Zážehové motory

end-logo
Sdílejte:

 

Elektronika a zážehové motory

RNDr. Bohumil Ferenc, červenec 2000

 


 


 

 

Systémy vstřikování paliva

 

Složení a tvorba směsi

Zážehové motory jsou převážně poháněny automobilovým benzinem.
Palivo potřebuje ke spalování kyslík. Ten je do motoru přiváděn
spalovacím vzduchem. Složení směsi paliva se vzduchem je
rozhodující pro přeměnu energie chemicky vázané v palivu na teplo
a pro čistotu výfukových zplodin z hlediska emisí škodlivých
plynů a sazí.
Při dokonalém spálení se uhlovodíky paliva
spolu se vzdušným kyslíkem přemění na kysličník uhličitý a vodní
páry. Množství vzduchu potřebné k úplnému spálení paliva bylo
stanoveno výpočtem a je rovno 14.7 kg vzduchu na 1 kg paliva
(benzinu). Při tomto složení pro součinitel přebytku vzduchu,
označovaný řeckým písmenem lambda (někdy je také označován
vzduchové číslo) platí lambda = 1.0. Taková směs se nazývá
stechiometrickou.
Směs s přebytkem vzduchu má lambda > 1.0
a nazývá se chudou, na rozdíl od bohaté směsi, lambda < 1.0, s
přebytkem paliva.
Ne každá směs paliva a vzduchu může
vzplanout a hořet v motoru. Aby se mohla vznítit od elektrické
jiskry, je nutno zachovat její určitý poměr. Ten leží mezi horní
hranicí zápalnosti směsi, která je pro benzin lambda = 0.5 a
dolní hranicí při lambda = 1.3.
Změny charakteristik motoru v
závislosti na poměru složení směsi, tj. na velikosti lambda, jsou
uvedeny na obrázku.

Závislost různých parametrů motoru na složení palivové
směsi

.
Jde o následující parametry:

 

bE
Měrná (specifická) spotřeba, což je spotřeba paliva vztažená
k výkonu motoru.
P
Specifický výkon na jednotkové
množství plochy pístu.
CO, CO2, HC,
NOX, O2
Emise složek ve výfukových plynech.

Z grafů vyplývá,
že nejnižší bE je pro lambda od 1.05 do
1.15, kde však výkon motoru pozorovatelně klesá. Nejvyšší výkon
je při mírném obohacení směsi, při lambda od 0.85 do 0.95. Zde
však měrná spotřeba vzrůstá, což je způsobeno neúplným chemickým
spalováním. Růst bE v oblasti chudých
směsí je důsledkem klesajícího výkonu motoru, absolutní spotřeba
však klesá.
V diagramu nejsou zachyceny
další důležité charakteristiky motoru. Je to teplota spalování,
která je nejvyšší při lambda = 1.0 a při velmi bohatých i velmi
chudých směsích je nízká. Dále jízdní vlastnosti motoru, jež jsou
při bohatých i mírně chudých směsích velmi dobré. S přílišným
ochuzením se ale zhoršují až do zastavení motoru.
Nejrychleji
a nejjednodušeji se spolu mísí dva plyny. Pro dokonalé spalování
se tedy musí převést kapalné palivo do plynného skupenství. U
zážehových motorů se vstřikováním je tekuté palivo vstřikováno
tryskami do proudu nasávaného vzduchu ve formě kužele kapiček
velmi malých rozměrů. Ty se během dalšího sání a komprese přemění
v páru a smísí se se vzduchem. Tvorba směsi tedy začíná v místě
vstřiku a končí ve válci během kompresního zdvihu.
Podle
místa vstřiku se systémy dělí na centrální,
vícebodové a přímé.

Používané druhy přípravy směsi vstřikováním
benzinu

.
U centrálního vstřikování je tryska
umístěna na tělese škrticí klapky, která
reguluje množství směsi přicházející do motoru a tím i jeho
kroutící moment.

Centrální vstřikování – palivo se vstřikuje pro všechny
válce společně

.
Složení směsi je ovlivňováno délkou otevření trysky. Sací
potrubí mezi vstřikovací jednotkou a sacími ventily musí být
navrženo tak, aby všechny válce dostávaly stejné množství směsi a
aby palivo nekondenzovalo na jeho stěnách.
U vícebodového vstřikování se palivo
vstřikuje do sacího kanálu, těsně před sací
ventil.

Vícebodové vstřikování – palivo je vstřikováno
do sacího kanálu každého válce samostatně

.
Sací potrubí pouze rozvádí nasávaný vzduch, takže jeho
konstrukce může být jednodušší. Množství směsi je opět dáno
natočením škrticí klapky.
Při přímém vstřikování tryska
vstřikuje palivo přímo do spalovacího
prostoru válce.

Přímé vstřikování

.
Palivo se vstřikuje přímo do spalovacího prostoru každého válce,
buď při otevřeném sacím ventilu a pohybu pístu k DÚ (homogenní
směs), nebo při uzavřeném sacím ventilu a pohybu pístu k HÚ a to
do kulovitého vybrání ve střechovité horní části pístu. Pohybem
pístu se směs ve válci vrství.
Směs se vytváří až ve válci, do kterého je nasáván pouze vzduch.
Množství vstřikovaného paliva je závislé na zatížení motoru. V
oblasti malých zatížení je motor provozován se silně vrstvenou
náplní válce a s vysokým přebytkem vzduchu. Palivo se vstřikuje
při uzavřených sacích ventilech, krátce před bodem zážehu.
Vhodným tvarováním hlavy pístu se pak spalovací prostor rozdělí
na dvě oblasti, v okolí zapalovací svíčky vznikne oblak
zapálitelné směsi paliva se vzduchem uložený v izolované vrstvě
vzduchu a zbytkového plynu. škrticí klapka zůstává maximálně
otevřená, čímž se podstatně sníží ztráty při výměně náplně.
Kroutící moment motoru je přibližně úměrný množství vstřikovaného
paliva. Náplň vzduchu a předstih zážehu na moment motoru nemají
žádný vliv.
Se stoupajícím zatížením motoru a tím i rostoucím množstvím
vstřikovaného paliva bude oblak vrstvené náplně bohatší, což
způsobí zhoršení emisí zejména vznikem sazí. V této oblasti proto
musí být motor provozován s homogenní náplní válců. Palivo se
vstřikuje během sacího zdvihu, aby se dosáhlo dobrého promísení s
nasávaným vzduchem. Jeho množství je dávkováno podle hmotnosti
nasávaného vzduchu, nastavovaného polohou škrticí klapky.
Pro umožnění provozu motoru v obou uvedených režimech je potřebné
nastavovat začátek vstřikování podle provozních podmínek buď v
průběhu kompresního zdvihu (pozdní vstřik) nebo v průběhu sacího
zdvihu (časný vstřik). Také nastavení množství nasávaného vzduchu
polohou škrticí klapky je závislé na provozních podmínkách motoru
a proto musí být řízeno elektronicky podle signálů ze snímačů, z
nichž jeden snímá polohu plynového pedálu. škrticí klapka je v
oblasti menšího zatížení motoru zcela otevřena a při větších
zatíženích je její poloha řízena podle zatížení a otáček motoru.
Při střídání mezi homogenním a vrstveným režimem musí být řízeno
množství vstřikovaného paliva, náplň vzduchu a předstih zážehu
tak, aby kroutící moment motoru zůstal konstantním.
Podle místa, kde jsou vstřikovací trysky umístěny, se ovlivňuje
velikost tlaku paliva dopravovaného k tryskám. Tlak musí být tak
velký, aby nedocházelo k přeměně paliva v plyn uvnitř trysky
vlivem její teploty. Tím by se znemožnilo přesné dávkování
rozhodující o složení směsi.

Centrální vstřikování

Tryska centrálního vstřikování je uložena na tělese škrticí
klapky, kde není teplota příliš vysoká. Postačuje tlak paliva
kolem 0.1 MPa i méně. Konstrukce
vstřikovací trysky je pak jednodušší.

Tryska centrálního vstřikování

.
Aby se dosáhlo homogenního složení směsi a jejího rovnoměrného
přísunu k jednotlivým válcům, musí tryska vstřikovat do proudu
nasávaného vzduchu, tedy do mezery mezi stěnu sacího potrubí a
škrticí klapku. Tryska má malé rozměry a značnou rychlost
spínání. Kuželový svazek vstřikované dávky paliva je vytvářen
několika radiálně uspořádanými otvory, které jsou vedeny šikmo.
Úhel je zvolen tak, aby palivo z výstupu trysky směřovalo do
zmíněné mezery. K rozprášení paliva se používá kombinace rázové a
šroubové přípravy. Množství vstřikovaného paliva je dáno délkou
doby otevření trysky.
Některé motory s větším obsahem používají dvojité vstřikovací
trysky nebo dvojice jednoduchých trysek. Jedna z možností jejich
umístění je excentricky vůči ose speciálního
sacího potrubí.

Dvojice excentricky umístěných vstřikovacích trysek
centrálního vstřikování

.
Trysky jsou otevírány řídící jednotkou ve dvou různých režimech,
synchronizovaném a nesynchronizovaném. V prvém případě se tryska
otevírá při každé otáčce motoru. U systémů se dvěma tryskami se
trysky zapínají střídavě. V nesynchronizovaném provozním režimu
jsou trysky otvírány v periodických časových intervalech,
nezávisle na referenčních impulsech o poloze klikové hřídele.
Doba otevření se pak řídí podle podmínek daného použití.
Nesynchronizovaný režim je používán za těchto podmínek:

 

U některých systémů se tohoto režimu využívá i k
„vyčistění“ motoru zalitého nadměrným množstvím paliva.
Při
nízkých otáčkách (např. při startování) se po plném otevření
škrticí klapky sníží doba otevření trysky tak, aby se vytvořila
směs s lambda přibližně 1.36. Tento poměr se udržuje tak dlouho,
dokud bude škrticí klapka plně otevřena a otáčky motoru se
nezvýší nad určenou hodnotu.

Na jiném principu je založeno
tzv. dvoubodové vstřikování (Dual Point Injection System] fy
Honda. Jeho provedení je zjednodušeně zakresleno na <A
HREF=“#n08″>obrázku a.

Díly dvoubodového vstřikování Dual Point
Honda – vlevo (a), vpravo (b)

.
Používá dvou vstřikovacích trysek, hlavní a doplňující. Hlavní
tryska je umístěna nad škrticí klapkou, doplňující za ní. Trysky
jsou rozdílné co do množství dopravovaného paliva. Hlavní tryska
dopraví asi 2.5krát více paliva než doplňující.
U doplňující trysky je použito proplachování vzduchem z prostoru
mezi škrticí klapkou a tandemovou škrticí klapkou, odkud je
vzduch veden obtokovým vzduchovým kanálem k výstupu doplňující
trysky. Při malém zatížení motoru, tedy při slabém otevření
škrticí klapky, proudí obtokovým kanálem silný proud vzduchu v
důsledku podtlaku v sacím potrubí. Tento proud pomáhá rozprášit v
nasávaném vzduchu vstřikované palivo a tak homogenizovat směs
obr. a.
Při zahřátém motoru se dodávka paliva ve volnoběhu uskutečňuje
jen doplňující tryskou, která je řízena z elektronické řídící
jednotky dle pole hodnot uložených v její paměti. Při částečném
zatížení motoru vstřikuje doplňující tryska konstantní množství
paliva a hlavní je ovládána řídící jednotkou. Při plném zatížení
vstřikuje doplňující tryska větší, ale opět konstantní, množství
paliva a regulována je stále hlavní tryska. Při náhlém otevření
škrticí klapky během akcelerace dodávají obě trysky maximum.
Trysky mají i cyklický provoz a vstřikované množství paliva je
dáno dobou jejich otevření.
Funkci tandemové škrticí klapky osvětluje
obrázek b. Tato klapka (s výřezem) je
otevírána přes membránovou komůrku podtlakem, snímaným z prostoru
mezi oběma klapkami. Tento podtlak působí na komůrku jen tehdy,
když se otevírá elektromagnetický ventil signálem z řídící
jednotky.
Tento je při volnoběhu uzavřený, zatímco tandemová klapka je
přiotevřena a nasávaný vzduch proudí v dostatečném množství výše
popsaným obtokovým otvorem kolem doplňující trysky. Při částečném
zatížení se elektromagnetický ventil otevře a podtlak působící na
membránovou komůrku otevírá táhlem tandemovou škrticí klapku.
Míru jejího otevření určuje podtlak, čímž se v sacím kanále
vytváří přibližně stálá rychlost vzduchu.

Vícebodové vstřikování

Vstřikovací trysky vícebodového vstřikování jsou umísťovány
bezprostředněji k motoru. Proto je tlak paliva k nim větší.
Pohybuje od 0.25 do 0.6 MPa.
Vícebodové vstřikování se dělí na spojité a časované. Otevření
vstřikovací trysky spojitého vstřikování je ovládáno mechanicky,
tlakem paliva. Provedení trysky je zřejmé z
obrázku.


.
Vstřikovací tryska spojitého vstřikování:

 

  1. v klidové poloze;
  2. v pracovní poloze
  3. těleso trysky;
  4. filtrační sítko;
  5. jehla trysky;
  6. sedlo trysky.

Tryska se otevře jakmile tlak přiváděného paliva převýší odpor
pružiny, která je spojena s kolíkem uzavírajícím vystřikovací
otvor.
Trysky spojitého vstřikování bývají umístěny poněkud dále od
motoru než elektromagneticky ovládané trysky časovaného. Je to
proto, aby se vstřikované palivo mohlo lépe smísit s nasávaným
vzduchem než vejde do válce.
Trysky bývají někdy doplněny obtokem, kterým při uzavřené
škrticí klapce proudí přídavný vzduch vlivem poklesu tlaku na
klapce. Vzduch je směrován k ústí trysky, takže <A
HREF=“#n10″>obklopuje palivo bezprostředně v místě jeho
výstupu. Tím je palivo účinně rozprašováno, což přispívá ke
zlepšení jeho spalování.


.
Vstřikování paliva s přisáváním vzduchu:

 

  1. vstřikovací tryska;
  2. vedení přisávaného vzduchu;
  3. sběrné sací potrubí;
  4. škrticí klapka.

U časovaného vstřikování je otevření trysek ovládáno
elektromagneticky, napěťovým impulsem z řídící jednotky. Náběžná
hrana impulsu určuje okamžik, kdy se tryska otevře, délka impulsu
pak dobu, po kterou zůstane otevřena, tedy vstříknuté množství
paliva. Podle začátků otevření vstřikovacích trysek jednotlivých
válců se rozlišuje vstřikování simultánní,
skupinové a sekvenční.

Porovnání způsobů časovaného vstřikování

.
Simultánní vstřikování otevírá všechny trysky současně. Doba
jejich otevření, která určuje množství vstřikovaného paliva,
odpovídá polovině potřebné, ale vstřikování se provádí během
všech otáček. Výsledné množství paliva pro válec je tedy rovno
součtu dvou polovin. Dosáhne se tím rovnoměrnější tvorby směsi.
U skupinového vstřikování je palivo vstřikováno současně do té
skupiny válců, jejichž pracovní cykly následují za sebou, což
odpovídá pořadí zážehů. V obrázku je příklad pro pořadí 1 – 3 – 4
- 2. Délka otevření trysek odpovídá celému potřebnému množství
vstřikovaného paliva.
Sekvenční vstřikování vstřikuje palivo jen válci s otevřeným
sacím ventilem. Délka otevření každé trysky odpovídá potřebnému
množství paliva, které nemusí být pro jednotlivé válce stejné.
Doba otevření trysek jednotlivých válců se může různit nebo lze
otevírat jen trysky některých válců dle provozních podmínek
motoru.


.
Elektromagneticky otevíraná vstřikovací tryska s horním
přívodem paliva:

 

  1. sítko přívodu paliva;
  2. přívod napětí;
  3. vinutí elektromagnetu;
  4. těleso trysky;
  5. kotva;
  6. pouzdro tryskové jehly;
  7. jehla trysky.

Jednou z možných konstrukcí elektromagneticky ovládané
vstřikovací trysky je výrobek fy Bosch.
Palivo se do trysky přivádí přívodem z
rozdělovacího potrubí.


.
Rozdělovač paliva s připojenými tryskami typu „top – feed“:

 

  1. přívod paliva;
  2. rozdělovač paliva;
  3. přívod pro měření tlaku paliva;
  4. regulátor tlaku paliva;
  5. zpětný odvod paliva;
  6. vstřikovací tryska.

Elektrický impuls otevírající trysku se vede k vinutí
elektromagnetu. Přivedením proudu se vtáhne kotva elektromagnetu
do vinutí, zvedne se ventilová jehla a tím se otevře vstřikování
paliva. Po skončení impulsu se tryska uzavře silou vratné
pružiny. Pružina tlačí v klidovém stavu ventilovou jehlu shora do
sedla provedeného v tělese trysky a průchod paliva do sacího
kanálu se uzavře.


.
Elektromagneticky otvíraná vstřikovací tryska s bočním přívodem
paliva (bottom – feed):

 

  1. přívod napětí;
  2. sítko v přívodu paliva;
  3. vinutí elektromagnetu;
  4. těleso trysky;
  5. kotva;
  6. pouzdro tryskové jehly;
  7. jehla trysky.

Novější
konstrukce vstřikovací trysky s přívodem
paliva ze strany a s jeho průtokem (rovněž výrobek fy Bosch).
Trysky jsou vloženy v rozdělovači paliva a neustále palivem
proplachovány, čímž jsou ochlazovány. To
přispívá k dobrému chování motoru při teplém startu a k jeho
klidnému chodu za tepla. Vzhledem ke své nízké konstrukci je
tryska vhodná k zástavbě i do omezených prostorů nových typů
vozidel.


.
Vstřikovací trysky typu „bottom – feed“ integrované do
rozdělovače paliva:

 

  1. přívod paliva;
  2. vstřikovací tryska;
  3. přívod ovládacího napětí;
  4. lišty kontaktů;
  5. regulátor tlaku paliva;
  6. odvod paliva.

Nejnovější systémy vstřikování pracují bez odtoku
nespotřebovaného paliva zpět do nádrže (bude dále popsáno).
Teplota paliva v místě vstřiku je přitom vyšší. Pro taková
použití vyvinula fa Bosch vstřikovací trysku označovanou <A
HREF=“#n16″>EV 6, která má velmi dobré vlastnosti i při
teplých startech.


.
Elektromagneticky otvíraná vstřikovací tryska soustav bez
zpětného odvodu nadbytečného paliva do nádrže:

 

  1. O – kroužek těsnění;
  2. filtrační sítko;
  3. pouzdro trysky s přívodem napětí;
  4. vinutí elektromagnetu;
  5. pružina;
  6. jehla trysky s kotvou elektromagnetu;
  7. sedlo trysky a kotouče s vystřikovacím otvorem.

Přímé vstřikování

Při přímém vstřikování jsou trysky umístěny bezprostředně na
motorovém bloku, tedy v místech s poměrně vysokou teplotou. Tlak
přiváděného paliva je proto v porovnání se vstřikováním do sacího
kanálu o řád vyšší a pohybuje se od 5 do 15 MPa. Při takových
tlacích není reálné otevírat vstřikovací trysky elektromagnetem,
jako je tomu u časovaného vstřikování. Ani dávkování paliva
změnou doby otevření trysky nelze při vrstvené směsi použít.
Okamžik vstřiku je závislý na poloze pístu před HÚ, aby došlo k
navrstvení. Směs musí být zažehnuta takřka bezprostředně po
vstříknutí, proto jedinou možností je odměřovat palivo změnou
jeho tlaku při konstantní délce otevření trysky. Bylo vyvinuto
několik typů takových systémů, které více méně využívají téhož
principu. Ten lze osvětlit zjednodušeným <A
HREF=“#n17″>schématem. Je to způsob vyvinutý kalifornskou
firmou BKM.

Schéma provedení a funkce trysky přímého
vstřikování benzinu v systému „Common rail“

.
Palivo přichází s proměnným tlakem přes společné rozdělovací
potrubí (common rail) k třícestnému elektrohydraulickému ventilu.
Je-li elektromagnet ventilu bez napětí, palivo prochází do
prostoru nad tlačnou tyč a přes zpětný ventil do zásobníku.
Tlakem paliva v prostoru nad tlačnou tyčí který je vzhledem k
rozměru disku na jejím horním konci větší než na zúženém průměru
u dolního, dále silou pružiny, která se v tomto prostoru nachází,
je tryska uzavřena. Množství paliva v zásobníku je závislé na
jeho tlaku z rozdělovacího potrubí.
Přivedením napětí k elektromagnetu ventilu se uzavře přítok
paliva z rozdělovacího potrubí a otevře se jeho odtok zpět do
palivové nádrže. Tlak paliva nad tlačnou tyčí prudce klesne, tlak
paliva pod ní tyč zvedne a palivo ze zásobníku je vstřikováno do
spalovacího prostoru. To potrvá tak dlouho, pokud pružina
nepřekoná tlak pod tyčí a trysku neuzavře.
Vypnutím napětí pro elektromagnet se děj znovu opakuje.
Jak minimální, tak maximální množství se řídí stejným způsobem.
Je závislé na objemu zásobníku a na tlaku paliva z rozdělovacího
potrubí. Minimální množství pak ještě uzavíracím tlakem trysky,
tj. silou pružiny nad tlakovou tyčí.

Velikost kapiček a tvar kužele

Vzhledem k potřebě co nejlepšího rozprášení vstřikovaného
paliva a homogennosti vytvářené směsi roste náročnost
konstrukčního řešení tím více, čím je místo vstřiku blíže k
válci, ve kterém je okamžikem zážehu dokončena tvorba směsi.
Podstatné jsou především požadavky na velikost kapiček
vstřikovaného paliva. Zatímco u vstřikování do sacího kanálu je
obvyklý průměr kapiček kolem 200 um, u přímého vstřikování je
potřeba dosáhnout průměru pod 50 um. To je další důvod zvýšení
tlaku dopravovaného paliva.
Důležitý je i tvar kužele vstříknutého paliva. Má se dosáhnout
minimálního styku paliva se stěnami sacího potrubí a současně
dobré homogenizace jeho směsi se vzduchem. Těmto potřebám jsou
přizpůsobovány kalibrované vypouštěcí otvory, jejichž provedení
se liší zejména podle počtu sacích kanálů, jejich uspořádání i
podle počtu zapalovacích svíček ve válci a podle jejich polohy.


.
Způsoby vstřikování paliva:

 

  1. kruhovou štěrbinou;
  2. jednootvorové;
  3. víceotvorové;
  4. víceotvorové s dvěma paprsky.

Na obrázku je uvedeno několik z používaných
provedení. Položka 1 je tryska s kruhovou štěrbinou. Její
jehla je prodloužena vstřikovacím čepem, který zasahuje do otvoru
v tělese trysky. Vzniklá kruhová štěrbina tvoří kalibrovaný
vstřikovací otvor. Na dolním konci čepu je vybroušena
odstřikovací hrana, na které se palivo rozpráší a rozstříkne se
ve tvaru kužele.
Položka 2 je jednootvorová tryska s tenkou deskou s
kalibrovaným otvorem namísto vstřikovacího čepu. Tak se vytváří
velmi tenký paprsek paliva, který téměř nesmáčí sací potrubí.
Palivo se však málo rozpráší. Tento způsob je vhodný u motorů se
dvěma svíčkami ve válci.
Položky 3 a 4 jsou trysky s víceotvorovým
vstřikováním paliva. Otvory jsou uspořádány na konci trysky tak,
že vytvářejí podobný tvar paprsku a rozprašují palivo tak, jako
trysky s kruhovou štěrbinou. Průměr kapiček je ale menší. Otvory
mohou být upraveny tak, aby vytvářely dva nebo i více
vstřikovaných paprsků. Tak je možno u motorů s více sacími
ventily rozdělit palivo optimálně do sacích kanálů.


.
Vstřikovací tryska s přisáváním vzduchu:

 

  1. vzduch;
  2. palivo.

Aby se co nejvíce omezilo obohacování směsi při studených
startech, používá se vstřikovacích trysek s <A
HREF=“#n19″>přisáváním vzduchu. Vzduch ke spalování se
odebírá před škrticí klapkou a je přisáván rychlostí blízkou
rychlosti zvuku přes kalibrovanou štěrbinu, přímo ke vstřikovacím
otvorům trysky. Střídavým působením mezi palivovými a vzduchovými
molekulami se palivo velmi jemně rozpráší. Vzduch je přes
štěrbinu nasáván jen při dostatečně velkém podtlaku v sacím
potrubí. Přisávání je tedy účinné pouze při dílčím zatížení
motoru.

Palivová čerpadla

Aby se dosáhlo správného dávkování paliva, musí být v okruhu
jeho přívodu zajištěn potřebný tlak. Proto je palivo čerpáno z
nádrže čerpadlem. Vzhledem k rozdílným požadavkům na tlak
dopravovaného paliva, hlučnost chodu vstřikovací soustavy a
potřebám motoru byla a je používána řada typů čerpadel.
Čerpadlo může být umístěno přímo v nádrži (označované také
„intank“) nebo v palivovém vedení („inline“), mezi nádrž a
palivový filtr a upevněné na vhodném držáku, buď na nádrži nebo
karosérii vozidla.
Čerpadlo v palivové nádrži je rovněž upevněno a to na zvláštním
držáku, na sací straně je opatřeno palivovým sítkem a vše je
uloženo v hrncovitém zásobníku paliva. Palivová nádrž je vybavena
snímačem stavu paliva a prostorem pro odloučení bublinek
přicházejících z vratného potrubí.
Elektrické palivové
čerpadlo sestává z následujících dílů:

 

  1. Čerpadlová část
  2. Elektromotor
  3. Přípojné víko


.
Přípojné víko obsahuje elektrické přípoje, zpětný ventil a
nátrubek hydraulického přípoje. Účelem zpětného ventilu je
udržení systémového tlaku po určitou dobu i po vypnutí
elektromotoru, aby se předešlo vytváření bublinek páry v důsledku
zvýšené teploty paliva.
Kromě toho mohou být v přípojném víku integrovány odrušovací
prvky.
Elektromotor sestává ze systému permanentních magnetů a kotvy,
které jsou dimenzovány pro žádané množství dopravovaného paliva,
při zadaném systémovém tlaku. Elektromotor i čerpadlová část se
nacházejí ve společném pouzdře. Jsou stále omývány palivem a tedy
trvale chlazeny. Tím je možno zvýšit výkon motoru bez
nadbytečných těsnění mezi elektromotorem a čerpací částí. Protože
není přítomen kyslík, nevytváří se zápalná směs a nehrozí
nebezpečí výbuchu.
Hlavním dílem čerpadlové části je čerpadlové kolo nesené hřídelí
elektromotoru. Čerpacím otvorem v sacím víku nasává palivo z
palivové nádrže a uděluje mu odpovídající tlak. V této části je i
omezovací ventil, který se otevírá při překročení maximálně
přípustné hodnoty výstupního tlaku čerpadla.
Podle požadavků vstřikovací soustavy se používá různých typů
čerpadel. Dělí se do dvou skupin, na objemová
a proudová čerpadla.

Různé druhy čerpadel

.
Princip čerpání objemových čerpadel je založen na změně
velikosti objemových komor. Do zvětšujících se komor je nasáváno
palivo přes plnicí otvor. Když je dosaženo maximálního naplnění
komory, plnicí otvor se uzavře a otevře se výtlačný. Do této
skupiny patří válečková lamelová čerpadla, <A
HREF=“#n21″>obrázek a, a vnitřní zubová čerpadla, <A
HREF=“#n21″>obrázek b. Válečková lamelová čerpadla mohou být
použita do přetlaku 650 kPa. Komory jsou u nich tvořeny válečky
vedenými v rotujících drážkách obvodového kola. Válečky jsou
přitlačovány odstředivou silou a tlakem paliva vně, na
excentricky uloženou válečkovou dráhu. Excentricita mezi
obvodovým kolem a válečkovou dráhou způsobuje neustálé zvětšování
a zmenšování objemu komor.
Vnitřní zubová čerpadla postačují do přetlaků 400 kPa. Čerpadlo
sestává z vnitřního poháněného kola zapadajícího svými zuby do
excentricky uloženého vnějšího kola, které má o jeden zub více.
Při otáčení se mezi vzájemně utěsněnými boky zubů vytvářejí v
jejich meziprostorech komory s proměnnými velikostmi.
U proudových čerpadel jsou částice paliva urychlovány oběžným
kolem a vháněny do kanálu, kde vzniká tlak výměnou impulsů. Do
této skupiny jsou zařazována obvodová lopatková, <A
HREF=“#n21″>obrázek c, a boční kanálová čerpadla, <A
HREF=“#n21″>obrázek d.
Obvodová lopatková čerpadla sestávají z oběžného kola s četnými
lopatkami na jeho obvodu. Ve dvoudílném tělese čerpadla se
nachází kanál, který obepíná lopatky oběžného kola po celém jeho
obvodu. To pak vhání částice paliva do kanálu, ve kterém vzniká
spojitý tlak s téměř nepulsujícím prouděním. Vzhledem k prakticky
plynulému proudu jsou tato čerpadla vhodná k použití ve vozidlech
s nároky na velmi nízkou hlučnost. Lze však s nimi vytvořit tlak
nejvýše jen kolem 400 kPa.
Boční kanálová čerpadla, pracující na obdobném principu, se liší
tvarem oběžného kola s menším počtem lopatek a tvarem a
uspořádáním kanálů proudění. Tyto probíhají výhradně stranou
vedle lopatek (boční kanály). Takové uspořádání vytváří v
porovnání s obvodovým lopatkovým čerpadlem podstatně nižší tlak
ležící mezi 20 až 30 kPa. Používají se proto jako předčerpadla u
soustav s čerpadly mimo nádrž, nebo jako první stupeň
dvoustupňových čerpadel v nádrži u vozidel, která mají potíže s
teplým startem a také u soustav s centrálním vstřikováním paliva.
Předčerpadlo omezuje nepříznivý účinek ohřátého paliva ze
zpětného potrubí tím, že odlučuje vystupující bublinky par,
případně omezuje jejich tvoření. Hlavní čerpadlo uděluje palivu
potřebný tlak.
Kromě soustav se
dvěma palivovými čerpadly, u kterých je
předčerpadlo v nádrži a hlavní čerpadlo ve vedení, mají některá
vozidla jak předčerpadlo, tak hlavní čerpadlo mimo nádrž.

Předčerpadlo v nádrži a hlavní čerpadlo na rámu
vně nádrže

.
V současné době se zpravidla používá čerpadel integrovaných do
palivové nádrže. Tato čerpadla jsou téměř výlučně dvoustupňová.
Jejich provedení je závislé na velikosti potřebného výstupního
tlaku. U soustav s centrálním vstřikováním je tlak paliva poměrně
nízký, takže čerpadlo sestává z předčerpadla (1. stupeň) jako
boční kanálové čerpadlo a z hlavního čerpadla (2. stupeň) jako
obvodové lopatkové. Oba stupně jsou přitom <A
HREF=“#n23″>integrovány do jednoho oběžného kola.


.
Díly dvoustupňového elektrického palivového čerpadla:

 

  1. sací víko (pohled od oběžného kola);
  2. oběžné kolo;
  3. těleso čerpadla (pohled od oběžného kola);
  4. ventil odvětrávání;
  5. odplynovací otvor;
  6. otvor sání pro boční kanál;
  7. boční kanál;
  8. obvodový kanál (předstupeň);
  9. lopatkový věnec pro boční kanálové čerpadlo (předstupeň);
  10. lopatkový věnec pro obvodové lopatkové
    čerpadlo (hlavní stupeň);
  11. výtokový otvor obvodového kanálu.

U předčerpadla je vnitřní lopatkový věnec uspořádán v oběžném
kole a „boční“ kanál oboustranně, jak v sacím víku, tak v tělese
čerpadla. Palivo je otáčením lopatkového věnce oběžného kola
urychlováno a přeměňuje v bočním kanále svoji rychlostní energii
v tlakovou. Na konci bočního kanálu je palivo odvedeno do dále
vně ležícího (v radiálním směru) hlavního stupně.
V přepouštěcím kanále mezi předstupněm a hlavním stupněm je na
straně sacího víka proveden odplynovací otvor, přes který je
stále palivo, a s ním i případné plynové bublinky, odváděno zpět
do palivové nádrže.
Princip funkce hlavního stupně je identický s předstupněm.
Podstatný rozdíl spočívá v tvarování oběžného kola a v tvaru
kanálu, který obepíná lopatkový věnec po stranách a v celém
obvodu (obvodový princip). Na konci obvodového kanálu je zařízení
pro rychlé odvětrávání hlavního stupně. To se
provádí přes membránový lístek působící jako odvětrávací ventil,
který uzavírá otvor v sacím víku.

