Elektronika a zážehové motory

end-logo
Sdílejte:

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:

 

 

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:

 

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.

 

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:

 

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 <A
HREF=’#cas’>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:

 

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 <

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:

 

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
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

 

 

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 2541 9951 997

Jmenovitá komprese10.010.08.0

Počet ventilů, druh24, DOHC24, DOHC18, OHC

 

Otevření sacích2 st. před HÚ5 st. před HÚ
5 st. před HÚ

Uzavření sacíchDÚ po 70 st.DÚ po 35 st.
DÚ po 38 st.

Uzavření výfukovýchHÚ po 5 st.HÚ po 5 st.
HÚ po 10 st.

Pracovní komprese7.69.47.4

 
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.

NPřevodová skříň i kola vozidla jsou plně odpojena od
motoru.
DSystém provádí automaticky změnu převodu v celém rozsahu
dopředných stupňů. Řazení je řízeno řídící jednotkou podle
programu uloženého v její paměti a signálů ze snímačů.
2Vyšší převodové stupně jsou zablokovány a řazení probíhá
mezi nižšími převody s přihlédnutím k bezpečnosti jízdy vozidla.
1Je používána především při brzdění vozidla motorem,
např. při jízdě z kopce. Volí se nejnižší převody, podle poměrů
rychlosti vozidla, otáček motoru a změn průběhu obou veličin.

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

Blokování válců

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

 

 

 

< 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.

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.

Ohodnoťte článek


banner pro vstup do katalogu MJauto
Sdílejte: