Vstřikovací čerpadla pro přímé vstřikování

RNDr. Bohumil Ferenc, prosinec 2000

  • Otáčkově závislé soustavy
    • Vstřikovací čerpadla s rozdělovačem
      • Radiální vstřikovací čerpadla s rozdělovačem
      • Soustava "čerpadlo - tryska"
      • Soustava "čerpadlo - potrubí - tryska
  • Soustavy s konstantním maximálním tlakem
  • Soustavy s modulací otáčkově závislého tlaku paliva
  • Opatření na sníľení úrovně emisí
    • Recirkulace výfukových plynů
    • Předehřívání nasávaného vzduchu
  • Obrazy
  • Literatura

   Pro omezení kouřivosti vznětových motorů je důleľité vstřikovat palivo v jemných kapičkách a s vysokou rychlostí. Vstřikování paliva probíhá přibliľně za polovinu doby, neľ u vstřikování nepřímého a s tlakem asi dvojnásobným. K tomu přistupuje jiľ zmiňovaná potřeba řídit průběh vstřikování tak, aby nedocházelo ke zvýąení hlučnosti chodu motoru a k nárůstu emisí oxidů dusíku. Z těchto důvodů byla vyvinuta řada nových typů vstřikovacích čerpadel přizpůsobených ztíľeným podmínkám, zejména tím, ľe umoľňují dokonalejąí elektronické řízení průběhu vstřikování paliva a tím i chodu motoru.

   V současné době se pro přímý vstřik pouľívá dvou druhů vstřikovacích soustav, a to vstřikovací soustavy s otáčkově závislým průběhem tlaku paliva a soustavy s konstantním maximálním tlakem paliva, nazývané zpravidla Common-rail systém. Mimo ně probíhají vývojové práce na soustavách s modulací tlaku paliva, která zůstává nezávislá na otáčkách motoru. Podle toho, do které skupiny soustava vstřikování paliva spadá, je řeąena i konstrukce vstřikovacího čerpadla.

Otáčkově závislé soustavy

   Soustavy s otáčkově závislým průběhem tlaku vstřikovaného paliva jsou v současné době stále nejroząířenějąí, ale i obsáhlejąí skupinou. Pouľívají se u vznětových motorů vąech skupin uľitkových vozidel, počínaje lehkými kabinovými a valníkovými nákladními automobily a konče těľkými kamiony a autobusy. Je zřejmé, ľe se i výkon motoru v kW na válec bude pohybovat rovněľ v ąirokém rozmezí a tím i vstřikovací tlak. A podle velikosti vstřikovacího tlaku musí být vybrán typ čerpadla. Vąem čerpadlům těchto soustav je společné řízení pístu čerpadla vačkou uloľenou na hřídeli, která je poháněna od klikové hřídele motoru. Podle tvaru vačky je pro určité otáčky určován průběh tlakových vln ve vysokotlakém potrubí, dále průběh zdvihu jehly a vstřikovacího průřezu trysky, od čehoľ závisí průběh vstřiku.

   Nedostatkem tohoto způsobu získání vysokého tlaku paliva je, ľe se amplituda tlaku a tím i rychlost vstřiku mění s otáčkami motoru. S klesajícími otáčkami se výstupní rychlost paliva z trysky zmenąuje, coľ způsobuje jeho horąí rozpraąování. Je to nevýhodné pro tvorbu směsi, protoľe při nízkých otáčkách ani energie proudu nasávaného vzduchu tento proces přílią nepodpoří. Konstrukčními opatřeními, jako je dimenzování pístu čerpadla nebo otvorů trysky sice lze rozpraąování paliva v nízkých otáčkách zlepąit, ale musí se přitom dbát na hloubku vniku jeho paprsků, která se s proměnnou výstupní rychlostí paliva z trysky mění také. Přílią dlouhý paprsek při vysokých otáčkách motoru můľe vést k jeho nárazům na stěnu spalovacího prostoru a v jejich důsledku k místnímu neúplnému spalování. Jak jiľ bylo v předchozím uvedeno, je moľno tuto otáčkovou závislost průběhu vstřiku častečně kompenzovat doplňujícím řízením zdvihu jehly trysky a/nebo jejího průtočného průřezu. Významné jsou i způsoby elektronického řízení průběhu vstřikovacího tlaku paliva, které jsou dostatečně rychlé, aby se mohly uplatnit v celém rozsahu otáček motoru.

   I u přímého vstřikování se pouľívá jak vstřikovacích čerpadel s rozdělovačem, tak čerpadel, která mají pro kaľdý válec motoru individuální čerpadlový článek.

Vstřikovací čerpadla s rozdělovačem

   se obdobně jako u nepřímého vstřikování pouľívají předevąím u motorů lehčích uľitkových vozidel. Protoľe při přímém vstřikování je potřebný vyąąí vstřikovací tlak, bylo nutno hledat cesty, kterými se ho dosáhne. Provedením různých konstrukčních vylepąení se u vstřikovacích čerpadel s rozdělovačem a s elektronickou regulací začátku vstřiku a mnoľství vstřikovaného paliva, jak bylo popsáno u nepřímého vstřikování, sice podařilo dosáhnout jistého zvýąení vstřikovacího tlaku, ale se zpřísňováním emisních poľadavků se to ukázalo nedostatečným.

   U těchto čerpadel se vysoký tlak paliva vytváří axiálním posuvem pístu. Začátek dodávky paliva k tryskám a její ukončení, tj. začátek vstřiku a mnoľství vstřikovaného paliva, jsou regulovány ąoupátkem, které je posouváno po pístu.

   Zvýąení hydraulické účinnosti, zejména zmenąením mrtvého objemu a vnitřních ztrát lekáľí je dosaľeno u novějąí varianty vstřikovacích čerpadel s axiálním pístem, u kterých je vysokotlaký objem čerpadla otevírán a uzavírán nikoliv ąoupátkem, ale rychle spínajícím vysokotlakým elektromagnetickým ventilem. Ten otevírá a uzavírá vysokotlaký objem čerpadla a tím nahrazuje posuvné ąoupátko i jeho stavěcí člen. S dvojí funkcí elektromagnetického ventilu je spojena vnitřní bezpečnost soustavy vstřikování, nebo» v případě, ľe je ventil zablokován, buď v otevřeném nebo uzavřeném stavu, pak buď čerpadlo nevytváří vysoký tlak paliva, nebo se jeho vysokotlaký prostor palivem nenaplňuje.