Dvoustupňové palivové čerpadlo s nižším
tlakem pro centrální vstřikování

.
Při uzavřeném odplynovacím ventilu je palivo vytlačováno do
prostoru motoru čerpadla a nakonec proudí přes zpětný ventil do
palivového potrubí (vedení).
U vícebodových soustav je potřebný vyšší tlak paliva, takže
provedení čerpadla musí být jiné. Jedním z
možných je kombinace z bočního kanálového čerpadla na předstupni
a vnitřního zubového na hlavním. Každý stupeň má vlastní
čerpadlové oběžné kolo pracující podle dříve popsaných principů.

Dvoustupňové palivové čerpadlo pro vyšší tlaky, pro
vícebodové vstřikování do sacího kanálu

.
Čerpadla pro umístění do palivové nádrže (zejména dvoustupňová)
bývají v ní montována vertikálně. Sací otvor je dole, přípoj pro
odvod paliva pak nahoře.
Zcela jiná je konstrukce
vysokotlakých čerpadel pro přímé vstřikování paliva (benzinu) do
spalovacího prostoru. Je to dáno požadovaným tlakem paliva, který
může dosahovat až 12 MPa. V každém případě je palivo čerpáno z
nádrže dvoustupňovým čerpadlem obdobného typu, jako je na obr.
25, které vytváří tlak paliva 350 až 500 kPa. Tento „předtlak“ je
udržován na stálé hodnotě mechanickým regulátorem tlaku, který je
paralelně připojen k čerpadlu v nádrži.
Z tohoto čerpadla se
palivo s uvedeným tlakem přivádí k vysokotlakému čerpadlu, které
je poháněno od klikové hřídele spalovacího motoru, tedy nikoliv
vnitřním elektromotorem. Mezi nízkotlakým a vysokotlakým
čerpadlem bývá zařazen palivový filtr odstraňující nečistoty
zbylé v palivu za nízkotlakým čerpadlem.
Vysokotlaká čerpadla
jsou nejčastěji provedena jako radiální nebo axiální pístová
čerpadla s více písty rozloženými po obvodu (v rovině kolmé na
osu čerpadla).
U radiálního čerpadla jsou
písty ovládány výstředníkem, při otáčení hřídele čerpadla se
posouvají radiálně a mění tak objem válce. Při zvětšování objemu
je palivo do válce nasáváno, při zmenšování je z válce
vytlačováno.

Vysokotlaké radiální třípístové čerpadlo pro
přímé vstřikování do válce

.
U axiálních pístových čerpadel jsou písty
přesouvány při otáčení hřídele čerpadla šikmo uloženým talířem,
takže se objem válců opět zvětšuje a zmenšuje.

Vysokotlaké radiální třípístové čerpadlo pro přímé
vstřikování do válce

.
Pokud jsou čerpadla poháněna elektromotory, jsou tyto napájeny z
baterie vozidla přes ovládací okruh, který brání vzniku vážných
poškození. Zjednodušené schéma podobného okruhu je na <A
HREF=“#n28″>obrázku. K relé řídící jednotky systému
vstřikování se přivádí napětí až po zapnutí spínací skříňky při
startování motoru. Sepnutím kontaktů tohoto relé se přivede
napětí k vinutí relé čerpadla a k řídící jednotce. Čerpadlo se
rozběhne a jestliže do několika sekund motor nenastartuje,
rozpojí řídící jednotka ukostření vinutí relé čerpadla. Relé
odpadne, odpojí napájení čerpadel a ta se zastaví. Podobně je
tomu po zastavení motoru.

Ochranné obvody v okruhu napájení elektromotorů
palivových čerpadel

.
V přívodu napětí od relé k čerpadlům je navíc zařazen
setrvačníkový spínač, který se rozpojí v případě nárazu obvyklém
při havárii vozidla. Tím se čerpadla(o) zastaví, přeruší se
dodávka paliva a je-li motor v chodu, zastaví se i on.
Jinou možností je způsob používaný u systémů L-Jetronic fy
Bosch, kde je vinutí relé palivového čerpadla napájeno při startu
napětím přiváděným ze svorky 50 spínače spouštěče a po
nastartování napětím baterie přes spínací kontakty v měřiči
množství nasávaného vzduchu. Tyto kontakty jsou spínané náporovou
klapkou tohoto měřiče, která je vychýlena proudem vzduchu
nasávaného motorem. U systémů s jiným druhem měřiče množství
nasávaného vzduchu, např s vyhřívaným drátem, je napětí k vinutí
relé čerpadla přiváděno přes kontakty řídícího relé. Obvod, který
ovládá spínání jeho kontaktů, dostává informaci ze spouštěče
(napětí svorky 50 při startu) a poté z primárního vinutí
zapalovací cívky, na kterém vzniká vhodný signál, dostačující k
sepnutí kontaktů řídícího relé až při otáčkách motoru nad 150
/min.
Jiné systémy jsou naproti tomu vybaveny tlakovým
olejovým spínačem, který je zapojen paralelně ke kontaktům relé
čerpadla. Je-li relé vadné a nespíná, napětí se k čerpadlu
přivede po vzrůstu tlaku motorového oleje při prodlouženém
startování, kdy je motor otáčen spouštěčem. To umožňuje
nastartovat motor a jeho chod i při závadě relé čerpadla. Ta je
ovšem signalizována vnitřní diagnostikou soustavy vstřikování.

Palivové okruhy

Potřebě co nejlepšího rozprášení vstřikovaného paliva a
homogennosti vytvářené směsi roste náročnost na konstrukční
řešení tím více, čím je místo vstřiku blíže k válci, kde je
okamžikem zážehu dokončena tvorba směsi. Podstatné jsou především
požadavky na velikost kapiček vstřikovaného paliva. Zatímco u
vstřikování do sacího kanálu je obvyklý průměr kapiček kolem 200
mikrometrů, u přímého vstřikování je potřeba dosáhnout průměru
pod 50 mikrometrů. Tím také musí vzrůst tlak dopravovaného paliva
a následně i síla elektromagnetu, který musí trysku dostatečně
rychle otevřít.
Důležitý je i tvar kužele vystříknutého
paliva. Ten se liší nejen podle druhu vstřikování ale i podle
konstrukce motoru. Zejména podle počtu sacích kanálů, průběhu
jejich časování i podle počtu zapalovacích svíček ve válci a
jejich polohy.

Okruhy přívodu paliva

Aby bylo zajištěno správné dávkování paliva, musí být v okruhu
jeho přívodu zajištěn stálý tlak. Množství
paliva
pak bude záviset na délce otevření vstřikovací trysky
(časované vstřikování) nebo na průřezu regulační štěrbiny
(spojité vstřikování.
Palivo je čerpáno z nádrže čerpadlem, které je v ní zpravidla
umístěno. U systémů s nižším tlakem bývá zpravidla dvoustupňové.
Základní stupeň saje palivo z nádrže a hlavní stupeň pak uděluje
palivu tlak potřebný pro činnost vstřikovacích trysek. Jedna z
možných konstrukcí takového čerpadla je uvedena v řezu na
obr. o113a, umístěné v palivové nádrži na obr. o113b.
Systémy s vyšším tlakem bývají vybaveny dvěma čerpadly.
Nízkotlaké je v nádrži a vysokotlaké, které dodává nasátému
palivu potřebný tlak, je umístěno již mimo nádrž (např. některé
systémy Ford – obr. o114).
Starší systémy mívají jednostupňová čerpadla umístěná také mimo
palivovou nádrž. Čerpadlo nasává palivo z nádrže a přitom vytváří
jeho potřebný tlak. Řez jednou z četných možností konstrukčního
řešení je na obr. o115. Jde o čerpadlo válečkového typu,
jehož elektromotor je smáčen nasávaným palivem. Elektromotor
otáčí čerpadlovým kolem 3, přičemž palivo je nasáváno z
nádrže sacím otvorem 1. Válečky 3 pak vytlačují
palivo přicházející štěrbinou do sacího objemu přes výtlačnou
štěrbinu ke zpětnému ventilu 5. Válečky při otáčení
čerpadlového kola oddělují sací objem od výtlačného tím, že jsou
přitlačeny k vnějšímu prstenci. Zpětný ventil udržuje systémový
tlak ještě i určitou dobu po vypnutí čerpadla aby nedocházelo k
odpařování paliva pro jeho vysokou teplotu. Omezovací tlakový
ventil 2 uzavře přívod nasávaného paliva při překročení
přípustné hodnoty na výstupu. Tím se předchází nadměrnému
přehřátí elektromotoru čerpadla.
Kromě válečkových čerpadel se používá také křídlových nebo
zubových. Tyto se většinou liší od popsaného typu jen provedením
čerpadlového kola. Zjednodušený nákres křídlového kola je na
obr. o116a, zubového pak na obr. o116b.
Zubové
čerpadlo je určeno pro vyšší tlaky. Čerpadlové kolo sestává z
excentricky uspořádaného vnějšího běžce 3, jehož otáčením
se komůrky na sací straně 1 zvětšují a palivo je nasáváno
z nádrže. Na výtlačné straně 2 se naopak zmenšují a
palivo je pod tlakem dopravováno do systému.
K čerpadlovému
kolu patří ještě vnitřní běžec 4 a oběžný prstenec
5. Celý systém je uložen v pouzdře 6.
Elektromotory palivových čerpadel jsou napájeny z baterie vozidla
přes ovládací okruh, který brání vzniku vážných poškození.
Zjednodušené schéma podobného okruhu je na obr. o117. K
výkonovému relé systému vstřikování se přivádí napětí až po
zapnutí spínací skříňky při startování motoru. Sepnutím kontaktů
tohoto relé se přivede napětí k vinutí relé čerpadla a k řídící
jednotce, čerpadlo se rozběhne. Jestliže do několika sekund motor
nenastartuje, rozpojí řídící jednotka ukostření relé čerpadla.
Relé odpadne, odpojí napájení čerpadla a to se zastaví. Podobně
je tomu po zastavení motoru.
V přívodu napětí od relé k
čerpadlu je navíc zařazen setrvačníkový spínač, který se rozpojí
v případě nárazu obvyklém při havárii vozidla. Tím se čerpadlo
zastaví, přeruší se dodávka paliva a je-li motor v chodu, zastaví
se i on.
Jiné systémy jsou naproti tomu vybaveny tlakovým
olejovým spínačem, který je zapojen paralelně ke kontaktům relé
čerpadla. Je-li relé vadné a nespíná, napětí k čerpadlu se
přivede po vzrůstu tlaku motorového oleje. To umožňuje
nastartování motoru a jeho provoz i při závadě relé čerpadla, což
je ovšem signalizováno samokontrolou systému.
Čerpadla
dopravují palivo z nádrže přes palivový filtr ke vstřikovacím
tryskám. Palivový filtr (obr. o118) je tvořen vložkou, která
zadržuje drobné částice, jež by mohly ucpat trysky. Na pouzdře
filtru bývá šipkou označen směr průtoku paliva.
Následující
částí je regulátor tlaku, který udržuje konstantní tlak paliva.
Kolísání tlaku by se okamžitě projevilo na složení směsi. U
jednobodového vstřikování je regulátor tlaku umístěn na tělese
škrticí klapky (obr. o119). Natlakované palivo po celou dobu
činnosti čerpadla obklopuje vstřikovací trysku. Jakmile jeho tlak
překročí hodnotu závislou na předepnutí pružiny regulátoru
4, pružina se stlačí, tím se otevře ventil regulátoru a
přebytečné palivo odtéká zpět do nádrže.
U vícebodového
vstřikování je regulátor tlaku poněkud jiný. Hlavní rozdíl je v
tom, že udržuje vstřikovací tlak paliva na konstantním rozdílu
proti tlaku v sacím potrubí. Příklad konstrukce takového
regulátoru je na obr. o120. Palivo přichází otvorem 1
do horní komůrky regulátoru a otvorem 3 je odváděno k
tryskám. Vzroste-li tlak paliva příliš, otevře se ventil spojený
s membránou mezi komůrkami a nadbytečné palivo se vrací do nádrže
odvodem 2. Kromě předepnutí pružiny v komůrce pod
membránou působí na ventil i tlak v sacím potrubí přiváděný
hadičkou připojenou k přípojce 4.
Regulátor je umístěn
na rozdělovacím potrubí, kterým se palivo rozvádí ke všem
vstřikovacím tryskám současně. Bývá buď na začátku nebo konci
tohoto potrubí, obr. o121.
U některých systémů
vícebodového vstřikování je používáno zásobníku paliva
(obr. o122). Bývá umístěn mezi čerpadlem a palivovým
filtrem. Udržuje tlak paliva ještě určitou dobu po zastavení
motoru. Tím je usnadněno opětné nastartování motoru, zvláště
je-li zahřátý. Zásobník také vyrovnává pulsaci paliva způsobenou
čerpadlem a tím zabezpečuje přesné dávkování, zejména u systémů
spojitého vstřikování.

Obvody měření nasávaného vzduchu

Pro složení směsi
je důležité také množství nasávaného vzduchu. To je zpravidla
závislé na potřebách motoru, takže systémy přípravy směsi toto
množství pouze měří a podle něj nastavují příslušné množství
paliva. S vývojem systémů vstřikování vznikla řada způsobů měření
množství nasávaného vzduchu, které umožnily získat informaci
potřebnou pro řízení dodávky paliva.

Spojité vstřikování

Nejstarším způsobem,
používaným u spojitého vstřikování paliva, je sloučení měřiče
množství vzduchu s rozdělovačem množství paliva a s
elektrohydraulickým nastavovačem tlaku (obr. o123). Měřicí
klapka 1 je zvedána proudem nasávaného vzduchu a zvedá s
ní spojenou páku kolem osy otáčení. Páka se šroubem nastavení
bohatosti směsi přenáší pohyb na řídící píst, který ovládá
ventily diferenčního tlaku v rozdělovači množství paliva a určuje
jeho potřebné množství. Polohou řídícího pístu je určen průřez
řídící drážky, přes kterou proudí přiváděné palivo 3 do
horních komor 7 ventilů diferenčního tlaku a odtud ke
vstřikovacím tryskám.
Rozdílné tlaky v horní a spodní komoře
8 vychylují membránu 9, která otevírá nebo přivírá
výtlačný průřez do vedení 4 ke vstřikovacím tryskám. Tlak
ve spodní komoře diferenčního ventilu se mění elektrohydraulickým
nastavovačem tlaku 10 v závislosti na provozním stavu
motoru. Elektronická řídící jednotka podle něj ovládá magnetické
pole elektromagnetu nastavovače, který působí společně s
permanentním magnetem na planžetu 11 a tak se zvětšuje
nebo zmenšuje tlak na výstupu nastavovače a tím i ve spodní
komoře. Změnami proudu elektromagnetu se tedy mění rozdíl
systémového tlaku paliva a tlaku v horní komoře ventilů, což
umožňuje rychle reagovat na provozní podmínky a podle nich měnit
odměřované množství paliva.
Složení směsi se nastavuje při
ohřátém motoru ve volnoběžných otáčkách. Nastavení se provádí
šroubkem na páce působící na řídící píst. S pákou je spojen
potenciometrický snímač její polohy. Signál snímače se přivádí do
řídící jednotky k dalšímu využití.
Rozdělení paliva do
jednotlivých válců se seřizuje stavěcími šrouby působícími na
pružiny ve spodních komorách diferenčních ventilů. Tímto způsobem
je sloučeno měření množství nasávaného vzduchu s dávkováním
množství paliva potřebného k vytvoření požadovaného složení
směsi.
Řídící elektronika spolu s případnými dalšími snímači
provádí pouze korekci složení kolem přednastavené hodnoty podle
provozních podmínek motoru.

Časované vstřikování

U novějších systémů s časovaným vstřikováním existuje celá řada
způsobů měření množství nasávaného vzduchu, které lze rozdělit na
nepřímé a přímé.
U nepřímých způsobů se vlastní množství
neměří, ale snímá se jiná veličina, podle které se dávkuje
množství paliva. Aby regulace byla přesnější, používá se
zpravidla snímání více než jedné veličiny, nejméně dvou nebo tří.

Centrální

U systémů centrálního (jednobodového)
vstřikování je hlavní řídící veličinou poloha škrticí klapky,
protože odměřování směsi pro jednotlivé válce se provádí přes
sací potrubí. Palivo přiváděné k válcům má tři různé formy:

 

Při volnoběhu a
částečném zatížení je v okruhu sání nízký tlak a palivo je téměř
zcela v plynné formě a vytváří se jen velmi málo palivového
filmu. Při pootevření škrticí klapky tlak stoupne a podíl
palivového filmu se zvýší. Aby se zvýšení tvorby palivového filmu
při otvírání škrticí klapky neprojevilo ochuzením směsi, musí se
zvýšit dodávka paliva prodloužením doby otevření vstřikovací
trysky.
Naopak při uzavírání škrticí klapky dochází ke
spotřebování palivového filmu a doba otevření trysky se zkrátí
aby nedošlo k obohacování směsi.
Snímač polohy škrticí klapky
bývá potenciometrického typu. Proto je jeho výstupní signál
spojitý a mimo jeho absolutní hodnoty, která určuje úhel otevření
škrticí klapky, můžeme využít jeho změny pro stanovení případné
úhlové rychlosti a smyslu otáčení klapky.
Z těchto informací
může řídící jednotka vypočítat jak dobu otevření vstřikovací
trysky, tak její případné korekce podle změn polohy klapky.
Starší systémy, jejichž elektronika nedisponovala potřebnou
rychlostí a kapacitou paměti, případně zpracovávala signál
analogově, potřebují snímat další veličinu, která by dávala
informaci o změnách v sacím potrubí ovlivňujících složení směsi,
jak je výše popsáno. Takovou veličinou je tlak v sacím potrubí,
který se mění podle otevírání a uzavírání škrticí klapky.
Oba
dva snímače pracují nezávisle na sobě, takže je možná jejich
současná činnost a nároky na elektroniku zpracovávající jejich
signály jsou nižší.
Protože kromě tlakových poměrů v sacím
potrubí má na tvorbu palivového filmu dosti značný vliv i
teplota, je třeba snímat i teplotu nasávaného vzduchu. Při nízké
teplotě se podíl palivového filmu přídavně zvyšuje, takže doba
otevření vstřikovací trysky se musí prodloužit.

Vícebodové

U vícebodového vstřikování do sacího kanálu
se problémy výše uvedeného druhu téměř nevyskytují. Proto lze
použít jako hlavní řídící veličiny pro dávkování paliva měřiče
absolutního tlaku v sacím potrubí. Jelikož naměřený tlak je
úměrný objemu, nikoliv hmotnosti, musí být jako doplňující
informace snímána teplota nasávaného vzduchu, která spolu se
známým tlakem a objemem (sacího potrubí) umožňuje hmotnost
nasávaného vzduchu vypočítat.
Protože snímač tlaku nereaguje
dostatečně rychle, musí být systém doplněn o spínače
signalizující polohy minimálního a maximálního otevření škrticí
klapky. Při rychlém otevírání zcela uzavřené klapky zajistí
minimální spínač okamžité obohacení směsi. Podobně funguje
maximální spínač při rychlém plném otevření.
Jako příklady
možných provedení snímačů používaných v těchto systémech,
nazývaných podle metody měřená množství vzduchu hustotními, lze
uvést následující obrazy.
Na obr. o124 je v části
a řez tělesem snímače 1. Na hřídeli škrticí klapky
2 je upevněno raménko jezdce 3, které nese sběrací
třecí kontakty 4. Při otáčení škrticí klapky se kontakty
pohybují po odporových drahách ve víku tělesa (část b
obrazu).
Odporové dráhy jsou dvě, první z nich 5
zaznamenává oblast úhlů škrticí klapky 0 až 24° a její
signál se přenáší horními kontakty jezdce na kolektorovou dráhu
6. Druhá odporová dráha 7 snímá oblast 18 až
90° a její signál je přenášen dolními kontakty jezdce na
kolektorovou dráhu 8. Víko s dráhami se upevní na tělese s
jezdcem a těsnění 9 slouží k ochraně vnitřní části snímače
proti vlivům okolního prostředí.
Snímače tlaku v sacím
potrubí lze rozdělit do dvou skupin. První z nich jsou
polovodičové snímače, využívající piezorezistivního jevu. Na
obr. o125 je jedna z možných konstrukcí. V pouzdře snímače
je uložen křemíkový krystal, na jehož povrchu je vytvořen
odporový můstek. Vlivem deformací způsobených tlakem přiváděným
ke krystalu potrubím se mění proud protékající můstkem. Proud se
zesílí a zavede se teplotní kompenzace.
Druhou skupinu tvoří
snímače, jejichž princip vyplývá z obr. o126. V podstatě jde
o membránu, která je uložena v uzavřené komoře do níž se přivádí
tlak obdobně jako u předchozího typu snímačů. Působením tlaku se
membrána deformuje a zasouvá nebo vysouvá jádro indukčnosti,
které je s ní mechanicky spojeno. Indukčnost je součástí
oscilačního obvodu a její změny vlivem různé hloubky zasunutí
jádra se projeví změnou kmitočtu generovaného obvodem.
Výstupní signál snímače bude tedy střídavé napětí jehož kmitočet
se mění podle velikosti tlaku působícího na membránu.
Jedno z
řady četných provedení spínače škrticí klapky je na
obr. o127. Na hřídeli škrticí klapky 3 je řadicí
kulisa 2, která při otáčení hřídele klapky způsobí buď
sepnutí kontaktu plného zatížení 1, je-li škrticí klapka
naplno otevřena, nebo sepnutí volnoběžného kontaktu 4 pro
klapku v poloze minimálního otevření. Mezi těmito polohami jsou
oba spínací kontakty rozpojeny. Spínač se připojuje ke kabeláži
vozidla přes konektor 5.
Drobným nedostatkem některých
systémů vícebodového vstřikování s měřením hustoty nasávaného
vzduchu je potřeba sesynchronizovat začátek vstřikování s polohou
klikové hřídele, což může vést k nezbytnému <A
HREF=’#snimac’>seřízení snímačů polohy.

Přímé měření vzduchu

Zpřísňování emisních předpisů si vynutilo přesnější
regulaci složení směsi. Přesnost je omezena přesností měření
nasávaného vzduchu. Proto se přešlo na snímače, které umožňují
dosáhnout vyšší přesnosti než způsoby nepřímého měření.
Prvním z nich, dosud užívaným snímačem množství vzduchu, je
průtokoměr (obr. o128). Proud vzduchu nasávaný motorem
otvírá náporovou klapku 2 natolik, až nastane rovnováha
mezi tlakem vzduchu a vratnou silou na náporové klapce. Pohyb
klapky se přenáší na potenciometr, takže každé její poloze
odpovídá určité výstupní napětí, které se přivádí do řídící
jednotky.
Vyrovnávací klapka 4, která má stejnou
plochu jako náporová, zabraňuje působení zpětných rázů tlaku na
náporovou klapku a současně tlumí její zakmitávání.
Součástí
snímače je i měřič teploty nasávaného vzduchu 6, protože
samotné množství není postačující pro stanovení hmotnosti
vzduchu. Ta je, jako u všech plynů, závislá i na teplotě.
K základnímu nastavení složení směsi ve volnoběžných otáčkách
slouží stavěcí šroub 1.
Dalším typem snímačů množství
nasávaného vzduchu jsou měřiče jeho hmoty používající vyhřívaného
drátu nebo filmu. Tyto snímače jsou umísťovány mezi vzduchový
filtr a škrticí klapku, kde vyhodnocují proud hmoty vzduchu v
[kg/h].
Oba typy pracují na stejném principu. V proudu
přicházejícího vzduchu je umístěno elektricky vyhřívané tělísko,
které je tímto vzduchem ochlazováno. Elektrický proud je
regulován tak, aby udržel teplotu tělíska konstantní a vyšší, než
je teplota vzduchu. Jeho velikost je pak úměrná toku vzduchové
hmoty.
Způsob měření zohledňuje i hustotu vzduchu, která
ovlivňuje určitým podílem velikost odebíraného tepla z ohřívaného
tělíska. Není tedy potřeba samostatného měřiče teploty nasávaného
vzduchu jako u předešlých způsobů měření.
Princip snímače s
vyhřívaným drátem vyplývá z obr. o129. V části a jsou
zakresleny jeho hlavní díly a to vyhřívaný drát
RH 2 z platiny o průměru 70 mikrometrů,
který je ovlivňován hmotou vzduchu QM,
stejně jako snímač teploty RK 1,
který kompenzuje teplotu nasávaného vzduchu. Dále je to přesný
odpor RM 3, na který již nasávaný
vzduch nepůsobí. Všechny díly jsou součástmi můstku, jehož schéma
je uvedeno v části b obr. o129.
Vyhřívaný drát RH a snímač teploty RK se
v můstku uplatňují jako teplotně závislé odpory. Průtokem
ohřívacího proudu se na přesném odporu RM vytváří
napětí UM úměrné hmotě nasávaného vzduchu. To se
přivádí k řídící jednotce jako signál snímače. Odpory
R1 a R2 jsou kalibrační a slouží k
vyvážení můstku při základním nastavení.
Aby nedocházelo ke zkreslení měření
vlivem nečistot v nasávaném vzduchu, které se usadí na vyhřívaném
drátě, drát se po vypnutí motoru krátkodobě ohřeje na vysokou
teplotu.

Na dobu 1 sekundy na 900°C.

Tím se nečistoty spálí nebo odpaří a drát je očištěn.
U měřiče s vyhřívaným filmem se používá tělíska s tenkou
vrstvou platiny nebo niklové mřížky potažené kaptonem.

Materiál odolávající vysokým teplotám.

Jak je zřejmé z obr. o130a, není již ohřívaný odpor součástí
můstku, který je tvořen odpory R1 a
R2 v jednom rameni spolu s kompenzačním
snímačem teploty RK, zatímco v druhém
rameni můstku je odpor R3 spolu s
teplotně závislým odporem RS, který
vyhodnocuje teplotu tělíska.
Výstupní napětí můstku se mění
tak, aby teplota tělíska byla stálá, takže jeho hodnota závisí na
chladicích účincích hmoty nasávaného vzduchu a slouží jako
výstupní signál měřiče.
Konstrukční řešení je zřejmé v
obr. o130b. Všechny prvky důležité pro přechod teploty jsou
uspořádány na keramické destičce po proudu vzduchu. Nečistoty se
tedy usazují převážně na přední hraně tělíska snímače
RS. Uspořádání je takové, aby nevedly k
odklonění proudu vzduchu. Touto konstrukcí je zabezpečena
dlouhodobá přesnost měření i bez spalování nečistot.
Všechny
dosud popsané způsoby přímého měření množství nasávaného vzduchu
se vyznačují jistou setrvačností ať mechanickou nebo tepelnou.
Proto mají omezenější použití než měřič objemu proudu vzduchu,
tzv. Karmanův vířivý průtokoměr, jehož princip je na
obr. o131.
Jestliže se nasávaný proud vzduchu upraví
laminátorem na laminární a poté se v něm vytvoří pomocí kolíku
vířivé nesymetricky uspořádané vzdušné víry (nazývané Karmanovou
řadou), je jejich četnost úměrná průtoku nasávaného vzduchu.
Četnost se měří ultrazvukovými signály vysílanými napříč proudu
nasávaného vzduchu. Rychlost šíření ultrazvukových impulsů je
ovlivňována vzdušnými víry, což je měřeno přijímačem umístěným na
opačné stěně sacího kanálu.
Po zpracování v dalších stupních
přijímače se signál ve formě napěťových impulsů, jejichž kmitočet
je úměrný objemu proudu vzduchu, přivádí k řídící jednotce.

Korekce podle atmosférického tlaku

Protože motor
potřebuje ve vyšších nadmořských výškách méně paliva, jsou
některé systémy regulace složení směsi vybaveny snímačem
atmosférického tlaku. Snímač vysílá signál do řídící jednotky,
která zkrátí dobu otevření vstřikovacích trysek. Směs vzduchu s
palivem je tak stále korigována podle nadmořské výšky.
Korekce podle výšky není potřebná u systémů měřících hustotu
nasávaného vzduchu, tj. se snímači tlaku v sacím potrubí a
teploty nasávaného vzduchu. Tyto snímače registrují změny
způsobené měnící se nadmořskou výškou.

Vliv motoru na dávkování paliva

Dávkování paliva není ovlivňováno pouze hmotností nasávaného
vzduchu. Z poměru paliva a vzduchu pouze vyplývá složení směsi.
To však musí vycházet z provozních podmínek motoru. Ty jsou dány
zejména jeho otáčkami, zatížením a provozní teplotou. Podle
těchto vlivů se mění požadavky na složení směsi, které musí
regulační systém nastavit. Proto jsou nedílnou součástí systémů
regulace složení směsi snímače jednotlivých veličin, které je
třeba brát v úvahu, aby se při všech předpokládaných provozních
podmínkách zajistil optimální chod motoru. Tím se rozumí nejen
spotřeba zaručovaná výrobcem vozidla, dále emise škodlivých
látek, jejichž přípustnou úroveň stanoví zákon, ale i jízdní
vlastnosti, jako je zrychlení, hlučnost chodu a další chování
vozidla i motoru.

Snímače otáček a polohy
klikové nebo vačkové hřídele

Otáčky a polohu klikové
nebo vačkové hřídele není třeba snímat pouze u motorů se spojitým
vstřikováním. U tohoto druhu vstřikování je dávkování paliva
řízeno především podle množství nasávaného vzduchu. Je tedy na
otáčkách motoru a polohách jeho hřídelí zcela nezávislé.
Úplně jiná situace je u vstřikování časovaného, kde jsou u všech
systémů otáčky motoru určující. U většiny navíc i poloha klikové
nebo vačkové hřídele, případně obou. Vzhledem k různorodosti
regulačních systémů, což je dáno nejen potřebami motoru, ale i
cenovými a patentovými hledisky, se v praxi vyskytují následující
skupiny.

 

Problematiku jednotlivých skupin lze shrnout následovně.

Jeden snímač v rozdělovači vn spojeném s vačkovou hřídelí

Snímač takto umístěný může poskytovat
obvykle pouze informaci o otáčkách motoru. To je postačující
pouze u systémů vstřikování, u kterých není okamžik otevření
trysky nebo trysek plně závislý na poloze klikové nebo vačkové
hřídele. Jsou to buď systémy jednobodového vstřikování, u kterých
se provádí rozdělení směsi k válcům sacím potrubím, nebo
vícebodové simultánní vstřikování na sací ventily, kde se palivo
vstřikuje během každé otáčky motoru všem válcům současně. Signál
snímače slouží pro určení okamžiku, kdy mají být trysky otevřeny.
Mnohdy je používán jak pro řízení vstřikování, tak pro řízení
zapalování. Řídící jednotka pak tvaruje nejen impulsy pro
otevírání vstřikovacích trysek, ale i impulsy pro regulaci doby,
po kterou má protékat proud primárem zapalovací cívky a okamžik
zážehu. Zapalování je pak omezeno na pouhý zesilovač výkonu,
který tyto signály zesiluje.
Pominou-li se mechanické
přerušovače, se kterými se lze dnes setkat jen výjimečně, je
možno najít v rozdělovačích následující typy snímačů.
Indukční snímače, které využívají změny magnetického pole k tomu,
aby se v indukčnostech nacházejících se v tomto poli, indukovalo
střídavé napětí. Kmitočet tohoto napětí je závislý na počtu změn
mg. pole, velikost napětí na jejich rychlosti. Změny pole vytváří
rotující část snímače, která je spojena s hřídelí rozdělovače,
stejně jako palec vn části rozdělující zapalovací napětí.
Snímače tohoto typu je vyskytují ve dvou provedeních.
První z
nich, nazývané také „jednozubové“, je zjednodušeně zakresleno na
obr. o132. Indukčnost 1 snímače je navinuta na jádře
z měkkého železa s výstupkem, kolem kterého se pohybuje rotor
2 z magnetického materiálu. Rotor je opatřen výstupky
(zuby), které se při otáčení hřídele rozdělovače přibližují
statorovému výstupku. Tím se uzavře magnetický obvod a v
indukčnosti se indukuje napětí.
Druhým typem je tzv. „rotačně
symetrický“. Jak vyplývá z obr. o133, na kterém je princip
jeho funkce, je indukčnost 2 navinuta na jádře buzeném
permanentním magnetem 1. Na hřídeli rozdělovače je
umístěno zubové kolo 4. To má stejný počet zubů, kolik je
pólových nástavců permanentního magnetu a také válců motoru. Při
otáčení hřídele rozdělovače se magnetický obvod uzavírá přes
mezeru 3 a v indukčnosti se indukuje napětí. Nedostatkem
tohoto způsobu je, že šířka nástavců je poměrně větší než u
prvního typu, takže změny velikosti výstupního napětí snímače s
otáčkami rozdělovače jsou poměrně větší než u prvního typu, což
ztěžuje synchronizaci začátku vstřikování. Proto není tento typ k
tomuto účelu používán a je v rozdělovači nahrazen snímačem
založeným na Hallově jevu.
Snímač s Hallovým prvkem využívá
toho, že polovodičem, na který je přivedeno stejnosměrné napětí,
bude protékat proud, působí-li na něj magnetické pole. Uspořádání
a princip takového snímače pro použití v rozdělovači je na
obr. o134. V části a tohoto obrázku je osvětlen výše
uvedený princip. A je stav bez magnetického pole – proud
neteče; B s polem, proud protéká.
V dalších částech,
tvořených integrovaným obvodem, jsou tyto změny převáděny na
napěťový signál o dvou různých hodnotách s velmi rychlým
přechodem mezi nimi. Změny mg. pole nastávají zasouváním a
vysouváním clony z měkkého železa do mezery v magnetickém obvodu
snímače (část b) obr. o134. Náznak úplného
konstrukčního řešení takového snímače je v části c
zmíněného obrázku.
Mimo výše popsané typy se v rozdělovačích
vyskytují i snímače optoelektronické, s dvojicí tvořenou
světloemitující diodou a fototranzistorem a snímače
elektromagnetické, tvořené oscilačním obvodem, jehož kmitočet se
mění s otáčkami motoru, případně další.

