Elektronika a zážehové motory

RNDr. Bohumil Ferenc, 1998

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 se také tento součinitel označuje vzduchové nebo též vzdušné 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 obr. o11. 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 o11 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 tedy musíme převést kapalné palivo do plynného skupenství. U zážehových motorů se vstřikováním rozstřikují vstřikovací trysky tekuté palivo do proudu nasávaného vzduchu ve formě kužele kapiček velmi malých rozměrů. Tvorba směsi začíná v místě vstřiku a končí ve válci během kompresního zdvihu.

Podle místa vstřiku se systémy dělí na jednobodové a vícebodové (obr. 012).

U jednobodového vstřikování je tryska umístěna na tělese škrticí klapky (obr. o13), která reguluje množství směsi přicházející do motoru a tím i jeho kroutící moment. 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 buď do sacího kanálu, těsně před sací ventil (obr. o14), nebo přímo do válce (obr. o15). Sací potrubí pouze rozvádí nasávaný vzduch, takže jeho konstrukce může být jednodušší. Množství směsi je opět dáno natočením škrticí klapky.

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.

Tryska jednobodového vstřikování je uložena na tělese škrticí klapky, kde není teplota příliš vysoká. Postačuje tlak paliva kolem 0.1 MPa i méně. Konstrukce vstřikovací trysky (obr. o16) je pak jednodušší.

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 šesti 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 (obr. o17).

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 nebo vačkové hřídele. Doba otevření se pak řídí podle podmínek daného použití. Nesynchronizovaný režim je používán za těchto podmínek:

  • Příliš krátká doba potřebného otevření trysky.
  • Obohacení směsi při studeném startu a během zahřívání.
  • Obohacení při akceleraci.
  • Omezení přívodu paliva při deceleraci (brždění) motorem.
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 obr. o18a.

Používá dvou vstřikovacích trysek, hlavní a doplňující. Hlavní tryska 1 je umístěna nad škrticí klapkou 3, doplňující 2 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 3 a tandemovou škrticí klapkou 4, dokud 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. o18b).

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 obr. o18c. Tato klapka (1 na obr. o18c) je otevírána přes membránovou komůrku 2 podtlakem snímaným z prostoru mezi oběma klapkami. Tento podtlak působí na komůrku jen tehdy, když se otevírá elektromagnetický ventil 3.

Tento je při volnoběhu uzavřený, zatímco tandemová klapka je otevřená 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.

Vstřikovací trysky vícebodového vstřikování jsou umísťovány bezprostředněji k motoru, nebo přímo na jeho bloku. Proto je tlak paliva k nim větší. U vstřikování do sacího kanálu se pohybuje od 0.25 do 0.6 MPa, při přímém vstřikování do válce bývá o řád vyšší, 5 a 10 MPa.

Vícebodové vstřikování se dělí na spojité a časované. Otevření vstřikovací trysky spojitého vstřikování je ovládáno mechanicky, tlakem paliva. Provedení trysky je zřejmé z obr. o19. 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 většinou doplněny obtokem, kterým při uzavřené škrticí klapce proudí přídavný vzduch vlivem poklesu tlaku na klapce. Vzduch je směrován k ústí trysky, takže obklopuje palivo bezprostředně v místě jeho výstupu (obr. o110). Tím je palivo účinně rozprašováno, což přispívá ke zlepšení jeho spalování.

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 (obr. o111).

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.

Jedna z možných konstrukcí elektromagneticky ovládané vstřikovací trysky je na obr. o112. Palivo se do trysky přivádí přívodem 2. Elektrický impuls otevírající trysku se vede k vinutí elektromagnetu 3 vodičem 1. Přivedením proudu se vtáhne kotva 5 elektromagnetu do vinutí, zvedne se ventilová jehla 6 a tím se otevře vstřikování paliva. Po skončení impulsu se tryska uzavře silou vratné pružiny 4.

Vzhledem k 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. Zásobníka 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:
  • Palivový plyn, který vzniká ve vstřikovací jednotce nebo v sacím potrubí odpařováním palivového filmu z jeho stěn. Pohybuje se rychlostí nasávaného vzduchu.
  • Pára, tj. kapičky paliva, která se pohybuje poněkud menší rychlostí než nasávaný vzduch a přispívá částečně k vytváření palivového filmu.
  • Kapalina - palivový film na stěnách sacího potrubí, který je do spalovacího prostoru přiváděn s časovým zpožděním.
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 stupňů a její signál se přenáší horními kontakty jezdce na kolektorovou dráhu 6. Druhá odporová dráha 7 snímá oblast 18 až 90 stupňů 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 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.

  • Jeden snímač v rozdělovači vn spojeném s vačkovou hřídelí.
  • Jeden snímač u setrvačníku klikové hřídele.
  • Dva snímače u setrvačníku klikové hřídele.
  • Jeden snímač u klikové a jeden na vačkové hřídeli.
  • Dva snímače na vačkové hřídeli.
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 600deg;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 bariera 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:

  • Vytvořit napěťový impuls dostatečné velikosti, aby mezi elektrodami svíčky došlo k elektrickému výboji.
  • Při elektrickém výboji uvolnit energii postačující k zažehnutí zápalné směsi a udržení jejího hoření.
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 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 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 nabyde 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 Za, kdy je předstih optimální.
Průběh b
odpovídá příliš časnému zážehu v okamžiku Zb; dochází k detonačnímu hoření a klepání motoru.
Průběh c
odpovídá 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 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.

alfa = f(n, p ... )

Dle 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 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 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:

  • Jednoho nebo dvou snímačů informujících řídící jednotku o poloze klikové hřídele a otáčkách motoru. Ze snímače polohy hřídele přichází tolik značek, kolik zážehů má během jedné otáčky nastat. Počet je roven polovině válců motoru. Každá změna spouští výpočet optimálního předstihu i úhlu natočení hřídele. Při jejich shodě dochází k zážehu.
  • Snímače podtlaku v sacím potrubí, podle kterého je měřeno zatížení motoru.
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. 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 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:
  • 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.
  • Po studeném startu jsou u mnohých motorů nastavovány vyšší volnoběžné otáčky aby se motor, případně katalyzátor a/nebo lambda snímač, dříve zahřály na potřebnou provozní teplotu. Zde je ventil pro zvýšení volnoběhu ovládán podle teploty chladicí kapaliny.
  • Při deceleraci se škrticí klapka uzavře a tím otáčky motoru klesají až na volnoběžné. Při opětném zařazení rychlosti a rozjezdu vozidla může dojít ke "zhasnutí" motoru. Aby se tomu předešlo, jsou některé motory vybavovány snímačem rychlosti vozidla. Podle jeho signálu rozliší řídící jednotka, zda jde o volnoběh při stojícím nebo jedoucím vozidle a upravuje podle toho hodnotu regulovaných volnoběžných otáček. V případě volnoběhu jedoucího vozidla jsou otáčky vyšší.
  • Aby nedocházelo k samozápalům po vypnutí zapalování (a ještě se otáčejícím motoru), jsou některé systémy vybaveny uzavíráním škrticí klapky a tím přerušení přívodu nasávaného vzduchu po vypnutí zapalování.
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°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°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. Žádaný 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°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 bezezbytku 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° 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°, 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 až 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. 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

1. 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.

2. 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 otevírajícího 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. 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 těsnícího 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.

3. 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. 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 st. před HÚ 5 st. před HÚ 5 st. před HÚ
Uzavření sacích DÚ po 70 st. DÚ po 35 st. DÚ po 38 st.
Uzavření výfukových HÚ po 5 st. HÚ po 5 st. HÚ po 10 st.
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 Tyristorové zapalování a 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 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.
R
Poloha zpáteční rychlosti.
N
Převodová skříň i kola vozidla jsou plně odpojena od motoru.
D
Systém provádí automaticky změnu převodu v celém rozsahu dopředných stupňů. Řazení je řízeno řídící jednotkou podle programu uloženého v její paměti a signálů ze snímačů.
2
Vyšší převodové stupně jsou zablokovány a řazení probíhá mezi nižšími převody s přihlédnutím k bezpečnosti jízdy vozidla.
1
Je 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:

  • Při startu jsou vždy zapnuty všechny 4 válce.
  • Při zahřívání motoru pracují všechny válce až do doby, než teplota chladicí kapaliny dosáhne 70°C.
  • Volnoběh při zahřátém motoru probíhá vždy na 2 válce, pokud otáčky neklesnou pod 680 ot/min. Pak se zapnou všechny 4 válce po dobu, než otáčky nevzrostou nad 1 600 ot/min.
  • V ostatních podmínkách se přepínání provádí podle otáček a zatížení motoru následovně:
    • 2 válce v rozmezí 1 200 až 3 400 ot/min a při úhlech otevření škrticí klapky < 7°.
    • 4 válce při úhlu otevření škrticí klapky > 70° a otáčkách > 3 800 ot/min nebo < 1 200 ot/min.
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. Zapínání válců, může motor pracovat se 4 až 8-mi válci.

&NBSP;

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 AŽ 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.


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

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

Copyright© 1998 - 2012 Autodíly MJauto, všechna práva vyhrazena