   Vstřikovací čerpadlo tohoto druhu zavedla fa Bosch do sériové výroby v r. 1998 pod označením VP 30 (pro přímé vstřikování). I přes podstatné zlepąení parametrů vstřikování zůstává poměrně výrazná závislost tlaku vstřikovaného paliva na otáčkách motoru. Podle údajů uváděných v literatuře se pohybuje mezi 40 MPa při 500 otáčkách za minutu a kolem 130 MPa při jmenovitých otáčkách 2100 ot./min, v obou případech při plném zatíľení motoru.

Radiální vstřikovací čerpadla s rozdělovačem

   Větąích vstřikovacích tlaků se u čerpadel s rozdělovačem dosáhne, kdyľ se u nich pouľije radiálně posouvaných pístů. Vysokotlaká vstřikovací čerpadla s rozdělovačem pouľívají dvou aľ čtyř pístů, které posouvá v jejich válcích vačkový prstenec. Tento prstenec má ve svém vnitřním sedle profil se čtyřmi přečnívajícími vačkami, v dvojicích proti sobě umístěnými. Tvar vaček předurčuje průběh a délku vstřikování. Poloha prstence se při otáčení hřídele čerpadla nemění. Uvnitř něj se pohybuje kotoučové zakončení hnací hřídele čerpadla, na kterém jsou umístěny dvojice zeąikmených ramen, mezi kterými jsou uloľeny unaąeče přenáąející otáčivý pohyb hnací hřídele na rotor rozdělovače. Pro kaľdý píst čerpadla je provedena dvojice ramen na hnací hřídeli a dvojice unaąečů na rozdělovači paliva. Mezi kaľdou dvojicí unáąečů rozdělovače je vloľeno vodítko, pod kterým se nachází přísluąný píst čerpadla. Ten je volně posuvný v kompresní komoře, kterou je otvor v rozdělovači vrtaný kolmo na jeho podélnou osu. Mezi dvěma zuby na horní části vodítka je uloľen váleček, který se při otáčení hnací hřídele (a tím i rozdělovače) odvaluje po vnitřním obvodě vačkového prstence. Jestliľe se váleček nachází proti vačce prstence, je píst tlačen směrem ke své "horní" úvrati a palivo je vytláčeno z válce. Pohybuje-li se váleček v oblasti za vrcholem vačky, je píst vytlačován směrem k "dolní" úvrati tlakem paliva, který mu dodává podávací čerpadlo. To se nachází rovněľ na hnací hřídeli vstřikovacího čerpadla. Tlak paliva tedy bude tím větąí, čím rychleji se hnací hřídel otáčí, tj. čím vyąąí jsou otáčky motoru. Tlak je omezován tlakovým ventilem na výstupu z podávacího čerpadla.

   Palivo přitéká do vąech válců současně a to otvorem v ose rotoru rozdělovače. Děje se to při pohybu pístů k dolní úvrati, takľe prostor ve válcích se zaplňuje palivem, jehoľ mnoľství je závislé na poloze dolní úvrati pístů. Tato poloha se mění posouváním rotoru rozdělovače podél jeho osy. Přitom se posouvají zeąikmené plochy vodítek pístů po zeąikmených plochách ramen na hnací hřídeli. Čím blíľe bude rotor rozdělovače ke kotouči hnací hřídele, tím menąí bude zdvih pístů čerpadla, protoľe vodítko bude stlačeno blíľe k ose rozdělovače. Naopak, čím větąí bude vzdálenost mezi rotorem rozdělovače a hnací hřídelí, tím větąí můľe být zdvih pístů a v kompresních komorách rozdělovače bude více paliva.

   Axiální posun rotoru rozvaděče paliva je řízen změnou mnoľství paliva, které je vtlačováno do řídící komory pro jeho polohu. Tlak paliva působí na jednom konci rotoru rozvaděče proti síle protipruľiny působící na konci druhém. Mnoľství paliva protékající do řídící komory je ovládáno dvěma elektrohydraulickými ventily. Připojením napětí na vinutí ventilu "-" se mnoľství paliva v řídící komoře zvýąí, jeho tlak překoná sílu protipruľiny, rotor rozvaděče se posune blíľe ke hnací hřídeli čerpadla a do kompresních komor vysokotlaké části se dostane menąí mnoľství paliva pro vstřik.

   Připojením napětí na vinutí ventilu "+" se naopak mnoľství paliva v řídící komoře sníľí, síla protipruľiny překoná jeho tlak a rotor rozvaděče se posune dále od hnací hřídele. Mnoľství paliva v kompresních komorách se zvýąí a tím bude i více paliva pro vstřik.

   Napě»ový signál pro nastavení dávky vstřikovaného paliva je na vinutí elektrohydraulických ventilů přiváděn z elektronické řídící jednotky, která jej upravuje podle signálů přicházejících z obdobných snímačů, jak bylo dříve popsáno u vstřikovacích čerpadel pro nepřímé vstřikování. Signál polohy rotoru rozvaděče v axiální rovině se získává z vinutí indukčnosti, do které je zasouváno ľelezové jádro, takľe její velikost se mění podle toho, jak hluboko je toto jádro, upevněné na konci rotoru rozdělovače v řídící komoře, zasunuto dovnitř vinutí snímače. Tohoto způsobu řízení mnoľství vstřikovaného paliva je pouľito u soustavy EPIC fy Lucas, která byla uvedena do sériové výroby jiľ koncem 80-tých let. Tato vstřikovací čerpadla s elektronickou regulací nahradila typy s mechanickým ovládáním, označované CAV DPA, u kterých bylo mnoľství paliva přiváděného od podávacího čerpadla do kompresní komory rozdělovače, řízeno dávkovacím ventilem ovládaným mechanicky od plynového pedálu. Mimo to bylo u čerpadel pouľito hydraulické regulace podle teploty motoru a setrvačníkové podle jeho otáček, coľ dále zvyąovalo jak sloľitost čerpadla, tak pracnost jeho nastavení. Elektronická regulace je tedy podstatně jednoduąąí a přitom umoľňuje řídit vstřikování prakticky podle libovolného počtu parametrů, které mají vliv na chod motoru.

   Rotor rozdělovače paliva je řeąen tak, ľe otvor provedený v jeho ose je spojen s více otvory kolmými na tuto osu. Pro přítok paliva do kompresních komor je to více otvorů a jejich počet je závislý na počtu válců motoru. Jsou rozmístěny pod obvodovými úhly rovněľ závislými na počtu válců motoru. Dále má jediný otvor pro odtok paliva ke vstřikovacím tryskám. Při otáčení hnací hřídele čerpadla se proti přítokovému kanálu v tělese rozdělovače nachází při pohybu pístů k jejich dolní úvrati vľdy některý z vícenásobných otvorů rotoru. Při pohybu pístů k horní úvrati je zmíněný jediný otvor v poloze proti kanálku, kterým odtéká palivo k jedné "pracovní" vstřikovací trysce.

   Elektronicky je regulován i začátek vstřiku. Přitom je vyuľíváno obdobného principu, jaký byl popsán u čerpadla s rozdělovačem pro nepřímé vstřikování. Je to pootáčení vačkového prstence prováděné mechanismem, který je řízen prostřednictvím tlaku paliva přiváděného od podávacího čerpadla. Tento tlak je závislý na otáčkách motoru, se zvyąujícími se otáčkami roste. Tlak působí na píst v řídící komoře regulace začátku vstřiku. Z druhé strany působí na píst protipruľina, která píst posouvá do výchozí polohy. S růstem tlaku je její síla překonávána a posunem pístu dochází k natočení vačkového kotouče a tím ke změně začátku vstřiku. Aby regulace zahrnovala i vliv daląích parametrů motoru, nejen jeho otáček, je palivo od podávacího čerpadla přiváděno přes proporcionální elektrohydraulický ventil, k jehoľ vinutí je přiváděn napě»ový signál z řídící jednotky, odvozený od jejích vstupních signálů z různých snímačů.

   Na rozdíl od soustav fy Bosch není začátek vstřiku snímán přímo, podle signálu ze snímače vstřikovací trysky, který indikuje okamľik jejího otevření, ale z polohy pístu, který natáčí vačkovým prstencem. Snímač je obdobného typu jako snímač axiální polohy rotoru rozdělovače paliva, tj. prostřednictvím indukčnosti, jejíľ hodnota se mění zasouváním nebo vysouváním jejího jádra upevněného na konci pístu, tentokrát vąak na straně protipruľiny, nikoliv v řídící komoře.

   Obdobným způsobem jako v čerpadle nepřímého vstřikování, kde se přívod paliva do vysokotlaké části čerpadla otevírá nebo uzavírá elektrohydraulickým ventilem, je to prováděno i v tomto typu čerpadla. Palivo se přivádí do kanálku v tělese rozdělovače přes tento ventil, který je otevřen při startu a chodu motoru, dokud jeho otáčky nepřekročí maximálně přípustnou hodnotu. V takovém případě je ventil uzavírán. Ovládání ventilu je opět prováděno signálem z řídící jednotky.

   I fa Bosch zavedla do výroby radiální vstřikovací čerpadlo s rozdělovačem a to pod označením VP 44. Na rozdíl od vstřikovacího čerpadla EPIC fy Lucas je u čerpadla fy Bosch k řízení mnoľství vstřikovaného paliva pouľito rychle přepínajícího elektrohydraulického, centrálně uspořádaného ventilu. Vzhledem k podstatně vyąąí rychlosti probíhajícího děje je moľno přizpůsobit mnoľství paliva u kaľdého jednotlivého vstřikování. Předností je i moľnost nezávislé volby začátku vstřikování. Vstřikování začíná okamľikem uzavření elektromagnetického ventilu, ke kterému dojde v dolní úvrati vačky. Palivo je dodáváno přes tlakový ventil ke vstřikovací trysce. Otevřením magnetického ventilu je určen konec dodávky paliva. Vstřikované mnoľství je také závislé na úhlu překrytí vačky během doby, kdy je elektromagnetický ventil uzavřen. Okamľiky uzavření a otevření elektromagnetického ventilu vypočítává řídící jednotka jako úhel vačky, ve kterém má k tomu dojít. Informace o vačkových úhlech je do řídící jednotky přiváděna ze snímače spřaľeného s hnací hřídelí čerpadla. Snímač je magnetorezistivního typu a obsahuje kolo s dělením po 3 stupních. Dělení je přeruąováno referenční značkou pro kaľdý válec motoru.

   U středních a zejména u těľkých uľitkových vozidel, které obvykle mívají motor s větąím počtem válců i s větąím objemem, nemůľe být z celé řady důvodů vstřikovacích čerpadel s rozdělovačem pouľito. Tlak paliva potřebný ke vstřikování je tam vyąąí, takľe rostou nároky na pevnost vysokotlakého potrubí mezi čerpadlem a tryskami. Velký problém by vznikl z rozdílné délky těchto potrubí přivádějících palivo k jednotlivým válcům. Proto byly vyvinuty nové typy vstřikovacích čerpadel, které mají pro kaľdý válec motoru samostatný článek, obdobně jako u řadových čerpadel. Ten dodává své vstřikovací trysce potřebné mnoľství paliva v určený okamľik, tj. v nejvhodnějąí poloze klikové hřídele motoru. Potřebný tlak vstřikovaného paliva se získává vačkami umístěnými na vačkové hřídeli motoru. Na této hřídeli se větąinou nacházejí i vačky pro řízení ventilů motoru.

   Protoľe aerodynamický odpor a délka sacího potrubí k jednotlivým válcům motoru nejsou stejné, musí být mnoľství vstřikovaného paliva i začátek vstřiku přizpůsobeny rozdílům v těchto podmínkách. Jinak by nebylo sloľení směsi v jednotlivých válcích shodné, coľ by vedlo k nerovnoměrnosti chodu motoru a tedy k růstu jeho hlučnosti.

   Jak bylo v předchozím popsáno, je moľno regulovat začátek vstřiku a mnoľství vstřikovaného paliva (délky vstřiku) buď v čerpadle nebo ve vstřikovací trysce. Tato skutečnost vedla ke vzniku dvou typů vstřikovacích soustav označovaných jako "čerpadlo - tryska" nebo "čerpadlo - potrubí - tryska".

Soustava "čerpadlo - tryska"

   spojuje obě části vstřikovací soustavy do jednoho konstrukčního celku. Těchto dílů je ve vstřikovací soustavě tolik, kolik válců má motor. Díly jsou vestavěny přímo ve válcové hlavě a jsou poháněny vačkovou hřídelí umístěnou rovněľ na hlavě válců. Začátek vstřiku a vstřikované mnoľství paliva jsou řízeny rychle reagujícím elektromagnetickým ventilem. Je-li ventil otevřen, palivo odtéká zpětným odtokem z čerpadla do nádrľe. Jakmile se ventil uzavře, potom tryska vstřikuje palivo do spalovacího prostoru válce. Tlak potřebný k otevření trysky je vytvářen vačkou, která působí na píst čerpadla. Tímto tlakem je překonávána síla protipruľiny, která jinak trysku uzavírá. Okamľikem uzavření ventilu je určen začátek vstřiku paliva. Mnoľství vstříknutého paliva je dáno dobou uzavření ventilu. Jakmile se ventil otevře, vstřikování se ukončí.

   Otevírání a uzavírání elektromagnetického ventilu je řízeno signálem z řídící jednotky na základě vstupních informací ze snímačů různých veličin charakterizujících provozní podmínky motoru a okolí, dále pak přání řidiče. V paměti řídící jednotky je uloľeno pole charakteristik pro daný motor, ze kterého se podle vstupní informace ze snímačů stanoví začátek a konec vstřiku. Oba parametry mohou být naprogramovány libovolně, zcela nezávisle na poloze pístu ve válci motoru.

   Elektronická regulace umoľňuje různé doplňující funkce, jako teplotně závislé řízení začátku vstřiku, regulaci tichosti chodu motoru, tlumení ąkubání při chodu, případně i odpojení přívodu paliva k jednotlivým válcům motoru při jeho provozu s částečným zatíľením.

   Předvstřik malého mnoľství paliva pro zlepąení parametrů motoru se u těchto integrovaných vstřikovacích čerpadel musí řídit jiným způsobem neľ u oddělených vstřikovacích trysek, např. se dvěmi pruľinami s různou tuhostí. K obvyklým způsobům realizace předvstřiku patří provedení dráľek v pístu čerpadla a ve stěně jeho válce. Ty umoľňují při pohybu pístu čerpadla k HÚ (stlačování paliva) krátkodobé přeruąení dodávky ke trysce přepuątěním paliva přes otvory ve stěně válce.

   Jinou moľností je způsob, při kterém se tryska otevře zvednutím jehly, na jejíľ dřík působí tlak paliva dodávaného z vysokotlakého prostoru čerpadla. Zásobníkový ventil pak odebere část paliva pod vysokotlakovým členem a současně zvýąí sílu pruľiny trysky, takľe jehla trysku znovu uzavře. Tím se předvstřik ukončí. V daląím průběhu dodávky se vstřikovací tlak zvyąuje a otevře trysku ke vstříknutí hlavní dávky paliva. Otevřením elektromagnetického ventilu se vstřikování ukončí.

   Vzhledem k tomu, ľe odpadá vstřikovací potrubí, je moľno dosáhnout nejvyąąích vstřikovacích tlaků i vhodného tvarování jejich průběhu. Na druhé straně rostou nároky na konstrukční řeąení motoru, zejména v prostoru hlavy válců. Z těchto hledisek je výhodnějąí

Soustava "čerpadlo - potrubí - tryska

   coľ je modulárně sestavená vysokotlaká vstřikovací soustava. Způsob regulace její činnosti je velmi podobný soustavě čerpadlo - tryska. Jako ona obsahuje jedno vstřikovací čerpadlo pro kaľdý válec motoru. Toto čerpadlo je poháněno vačkovou hřídelí motoru prostřednictvím přídavné vstřikovací vačky. Elektronicky řízeným, rychle spínajícím elektromagnetickým ventilem je přesně nastavován začátek vstřiku i vstřikované mnoľství paliva pro kaľdý válec motoru. Mimo to čerpadlo dodává palivo ke vstřikovací trysce, dodávku paliva přeruąuje a umoľňuje zpětný odtok nevstříknutého paliva do palivové nádrľe.

   Tyto činnosti jsou zajią»ovány během čtyř fází, které proběhnou během kaľdé otáčky vačkové hřídele, na které se nachází vstřikovací vačka. První fází je sací zdvih, během kterého se čerpadlový díl (píst) posouvá v otvoru tělesa čerpadla (válci) směrem k dolní úvrati působením síly pruľiny na zdvihátko s kladkou. Palivo se ke vstřikovacímu čerpadlu přivádí z podávacího čerpadla pod tlakem 400 aľ 600 kPa a je jím plněn přes napájecí kanál vysokotlaký prostor v tělese vstřikovacího čerpadla.

   Daląí fází je předzdvih, během kterého se čerpadlový díl pohybuje směrem ke své horní úvrati. Protoľe elektromagnetický ventil není zatím uzavřen, je palivo vytlačováno nejdříve do vyrovnávacího prostoru a potom do kanálu zpětného odtoku.

   Podávací zdvih nastává uzavřením elektromagnetického ventilu, během pohybu čerpadlového dílu k jeho horní úvrati. V této fázi se uskutečňuje vstřikování paliva tryskou do válce motoru. Během ní stoupá tlak paliva ve vysokotlakém prostoru čerpadla aľ k 180 MPa.

   Zbytkový zdvih je poslední fází. Nastává po otevření elektromagnetického ventilu (konec dodávky), po kterém tlak paliva ve vysokotlakém prostoru vstřikovacího čerpadla rychle klesne. Během pohybu čerpadlového dílu aľ k vrcholovému bodu vstřikovací vačky (tj. do horní úvrati) je zbylé palivo opět vytlačováno do vyrovnávacího prostoru a do kanálu zpětného odtoku. Vyrovnávací prostor působí jako expanzní prostor pro tlakové ąpičky čerpadla během zbytkového zdvihu. Je nezbytný pro zabránění jejich vlivu přes zpětný odtokový kanál na tlakové poměry sousedních čerpadlových článků.

   Vstřikovací soustava "čerpadlo - potrubí - tryska" má díky svému modulárnímu uspořádání mnohostranné pouľití. Krátké vysokotlaké potrubí mezi čerpadlem a tryskou poskytuje více volného prostoru pro uspořádání vačkové hřídele v motorovém bloku nebo ve válcové hlavě. Protoľe přicházejí v úvahu pro pouľití i běľné vstřikovací trysky, hodí se taková soustava obzvláątě pro malé průměry válců (vrtání) a také pro čtyřventilovou techniku se středovou polohou trysky.

Soustavy s konstantním maximálním tlakem

   se vyznačují tím, ľe se tlak paliva vytváří nezávisle na průběhu vstřikování. Palivo je z nádrľe čerpáno nízkotlakým čerpadlem a pod tlakem 300 aľ 500 kPa přiváděno k vysokotlakému. Vysokotlaké čerpadlo je obvykle s více radiálními písty a je mazáno palivem. Můľe být umístěno, podobně jako čerpadla s rozdělovačem, na motoru a od něj poháněno s otáčkami vačkové hřídele. Kdyľ dosáhne tlak přítoku paliva před vysokotlakým čerpadlem asi 50 kPa, otevírá se odpojovací ventil a válce tohoto čerpadla se během sacího zdvihu plní přes přívodní ventil palivem. Jakmile během podávacího zdvihu převýąí tlak paliva ve válci čerpadla velikost jeho tlaku v přítoku, přívodní ventil se uzavře a palivo je dodáváno přes vypouątěcí ventil do rozdělovací trubice. Tato trubice je vyuľívána nejen k rozdělování paliva ke vstřikovacím tryskám, ale i jako jeho vysokotlaký zásobník. Tlumí se v něm tlakové výkyvy vznikající při činnosti vysokotlakého čerpadla, ale zejména od tlakových vln v průběhu vstřikování.

   Tlak paliva v rozdělovací/zásobníkové trubici je řízen elektronicky ovládaným regulátorem tlaku. Tento reguluje tlak paliva soustavy v celém provozním rozsahu motoru podle charakteristik uloľených v paměti řídící jednotky. Tlak soustavy je přitom nezávislý jak na vstřikovaném mnoľství paliva, tak na jeho mnoľství dodávaného z čerpadla. Ke snímání velikosti tlaku v rozdělovací/zásobníkové trubici slouľí tlakový snímač, jehoľ výstupní signál se přivádí do řídící jednotky, ve které se porovnává skutečný tlak s naprogramovaným a v případě odchylky se vytváří korekční napětí pro regulátor tlaku.

   Zásobník (trubice) musí být na jedné straně dostatečně elastický, aby účinně tlumil tlakové pulzace paliva vlivem jeho odběru při vstřiku i kolísání během jeho dodávky z vysokotlakého čerpadla. Na druhé straně ale musí být přiměřeně tuhý, aby se v něm tlak paliva dostatečně rychle přizpůsoboval provozním potřebám motoru. Je časté, ľe změny tlaku mohou probíhat od 15 aľ do 135 MPa (je to závislé na parametrech vznětového motoru).

   Rozdělovací/zásobníková trubice přivádí palivo přes krátké vysokotlaké potrubí ke vstřikovacím tryskám. Je společná pro vąechny válce motoru, proto se vstřikovací soustava nazývá obvykle anglickým termínem "common rail", tj. společná trubice.

   Do vysokotlakého spojení trubice s tryskami bývá někdy vkládán omezovač průtoku paliva, který reaguje na trvalou lekáľ jednotlivých trysek a postiľenou trysku odpojí od napájení palivem. K ochraně před nepřípustným přetlakem můľe být pouľito omezovacího ventilu, buď v čerpadle nebo v trubici. Vstřikované mnoľství paliva je určováno jeho tlakem a dobou otevření vstřikovací trysky. Trysky jsou otevírány elektrickým signálem z řídící jednotky. Jejich činnost i konstrukční provedení byly popsány v předchozím.

   Nadbytečné palivo se vrací ze vąech vysokotlakých dílů soustavy do palivové nádrľe, někdy přes palivový filtr, ve kterém se vyuľívá jeho tepla k ohřátí paliva přiváděného z nádrľe, pokud je to potřebné. Za ním následuje chladič, který potlačí zbylé teplo v palivu, neľ je přivedeno zpět do nádrľe. Neľádoucí zvýąení teploty nadbytečného paliva je důsledkem pouľitého způsobu regulace jeho tlaku. Nadbytečné palivo se odpouątí aľ za vysokotlakým čerpadlem, takľe toto musí vytvářet vyąąí tlak, neľ je skutečně potřebné. Kromě nezbytného ochlazování paliva v nízkotlaké části je potřebný vyąąí výkon motoru vyuľitý k dosaľení vysokého tlaku paliva v čerpadle, coľ sniľuje jeho termodynamickou účinnost (motoru). Z uvedených důvodů je ve vývoji nový typ vysokotlakého čerpadla, označovaného CP3. S tímto čerpadle se provádí regulace tlaku paliva v rozdělovací/zásobníkové trubici nastavením jeho mnoľství dodávaného z vysokotlakého čerpadla. Elektromagneticky řízeným ąoupátkovým ventilem se můľe měnit plnění vysokotlakého dílu čerpadla mezi 0 % a 100 % geometrického objemu pro dodávku a tak přizpůsobit mnoľství paliva dodávaného čerpadlem provozním podmínkám motoru.

   Elektronická řídící jednotka zpracovává signály ze snímačů parametrů motoru a daląích veličin větąinou obdobného druhu jako u soustav v předchozím popsaných typů. Rozdíl je jen ve snímání tlaku paliva v rozdělovacím potrubí, které není u jiných typů soustav pouľíváno.

Soustavy s modulací otáčkově závislého tlaku paliva

   mají za cíl kompenzovat nedostatky v tvarování průběhu vstřiku, vznikající u soustav s čerpadly vytvářejícími vysoký tlak paliva prostřednictvím vačky. Průběh tlaku paliva vytvářený čerpadlem s vačkou je závislý na otáčkách motoru, lze jej vąak upravit pomocí přídavných dílů buď na samém čerpadle nebo na vstřikovací trysce. Takové soustavy mají vyhovět řadě poľadavků:

  • Mít vysoký potenciál vstřikovacího tlaku (>160 MPa).
  • Umoľnit provádět předvstřik malého mnoľství paliva jak odstupňovaně, tak oddělením od hlavní dodávky (viz popis v předchozí části).
  • Dovolovat nezávislé nastavení těchto parametrů:
    • Začátek předvstřiku nebo "pilotního" vstřiku.
    • Začátek vstřiku hlavní dávky.
    • Konec vstřiku hlavní dávky, tj. vstřikované mnoľství.
  • Dovolovat nastavení tlakové úrovně předvstřiku.
  • Vytvářet poměrně pomalý náběh tlaku paliva na začátku vstřiku hlavní dávky.
  • Rychle ukončit vstřik hlavní dávky.
  • Umoľnit nastavení maximálního vstřikovacího tlaku.
Navíc by dosaľení potřebných vlastností mělo být docíleno s co největąím podílem jiľ vyráběných dílů, případně upravených.

   Splnění větąiny z výąe uvedených poľadavků umoľňují úpravy navrľené fou AVL na soustavě "čerpadlo- tryska". Spočívají v následujícím. Vysokotlaký prostor čerpadlové části je opatřen nejen kanálem, kterým se přivádí palivo do prostoru pod dřík jehly, ale i daląími dvěma odtokovými kanály. K jednomu z nich je připojen elektromagnetem uzavíraný ventil přímo, ke druhému obdobný ventil přes ventil omezení tlaku. Jestliľe jsou elektromagnety ventilů bez napětí, jsou oba ventily otevřeny. Pohybuje-li se píst čerpadla působením vačky směrem k horní úvrati, je palivo vytláčeno přes první ventil zpět do palivové nádrľe. Přivedením napětí na vinutí elektromagnetu tohoto ventilu se odtok uzavře. Daląím pohybem pístu čerpadla k HÚ tlak paliva v prostoru pod pístem roste. Jakmile dosáhne hodnoty otevíracího tlaku trysky, začne vstřikování paliva do spalovacího prostoru válce motoru. Pokračujícím pohybem pístu čerpadla tlak paliva dále roste, aľ se otevře ventil omezení tlaku. Od tohoto okamľiku, při trvajícím předvstřiku, zůstává tlak paliva přibliľně konstantní. Nadbytečné mnoľství paliva odtéká otevřeným druhým elektromagnetickým ventilem do palivové nádrľe. Vstřikování hlavní dávky začne okamľikem přivedení napětí na vinutí elektromagnetu druhého ventilu. Ventil se uzavře a odtok paliva s omezeným tlakem se přeruąí. Od tohoto okamľiku poroste tlak paliva, jak je to obvyklé u soustavy "čerpadlo - tryska". Konec vstřikování nastane odpojením napětí od vinutí elektromagnetu prvního ventilu. Ventil se otevře a stlačené palivo bude odtékat aľ se poklesem jeho tlaku tryska uzavře a vstřikování se ukončí. Po dosaľení polohy maximálního zdvihu (HÚ) pístu čerpadla je píst vracen čerpadlovou protipruľinou po základní kruľnici vačkového profilu. Přitom se válec čerpadla opět plní palivem přes otevřený první ventil. Pruľnost této soustavy dovoluje realizovat téměř libovolný průběh vstřiku a přizpůsobit se co nejlépe provozním podmínkám motoru a do jisté míry i jejich změnám. To se projeví příznivě na parametrech motoru, jak výkonových tak emisních.

Opatření na sníľení úrovně emisí

   I kdyľ elektronická regulace začátku vstřiku a mnoľství vstřikovaného paliva umoľňuje optimalizovat tyto parametry vstřikování podle celé řady veličin charakterizujících provozní podmínky motoru i poľadavky na jeho výkon, je nastavení vľdy určitým kompromisem. Ten vąak nevyplývá z omezených moľností elektroniky, ale je způsoben protikladnými závislostmi různých charakteristik motoru na parametrech vstřikování. To platí zejména pro úroveň emisí ąkodlivin ve výfukových plynech. Například emise NOx rostou, jestliľe se začátek vstřiku více předbíhá proti optimálnímu úhlu klikové hřídele. Naopak ale úroveň emisí HC se při zvyąování doby mezi začátkem vstřiku a HÚ sniľuje. Sniľováním této doby (vstřik blíľe HÚ) stoupají emise HC a klesají emise NOx.

   Úroveň emisí HC, NOx, ale i CO a zčásti i kouřivost jsou závislé na poměru mnoľství vstřikovaného paliva k mnoľství nasávaného vzduchu. I zde je průběh závislosti emisí na sloľení spalovací směsi jiný pro NOx (čím je směs chudąí, tím jsou emise vyąąí) neľ je tomu u emisí HC, CO a kouřivosti. U tohoto parametru vstřikování je ale kompromis prakticky neřeąitelný, protoľe na mnoľství vstřikovaného paliva závisí výkon motoru, jde o tzv. kvalitativní regulaci jeho výkonu. Jaké bývají poměry v krajních případech, tj. ve volnoběhu a při maximálním zatíľení motoru, je uvedeno v následující tabulce převzaté z příručky "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch" fy Bosch.

Sloľka výfukových plynů Volnoběh Nejvyąąí výkon
Oxidy dusíku [obj. %] 0.005 .. 0.025 0.06 .. 0.15
Uhlovodíky [obj. %] 0.05 .. 0.06 0.02 .. 0.06
Oxid uhelnatý [obj. %] 0.01 .. 0.045 0.035 .. 0.2
Oxid uhličitý [obj. %] .. 3.5 .. 12
Saze [mg/m3] 20 200
Teplota ve výfuku [°C] 100 .. 200 550 .. 750

   Je třeba dodat, ľe z hlediska emisí jsou největąí nároky na přesnost nastavení začátku vstřiku. Odchylka o 1 stupeň natočení klikové hřídele od optimální polohy můľe zvýąit emise NOx nebo HC asi o 15 %. Z tohoto důvodu je nejvýhodnějąí elektronická regulace, u které můľe být dosaľeno vysoké přesnosti, jestliľe je začátek vstřiku měřen přímo ve vstřikovací trysce. U soustav přímého vstřikování pouľívajících trysky s dvěmi pruľinami byla provedena úprava snímače proti tryskám pro nepřímé vstřikování. Z průběhu napětí takového snímače rozpozná řídící jednotka jak rychlost pohybu trysky, tak velikost jejího zdvihu a určí průběh vstřikování. Vznikne-li odchylka od naprogramovaných charakteristik, vytvoří se korekční signál ovládající stavěcí členy regulace vstřiku.

   Vzhledem k protichůdnosti průběhů závislostí různých charakteristik motoru na parametrech vstřikování, a» jde o začátek vstřiku, nebo o délku vstřikování, tj. mnoľství vstříknutého paliva, které určují sloľení směsi, není moľno zajistit stále náročnějąí poľadavky emisních předpisů pouze regulací vstřikování. V řadě případů musí být pouľito jiných způsobů omezení nepříznivých vlivů, které mají za následek zhorąení emisních charakteristik. Přitom je třeba respektovat základní skutečnost, ľe výkon vznětového motoru je ovládán změnou sloľení směsi. Čím větąí výkon je poľadován, tím více paliva musí být během přísluąné části pracovního cyklu do válce vstříknuto. Poměr tohoto mnoľství paliva ku mnoľství vzduchu nasávaného nebo natlakovaného do válce je nazýván součinitelem přebytku vzduchu lambda. U tzv. chudých směsí, jaké jedině přicházejí v úvahu u vznětových motorů, je toto bezrozměrné číslo vľdy větąí neľ 1.0. Vzhledem k tomu, ľe při vzduchovém čísle <1.3 dochází k nadměrné kouřivosti motoru, nemůľe být vstřikované mnoľství paliva větąí neľ odpovídá této dolní mezní hodnotě součinitele přebytku vzduchu. Z toho důvodu jsou pouľitelná pouze taková opatření, která mají přijatelnou účinnost nejen v přísluąných provozních podmínkách motoru, ale i při sloľení směsi odpovídající jeho pracovní oblasti. Tato opatření lze rozdělit do dvou skupin. První tvoří dodatečné úpravy výfukových plynů s cílem sníľit úroveň neľádoucích emisí. Do druhé skupiny patří úpravy nasávaného vzduchu směřující ke zlepąení podmínek vznícení směsi a jejího shoření.

   Ke sníľení úrovně neľádoucích sloľek emisí ve výfukových plynech se pouľívá katalyzátorů, případně částicových filtrů. K úpravám nasávaného vzduchu recirkulace výfukových plynů a předehřívání, kterým se zvýąí teplota a dosáhne se tak zlepąení vznícení i spalování.

   Katalyzátory, které jsou nejpouľívanějąím prostředkem potlačení emisí ąkodlivin ve výfukových plynech přeměnou těchto látek na neąkodné, vyuľívají buď oxidace, kterou se omezí CO a HC, nebo redukce k omezení NOx.

   Redukce oxidů dusíku je moľná jen při přebytku paliva, kdy je součinitel lambda menąí neľ 1.0. Protoľe vznětové motory pracují vľdy s přebytkem spalovacího vzduchu (lambda > 1.3), nemůľe se katalytická redukce oxidů dusíku uskutečnit. Dosaľitelná je tedy pouze oxidace, při které CO a HC přeměníme na CO2 a H2O. Tím se dosáhne nízké úrovně těchto ąkodlivin.

   Provoz s přebytkem vzduchu ale v některých provozních reľimech motoru je v protikladu s oxidačním účinkem, zejména při malém zatíľení a při volnoběhu. V důsledku přebytku vzduchu probíhá spalování tak, ľe teplota při něm dosahuje velmi nízkých hodnot, čímľ je účinnost katalyzátoru omezována.

   Katalyzátory pouľívající materiály jako jsou obvyklé u záľehových motorů, jsou při působení výfukových plynů s teplotami pod 200°C prakticky neúčinné. Jejich maximální účinnost nastává aľ při teplotách nad 300°C. V rozsahu mezi 200 a 250°C jsou uhlovodíkové látky oxidovány jen zčásti. Takové částečně spálené uhlovodíkové látky často silně páchnou a i kdyľ se nejedná o ąkodliviny, mají subjektivně mnohem silnějąí obtěľující působení.

   Z těchto důvodů se hledají materiály, které by umoľnily dosáhnout potřebné účinnosti katalytické přeměny při teplotách spalování obvyklých u vznětových motorů.

   Částicové filtry, které se rovněľ vkládají do výfukového potrubí, sestávají obvykle z větąího počtu děrovaných trubek z nerez oceli ovinutých zdrsněnou keramickou přízí. Trubky jsou axiálně uspořádány ve výfukovém hrnci, rovněľ z jakostní oceli. Přízovým ovinutím proudí z vnějąku trubek výfukové plyny do jejich vnitřku a přitom se jejich částice usazují na zdrsněné přízi.

   Vlastní filtrace je jen částí problému. Druhou je, ľe filtr musí být čas od času zbaven nahromaděného substrátu. U částicového filtru se to provádí opálením. Usazené částice sazí se přitom přemění na plynný CO2. Přitom musí být ovąem dosaľeno určité teploty, která má být nejméně 600°C. Ovąem zejména u městských autobusů se teplot vyąąích neľ 400°C prakticky nedosáhne. Dokonce hodnoty kolem 300°C nebo více se vyskytují během asi 10 % celkové provozní doby. Proto jsou nezbytná zvláątní opatření k uvolnění filtru opálením.

   Regenerace se nejsnáze provádí katalytickou cestou, přičemľ jsou částice sazí spalovány při poměrně nízké teplotě. Jako katalytické látky slouľí oxid měďnatý, kterým je tence povrstven ovin filtru. Jakmile je filtr zaplněn částicemi sazí, stoupne protitlak ve výfukovém potrubí, coľ detekuje snímač tlaku, jehoľ signál se přivádí do řídící jednotky. Při příątím zastavení motoru, kdyľ teplota ve filtru klesne na 160°C, provede se aktivace katalyzátoru ostříknutím ovinu filtru malým mnoľstvím acetylacetonu, který reaguje s oxidem měďnatým na acetylacetonát měďnatý. Ten je vlastním urychlovačem reakce, která nastane po příątím spuątění motoru, jakmile ten dosáhne své provozní teploty a teplota výfukových plynů vzroste asi na 250°C. Při ní budou saze a usazené uhlovodíkové částice oxidovány na oxid uhličitý za oddělení původního katalyzátoru - základní látky, tj. oxidu měďnatého, který zůstane v ovinech filtru.

   Katalytická reakce proběhne zcela automaticky a je elektronicky řízena podle signálů ze snímačů protitlaku výfuku, teploty výfukových plynů a provozního stavu motoru.

Recirkulace výfukových plynů

   se pouľívá ke sníľení emise dusíku v těchto plynech, která nelze katalyzátorem omezit. Emise oxidů dusíku vzrůstá s rostoucí teplotou spalování, která je zejména u motorů s přímým vstřikem vysoká. Jestliľe se část výfukových plynů, které lze povaľovat za netečný plyn, smísí s nasávaným čerstvým vzduchem, sníľí se v náplni obsah kyslíku a tím dojde ke sníľení spalovacích teplot.

   Při velkém objemu recirkulovaných plynů, nebo při velkém zatíľení motoru by mohlo dojít vlivem recirkulace ke zvýąení kouřivosti motoru. Proto se recirkulace uplatňuje jen při zahřátém motoru a to při volnoběhu, při niľąích otáčkách a při dílčím zatíľení. Závislost mnoľství recirkulace na teplotě motoru, jeho otáčkách a zatíľení jsou zaprogramovány v paměti řídící jednotky spolu s nejmenąí nutnou hmotností vzduchu pro stav motoru vyjádřený snímanými veličinami.

   Pokud je v daném provozním stavu motoru skutečně nasávaná hmotnost vzduchu, změřená měřičem jeho hmotnosti, větąí neľ nejmenąí nutná, zaprogramovaná pro daný stav v řídící jednotce, vyrovná řídící jednotka vzniklý rozdíl přisátím výfukových plynů do nasátého vzduchu. Pokud je přisáté mnoľství výfukových plynů přílią velké, hmotnost nasávaného vzduchu měřená měřičem poklesne pod nejmenąí nutnou hmotnost zadanou v paměti a řídící jednotka sníľí mnoľství recirkulovaných plynů.

   Výstupní signál řídící jednotky je proporcionální obdélníkový a je přiváděn na elektropneumatický převodník, který je přímo napojen na přívod podtlaku z vakuového čerpadla, vyvíjejícího podtlak minimálně 500 hPa. Úkolem převodníku je zajistit stabilní hodnotu podtlaku pro recirkulaci výfukových plynů. Tento podtlak je přiváděn k membránovému ventilu recirkulace. Membránový ventil recirkulace je v klidové poloze uzavřen silou předepnuté pruľiny. Jakmile je přiveden podtlak, ventil se otevře a dojde k propojení výfukového z sacího kanálu. Čím větąí podtlak je přiveden, tím větąí je zdvih ventilu recirkulace a tím větąí mnoľství výfukových plynů je přisáváno do sacího kanálu.

   Přivádění podtlaku z vakuového čerpadla přes převodník je potřebné pro zajiątění stabilní hodnoty podtlaku pro recirkulaci. Při prudkém brzdění např. kolísá hodnota podtlaku, protoľe vytvořený podtlak je spotřebováván posilovačem brzd.

   K převodníku je přiváděn i atmosférický tlak od filtru sání. Slouľí k porovnávání skutečné hmotnosti vzduchu a ke zvýąení přesnosti regulace mnoľství recirkulovaných plynů.

   Snímač otáček a teploty motoru snímají přímo tyto parametry motoru. Zatíľení motoru je ale snímáno nepřímo, podle vstřikovaného mnoľství paliva, které je pro dané zatíľení potřebné. Toto mnoľství se můľe měřit např. podle doby otevření vstřikovací trysky prostřednictvím snímače začátku vstřikování, který je v trysce umístěn.

Předehřívání nasávaného vzduchu

   se u motorů s přímým vstřikováním provádí pomocí ľhavící svíčky, která je umístěna v sacím potrubí v zapalovací komoře. Do této komory je vstřikována zvláątě hořlavá kapalina dodávaná čerpadlem k elektromagnetickému ventilu s dávkovací tryskou. Hořlavá látka je zapálena ľhavící svíčkou a předehřívá nasávaný vzduch, který je pak rozváděn do vąech válců motoru. Takto předehřátý vzduch zmenąuje u studených motorů emise nespálených uhlovodíků. Soustava je v činnosti dokud nedosáhne teplota chladící kapaliny motoru hodnot kolem +20°C. Tím se dosáhne dobrého chodu motoru i při velmi nízkých teplotách, zejména kdyľ není ihned po nastartování plně zatíľen. Vede to k nízké kouřivosti i emisím. Soustava je elektronicky řízena, obdobně jako v předeąlém popsaná soustava řízení záľehových svíček pro nepřímé vstřikování.

Literatura

   Při zpracování bylo pouľito materiálů firem Bosch, Lucas, Mercedes (Daimler - Chrysler) a knih "Diesel Einspritzung" vydavatelství Vogel a "Direkteinspritzung für Otto - und Dieselmotoren" vydavatelství Springer.


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