Jeden snímač u setrvačníku klikové hřídele

Takové snímače jsou používány
tam, kde jsou zvláštní požadavky na přesnost snímání otáček,
případně i polohy klikové hřídele. Jsou to převážně snímače
indukčního typu, jejich indukčnost je navinuta kolem tyčinkového
jádra z permanentního magnetu. Magnetický obvod se uzavírá přes
těleso klikové skříně a ozubení věnce setrvačníku. Při otáčení
klikové hřídele se proti magnetu střídají zuby s mezerami a tím
se mění magnetický tok. Následkem jeho změn se ve vinutí
indukčnosti indukuje střídavé napětí.
Aby se mohla tímto
snímačem snímat současně také poloha klikové hřídele odpovídající
např. horní úvrati 1. válce, musí být na věnci odpovídající
referenční značka. Může jít o mezeru mezi zuby věnce
(obr. o135). Často bývají dvě protilehlé značky nebo i více
značek.

Dva snímače u klikové hřídele

Bývají rovněž
převážně induktivního typu. Jak vyplývá z obr. o136, bývá
jeden ze snímačů umístěn proti zubům věnce setrvačníku, druhý pak
tak, aby kolem něj procházela referenční značka tvořená kolíkem
vsazeným do setrvačníku. Jinou variantou je otvor vyvrtaný do
tělesa setrvačníku. Referenčních značek může být i více, podle
řešení regulačního systému, příp. provedení motoru.

Snímače na klikové i vačkové hřídeli

Tato kombinace snímačů je
nejčastěji používaná u systémů s rotačním rozdělením vysokého
napětí ke svíčkám motoru. Obvykle je snímač u klikové hřídele
indukčního typu a bývá umístěn proti referenčnímu kolíku nebo
otvoru.
Snímač na vačkové hřídeli se nachází uvnitř tělesa
rozdělovače a bývá obdobného provedení jako tzv. „jednozubový“.
Počet „zubů“ bývá různý. Např. u provedení podle obr. o137,
používaného u systémů pro vozidla italské výroby, jsou to zuby
dva, umístěné nesouměrně. Jejich úhlová vzdálenost je 270°
a 92°. Spolu se signálem snímače u klikové hřídele
poskytují informace pro řízení sekvenčního vstřikování, u kterého
jsou trysky otvírány jednotlivě.

Dva snímače na vačkové hřídeli

Rovněž bývají používány většinou u snímačů s
rotujícím rozdělením vn. Jsou tedy umísťovány v tělese
rozdělovače. Vyskytují se nejčastěji u vozidel japonských značek.
Např. Honda používá dvou induktivních snímačů (obr. o138).
Jejich rotory, tvořené magnetickým materiálem, mají různý počet
výstupků. Rotor označený G má dva protilehlé a druhý
N pak 24 výstupků s rozestupem 15°.
Proti
každému je indukčnost s magnetickým jádrem. Při otáčení hřídele s
nasazenými rotory se ve vinutích indukují dva, resp. 24 impulsů
během otáčky.
Signály se přivádějí do řídící jednotky, která
určí rychlost otáčení změřením časového intervalu mezi impulsy
signálu N.
U systémů ECCS fy Nissan je použito
optoelektronických snímačů (obr. o139). Sestávají z
fototranzistoru a světloemitující diody. Mezi nimi se při otáčení
hřídele pohybuje disk s výřezy, který je na hřídeli nasazen. Na
disku jsou při okraji výřezy pro snímač otáček, blíže středu
výřezy pro polohu hřídele. Signály snímačů postupují do řídící
jednotky k dalšímu zpracování.
Elektromagnetické snímače
umístěné u klikové hřídele mívají nejčastěji pevně určenou
polohu. V případě potřeby se nastavuje pouze mezera mezi jejich
jádrem a zuby setrvačníku. Jinou variantou mohou být značky na
řemenici klikové hřídele nebo zvláštním disku upevněném na
hřídeli. Je-li mezera příliš malá nebude výstupní napětí
postačovat k zabezpečení správné funkce regulace.
Snímače
spojené s vačkovou hřídelí vyžadují obvykle seřízení jak
orientace rotoru, tak polohy statoru spojeného s indukčnostmi
snímačů.

Snímače teploty

Mimo snímání teploty
nasávaného vzduchu, která ovlivňuje jeho hmotnost, provádí se
snímání teploty dalších medií, které vyjadřují provozní stav
motoru, nebo jejichž teplotní stav může chod motoru ovlivnit.
První z nich je teplota chladicí kapaliny, která udává, zda je
motor studený, či zda je zahřátý na provozní teplotu. U studeného
motoru se provádí obohacení směsi prodloužením doby otevření
vstřikovacích trysek. Obohacení přidáváním paliva je u studeného
motoru potřebné ze dvou důvodů. Jednak proto, že na studených
stěnách sacího potrubí a motoru dochází ke kondenzaci paliva a
tak se směs ochudí. Musí být proto vstříknuto více paliva, aby se
zachovalo potřebné složení směsi. Druhým důvodem je, že mírně
bohatá směs hoří s vyšší spalovací teplotou a motor se dříve
zahřeje.
Druhý snímač teploty bývá používán k měření teploty
paliva. Pokud je v systému použit, bývá umístěn v rozdělovacím
potrubí paliva k tryskám. Signál o teplotě paliva u motoru je
používán k případnému zvětšení vstřikovaného množství aby se
vyloučilo tvoření par paliva při teplém startu.
Teplotní
snímače bývají obvykle polovodičové odpory se záporným nebo
kladným teplotním součinitelem. Hodnota jejich odporu se tedy
zmenšuje nebo zvětšuje se změnou teploty media ve kterém se
nacházejí.

Napětí vozidlové sítě

Napětí v napájecí
síti vozidla se v celém rozmezí otáček a zatížení motoru v malých
mezích mění. Toto kolísání napětí může způsobovat zpoždění odezvy
vstřikovacích trysek. Proto je u některých systémů prováděna
korekce doby vstřikování, která toto zpoždění vyrovnává.
Korekční obvod je součástí řídící jednotky, zvláštní snímač
napětí se nepoužívá.

Měření složení směsi

Má-li systém zabezpečit tvorbu směsi s
předpokládaným složením, je žádoucí, aby řídící jednotka
dostávala informaci o výsledku regulace a případně prováděla
potřebnou korekci množství vstřikovaného paliva. Tuto informaci
lze získat pouze z výfukových plynů, podle množství zbylého
kyslíku. Jako snímače se používá tzv. lambda sondy. Její funkce
je založena na principu galvanického kyslíkového článku s
elektrolytem v pevné fázi.
Zjednodušené schéma snímače na na
obr. o140. Pevný elektrolyt je tvořen keramickým tělískem
1, které je z jedné strany uzavřeno a pro plyn
neprůchodné. Povrchové plochy tělíska jsou z obou stran opatřeny
elektrodami 2 z tenké platiny propouštějící plyn.
Takto provedené tělísko je chráněno na vnější straně porézní
keramickou vrstvou 6 a je umístěno ve výfukovém potrubí
5, kde na něj působí výfukové plyny. Vnitřní otevřený
prostor je spojen s okolním vzduchem, který slouží jako
referenční plyn.
Použitý keramický materiál se od 350°C stává vodivým pro
ionty kyslíku. Liší-li se jeho podíl na obou stranách snímače,
vzniká mezi platinovými elektrodami elektrické napětí, které lze
snímat z kontaktů 3 a 4 (kontakt tělesa).
Toto napětí je závislé na obsahu kyslíku ve
výfukových plynech. Jeho zbytky jsou v plynech i při přebytku
paliva ve směsi. Při bohaté směsi budou hodnoty napětí 800 až
1000 mV, naopak při chudé směsi bude jen asi 100 mV. V
přechodové oblasti z bohaté do chudé směsi se napětí mění
skokově, stechiometrické směsi (lambda = 1) odpovídá napětí 450
až 500 mV.
Vodivost iontů kyslíku je velmi závislá i na
teplotě keramického tělesa snímače. Průběh napětí tedy bude také
ovlivněn teplotou. Výše uvedené hodnoty jsou při pracovní teplotě
lambda sondy kolem 600°C.
I rychlost změny napětí v
důsledku měnícího se složení směsi je závislá na teplotě. Při
teplotě pod 350°C je změna v rozmezí sekund, při
600°C reaguje sonda v čase kratším než 50 ms. Proto je
při startu motoru regulace složení směsi vypnuta až do zahřátí
sondy na teplotu asi 300°C.
Umístění lambda sondy musí
být zvoleno tak, že při delším provozu s plně zatíženým motorem
teplot nepřekročí 850°C. Krátkodobě je přípustné zvýšení
až na 900°C.
Příliš vysoké teploty jsou příčinou nízké
životnosti snímače. Proto se začalo používat elektricky vyhřívané
lambda sondy (obr. o141). U takových snímačů zvyšuje
elektrický topný článek teplotu keramiky při nízké teplotě
výfukových plynů. Vyhřívaná sonda může být umístěna dále od
motoru, takže je při plném výkonu méně teplotně namáhána.
Elektrické vyhřívání se zapíná jen při malých zatíženích motoru,
kdy je teplota výfukových plynů nízká. Při větších zatíženích je
jejich teplota určující. Vyhřívání zahřeje sondu na provozní
teplotu během 20 až 30 s a její provozní teplota je dále
během celého jízdního provozu téměř optimální. To přispívá k
přesnosti regulace složení směsi a má příznivý vliv na životnost,
která dosahuje v průměru 150 000 km proběhu.
Aby nebyla katalyticky aktivní vnější platinová elektroda poškozena,
musí být motor provozován s bezolovnatým benzinem.
Napěťový
signál ze sondy se přivádí do řídící jednotky, která podle jeho
velikosti ovládá složení směsi, tj. její ochuzení nebo obohacení.
Tento typ snímače má skokovou charakteristiku v oblasti blízké
stechiometrické směsi. Poměr paliva a vzduchu kolísá neustále v
oblasti několika procent kolem lambda = 1.0. Je tedy vhodný pro
motory s tzv. třísložkovým katalyzátorem, který má největší
účinnost potlačení všech tří škodlivých složek ve výfukových
plynech právě v této oblasti.
V oblasti chudých směsí má
pouze omezené použití. Měření libovolných hodnot lambda > 1.0
umožňuje tzv. chudá lambda sonda, používaná převážně u motorů se
spalováním chudé směsi. U tohoto typu sondu se používá výkonového
vyhřívání (až 18 W) a tzv. hraničního proudu. Ten vzniká
přivedením vnějšího elektrického napětí na platinové elektrody
sondy. Tím dojde k přečerpání iontů molekul kyslíku do katody k
anodě. Vzniklá difúzní bariéra brání přechodu molekul kyslíku z
výfukových plynů ke katodě. Teprve překročí-li obsah kyslíku
množství dané velikostí přečerpávacího napětí, vzniká hraniční
proud, který je úměrný tomuto obsahu. Sonda umožňuje měřit
složení směsi lambda v rozmezí <1.0;1.5>.
Pokud však motory
pracují nejen s chudými směsi, ale i se smíšenými, kdy je
regulovaná hodnota častěji pro lambda = 1.0, používá se spíše
širokopásmové sondy. Tak poskytuje validní, vcelku lineárně
rostoucí signál pro složení lambda <0.8;1.8>. Její princip
vyplývá z obr. o142. Je to dvoučlánkový snímač, spojující
chudou sondu na principu hraničního proudu se „selektivní“ sondou
s kyslíkovým článkem.
Oba články jsou z oxidu zirkoničitého
potažené dvěma platinovými porézními elektrodami. Jsou uspořádány
tak, že mezi nimi vzniká měřicí mezera. Tato je přes otvor pro
vstup plynu v pevném elektrolytu propojena s okolním vzduchem.
Otvor tvoří současně difúzní bariéru, která určuje hraniční
proud. Elektrický obvod reguluje napětí přiváděné na přečerpávací
článek tak, aby složení směsi v mezeře zůstávalo stále na lambda
= 1.0. Při chudé směsi je kyslík z mezery přečerpáván článkem
ven. Při bohaté směsi je naopak kyslík přečerpáván z výfukových
plynů (rozkladem CO2 a
H2O) do okolí a směr proudu je opačný.
Přečerpávací proud je vždy úměrný koncentraci nebo potřebě
kyslíku. Při stechiometrickém složení směsi je nulový. Vyhřívání,
které je součástí snímače, zabezpečuje potřebnou provozní
teplotu, která je minimálně 600°C.
Použitý typ lambda
sondy je závislý na způsobu omezení škodlivých složek emisí ve
výfukových plynech. Jednotlivé způsoby a jejich zvláštnosti budou
popsány v dalším.

 

Soupravy zapalování

 

Podmínky zážehu a spálení směsi

Připravenou směs, přivedenou do spalovacího prostoru ve válcích
motoru, je třeba zažehnout. Při jejím shoření se energie obsažená
v palivu přemění na mechanickou práci. Termodynamická účinnost
přeměny je závislá na složení směsi. Při bohaté směsi (lambda
< 1.0$) je výkon motoru vyšší, avšak měrná spotřeba roste.
U chudých směsí (lambda > 1.0) je výkon nižší, ale měrná
spotřeba klesá. Tyto skutečnosti postihuje graf o21, ve kterém je
pro různé kompresní poměry uvedena závislost termodynamické
účinnosti etath na součiniteli lambda.
Účinnost roste strmě do lambda = 1.0 a dále pak pozvolně, ale
trvale. Závislost platí pro ideální zážehový motor spalující
tekutá uhlovodíková paliva. Chování reálného motoru je však
odlišné, což vyplývá z čárkovaně vyznačeného průběhu závislosti
termodynamické účinnosti typického zážehového motoru s kompresním
poměrem 6.3:1. Maximum jeho účinnosti je při lambda přibližně
rovno 1.2, zatímco průběhy ideálních motorů maxima nemají. Je to
způsobeno tím, že u ideálního motoru se směs během pracovního
cyklu zapálí a shoří, zatímco u reálného dochází k selhání
zážehu, opožděnému zapálení, prodlouženému hoření a obvykle ke
kombinaci těchto jevů.
Vliv zapalování na termodynamickou
účinnost reálného motoru vyjadřuje diagram o22. Od určité hodnoty
lambda, jejíž velikost je závislá na dokonalosti funkce
zapalování, se účinnost při dalším ochuzování směsi začne
zhoršovat, motor vlivem selhávání zapalování ztrácí výkon a
pracuje nepravidelně, až se nakonec zastaví. Jako nedokonalé se
hodnotí zapalování, se kterým dochází ke zhoršování
termodynamické účinnosti motoru ihned za stechiometrickou směsí
(lambda = 1.0). Za vyhovující lze považovat zapalování, které
zhoršuje účinnost až po ochuzení směsi o 10 % (lambda =
1.1), a za dobré, se kterým zhoršení nastává až při ochuzení o
20 % (lambda = 1.2).
Čím dokonalejší je zapalování, s
tím chudší směsí lze dosáhnout maxima termodynamické účinnosti a
tím nižší bude spotřeba, emise i lepší jízdní vlastnosti motoru.
Podle průběhu závislosti měrné spotřeby a emisí, případně
nerovnoměrnosti chodu motoru na součiniteli lambda, pro různé
parametry zapalování lze posuzovat jeho dokonalost.
Nemá-li
dojít při ochuzování směsi ke zhoršení termodynamické účinnosti
motoru vlivem zapalování, musí dojít nejen k zapálení směsi ve
válci, ale zapálený objem musí být také dostatečně velký, aby
hoření nezhaslo.

Zapalovací soustava tedy musí:

 

Aby nedošlo k
nadměrným emisím uhlovodíků v důsledku nedokonalého nebo
neúplného shoření, musí být u chudých směsí zapálen dostatečně
velký objem. Tím se zkrátí průběh procesu spalování, který je u
chudých směsí delší, protože tyto hoří pomaleji. Z toho vyplývají
některé požadavky na zapalovací svíčku. Má mít otevřené
jiskřiště, aby se palivová směs lépe dostala k dráze jiskry. Aby
se co nejvíce omezil odvod tepla přes elektrody a stěny válce,
mají být elektrody tenké a jiskřiště vysunuto.
Zapálení
většího objemu významně napomáhá zvětšení vzdálenosti mezi
elektrodami svíčky. Vliv mezery mezi elektrodami na měrnou
spotřebu, emise HC a neklid volnoběžného chodu motoru pro různé
složení směsi na na obr. o23a. Vzrůst emisí HC je způsoben
poklesem teploty spalování, což se projevuje zejména při menších
mezerách, kdy je zažehnut jen objem směsi nedostačující k jejímu
dokonalému shoření. Výkon motoru klesá, takže měrná spotřeba
(vztahuje se k výkonu) roste. Nedokonalé hoření se projevuje i
nerovnoměrným chodem motoru.
Velikost mezielektrodové
vzdálenosti je jedním z určujících parametrů napětí potřebného k
vyvolání výboje. K ní přistupuje pracovní tlak ve válci
(kompresní poměr) a složení směsi. Hodnota přeskokového napětí
roste se zvětšováním mezery, kompresního poměru a ochuzováním
směsi.
Mimo velikost zažehnutého objemu směsi má na průběh
shoření směsi vliv i teplota jiskry, která směs zažehne. Ta je
závislá na elektrické energii uvolněné do výboje. Tato energie je
dána součinem proudu I tohoto výboje a času t jeho hoření. Jak
tyto veličiny ovlivňují spalování směsi s různým lambda vyplývá z
diagramů o23b, kde je závislost měrné spotřeby, emisí HC a
emisí NOX na součiniteli lambda pro různé
proudy výboje při konstantní době jeho hoření t = 2.0 ms. Na
obr. o23c je závislost stejných parametrů při konstantním
proudu I = 100 mA a různých dobách t hoření výboje.
Z grafů je zřejmé, že doba hoření má být nejméně mezi 1.0 až
2.0 ms, aby nemusel být proud výboje příliš velký.
U hořícího výboje se napětí mezi elektrodami zapalovací svíčky
pohybuje podle složení směsi kolem 1 až 2 kV, takže energie
výboje může dosáhnout až 200 mJ.
Parametry zapalovací
soupravy jsou závislé na způsobu hromadění energie. Existují dva
způsoby a to hromadění v indukčnosti a hromadění v kapacitě. Pro
elektronické zapalovací soustavy je to zapalování tranzistorové a
zapalování tyristorové.

Tranzistorové zapalování

U tranzistorového zapalování, obr. o24, se energie hromadí v
zapalovací cívce, stejně jako tomu bylo u dříve používaného
bateriového. Je dodávána z vozidlové baterie 11, nebo z
alternátoru 10. Proud I, který hromadí tuto energii
E = 1 / 2 * L1 * I * I
je závislý na velikosti napětí baterie
UBAT, saturačního napětí výkonového tranzistoru
USAT a na odporu
R1 primárního vinutí zapalovací cívky 7.
Platí
Imax =
(UBAT – USAT) /
R1.
Veličina
L1
je indukčnost vinutí primáru zapalovací
cívky. Poměr mezi indukčností L1
primárního vinutí a jeho ohmickým odporem
R1 určuje rychlost nárůstu primárního proudu, tj.
časovou konstantu
tau = L1 / R1.
Primární proud dosáhne téměř své
maximální hodnoty za dobu
T0 rovná se přibližně 3 * tau od okamžiku
sepnutí spínacího prvku, tj. výkonového tranzistoru 4.
Při přerušení primárního proudu rozepnutím přerušovače 8
se v primárním vinutí cívky naindukuje napětí

U1 = L1 *
I1 / Tvyp,
kde
Tvyp je časová konstanta průběhu
přerušení primárního proudu. Je určována hodnotou indukčnosti
L1 primárního vinutí a kapacity C, která
sestává z kapacity kondenzátoru zapojeného paralelně k výkonovému
spínacímu tranzistoru a z parazitní kapacity v obvodech
sekundárního vinutí cívky. Tato je přetransformována se čtvercem
poměru počtu závitů sekundárního a primárního vinutí, tj.
n2 * n2 /
(n1 * n2). Parazitní
kapacitu tvoří vlastní vinutí cívky, rozdělovač, vn kabely, atd).
Pro časovou konstantu platí

tau = druhá
odmocnina L1 * C.
Ze vztahů pro
energii až po čas se
vychází při návrhu zapalovací soustavy. S jejich použitím je také
možno ukázat na omezující vlivy jednotlivých parametrů a uvést
způsoby, jakými se tato omezení potlačují.
U dříve
používaného bateriového zapalování byl omezujícím prvkem
mechanický přerušovač. Jestliže spínal proudy větší než 3 až
4 A, klesala rychle jeho životnost. Tím byla omezena
energie, která se hromadila v cívce, protože přínos zvýšení
indukčnosti není tak výrazný, jako zvětšení proudu. Kromě toho
vyšší indukčnost zvětšuje časovou konstantu plnění cívky, což
ovlivní nepříznivě dosažitelný maximální proud při vyšších
otáčkách motoru. Tuto skutečnost osvětluje obrázek o25.
Bude-li doba sepnutí primárního proudu dostatečně dlouhá,
T0 = 3 tau1,
dosáhne proud své maximální hodnoty. Pokud však bude kratší,
např.
T1 = 1.5 tau1,
dosáhne proud jen 78 % maximální
hodnoty a energie nahromaděná v cívce klesne na 60 %.
Proto byl mechanický přerušovač nahrazen spínacím tranzistorem,
který spíná bez problémů proudy 10 A i více. To umožňuje
snížit indukčnost primáru cívky a zkrátit dobu potřebnou k
dosažení maximálního proudu. Tím ale vznikly další problémy. Při
nízkých otáčkách se maximálního proudu dosáhne příliš brzy a
další přívod energie z baterie se mění v tepelné ztráty, protože
magnetický obvod je nasycen. Dále to, že při vysokých otáčkách
dochází opět k poklesu energie vlivem velké časové konstanty.
Zmenšit časovou konstantu snížením indukčnosti není vhodné,
protože vede k poklesu energie. Proto se sáhlo ke zvětšení odporu
primárního vinutí se současným zlepšením odvodu tepla naplněním
cívky olejem s dostatečnou elektrickou pevností a tepelnou
jímavostí. Současně se použilo elektronického řízení doby sepnutí
primárního proudu tak, aby v celé oblasti otáček motoru bylo
dosahováno pokud možno stejné hodnoty maximálního primárního
proudu. Řízení se provádí posouváním okamžiku zapnutí proudu v
závislosti na otáčkách tak, že se doba jeho průtoku s rostoucími
otáčkami prodlužuje. Protože proud je závislý i na napětí
baterie, přihlíží obvod řízení i k němu, takže úhel sepnutí je
řízen podle těchto dvou parametrů (obr. o26).
Moderní
systémy jsou řešeny nejen s řízením úhlu sepnutí, ale i s
omezováním primárního proudu. Omezování se reguluje tak, že
výkonový spínací tranzistor působí jako elektronicky řízený
předřadný odpor. Tím se mění jeho saturační napětí a <A
HREF=’#proud’>tedy i hodnota maximálního proudu. Proud se
zvýší, je-li pro dosažení potřebné energie k dispozici krátká
doba, tj. při vysokých otáčkách motoru.
Výkonový spínací
tranzistor má určité maximální přípustné napětí mezi svým
kolektorem a ostatními elektrodami. To nesmí být překročeno,
jinak se součástka zničí. Proto nemůže být hodnota <A
HREF=’#nap’>napětí na primárním vinutí zapalovací cívky,
vzniklého přerušením proudu cívkou, vyšší než ono maximálně
přípustné napětí. Ze vyplývá, že napětí lze
omezit výběrem kapacity paralelní ke spínacímu tranzistoru, což
bylo používáno u starších zapalování.
Protože to prodlužuje
rychlost náběhu zapalovacího napětí, používá se nyní omezení
polovodičovými prvky, které odříznou hodnoty vyšší než přípustné
napětí tranzistoru (5 v obr. o24).
Je žádoucí,
aby přípustné napětí tranzistoru bylo co nejvyšší, protože
primární napětí se zvyšuje na zapalovací (obvykle nad 20 kV)
poměrem počtu sekundárních a primárních závitů, tj.
n2 / n1. Ovšem v
obráceném poměru, tj. n1 / n2 se
transformuje sekundární proud, který určuje energii zapalovací
jiskry, takže má být co největší.
Je-li jako přerušovače použito buď mechanického, nebo
bezkontaktního s Hallovým prvkem, nebo optického, které mohou být
„sepnuty“ i při stojícím motoru (induktivní nikoliv), musí být
řídící elektronika doplněna ochranným obvodem, který v takovém
případě vypne po několika sekundách primární proud.

Tyristorové zapalování

U zapalování tohoto typu (obr. o27) se elektrická
energie hromadí v kondenzátoru 4. Platí pro ni vztah
E = 1 / 2 * C * U * U,
ve kterém je C kapacita tohoto
kondenzátoru ve faradech a U napětí, kterým je kondenzátor
nabíjen.
Aby byly rozměry tohoto kondenzátoru přijatelné,
volí se jeho kapacita do 1 až 2 mikrofaradů. Pro dosažení
potřebné energie musí být nabíjecí napětí nejméně 300 V,
proto se nemůže dodávat přímo z palubní sítě vozidla, tedy z
alternátoru 8 nebo baterie 9. Jejich napětí musí
být na potřebnou hodnotu zvýšeno v měniči 3.
K elektrickému výboji na zapalovací svíčce dojde při vybití
kondenzátoru přes primární vinutí zapalovací cívky 6 a
spínací tyristor 7. Tyristor je otevírán impulsem, který
časově odpovídá rozepnutí přerušovače v rozdělovači. Napětí na
kondenzátoru je v cívce transformováno na hodnotu potřebnou k
přeskoku ve svíčce. Protože se energie nehromadí v indukčnosti,
je cívka pouze transformátorem a její indukčnost může být
podstatně nižší (až 10 *) než u tranzistorového zapalování.
Porovnání vlastností bateriového (BZ), tranzistorového cívkového
(TCZ) a tyristorového kondenzátorového (VKZ) zapalování je
uvedeno obrázky o28a a o28b. Na prvním je uveden časový průběh
sekundárního napětí (v % maximální hodnoty), ve druhém pak průběh
obvykle dosahovaného maximálního napětí v závislosti na počtu
jisker za minutu.
Ve druhém obrázku je oblast a
tvořena poklesem napětí vlivem silného jiskření na přerušovači,
oblast b pak vzájemnými nárazy kontaktů přerušovače a
jejich odskakováním.
Pomineme-li bateriové zapalování s
mechanickým přerušovačem, vyplývá z obou obrázků, že
tranzistorové zapalování má podstatně pomalejší náběh
zapalovacího napětí než tyristorové, zato je schopno toto napětí
udržet po podstatně delší dobu, tj. jiskra je výrazně delší.
Důležitost rychlého náběhu zapalovacího napětí plyne z toho, že
dnes nejpoužívanější motory s vysokým měrným výkonem potřebují
zapalovací svíčky s vyšší tepelnou hodnotou. To má za následek,
že při častých jízdách na kratší vzdálenosti se svíčky snadno
znečistí sazemi. Tím na nich vznikají vedlejší elektrické cesty
(svody napětí). Tyto snižují vytvářené napětí, takže energie
jiskry klesá a v krajních případech nemusí dojít k přeskoku.
Dalšími příčinami těchto svodů bývají usazeniny olova na keramice
svíčky a vodní kondenzát na jejich elektrodách.
Zapalování se
strmým náběhem jsou na tyto vedlejší svody poměrně necitlivé.
Citlivost vůči nim je charakterizována dynamickým vnitřním
odporem zapalovací soupravy. Čím je jeho hodnota nižší, tím méně
klesá napětí dodávané ze zapalovací soupravy, dojde-li ke vzniku
svodů.
Rychlost náběhu zapalovacího napětí také snižují
kapacity vn kabelů rozvádějících napětí z cívek ke svíčkám
(případně přes rozdělovač, pak i jeho) a kapacity svíček. Na tyto
parazitní kapacity se váže elektrický náboj, což nepříznivě
působí na zmíněný náběh napětí.
Délka jiskry ovlivňuje
vzplanutí směsi ve válci a tím má nepřímý vliv na průběh
spalování. Homogenní stechiometrické nebo mírně bohaté směsi může
zapálit jiskra s poměrně krátkým trváním. Chudé a nehomogenní
směsi, jaké vznikají zejména při studeném startu nebo při
zrychlování z nízkých otáček a při popojíždění, vyžadují delší
trvání jiskry. Tím se zvyšuje pravděpodobnost, že se zapálení
schopná část směsi dostane do prostoru jiskry. Dále, že bude
jádru plamene stále přiváděna energie, takže toto přetrvá, dokud
se teplota směsi vlivem rostoucí komprese nezvýší natolik, že se
vytvoří stabilní fronta plamene. U induktivních zapalování obnáší
délka jiskry 0.5 až 2.5 ms, u kondenzátorových je však
obvykle do 0.1 ms.
Průběh vysokého napětí v závislosti
na počtu jisker je zcela jednoznačně nejlepší u kondenzátorových
souprav. Proto bývají nejčastěji používány u vysoce výkonných
motorů sportovních automobilů nebo u motorů s krouživým pohybem
pístu (Wankel). Takové motory mají v oblasti nízkých otáček sklon
snadno zanášet svíčky sazemi. Vedlejší svody, vytvořené na
svíčkách sazemi a usazeninami, ovlivňují funkce kondenzátorového
zapalování mnohem méně než induktivního.
V poslední době se
začínají znovu uplatňovat zážehové motory spalující chudé směsi,
které se na rozdíl od stechiometrických mnohem hůře zapalují.
Účinným způsobem jejich zapálení se ukazuje přivádění zapalovací
energie skrze čelo plamene, v rychle

V intervalech kratších než 1.0 ms.

se opakujících
jiskrách. Tím nabude čelo plamene výhodnějších jak elektrických,
tak fluidických a tepelných vlastností.
Zápalnost chudých
směsí se vystupňuje velikostí, tvarem, kmitočtem a trváním
jednotlivých jader jiskry. Jestliže je perioda mezi jiskrami
příliš dlouhá, následující jiskry přijdou za čelem plamene ve
„vyčerpaných zónách“. Zlepšení účinnosti spalování pak bude pouze
náhodné, vlivem turbulence „čerstvé náplně“ kolem svíčky. Avšak
energie přidávaná do původní jiskry bude ztracena.
Příliš
krátká perioda mezi jiskrami zase způsobí, že se oblouk chová
jako elektrický zkrat a minimalizuje účinek energie do něj
přidávané. Pečlivá volba kmitočtu opakování jisker (obvykle
pulsují v několika stovkách mikrosekund), dále jejich velikosti a
uspořádání elektrod svíčky dovolují, aby následná energie vnikala
do počátečního čela plamene, kde bude „elektricky katalyzovat“
spalovací proces a ukládat se do plasmy.
Je přirozené, že
časové poměry tohoto procesu vyžadují i speciální zapalovací
cívku. U ní je optimalizován výkon snížením poměru mezi počty
závitů primárního a sekundárního vinutí. Také provedení sekundáru
a přívody vysokého napětí ke svíčkám musí být řešeny tak, aby se
co nejvíce omezilo rušivé vf pole, vznikající v zapalovací
soustavě.
Vzhledem k vysokým energiím dodávaným takovou soupravou,

Až 10 * více než u konvenčních
soustav.

jsou mnohem vyšší nároky na výkon měniče
napětí baterie na nabíjecí napětí kondenzátoru. Protože opakování
jisker probíhá velmi rychle, je jedinou možností použít
vysokofrekvenčních spínacích zdrojů.

Předstih a jeho vliv na spalování

Termodynamickou účinnost
zážehového motoru ovlivňuje i okamžik zážehu, ve vztahu ke
vzdálenosti pístu od jeho horní úvrati (HÚ – měřeno v úhlových
stupních).
Průběh tlaku ve spalovacím prostoru při různých
okamžicích (bodech) zážehu je uveden na obr. o29.

 

Průběh a
odpovídá zážehu v okamžiku $Z_a$, kdy je
předstih optimální.

Průběh bodpovídá příliš časnému
zážehu v okamžiku Zb; dochází k
detonačnímu hoření a klepání motoru.

Průběh codpovídá
pozdnímu zážehu v okamžiku Zc; tlak ve
spalovacím prostoru je menší, protože se zvětšuje objem, do
kterého se zažehnutá směs rozpíná.
Nastavení předstihu
tedy ovlivňuje měrnou spotřebu. Na velikosti předstihu zážehu
jsou také závislé emise škodlivin ve výfukových plynech. Jak
vyplývá z obrázku o210, je vliv předstihu na emise přesně
obrácený, než je tomu u spotřeby. Aby se dosáhlo vhodného
kompromisu mezi spotřebou paliva a hodnotou škodlivých emisí, je
řízení okamžiku zážehu mnohdy složité, má-li být předstih ve
všech provozních podmínkách optimalizován.
Optimální předstih
je dán požadavky maximálního výkonu motoru, minimální spotřeby
paliva, minimálních emisí a dobrých jízdních vlastností. Současně
je nutné dbát na vedlejší požadavek zajistit bezpečný odstup od
hranice klepání (detonačního hoření). Ke klepání dochází vlivem
samozápalů čerstvé směsi, která ještě nebyla zapálena čelem
plamene vzniklého jiskrou svíčky. Příčinou bývá především velký
předstih, nízké oktanové číslo benzinu a také vysoký kompresní
poměr válců. Detonační hoření vede k tlakovým oscilacím v
kmitočtovém pásmu 5 až 10 kHz a ke zvýšení teploty ve
spalovacím prostoru. Zvýšené tepelné a mechanické namáhání částí
motoru (písty, pístní kroužky, těsnění hlavy, ojnicových ložisek
atd.) může vést při delším působení k poškození motoru.
Doba,
která proběhne od přeskoku jiskry k úplnému hoření se sice
zkracuje s rostoucími otáčkami motoru, aby však spalovací tlak,
vztažený na výkon motoru, zůstal s rostoucími otáčkami optimální,
musí být předstih stále větší.
Optimální předstih je také
závislý na zatížení motoru, které je obvykle úměrné otevření
škrticí klapky. Při plném zatížení je škrticí klapka široce
otevřena a směs je obohacena. Přitom je rychlost šíření čela
plamene poměrně vysoká a zážeh má proběhnout později, než při
částečném zatížení, kdy je škrticí klapka otevřena jen málo.
Palivová směs je ochuzena, protože vzrůstá obsah spálených, ale
nevytlačených zbytků plynu. Ochuzením se zpomalí hoření a
předstih se musí zvětšit.

Mechanická regulace předstihu

Jak bylo popsáno v kap. věnovaných
tranzistorovému a <A
HREF=’#tyristor’>tyristorovému zapalování, dojde k přeskoku
jiskry v zapalovací svíčce v okamžiku rozepnutí nebo sepnutí
přerušovače v rozdělovači zapalovacího vysokého napětí. Tento
okamžik se musí posouvat vzhledem k natočení klikové hřídele
proti horní úvrati válců a to podle otáček motoru. Rozdělovače
používané u bateriového zapalování byly vybaveny mechanickými
přerušovači, které rozepínaly během jedné otáčky motoru tolikrát,
kolik byl poloviční počet válců motoru. Protože rozdělovač vn je
spřažen s vačkovou hřídelí, jejíž otáčky jsou poloviční než
klikové, je to tolik rozepnutí (sepnutí) za jednu její otáčku,
kolik je válců.
Posouvání okamžiku ve stupních natočení
hřídele proti horní úvrati podle otáček motoru lze měnit
odstředivým regulátorem, který je zobrazen, spolu s mechanickým
podtlakovým regulátorem, na obr. o211.
Odstředivý
regulátor je tvořen závažíčky 1, která se více nebo méně
rozevírají a tím natáčejí přes pružinky část otočné hřídele,
která rozpíná přerušovač. Předepnutí pružinek určuje rychlost
zvyšování předstihu podle otáček. Maximální hodnota předstihu je
obvykle omezena koncovými dorazy 2 závažíček.
Podtlakový regulátor sestává z podtlakové komory 3, která
předstih zmenšuje a z komory 4, která jej zvětšuje.
Podtlak pro zvětšování předstihu F je odebírán ze sacího
potrubí motoru, před škrticí klapkou. S klesajícím zatížením
roste podtlak působící na membránu komory 4 a táhlo
6 se posouvá vpravo. Nosná destička přerušovače 5
se natočí proti směru otáčení hřídele rozdělovače a předstih se
zvětší.
Podtlak S pro zpožďovací komoru 3 se v
sacím potrubí odebírá za škrticí klapkou a prstencová membrána
této komory přispívá především ke zlepšení emisí v určitých
stavech motoru (volnoběh, popojíždění apod.). Táhlo natáčí
destičku s přerušovačem ve směru otáčení hřídele rozdělovače a
předstih se zmenší. Zpožďovací systém pracuje nezávisle na
urychlovacím, ale je mu podřízen.
Současný podtlak v obou
komorách realizuje potřebné nastavení dílčího zatížení ve směru
většího předstihu.
Mechanické (kontaktní) přerušovače, i když
řídí elektronická zapalování, podléhají opotřebení kontaktů a
změnám jejich nastavení. Nejsou tedy pro novější systémy, určené
ke splnění zpřísňovaných emisních předpisů, vhodné. Jejich
nedostatky odstraňují bezkontaktní přerušovače. Pro řízení
elektronického spínače je použito vhodného
snímače
. Jejich uspořádání v rozdělovači s mechanickou
regulací předstihu vyplývá z následujících obrázků. Na
obr. o212 je příklad řešení s induktivním snímačem rotačně
symetrického typu používaného firmou Bosch.
Indukčnost
(označená šipkou), ze které je sváděn signál pro elektronickou
část zapalování, je uložena spolu s permanentním magnetem
(feritovým kroužkem) a jeho pólovými nástavci, jejichž počet je
roven počtu válců, na statorové destičce regulátoru předstihu.
Statorová destička je ovládána podtlakovou komorou.
Rotační
část snímače je tvořena kroužkem z měkkého železa, který je
opatřen výstupky, jejichž počet je roven počtu válců motoru.
Kroužek je spojen s částí osy rozdělovače ovládanou odstředivým
regulátorem. Snímač generuje signál, míjí-li výstupky rotoru
pólové nástavce na statoru.
Řešení s induktivním snímačem
jednozubového typu je na obr. o213. Indukčnost navinutá
kolem permanentního magnetu tvoří jádro snímače 1. Jsou
upevněny na statorové destičce regulátoru ovládané podtlakovou
komorou. Rotor snímače 2 je spřažen s částí hřídele
rozdělovače ovládané odstředivým regulátorem. Rotor je z
magneticky vodivého materiálu a má tolik zubových výstupků, kolik
má motor válců. Snímač generuje signál vždy, když některý z
výstupků míjí zub statorové části.
Snímač s Hallovým prvkem
je pro použití v rozdělovačích vyráběn již ve formě vhodné pro
montáž na statorovou destičku regulátoru výměnou za mechanické
kontakty přerušovače. Na obr. o214 je označen šipkou. Clona,
která otvírá nebo přerušuje magnetický tok v mezeře snímače, je
spojena s palcem rozdělovače, takže je spolu s ním natáčena
odstředivým regulátorem ovládajícím natáčivou část hřídele.
Uvedené příklady zahrnují nejčastěji používané typy. Mimo ně se
vyskytují i jiné druhy snímačů. Mohou být založeny na jiných
principech, optoelektronický, s vířivými proudy apod. Všechny
jsou tvořeny statorovou částí umístěnou na destičce, která je
ovládaná podtlakovým regulátorem. Druhou částí je rotor spojený s
natáčivou částí hřídele rozdělovače, která je ovládaná
odstředivým regulátorem. Pracují bezdotykově a výstupní signál je
odebírán ze statorové části.
Mechanické regulátory předstihu
provádějí jeho řízení pouze podle otáček a zatížení motoru. Avšak
předstih pro nejlepší termodynamickou účinnost, tj. největší
kroutící moment, je závislý až na 10-ti proměnných, které
ovlivňují jeho optimální hodnotu v celém pracovním rozsahu motoru
dosti výrazně. Aby se co nejvíce omezil nepříznivý vliv
přehlížení vlivu některých veličin na optimalizaci předstihu,
bývají mechanické regulátory doplňovány o součásti vhodně
reagující na tyto veličiny. Bývají většinou zařazovány mezi
podtlakovou komoru zvyšující předstih a otvor v sacím potrubí, ze
kterého se podtlak odebírá. Součást pak ovlivňuje jeho velikost a
tím se mění výše popsaným způsobem předstih. Je zřejmé, že
předstih může být pouze zmenšen proti hodnotě odpovídající
podtlaku v sacím potrubí.
Jako příklad takovéhoto doplňku
můžeme uvést systém SC fy Toyota (obr. 215). Jeho hlavní
částí je bimetalovým článkem ovládaný ventil (BVSV), který je ve
styku s chladicí kapalinou motoru. Ventil se otevře, jakmile
přesáhne teplota kapaliny hodnotu, nad kterou je motor považován
za teplý. Podtlak ze sacího potrubí je pak přiveden do
urychlující komory regulátoru a předstih se zvýší. Je-li motor
„studený“, ventil zůstává uzavřen a předstih je regulován pouze
podle otáček.
Obdobných systémů, i podstatně složitějších a
reagujících na více proměnných, existuje celá řada. Protože jde
převážně o mechanické způsoby, vymyká se jejich popis zaměření
této publikace na elektronické systémy a nebude zde detailněji
uváděn.
Přes všechny doplňky zůstává mechanickým regulátorům
předstihu mnoho nedostatků, které brání jejich používání u
novějších vozidel. Nemohou zabezpečit splnění emisních předpisů,
neumožňují dosáhnout nižší spotřeby a lepších jízdních
vlastností, které by motor mohl mít při výhodnějším průběhu
předstihových charakteristik.
Např. otáčková regulace s
odstředivým regulátorem je nepříznivě ovlivňována jeho
setrvačností. Při zvyšování otáček motoru, zejména v oblasti
těsně za volnoběhem, je nastavený předstih nižší, než je potřebné
pro dosažení maximálního kroutícího momentu. Motor se „vleče za
plynem“ a vozidlo hůře zrychluje.
Při deceleraci, tj. při
brzdění motorem, otáčky klesají a setrvačnost odstředivého
regulátoru zpomaluje pokles předstihu. To se nepříznivě projeví
zvýšením emisí škodlivin.
Tato hystereze otáčkové regulace
není jediným nedostatkem mechanických regulátorů. Předstihové
charakteristiky motoru mají být v různých provozních podmínkách
optimalizovány podle rozdílných kritérií. Takovými kritérii jsou
emise, spotřeba, kroutící moment, výkon, tichost chodu, případně
kompromis mezi těmito veličinami.
Proto je optimalizace v
různých provozních podmínkách velmi nákladná. Zčásti protichůdné
tendence, které jsou patrné zejména na spotřebě a emisích
škodlivin, vedou v podstatě k nehomogennímu tvaru pole zážehových
charakteristik.
Další vstupní veličiny, které ovlivňují
předstih, jsou již zmíněná teplota motoru (chladicí kapaliny) a
poloha škrticí klapky. Zpožděním předstihu u „studeného“ motoru
se dosáhne zvýšení teploty výfukových plynů a tím rychlejšího
ohřátí motoru s katalyzátorem (je-li použit). Po zahřátí motoru
se předstih postupně zvyšuje, aby se dosáhlo optimálního
kroutícího momentu motoru.
Pro informaci o škrticí klapce je
postačující znát dobu, kdy je minimálně nebo maximálně otevřena.
Tím je dáno, zda jde o volnoběh nebo maximální akceleraci a dle
toho se mění průběh regulace předstihu podle otáček.
Pole
předstihových charakteristik realizovatelných mechanickými
regulátory se značně liší od skutečných potřeb motoru. Pro jejich
srovnání může sloužit příklad o216. Vpravo je pole nastavované
mechanickou regulací a vlevo pole optimálních hodnot. V obou
případech jde o závislosti na otáčkách a zatížení motoru. Vliv
teploty by se projevil posouváním polí ve směru osy z,
tedy zvětšováním nebo zmenšováním předstihu podle teploty.
Ovládání je možné buď spojité nebo skokové (studený – teplý
motor).

Elektronické tvarování charakteristik

Z potřeby realizovat složité průběhy
předstihových charakteristik vyplývá nutnost co nejpřesnějšího
určení hodnot vstupních veličin, zejména polohy klikové hřídele,
otáček a zatížení motoru. Ke snímání hodnot těchto veličin je
používáno stejných druhů snímačů, jaké byly
popsány i v části Obvody měření nasávaného
vzduchu
.
Jsou-li snímače umístěny v rozdělovači vn, nebo
je-li snímání prováděno u vačkové hřídele, lze použít pouze těch
snímačů, které zajišťují dostatečnou přesnost měření, např.
Hallův, optoelektronický nebo jednozubový induktivní.
Zatížení motoru je snímáno podobně jako u mechanické regulace,
podle podtlaku v sacím potrubí. Elektronický převodník pro snímač
podtlaku bývá zpravidla umístěn v řídící jednotce.
Na základě
signálů ze snímačů se nastavuje hodnota předstihu podle průběhu
předstihové charakteristiky, která je pro příslušný motor
naprogramována v řídící jednotce. Její odezva závisí na zapojení
tvarovacích obvodů a hodnotách součástek. Jejich volbou dosáhneme
požadovaného průběhu hodnoty předstihu alfa a to dvěma
způsoby.
První z nich realizuje funkční vztah mezi
optimalizovaným předstihem alfa a parametry motoru
(otáčkami n, podtlakem p atd.). Předpokládáme
vyjádření alfa jako součet funkcí f1, f2, … , fm, z
nichž každá je závislá na jednom parametru.
alfa = f1(n) + f2(p) + …
Druhý způsob, který postihuje
průběh shoření směsi realističtěji, předpokládá, že hodnota
předstihu alfa je dána jednou funkcí více proměnných.
<A
NAME=’efjeden’> alfa = f(n, p … )
Dle <A
HREF=’#efen’>rovnice můžeme použít tvarovací obvody s
analogovým a lineárním zpracováním signálů ze snímačů. Zde měníme
hodnoty obvodových součástí, abychom dosáhli požadovaného
průběhu.
Jinou variantou je použití číslicového zpracování.
Funkci f(n) dostaneme s odečtem počtu impulsů od časového
okamžiku daného např. určitou polohou klikové hřídele. Po
dosažení stanoveného počtu je generován spouštěcí impuls. Načtený
počet impulsů je pak závislý na rychlosti otáčení hřídele.
Zatížení motoru, funkci f(p), můžeme realizovat např. ovládáním
počátečního nebo „zážehového“ stavu čítače otáčkových impulsů.
Tím se posouvá průběh otáčkové charakteristiky a výsledný
předstih se zvětšuje nebo zmenšuje.
Je zřejmé, že tímto
způsobem lze realizovat charakteristiky velmi podobné těm, které
se dosahují mechanickými regulátory. Mají však proti nim řadu
výhod.
Nemají hysterezi, což znamená, že průběh je stejný pro
zvyšování i snižování otáček. Neuplatňuje se stárnutí materiálů,
průběh zadaný v řídící jednotce se tedy nemění v čase a předstih
tedy nemusí být pravidelně kontrolován a seřizován. A v
neposlední řadě je významné i to, že zadání průběhů lze jednoduše
měnit změnami hodnot součástí nebo zapojení tvarovacích obvodů.
Příkladem systému využívajícího tohoto způsobu je zapalování
Bendix používané u starších vozů Renault, Volvo a některých
dalších značek.
Druhý způsob umožňuje
dosáhnout podstatně složitějších průběhů, podobných jako v levé
části obr. o216. K jejich uskutečnění musí být použito
výhradně číslicového zpracování dat, tj. signálů ze snímačů
příslušných parametrů. Toto lze provést dvěmi cestami.
Jedna
z nich je tzv. hardvérový způsob, kterým lze snadno dosáhnout i
složitějších nespojitých průběhů předstihových charakteristik,
závisejících nejčastěji na dvou parametrech, otáčkách a zatížení
motoru. Vliv dalších parametrů se pak může vyjádřit korekcí
zadaných hodnot předstihu, prováděnou buď skokem nebo spojitě.
Jsou to tzv. paměťové systémy, protože jejich ústřední částí je
polovodičová paměť typu PROM, ve které jsou na jednotlivých
paměťových místech uloženy příslušné hodnoty předstihu
alfa. Adresy jsou pak vybírány podle signálů snímačů
jednotlivých parametrů.
Jako příklad je možno uvést
zapalování Digiplex fy Magneti Marelli, používané u vozů Fiat Uno
a dalších, obr. o217. V řídící jednotce 1 je umístěna
polovodičová paměť s 512 naprogramovanými hodnotami předstihu.
Otáčky jsou snímány snímačem 4 proti ozubenému věnci
setrvačníku na klikové hřídeli. Celý rozsah otáček je rozdělen do
64 kanálů. šířka 1. až 63. kanálu je 70 ot/min; 64. kanál má
rozsah 5040 ot/min až po maximální.
Zatížení motoru je
snímáno podtlakovým snímačem umístěným v řídící jednotce a
připojeným k sacímu potrubí hadičkou 6. Podtlak je
rozdělen do 8-mi hladin po 10 kPa, takže celkem máme 64 * 8
= 512 naprogramovaných okamžiků zážehu. Každou půlotáčku se
vybere podle signálů ze snímače otáček a podtlaku jedna z 512
naprogramovaných hodnot předstihu. Děj je synchronizován signálem
horní úvrati ze snímače 5 umístěného proti řemenici
klikové hřídele.
K řídící jednotce je možno připojit ještě
dva dvoustavové snímače, např. teplý – studený motor a spínač
polohy škrticí klapky. Řídící jednotka pak může ovládat
stabilizaci volnoběžných otáček 2. Součástí řídící
jednotky je i koncový stupeň zapalování, který pracuje s řízením
úhlu sepnutí. Výstup z koncového stupně je připojen k zapalovací
cívce a od ní k rozdělovači vn.
Druhá cesta, programové
zabezpečení (softvér), používá regulace předstihu mikropočítačem.
Umožňuje realizovat nejen složitou závislost předstihu na
otáčkách a zatížení motoru ale ani regulace podle dalších veličin
není obtížná. Mikropočítač dostává informace o parametrech motoru
z příslušných snímačů. Ze vstupních údajů provádí <A
HREF=’#efjeden’>výpočet funkce a po jeho ukončení přijme
rozhodnutí, jaký předstih alfa je optimální a vydá signál
pro zážeh.
Ústřední část počítače, která provádí výpočet
optimálního předstihu je mikroprocesor, což je integrovaný obvod,
jehož funkci lze měnit zadáním vhodného programu. V našem případě
zadáváme postup výpočtu předstihu s pořadím dle závažnosti
vstupních parametrů. Jde tedy o součástku více méně univerzální a
její funkce není určena výhradně vnějším zapojením, jako u
technického (hardvérového) řešení, ale je v rozhodující míře
závislá na řídícím programu, ve kterém jsou zadány povely pro
mikroprocesor. Tento program je zapsán ve vnější součástce -
paměti ROM – ze které mikroprocesor „čte“ postupně jednotlivé
povely, které má vykonat.
Program je určován provedením a
zamýšlenou funkcí systému.

Počtem snímačů a
druhem jejich signálů, pořadím jejich závažnosti, druhem funkce
výstupních prvků systému atd.

Může tedy sloužit pro
více obdobných zařízení.

Např. zapalování s
rotačním rozdělovačem vn, dvěma snímači na klikové hřídeli,
snímači podtlaku a teploty chladicí kapaliny a s koncovými
spínači u škrticí klapky a jiné.

Parametry
konkrétního motoru, které jsou nezbytné k provedení výpočtu, jsou
uloženy v druhé vnější paměti, obvykle typu PROM, kterou si může
výrobce motoru naprogramovat nebo přeprogramovat dle potřeb
motorů i s přihlédnutím k výrobním změnám. Mnohdy bývají tyto
paměti provedeny jako výměnný díl, aby se daly snadno nahradit
jinou s jiným obsahem.
Mimo tyto součásti jsou v
mikropočítači další. Patří k nim paměť typu RAM, do které
mikroprocesor ukládá dílčí výpočty a pak je používá dle instrukcí
programu. Dále jsou to obvody vstup/výstup, ve kterých se převádí
vstupní a výstupní signály na vhodnou formu pro zpracování a
provedení příslušných operací. Protože celá činnost musí být
synchronizována, aby regulační proces správně proběhl, je
obvyklou částí mikropočítač i časovač.
Výše naznačený proces
je možno popsat následujícími obrázky. Na obr. o218 je
uvedeno pole předstihových charakteristik uložených v paměti PROM
mikropočítače, závislých na otáčkách a zatížení motoru. Na
dalším, o219, je zjednodušený funkční postupový diagram programu
uloženého v ROM paměti. Ten naznačuje postup výpočtu hodnoty
předstihu s využitím pole charakteristik z PROM paměti.
Postup stanovení<br /><br /><br />předstihu
Program výpočtu vychází z předpokladu, že
je zapalovací systém zapnut. Prvním krokem je zjištění, zda je
motor v chodu či nikoliv. Není-li, provádí se start. Pro
startování se použije jiné předstihové charakteristiky -
fS(t,n), která je funkcí otáček (startovacích) a
teploty. Je tedy uložena mimo pole charakteristik z o218, které
obsahuje předstihové charakteristiky podle otáček a zatížení
motoru.
V případě, že je motor v chodu, otevře se přístup do
pole charakteristik v paměti ROM.
Druhým krokem programu je
zjištění, zda je motor ve volnoběhu. Jako informace slouží spínač
polohy minimálního otevření škrticí klapky. Je-li sepnut (klapka
ve volnoběžné poloze) použije se pro výpočet předstihu
nejspodnější křivka 1 pole charakteristik (f1(t)), která
slouží současně i pro výpočet předstihu při deceleracích motoru
(klapka se vrátí do volnoběžné polohy).
Při jmenovitých
volnoběžných otáčkách je předstih nejnižší. Pro otáčky, které
jsou nižší než jmenovité volnoběžné, je předstih zvyšován, aby se
dosáhlo stabilizace volnoběžného chodu zvýšením kroutícího
momentu motoru.
Z hodnoty vypočtené z otáčkové
charakteristiky se provádí korekce podle teploty motoru, což je v
obr. o218 vyjádřeno svislicemi nad křivkou 1. Tato
korekce je kvůli nejrychlejšímu zahřátí motoru na provozní
teplotu.
Je-li škrticí klapka otevřena a spínač minimální
polohy rozepnut, je dalším krokem programu stanovení, zda není
klapka otevřena maximálně (plný plyn). Informace se získává z
druhého spínače u škrticí klapky, tentokráte pro její maximální
otevření. Při něm je spínač sepnut a protože to odpovídá
maximálnímu zatížení motoru, provádí se výpočet předstihu podle
nejhornější křivky 2 pole charakteristik (f2(t)). Zde jsou
naprogramovány předstihy pro nejvyšší kroutící moment s
přihlédnutím k mezi klepání. U vypočtené hodnoty předstihu se
opět provádí korekce podle teploty motoru. Jak je ale zřejmé z
obr. o218 (svislice jsou pod křivkou 2), předstih je
korigován negativně, tj. s rostoucí teplotou motoru se snižuje.
Tím se snižuje nadměrné přehřívání motoru jeho přílišným
zatěžováním.
Není-li škrticí klapka v žádné z obou krajních
poloh, pracuje motor v částečném zatížení a předstih se vypočítá
z pole charakteristik v závislosti na otáčkách a zatížení motoru
- fX(t). U vypočtené hodnoty se opět
provádí korekce podle teploty. Průběh korekce může být poněkud
jiný, než u předchozích provozních režimů.
Výsledná vypočtená
hodnota předstihu se vztahuje k úhlu natočení klikové hřídele.
Její poloha je nepřetržitě snímána příslušným snímačem a jakmile
je shodná s polohou vypočtenou mikropočítačem, dojde k zážehu.
Ten je vyvolán činností dalších obvodů elektronické části.
Programový způsob má proti technickému několik výhod. K
nejpodstatnějším patří možnost zahrnout do programu výpočtu i
interpolaci mezi body uloženými v paměti pole charakteristik. To
umožní zvýšit přesnost výpočtu předstihu, zejména v kritických
oblastech, kde se průběhy značně rychle mění, většinou s různou
rychlostí změny a často i s jejím směrem.
K dalším výhodám
patří možnost jednodušších rozšíření o další parametry regulace.
U technické (hardvérové) cesty přidání dalších parametrů znamená
obvykle změnu zapojení systému a odpovídající zvětšení kapacity
paměti.
Všechny popsané způsoby elektronického tvarování
předstihových charakteristik vycházejí ze signálů následujících
snímačů:

 

K těmto
hlavním informacím přistupují další parametry důležité pro chod
motoru. Podle nich se provádí korekce, obvykle plynulým nebo
skokovým posouváním hodnoty předstihu vypočtené pro otáčky a
zatížení motoru.

Korekce při detonačním hoření

Jednou z důležitých příčin nutné korekce předstihu zážehu je
tzv. klepání nebo zvonění motoru. Dochází k němu při vzniku
samozápalů částečných objemů směsi stlačované ve válci. Toto
vznícení nepochází od zážehu směsi, ale od nadměrného růstu
teploty v místech samovznícení vlivem stlačování objemu kompresí.
Samozřejmě, že k jeho vzniku přispívá i vzrůst teploty ve válci
vlivem zážehu, ale samovznícení vznikají v místech, kam se ještě
čelo plamene pocházejícího od zážehu nerozšířilo. Vznícení tedy
není zážehem řízeno. Vznik samozápalů je usnadňován příliš velkým
předstihem, vysokým kompresním poměrem a nízkým oktanovým číslem
benzinu.
O vlivu klepání na motor bylo již řečeno v úvodu této kapitoly.
Předstih zážehu patří k hlavním činitelům ovlivňujícím jeho
vznik. Vznik je totiž tím pravděpodobnější, čím je předstih
vyšší. Vzniká tak rozpor mezi předstihem pro maximální kroutící
moment motoru, při kterém bude spotřeba optimální, a mezi
předstihem, kdy dojde ke klepání.
Průběh obou hodnot v závislosti na otáčkách motoru se výrazně
liší podle kompresního poměru. Vyplývá to z obr. o220. <A
NAME=’klepani’>V něm je zobrazena závislost předstihu pro
maximální kroutící moment a hranice klepání (detonací) na
otáčkách motoru a to pro dva různé kompresní poměry, epsilon
= 8.0 a epsilon = 9.0. V obou obrázcích je naznačen i průběh
realizovaný obvyklým mechanickým regulátorem. Je z něj patrný
jistý odstup od meze klepání, čímž je zabezpečováno, aby k němu
nedošlo v důsledku zvětšení různých vůlí mechanické regulace s
přibývající dobou provozu motoru.
Elektronická regulace předstihu, která je v čase neměnná a
umožňuje realizovat složité průběhy v závislosti na parametrech
motoru, dovoluje regulovat předstih pro maximální kroutící moment
pod mezí klepání a v ostatních případech na mezi. Tím se dosáhne
optimální spotřeby bez snížení životnosti motoru nebo bez
nebezpečí jeho poškození.
Mez klepání není žádná pevná hranice, ale je závislá na různých
provozních podmínkách. Zatím není známa možnost, jak mez zjistit
bez vzniku klepání. Při regulaci podél meze tedy k ojedinělému
klepání dochází. Při správné funkci regulace není klepání
slyšitelné a k poškození motoru nedojde. Jako snímače se používá
piezoelektrického širokopásmového měřiče zrychlení, který
přeměňuje mechanické kmity na elektrický signál. Je umísťován na
vhodném místě motorového bloku tak, aby bylo bezpečně zjištěno
klepání v každém válci. Je to většinou na širší straně bloku.
U šesti a víceválcových motorů však jeden snímač obvykle
nepostačí ke zjištění klepání ve všech válcích. V takových
případech se na motoru používá dvou snímačů, které se přepínají
podle sledu zážehů ve válcích. Signály ze snímačů se v řídící
jednotce filtrují aby se odstranilo zvukové spektrum parazitních
signálů (např. klepání ventilů) a poté se porovnává výstupní
úroveň během otáček klikové hřídele. Překročí-li referenční
hodnotu, je to vyhodnoceno jako klepání. U jednodušších systémů
se vyhodnocují signály ze všech válců společně, dokonalejší
provádějí vyhodnocení signálů každého válce zvlášť.
Jakmile je klepání zjištěno, provede regulační systém korekci
hodnoty předstihu a to jeho zmenšením o určitou hodnotu. Ta je
závislá na zvoleném způsobu provedení korekce.
Jeden z užívaných způsobů je zřejmý z obr. o221. Jestliže
je zjištěno klepání u některého z válců, zpozdí se předstih
tohoto válce při následujícím zážehu o malou hodnotu (zpravidla
< 3° klikové hřídele). Jestliže klepání i při dalším
zážehu potrvá, je předstih znovu snížen o stejnou hodnotu. To se
může opakovat vícekrát až do doby, kdy klepání zmizí. Po zmizení
klepání regulace chvíli vyčká a poté začne předstih po malých
hodnotách (asi 1° na každých 20 až 100 otáček) zvyšovat až
k hodnotě u meze klepání. Vyskytne-li se klepání dříve, proces se
znovu opakuje.
Další z užívaných způsobů (vozy Renault a jiné) je zřejmý z
obr. o222. Je založen na existenci dvou typů korekce. Rychlá
spočívá v okamžitém snížení předstihu o určitý počet stupňů
(typicky mezi 3 až 10°); návrat k „naprogramované“ hodnotě
pak probíhá v jednostupňových přírůstcích za každých 5 až 20
otáček motoru. Rychlá korekce zajistí, že doba klepání motoru je
minimální. Má jistou hysterezi spočívající v tom, že dojde-li při
„jednostupňovém“ zvyšování předstihu ke vzniku klepání, je ihned
provedena korekce větší než 1°, která klepání odstraní.
Druhá, pomalá korekce je spíše adaptivní než ochranná. Jejím
účelem je kompenzovat buď dlouhodobé změny motoru, rozdíly mezi
jednotlivými motory vyplývající z výrobních tolerancí nebo vliv
měnících se provozních podmínek.

Nižší oktanové číslo benzinu, horký a suchý vzduch
apod.

Tato korekce spočívá v použití jednostupňového (nebo i většího)
zpoždění navíc vždy, kdykoli je provedena rychlá korekce. Návrat
k naprogramované mezi klepání je však prováděn v jednostupňových
přírůstcích na velmi pomalém základě. Po krátké době se však
adaptivní korekce ustaví na hodnotě, která odpovídá skutečné mezi
klepání.
Oba typy korekcí bývají různě kombinovány a modifikovány podle
použití na různých motorech a podle cílů, které jsou použitím
sledovány. Rychlá korekce může být prováděna jak pro jednotlivé
válce, tak pro všechny válce téhož motoru společně. Korekce podle
jednotlivých válců je výhodnější, protože často jeden válec začne
klepat dříve než ostatní a pokles kroutícího momentu motoru v
důsledku zpoždění předstihu jednoho válce o 5 až 10° je
sotva postřehnutelný.
Pomalá korekce zase může být uplatněna pouze v těch oblastech
provozních podmínek, kde lze vznik klepání očekávat s vyšší
pravděpodobností. Tyto „kritické“ oblasti se snadno stanoví z
pole otáčkových a podtlakových charakteristik předstihu a ze
znalosti průběhu meze klepání, vše při standardních provozních
podmínkách.
Jinou možností adaptivní regulace je způsob, při kterém jsou v
paměti počítače uloženy předstihové charakteristiky pro
bezolovnaté benziny super a speciál, každá samostatně. Motor je
po nastartování provozován s polem charakteristik pro benzin
super a pokud překročí četnost detekovaného klepání přednastavený
práh, je systém přepnut na pole charakteristik benzinu speciál.
Řidič toto přepnutí nepozoruje, pouze výkon a spotřeba se
nepatrně zhorší. Tak je na libovůli řidiče aby se rozhodl mezi
kvalitnějším palivem s větším dosahovaným výkonem a levnějším
benzinem s nedostatky ve spotřebě a výkonu.
U přeplňovaných motorů lze spolu s korekcí předstihu také řídit
plnicí tlak (obr. o223). Nasávaný vzduch 1 prochází
kompresorem 2, který je spřažen s turbínou 3
poháněnou výfukovými plyny 4. Plnicí tlak je závislý na
hnacím výkonu turbíny, jejíž záběr je určován průtokovým průřezem
obtokového ventilu 5. Ten je ovládán elektromagnetickým
taktovacím ventilem 7 řízeným z řídící jednotky 8
podle signálu c ze snímače klepání 6 a signálů
dalších snímačů. Jsou to snímače polohy škrticí klapky a,
tlaku v sacím potrubí b, otáček motoru d a teploty
chladicí kapaliny e.
V poli charakteristik v paměti řídící jednotky jsou uloženy
řídící hodnoty elektromagnetického ventilu ovlivňujícího plnicí
tlak. Na plnicím tlaku závisí hmotnost náplně směsi, která je v
kompresním zdvihu stlačována na objem VK
kompresního prostoru.
Při atmosférickém plnění je příslušnou hmotností směsi zaplněn
pracovní prostor
VP =
VZ + VK.
Zvýšením plnicího tlaku se do tohoto objemu dostane větší
množství směsi a to úměrně zvýšení plnicího tlaku. Stlačení
zvětšené hmotnosti do objemu kompresního prostoru se projeví
obdobně, jako kdyby byl touto hmotností směsi zaplněn větší
zdvihový objem VZ za atmosférického
tlaku.
Protože kompresní poměr motoru je definován vztahem
epsilon = VP /
VK,
vyplývá ze vzorců pro <A
HREF=’#objem’>objem a kompresi, že
změna plnicího tlaku vyvolává stejný efekt jako změna kompresního
poměru epsilon motoru.
Z obr. o21 vyplývá, že čím je
kompresní poměr vyšší, tím je vyšší termodynamická účinnost
motoru a tedy jeho spotřeba. Ovšem obr. o220 ukazuje, jak se
projevuje kompresní poměr na závislostech meze klepání a
maximálního kroutícího momentu motoru na jeho otáčkách. Regulací
plnicího tlaku je možno dosáhnout optimálního kompromisu a tím i
spotřeby a výkonu. Kromě toho jsou s ní další výhody proti běžným
přeplňovaným motorům. Při dílčím zatížení motoru je
turbokompresor méně namáhán, je nižší protitlak výfukových plynů,
zůstává méně zbytků spálené směsi ve válcích, teplota plnicího
vzduchu je nižší, což snižuje pravděpodobnost klepání a úroveň
emisí NOX. Při plném zatížení lze také
lépe přizpůsobit průběh plnicího tlaku otáčkám motoru.
Řízení plnicího tlaku se provádí podle pole charakteristik v
paměti řídící jednotky. Snímač tlaku v sacím potrubí měří jeho
skutečnou hodnotu a v případě odchylky je tlak upraven
elektromagnetickým ventilem.
Regulace plnicího tlaku má proti korekci předstihu přednost v
tom, že není ovlivněna tolerancemi jednotlivých dílů a jejich
opotřebením, zejména obtokového ventilu a turbokompresoru. Při
použití snímače absolutního tlaku se dosáhne plnicího tlaku
nezávislého v širokém rozsahu na velikosti vnějšího tlaku
(výšková korekce).
Jak je patrno v obr. o223 je signálem g řízeno
zapalování 9. Při vzniku klepání se provede korekce
předstihu u právě klepajícího válce. Kromě toho se provádí
snížení plnicího tlaku, jestliže zpoždění provedenou korekcí
překročilo alespoň u jednoho válce předem stanovenou hodnotu.
Tato hodnota je uložena v paměti řídící jednotky jako
charakteristika nezávislá na otáčkách. Její velikost je stanovena
podle maximálně přípustné teploty výfukových plynů na vstupu
turbíny. Regulační algoritmus s rychlým poklesem tlaku a jeho
pomalým, krokovým zvyšováním ke jmenovité hodnotě je podobný
korekci předstihu, avšak s výrazně větší časovou prodlevou.
Přizpůsobení obou regulačních algoritmů vychází z četnosti
klepání, časové odezvy motoru, obtokového ventilu a
turbokompresoru, dále z teploty výfukových plynů, jízdních
vlastností vozidla a stability regulace.
Přednostmi této kombinace proti pouhé korekci předstihu jsou
zlepšení účinnosti motoru, snížení teplotního namáhání motoru a
turbokompresoru a omezení teploty plnicího vzduchu.
Přednostmi proti samotné regulaci plnicího tlaku jsou rychlejší
odezvy regulace při výskytu klepání, dobré dynamické vlastnosti
motoru a stabilita regulace.

Tvorba a rozvod vysokého napětí

Elektrická energie vzniklá z magnetického pole vytvořeného
primárním vinutím zapalovací cívky nebo nahromaděním
elektrického náboje v kondenzátoru, nemá napětí dostačující k
přeskoku jiskry mezi elektrodami zapalovací svíčky. Proto musí
být její napětí na potřebnou hodnotu zvýšeno transformátorem.
Ten tvoří zapalovací cívka, která má kromě primárního vinutí i
sekundární s velkým počtem závitů.
Na sekundárním vinutí se vytvoří napětí tolikrát větší,
kolikrát je vyšší počet závitů n2
sekundárního vinutí než počet závitů n1
vinutí primárního. Poměr jejich počtů, tj.
n2 / n1 = p,
určuje transformační převod cívky a bývá u většiny zapalovacích
souprav mezi 50 až 120.
Vysoké napětí ze sekundárního vinutí se přivádí k zapalovací
svíčce válce, ve kterém má být směs zažehnuta. Jak známo, není
přeměna a rozvod žádného druhu energie prost ztrát. To platí
i pro elektrickou energii zapalování.
V obr. o224 je naznačeno, kde v zapalovací soupravě
ztráty vznikají a jaký je přibližně jejich podíl z celkově
nahromaděné energie. Graf vznikl zprůměrováním měření
zapalovacích souprav induktivního typu používajících rozdělení
vn ke svíčkám rotačním rozdělovačem. Vyplývá z něj, že
dosažení větší energie jiskry je možné i zmenšením ztrát v
jednotlivých dílech zapalovací cesty. Možnosti jsou dvě, buď
dosáhnout větší účinnosti přenosu nebo vyloučit díl, na němž
ztráty vznikají.

Zapalovací cívky a jejich konstrukce

U zapalovacích cívek je jedinou možností zvýšení jejich
účinnosti a to volbou konstrukčního řešení a materiálů
použitých k jejich výrobě. Na tom závisí ohmické a magnetizační
ztráty, případně ztráty vířivými proudy. Tyto ztráty se přemění
v teplo, které pak zahřívá zapalovací cívku. Protože velikost
energie hromaděné v cívce je závislá na její teplotě a s rostoucí
teplotou klesá, ovlivňuje výběr materiálu podstatně i celkovou
energii v cívce nahromaděnou. Na ztráty energie pro zážeh má
vliv konstrukční řešení, od kterého závisí velikost parazitních
kapacit omezujících jak velikost napětí vzniklého při přerušení
primárního proudu, tak rychlost dosažení jeho hodnoty, při které
může ve svíčce dojít k přeskoku. Dokud k němu nedojde, ztrácí se
nahromaděná energie na různých místech rozvodu vn ke svíčkám,
jejichž izolační stav je horší než mezielektrodový odpor svíčky.
K poklesu izolačního odporu těchto částí dochází znečištěním,
zvlhnutím apod.
Zapalovací cívky dříve, ale i dosud, používané, mají otevřený
magnetický obvod. Jejich konstrukce je uvedena v řezu na
obr. o225. Magnetický obvod sestává ze dvou částí.
Vnitřní jádro 1 je sloupek z transformátorových plechů
tloušťky kolem 0.3 mm, které jsou vzájemně odizolovány.
Na jádře je nasazena izolační trubka 2, na které je
navinuto sekundární vinutí 3 cívky. Každá vrstva vinutí je
izolována kondenzátorovým papírem a poslední je navinuta s
mezerou mezi závity 2 až 3 mm, aby se snížilo nebezpečí
průrazu izolace.
Na sekundární vinutí je navinuto primární 4, čímž je
dosaženo lepšího odvodu jeho teploty. Obě vinutí spolu s
jádrem jsou uloženy na keramickém izolátoru 6 a celek
vložen v nádobce 8 vylisované z oceli nebo hliníku.
Vnější část magnetického obvodu 9 je rovněž v nádobce
vložena a tvořena buď několika závity dynamoplechu, po
jedné straně elektricky izolovaného nebo tvarovaného do podoby
ozubeného kola; oba způsoby slouží pro zvětšení objemu
magnetického materiálu.
Prostor mezi vinutími vnější části magnetického obvodu a
stěnami nádobky je naplněn izolační látkou s bodem tání 140 až
160°C nebo transformátorovým olejem, což je u
novějších konstrukcí obvyklé.
Tento typ má podstatné nedostatky. Otevřený magnetický obvod
má sníženou magnetickou vodivost, což se projevuje jak
snížením indukčnosti ve vztahu k počtu závitů, takže rozměry
vinutí rostou, tak zhoršením transformační účinnosti, takže
zapalování jako zdroj energie má vyšší vnitřní odpor.
Také způsob vinutí vyplývající z konstrukce není výhodný.
Parazitní kapacity sekundárního vinutí jsou velké a to sníží
rychlost nárůstu napětí pro výboj.
Z výše uvedených důvodů se rozšířily zapalovací cívky s
uzavřeným magnetickým obvodem tvořeným jádrem z
transformátorových plechů tvaru EI. Na prostředním sloupku
jádra je umístěno vinutí zalité v izolační hmotě, která vinutí
současně impregnuje.
Sekundární vinutí bývá navinuto v sekcích, čímž se dosahuje značně
nižších parazitních kapacit i vyšší odolnosti proti průrazu.
Menší potřebný počet závitů dovoluje zmenšit rozměry zapalovací
cívky, takže tato bývá často umístěna přímo na víčku
rozdělovače (obr. o226). Přednosti takového řešení jsou
zřejmé, zejména může-li být na rozdělovači umístěn i
elektronický spínač.

Mechanické rozdělení vn k válcům

Mechanické způsoby rozdělení vysokého napětí k zapalovacím
svíčkám jednotlivých válců motoru používají rotující a
pevné části. Rotující částí je tzv. palec rozdělovače, pevnou
tvoří víčko rozdělovače. Rozdělovač může mimo tyto části
obsahovat i mechanický regulátor
předstihu
a/nebo různé snímače.
Bývá poháněn od vačkové hřídele motoru, se kterou může být
spojen přímo nebo prostřednictvím ozubeného či šnekového převodu.
Řez jednou z četných možností (rozdělovač automobilu
VAZ 2108), určenou pro přímé spojení s vačkovou hřídelí, je
na obr. o227.
Na tělese rozdělovače 1 je pružinami uchyceno
víčko 6 z izolačního materiálu. V izolantu jsou
zalisovány kovové (nejčastěji mosazné) vn vývody, do kterých se
nasazují koncovky přívodních kabelů ke svíčkám a k
zapalovací cívce. Počet vývodů ke svíčkám je roven počtu
válců (mimo zvláštní případy). Vývod
k zapalovací cívce, u konstrukce na obrázku je uprostřed víčka,
je opatřen uhlíkem s pružinou. Ten je tlačen proti kovové
elektrodě na palci 5 a tak je na rotační část přenášeno
vysoké napětí z cívky. Palec je nasazen na hřídeli rozdělovače,
která je spojkou 7 spojena s vačkovou hřídelí
motoru. Při otáčení hřídele se elektroda palce pohybuje v
blízkosti výstupků vn vývodů pro svíčky v souhlase s pořadím
zážehů válců motoru. Mezera mezi elektrodou palce a elektrodami
ve víčku je 0.25 až 0.8 mm a vzniká na ní úbytek napětí asi
400 V, což je ve srovnání se zapalovacím napětím zanedbatelné.
V tělese rozdělovače je dále umístěn odstředivý regulátor
předstihu 2 a snímač otáček, tvořený clonou 3 a
Hallovým prvkem 4.
Zjednodušený pohled na jedno z
četných provedení víčka rozdělovače, s částečným řezem, je na
obr. o228. Z obrázku je zřejmá i vnitřní ochrana lakováním
proti vzniku vodivých cest vlivem kondenzace vlhkosti.
Na
obrázcích o229 a o230 jsou ukázky nejrůznějších typů víček a
palců. Provedení víček je závislé v převážné míře na počtu válců

Počet válců může být od 2 do 12.

a na uložení rozdělovače.

Vertikální nebo horizontální orientace.
Velmi různorodá jsou i provedení palců. Mimo nejstarší typy
obsahují odrušovací odpor zapojený do okruhu přívodu vn.
Některé mají omezovač otáček pracující na odstředivém
principu.

Spojuje vn kontakt palce s
kostrou vozidla (hřídelí rozdělovače).

V řadě případů obsahují různé izolační přepážky aby se
zvýšila odolnost proti povrchovým svodům po izolaci.
I při poměrné jednoduchosti mechanického způsobu rozdělení vn
vznikají určité problémy. Jestliže je předstih tvarován
elektronicky, může nastat následující nepříznivý stav.
Je-li nastavená hodnota předstihu příliš velká, vytvoří se
zápalné napětí v okamžiku, kdy je palec dosti vzdálen od
elektrody vývodu k příslušnému válci. Pokud bude příliš
blízko k elektrodě předchozího válce, může dojít k přeskoku
na ni; zvl. proto, že přeskokové napětí jeho svíčky bude v
tu dobu zpravidla nižší než u pracovního válce. Odpomocí je
buď zvětšení průměru víčka rozdělovače nebo se používá
odstředivého regulátoru, který palec vhodně natočí v souladu s
otáčkami motoru.
Jiné problémy vznikají u motorů, které používají dvou svíček
v jednom válci. Účel tohoto opatření a způsob rozdělení vn ke
svíčkám je v podstatě dvojí.
První skupinu tvoří motory s vyšším
kompresním poměrem, které jsou náchylnější
k samozápalům v části stlačené směsi
nezapálené svíčkou. Použitím dvou svíček zapalujících směs
současně na dvou místech se zmíněný jev značně omezí. Navíc je
tak možno dodat větší energii zážehu a tím dosáhnout účinnějšího
spalování.
Příklad tohoto řešení je na obr. o231. Jde o systém
Twin Spark pro motory vozů Alfa Romeo, které mají kompresní
poměr 1:10.
Systém používá dvou samostatných úplných zapalování, které
vytvářejí zážeh současně. Vysoké napětí se přivádí ke
svíčkám přes dva zcela totožné rozdělovače.
Druhou skupinou jsou motory, ve kterých je rozložení směsi
značně nehomogenní. Takovým případem
jsou motory s krouživým pohybem pístu (Wankelovy motory),
které jsou používané např. u vozů Mazda RX–7. Jsou to
dvouválcové motory s dvojicí svíček ve válci. Zážehy obou svíček
jsou časově rozdílné. Tím se dosahuje dokonalejšího shoření
směsi, které je takto dodáváno i větší množství energie.
Předpokladem je přesné dodržení rozdílu v okamžicích zážehu.
Mechanického rozdělení vn bylo použito u motorů dřívější
výroby, takže regulace předstihu byla prováděna rovněž
mechanickými regulátory. Celá konstrukce rozdělovače, který
je mechanicky sloučen do jediného celku, společného pro
obě zapalování, je zřejmá z rozloženého stavu na obr. o232.
Víčko 1 a palec 2 rozdělují vn pro obě svíčky
obou válců motoru. Vn část rozdělovače je oddělena
těsněním 3 od induktivních snímačů umístěných na
nosné destičce 6. Snímače jsou spojeny dvěma
elektronickými spínači, které ovládají primární proud
zapalovacích cívek k nim připojených. Řízení těchto procesů
probíhá podle otáčení rotoru 4 z magnetického materiálu,
který je spojen s natáčivou částí odstředivého regulátoru předstihu
se závažíčky 7. Podtlaková regulace (zatížení motoru)
je ale ovládána dvěma komorami, primární 9, která
ovlivňuje okamžik zážehu první svíčky, a sekundární 10
ovlivňující časové zpoždění zážehu druhé svíčky téhož válce.
Celý systém je uložen v tělese 8. Rozdělovač je umístěn
na motorovém bloku a přes pastorek 12 poháněn od vačkové
hřídele.
Vzhledem k této konstrukci a nutnosti přesného seřízení
časového rozdílu mezi zážehy obou svíček téhož válce, je
nastavení předstihu poněkud složitější. Jak vyplývá z
obr. o223a, jsou na řemenici klikové hřídele dvě značky
pro nastavení předstihu.
První z nich, L, slouží pro nastavení zážehu
primární svíčky. Kontrolní stroboskopická pistole se
synchronizuje z vn kabelu mezi zapalovací svíčkou primárního
zapalování a koncovkou L na víčku rozdělovače
(obr. o233b položka 4). Není-li značka L
řemenice přesně proti kolíku na klikové skříni, natočí se
vhodným směrem rozdělovač.
Poté přepojíme synchronizaci stroboskopu k vn kabelu mezi
cívkou sekundárního zapalování a koncovkou T na víčku
rozdělovače. Nyní se má proti kolíku na klikové skříni nacházet
značka T řemenice. V případě nesouhlasu se provede
korekce přestavením sekundární podtlakové komory rozdělovače.
Ta je na obr. o234 označena 1, zatímco primární
podtlaková komora 2.
Zvyšování předstihu je ve směru šipky 4, snižování ve
směru 5. Z obrázku je zřejmé i provedení snímačů
otáček a polohy vačkové hřídele 3 pro synchronizaci
obou zapalování.
Mimo uvedené příklady se vyskytují i další řešení včetně
kombinací obou druhů. Např. vozidla fy Nissan používají pro
čtyřválcové motory se dvěma svíčkami v každém válci jediného
rozdělovače i když zapalovací cívky a výkonové stupně spínačů
jsou pro každou svíčku samostatné. Předstih a doba průtoku
primárního proudu cívkou jsou tvarovány v elektronické řídící
jednotce, která navíc ovládá i další systémy.

Bezrozdělovačové rozdělování vn

Rozvoj elektronických technologií umožnil realizaci způsobů
rozdělení vn ke svíčkám příslušných válců staticky, bez
rotujícího mechanického rozdělovače. Při vhodném konstrukčním
řešení rozdělení odpadají i ztráty v odrušovacích odporech.
V současné době se používá dvou způsobů rozdělení vn a to s
dvoujiskrovými cívkami a s jednojiskrovými.
Dvoujiskrová cívka (obr. o235) má sekundární vinutí
oddělené od primárního a jak začátek tak konec vinutí jsou
vyvedeny na samostatnou koncovku. Při přerušení primárního
proudu bude na koncovkách vn napětí opačné polarity. Ke každé
koncovce sekundárního vinutí je připojena zapalovací svíčka z
rozdílných válců. Čili obě svíčky zapalují současně, což se
může použít jen u motorů se sudým počtem válců. Okamžik zážehu
je řízen tak, aby v jednom válci došlo k zažehnutí stlačené
směsi a ve druhém přeskočila jiskra během výfukového cyklu.
Potřebné přeskokové napětí tam bude podstatně nižší, takže v
pracovním válci postačí energie k dokonalému zapálení směsi.
Pro dvouválcové motory stačí jediná cívka, spolu s jedním
výkonovým spínacím stupněm. U čtyřválcových motorů je třeba dvou
cívek a dvou spínacích stupňů.

Podobně u
šesti a osmiválcových motorů je třeba polovičního počtu cívek a
spínacích stupňů.

Cívky se mnohdy spojují konstrukčně do bloku, příklad pro
čtyřválcový motor je na obr. o236.
Výhodou tohoto rozdělení vn, mimo odpadnutí ztrát v rozdělovači,
je i delší doba pro plnění cívky, což je příznivé v oblasti
vyšších otáček motoru. Naproti tomu je nepříznivá skutečnost, že
vždy jedna ze svíček dostává opačnou polaritu vn. To se projevuje
podobně jako chybné pólování zapalovací cívky, při kterém mohou
vzniknout problémy se startováním nebo výpadky zapalování. Aby
se tomu předešlo, je žádoucí dodržovat periodu výměny zapalovacích
svíček.
Jistou nevýhodou je také nutnost použití obvyklých vn kabelů
mezi koncovkami cívky a svíčkami válců se všemi s tím
souvisejícími problémy.

Možnost vzniku vedlejších vodivých cest,
elektromagnetické rušení.

Uvedené nedostatky odpadají u jednojiskrových cívek
(obr. o237). Takové cívky se umísťují přímo na zapalovací
svíčku každého válce a jsou napájeny a vypínány každá svým
výkonovým spínacím stupněm. U tohoto řešení odpadají vn kabely
mezi cívkou a svíčkou. Může být použito u motorů jak se sudým,
tak s lichým počtem válců.
Jednojiskrové cívky bývají většinou mechanicky slučovány do
bloku, který se nasazuje přímo na svíčky všech válců motoru
současně, obr. o238.
Takové konstrukční provedení umožňuje dosáhnout vyššího
přeskokového napětí a tedy zvětšit mezielektrodovou mezeru v
zapalovacích svíčkách. Tím se zvýší objem zažehnuté směsi a
zlepší její zápalnost. To je obzvlášť vhodné
u kapacitních zapalování, kde mohou být
rozměry cívky tak malé, že ji lze umístit bezprostředně ke
svíčce.
Příkladem je zapalování fy SAAB (obr. o239). Cívka je
vložena mezi svíčku a spínací tyristor, uložený na desce
plošného spoje výkonové části elektroniky. Z obrázku je zřejmé
i provedení sekundárního vinutí cívky v sekcích, čímž se zvyšuje
napěťová pevnost. Přeskokové napětí může dosáhnout až
50 kV. Pozoruhodné je řešení zapálení. Zapalovací svíčka
má pouze vnitřní elektrodu kolíkového tvaru, proti které je na
pístu válce vytvořen hrot (obr. o240), takže výboj proběhne
mezi izolovanou střední elektrodou svíčky a pístem ve válci.
Vzhledem k vysoké hodnotě vn může dojít k výboji při mezerách
od 1.5 mm při velkém zatížení motoru, do 8 mm při
zatížení malém. Dojde tak z zapálení dostatečně velkého objemu
potřebného ke shoření i dosti ochuzené směsi. To je velmi
výhodné zejména při studeném motoru, kdy se jinak musí směs při
startu a ve volnoběhu obohacovat, aby ji šlo zažehnout. To se
ovšem projeví nepříznivě na úrovni emisí.
Jak ale upozorňují výrobci zapalovacích svíček, vzniká při
vysokém zapalovacím napětí a velké energii zážehu problém se
životností svíček. Proti velké mezeře mezi elektrodami svíček je
i všeobecný požadavek na menší průměr svíčky, obvyklý u většiny
nových motorů. Menší průměr vede k tenší části izolátoru s
průvodním snížením dielektrické pevnosti, takže je větší riziko
proražení izolátoru svíčky.
Proto se hledají jiné cesty jak zlepšit zápalnost chudých směsí.
Jednou ze slibných je vícejiskrové zapalování, které vyvíjí fa
Champion, známý výrobce svíček.
Systém používá speciální zapalovací cívky, nazývané „cigaretová“,
jejichž průměry se pohybují podle aplikace od 14 do 29 mm.
Parametry cívky umožňují vícejiskrový provoz s velmi rychlým
nárůstem proudu. Energie každé jiskry je určována změnou
doby „plnění“ primárního vinutí cívky. Systém obsahuje obvod
zpětné informace, zda jiskra směs zažehla či nikoliv. K tomu
slouží průběh primárního proudu během plnění cívky pro další
zážeh. Jestliže k zapálení směsi nedošlo, jiskry se opakují, až
k němu dojde.
U vícejiskrového systému jsou energetické nároky podstatně
nižší, takže dochází k menšímu opotřebení elektrod svíček, než s
jedinou dlouhou jiskrou. Protože je zapalovací napětí v obvyklém
rozmezí 20 až 35 kV, jsou i nároky na izolátor zapalovací
svíčky obdobné, jako u většiny soudobých zapalovacích soustav.
Tento systém je obzvláště vhodný pro motory s přímým
vstřikováním, protože překonává potíže se selháním zážehu při
dopadu vstříknutého paliva přímo na zapalovací svíčku.
Bezrozdělovačových systémů je používáno i u motorů se dvěma
svíčkami v každém válci. Např. nový šesti a osmiválcový motor
V řady M112 fy Mercedes – Benz používá dvojice sacích ventilů
o průměru 36 mm a jediného výfukového s průměrem 41 mm,
viz řez o241.
Toto uspořádání umožňuje použít dvou svíček, které jsou uloženy
co nejblíže ke stěně válce, což přispívá k lepšímu spalování
uhlovodíků, jejichž zbytky vytvoří okrajovou vrstvu na stěně
válce. Tím se má dosáhnout snížení emisí HC až o 25 %.
Dvojice svíček zajišťuje mnohem spolehlivější spalování. Při
studeném startu tedy může být směs méně obohacována a při
častých jízdách na krátkou vzdálenost se dosahuje nižší
spotřeby. Výhodou je i to, že při studeném startu lze nastavit
předstih zpožděný o 5 až 10° než s jednosvíčkovým
zapalováním a to bez trhavého chodu motoru. Tím se dosáhne
vyšší teploty výfukových plynů, což pomůže rychleji prohřát
katalyzátor na provozní teplotu a tedy výsledně zlepšit emise.
Svíčky nezažehují současně. Rozdíl mezi primárním a sekundárním
zážehem je až 16° klikové hřídele. Pomalejší rychlost
hoření dává snížení hlučnosti chodu motoru o 3.3 dB za
cenu výkonové ztráty pouze 0.5 %. Každá svíčka má svoji
cívku, obě jsou mechanicky spojeny a umístěny na bloku motoru
tak, aby vn kabely ke svíčkám byly co nejkratší.
I u novějších motorů vozů Mazda RX-7 (Wankel) je použito
bezrozdělovačového způsobu rozvodu vn. Jak je zřejmé z
obr. o242, jsou v zapalovacím systému použity jedna
dvoujiskrová a dvě jednojiskrové cívky. Cívky jsou řízeny
samostatnými výkonovými tranzistory, které jsou součástí
budícího stupně zapalování. Ten dostává synchronizační impulsy z
řídící jednotky, která vypočítává předstih pro zážeh svíček podle
signálů NE a G snímačů u klikové hřídele.

 

Jiná zlepšení

Elektronické řízení přípravy směsi a jejího zážehu přispělo
značně ke zlepšení termodynamické účinnosti zážehových motorů
a zejména ke snížení úrovně emisí škodlivých látek v jejich
výfukových plynech. V současné době prakticky dosáhlo maxima svých
možností. Dalšího zlepšení výše uvedených charakteristik motorů
lze dosáhnout jen použitím dalších systémů, které se na tvorbě
směsi a jejím zážehu přímo nepodílí, ale tyto pochody doplňují,
ať během přípravy směsi nebo úpravou spalin po jejím shoření.
Některé z nich se podílí na zlepšení charakteristik motoru během
celého jeho pracovního cyklu.
Tyto systémy jsou na obvodech řízení tvorby a zážehu směsi
zpravidla funkčně nezávislé. Většinou však využívají stejné
vstupní informace o parametrech motoru a mnohdy i o výstupech
ze zmíněných obvodů, tj. o složení směsi a předstihu zážehu.
Těchto systémů existuje celá řada. V dalším popisu jsou
seřazeny v pořadí podle četnosti jejich používání na současných
zážehových motorech. Tato četnost se může přirozeně časem
změnit a to i dosti značně.

Regulace volnoběhu

Konstantní volnoběžné otáčky jsou důsledkem rovnováhy mezi
kroutícím momentem a zatížením motoru. Celkové zatížení
motoru při volnoběhu sestává z vnitřních a vnějších vlivů.
Mezi vnitřní patří hlavně třecí síly a momenty klikové
hřídele, ovládání ventilů a přídavných čerpadel.

Čerpadla chladicí kapaliny, motorového
oleje, sekundárního vzduchu apod.

Tyto vnitřní vlivy jsou silně závislé na teplotě motoru a
také podléhají pomalým změnám během jeho životnosti.
K nim přistupují vnější vlivy projevující se většinou při
zapnutí některého spotřebiče v palubní síti vozidla.

Klimatizace, automatická převodovka,
světlomety apod.

Vlivem zapínání a vypínání spotřebičů vnější vlivy značně a
nepravidelně kolísají.
Volnoběžné otáčky zážehového motoru jsou závislé na množství
přiváděného vzduchu, složení směsi (vzduchovém čísle lambda) a
předstihu zážehu. Pro regulaci volnoběžných otáček představuje
množství vzduchu, neboli plnění, nejvhodnější akční veličinu.
Takový způsob regulace dovoluje použít nízkých volnoběžných
otáček, což je výhodné z hlediska spotřeby. Nastavovaná hodnota
se během životnosti vozidla nemění.
Ze snímačů otáček motoru, teploty chladicí kapaliny a polohy
škrticí klapky se přivádí signály do řídící jednotky. V ní se
provádí srovnání okamžitých otáček motoru s požadovanými
volnoběžnými. Výsledný výstupní signál řídící jednotky ovládá
stavěcí člen množství přiváděného vzduchu tak, aby se množství
zvětšilo při poklesu otáček pod požadovanou hodnotu a při
překročení zmenšilo.
škrticí klapka, která ovládá množství vzduchu přiváděného
do motoru, je při volnoběžném chodu nastavena automaticky do
polohy, při níž je sací potrubí buď zcela uzavřeno nebo otevřeno
jen minimálně. Regulace volnoběžných otáček se provádí přivedením
přídavného vzduchu, jehož množství je ovládáno zmíněným
stavěcím členem.
Jestliže škrticí klapka uzavře sací potrubí zcela, přivádí se
přídavný vzduch jejím obtokovým kanálem (obr. o31). Stavěcí
člen pak ovládá množství přiváděného přídavného vzduchu zvětšením
nebo zmenšením průřezu obtokového kanálu.
Jestliže systém není vybaven obtokovým kanálem škrticí klapky,
tato zcela neuzavře přívod vzduchu sacím potrubím a ten prochází
mezerou mezi klapkou a stěnou sacího potrubí jako volnoběžný
vzduch. Stavěcí člen pak mění jeho množství změnou minimální
koncové polohy škrticí klapky, tj. jejím natočením
(obr. o32).
Kromě přídavného vzduchu je ve volnoběhu přiváděn základní
volnoběžný vzduch, kterým se nastavují volnoběžné otáčky s
vypojenou regulací. Nastavení se obvykle provádí stavěcím
šroubem, který buď mění průřez dalšího (neregulovaného)
obtokového kanálu nebo koncová poloha stavěcího členu pracujícího
proti síle předepínací pružiny. Ta vrací stavěcí člen do této
koncové polohy v případě poruchy regulačního systému. Tak je
zabezpečeno nastavení volnoběžných otáček i bez regulace.
U dosud používaných systémů se vyskytují následující stavěcí
členy.

šoupátko přídavného vzduchu

Používá se u starších systémů s nepřetržitým vstřikováním,
případně u prvních systémů se simultánním časováním. Jeho
princip vyplývá z obr. o33 a je použit na systému
L-Jetronic fy Bosch.
Při uzavření škrticí klapky 12 prochází přídavný vzduch
obtokovým kanálem. Jeho množství je regulováno šoupátkem
přídavného vzduchu 13. Při studeném motoru je obtokový
kanál zcela otevřen a otáčky motoru se zvyšují.
Součástí šoupátka je elektricky vyhřívaný bimetal, který po
zahřátí motoru na provozní teplotu obtokový kanál uzavře.
Během zahřívání motoru je také obohacována směs vstřikováním
paliva do sběrného sacího potrubí 10 tryskou studeného
startu 11. Tato je ovládána z řídící jednotky 7,
stejně jako ohřívání bimetalu stavěcího členu podle signálu ze
spínače v koncové poloze škrticí klapky 12a a z časového
termospínače 14, měřícího teplotu chladicí kapaliny
motoru. Termospínač zajišťuje, aby doba otevření trysky studeného
startu nebyla příliš dlouhá, což by mohlo vést k „přelití“
motoru a zanesení zapalovacích svíček. Jestliže teplota motoru
překročí mez stanovenou pro provoz trysky studeného startu,
elektrické vyhřívání bimetalu časového termospínače se odpojí a
tryska přestane obohacovat směs.
Z obr. o33 jsou patrny i dva stavěcí šrouby v sacím kanálu.
První z nich je nad škrticí klapkou a slouží k nastavení
volnoběžných otáček změnou průřezu druhého obtokového kanálu
škrticí klapky.
Druhý stavěcí šroub v měřiči množství nasávaného vzduchu 6
mění průřez obtokového kanálu náporové klapky 6a měřiče.
šroubem se nastavuje složení směsi.

Vzduchové číslo lambda.

Střídavým dostavováním obou šroubů po zahřátí motoru se
seřizují volnoběžné otáčky i základní složení směsi.

Elektromagnetický ventil regulace volnoběhu

Ventil otevírá nebo přivírá obtokový kanál škrticí klapky nejen
během zahřívání motoru ale provádí i regulaci volnoběžných
otáček ve všech provozních podmínkách motoru.
Elektromagnet ventilu je ovládán signálem z řídící jednotky,
která zpracovává informace ze snímačů a podle nich se nastavují
volnoběžné otáčky.
Ventil pracuje s kruhovým nebo lineárním pohybem proti síle
předepínací pružiny.

Otočný ovládač volnoběhu

Tento rovněž otevírá nebo přivírá obtokový kanál klapky ve
všech provozních podmínkách motoru. Jedno z mnoha používaných
konstrukcí je na obr.o34. Ovladač sestává z otočného
šoupátka 8, které řídí množství procházejícího vzduchu
kanálem 6. šoupátko je umístěno na otočné kotvě 5
elektromotoru, který má dvě vinutí 4. Řídící jednotka
napájí obě vinutí střídavým napětím závislým na signálech ze
snímačů otáček, teploty a dalších. Střídavé napětí vytváří na
otáčivé kotvě protiběžné síly a otočné šoupátko zaujme podle
napěťových poměrů polohu odpovídající potřebnému úhlu otevření.
Při případné poruše regulace je šoupátko tlačeno zpětnou
pružinou 3 na doraz daný šroubem 7 pro nastavení
průřezu dostačujícího pro nouzový režim.

Regulátor volnoběhu s krokovým motorem

Jak je z obr. o35 patrno, sestává se ze šoupátka
přídavného vzduchu 2, které otevírá nebo přivírá obtokový
kanál svým ventilem 6. šoupátko se posouvá
prostřednictvím šnekového závitu v rotoru 5 krokového
motorku. Krokový motor má obvykle čtyři vinutí statoru 3
a jejich působením se může v obou směrech volně pohybovat.
Regulaci provádí opět řídící jednotka. V obr. o35 je sedlo
ventilu 1 a 4 ložisko rotoru krokového motorku.
Krokových motorků se obvykle používá i pro natáčení koncového
dorazu minimální polohy škrticí klapky u systémů bez obtokového
kanálu.

Zrychlování volnoběhu elmag. ventilem

Motor může být vybaven více ventily. Každý z nich je přiřazen k
určité zátěži nebo provozním podmínkám; při jejich aktivaci se
sepne a vyrovná tak pokles otáček. Jde o případy:

 

  1. Motor je vystaven přídavnému zatížení elektrickými spotřebiči
    v palubní síti, která vyžadují vyšší výkon alternátoru.
    Ventil otevře svůj obtokový kanál u škrticí klapky a do motoru
    proudí přídavný vzduch. Tím se zvýší výkon motoru pro potřeby
    alternátoru.

 

Většina systémů regulace volnoběžných otáček plněním motoru
pracuje v součinnosti s řízením předstihu zážehu, jak
bylo uvedeno v popisu k obrázkům o218 a
o219. Proto je nutné dodržet vždy nastavení volnoběžných otáček
seřízením množství „volnoběžného“ vzduchu na hodnotu podle údajů
výrobce motoru. Jinak by mohly obě regulace spolu kolidovat a
chod motoru by se stal nestabilní.

Katalyzátory

Z obrázků o11 a o210 vyplývá, že obsah škodlivých složek ve
výfukových plynech je závislý na složení směsi a předstihu jejího
zážehu ve válcích motoru.
Provozní podmínky motoru často nedovolují použít optimálních
hodnot těchto parametrů. Často se také příliš rychle mění režim
chodu motoru a regulace složení směsi, a někdy i předstihu,
nestačí na změny bez zpoždění reagovat. Tím dochází k nežádoucímu
nárůstu emisí škodlivin. Ty pak dosahují hodnot převyšujících
zákonem povolené meze, zejména u nových stále zpřísňovaných
předpisů.
Proto se již delší dobu používá různých způsobů úpravy
výfukových plynů, kterými se sníží obsah emisí škodlivin na
přijatelnou hodnotu. Mezi nejpoužívanější patří katalyzátory,
přesněji katalytické konvertory.
Jsou to zařízení, která se vkládají do výfukového potrubí,
obdobně jako výfukové tlumiče. Při průchodu výfukových plynů
skrze katalyzátor se škodlivé složky přemění na jiné neškodné
nebo méně škodlivé (CO2,
NH3 apod.). Ty jsou pak vypouštěny
výfukovým potrubím do ovzduší.
Katalyzátory sestávají ze tří důležitých částí:

 

  1. Monolitu neboli nosiče, což je těleso voštinovité
    konstrukce s velkým množstvím průchozích kanálků, kterými proudí
    výfukové plyny.
  2. Reaktivní vrstvy, kterou je monolit potažen. Tato nosná
    vrstva z oxidu hlinitého zvětšuje výrazně účinnou plochu
    katalyzátoru.
  3. Katalyticky účinného materiálu naneseného na reaktivní
    vrstvě. Skládá se z vzácných kovů – platiny, paladia nebo
    rhodia. Tyto kovy z platinové skupiny mohou být použity
    samotné nebo v kombinaci. Někdy bývají doplněny „promotory“, které
    zvyšují jejich účinnost.

Přeměna škodlivých látek vyžaduje prostředí s poměrně vysokou
teplotou. Začíná být účinná přibližně od 250°C.
Nejvhodnější podmínky pro vysoký stupeň přeměny a dlouhou
životnost leží v rozmezí teplot 400 až 800°C. V
oblasti 800 až 1 000°C dochází k sinitrování vzácných
kovů a nosné vrstvy
Al2O3, což
přispívá ke zmenšení aktivní povrchové vrstvy. Katalyzátor rychle
stárne.
Velký význam má přitom doba provozu v této oblasti. Proto není
vhodné motor dlouhodobě provozovat ve vysokých otáčkách a s
velkým zatížením. Nad 1 000 stupňů C se stárnutí
katalyzátoru značně zrychlí a dochází až ke ztrátě jeho funkce.
Zmíněné vlastnosti ovlivňují jeho umístění ve výfukovém potrubí.
Monolit katalyzátoru je vyroben buď z keramiky nebo z kovu.
Konstrukce katalyzátoru s keramickým monolitem je uvedena v
řezu o36. Voštinové těleso 4 keramiky je velmi citlivé
na mechanické namáhání a proto je v plechovém krytu 3 z
ušlechtilé oceli pružně uloženo. Pružné uložení je tvořeno
kovovým pletivem 5 z vysoce legovaných ocelových drátů o
průměru 0.25$ mm vloženým mezi keramické těleso a plechový
kryt.
Pletivo musí být dostatečně pružné, aby zachytilo mechanické
namáhání od provozu vozidla a vlivem rozdílné tepelné
roztažnosti monolitu a krytu.
Blok katalyzátoru je vložen ve výfukovém potrubí 2 těsně
za lambda snímačem 1, který měří obsah kyslíku ve
výfukových plynech.
Kovový monolit je zhotoven z fólie ze speciální slitiny. Fólie
o tloušťce 0.04 mm je vyráběna jako matrice, tvarovaná do
požadovaného tvaru a natvrdo spájená. Svinutím fólie (viz
obr. o37a) vzniká monolit obdobného tvaru jako má
keramický.
Velmi tenké stěny takového monolitu kladou výfukovým plynům
menší odpor než otvůrky v keramické voštině (viz.
obr. o37b). Rovněž tepelná stabilita je výtečná až do
teplot přes 1 300 stupňů C. Takovéto katalyzátory mohou
být montovány v blízkosti motoru. Jsou používány zejména
přídavně k hlavnímu katalyzátoru, jako předřadné nebo určené pro
start. Tím se dosahuje vyšší účinnosti přeměny krátce po
nastartování motoru.
Kovový monolit je také používán u nejnověji zaváděných
katalyzátorů s elektrickým vyhříváním. Komůrkový monolit slouží
jako topné těleso. Je zhotoven ze slitiny oceli, chromu a
hliníku, která má vynikající odolnost proti oxidaci. Monolit
je vyroben průtlačným lisováním z práškových kovů, po kterém
následuje slinování na velmi nízkou poréznost. ®ádaný elektrický
odpor je dosahován podélným rozříznutím monolitu. Obvod topného
tělesa je izolován keramickým vláknem snášejícím vysoké teploty a
vložen do kovového pouzdra z nerez oceli.
Jedna z možných konstrukcí je na obr. o38.

Typy katalyzátorů

Přeměna škodlivých látek na neškodné se v katalyzátorech provádí
buď oxidací nebo redukcí. Podle určení se volí vzácný kov
použitý na katalyticky aktivní vrstvu. U oxidačních
katalyzátorů je to platina a paladium.
Dosud používané oxidační katalyzátory potlačují CO a HC.
Účinnost potlačení těchto škodlivých látek se pohybuje kolem
90 až 95 % za podmínky, že do motoru je přiváděna směs se
vzduchovým číslem lambda přibližně rovno 1.0. Směs tedy může
být ochuzena až k hranici přijatelné z hlediska výkonu motoru.
Ke snížení obsahu NOX u těchto
katalyzátorů prakticky nedochází, takže musí být
použito recirkulace výfukových plynů.
Uspořádání na motoru je zjednodušeně uvedeno na obr. o39.
V sacím potrubí je systém tvorby směsi 1, ve výfukovém
oxidační katalyzátor 3. Protože v některých provozních
podmínkách, např. při akceleraci nebo zahřívání motoru po
studeném startu, dochází k obohacení směsi, přidává se do
výfukového potrubí sekundární vzduch 2 krátkodobě
zapínanou pumpou. Tím se dosáhne zvýšení obsahu kyslíku ve
výfukových plynech potřebného ke správné činnosti katalyzátoru.
U redukčních katalyzátorů se používá jako aktivní vrstvy
platiny a rhodia. Účinnost takového katalyzátoru je přijatelná
pouze pro bohaté směsi s maximem při lambda = 1.0. Potlačuje
pouze emise NOX, takže pro potlačení
všech tří složek škodlivin musí být použito uspořádání
zakresleného zjednodušeně na obr. o310.
Systém tvorby směsi 1 v sacím potrubí dodává přiměřeně
obohacenou směs. Výfukové plyny prochází nejprve redukčním
katalyzátorem 4, který potlačí emise
NOX. Za ním je do výfukového potrubí
vháněn sekundární vzduch 2, čímž se vytvoří podmínky
pro potlačení emisí CO a HC v následně zařazeném oxidačním
katalyzátoru 3.
Tento způsob, nazývaný dvoulůžkovým nebo také dvoukomorovým
katalyzátorem, je nevýhodný zejména proto, že motor musí
pracovat s bohatou směsí, což zvyšuje spotřebu i emise
CO2.

Který přispívá ke „skleníkovému jevu“.

Další nevýhodou je vznik čpavku (NH3)
při redukci NOX za nedostatku vzduchu
a následná produkce NOX při přidávání
sekundárního vzduchu a oxidaci v oxidačním katalyzátoru.
Oba výše uvedené způsoby nevyžadují přesného nastavení složení
směsi, takže mohou být použity i jako tzv. neřízený katalyzátor.
Systém přípravy (tvorby) směsi je vhodně nastavován podle
provozních podmínek motoru s přihlédnutím ke způsobu potlačení
škodlivin. Tedy tak, aby směs byla vždy buď lambda = 1.0
(oxidační katalyzátor) nebo s lambda < 1.0 (dvoulůžkový
katalyzátor).
Tyto systémy se používaly hlavně u motorů s
karburátory, zejména bez elektronické regulace složení směsi.
V poslední době se opět začínají prosazovat; ovšem
vylepšené a vybavené regulací složení směsi
podle existujících provozních podmínek motoru.
V obrázku o311 jsou uvedeny průběhy účinnosti přeměny
jednotlivých škodlivin redukčním a oxidačním katalyzátorem v
závislosti na součiniteli přebytku vzduchu lambda. Z obrázku
vyplývá, že při složení směsi v úzkém rozmezí kolem lambda = 1.0
je dosahováno maximální účinnosti potlačení všech tří složek, i
když půjde o dva různé typy katalyzátorů. Ty však mohou být
konstrukčně spojeny v jeden celek, nazývaný třísložkovým
katalyzátorem. Sekundární vzduch není obvykle potřebný, ale
složení směsi musí být udržováno poměrně s vysokou přesností v
těsné blízkosti stechiometrické hodnoty, tj. lambda = 1.0.
Toho se dosahuje použitím tzv. lambda regulace. Zjednodušené
schéma uspořádání takového systému je na obr. o312. Systém
tvorby směsi 1 v sacím potrubí je ovládán z elektronické
řídící jednotky 5 podle signálu ze snímače obsahu kyslíku
lambda sondy 6, umístěné ve výfukovém potrubí před
třísložkovým katalyzátorem 7. Tento způsob bývá také
nazýván řízeným katalyzátorem. Konstrukční provedení třísložkového
katalyzátoru je v řezu uvedeno na obr. o313, ze kterého je
zřejmé, že obsahuje dvě samostatná tělesa monolitu, jeden je
částí redukční, druhý oxidační.
Jak již bylo uvedeno, hraje teplota důležitou roli jak u snímače,
tak u katalyzátoru. Aby nastala přeměna škodlivých látek a mohla
začít regulace složení směsi podle obsahu kyslíku ve výfukových
plynech, musí provozní teplota obou dílů překročit určitou
minimální hodnotu. Naopak příliš vysoká provozní teplota urychluje
jejich tepelné stárnutí až téměř k úplné ztrátě funkce.
To omezuje možnosti zástavby těchto dílů ve vozidle. Aby se
udržely nízké emise škodlivin, musí být provozní teplota dosažena
co možno nejdříve po nastartování motoru. K tomu by byla potřebná
zástavba blízko motoru.
Na druhé straně nesmí vést provoz motoru při vyšších otáčkách a
zatíženích, kdy mají výfukové plyny velkou teplotu, ke stárnutí
katalytické vrstvy. Umístění katalyzátoru je většinou
kompromisem, s cílem dosáhnout jeho životnosti nejméně 100
tisíc km proběhu.
Při vadné funkci motoru, např. vysazování zapalování, může teplota
katalyzátoru stoupnout přes 1 400 stupňů C. Takové
teploty vedou k úplnému zničení katalyzátoru roztavením materiálu
nosiče. Proto musí být funkce zapalování naprosto spolehlivá.
Někteří výrobci opatřují katalyzátor snímačem jeho provozní
teploty (viz obr. o314). Dle jeho signálu pak může dojít
k omezení otáček nebo výkonu motoru a tím i teploty výfukových
plynů, pokud přehřátí trvá.
U lambda snímače ovlivňuje teplota značně průběh hodnoty
výstupního napětí. Průběh uváděný výrobcem vyžaduje, aby bylo
dosaženo určité teploty, obvykle kolem 600°C. Také
dynamické vlastnosti snímače, tj. jeho doba odezvy pro změnu
napětí při změně složení směsi z chudé na bohatou nebo naopak,
jsou silně teplotně závislé.
Po nastartování motoru bývá proto regulace většinou odpojována
po dobu, než teplota snímače dosáhne asi 300°C.
Motor přitom pracuje s obohacením směsi. Aby se tato doba co
nejvíce zkrátila, přešlo se na používání vyhřívaných lambda
snímačů. Tyto jsou při nižších teplotách výfukových plynů
elektricky vyhřívány. Jakmile teplota dostatečně vzroste,
vyhřívání se automaticky vypne. Vyhřívaný snímač může být umístěn
dále od motoru, což omezí jeho tepelné namáhání při zvýšené
teplotě výfukových plynů.

Další zlepšení

V této části byly popsány různé
druhy lambda snímačů, podle kterých je zvolen způsob regulace
složení směsi. Pro třísložkové katalyzátory, které vyžadují
pro svou funkci stechiometrické složení, se nejčastěji používá
snímače se skokovým průběhem výstupního napětí v oblasti kolem
lambda = 1.0. V řídící jednotce je nastavena určitá referenční
hodnota napětí, obvykle kolem 0.5 V. Jestliže bude signál z
lambda sondy pod touto hodnotou, je směs příliš chudá a regulační
systém zvětší dávku paliva. Je-li referenční napětí překročeno,
směs je bohatá a regulace sníží množství paliva.
Změna složení směsi však nemůže být skoková, neboť motor by měl
sklon k nepravidelnému chodu. Proto je částí řídící jednotky
integrátor, který mění složení směsi pomaleji, v závislosti na
určité funkci. Snímač reaguje totiž se zpožděním daným součtem
doby pro dopravu směsi od trysky do válce, doby pracovního cyklu
válce, doby cesty spálené směsi z válce k lambda sondě a doby
její odezvy. Následkem je, že není možno trvale udržet konstantní
stechiometrické složení směsi. To bude kolísat v rozmezí několika
procent.
Avšak při správném nastavení integrátoru zůstává střední hodnota
vzduchového čísla přesně v tzv. katalyzátorovém oknu, kde je
dosahováno nejvyšší účinnosti přeměny.
Časová konstanta integrátoru je závislá na okamžitých provozních
otáčkách a zatížení motoru. Mění se od jedné sekundy při
volnoběhu (podle vzdálenosti sondy od motoru) po milisekundy při
vysokých otáčkách a zatížení. Charakteristika integrátoru se tedy
nastavuje tak, abychom dosáhli minimálního rozkmitu regulace. To
je důležité pro dosažení nízkých emisí a dobrých jízdních
vlastností.
Časové zpoždění během lambda regulace není možné žádným způsobem
obejít. Aby se udržela nízká úroveň emisí, provádí se u výrobce
při přizpůsobování systému na motor určité přednastavení regulace,
které se uloží do datového pole v ROM paměti řídící jednotky. Při
provozu se mohou vyskytnout vlivy vyžadující určitou korekci tohoto
přednastavení. Např. změna kvality paliva nebo stárnutí sondy.
Proto jsou současné systémy vybaveny adaptivní regulací. Jestliže
její obvody zjistí, že v určité oblasti otáček a zatížení musí
být prováděna stále se opakující korekce přednastavení, zapíše ji
do trvalé paměti RAM, která je napájena i při stojícím motoru.
Při příštím nastartování začíná regulace pracovat již s tímto
upraveným přednastavením.
Při přerušení napájení řídící jednotky se ale paměť vymaže a
adaptace začíná znovu od hodnoty přednastavené výrobcem.
Aby se dosáhlo co největšího potlačení vlivů stárnutí lambda
snímače, používá se v poslední době regulace se dvěma snímači.
Jak vyplývá z obr. o315, je jeden snímač umístěn ve
výfukovém potrubí před katalyzátorem a druhý za ním.
Druhý snímač je v menší míře vystaven škodlivým účinkům vysoké
teploty a proto se používá jako řídící člen.
Regulace se dvěma sondami většinou kompenzuje posunutí
přednastavení u stárnoucí první lambda sondy, která již pomaleji
reaguje na změny složení výfukových plynů. Řízení přednastavení se
postupně pomalu mění pomocí součtu s korekční regulační smyčkou.
Dlouhodobá časová konstanta vznikající z druhé smyčky významně
přispívá k dlouhodobé stálosti složení směsi. To je důležité pro
splnění stále přísnějších emisních předpisů.
Dvousnímačové systémy mohou být přizpůsobeny pro vnitřní
diagnostiku katalyzátoru. Vzájemným srovnáním signálů, které měří
obsah kyslíku ve výfukových plynech, se stanoví jeho množství
spotřebované na oxidaci škodlivých složek. Dle toho se dá
posoudit účinnost katalyzátoru.
I když jde jen o jeho oxidační část, je velmi pravděpodobné, že
i redukční se chová obdobně. Rozdíly v její konstrukci jsou
zanedbatelné a jiné je jen složení aktivní katalytické vrstvy.
Významného zlepšení parametrů lambda regulace se dosáhne
použitím širokopásmové sondy. Ta umožňuje měřit skutečné
odchylky složení směsi od stechiometrické hodnoty. S její
pomocí lze dosáhnout plynulé regulace s malou stacionární
odchylkou a s vysokou dynamikou.
Nevyhnutelné zbytkové chyby stacionárního i nestacionárního
přednastavení tak mohou být podstatně rychleji kompenzovány
a přesnost regulace se zvýší.

Přifukování vzduchu

V některých provozních podmínkách motoru, zejména při prvním
startování za nízkých okolních teplot, musí být směs dosti
obohacena. Rovněž během následujícího zahřívání motoru je
žádoucí obohacení, i když mírnější. Za takových podmínek se
vytváří největší část celkového obsahu škodlivin. Proto byly již
před zavedením katalyzátorů prováděny pokusy snížit obsah
škodlivin termickým dohoříváním výfukových plynů.
Při něm se za vysoké teploty nechávají dohořet zbytky nespáleného
paliva. Jestliže je směs bohatá, musí být přiváděn další vzduch,
u chudé postačí kyslík obsažený ve výfukových plynech.
Zavedením katalyzátorů ztratil tento způsob svůj původní
význam, avšak může snížit hodnoty CO a HC během zahřívání motoru,
zejména pokud nebude katalyzátor zahřátý na provozní teplotu.
Důležité je i to, že přifukování přídavného vzduchu do
výfukového potrubí přímo za válce vede ke spálení horkých
výfukových plynů, což přispívá k zahřívání katalyzátoru.
Zjednodušené schéma takového uspořádání je na obr. o316.
Elektrické dmychadlo sekundárního vzduchu je zapnuto během
první fáze volnoběhu po startu na dobu asi 2 min.
Jakmile je lambda snímač a tedy i katalyzátor dostatečně zahřát,
dodává signál do řídící jednotky a ta dmychadlo vypne.
Včasné vypnutí je potřebné, aby se předešlo zvýšení emisí
NOX.
Některé systémy řídí zapínání dmychadla i podle signálu ze
snímače teploty chladicí kapaliny motoru.
Elektrické dmychadlo sekundárního vzduchu může být zapínáno i
při silné akceleraci nebo velkém zatížení motoru, kdy je směs
obohacována. Sekundární vzduch může být cyklován zapínáním a
vypínáním, aby se dosáhlo snížení emisí.
Zatím nejdokonalejší systémy používají dvou za sebou zařazených
katalyzátorů s přifukováním sekundárního vzduchu, viz
obr. o317. První katalyzátor je s kovovým nosičem a je
umístěn těsně u válců. Rychle se zahřeje a potlačuje škodliviny
brzy po startu a ve volnoběhu. Také chrání za ním zařazený hlavní
katalyzátor před poškozením, protože filtruje fosfor a olovo.
Sekundární vzduch je po startu a při volnoběhu foukán před oba
katalyzátory, takže pracují jen jako oxidační, potlačují pouze
CO a HC.
Po zahřátí prvního (kovového) katalyzátoru se sekundární vzduch
přivádí pouze do druhého (hlavního) a to mezi jeho redukční a
oxidační část.
První katalyzátor pak pracuje jako třísložkový, druhý pouze jako
oxidační. Toto je normální jízdní režim. Při jízdě vyšší rychlostí
se přívod přídavného vzduchu k oběma katalyzátorům přeruší a oba
stupně pracují jako třísložkové katalyzátory.

Recirkulace

Recirkulace výfukových plynů je dlouho známým a často používaným
způsobem snížení emisí kysličníků dusíku
(NOX). Výfukové plyny spalovacího motoru
jsou ve své podstatné části inertním, tedy nehořlavým plynem.
Přimísením tohoto inertního plynu do směsi paliva a vzduchu
vytvořené systémem vstřikování se dosáhne zmenšení špičkové
teploty hoření se současným snížením emisí
NOX. K tomu dochází buď vnitřní nebo
vnější recirkulací.
Vnitřní recirkulace vzniká překrytím ventilu. K němu dochází
tím, že sací ventil se otevře v době, kdy výfukový ještě není
uzavřen. Na velikosti překrytí závisí podíl zbytku plynů,
který může být opět do válce nasát spolu s čerstvou směsí.
Zejména motory s vyšším měrným výkonem mívají lepší plnicí
účinek a tedy mohou mít větší překrytí. Tím mají relativně nižší
emise kysličníků.
Překrytí ventilů však nelze libovolně zvětšovat, protože by
nebyl zajištěn stabilní chod motoru bez vynechávání. Rovněž by
vzrostly emise HC. Nepostačí-li vnitřní recirkulace snížit v
potřebné míře emise NOX, používá se
recirkulace vnější. Její princip je zřejmý z obr. o318.
Z výfukových plynů motoru se odebírá definovaný dílčí proud a
je přiváděn do čerstvé směsi. Podle množství recirkulovaných
výfukových plynů je možno snížit emise kysličníků až o 60 %. To
je ale spojeno se zvyšováním emisí HC (viz obr. o319). Pokud
bude množství recirkulovaných plynů omezeno na 10 % až 15 %, není
třeba uvažovat o zvýšení spotřeby. Předpokladem je ale současná
optimalizace předstihu, což platí v podstatě pro všechna opatření
zasahující do průběhu spalovacího procesu.
Mez přípustného množství je určována přírůstkem emisí HC, dále
zvýšením spotřeby a zhoršením rovnoměrnosti chodu motoru. Proto se
recirkulace při volnoběhu odpojuje, jelikož zde prakticky žádné
emise NOX nevznikají. Je odpojována i při
studeném motoru, aby neprodlužovala doby zahřátí motoru a systémů
potlačení emisí na potřebnou provozní teplotu. Také při plném
zatížení, kdy se směs obohacuje a koncentrace kysličníků jsou
nízké, je recirkulace odpojována. Nedochází tak ke snížení výkonu
motoru.
K řízení recirkulace výfukových plynů se používalo většinou
pneumatických nebo mechanických systémů. Jedno z možných
provedení je na obr. o320. V závislosti na poloze škrticí
klapky v sacím potrubí se mění podtlak, který je přiváděn do
komory pneumatického ventilu. Zde působí proti síle pružiny
tlačící na membránu. S membránou je spojen řídící ventil, který
otvírá přívod výfukových plynů do sacího potrubí.
Jestliže se škrticí klapka otevře z volnoběžné polohy, podtlak
v sacím potrubí vzroste a membrána ventil pootevře. Podle
zatížení motoru se mění podtlak v sacím potrubí a tím i množství
recirkulovaných plynů.
V přívodu podtlaku ze sacího potrubí do komory řídícího ventilu
recirkulace bývá zařazen i další ventil (na obr. o318
označen čárkovaným obdélníkem), který otevírá přívod podtlaku až
při určité minimální teplotě motoru.
Jiné systémy používají ventily, na které působí i zpětný tlak
výfukových plynů. Ten nabývá velikosti potřebné k otevření
přívodu recirkulovaných plynů až při vyšších otáčkách motoru.
Zjednodušené schéma takového uspořádání je na obr. o321.
Čep spojující membránu s ventilem je dutý a prochází jím
výfukové plyny, jejichž tlak pak působí rovněž proti předepnutí
pružiny, spolu s podtlakem v sacím potrubí.
Takové systémy mají nedostatek v tom, že dávkování množství
recirkulovaných plynů není dostatečně přesné, což způsobuje
při větších dávkovaných množstvích zhoršení jízdních vlastností
a zvyšuje emise HC.
Proto se i zde začaly prosazovat elektronické systémy, jejichž
řídící jednotka ovládá elektropneumatický ventil zařazený v
přívodu podtlaku (viz obr. o321) podle signálů z různých
snímačů. U nejnovějších motorů s regulovaným
časováním ventilů
je pak možno dosahovat 30 % i více
recirkulace bez patrného zhoršení parametrů motoru. Přitom je
množství optimalizováno pro každý provozní bod motoru.
Všechny systémy však mají společný nedostatek v tom, že se ve
ventilech a vedeních usazují pevné částice z výfukových plynů.
Cesty se tedy zanášejí a průtok recirkulovaných plynů se snižuje.

Časování ventilů

Do válců zážehového motoru je nasáto určité množství směsi
paliva a vzduchu. Shořením tohoto množství se vykoná práce a
zbytky hoření se z válců vytlačí. Takovéto plnění a vyprazdňování
válce se nazývá výměnou náplně.
Množství čerstvé směsi, které se do válců dostane, určuje výkon
a kroutící moment motoru. Obsah zbytkových plynů z hoření,
včetně zůstatku nespálené směsi, které ve válci zůstanou, ovlivňují
zápalnost a spalování nové směsi. To se projeví na úrovni emisí
HC a NOX. Výměna náplně by proto měla
probíhat tak, aby se výfukové plyny odstranily z válců beze
zbytku a válce se úplně naplnily čerstvou směsí.
Výměna spálené směsi ve válci za čerstvou probíhá u čtyřtaktních
zážehových motorů vhodným otevíráním a zavíráním sacích a
výfukových ventilů. Průběh výměny je dán tvarem vačkové hřídele,
která určuje časování ventilů. Tedy jednotlivými okamžiky
otevření a uzavření jak sacích, tak výfukových ventilů spolu s
průběhem jejich zdvihu.
Časování ventilů bývalo
optimalizováno jen pro určitou oblast otáček. Ovšem potřeby
motoru jsou při různých otáčkách většinou dosti rozdílné.
Při vyšších otáčkách a déle otevřeném výfukovém ventilu dochází k
tzv. překrytí neboli střihu ventilů. Konec výfuku a začátek sání
se překrývá dle obr. o322. Překrytím ventilů je možno lépe
odstranit zbytkové plyny ze spalovacího prostoru. Velké překrytí
sice umožní dobré vypláchnutí, ale mimo motory s přímým
vstřikováním způsobuje vyšší spotřebu paliva. Proto je třeba
volit kompromis mezi spotřebou a úrovní emisí.
Překrytí se
může dosáhnout naopak i delším otevřením sacího ventilu. Ve
vyšších otáčkách přitom dochází zároveň ke zvýšení jeho výkonu.
Ovšem při volnoběhu se může překrytí projevit nepříznivě;
vzhledem k většímu podílu spálené směsi dochází ke zvýšení emisí
nespálených HC a k nerovnoměrnému chodu motoru.
Proměnným
časováním ventilů, zejména sacích, je možno dosáhnout dalšího
zlepšení funkce řízení chodu motorů. To lze však použít jen u
motorů se dvěma vačkovými hřídeli (samostatnými pro sací a
výfukové ventily).
K tomuto účelu se používá řada systémů řízení časování ventilů.
Tyto systémy lze podle složitosti rozdělit do tří základních
skupin:

Změna polohy vačkové hřídele vůči klikové

Systém mění nastavení vačkové hřídele sání vůči poloze klikové
hřídele. Tím se mění překrytí sacího a výfukového ventilu ale
nikoliv perioda vačky. Změna je obvykle dvoustupňová – ve
volnoběhu obvykle překrytí není a ve vyšších, předem zvolených,
otáčkách se nastaví jeho nejvhodnější velikost.
Příklad takového řešení použitého v systému C.E.M. řízení chodu
motoru fy Alfa Romeo je na obr. o323, ve kterém je zobrazena
mechanická část měnící natočení vačkové hřídele 7.
Mechanismus je tvořen pístem 5 s přímými zuby, který se
posouvá v drážkové objímce 6. Objímka je umístěna ve
středu hnacího řetězového kola 4 vačkové hřídele sání. Jak
se píst posouvá podél drážkované objímky, zabíhá do
šroubovicovitého pastorku 9, což způsobuje natočení
vačkové hřídele vzhledem k řetězovému hnacímu kolu o pevný úhel.
Tím se dosáhne potřebného překrytí.
K posouvání pístu se používá tlaku oleje mazání motoru. Ten může
na píst působit, je-li otevřen jeho přívodní otvor A i
otvor 2 pro průtok oleje do prostoru B.
Otevírání přívodu oleje se provádí stavěcím členem 8
ovládaným elektromagnetem 1. Nepůsobí-li elektromagnet na
stavěcí člen, dojde k uzavření otvorů přívodu oleje a působením
pružiny 10 se píst vrátí do původní polohy. Současně je
kanálem C olej vytlačen z mechanismu.
Pro ovládání systému používá řídící jednotka obdobných signálů
jako pro vstřikování a zapalování.

Změna profilu vačky

Dokonalejší jsou systémy, které umožňují volbu dvou různých
profilů vaček hřídele sání, se dvěma úrovněmi zdvihu ventilů a
dvěma různými periodami vačky. Provádění změn je ale krokové,
nikoliv plynulé.
Příkladem takového řešení je systém V-tec fy Honda, jehož
princip je zřejmý z obr. o324.
Při otáčkách motoru mezi 1 200 až 2 500 ot/min
(levý obrázek), nepůsobí žádný hydraulický tlak a oba závěrné
kolíky jsou vysunuty, takže vahadla ventilů pracují nezávisle.
Levý sací ventil tedy zůstane téměř uzavřený, zatímco pravý je
otevírán vačkou pro časování v nízkých otáčkách. Tím se dosahuje
optimálního kroutícího momentu motoru.
V rozsahu 2 500 až 6 000 ot/min se dosáhne
optimálního vyvážení kroutícího momentu a výkonu přivedením
hydraulického tlaku jen do horní poloviny přívodního kanálu. Tím
se do záběru zasune jen horní závěrný kolík a obě vahadla pracují
současně. Oba ventily jsou tedy otvírány současně, přičemž je
zdvih určován vačkou časování pro nízké otáčky – obrázek
uprostřed.
Pro rychlosti > 6 000 ot/min je hydraulický tlak
přiváděn do obou polovin přívodu. Oba závěrné kolíky jsou v
záběru, takže nejenže oba ventily pracují současně, ale i jejich
činnost je řízena oběma vačkami. Vačka pro časování ve vysokých
otáčkách (na pravém obrázku levá) je natočena vzhledem k vačce
pro časování v otáčkách nízkých. Jejich společným působením se
dosáhne většího zdvihu ventilů a navíc je možnost rozdílné
rychlosti při otevírání a uzavírání ventilů, podle tvaru obou
vaček.
Je třeba zdůraznit, že uvedený princip můžeme aplikovat pouze na
motory se dvěma sacími ventily u každého válce.

Spojitá změna

V poslední době se rozšířily systémy měnící časování
ventilů spojitě mezi minimálním překrytím v nízkých otáčkách a
maximálním při nejvyšších. Většinou vycházejí z měnitelného
nastavení polohy vačkové hřídele sání vzhledem k poloze hřídele
klikové.
Mechanická část podobného systému fy Toyota (označovaného VVT)
je na obr. o325. Sestává ze dvou souosých kladek, z nichž
jedna je spojena s hnacím koncem vačkové hřídele sání a druhá s
ozuby pro řemen časování. Každá z nich se zasouvá do vnějších a
vnitřních šroubovicových drážek souosého pístu uloženého mezi
kladkami.
Píst se pohybuje axiálně, působením hydraulického tlaku oleje
mazání motoru. Jeho posuvem se mění fáze mezi oběma díly a tedy i
časování sacích ventilů. Tlak oleje je ovládán elektromagnetickým
ventilem podle signálů z řídící jednotky, společně i pro další
systémy řízení chodu motoru.
Systém může měnit časování sacích ventilů v rozmezí až do
60 stupňů klikové hřídele naprosto spojitě, podle potřeb
motoru, s přihlédnutím k jeho provozním podmínkám a optimalizaci
spotřeby a emisí NOX a HC.
Poněkud odlišný je systém VVC fy Rover, jehož mechanická část
regulace je zjednodušeně uvedena na obr. o326. Mezi hřídelí
s vačkami a pohonem této hřídele je hnací disk. Hřídele jsou
souosé ale nezávislé. Disk má radiální výřezy do nichž zabírají
klikové čepy jak vačkové hřídele, tak jejího pohonu.
Střed otáčení hnacího disku se může posouvat vzhledem ke středu
otáčení vačkové hřídele. Jsou-li středy shodné, pohon i vačková
hřídel se otáčí jako jeden celek. Při posuvu středu hnacího disku
od středu vačkové hřídele vytvoří excentricita změnu úhlové
rychlosti vačky v průběhu otáčky. Každá úplná otáčka vačky tedy
odpovídá pohonu, ale vačka je během ní zrychlována a zpomalována.
Geometrie hnacího disku je uspořádána pro takové posunutí, aby
prodloužilo periodu vačky: jejím zpomalením při otevírání ventilu
a zrychlením při jeho uzavírání. Nebo naopak: zkrácení periody
jejím zrychlením při otevírání ventilu a zpomalením při
uzavírání.
Při časnějším uzavírání sacího ventilu je maximum dodávky v
oblasti nízkých otáček motoru, při opožděném pak v oblasti otáček
vyšších.
Ovládání mechanické části se provádí prostřednictvím dvou
elektromagnetů. Jeden je pro prodloužení periody vačky a druhý
pro zkrácení. Elektromagnety jsou připojeny k elektronické řídící
jednotce a ovládají bubnový ventil v hydraulické řídící jednotce.
Ta je napájena olejem z mazání vačkové hřídele.
Součástí hydraulické jednotky je píst a ozubená tyč, která
natáčí ovládací objímku otočného hnacího disku a tím řídí
časování sacích ventilů.
Tento poměrně složitý způsob byl zvolen proto, že umožňuje
ovládat časování sacích ventilů rozděleně, např. dvojice předních
a dvojice zadních válců u čtyřválce. Přitom je pro každou dvojici
použito jen samostatného mechanismu, jaký je na obr. o324.
Uvedený systém umožňuje měnit překrytí ventilů mezi 21 až 58
stupňů, přičemž je jejich zdvih konstantní.
Složitější elektronicko-hydraulické systémy vyžadují pro své
řízení nejen informace o provozních podmínkách motoru, ale i o
stavu svých důležitých součástí. Proto bývají vybaveny snímači
teploty a tlaku hydraulického oleje. Systém časování je pak
uváděn do funkce pouze tehdy, jestliže hydraulický tlak a teplota
dosáhnou určité minimální hodnoty.
Měření teploty oleje u systémů se spojitou regulací časování je
důležité i pro kompenzaci změn v hydraulické řídící jednotce
vlivem teplotní závislosti viskozity hydraulického oleje.
Spojité systémy bývají také vybaveny snímači polohy vačkové
hřídele, které umožňují zjistit její skutečné natočení.
Výše popsané elektronicko-hydraulické systémy řízení časování
ukázaly, že největší přínos by měla zcela nezávislá funkce
jednotlivých ventilů. Tento způsob časování však nelze řešit
mechanickými systémy, ani když jsou doplněny elektronikou a
hydraulikou.
Při plně měnitelném časování ventilů se sníží ztráty vznikající
během výměny náplně. Proto se vyvíjí řada různých technologií
tohoto řešení. Nejdokonalejší způsob je pravděpodobně systém
využívající elektromagnetů a pružin (obr. o327).
Pro každý ventil je použito samostatného elektromagnetu. Konec
dříku ventilu je upevněn v disku armatury, který je „zavěšen“
ve středu válcového tělesa akčního členu dvěma pružinami. Jednou
nahoře a jednou dole. Na každé straně disku je také
elektromagnet, který po přítahu ventil otevře nebo uzavře.
Jsou-li elektromagnety bez proudu, zůstává ventil v mezipoloze.
Energie „nahromaděná“ v pružinách podporuje pohyb ventilu.
Časování ventilů je možno měnit podle nejrůznějších parametrů
motoru, podobně jako u vícebodového sekvenčního vstřikování nebo
řízení předstihu jednotlivých válců na mezi jejich klepání. Od
použití se předpokládá snížení spotřeby o 10 % až 30 %
a zlepšení emisí HC o 10 % a NOX
o 40 %. Také zlepšení kroutícího momentu motoru má dosáhnout
nejméně 10 %.
Významným přínosem je zjednodušení konstrukce motoru tím, že
odpadne vačková hřídel, rozvod časování, řetěz či pás pohonu
časování, drážky vaček apod.

Výměna náplně

Průběh výměny náplně, také nazývané
vyplachování válců, není ovlivňován jen časováním ventilů, ale
také uspořádáním sacího a výfukového traktu.
Výkon motoru je úměrný protékající hmotě vzduchu vytvářejícího s
palivem pracovní směs. Může být tedy zvýšen (při konstantním
zdvihovém objemu a otáčkách) předběžným stlačením vzduchu před
vstupem do válce, tj. přeplňováním.
Stupeň přeplňování udává zvýšení hustoty vzduchu ve srovnání s
přirozeným sáním, při kterém je vzduch či směs dopravována do
válce působením podtlaku v sacím potrubí během cyklu sání. Stupeň
je závislý na použitém způsobu. Maximální je, pokud se teplota
stlačeného vzduchu nezvýší, což můžeme zaručit např. jeho
ochlazením na výchozí teplotu. Jeho velikost je u zážehových
motorů omezena vznikem detonačního hoření, tj. <A
HREF=’#deton’>hranicí klepání.
Přeplňované spalovací motory (zážehové i vznětové) mívají
zpravidla nižší kompresní poměr než nepřeplňované.
U automobilových zážehových motorů se obvykle používá
následujících způsobů přeplňování:

 

  1. Dynamické
  2. Turbodmychadlem
  3. Mechanicky poháněným dmychadlem

Dynamické přeplňování

Jde o nejjednodušší způsob spočívající ve využití dynamiky
nasávaného vzduchu. Sacími zdvihy pístu je v sacím potrubí
vytvářeno periodické kolísání tlaku. Tlakové vlny probíhají sacím
potrubím a jsou na jeho konci odráženy. Přizpůsobením délky
sacího potrubí (l v obr. o328) k časování ventilů lze
dosáhnout toho, že tlaková vlna dorazí k ventilu krátce před jeho
uzavřením. Její přetlak pak dodá do válce vyšší množství směsi (u
nepřímého vstřikování) nebo vzduchu (u přímého).
Podobné platí i pro výfukové potrubí. Bude-li sací i výfukové
potrubí naladěno tak, že během překrytí ventilů vznikne pozitivní
tlakový spád, dosáhne se dobré výměny náplně s příznivým účinkem
na výkon, spotřebu i emise.
Tlakové rázy v sacím potrubí působí obdobně jako turbulence ve
spalovacím prostoru. Urychlují promísení paliva a vzduchu i pohyb
zapálené vrstvené směsi u motorů spalujících chudé směsi.
Zlepšují se tedy spalovací poměry a zvyšuje termodynamická
účinnost motoru.
Protože vlastní frekvence sloupců plynu jsou závislé na délce
vedení, je optimální naladění možné jen pro úzký rozsah otáček. S
využitím elektronických řídících systémů však lze měnit
elektromechanicky, po stupních, délku vedení a tak dosáhnout
přizpůsobení prakticky v celém rozmezí provozních otáček.
Tyto systémy většinou využívají principu, který vyplývá z
obr. o329, na kterém je vyobrazena příslušná část systému
Fenix 4B, použitého na motoru ZPJ–4 vozů Citroen XM.
Množství nasávaného vzduchu je na vstupu sacího potrubí
regulováno škrticími klapkami 1 ovládanými plynovým
pedálem. Protože jde o šestiválcový V motor, jsou sací potrubí
dvě, každé pro tři válce. Vzduch se k válcům přivádí samostatnými
kanály 2.
Systém se skládá ze dvou objemů, z nichž každý přísluší jedné
hlavě válců. Dále z krátkého potrubí mezi těmito objemy, které je
účinné, je-li otevřena klapka 3, a dlouhého potrubí,
účinného při otevření klapek 4 (natáčených současně).
Mechanismy ovládající natáčení klapek 3 a 4 jsou
řízeny podtlakem v sacím potrubí, tj. zatížením motoru. Podtlak
je k nim přiváděn přes elektromagnetické ventily řízené dle
otáček signály z řídící jednotky.
V pomalém chodu, < 4 000 ot/min, jsou klapky
3 i 4 zcela uzavřeny. Systém tedy tvoří dva
separátní objemy, každý pro jednu hlavu válců. Kroutící moment
motoru je zlepšen rychlejším prouděním vzduchu.
Pro vysoké otáčky, > 5 000 ot/min, jsou naopak
klapky 3 a 4 otevřeny. Výkon motoru je zvýšen
značným množstvím vzduchu vstupujícím do válců. Ke zvýšení
přispívá i šíření rázových vln vytvářených krátkým i dlouhým
potrubím.
V rozmezí 4 000 až 5 000 ot/min jsou
otevřeny jen klapky 4, klapka 3 je uzavřena. Buzení
v dlouhém potrubí je postačující pro dosažení hladkého přechodu k
vyšším nebo nižším otáčkám.
Pokud je v uvedených režimech předpokládáno plné otevření
klapek, jde o stav plného zatížení motoru.
Při částečném zatížení, nebo ve volnoběhu, zůstává klapka
3 uzavřena a otevírají se pouze klapky 4.

Přeplňování turbodmychadlem

Nejvhodnější způsob přeplňování
je použití odstředivého dmychadla poháněného turbínou na výfukové
plyny motoru. K pohonu se tedy použije energie odcházejících
výfukových plynů, která by jinak přicházela nazmar. Turbína s
dobrou termodynamickou účinností pokryje potřebný příkon plnicího
dmychadla.
Pracovní spojení turbodmychadla se spalovacím motorem je výhodné
také proto, že s rostoucím zatížením motoru se zvětší i množství,
tlak a teplota výfukových plynů. Tím se automaticky zvýší otáčky
turbodmychadla a stoupne plnicí tlak, tedy množství dodávaného
vzduchu.
Na obrázku o330 je schématicky znázorněno spřažení
turbodmychadla 2 s přeplňovaným motorem 1. U
automobilových motorů je požadován potřebný plnicí tlak v celém
poměrně širokém rozmezí provozních otáček a zatížení motoru.
Proto již zmíněná „automatická“ regulace otáček turbíny
nevyhovuje. Turbodmychadlo se tedy navrhuje pro potřeby motoru
zejména v jeho nízkých otáčkách. Aby při vysokých otáčkách a
velkém zatížení nedošlo k nadměrnému zvýšení plnicího tlaku a tím
k vyšším spalovacím tlakům ve válcích s následným detonačním
hořením, je nutno použít ventilu 3 regulujícího tlak.
Ventil omezí otáčky turbíny tím, že odvádí část výfukových plynů
přímo do výfuku.
U novějších systémů se provádí regulace plnicího tlaku
elektronicky. Princip takové regulace je schématicky zakreslen na
obr. o331. Velikost plnicího tlaku, při níž dochází k
otevření regulačního ventilu (3 v obr. o330) není
určována mechanicky, předepnutím pružiny ventilů. Využije se
střídavého zapínání a vypínání elektromagnetického ventilu, který
je rovněž připojen k sacímu potrubí.
Jeho otvíráním a zavíráním se „odvětrává“ část přetlaku
přicházejícího ze sacího potrubí, kterým se řídí velikost tlaku
otvírajícího regulační ventil plnicího tlaku.
Elektromagnetický ventil je ovládán z řídící jednotky podle
signálů ze snímače tlaku v sacím potrubí, případně otáček motoru
a dalších snímačů. Tak je možno měnit plnicí tlak motoru podle
více parametrů.
Některé systémy jsou vybaveny i možností krátkodobého většího
zvýšení plnicího tlaku při zrychlování s plným otevřením škrticí
klapky (plynu). Tím se zvýší výkon motoru, což je výhodné např.
během předjíždění. Po určité krátké době (např. 10 s) vrátí
řídící jednotka plnicí tlak k jeho normální maximální mezi i beze
změny jízdního režimu.
Tento způsob ale není nejlepší, a to nejen z hlediska využití
energie výfukových plynů. Proto se hledaly možnosti energeticky
výhodnější regulace. Jednou z nich je proměnná geometrie turbíny.
Tou se plynule mění aerodynamické charakteristiky turbíny a tak
může být využito celkové energie výfukových plynů.
Tento způsob má proti předchozím i přednost v možnosti řízení
zpětného tlaku výfukových plynů, zvl. ve vyšších otáčkách. <A
NAME=’zpetny’>Příliš vysoký zpětný tlak způsobuje zhoršení výměny
náplně. Ve válcích zůstávají horké zbytky spálené směsi a
zvyšují sklon k detonačnímu hoření při spalování čerstvé směsi.
Srovnáním průběhů plnicího tlaku v závislosti na otáčkách u
turbodmychadla s proměnnou geometrií turbíny, turbodmychadla s
výpustným ventilem a bez vnější regulace je na obr. o332.
Z obrázku vyplývá, že nejvýhodnější průběh plnicího tlaku v
celém rozmezí otáček motoru je právě u turbodmychadla s proměnnou
geometrií turbíny.
Změna geometrie se provádí natáčením stavitelných vodicích
lopatek 2 (viz obr. o333) otočně uložených na
prstenci pevně spojeném s tělesem turbodmychadla 1.
Natáčení vodicích lopatek je řízeno stavěcím prstencem 3,
opatřených profilem pilových zubů. Natočením tohoto prstence se
mění úhel sklonu vodicích lopatek a tím i množství vzduchu
proudícího na lopatky hnacího kola turbíny. Natočení vodicích
lopatek s minimálním a maximálním úhlem je zobrazeno na obrázku
o334. Ovládání stavěcího prstence se provádí obdobným způsobem
jako u přepouštěcího ventilu výfukových plynů.
Jinou možností je dvoudmychadlové sekvenční přeplňování. Bylo
vyvinuto fou Mazda, zejména pro motory s krouživým pohybem pístu
(Wankel). V systému je použito dvou turbodmychadel. Jedno z nich,
označované jako primární, je v činnosti již při nízkých otáčkách
a malých zatíženích motoru. Ve vyšších otáčkách a při velkém
zatížení motoru je přeplňování prováděno jak primárním, tak
sekundárním turbodmychadlem (viz. obr. o335).
Výfukové plyny jsou k turbíně primárního turbodmychadla
přiváděny bez omezení, zatímco k sekundárnímu turbodmychadlu je
jejich přívod omezován ventilem ovládání turba. Ten je tvořen
kotoučem, který je táhlem ovládán od pneumaticky řízeného
stavěcího členu, obr. o336a. Pro zlepšení těsnicího účinku
je kotouč přitlačován k ventilovému sedlu tlakem výfukových
plynů, působícím jako zpětný tlak. Protože síla potřebná k
otevření kotouče musí tento zpětný tlak překonat, je stavěcí člen
„posilován“ přetlakem a podtlakem. Tyto jsou k němu přiváděny z
různých míst sacího potrubí přes elektropneumatické ventily.
Kotouč je proveden jako mezikruží, jehož středový otvor je
uzavírán zátkou (obr. o336b), a pracuje ve dvou krocích. V
prvém se zátka zvedne menší silou a tím poklesne rozdíl v tlacích
před a za kotoučem. Ve druhém kroku pak může být kotouč plně
otevřen menší silou.
Toto uspořádání je potřebné, aby nedošlo k selhání otevření
přívodu výfukových plynů ke druhé turbíně, čímž by vzrostl
průtokový odpor výfukového traktu a tím i zpětný tlak. Důsledky
tohoto děje byly již popsány.
Aby se zabránilo průtoku vzduchu přetlakovaného primárním
turbodmychadlem zpětně do sekundárního dmychadla, je v potrubí
klapka ventilu ovládání náplně (viz obr. o335), která je v
nízkých otáčkách motoru uzavřena. Otevírána a uzavírána je
obdobným pneumaticky řízeným stavěcím členem. K němu se přivádí
podtlak ze sacího potrubí přes elektropneumatický ventil.
V přechodné oblasti otáček by po otevření ventilu turba trvalo
určitou dobu, než by otáčky sekundárního turbodmychadla dosáhly
hodnoty nezbytné pro potřebný plnicí tlak. Tím by došlo k
přechodnému poklesu kroutícího momentu motoru. Aby se tomu
předešlo, je systém opatřen obtokovým kanálem uzavřeného ventilu
ovládání turba, obr. o337. Tento kanál je otvírán ventilem
předkontroly turba, sestávajícím opět z mechanické klapky a
pneumatického stavěcího členu s elektropneumatickým ventilem,
který reguluje tlak pro stavěcí člen podle otáček motoru.
Otevíráním obtokového kanálu se k turbíně sekundárního dmychadla
přivádí určité množství výfukových plynů a tato se předběžně
roztočí. Přídavný plnicí tlak však bude toto turbodmychadlo
dodávat až po otevření klapky ventilu ovládání dávky.
Před tímto jsou výfukové plyny za turbínou odváděny k jejímu
vstupu zpětným kanálem. Průtok plynů je ovládán ventilem stejné
konstrukce jako dříve popsané, tj. klapkou natáčenou pneumatickým
stavěcím členem. Tento ventil, nazývaný ventilem odlehčení
náplně, se uzavře krátce před tím, než má být otevřen ventil
ovládání turba, aby se k motoru přivedl i plnicí tlak
sekundárního turbodmychadla. Protože je uzavřen i ventil ovládání
náplně, bude turbína tohoto dmychadla odlehčena. Je to dáno tím,
že vzduch, který dmychadlo nasává, nemá kam postupovat. Tím se
otáčky turbíny prudce zvýší a po otevření ventilu ovládání turba
a současně s ním i ventilu ovládání náplně, bude pokles plnicího
tlaku velmi malý.
Výše popsanou činnost ozřejmuje obr. o338. Zde je vyznačen
průběh plnicího tlaku (horní část) a průběh rychlosti otáčení
sekundárního turbodmychadla v závislosti na čase, počínaje
okamžikem otevření ventilu předkontroly turba. V obou částech
obrázku jsou čárkovaně zakresleny průběhy, které by nastaly při
použití pouze ventilu ovládání turba. Pokles plnicího tlaku by
byl poměrně velký a dosažení jeho potřebné velikosti by nastalo
za delší dobu. Chod motoru by byl dosti nerovnoměrný.
Čerchovanou čarou jsou zakresleny průběhy vznikající s ventilem
předkontroly turba. Po jeho otevření se otáčky sekundárního
turbodmychadla zvyšují ještě před otevřením ventilu ovládání
turba, takže pokles plnicího tlaku po jeho otevření bude menší a
krátkodobější.
Plnou čarou jsou vyznačeny průběhy dosahované činností všech
uvedených ventilů. Průběh zvyšování rychlosti po otevření ventilu
předkontroly turba bude po uzavření ventilu odlehčení náplně
mnohem strmější a rychlost potřebná pro plnicí tlak je dosažena
již před otevřením ventilu ovládání turba.
Proto bude pokles plnicího tlaku nepatrný a kroutící moment
motoru zůstane v celém rozsahu otáček a zatížení zachován.
Řízení činnosti takového systému je možné provádět pouze
elektronicky. Navíc je třeba zabezpečit, aby se při výskytu
detonačního hoření zmenšoval plnicí tlak obdobně jako u jiných
způsobů přeplňování, tj. pomocí přepouštěcího ventilu. Tento však
není v obrázcích vztahujících se k systému dvou turbodmychadel
zakreslen. Jeho funkce je totiž od nich zcela nezávislá. Do
činnosti je uváděn pouze při překročení maximálně přípustného
plnicího tlaku, ať je to v jakékoli pracovní oblasti motoru.
I když bývá provedení turbodmychadel pro různá použití odlišné,
většinu konstrukčních řešení mají obdobných. Proto je možno uvést
jejich obecné nevýhody společně.
Především je to skutečnost, že jsou „nástavbou“ horkého
výfukového potrubí. Čili musí být zhotoveny z materiálů odolných
vůči vysokým teplotám.
Jejich lopatková kola se otáčejí velmi vysokou rychlostí,
dosahují otáček vyšších než 100 000 ot/min. Ložiska
musí být proto nepřetržitě mazána olejem přiváděným z vnější
nádrže samostatným potrubím. Olej, přiváděný k ložiskům hřídele
spojující lopatková kola turbíny a dmychadla, je nejen maže, ale
i chladí. U některých provedení je použito i přídavného
kapalinového ochlazování skříně, ve které jsou ložiska uložena. K
ochlazování chladicí kapaliny se pak používá vnějšího chladiče,
podobně jako pro chlazení motoru. Přídavným ochlazováním skříně
se předchází varu oleje při nadměrném zvýšení teploty, např. při
zastavení velmi teplého motoru. Varem oleje by docházelo ke
snížení životnosti ložisek.
Příklad takovéto konstrukce je na obr. o339. Na výfukové
potrubí se upevňuje kryt turbíny 1, který směruje výfukové
plyny na její lopatkové kolo 2. Po průchodu turbínou jsou
plyny krytem odváděny dále do výfuku.
Přebytečné plyny procházejí mimo turbínu, přímo do výfuku,
obtokovým kanálem, který je otevírán regulačním (přepouštěcím)
ventilem s táhlem 3.
Lopatková kola turbíny a dmychadla 7 jsou společně
upevněna na hřídeli 4. Hřídel je oboustranně uložena v
ložiscích, ke kterým se přivádí mazací a chladicí olej kanálky z
olejového přítoku 6. Skříň, ve které jsou ložiska uložena,
je ochlazována kapalinou
Voda s nemrznoucí směsí.
přiváděnou průtokem 5. Dmychadlo je
mimo lopatkové kolo tvořeno i krytem 8, který sbírá vzduch
přicházející ze vzduchového čističe a po stlačení jej směruje do
sacího potrubí motoru.

Mechanicky poháněné dmychadlo

Mimo nevýhody zmíněné v předchozí části, mají turbodmychadla
ještě dvě další, které jsou pro činnost motoru dosti podstatné.
Je to rychlost reakce na změnu výkonu motoru. Při náhlé potřebě
zvýšit výkon dochází zpravidla ke vstříknutí většího množství
paliva. V prvním okamžiku je však k dispozici méně vzduchu, než
je potřebné pro zachování žádoucího složení směsi. Tím dochází ke
zhoršení emisí a ke zvýšení teploty výfukových plynů nad normální
hodnotu, dokud se otáčky turbodmychadla nezvýší na nový provozní
stav.
Druhý problém spočívá v tom, dmychadlo
stlačuje vzduch pro čerstvou náplň. Přitom stoupá nejen jeho
tlak, ale i teplota. S rostoucí teplotou klesá hustota vzduchu,
což se projeví nepříznivě na složení směsi, zejména při vysokých
plnicích tlacích. Navíc, mimo změny složení směsi, se může
zvýšení teploty vzduchu (a tím i směsi) projevit vznikem
detonačního hoření, tj. klepáním motoru. Proto se při vysokých
plnicích tlacích vzduch po stlačení v dmychadle ochladí před
vstupem do válce v chladiči plnicího vzduchu. Tím dochází ke
zvětšení hmotnosti čerstvé náplně a relativně chladná čerstvá
náplň sníží teplotu válce. To se projeví příznivě jak zlepšením
emisí, tak zvýšením odolnosti proti vzniku klepání motoru.
Mechanicky poháněná dmychadla jsou do značné míry prosta těchto
nedostatků. Dmychadlo je poháněno přímo od motoru, se kterým je
spojeno pevným mechanickým převodem. Tím, že je zařazeno jen na
„studené“ straně motoru, může být použito i pro velmi vysoké
plnicí tlaky, neboť teplota výfukových plynů na něj nemá vliv.
V důsledku mechanického spojení reaguje přeplňování na změny
otáček bez zjevného zpoždění.
Pro automobilové motory jsou vhodná jen dmychadla, jejichž
dopravované množství se mění s otáčkami lineárně, tj. objemová
dmychadla. Jejich tlakové poměry jsou na otáčkách nezávislé,
takže i při malých objemových proudech mohou vytvářet vysoké
tlaky. Objemový proud je na tlakových poměrech nezávislý a
přibližně přímo úměrný otáčkám. Nemají žádnou nestabilní provozní
oblast.
Nejvhodnějším typem mechanicky poháněného dmychadla je šroubové
dmychadlo Lynsholmovo (obr. o340). Jeho rotory mají tvar
šroubových kol s velkým stoupáním. Hlavní výhodou je postupné
stlačování vzdušniny. Proto má i při vyšším stupni stlačení
poměrně vysokou účinnost mezi 0.6 až 0.8. Otáčky se pohybují v
rozmezí 2 000 až 15 000 ot/min.
Příznivé parametry Lynsholmova dmychadla vedly fu Mazda k jeho
použití u silně přeplňovaného (supercharging) motoru, pracujícího
s tzv. Millerovým cyklem. U Millerova cyklu se sací ventily
motoru uzavírají předčasně nebo opožděně v porovnání s Ottovým
cyklem. Tím se pracovní expanzní zdvih motoru s Millerovým cyklem
proti kompresnímu zdvihu prodlužuje, zatímco při Ottově cyklu
jsou oba zdvihy stejné.
Proto u motorů s Ottovým cyklem se při zmenšení kompresního
poměru sníží také expanzní poměr, zatímco u Millerova cyklu může
zůstat expanzní poměr vysoký i když se kompresní sníží. Protože
termodynamická účinnost motoru je značně ovlivňována expanzním
poměrem (jmenovitý kompresní poměr) a málo pracovním kompresním,
může být u motorů s Millerovým cyklem udržena vysoká bez vzniku
detonačního hoření (klepání motoru).
Jak bylo výše uvedeno, mění se pracovní kompresní zdvih, tj.
jeho délka při kompresi náplně, časným nebo pozdním uzavíráním
ventilů. Při časném uzavírání se dosáhne vyššího kroutícího
momentu, ale vzhledem ke kratší době sání se sníží objemová
účinnost při vyšších otáčkách a značně vzrostou požadavky na
plnicí tlak (viz obr. o341, čárkovaně vyznačené průběhy).
Tím velmi vzroste tepelné i mechanické zatížení Lynsholmova
dmychadla.
Pro automobilové motory, které pracují v širokém rozmezí
provozních otáček, je tedy mnohem vhodnější pozdní uzavírání.
Toto vyplývá z průběhů obou veličin vyznačených v obr. o339
plnou čarou.
Při pozdním uzavírání ventilů sání je nižší teplota směsi během
kompresního zdvihu, což umožňuje použít většího předstihu zážehu.
Tím stoupne výkon motoru a kompenzují se ztráty na pohon
dmychadla.
Provedení sací soustavy s Lynsholmovým dmychadlem je
zjednodušeně zakresleno na obr. o342. Nasávaný vzduch je za
škrticí klapkou stlačován v Lynsholmově dmychadle, za kterým se
ochlazuje v mezichladiči, aby se odstranilo zvýšení teploty
vzduchu vlivem jeho stlačení. Po dostatečném ochlazení je vzduch
vháněn do sacího kanálu s pozdním uzavíráním ventilu. Množství
proudícího vzduchu je řízeno škrticí klapkou u vstupní strany
dmychadla a ventilem obtokového vzduchu zařazeným mezi vstup a
výstup dmychadla. Touto cestou se vrací nadbytečný vzduch.
Fa Mazda prováděla srovnávací měření motoru o obsahu
2 254 ccm s Millerovým cyklem s motorem
1 995 ccm s přirozeným sáním a se vznětovým motorem o
obsahu 1 997 ccm přeplňovaným turbodmychadlem. Všechny
motory byly šestiválcové, typu 60° V. Jmenovitý kompresní
poměru u motoru s Millerovým cyklem byl nastaven stejně jako u
motoru s přirozeným sáním. Jeho pracovní kompresní poměr pak byl
nastaven časováním uzavírání sacího ventilu, aby byl srovnatelný
s poměrem motoru přeplňovaného turbodmychadlem.
Nastavení motorů je shrnuto v tab. <A
HREF=’#parametry’>Parametry motorů.

 

Parametry motorů
Millerův cykl Přirozené sání Turbodmychadlo

Vrtání x zdvih [mm] 80.3 x 74.2 78 x 69.6 74 x 77.4

Objem [ccm] 2 254 1 995 1 997

Jmenovitá komprese 10.0 10.0 8.0 Počet ventilů, druh 24, DOHC 24, DOHC 18, OHC Otevření sacích 2° před HÚ 5° před HÚ 5° před HÚ Uzavření sacích DÚ po 70° DÚ po 35° DÚ po 38°

Uzavření výfukových HÚ po 5° HÚ po 5° HÚ po 10°

Pracovní komprese 7.6 9.4 7.4

Z prováděných srovnávacích měření vyplynulo, že motor s
Millerovým cyklem má o 10 až 15 % nižší spotřebu než motor s
přirozeným sáním. Větší úspora je při nižších zatíženích motorů.
Pro srovnávání způsobů přeplňování je však vhodnější nárůst
plnicího tlaku po otevření škrticí klapky v sacím potrubí.
V obr. o343 jsou zakresleny průběhy plnicího tlaku a to
čerchovanou čarou pro jednoduché turbodmychadlo, čárkovanou pro
dvouturbodmychadlový sekvenční systém a plnou pro Lynsholmovo
dmychadlo s Millerovým cyklem. Z obrázku je zřejmé, že mechanické
dmychadlo zajistí nejen nejvyšší plnicí tlak, ale jeho téměř
maximální hodnoty je dosaženo již po 1 sekundě. Tedy během doby,
po kterou bude plnicí tlak sekvenčního dvoudmychadlového systému
ještě mírně klesat. Ten pak po sekundě začne poměrně rychle
narůstat a po další sekundě dosáhne svého prvního maxima,
blízkého plnicímu tlaku Lynsholmova dmychadla.
Nejnepříznivější stav je u jednoduchého turbodmychadla, jehož
plnicí tlak po počátečním poklesu zprvu pozvolna roste, pak
rychleji, ale jeho maximum je téměř o 50 % nižší, než u
Lynsholmova dmychadla.
Z průběhů lze odvodit, jak se bude při různých způsobech
přeplňování motor během zrychlení po sešlápnutí plynového pedálu
chovat.
Mazda prováděla i vozidlové zkoušky. Při nich byl zmíněný motor
s Millerovým cyklem porovnáván se šestiválcovým V motorem o
obsahu 3 000 ccm s přirozeným sáním.
Z průběhu kroutícího momentu a výkonu v závislosti na otáčkách
motoru, zakreslených v obr. o344 vyplývá, že přes nižší
objem má motor s Millerovým cyklem výkon v celém rozsahu otáček
vyšší. Ještě příznivější stav je u kroutícího momentu motoru,
který je nejen vyšší, ale i mnohem rovnoměrnější.

Proměnný kompresní poměr

Zachování průběhu kroutícího momentu motoru
při zmenšení jeho objemu je způsob, jak podstatně snížit
spotřebu. Je to umožněno tím, že použitím různých způsobů
optimalizace funkce motoru (popsaných v předchozím) je dosahováno
větší termodynamické účinnosti. Závislost zlepšení úspory paliva
na procentovém zmenšení objemu motoru je uvedena v
obr. o345a.
Jako výchozí bod je použit moderní čtyřventilový motor.
Zmenšení jeho objemu o 10 až 20 %, při zachování kroutícího
momentu, přináší úsporu paliva 4 až 10 %. Lze jej realizovat
řízením předstihu na mezi klepání, časováním ventilů a dalšími
opatřeními.
Automatické řazení převodového
stupně, vypínání válců při částečném zatížení atd.

Přeplňováním motorů je možno objem zmenšit o 30 až 40 %,
takže se dosáhne snížení spotřeby o 10 až 22 %. Jestliže se
použije vysokotlakého přeplňování a spolu s
ním motoru s proměnným kompresním poměrem, je možno zmenšit objem
o 45 až 55 %. Odpovídající snížení spotřeby dosahuje až
30 %.
Princip způsobu dovolujícího řídit kompresní poměr motoru je
uveden v obr. o346. Poměr je měněn klikovým pohonem.
Natáčením excentru se mění efektivní délka ojnice a tím i zdvih
pístu. Změnou kompresního poměru se předchází vzniku detonačního
hoření při velkém zatížení, nebo naopak nevhodně nízké hodnotě
poměru při malém zatížení.

Chudé směsi

Prostřednictvím katalyzátorů a
přidáváním sekundárního vzduchu není ovlivňován proces spalování
probíhající v motoru. Lze jej však ovlivnit tvarem spalovacího
prostoru, časováním ventilů, recirkulací výfukových plynů,
kompresním poměrem, okamžikem zážehu nebo složením směsi.
Zejména složení směsi, tj. směšovací poměr udávaný vzduchovým
číslem lambda, výrazně ovlivňuje jak úroveň škodlivých emisí
vznikajících během spalování, tak spotřebu paliva.
Použitím směsi s přebytkem vzduchu se snižují hodnoty emisí HC a
CO až k minimu pro daný motor. Rovněž spotřeba paliva klesá. Aby
ale nedocházelo ke zhoršení jízdních vlastností, musí být
zlepšována konstrukční řešení motoru a systémy přípravy směsi.
Také okamžik zážehu musí být lépe přizpůsoben. Používá se
elektronického tvarování předstihových charakteristik a
bezrozdělovačového rozdělení vn ke svíčkám válců motoru.
Při ochuzení směsi ale dochází k nárůstu koncentrace oxidů
dusíku (NOX), které nemohou být redukovány
katalyzátorem současně používaného
řešení
.
K dodržení přísných emisních mezí je potřeba použít katalyzátor
i pro CO a HC, avšak tento je oxidačního typu, takže u chudých
směsí potíže nevznikají.
Problematika zapalování chudých směsí byla popsána v částech <A
HREF=’#tyristor’>Tyristorové zapalování a <A
HREF=’#bezroz’>Bezrozdělovačové rozdělování vn. V dalším
bude pozornost věnována pouze přípravě směsi od okamžiku vstřiku
příslušné dávky paliva k přiváděnému vzduchu, do okamžiku zážehu.
Tento interval přípravy významně ovlivňuje jak zápalnost směsi,
tak zejména úplnost shoření dávky paliva. V řadě případů je
důležitá i úprava proudu vzduchu předcházející vstříknutí paliva.
Pokud by nedošlo z jakýchkoliv důvodů k úplnému shoření paliva,
roste jak měrná spotřeba,

Spotřeba vztažená na jednotkový výkon.

tak úroveň emisí HC. Tyto
důvody tvoří dvě skupiny problémů. Při nízkých provozních
teplotách dochází k ochuzení směsi v důsledku kondenzace paliva
na studených částech motoru. Toto palivo se během pracovního
cyklu nespálí a jeho zbytky přispívají k nárůstu emisí HC.
U motorů spalujících chudé směsi je důsledkem tohoto „zředění“
snížená rychlost hoření, takže v některých provozních režimech
nemusí dojít k úplnému shoření směsi.
Přístup k řešení těchto problémů se liší podle druhu
vstřikování

Přímé – do spalovacího prostoru, nepřímé – do
sacího kanálu.

a také podle způsobu omezení úrovně emisí škodlivin.

Třísložkový katalyzátor -
spalování chudých směsí.

Třísložkový katalyzátor

Motory jím vybavené pracují se stechiometrickou
směsí. K ochuzení by mohlo dojít pouze kondenzací paliva při
studeném startu a krátce po něm, během zahřívání motoru. Toto se
kompenzovalo krátkodobým obohacením směsi podle skutečné provozní
teploty motoru. Tím zůstala zápalnost směsi i rychlost jejího
hoření zachována.
Stálé zpřísňování emisních předpisů si vynutilo hledat cesty,
jak potlačit nepříznivé důsledky zbytků nespáleného paliva
následkem obohacení. Kromě toho je teplota hoření obohacené směsi
nižší nežli stechiometrické, čímž se prodlužuje doba ohřátí
katalyzátoru, případně i lambda snímače, na potřebnou teplotu.
Jistým zlepšením je vyhřívaný snímač a elektricky ohřívaný
katalyzátor. Přesto je ale vhodnější opatření, které by omezilo
kondenzaci směsi.
U motorů se vstřikováním do sacího kanálu se palivo nevstřikuje
na sací ventil, ale na elektricky vyhřívanou destičku
(obr. o347). Vyhřívání se mění v závislosti na teplotě
motoru.
Tento způsob používá např. fa Saab u nových motorů vybavených
katalyzátorem s kovovým nosičem katalytické vrstvy. Katalyzátor
je umístěn velmi blízko motoru, takže rychle dosáhne provozní
teploty.
Jinou cestu volí fa Mazda. Vychází z principu, že spalovací
poměry u studeného motoru je možno zlepšit turbulencí nasávaného
vzduchu. Tohoto je využito v řešení, které vyjadřuje zjednodušený
nákres uspořádání motoru, uvedený v obr. o348.
Při startu a volnoběžném zahřívání motoru je škrticí klapka v
sacím potrubí uzavřena. Volnoběžný vzduch prochází do sacího
kanálu přes zvláštní díl 1, ve kterém je rozviřován, takže
ke vstřikovací trysce 2 přichází dalším potrubím již
turbulentní proud. Tím je značně omezena možnost kondenzace
vstřikovaného paliva na studené stěně sacího kanálu.
Ke zlepšení poměrů přispívá i regulované časování sacích ventilů
urychlující průběh nasávání čerstvé směsi do válců.
Ve výfukovém kanálu jsou zařazeny dva vyhřívané lambda snímače.
První z nich 3 je umístěn před třísložkovým katalyzátorem
5, druhý 4 je vložen mezi oxidační a redukční část
katalyzátoru. Úkolem snímače před katalyzátorem je nastavování
složení směsi na zaprogramovanou hodnotu od okamžiku, kdy tento
bude vyhřát na minimální provozní teplotu.
Druhý snímač porovnává obsah kyslíku před a za oxidační částí
katalyzátoru. Podle rozdílu vyhodnocuje, zda je katalyzátor
vyhřát k teplotě potřebné ke katalytické činnosti. Po jejím
dosažení začíná regulace složení směsi na stechiometrickou
hodnotu potřebnou pro potlačení všech tří škodlivých složek
emisí.
Pro rychlejší ohřátí soustavy katalyzátoru a lambda snímačů je
výfukové potrubí 6 krátkodobě vyhříváno. Tím se zvýší
teplota výfukových plynů, která katalyzátor, případně i lambda
snímače, udržuje v provozním stavu.
Na jiném principu je založeno řízení spalování vířivým
vrstvením, vyvinuté anglickou firmou Ricardo Consulting Engineers
pro motory se čtyřmi ventily v každém válci. Vzduch je do válce
nasáván běžným sacím potrubím a palivo se vstřikuje do jednoho ze
sacích kanálů. Teprve připravená směs se šíří ve válci řízeným
pohybem. K řízení pohybu směsi je využíváno i recirkulace
výfukových plynů. Tyto jsou ve válci vrstveny, což umožňuje
použít mnohem větší dávky recirkulace, než bez vrstvení.
Pohyb směsi ve válci je buď spirálovitý vír nebo překlápění,

Viz obr. o349, ve kterém je uvedeno i
neřízené šíření směsi.

případně kombinace obojího.
Je to závislé na zatížení motoru. Jednotlivé režimy vyplývají z
obrázků o350a až o350d.
Ve volnoběhu (obr. o350a) se směs šíří spirálovým vířením.
To vzniká tím, že nasávaný vzduch je do válce přiváděn pouze
sacím kanálem, do kterého se vstřikuje palivo. Druhý sací ventil
je uzavřen. Vstříknutím paliva mimo osu válce dochází k víření
vzniklé směsi. Excentricky je umístěna i zapalovací svíčka. Jak
je obvyklé, ve volnoběhu se recirkulace výfukových plynů
nepoužívá.
Využije se až při částečném zatížení motoru a vytváří překlápění
směsi. K řízení překlápění slouží systém používající proměnného
maximálního zdvihu ventilu druhého sacího kanálu. Sedlo tohoto
ventilu je upraveno vybráním dle obr. o351.
Při menším maximálním zdvihu ventilu proudí nasávané
recirkulované plyny pouze kolem horní strany sacího potrubí, jak
je označeno plnou šipkou. Přitom dochází k překlápění směsi.
Jestliže je nastaven větší maximální zdvih, může nasávaný plyn
proudit kolem celého obvodu ventilu a překlápění směsi nevzniká.
Stupeň překlápění je závislý na množství recirkulovaných plynů
přiváděných při částečném zatížení motoru. Při menším částečném
zatížení se přivádí malé množství recirkulovaných plynů, takže
překlápění je malé a pohyb směsi ve válci je kombinací víření a
překlápění (o350b). Tím jednak dochází k vytváření homogenní
směsi a mimo to se do ní přimísí recirkulované plyny. Teplota
hoření bude nižší a tedy se sníží i úroveň emisí
NOX.
Se zvyšováním částečného zatížení je zvětšováno množství
recirkulovaných výfukových plynů. Jsou přiváděny sacím kanálem s
ventilem upraveným na řízení překlápění směsi. Palivo je opět
vstřikováno do sacího kanálu, kterým je nasáván čerstvý vzduch.
Vzhledem k intenzivnímu proudu směsi i výfukových plynů dochází
ve válci pouze k překlápění recirkulovaných plynů a dávka náplně
se v něm přirozeně vrství. Vznikají dvě symetrické oblasti, jedna
se směsí, druhá s recirkulovanými plyny (o350c).
Je to dáno tím, že obě složky vstupují do válce rozdílnými
sacími kanálu a nemísí se před vstupem do spalovacího prostoru,
jak je tomu u normální recirkulace výfukových plynů. Tak je možno
podstatně zvýšit objem recirkulace a výrazně omezit emise
NOX. Protože složení směsi v části válce
je blízké stechiometrické hodnotě, směs dobře shoří a emise HC
nevzrostou.
Při dalším zvyšování zatížení motoru se dosáhne bodu, kdy je pro
spalování potřeba více vzduchu, než je možno přivést jediným
sacím kanálem. Proto se vzduch pro náplň přivádí i druhým sacím
kanálem, který byl dosud používán pro recirkulované plyny. Přitom
je maximální zdvih jeho ventilu nastaven na větší hodnotu, takže
překlápění směsi bude malé. Excentrická poloha svíčky poskytuje
přijatelné požadavky na oktanové číslo paliva (o350d).
Vzhledem ke snížení emisí NOX zvýšeným
procentem recirkulace výfukových plynů je možno mírně ochudit
směs proti stechiometrické hodnotě, která je potřebná pro
maximální účinnost redukce všech tří složek, a tak dosáhnout
snížení spotřeby zhruba o 6 až 7 %.

Motory spalující
chudou směs

Na úroveň emisí škodlivých složek ve výfukových
plynech má velký vliv součinitel přebytku vzduchu lambda. Aby byl
podíl CO ve výfukových plynech malý, musí se směs ochudit
minimálně na lambda = 1.1. Aby se chudé směsi daly spalovat bez
vynechávání pracovních cyklů motoru, musí být ve všech válcích
jejich složení stejné a v průběhu jednotlivých cyklů se může jen
málo měnit. To se nejsnadněji dosáhne sekvenčním vícebodovým
vstřikováním. Při akceleraci vozidla nebo studeném startu a během
následného zahřívání nesmí být složení směsi „obohacováno“ pod
lambda = 1.0.
Emise HC dosahují minima při lambda přibližně rovno 1.1. Při
dalším ochuzování úroveň emisí zase roste. Je to způsobeno
vynecháváním spalování; obvykle pocházejícího od zhasnutí plamene
u studených stěn válce. Zlepšení se dosáhne vrstvením směsi,
zvýšením rychlosti jejího pohybu po zažehnutí a také použitím
dvou zapalovacích svíček umístěných co nejblíže stěny válce.
Maximum emisí oxidů dusíku (NOX) je při
lambda = 1.1, protože tehdy jsou ve spalovacím prostoru vysoké
teploty a dostatek kyslíku. Emise NOX se
mohou omezit přidáním přesně dávkovaného množství výfukových
plynů do proudu čerstvého vzduchu, tedy elektronickým řízením
jejich recirkulace. Tím se sníží výhřevnost směsi a teplota
spalování.
V poslední době se stává problémem i obsah oxidu uhličitého
(CO2) ve výfukových plynech. Jeho obsah
je nejvyšší při stechiometrickém složení směsi a s ochuzováním
klesá. Předpokládá-li se správná funkce zapalování, je to dáno
nižší spotřebou paliva. Proto mají na snížení úrovně emisí
CO2 vliv všechna opatření zmenšující
spotřebu.
Pro správné spalování zážehových motorů je
důležité, aby směs paliva se vzduchem byla homogenní. Toho
nelze u současných způsobů vstřikování paliva dosáhnout. Proto je
nutné použít řízení pohybu vzduchu ve válci kombinací spirálového
víření a překlápění, s malými změnami cykl od cyklu. Nízký stupeň
překlápění a střední víření je náročné na časování vstřikování.
Se středním překlápěním a středním vířením jsou naopak požadavky
na časování vstřiku mírnější, protože směs bude v době zážehu
dostatečně homogenní.
Aby se chudá nehomogenní směs snáze zažehla, používá se jejího
vrstvení. V blízkosti zapalovací svíčky se nachází bohatší směs,
kterou lze velmi dobře zapálit, zatímco hlavní průběh spalování
poté probíhá ve směsi chudé.
Dříve se používal způsob vrstvení směsi pomocí odděleného
spalovacího prostoru. Do komůrky byla vstřikována bohatá směs
druhým systémem přípravy. Jelikož je tento systém nákladný, není
vhodný pro velkosériové použití. Navíc mají motory s rozděleným
spalovacím prostorem velkou povrchovou plochu pracovního prostoru
a tím i výrazně vyšší emise HC.
Spojením řízení pohybu vzduchu ve válci s časováním vstřikování
i okamžiku zážehu tak, aby vstřikování bylo prováděno do blízkosti
zapalovací svíčky a okamžiky vstřiku a zážehu byly vhodně sladěny,
lze dosáhnout optimálního řešení. Směs pak bude v okamžiku zážehu
v okolí svíčky snadno zápalná.
Nejvhodnějším řešením je přímé vstřikování paliva do spalovacího
prostoru ve válci. Vstřikovací tryska je umístěna pod sacími
hrdly, mezi oběma ventily (obr. o352).
Úhel vstřiku se volí tak, aby docházelo k překlápění nasávaného
vzduchu. Ve spojení s vířením vzduchu, vytvářeným v sacím kanále,
se dosáhne dostatečně homogenní směsi již během sacího zdvihu.
Není tedy třeba přesně vázat okamžiky vstřiku paliva a zážehu
směsi. Tento přístup je vhodný hlavně pro odstranění potřeby
obohacovat směs při studeném motoru a akceleraci. Odstraní se
ztráta paliva na stěnách sacího kanálu a za předpokladu dobrého
rozprášení vstřikovaného paliva je spalování stabilní.
Zesílení pohybu nasávaného vzduchu provádí fa Nissan
instalováním škrticí klapky s excentrickým výřezem, která slouží
jako ventil řízení víření. Umísťuje ji u vstupu sacího kanálu.
Změnou polohy výřezu klapky lze dosáhnout <A
HREF=’#vireni’>víření, překlápění nebo kombinaci obojího.
Při plném zatížení motoru je klapka zcela otevřena, nedochází ke
ztrátě výkonu způsobené omezováním proudění vzduchu.
Podobný způsob používá fa Toyota u svých motorů pro chudé směsi;
klapka regulace víření je na vstupu spirálovitého sacího kanálu.
Dále je použito regulace časování ventilů (viz obr. o325).
Změnou časování ventilů a použitím vysokotlaké vstřikovací trysky
s vířením kužele vystřikovaného paliva se dosahuje dobrého
rozprášení v celém objemu spalovacího prostoru.
Zjednodušený
nákres celého motoru je uveden na obr. o353. Potřebný tlak
paliva, s ohledem na velmi malý rozměr jeho kapiček v kuželu
vystřikované pršky, vytváří vysokotlaké palivové čerpadlo
umístěné na motorovém bloku.
Protože časování ventilů je plynulé a může být využito i pro
řízení zatížení motoru, je možno nastavovat větší otevření
škrticí klapky, čímž se zlepší průtok plnicího vzduchu. Proto je
motor vybaven elektronickým řízením škrticí klapky, která
optimalizuje její otevření nejen podle sešlápnutí plynového
pedálu, ale také dle provozních podmínek motoru s přihlédnutím k
programu v paměti řídící jednotky.
Motor pracuje obvykle s částečným zatížením, během kterého
spaluje chudou směs. Nemůže tedy být použito třísložkového
katalyzátoru. Proto je k potlačení emisí
NOX použito recirkulace výfukových plynů a za
oxidační katalyzátor je zařazen zásobníkový redukční katalyzátor,
který emise NOX dále snižuje.

 

Palivová ekonomie

Jestliže motor
pracuje s malým zatížením, je přívod směsi omezován obvykle
přivíráním škrticí klapky. Tím dochází ke ztrátám paliva. U
systémů se vstřikováním na tělese škrticí klapky přímo na klapce.
U vícebodových, zejména se vstřikováním do sacího kanálu,
vzrůstají ztráty při výměně náplně.
Omezit tyto ztráty je možné úpravou provozního režim motoru tak,
aby byl motor zatížen natolik, že škrticí klapka bude co nejvíce
otevřena. Ze způsobů současně používaných u osobních automobilů
jsou to automatické řazení převodových stupňů a vypínání
jednotlivých válců motoru, případně jejich skupin.

Automatické řazení

Vychází z poznatku, že když je odebírán určitý výkon motoru při
nižších otáčkách, máme nižší měrnou spotřebu než pro stejný výkon
při otáčkách vyšších. Nejnižší měrná spotřeba je pak při plném
zatížení motoru. Proto je využíváno tzv. „těžších“ převodů a
zaváděn rychloběh.
Elektronický řídící systém je podřízen mechanickému řešení
převodovky. Ta může být buď se stupňovitě měnitelným převodem
nebo s plynule proměnným.
Při stupňovitém provedení se používá i více převodových stupňů,
než je obvyklé u ručního řazení. To dovoluje dokonalejší
optimalizaci z hlediska palivové ekonomie.
Vstupní informace pro řídící systém přicházejí z následujících
snímačů:

Snímač zatížení motoru

Obvykle snímá polohu škrticí klapky, nebo spolu s ní i podtlak
v sacím potrubí.

Snímač maximálního otevření škrticí klapky

Tzv. funkce „Kick down“. Jde o koncový spínač
spínaný při maximálním otevření klapky. Při jeho sepnutí nedojde
k přeřazení na vyšší převodový stupeň, i když by tomu otáčky
odpovídaly. Jde o funkci určenou pro nouzový případ předjíždění,
kdy by přeřazení snížilo kroutící moment na kolech a tím
prodloužilo předjížděcí manévr.

Snímač otáček motoru

Je obvykle společný i pro ostatní elektronicky řízené systémy.

Snímač rychlosti vozidla

Obvykle snímá rychlost otáčení výstupního hřídele převodové
skříně.

Páka volby režimů

Je to vícepolohový přepínač, který umožňuje řidiči volit různé
možnosti. Nejčastěji jde o tyto volby:

Označení je většinou shodné u všech výrobců.

 

P
Převodová skříň i kola vozidla jsou zcela zablokována
parkovací brzdou.

RPoloha zpáteční rychlosti.

NPřevodová skříň i kola vozidla jsou plně odpojena od
motoru.

DSystém provádí automaticky změnu převodu v
celém rozsahu dopředných stupňů. Řazení je řízeno řídící
jednotkou podle programu uloženého v její paměti a signálů ze
snímačů.

2Vyšší převodové stupně jsou zablokovány a řazení
probíhá mezi nižšími převody s přihlédnutím k bezpečnosti jízdy
vozidla.

1Je používána především při brzdění vozidla motorem,
např. při jízdě z kopce. Volí se nejnižší převody, podle poměrů
rychlosti vozidla, otáček motoru a změn průběhu obou veličin.
Tato volicí páka bývá zpravidla doplněna dalšími přepínači
možnosti řazení. Jde o zapínání a vypínání převodu do rychla
(rychloběhu), dále přepínače režimů jízdy ve třech druzích -
normální, ekonomický a sportovní způsob.
Poslední dobou
bývají vozidla vyšších tříd vybavena možností zvolit mezi
automatickým a poloautomatickým řazením. Automatické řazení
probíhá, jak bylo výše popsáno. Při poloautomatickém používá
řidič řadicí páky obvyklého provedení. Převodové stupně ale
nejsou přeřazovány mechanicky, nýbrž s využitím elektronického
řízení. Tím se zabraňuje nežádoucímu přeřazení, které by mohlo
vést k poškození motoru nebo hnacího ústrojí. Obvykle je součástí
řadicí soustavy i automaticky ovládaná spojka, která pomáhá
udržovat optimální režim řazení.
Tyto systémy obvykle spolupracují se zapalovací a vstřikovací
soustavou, aby při změnách zatížení motoru během řazení
nedocházelo k náhlým větším změnám jeho otáček. Podle průběhu
řazení se upravuje předstih zážehu a dávkování paliva.

Blokování válců

V městském provozu a při nepříliš vysokých rychlostech jízdy
pracují výkonné motory v dolní oblasti svého částečného zatížení,
kde je tepelná účinnost nejhorší. Jestliže se během částečného
zatížení přívod paliva k některým válcům přeruší, pracují ostatní
účinněji a spotřeba se sníží. Jestliže má být následně výkon
motoru zvýšen a menší počet válců k tomu nepostačuje, vrací se
vyřazené válce do činnosti; buď jednotlivě nebo ve skupinách.
Systém vypínání válců má výhodu v tom, že jsou směsí paliva se
vzduchem plněny pouze činné válce a tyto pracují s minimálním
škrcením. Nevyhnutelné ztráty paliva na škrticí klapce nebo při
výměně náplně při částečném zatížení motoru jsou značně sníženy.
Mimo to horké výfukové plyny cirkulují nepracujícími válci, aby
je udržely na provozní teplotě. To přispívá k zachování normální
úrovně tření a tak se předchází zvýšenému opotřebení, které by
jinak u „dojíždějících válců“ mohlo vzniknout (viz
obr. o354).
Příkladem může být systém C.E.M. fy Alfa, použitý na
čtyřválcových motorech s obsahem 2 000 ccm. Při provozu
motoru jsou podle podmínek zapínány 2 nebo 4 válce. Pracovní
algoritmus je následující:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Zapnutí a vypnutí válců se mění podle toho, zda se otáčky motoru
při přidávání plynu zvyšují, nebo zda je plynový pedál uvolněn a
dochází k deceleraci motoru. Motor tak zůstává ve stálém tepelném
stavu a nečinné válce jsou vždy připraveny bez prodlení k
činnosti.
Jak vyplývá z popisu, v systému se využívá snímače
otáček motoru, polohy škrticí klapky a teploty chladicí kapaliny.
U motorů s větším počtem válců

6 válců a více.

mohou být tyto vypínány a zapínány jednotlivě.
V takovém případě je třeba znát zatížení motoru pro stanovení
počtu zapnutých válců. Kromě předchozích čidel je nyní potřeba i
snímače podtlaku v sacím potrubí.
Na příkladu osmiválcového motoru typu V lze ukázat funkci
podobných systémů.
Jak vyplývá z tab. <A
HREF=’#sled’>Zapínání válců, může motor pracovat se 4 až
8-mi válci.

 

Zapínání válců
zapnuté válce 1 3 7 2 6 5 4 8

8 + + + + + + + + 7 + + + + + - + + 6 + - + + + - + + 5 + - + + + - + - 4 + - + - + - + -

Pro informaci o potřebě změnit počet zapnutých válců slouží dva
snímače podtlaku v sacím potrubí. Jeden udává minimální počet
nově zapnutých válců, pokud výkon v daném režimu nepostačuje.
Druhý reaguje na podtlak asi 6× větší, což signalizuje
přílišné odlehčení motoru; počet válců je možno snížit.

Např. jestliže motor pracuje se 4-mi válci a podtlak klesne pod
dolní mez, zapne se válec 2 a motor bude pracovat na pět válců.
Řídící jednotka provede asi po 300 ms otestování podtlaku.
Pokud jeho hodnota zůstává pod dolní mezí, zapne se válec 8 a
motor pracuje jako šestiválec.

Když podtlak dostatečně
vzroste, počet pracujících válců se ustálí, jinak se přidá válec
3 a je-li třeba i válec 5. Nakonec tedy může pracovat všech osm
válců motoru.
Naopak při překročení horní meze podtlaku je možno snižovat
počty válců. Ze všech osmi válců se nejprve vypne 5-tý, pokud je
horní mez dále překročena, vypíná se válec 3, potom 8 a nakonec
2.
Tento systém vyvinutý americkou firmou Eaton byl použit na
automobilech Marguis fy Mercury. Přinesl úsporu paliva v průměru
o 10 A® 15 % ve volnoběhu a při brzdění motorem poklesla
spotřeba až o 40 %. Prokázalo se i zlepšení emisí HC a CO,
avšak emise NOX byly vyšší.

Vedlejší emise

Stále přísnější emisní předpisy vyžadují, aby vozidla nevydávala
do okolí žádné škodliviny, a to i v případě, že jsou mimo provoz.
Takové emise pocházejí z klikové skříně nebo jde o palivové
výpary vycházejících např. z nádrže. Proto bývají vozidla
vybavována systémy, které tyto škodliviny zachycují a vhodně je
předávají do sacího potrubí. Pak jsou spáleny ve válcích.

Výpary z palivové nádrže

Tyto obsahují převážně uhlovodíky (HC). Aby se zabránilo jejich
šíření do ovzduší, jsou zachycovány v nádobce s aktivním uhlím,
které má schopnost zachycovat palivo obsažené v párách,
obr. o355.
Nádobka je objemově konstruována tak, aby zajišťovala svoji
funkci ve všech provozních režimech motoru. Palivo zachycené v
nádobce během stání motoru, se pak za jeho chodu přivádí do
sacího potrubí vlivem podtlaku, který v potrubí vzniká. Množství
regenerovaného proudu odpařeného paliva je závislé především na
rozdílu tlaku v sacím traktu a okolí. Přesné dávkování palivových
výparů provádí řídící jednotka prostřednictvím regeneračního
ventilu, obr. o356, v závislosti na provozním stavu motoru.
Ventil je v činnosti pouze při zapnutém zapalování a je otvírán
signálem řídící jednotky. Při jeho otevření začne palivo,
uvolňované proudem vzduchu z aktivního uhlí, proudit do motoru.
Není-li motor ještě zahřát na provozní teplotu,

Obvykle nad 60°C.

zůstává ventil uzavřen.

Pozitivní odvětrávání klikové skříně

Soustava pozitivního odvětrávání klikové skříně zabraňuje úniku
nespálených zbytků paliva a výfukových plynů mimo katalyzátor do
atmosféry.
Nespálená směs proniká do klikové skříně při kompresním zdvihu
„províváním“ kolem pístních kroužků (viz obr. o357a).
Jestliže je píst v expanzním zdvihu, uniká malé množství
výfukových plynů podél pístu a kroužků do klikové skříně, jak je
zřejmé z obr. o357b.
Na krytu klikové skříně je z jedné strany umístěn ventil
odvětrávání, který je spojen hadicí se sacím potrubím. Druhá
hadice, přivádějící čerstvý vzduch ze vzduchového čističe, je
připojena na druhou stranu krytu skříně, jak je zřejmé z
obr. o358.
Čistý vzduch 1 vstupující do čističe je nasáván do
klikové skříně hadicí 2 přes ventil na jejím krytu. V
klikové skříni se emise smísí s čistým vzduchem 3 a tato
směs prochází odvětrávacím ventilem 4 a hadicí do sacího
potrubí 5.
Ve ventilu odvětrávání (obr. o359) je kuželovitá klapka
ovládání proudění. Podtlak v sacím potrubí a tlak v klikové
skříni působí na klapku jako uzavírací síla. Předepnutí pružiny
tlačí klapku do polohy, při níž je ventil otevřen.
Ve volnoběhu nebo normálních jízdních rychlostech je klapka
udržována vysokým podtlakem v poloze, při níž je ventil otevřen
částečně. To je postačující, protože tlak ve válcích je nízký a
tedy emise jsou malé.
Vyšší tlak ve válcích, který se vytvoří při chodu ve vysokých
otáčkách nebo s velkým zatížením, zvýší emise v klikové skříni.
Vzhledem k většímu otevření škrticí klapky podtlak v sacím
potrubí klesne a ventil se plně otevře.
Jsou-li kroužky značně opotřebované, mohou emise přesáhnout mez
danou nastavením ventilu. Ten se uzavře a tlak v klikové skříni
vytlačí emise hadicí čistého vzduchu do čističe a odtud teprve
postupují do sacího potrubí.
Tento způsob, tj. pozitivní odvětrávání klikové skříně, je
potřebný zejména u motorů s rotačním pohybem (Wankel), vzhledem k
nižší těsnosti kolem pístu.
Závady této soustavy mohou ovlivnit celkovou úroveň emisí HC.
Proto byl její stručný popis uveden, i když není obvykle řízena
elektronicky.

Ohodnoťte článek


banner pro vstup do katalogu MJauto
Sdílejte: