkých nákladních automobilů a autobusů, kde je požadován větší výkon na válec.

   U rychloběžných vznětových motorů lehčích užitkových vozidel jsou požadována vstřikovací čerpadla s nižší hmotností a menšími zastavovacími rozměry. Tyto požadavky splňují

Vstřikovací čerpadla s rozdělovačem paliva

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

   Vysokotlaké čerpadlo používá pro všechny válce motoru pouze jediného článku. Jeho píst dopravuje palivo zdvihem a otočením jej rozděluje do výstupů k jednotlivým válcům přes rozdělovací drážku. 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 nádrže nízkotlakým vedením, přes palivový filtr, ve kterém jsou zachycovány nejen v něm obsažené nečistoty, ale i voda, jak ve formě emulzí, tak kondenzátu vznikajícího v důsledku teplotních změn. Voda musí být v odpovídajících intervalech vypuštěna, 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 pružinou zatížený šoupátkový ventil, kterým se může měnit tlak ve vnitřním prostoru čerpadla v závislosti na dodávaném množství paliva. Stoupne-li tlak nad hodnotu určovanou silou pružiny, otevře pístek ventilu otvor zpětného odtoku paliva a to proudí tímto kanálem k sací straně lopatkového podávacího čerpadla. Při nižších tlacích paliva, než je určeno nastavením síly pružiny, zůstává otvor zpětného odtoku uzavřen.

   Tlak paliva, potřebný k jeho vstřikování, se získává ve vysokotlaké části. Otáčivý pohyb hnací hřídele se přenáší na rozdělovací píst. Přitom zabírají ozubce hnací hřídele do křížového 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 pružiny. Opírají se o rozdělovací hlavu a působí na rozdělovací píst přes pružinový můstek. Kromě toho brání vratné pružiny odskoku zdvihové vačky od válečků prstence vlivem vyššího zrychlení. Pohyb pístu mezi dolní a horní úvratí je umožněn posouvatelným záběrem ozubců hnací hřídele v křížovém 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 drážkou pístu do vysokotlakého prostoru před píst. V dolní úvrati se sací průřez natočením pístu uzavře a otevře se rozdělovací drážka příslušného válce motoru. Píst se začne pohybovat k horní úvrati. Ve vysokotlakém prostoru před pístem i ve vnitřním otvoru pístu se vytváří tlak, protože příčně položený řídící otvor pístu je uzavřen přepouštěcím šoupátkem. Palivo je dodáváno vypouštěcím otvorem přes tlakový ventil vstřikovacího čerpadla ke vstřikovací trysce příslušného válce.

   Pracovní zdvih je ukončen, jakmile příčně položený řídící otvor pístu dosáhne řídící hrany přepouštěcího šoupátka. Od tohoto okamžiku 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, protože se při posouvání pístu uzavře šoupátkem příčně položený řídící otvor a natočením pístu otvor vypouštěcí. Celý proces proběhne u čtyřválcového motoru během jedné šestiny její otáčky.

   Je zřejmé, že polohou přepouštěcího šoupátka je určen okamžik, kdy palivo přestane být dodáváno ke vstřikovací trysce příslušného válce motoru. Změnou jeho polohy je tedy určováno množství dodávaného paliva.

   Množství paliva pro požadovaný výkon motoru je závislé na sešlápnutí plynového pedálu, který je přímo spřažen s mechanismem měnícím polohu přepouštěcího šoupátka. Určitým rozdílem proti řadovému vstřikovacímu čerpadlu je způsob činnosti otáčkového regulátoru, i když zajiš»uje tytéž funkce, tj. omezovat maximální otáčky motoru, zabezpečovat jeho plynulý chod i ve volnoběhu a ve zbývajícím rozmezí otáček dosáhnout, aby bylo množství paliva závislé pouze na zatížení motoru, tj. na sešlápnutí pedálu. Otáčkový regulátor pracuje také na setrvačníkovém principu, působí ale tak, že podle změny otáček reguluje v malých mezích polohu šoupátka nastavenou plynovým pedálem. Informace o otáčkách motoru se přenáší na setrvačníkový regulátor pohonem od ozubeného kola na hnací hřídeli čerpadla. Kolo zabírá do menšího ozubeného kola otáčejícího závažíčky regulátoru. Vychýlením těchto závažíček je posunována regulační návlačka, která změnou své polohy koriguje nastavení přepouštěcího šoupátka. Podle potřeb motoru bývá tato regulace doplněna různými korektory upravujícími vstřikované množství podle teploty, plnícího tlaku u přeplňovaných motorů a dalších 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 držen pružinou, jejíž předepnutí je vhodně nastaveno. Od lopatkového čerpadla se do prostoru přesuvníku přivádí palivo, jehož tlak se se stoupajícími otáčkami motoru zvyšuje a palivo začne přesouvat píst přesuvníku proti tlaku pružiny. 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 větší, čím větší budou otáčky motoru (a tedy tlak paliva). Tak se posouvá začátek vstřiku směrem od horní úvrati válců motoru. Předepnutí pružiny v pouzdře přestavníku určuje otáčky, od kterých regulace začíná působit.

   Také u vstřikovacích čerpadel s rozdělovačem se prosadila elektronická regulace, jak množství vstřikovaného paliva, tak začátku jeho vstřiku. Elektronická řídící jednotka dostává signály ze snímačů neelektrických veličin charakterizujících provozní podmínky motoru a požadavek 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 přepouštěcího šoupátka na pístu vysokotlaké části provádí elektromagnetické stavědlo, jehož částí je i induktivní nebo potenciometrický snímač polohy šoupátka. Signál z tohoto snímače se přivádí rovněž do řídící jednotky, kde je srovnáván se signálem vypočítaným ze vstupních signálů od ostatních snímačů a v případě rozdílu je provedena potřebná korekce polohy šoupátkem zákrokem stavědla.

   Obdobným způsobem se reguluje začátek vstřiku. Jeho skutečný okamžik 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 vpouští 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 pružiny a píst je jím tlačen do krajní polohy proti síle pružiny. Začátek vstřiku je posunut maximálně. Taktováním se nastavuje potřebné natočení prstence a tedy požadovaný začátek vstřiku.

   Princip „samozážehů“ využívaný u vznětových motorů má za následek, že jejich chod lze zastavit jen odstavením přívodu paliva k motoru. U vstřikovacích čerpadel s rozdělovačem je to prováděno buď elektromagnetickým odstavovačem, jehož vinutí je „klíčkem zapalování“ odpojeno od napětí a kotva uzavře silou protipružiny otvor, kterým protéká palivo od vysokotlakého prostoru čerpadla. Nebo se přepouštěcí šoupátko na pístu vysokotlakého čerpadla přesune do krajní polohy, v níž je příčně položený řídící otvor pístu neustále uvolněn a palivo se jím vrací zpět. U čerpadel s mechanickým regulátorem a ovládači množství paliva se to děje stavěcím mechanismem, který je ovládán řidičem z kabiny, např. bovdenem. U čerpadel s elektronickou regulací je šoupátko 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 používá 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, protože rozdílné časové průběhu a stlačitelnost paliva by způsobily rozdílná vstřikovaná množství a okamžiky vstřiku.

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

   Jehla trysky se přesně zalapuje do tělesa trysky, takže 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 nádrže.

   Motory se vstřikem paliva do komůrek používají 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. Používá se válcového, kuželového a kombinovaného čepu. U trysky s kombinovaným čepem jehly škrtí válcová část čepu na začátku zdvihu množství vystříknutého paliva. Chod motoru je proto měkčí, protože náběh tlaku při spalování probíhá pomaleji.

Žhavící svíčky

   Studené vznětové motory se obtížně startují, protože netěsnosti a tepelné ztráty snižují při stlačování vzduchu konečný kompresní tlak natolik, že startování není bez pomocných zařízení možné. To je zvlášť závažné u motorů s nepřímým vstřikováním. U nich se jako pomocného zařízení používá horké plochy (žhavící svíčky), která je umístěna v oddělené komůrce. Dnes se téměř výhradně používá typu s vyhřívaným kolíkem. Svíčka je složena z krytu, ve kterém je plynotěsně zalisována topná spirála. Je elektricky odizolována práškovou náplní a sestává z materiálů s kladným i záporným teplotním součinitelem měrného odporu, takže toto žhavící tělísko je složeno ze dvou částí. žhavící 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 došlo k překročení přípustné teploty svíčky, není-li např. včas odpojena.

   Teplo z topné spirály vyhřívané elektrickým proudem se přenáší práškovou náplní rovnoměrně na žhavící trubičku krytu svíčky. Palivo vstřikované do spalovacího prostoru není vstřikováno přímo na svíčku, protože při styku paliva s jejím žhavým povrchem by se mohla zničit. Pouze horký vzduch od svíčky je zasahován menším počtem částeček paliva, které se tam odpaří a zapálí.

   Dříve byly používány i žhavící svíčky, u kterých byl topný článek odkryt. Svíčka se umísťovala v komůrce v určité vzdálenosti od hranice rozstřiku paliva. Jestliže se proud paliva dotkne žhavící spirály, proces zapálení se zlepší, ale životnost svíčky se zkrátí.

   Připravení žhavících svíček ke startování motoru, signalizované rozsvícením kontrolky na přístrojové desce vozidla, bylo dříve řízeno bimetalovým spínačem. Později byla k tomu účelu použita elektronická řídící jednotka, zvláště pro něj konstruovaná. Mimo řízení doby žhavení 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 žhavení svíček v případech zkratu atd.

   Po zapnutí přepínače „žhavení-start“ do první polohy začíná předehřívání svíček. Jakmile jsou dostatečně horké, rozsvítí se startovní kontrolka a může se přikročit ke startování motoru přepnutím přepínače do další 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 až 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 žhavící svíčky přes předřadný odpor. Tím se udržuje teplota v komůrce během zahřívání motoru nebo ve volnoběhu na takové výši, aby nedocházelo k poklesu otáček nebo ke škubavému chodu. U nejnovějších soustav je řízení žhavících svíček integrováno do řídící jednotky chodu motoru. Dává to možnost využít v ní zpracovávaných informací k optimálnímu nastavování žhavících svíček v různých provozních stavech motoru. To poskytuje další možnost 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 šikmo a palivo vstřikuje v několika paprscích s různými úhly.

   Každý z těchto způsobů má své přednosti i nedostatky. Z hlediska jejich použití v automobilech jsou zásadními kriterii spotřeba, emise škodlivin, 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 pomalejšího pohybu vzduchu v tlakové komůrce. Dobrá, malé ztráty při přechodu hořící směsi. Děj je urychlen vírem. Velmi dobrá, přibližně o 15 až 20 % lepší než 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 zatížení klepavý zvuk Tvrdší zvuk v celé provozní oblasti. Snížení vyžaduje náročnější regulaci chodu motoru.
Startovatelnost Zahřívání nasávaného vzduchu bezpodmínečně nutné. Zahřívání nasávaného vzduchu bezpodmínečně nutné. Zahřívání nasávaného vzduchu až při nízkých teplotách.

   Již u nepřímého vstřikování byly ukázány výhodu elektronických způsobů řízení chodu motoru z hlediska emisí a hlučnosti chodu. K použití přímého vstřikování vedla hlavně nižší spotřeba motorů jím vybavených a jejich snadnější startovatelnost. Aby ale tuto přednosti nebyly zastíněny vyššími emisemi a hlučností chodu, musí být použito dalších opatření, která zmíněné nedostatky související s použitím přímého vstřikování, zcela odstraní, nebo alespoň omezí na přijatelnou míru.

   Příčiny horších parametrů přímého vstřikování souvisí s použitým způsobem přípravy palivové směsi a s průběhem jejího spalování. Jelikož 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 kuželu a v komůrce je nedostatek kyslíku, takže 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, protože 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 rozpráší ve vzduchu a vytvoří nerovnoměrnou (heterogenní) směs. V blízkosti palivového paprsku je nedostatek kyslíku, ve větší 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 vnější vrstvy proběhne velmi rychle, protože molekuly na povrchu paliva ihned reagují s kyslíkem. Při velké povrchové ploše všech kapiček shoří naráz mnoho paliva a změna tlaku na stupeň otočení klikové hřídele i maximální tlak ve válci jsou velké. Celková povrchová plocha všech kapiček bude velká při jemném rozprášení paliva a při velkém průtahu jeho vznícení. V takovém případě totiž bude na začátku spalování ve válci již velké množství paliva. Aby motor neměl velmi tvrdý a hlučný chod, neměla by být změna tlaku ve válci připadající na 1 stupeň natočení klikové hřídele větší než 0.5 MPa.

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

   Jestliže shoří velmi mnoho vstřikovaného paliva již 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 sníží uvolňování tepla a vzniká nebezpečí tvoření sazí. Pokud ale spalování začne pomalu, ale stupňuje svoji rychlost, pak i při stejném celkovém množství tepla jako v prvním případě, se spalování dříve skončí, takže účinnost motoru je vyšší. Rychlejší průběh spalování ke konci hoření svědčí o minimálním krakování paliva (nafty).

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

   Nejúčinnější je, když se vstřikované množství paliva během otáčení klikové hřídele mění tak, aby nejprve bylo vstříknuto menší množství, postačující k vytvoření zapálitelné směsi a v dalším průběhu pak množství potřebné k dosažení požadovaného výkonu motoru. Proces veškerého shoření paliva by měl proběhnout v bezprostřední blízkosti horní úvrati, jinak je hlučnost chodu nejvyšší a vzhledem k vysokému tlaku a teplotě ve spalovacím prostoru rostou i emise NOx.

   Podle konstrukčního řešení celé vstřikovací soupravy bývá průběh vstřikování buď spojitý, přičemž množství postupně roste s různou rychlostí, nebo je přerušovaný tak, že nejdříve se vstřikuje malé množství paliva, asi 6 mm3 na 1 l objemu válce, nazývané předvstřikem, nebo pilotním vstřikem. Za ním následuje krátké přerušení 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 používá 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 používá víceotvorových trysek, které mají pod těsnícím kuželem kanálek, do něhož ústí několik výstupních otvorů. Jejich osy leží na povrchu kužele 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 může zvětšovat až o 0.02 mm. Vrcholový úhel jejich kužele bývá od 15 do 180 stupňů.

   Otvírací tlak otvorových trysek bývá mezi 15 až 30 MPa, protože musí zajistit jemné rozprášení paliva. Palivo přiváděné pod takovým tlakem ze vstřikovacího čerpadla působí na osazení jehly trysky a tím ji zvedne ze sedlového uložení. Otevírací tlak trysky je fixován silou tlačné pružiny.

   Řízení průběhu zdvihu jehly může být prováděno následujícími způsoby:

   Při malém zdvihu jehly je vstřikováno málo paliva s poměrně nízkou rychlostí. Je to dáno tím, že 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 množství bude větší.

   Podstatné zlepšení průběhu spalovacího procesu přinášení nové koncepce vstřikovacích trysek s řízením průřezu trysky. Velikost uvolňovaného vstřikovacího průřezu je také závislá na zdvihu jehly. Průřez se ale mění, takže při malém zdvihu jehly je menší, než při následném větším. Malým vstřikovacím průřezem se dosáhne lepšího kompromisu mezi kouřivostí a emisemi NOx.

   Společnost Bosch vyvíjí trysku ovládanou dvěmi pružinami, nazvanou tryska s varioregistrem. Vyznačuje se dvěma různými, nad sebou ležícími registry vstřikovacích otvorů, pro částečná zatížení a pro plná. Při menších zatíženích je otevírán jen jeden registr a s rostoucím zatížením je připojen i druhý. V porovnání s otvorovými tryskami pro obdobné zatížení se takovým řešením dosahuje výrazně nižší kouřivosti v dolní oblasti výkonově-otáčkové regulace.

   Pro řízení změnou průtočného průřezu elektromagnetem jsou vyvíjeny konstrukce se dvěma vstřikovacími jehlami integrovanými v držáku 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 vnější jehlou jsou uváděny v činnost vstřikovací otvory pro plné zatížení motoru, s vnitřní jehlou, která je zavedena do vnější, jsou ovládány vstřikovací otvory pro zatížení dílčí. Obě jehly jsou opatřeny uzavíracími pružinami, 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 rovněž stejně tlakované palivo. Přívod paliva s tlakem k zadní straně jehly je řízen 4/2 cestným šoupátkovým ventilem, který je ovládán elektromagnetem.

   Tato koncepce skýtá velkou volnost v tvarování průběhu vstřiku. Jak pro částečné, tak pro plné zatížení může 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 leží jedna vedle druhé. Použití tandemové trysky je obdobné. Při vysokých otáčkách a velkém zatížení je palivo vstřikováno většími vstřikovacími otvory, zatímco při nižších otáčkách a malém zatížení bude použito menších vstřikovacích otvorů. Současný provoz obou vstřikovacích trysek není ani zde předpokládán, přes 4/2 cestný elektromagnetický ventil je otevřena buď jehla trysky pro plné zatížení nebo jehla pro částečné. Aktivace vhodné z obou jehel je zajišťována jak u koaxiálního, tak u tandemového provedení, elektromagnetickým ventilem, který je umístěn na horní straně kombinované vstřikovací trysky.

Ohodnoťte článek


banner pro vstup do katalogu MJauto
Sdílejte: