Vstřikovací čerpadla pro přímé vstřikování

end-logo
Sdílejte:

 

RNDr. Bohumil Ferenc, prosinec 2000

 



 

Pro omezení kouřivosti vznětových motorů je
důležité vstřikovat palivo v jemných kapičkách a s vysokou
rychlostí. Vstřikování paliva probíhá přibližně za polovinu doby,
než u vstřikování nepřímého a s tlakem asi dvojnásobným. K tomu
přistupuje již zmiňovaná potřeba řídit průběh vstřikování tak,
aby nedocházelo ke zvýšení hlučnosti chodu motoru a k nárůstu
emisí oxidů dusíku. Z těchto důvodů byla vyvinuta řada nových
typů vstřikovacích čerpadel přizpůsobených ztíženým podmínkám,
zejména tím, že umožňují dokonalejší elektronické řízení průběhu
vstřikování paliva a tím i chodu motoru.

V současné době se pro přímý vstřik používá
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 řešena i
konstrukce vstřikovacího čerpadla.

Otáčkově závislé soustavy

Soustavy s otáčkově závislým průběhem tlaku
vstřikovaného paliva jsou v současné době stále nejrozšířenější,
ale i obsáhlejší skupinou. Používají se u vznětových motorů všech
skupin užitkových vozidel, počínaje lehkými kabinovými a
valníkovými nákladními automobily a konče těžkými kamiony a
autobusy. Je zřejmé, že se i výkon motoru v kW na válec bude
pohybovat rovněž v širokém rozmezí a tím i vstřikovací tlak. A
podle velikosti vstřikovacího tlaku musí být vybrán typ čerpadla.
Všem čerpadlům těchto soustav je společné řízení pístu čerpadla
vačkou uloženou 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 čehož závisí průběh vstřiku.

Nedostatkem tohoto způsobu získání vysokého
tlaku paliva je, že se amplituda tlaku a tím i rychlost vstřiku
mění s otáčkami motoru. S klesajícími otáčkami se výstupní
rychlost paliva z trysky zmenšuje, což způsobuje jeho horší
rozprašování. Je to nevýhodné pro tvorbu směsi, protože při
nízkých otáčkách ani energie proudu nasávaného vzduchu tento
proces příliš nepodpoří. Konstrukčními opatřeními, jako je
dimenzování pístu čerpadla nebo otvorů trysky sice lze
rozprašování paliva v nízkých otáčkách zlepšit, ale musí se
přitom dbát na hloubku vniku jeho paprsků, která se s proměnnou
výstupní rychlostí paliva z trysky mění také. Příliš dlouhý
paprsek při vysokých otáčkách motoru může vést k jeho nárazům na
stěnu spalovacího prostoru a v jejich důsledku k místnímu
neúplnému spalování. Jak již bylo v předchozím uvedeno, je možno
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 používá jak
vstřikovacích čerpadel s rozdělovačem, tak čerpadel, která mají
pro každý válec motoru individuální čerpadlový článek.

Vstřikovací čerpadla s rozdělovačem

se obdobně jako u nepřímého vstřikování
používají především u motorů lehčích užitkových vozidel. Protože
při přímém vstřikování je potřebný vyšší vstřikovací tlak, bylo
nutno hledat cesty, kterými se ho dosáhne. Provedením různých
konstrukčních vylepšení se u vstřikovacích čerpadel s
rozdělovačem a s elektronickou regulací začátku vstřiku a
množství vstřikovaného paliva, jak bylo popsáno u nepřímého
vstřikování, sice podařilo dosáhnout jistého zvýšení
vstřikovacího tlaku, ale se zpřísňováním emisních požadavků 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 množství vstřikovaného paliva,
jsou regulovány šoupátkem, které je posouváno po pístu.

Zvýšení hydraulické účinnosti, zejména
zmenšením mrtvého objemu a vnitřních ztrát lekáží je dosaženo u
novější varianty vstřikovacích čerpadel s axiálním pístem, u
kterých je vysokotlaký objem čerpadla otevírán a uzavírán nikoliv
šoupátkem, ale rychle spínajícím vysokotlakým elektromagnetickým
ventilem. Ten otevírá a uzavírá vysokotlaký objem čerpadla a tím
nahrazuje posuvné šoupátko i jeho stavěcí člen. S dvojí funkcí
elektromagnetického ventilu je spojena vnitřní bezpečnost
soustavy vstřikování, neboť v případě, že 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 zlepšení 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
zatížení motoru.

Radiální vstřikovací čerpadla s rozdělovačem

Větších vstřikovacích tlaků se u čerpadel s
rozdělovačem dosáhne, když se u nich použije radiálně posouvaných
pístů. Vysokotlaká vstřikovací čerpadla s rozdělovačem používají
dvou až 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 zešikmených ramen, mezi kterými jsou uloženy
unašeče přenášející otáčivý pohyb hnací hřídele na rotor
rozdělovače. Pro každý píst čerpadla je provedena dvojice ramen
na hnací hřídeli a dvojice unašečů na rozdělovači paliva. Mezi
každou dvojicí unášečů rozdělovače je vloženo vodítko, pod kterým
se nachází příslušný 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
uložen váleček, který se při otáčení hnací hřídele (a tím i
rozdělovače) odvaluje po vnitřním obvodě vačkového prstence.
Jestliže 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 rovněž na hnací hřídeli
vstřikovacího čerpadla. Tlak paliva tedy bude tím větší, čím
rychleji se hnací hřídel otáčí, tj. čím vyšší jsou otáčky motoru.
Tlak je omezován tlakovým ventilem na výstupu z podávacího
čerpadla.

Palivo přitéká do všech válců současně a to
otvorem v ose rotoru rozdělovače. Děje se to při pohybu pístů k
dolní úvrati, takže prostor ve válcích se zaplňuje palivem, jehož
množství je závislé na poloze dolní úvrati pístů. Tato poloha se
mění posouváním rotoru rozdělovače podél jeho osy. Přitom se
posouvají zešikmené plochy vodítek pístů po zešikmených plochách
ramen na hnací hřídeli. Čím blíže bude rotor rozdělovače ke
kotouči hnací hřídele, tím menší bude zdvih pístů čerpadla,
protože vodítko bude stlačeno blíže k ose rozdělovače. Naopak,
čím větší bude vzdálenost mezi rotorem rozdělovače a hnací
hřídelí, tím větší může být zdvih pístů a v kompresních komorách
rozdělovače bude více paliva.

Axiální posun rotoru rozvaděče paliva je řízen
změnou množství paliva, které je vtlačováno do řídící komory pro
jeho polohu. Tlak paliva působí na jednom konci rotoru rozvaděče
proti síle protipružiny působící na konci druhém. Množství paliva
protékající do řídící komory je ovládáno dvěma
elektrohydraulickými ventily. Připojením napětí na vinutí ventilu
„-“ se množství paliva v řídící komoře zvýší, jeho tlak překoná
sílu protipružiny, rotor rozvaděče se posune blíže ke hnací
hřídeli čerpadla a do kompresních komor vysokotlaké části se
dostane menší množství paliva pro vstřik.

Připojením napětí na vinutí ventilu „+“ se
naopak množství paliva v řídící komoře sníží, síla protipružiny
překoná jeho tlak a rotor rozvaděče se posune dále od hnací
hřídele. Množství paliva v kompresních komorách se zvýší a tím
bude i více paliva pro vstřik.

Napěťový 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 železové jádro, takže 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 množství vstřikovaného
paliva je použito u soustavy EPIC fy Lucas, která byla uvedena do
sériové výroby již koncem 80-tých let. Tato vstřikovací čerpadla
s elektronickou regulací nahradila typy s mechanickým ovládáním,
označované CAV DPA, u kterých bylo množství paliva přiváděného
od podávacího čerpadla do kompresní komory rozdělovače, řízeno
dávkovacím ventilem ovládaným mechanicky od plynového pedálu.
Mimo to bylo u čerpadel použito hydraulické regulace podle
teploty motoru a setrvačníkové podle jeho otáček, což dále
zvyšovalo jak složitost čerpadla, tak pracnost jeho nastavení.
Elektronická regulace je tedy podstatně jednodušší a přitom
umožňuje řídit vstřikování prakticky podle libovolného počtu
parametrů, které mají vliv na chod motoru.

Rotor rozdělovače paliva je řešen tak, že 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 rovněž 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
vždy 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 využíváno 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 zvyšujícími se
otáčkami roste. Tlak působí na píst v řídící komoře regulace
začátku vstřiku. Z druhé strany působí na píst protipružina,
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
dalších parametrů motoru, nejen jeho otáček, je palivo od
podávacího čerpadla přiváděno přes proporcionální
elektrohydraulický ventil, k jehož vinutí je přiváděn napěťový
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 okamžik jejího otevření, ale z polohy
pístu, který natáčí vačkovým prstencem. Snímač je obdobného typu
jako snímač axiální polohy rotoru rozdělovače paliva, tj.
prostřednictvím indukčnosti, jejíž hodnota se mění zasouváním
nebo vysouváním jejího jádra upevněného na konci pístu,
tentokrát však na straně protipružiny, 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 množství vstřikovaného paliva použito rychle
přepínajícího elektrohydraulického, centrálně uspořádaného
ventilu. Vzhledem k podstatně vyšší rychlosti probíhajícího děje
je možno přizpůsobit množství paliva u každého jednotlivého
vstřikování. Předností je i možnost nezávislé volby začátku
vstřikování. Vstřikování začíná okamžikem 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 množství je také závislé na úhlu překrytí
vačky během doby, kdy je elektromagnetický ventil uzavřen.
Okamžiky 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 spřaženého s hnací hřídelí čerpadla. Snímač
je magnetorezistivního typu a obsahuje kolo s dělením po 3
stupních. Dělení je přerušováno referenční značkou pro každý
válec motoru.

U středních a zejména u těžkých užitkových
vozidel, které obvykle mívají motor s větším počtem válců i s
větším objemem, nemůže být z celé řady důvodů vstřikovacích
čerpadel s rozdělovačem použito. Tlak paliva potřebný ke
vstřikování je tam vyšší, takže 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 každý válec motoru samostatný článek,
obdobně jako u řadových čerpadel. Ten dodává své vstřikovací
trysce potřebné množství paliva v určený okamžik, tj. v
nejvhodnější poloze klikové hřídele motoru. Potřebný tlak
vstřikovaného paliva se získává vačkami umístěnými na vačkové
hřídeli motoru. Na této hřídeli se většinou nacházejí i vačky pro
řízení ventilů motoru.

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

Jak bylo v předchozím popsáno, je možno
regulovat začátek vstřiku a množství 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
rovněž na hlavě válců. Začátek vstřiku a vstřikované množství
paliva jsou řízeny rychle reagujícím elektromagnetickým ventilem.
Je-li ventil otevřen, palivo odtéká zpětným odtokem z čerpadla do
nádrže. 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 protipružiny, která jinak trysku uzavírá.
Okamžikem uzavření ventilu je určen začátek vstřiku paliva.
Množství 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 uloženo 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 umožňuje různé doplňující
funkce, jako teplotně závislé řízení začátku vstřiku, regulaci
tichosti chodu motoru, tlumení škubání při chodu, případně i
odpojení přívodu paliva k jednotlivým válcům motoru při jeho
provozu s částečným zatížením.

Předvstřik malého množství paliva pro zlepšení
parametrů motoru se u těchto integrovaných vstřikovacích čerpadel
musí řídit jiným způsobem než u oddělených vstřikovacích trysek,
např. se dvěmi pružinami s různou tuhostí. K obvyklým způsobům
realizace předvstřiku patří provedení drážek v pístu čerpadla a
ve stěně jeho válce. Ty umožňují při pohybu pístu čerpadla k HÚ
(stlačování paliva) krátkodobé přerušení dodávky ke trysce
přepuštěním paliva přes otvory ve stěně válce.

Jinou možností je způsob, při kterém se tryska
otevře zvednutím jehly, na jejíž dřík působí tlak paliva
dodávaného z vysokotlakého prostoru čerpadla. Zásobníkový ventil
pak odebere část paliva pod vysokotlakovým členem a současně
zvýší sílu pružiny trysky, takže jehla trysku znovu uzavře. Tím
se předvstřik ukončí. V dalším průběhu dodávky se vstřikovací
tlak zvyšuje a otevře trysku ke vstříknutí hlavní dávky paliva.
Otevřením elektromagnetického ventilu se vstřikování ukončí.

Vzhledem k tomu, že odpadá vstřikovací potrubí,
je možno dosáhnout nejvyšších vstřikovacích tlaků i vhodného
tvarování jejich průběhu. Na druhé straně rostou nároky na
konstrukční řešení motoru, zejména v prostoru hlavy válců. Z
těchto hledisek je výhodnější

Soustava „čerpadlo – potrubí – tryska

což je modulárně sestavená vysokotlaká
vstřikovací soustava. Způsob regulace její činnosti je velmi
podobný soustavě čerpadlo – tryska. Jako ona obsahuje jedno
vstřikovací čerpadlo pro každý 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 množství paliva pro každý válec motoru. Mimo to
čerpadlo dodává palivo ke vstřikovací trysce, dodávku paliva
přerušuje a umožňuje zpětný odtok nevstříknutého paliva do
palivové nádrže.

Tyto činnosti jsou zajišťovány během čtyř fází,
které proběhnou během každé 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 pružiny na zdvihátko
s kladkou. Palivo se ke vstřikovacímu čerpadlu přivádí z
podávacího čerpadla pod tlakem 400 až 600 kPa a je jím plněn přes
napájecí kanál vysokotlaký prostor v tělese vstřikovacího
čerpadla.

Další fází je předzdvih, během kterého
se čerpadlový díl pohybuje směrem ke své horní úvrati. Protože
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 až 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 až 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 špičky 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
použití. Krátké vysokotlaké potrubí mezi čerpadlem a tryskou
poskytuje více volného prostoru pro uspořádání vačkové hřídele v
motorovém bloku nebo ve válcové hlavě. Protože přicházejí v úvahu
pro použití i běžné vstřikovací trysky, hodí se taková soustava
obzvláště pro malé průměry válců (vrtání) a také pro
čtyřventilovou techniku se středovou polohou trysky.

Soustavy s konstantním maximálním tlakem

se vyznačují tím, že se tlak paliva vytváří
nezávisle na průběhu vstřikování. Palivo je z nádrže čerpáno
nízkotlakým čerpadlem a pod tlakem 300 až 500 kPa přiváděno k
vysokotlakému. Vysokotlaké čerpadlo je obvykle s více radiálními
písty a je mazáno palivem. Může být umístěno, podobně jako
čerpadla s rozdělovačem, na motoru a od něj poháněno s otáčkami
vačkové hřídele. Když 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 převýší tlak
paliva ve válci čerpadla velikost jeho tlaku v přítoku, přívodní
ventil se uzavře a palivo je dodáváno přes vypouštěcí ventil do
rozdělovací trubice. Tato trubice je využívána 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 uložených v paměti řídící jednotky. Tlak soustavy
je přitom nezávislý jak na vstřikovaném množství paliva, tak na
jeho množství dodávaného z čerpadla. Ke snímání velikosti tlaku v
rozdělovací/zásobníkové trubici slouží tlakový snímač, jehož
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, že změny tlaku mohou
probíhat od 15 až 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 všechny 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 lekáž jednotlivých trysek a postiženou trysku odpojí od
napájení palivem. K ochraně před nepřípustným přetlakem může být
použito omezovacího ventilu, buď v čerpadle nebo v trubici.
Vstřikované množství 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 všech
vysokotlakých dílů soustavy do palivové nádrže, někdy přes
palivový filtr, ve kterém se využívá jeho tepla k ohřátí paliva
přiváděného z nádrže, pokud je to potřebné. Za ním následuje
chladič, který potlačí zbylé teplo v palivu, než je přivedeno
zpět do nádrže. Nežádoucí zvýšení teploty nadbytečného paliva je
důsledkem použitého způsobu regulace jeho tlaku. Nadbytečné
palivo se odpouští až za vysokotlakým čerpadlem, takže toto musí
vytvářet vyšší tlak, než je skutečně potřebné. Kromě nezbytného
ochlazování paliva v nízkotlaké části je potřebný vyšší výkon
motoru využitý k dosažení vysokého tlaku paliva v čerpadle, což
snižuje 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 množství
dodávaného z vysokotlakého čerpadla. Elektromagneticky řízeným
šoupátkovým ventilem se může měnit plnění vysokotlakého dílu
čerpadla mezi 0 % a 100 % geometrického objemu pro dodávku a tak
přizpůsobit množství paliva dodávaného čerpadlem provozním
podmínkám motoru.

Elektronická řídící jednotka zpracovává signály
ze snímačů parametrů motoru a dalších veličin většinou 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 používáno.

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 však upravit pomocí přídavných dílů buď na samém čerpadle
nebo na vstřikovací trysce. Takové soustavy mají vyhovět řadě
požadavků:

 

Navíc by dosažení potřebných vlastností mělo být docíleno s co
největším podílem již vyráběných dílů, případně upravených.

Splnění většiny z výše uvedených požadavků
umožňují úpravy navržené 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 dalšími dvěma odtokovými kanály. K jednomu z
nich je připojen elektromagnetem uzavíraný ventil přímo, ke
druhému obdobný ventil přes ventil omezení tlaku. Jestliže 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
nádrže. Přivedením napětí na vinutí elektromagnetu tohoto ventilu
se odtok uzavře. Dalším 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, až se otevře ventil omezení tlaku. Od tohoto
okamžiku, při trvajícím předvstřiku, zůstává tlak paliva
přibližně konstantní. Nadbytečné množství paliva odtéká otevřeným
druhým elektromagnetickým ventilem do palivové nádrže.
Vstřikování hlavní dávky začne okamžikem přivedení napětí na
vinutí elektromagnetu druhého ventilu. Ventil se uzavře a odtok
paliva s omezeným tlakem se přeruší. Od tohoto okamžiku 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 až se poklesem jeho tlaku tryska uzavře a
vstřikování se ukončí. Po dosažení polohy maximálního zdvihu (HÚ)
pístu čerpadla je píst vracen čerpadlovou protipružinou po
základní kružnici vačkového profilu. Přitom se válec čerpadla
opět plní palivem přes otevřený první ventil. Pružnost 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 snížení úrovně emisí

I když elektronická regulace začátku vstřiku a
množství vstřikovaného paliva umožňuje optimalizovat tyto
parametry vstřikování podle celé řady veličin charakterizujících
provozní podmínky motoru i požadavky na jeho výkon, je nastavení
vždy určitým kompromisem. Ten však nevyplývá z omezených možností
elektroniky, ale je způsoben protikladnými závislostmi různých
charakteristik motoru na parametrech vstřikování. To platí
zejména pro úroveň emisí škodlivin ve výfukových plynech.
Například emise NOx rostou, jestliže se začátek vstřiku více
předbíhá proti optimálnímu úhlu klikové hřídele. Naopak ale
úroveň emisí HC se při zvyšování doby mezi začátkem vstřiku a HÚ
snižuje. Snižováním této doby (vstřik blíže HÚ) stoupají emise HC
a klesají emise NOx.

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

 

Složka výfukových plynů Volnoběh Nejvyšší 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, že z hlediska emisí jsou
největší nároky na přesnost nastavení začátku vstřiku. Odchylka o
1 stupeň natočení klikové hřídele od optimální polohy může zvýšit
emise NOx nebo HC asi o 15 %. Z tohoto důvodu je nejvýhodnější
elektronická regulace, u které může být dosaženo vysoké
přesnosti, jestliže je začátek vstřiku měřen přímo ve vstřikovací
trysce. U soustav přímého vstřikování používajících trysky s
dvěmi pružinami 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, ať jde
o začátek vstřiku, nebo o délku vstřikování, tj. množství
vstříknutého paliva, které určují složení směsi, není možno
zajistit stále náročnější požadavky emisních předpisů pouze
regulací vstřikování. V řadě případů musí být použito jiných
způsobů omezení nepříznivých vlivů, které mají za následek
zhoršení emisních charakteristik. Přitom je třeba respektovat
základní skutečnost, že výkon vznětového motoru je ovládán změnou
složení směsi. Čím větší výkon je požadován, tím více paliva musí
být během příslušné části pracovního cyklu do válce vstříknuto.
Poměr tohoto množství paliva ku množství 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 vždy větší
než 1.0. Vzhledem k tomu, že při vzduchovém čísle k nadměrné kouřivosti motoru, nemůže být vstřikované množství
paliva větší než odpovídá této dolní mezní hodnotě součinitele
přebytku vzduchu. Z toho důvodu jsou použitelná pouze taková
opatření, která mají přijatelnou účinnost nejen v příslušných
provozních podmínkách motoru, ale i při složení směsi
odpovídající jeho pracovní oblasti. Tato opatření lze rozdělit do
dvou skupin. První tvoří dodatečné úpravy výfukových plynů s
cílem snížit úroveň nežádoucích emisí. Do druhé skupiny patří
úpravy nasávaného vzduchu směřující ke zlepšení podmínek vznícení
směsi a jejího shoření.

Ke snížení úrovně nežádoucích složek emisí ve
výfukových plynech se používá katalyzátorů, případně částicových
filtrů. K úpravám nasávaného vzduchu recirkulace výfukových plynů
a předehřívání, kterým se zvýší teplota a dosáhne se tak zlepšení
vznícení i spalování.

Katalyzátory, které jsou
nejpoužívanějším prostředkem potlačení emisí škodlivin ve
výfukových plynech přeměnou těchto látek na neškodné, využívají
buď oxidace, kterou se omezí CO a HC, nebo redukce k omezení NOx.

Redukce oxidů dusíku je možná jen při přebytku
paliva, kdy je součinitel lambda menší než 1.0. Protože vznětové
motory pracují vždy s přebytkem spalovacího vzduchu (lambda >
1.3), nemůže se katalytická redukce oxidů dusíku uskutečnit.
Dosažitelná je tedy pouze oxidace, při které CO a HC přeměníme na
CO2 a H2O. Tím se dosáhne nízké úrovně těchto škodlivin.

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

Katalyzátory používající materiály jako jsou
obvyklé u zážehových motorů, jsou při působení výfukových plynů s
teplotami pod 200°C prakticky neúčinné. Jejich maximální
účinnost nastává až 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 když se nejedná o škodliviny, mají subjektivně mnohem silnější
obtěžující působení.

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

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

Vlastní filtrace je jen částí problému. Druhou
je, že 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 ovšem dosaženo
určité teploty, která má být nejméně 600°C. Ovšem zejména u
městských autobusů se teplot vyšších než 400°C prakticky
nedosáhne. Dokonce hodnoty kolem 300°C nebo více se vyskytují
během asi 10 % celkové provozní doby. Proto jsou nezbytná
zvláštní opatření k uvolnění filtru opálením.

Regenerace se nejsnáze provádí katalytickou
cestou, přičemž jsou částice sazí spalovány při poměrně nízké
teplotě. Jako katalytické látky slouží oxid měďnatý, kterým je
tence povrstven ovin filtru. Jakmile je filtr zaplněn částicemi
sazí, stoupne protitlak ve výfukovém potrubí, což detekuje snímač
tlaku, jehož signál se přivádí do řídící jednotky. Při příštím
zastavení motoru, když teplota ve filtru klesne na 160°C,
provede se aktivace katalyzátoru ostříknutím ovinu filtru malým
množstvím acetylacetonu, který reaguje s oxidem měďnatým na
acetylacetonát měďnatý. Ten je vlastním urychlovačem reakce,
která nastane po příštím spuštění 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 používá ke snížení 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. Jestliže se část výfukových plynů,
které lze považovat za netečný plyn, smísí s nasávaným
čerstvým vzduchem, sníží se v náplni obsah kyslíku a tím dojde ke
snížení spalovacích teplot.

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

Pokud je v daném provozním stavu motoru
skutečně nasávaná hmotnost vzduchu, změřená měřičem jeho
hmotnosti, větší než nejmenší nutná, zaprogramovaná pro daný stav
v řídící jednotce, vyrovná řídící jednotka vzniklý rozdíl
přisátím výfukových plynů do nasátého vzduchu. Pokud je přisáté
množství výfukových plynů příliš velké, hmotnost nasávaného
vzduchu měřená měřičem poklesne pod nejmenší nutnou hmotnost
zadanou v paměti a řídící jednotka sníží množství 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 pružiny. Jakmile je přiveden
podtlak, ventil se otevře a dojde k propojení výfukového z sacího
kanálu. Čím větší podtlak je přiveden, tím větší je zdvih ventilu
recirkulace a tím větší množství výfukových plynů je přisáváno do
sacího kanálu.

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

K převodníku je přiváděn i atmosférický tlak od
filtru sání. Slouží k porovnávání skutečné hmotnosti vzduchu a ke
zvýšení přesnosti regulace množství recirkulovaných plynů.

Snímač otáček a teploty motoru snímají přímo
tyto parametry motoru. Zatížení motoru je ale snímáno nepřímo,
podle vstřikovaného množství paliva, které je pro dané zatížení
potřebné. Toto množství se může 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 žhavící svíčky, která je umístěna v sacím potrubí v
zapalovací komoře. Do této komory je vstřikována zvláště hořlavá
kapalina dodávaná čerpadlem k elektromagnetickému ventilu s
dávkovací tryskou. Hořlavá látka je zapálena žhavící svíčkou a
předehřívá nasávaný vzduch, který je pak rozváděn do všech válců
motoru. Takto předehřátý vzduch zmenšuje 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 když není ihned po nastartování plně zatížen. Vede to k
nízké kouřivosti i emisím. Soustava je elektronicky řízena,
obdobně jako v předešlém popsaná soustava řízení zážehových
svíček pro nepřímé vstřikování.


 

Literatura

 

Při zpracování bylo použito materiálů firem
Bosch, Lucas, Mercedes (Daimler – Chrysler) a knih „Diesel
Einspritzung“ vydavatelství Vogel a „Direkteinspritzung für
Otto – und Dieselmotoren“ vydavatelství Springer.

Ohodnoťte článek


banner pro vstup do katalogu MJauto
Sdílejte: