Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Porovnání palivových systémů naftových motorů Bakalářská práce

Vedoucí práce:

Vypracoval:

doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc.

Zdeněk Mach

Brno 2007

Volná strana pro zadání práce

2

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Porovnání palivových systémů naftových motorů vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MZLU v Brně.

dne………………………………………. podpis...................……………………….

3

Rád bych tímto poděkoval vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Miroslavu Havlíčkovi, CSc., za jeho cenné rady při tvorbě této práce.

4

Abstract This work deals with evaulation used fuel systems of diesel engines, preparation and injection of mixtures into cylinders, regulation of injected fuel quantity; it also describes injection valve jets and discusses possible future development. Key words: fuel-air mixture, injection system, engine.

Abstrakt Tato práce se zabývá zhodnocením používaných palivových systémů u naftových motorů, vlastní přípravou a vstřikováním směsi do válců motoru, regulací vstřikovaného množství paliva, vstřikovacími tryskami a budoucím možným vývojem. Klíčová slova: směs paliva a vzduchu, vstřikovací zařízení, motor.

5

Obsah 1 2

3

4

5 6 7

ÚVOD A CÍL PRÁCE................................................................................................... 7 ROZBOR PROBLEMATIKY ZADÁNÍ....................................................................... 8 2.1 Příprava směsi........................................................................................................ 8 2.2 Vstřikování motorové nafty ................................................................................. 10 2.2.1 Nepřímé vstřikování do vírové komůrky..................................................... 10 2.2.2 Přímé vstřikování nafty do spalovacího prostoru ........................................ 12 2.2.3 Regulace vstřikovaného množství paliva..................................................... 14 2.2.4 Regulace počátku vstřiku paliva .................................................................. 15 2.2.5 Regulace průběhu spalování ........................................................................ 16 ZHODNOCENÍ POUŽÍVANÝCH PALIVOVÝCH SYSTÉMŮ NAFTOVÝCH MOTORŮ .................................................................................................................... 17 3.2 Řadová vstřikovací čerpadla ................................................................................ 17 3.2.1 Mechanická regulace řadového čerpadla ..................................................... 18 3.2.2 Nastavení maximálního vstřikovaného množství paliva ............................. 20 3.2.3 Regulace počátku vstřikování ...................................................................... 21 3.2.4 Řadové vstřikovací čerpadlo s elektronickou regulací množství vstřikovaného paliva .................................................................................... 22 3.2.5 Řadové vstřikovací čerpadlo se zdvihovými šoupátky................................ 25 3.3 Rotační vstřikovací čerpadla s axiálními písty .................................................... 27 3.3.1 Popis rotačních vstřikovacích čerpadel s axiálními písty ............................ 28 3.3.2 Elektronická regulace rotačních čerpadel a axiálním pístem....................... 29 3.4 Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty ................................................... 30 3.4.1 Mechanická regulace rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty . 31 3.4.2 Elektronicko-hydraulická regulace rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty .......................................................................................... 33 3.4.3 Elektronická regulace rotačního čerpadla s radiálními písty ....................... 34 3.5 Vstřikovací trysky otevírané tlakem vstřikovaného paliva.................................. 35 3.5.1 Jednopružinové vstřikovací trysky .............................................................. 35 3.5.2 Dvoupružinové vstřikovací trysky............................................................... 37 3.6 Vstřikování vznětových motorů s elektronicky řízenými tryskami ..................... 38 PERSPEKTIVY A VÝVOJ PALIVOVÝCH SYSTÉMŮ NAFTOVÝCH MOTORŮ .. ...................................................................................................................................... 39 4.2 Palivové okruhy řadových vstřikovacích čerpadel .............................................. 40 4.2.1 Palivové okruhy rotačních vstřikovacích čerpadel ...................................... 41 4.2.2 Palivový okruh vstřikovacích soustav „common rail“................................. 43 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 45 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ......................................................................... 46 SEZNAM OBRÁZKŮ................................................................................................. 47

6

1 ÚVOD A CÍL PRÁCE Úvod Spalovací motory přeměňují energii obsaženou v palivu na energii pohybovou. Přeměna probíhá ve válcích motoru, kde je palivo spáleno a uvolněná energie vytvoří tlak na píst ve válci, jehož posuvem se přeměňuje tlaková energie na mechanickou. Píst je spojen s klikovou hřídelí motoru, která převádí jeho posuvný pohyb na otáčivý. Aby mohlo být po shoření paliva přivedeno do válce palivo čerstvé, jsou z válce vytlačeny zbytky hoření ve formě výfukových plynů. Palivem vznětových motorů je převážně motorová nafta. Je to směs chemických sloučenin vodíku (H) a uhlíku (C). Tyto sloučeniny se nazývají uhlovodíky (HC). Během procesu spalování se uhlík a vodík slučují s kyslíkem (O) ze vzduchu, čímž se uvolní tepelná energie a vzniknou jiné chemické sloučeniny.

Cíl práce Cílem bakalářské práce je zhodnocení používaných palivových systémů naftových motorů. Mám v úmyslu ucelit již známé systémy a naznačit jak asi bude vypadat budoucí možný vývoj.

7

2 ROZBOR PROBLEMATIKY ZADÁNÍ 2.1 Příprava směsi K nejdůležitějším funkcím patří příprava spalovací směsi. Na složení směsi je závislý nejen výkon a spotřeba motoru, ale i úroveň emisí ve výfukových plynech, rychlost hoření směsi a teplota spalování. Všechny tyto parametry motoru patří k těm, které ovlivňují jak průběh oběhového diagramu, tak i stupeň splnění limitů emisních předpisů. Vznětové motory pracují s velkým přebytkem vzduchu, aby nedocházelo ke vzniku kouřivosti. Nejmenší hmotnost vzduchu připadající na 1 kg paliva nesmí být nižší než 19,3 kg. Vzhledem k mechanismu přívodu tepla, používaného u těchto motorů, není menší rychlost hoření těchto „chudých“ směsí podstatná. Množství přiváděného paliva je závislé na požadovaném výkonu motoru. Ten je řízen sešlápnutím plynového pedálu řidičem. Sešlápnutím se buď mění množství vzduchu nasávaného do válců motoru, nebo pedál množství vzduchu přímo neovlivňuje, ale řídí množství přiváděného paliva. K vlastní tvorbě směsi dochází ve válci, kde je do nasátého a případně i předehřátého vzduchu, stlačeného během kompresního zdvihu na nejmenší objem VK , vstříknuto palivo. Motorová nafta se může smísit s tímto vzduchem, ohřátým kompresí na vysokou teplotu, až v okamžiku jejího vznícení. Podobně se ve válci nesmí vytvořit před spalováním homogenní směs, jaká je žádoucí u zážehového motoru. Následkem jejího okamžitého vzplanutí v celém obsahu válce by vznikly nepřípustně vysoké tlaky. Pro dosažení dobré přípravy směsi musí být palivo přiváděno do motoru přes vstřikovací trysku s vysokým tlakem, u některých typů motorů až 200 MPa i více. Navíc musí být vstřikované množství dávkováno s přesností několika mm 3 na jeden vstřik. K dosažení optimálního kompromisu mezi spotřebou a hlučností je žádoucí přesnost začátku vstřikování do 1º na klikové hřídeli motoru. Palivo se do spalovacího prostoru přivádí prostřednictvím vstřikovací soustavy, která se skládá ze vstřikovacího čerpadla, potrubí a trysek. Zjednodušené schéma soustavy s řadovým čerpadlem je uvedeno na obrázku 1.

8

Obr.1 Vstřikovací soustava vznětového motoru

(1 – palivová nádrž; 2 – dopravní čerpadlo; 3 – palivový filtr; 4 – vstřikovací čerpadlo; 5 – vstřikovací tryska; 6 – přepouštěcí ventil)

Vstřikovací čerpadlo musí plnit několik úloh: •

dodávat palivo s vysokým tlakem;

•

dávkovat vstřikované množství v závislosti na zatížení motoru a jeho provozních podmínkách, obdobně jako u zážehového motoru;

•

vstřikovat palivo ve správném okamžiku;

•

přizpůsobit průběh vstřikování provozním podmínkám daného motoru.

Vzhledem k vysokým tlakům se používají pístová čerpadla, mechanicky spřažená s klikovou hřídelí motoru. Podle druhu vstřikovacího čerpadla se jeho píst pohybuje ve svém válci buď radiálně nebo axiálně vzhledem k čerpadlové hřídeli. Na hřídeli čerpadla jsou umístěny vačky ovládající pohyb pístu. V porovnání s klikovou hřídelí čtyřdobého motoru se hřídel čerpadla otáčí poloviční rychlostí. Píst se přitom

9

pohybuje konstantním zdvihem směrem ke své horní úvrati. Pak je tlačen do horní úvrati silou protipružiny, která na něj působí. Válec i píst čerpadla jsou opatřeny přepouštěcími otvory a drážkami. Drážky umožňují nastavení začátku a konce vstřikování paliva, buď natočením pístu nebo posuvným šoupátkem. Šoupátko se po pístu posouvá, případně se natáčí i píst. U nových motorů se k ovládání využívá elektromagnetických ovladačů, což umožňuje řídit dodávku i pro jednotlivé válce motoru. Začátek dodávky paliva se posouvá v závislosti na otáčkách motoru. Konec dodávky a tedy množství paliva jsou závislé na potřebném výkonu motoru. Změna množství je ovládána plynovým pedálem vozidla.

2.2 Vstřikování motorové nafty Palivo se vstřikuje tak, aby se před spalováním (i v jeho průběhu) rozdělilo podle možnosti rovnoměrně do celkového objemu vzduchu. K tomu se používá buď nepřímého vstřikování do komůrky nebo přímého vstřikování do spalovacího prostoru.

2.2.1

Nepřímé vstřikování do vírové komůrky

U nepřímého vstřikování se palivo nevstřikuje přímo do hlavního spalovacího prostoru, ale do jeho oddělené části. Ve vznětových motorech osobních automobilů je to vírová komůrka. Objem komůrky je asi 25 až 40 % objemu spalovacího prostoru. Vstřikovací tryska je v komůrce. Palivo se vstřikuje čepovou tryskou. Otevírací tlak čepových trysek bývá 10 až 14 MPa. Proto nemusí být tlak paliva přiváděného k tryskám tak vysoký, jako v případě přímého vstřikování.

10

Obr.2 Nepřímé vstřikování motorové nafty do vírové komůrky

(1 – čepová vstřikovací tryska; 2 – směr otáčení víru v komůrce; 3 – spojovací kanál)

Provedením čepu na konci jehly trysky a různým průměrem tohoto čepu se přizpůsobí tvar kužele vstřikovaného paliva potřebám motoru. Směs paliva se vzduchem se v komůrce vytváří hlavně účinkem víru nasátého vzduchu a tvorbu směsi podporuje vhodný tvar kužele vstřikovaného paliva.

Obr.3 Provedení čepu na jehle trysky a příslušný tvar kužele paliva vstřikovaného čepovou tryskou

(a – válcový čep vytvářející úzký kužel; b – kuželový tvar vytvářející široký kužel)

11

Vír vzduchu v komůrce vzniká v průběhu kompresního zdvihu, kdy je vzduch vtlačován do komůrky jejím tangenciálním spojovacím kanálem. V komůrce je vysoká teplota, která zkrátí prodlevu vznícení paliva. Vysoká teplota a nedostatečné množství kyslíku vyvolají krakování paliva. Krakování spolu s nedostatkem kyslíku vedou k pomalému a neúplnému spalování v komůrce. Stoupnutím tlaku v komůrce se její celý obsah vytlačí velkou rychlostí do hlavního spalovacího prostoru, kde se spalování dokončí. V hlavním spalovacím prostoru vznikají silné víry a krakované palivo shoří bez vytvoření sazí.

2.2.2

Přímé vstřikování nafty do spalovacího prostoru

U vznětových motorů s přímým vstřikováním motorové nafty je spalovací prostor většinou proveden jako souvislé prohloubení. Vstřikovací tryska je umístěna ve středu hlavy a vstřikuje palivo šikmo dolů do spalovacího prostoru.

Obr.4 Přímé vstřikování motorové nafty

(1 – vzduchový vír; 2 – vstřikovací tryska; 3 – spalovací prostor; 4 – píst)

Používají se víceotvorové vstřikovací trysky až s dvanácti otvory, které jsou většinou souměrně uspořádány. Nejmenší průměr otvorů je 0,2 milimetru. Vrcholový úhel rozstřiku může být až 180º. Otvory jsou provedeny v sedle kuželového ukončení jehly trysky. Při uzavřené trysce jehla utěsní přívod paliva k otvorům.

12

Obr.5 Vytváření paprsků paliva vstřikovaného otvorovou tryskou

Otevírací tlak otvorových trysek je mezi 15 až 25 MPa a vstřikovací tlak čerpadla může vzrůst až na 100 MPa. Průměr a délka vstřikovacích otvorů trysky podstatně ovlivňují hloubku vniku paprsků paliva do spalovacího prostoru, a tím přispívají k řízení spalovacího procesu. Při vstupu do spalovacího prostoru se nasátý vzduch dostává do krouživého pohybu působením vhodně tvarovaného sacího kanálu, nebo clonami na sacích ventilech, případně úpravami spalovacího prostoru. Pohybem vzduchu je podporováno rovnoměrné rozdělení paliva v celém spalovacím prostoru. U nových vznětových motorů Ecotec Opel se reguluje víření nasávaného vzduchu soustavou dvou sacích kanálů v každém válci. Tyto sací kanály mají rozdílné provedení. V jednom, nazývaném plnicím kanálem, je umístěna klapka. Druhý kanál slouží hlavně k vytváření víru nasávaného vzduchu. V nízkých otáčkách motoru je plnicí kanál uzavírán klapkou, která je ovládána pod tlakem. Čerstvý vzduch je do spalovacího prostoru přiváděn pouze kanálem víření, takže ve válci vzniká silný vzduchový vír. Jak se otáčky motoru zvyšují, klesá potřeba víření. Klapka otevírá plnicí kanál, objem nasávaného vzduchu se zvětšuje, ale poměrné množství víření klesá. Klapky všech válců mohou společně uzavírat nebo zcela otevírat plnicí sací kanály. Také ale mohou měnit spojitě své natočení mezi oběma mezními polohami. Změny polohy klapek jsou závislé na zatížení a otáčkách motoru. Vířivý pohyb nasávaného vzduchu je u vznětových motorů s přímým vstřikem velmi důležitý. Dochází k účinnému vytváření směsi, která shoří bez zhoršení emisí a výkonu motoru v důsledku nedokonalého spalování.

13

2.2.3

Regulace vstřikovaného množství paliva

Otáčky vznětových motorů se neregulují škrticí klapkou v sacím potrubí. Množství nasávaného vzduchu není omezováno a závisí pouze na zatížení motoru. Otáčky motoru jsou regulovány množstvím paliva, které je vstřikováno do válce součinností vstřikovacího čerpadla a vstřikovacích trysek. Při regulaci množství paliva se nezohledňuje jen zatížení motoru, podle kterého se otáčky motoru mění. Aby motor pracoval v každém provozním stavu v optimálním režimu, musí regulace nastavit odpovídající vstřikovanou dávku. Při startování motoru je dávka paliva závislá na teplotě a startovacích otáčkách. Aby bylo nastartování spolehlivé, potřebuje motor při nízkých teplotách podstatně větší vstřikované množství než v teplém stavu. Při nízkých teplotách se palivo sráží na stěnách válců a nepřispívá ke spalování. Při volnoběžném chodu je spotřeba motoru určena hlavně jeho otáčkami. Proto jsou výhodné co nejnižší volnoběžné otáčky. Volnoběh ale musí být nastaven tak, aby volnoběžné otáčky nepoklesly při změnách zatížení motoru zapnutím elektrických spotřebičů ve vozidlové síti natolik, aby motor neměl plynulý chod, nebo aby se nezastavil. Při regulaci volnoběžných otáček mění regulace vstřikované množství paliva až jsou skutečné volnoběžné otáčky stejné jako požadované. Při normálním jízdním režimu je vstřikované množství regulováno podle polohy plynového pedálu vozidla a otáček motoru. Otáčky nastavené plynovým pedálem se mohou měnit při změnách zatížení motoru během jízdy. Proto regulace přizpůsobuje dávkování paliva, aby chod motoru byl plynulý. Pokud je regulace množství vstřikovaného paliva vybavena seřizovacími prvky, provádíme její nastavení tak, aby spotřeba a emise motoru odpovídaly stanoveným hodnotám. Dále aby startovatelnost motoru byla dobrá a volnoběžné otáčky se nelišily od předpisu výrobce vozidla. Informativní obraz o závislosti různých parametrů motoru ve vztahu ke složení směsi, tedy k množství vstřikovaného paliva, ukazuje diagram. Nastavení regulace musí být provedeno tak, aby v žádném případě nebylo dosaženo meze kouřivosti. Mez kouřivosti leží obvykle kolem λ 1,3. [FERENC, B. Spalovací motory]

14

Obr.6 Závislost spotřeby a emisí vznětového motoru na složení směsi vyjádřeném součinitelem přebytku vzduchu λ

2.2.4

Regulace počátku vstřiku paliva

Počátek vstřiku paliva má značný vliv na výkon a spotřebu motoru, na hlučnost jeho chodu, na startovatelnost a na úroveň emisí ve výfukových plynech. Počátek vstřiku určuje v podstatě začátek spalování. Pozdější vstřikování snižuje emise oxidů dusíku (NOX), ale zvyšuje emise uhlovodíků (HC). Odchylky počátku vstřiku od optimální hodnoty o 1º úhlu natočení klikové hřídele mohou zvýšit úroveň emisí NOX nebo HC až o 15 %. V praxi je však citlivost motoru na předstih vstřiku poněkud menší.

Obr. 7 Průběh závislosti emisí HC a NOX na počátku vstřikování (srovnání s optimálním úhlem klikové hřídele)

15

Nastavení počátku vstřiku se provádí zejména u vstřikovacích soustav se setrvačníkovou nebo hydraulickou regulací. Při seřizování nastavíme píst prvního válce motoru do horní úvrati tak, aby se značka této polohy klikové hřídele na setrvačníku kryla se značkou na bloku motoru. Další krok je závislý na druhu vstřikovacího čerpadla. Řadová čerpadla mají setrvačníkový přesuvník vstřiku. Při správném nastavení počátku vstřiku se má ryska na jeho pouzdře krýt s ukazatelem nastavení na tělese čerpadla. U rotačních vstřikovacích čerpadel s axiálním pístem kontrolujeme nastavení počátku vstřiku číselníkovým úchylkoměrem. Úchylkoměr se při měření našroubuje na místo odvzdušňovacího šroubu v rozdělovací hlavě vstřikovacího čerpadla.

2.2.5

Regulace průběhu spalování

Průběh vývinu tepla při spalování paliva vstřikovaného přímo do spalovacího prostoru má značný vliv na emise oxidů dusíku a částic ve formě sazí. Kromě toho ovlivňuje i hlučnost chodu motoru. Jestliže shoří velká část vstřikovaného paliva již před horní úvratí, jsou pak vzrůst tlaku a maximální tlak ve válci velké a chod motoru je nepříjemně hlučný. Vysoká teplota a velký tlak při nedostatku kyslíku podporují krakování paliva. Následkem krakování se ke konci spalování značně zmenší uvolňování tepla a vzniká nebezpečí tvorby sazí a zvýšení emisí uhlovodíků. Při nadbytku kyslíku působí vysoká teplota a velký tlak naopak na nárůst emisí oxidů dusíku. Většinu těchto nedostatků je možno potlačit nebo i odstranit úpravou průběhu vstřikování paliva, aby spalování začínalo pomalu, ale stupňovalo svoji rychlost a skončilo rychlým poklesem uvolňovaného množství tepla. Přitom se vyvine stejné množství tepla, jako při neřízeném vstřiku. [FERENC, B. Spalovací motory]

16

Obr.8 Průběh vývinu tepla spalováním vstřikované motorové nafty

(1 – nepříznivý průběh vývinu tepla; 2 – příznivý průběh vývinu tepla; Q – celkové množství tepla uvolněného spalováním; dQ – množství tepla, které se uvolní během pootočení klikové hřídele o úhel dα; α – úhel pootočení klikové hřídele)

K nepříznivému vývinu tepla dochází uvolněním jeho velkého množství před horní úvratí kompresního zdvihu motoru. Proto se používá konstrukčních úprav, zejména u vstřikovacích trysek, ale i u vstřikovacích čerpadel. Účelem těchto úprav je dosáhnout průběhu vstřiku vhodného pro příznivý vývin tepla.

3 ZHODNOCENÍ

POUŽÍVANÝCH

PALIVOVÝCH

SYSTÉMŮ

NAFTOVÝCH MOTORŮ

3.2 Řadová vstřikovací čerpadla Řadová vstřikovací čerpadla mají pro každý válec motoru jeden čerpadlový článek. Články čerpadla jsou uspořádány v řadě. Každý článek sestává z pístu čerpadla a válce čerpadla. Píst čerpadla se pohybuje ve směru dodávky působením vačky na hřídeli čerpadla, poháněné motorem a vrací se zpět tlakem pružiny pístu. Provedení čerpadlového článku standardního čerpadla typu A firmy Bosch je na obrázku č.9. V obrázku je i podávací čerpadlo, které čerpá naftu z palivové nádrže, a přes palivový filtr ji dopravuje do sacího prostoru vstřikovacího čerpadla.

17

Obr.9 Řez řadovým vstřikovacím čerpadlem typu A Bosch

3.2.1

Mechanická regulace řadového čerpadla

Zdvih pístu čerpadlového článku je neměnný. Změna dávky paliva se provádí pootočením pístu posuvnou ozubenou regulační tyčí. V pístu je provedena svislá drážka a šikmá regulační hrana, které se natočením pístu různě orientují vůči přepouštěcím otvorům ve válci. Natočením se mění užitečný zdvih pístu a s ním i množství dopravovaného paliva. Mezi vysokotlakým prostorem čerpadlového článku a začátkem vstřikovacího potrubí je vložen výtlačný ventil. Je otevírán tlakem paliva, který se při pohybu čerpadlového pístu zvyšuje. Po otevření ventilu postupuje tlaková vlna rychlostí zvuku na vstřikovací trysku. Při dosažení otevíracího tlaku trysky překoná její jehla sílu na ni působící pružiny. Jehla se nadzvedne ze svého sedla a uvolní průchod paliva vstřikovacím otvorem do spalovacího prostoru motoru.

18

Obr.10 Regulace množství vstřikovaného paliva natáčením pístu čerpadla (Bosch)

(I – dolní úvrať; II – plná dodávka; III – částečná dodávka; a) – začátek dodávky; b) – konec dodávky; 1 – válec; 2 – sací otvor; 3 – píst; 4 – regulační hrana; 5 – podélná drážka) Vstřikování se ukončí, jakmile regulační hrana čerpadlového pístu uvolní přepouštěcí otvor válce. Tlak ve vysokotlaké části zanikne a výtlačný ventil se uzavře. Přitom je ze vstřikovacího potrubí nasáto zpět malé množství paliva. Klesne i tlak ve vstřikovacím potrubí a vstřikovací tryska se rychle a přesně uzavře.

Obr.11 Vysokotlaký okruh vstřikovací soustavy s řadovým čerpadlem

19

3.2.2

Nastavení maximálního vstřikovaného množství paliva

Dráha regulační tyče vstřikovacího čerpadla je omezována koncovými dorazy. Ty slouží k nastavení volnoběžných otáček a maximální dávky vstřikovaného paliva pod hranici kouřivosti. Dorazy bývají nejen v regulátoru otáček, ale i v samotném vstřikovacím čerpadle. V čerpadle se používá převážně dorazu pro maximální zatížení motoru. Nejjednodušším druhem je pevný doraz se stavěcím šroubem, který se po seřízení maximálního množství paliva zajistí pojistnou maticí. Startovací dávka paliva je téměř dvojnásobná než dávka maximálního zatížení. Aby se podle potřeb motoru mohla seřídit nejen maximální dávka, ale i startovní, je regulační tyč opatřena koncovým dorazem, který je při startu vyřazen. Po nastartování motoru se doraz uvede v činnost a regulace probíhá mezi maximální dávkou a přerušením paliva (obr. 12).

Obr.12 Nastavitelný pevný doraz regulační tyče čerpadla pro seřízení maximálního vstřikovaného množství paliva

Jiný způsob je provedení ručně vypínaného maximálního dorazu regulační tyče vstřikovacího čerpadla (lankem), nebo automaticky zapínaného dorazu dávky paliva, kde je použito pružiny, jejímž předepnutím se nastaví maximální regulovaná dávka vstřikovaného paliva (obr.13).

20

Obr.13 Provedení automaticky zapínaného dorazu dávky paliva pro maximální zatížení motoru

3.2.3

Regulace počátku vstřikování

Počátek vstřikování je regulován přesuvníkem vstřiku (obr.14). Řídicím článkem je setrvačníkový regulátor se závažíčky, jejichž odstředivá síla působí proti síle pružin. Hřídel vstřikovacího čerpadla je poháněna od klikové nebo vačkové hřídele motoru. Mechanické spojení obou hřídelí uskutečňuje přesuvník vstřiku. Setrvačná síla jeho závažíček mění úhel natočení mezi oběma hřídelemi. S rostoucími otáčkami motoru se natočení hřídelí zvyšuje a počátek vstřiku paliva více předbíhá horní úvrať pístů motoru. Na hřídeli čerpadla jsou umístěny vačky, které posouvají píst čerpadlového článku a vytvářejí tlak paliva. Zvětšením úhlu mezi vačkovou hřídelí čerpadla a klikovou hřídelí motoru začne posuv pístu čerpadlového článku dříve. Vstřikovací tlak paliva nabude hodnoty otevíracího tlaku vstřikovací trysky při větším úhlu klikové hřídele motoru před horní úvratí pístu. Vstřikování paliva začne dříve.

21

Obr.14 Řez přesuvníkem vstřiku

3.2.4

Řadové vstřikovací čerpadlo s elektronickou regulací množství vstřikovaného paliva

Zdokonalování vznětových motorů s cílem zlepšit jejich vlastnosti ukázalo, že mechanické způsoby regulace vstřikování paliva jsou na hranici svých možností. Další zlepšení parametrů motoru bez použití elektroniky nebylo možné. Prvním krokem u řadových vstřikovacích čerpadel byla náhrada setrvačníkových nebo pneumatických otáčkových

regulátorů

elektronickými.

Řadové

vstřikovací

čerpadlo

používá

elektromagnetického ovladače množství vstřikovaného paliva místo otáčkového regulátoru.

22

Obr.15 Řadové čerpadlo s elektronickým ovladačem regulační tyče množství paliva a se snímačem dráhy tyče

K vinutí elektromagnetického ovladače množství paliva se přivádí signál z elektronické řídicí jednotky. Podle tohoto signálu nastavuje ovladač polohu regulační tyče, která natáčí písty čerpadlových článků. Počátek vstřikování je regulován setrvačníkovým přesuvníkem vstřiku, bez působení elektronické jednotky. Stejně jako u jiných elektronicky řízených soustav přípravy směsi, jsou k řídicí jednotce přiváděny signály ze snímačů neelektrických veličin. Jsou to signály charakterizující provozní stav motoru a jeho okolního prostředí, dále požadavek řidiče na zvýšení nebo snížení otáček motoru. Regulace množství paliva pracuje v uzavřené smyčce, proto se používá i snímačů kontrolujících provedení nastavení. Přímo ve vstřikovacím čerpadle je umístěn snímač dráhy regulační tyče a snímač otáček hřídele čerpadla.

Snímač dráhy regulační tyče množství vstřikovaného paliva se skládá ze dvou cívek, referenční a měřicí (funkční schema obr.16). Cívky jsou navinuty na železném jádře, na kterém jsou umístěny dva zkratové kroužky, každý se stejným určením jeho indukčnosti. Referenční zkratový kroužek má na jádře pevnou polohu, měřicí kroužek se po jádře posouvá. Při posouvání se kroužek k měřicí indukčnosti přibližuje, nebo se od ní vzdaluje.

23

Obr.16 Funkční schema snímače dráhy regulační tyče řadového vstřikovacího čerpadla

Do indukčnosti se přivádí sinusový proud se stejným kmitočtem a amplitudou, avšak proudy jsou fázově posunuty o 180º. Výsledné magnetické pole je nulové. Při posunutí měřicího zkratového kroužku se změní magnetické pole jeho indukčnosti a změna pole způsobí změnu proudu proti hodnotě nastavené ve výchozí poloze. Změna proudu slouží řídicí jednotce jako signál o poloze regulační tyče čerpadla. Pokud snímač nevytváří žádný signál, nebo jeho signál je přerušovaný, řídicí jednotka dodávky paliva z čerpadla přeruší. Snímač je rotační, proto je v čerpadle spojen s regulační tyčí mechanismem, který posuvný pohyb tyče převádí na otáčivý. Protože snímač bývá ponořen v motorové naftě, je v něm umístěn i měřič teploty paliva. Polohou regulační tyče je dán konec dodávky paliva. Množství vstřikovaného paliva je také závislé na počátku vstřiku, tedy na okamžiku otevření trysky. Informaci poskytuje řídicí jednotce snímač pohybu jehly (obr.17).

24

Obr.17 Snímač pohybu jehly vstřikovací trysky

Při chodu motoru protéká vinutím snímače regulovaný proud. Pohybem jehly se mění indukčnost vinutí a k němu musí být přivedeno vyšší nebo nižší napětí, aby se hodnota proudu nezměnila. Změna napětí dává informaci o počátku i konci vstřikování. Signál snímače pohybu jehly trysky je informací o množství vstřikovaného paliva, jehož dávku stanoví řídicí jednotka podle signálů snímačů provozních podmínek motoru a snímače polohy plynového pedálu. 3.2.5

Řadové vstřikovací čerpadlo se zdvihovými šoupátky

Mechanický přesuvník vstřiku reguluje počátek vstřikování pouze v závislosti na otáčkách motoru. Pro dosažení nižších úrovní emisí a spotřeby ale pouhá otáčková regulace počátku vstřikování nepostačuje. Je třeba přihlédnout k dalším vlivům. Hodnota počátku vstřiku se zvětšuje i s rostoucí dávkou paliva, protože se prodlužuje doba vstřiku. Kromě toho lze provádět korekci počátku vstřiku v závislosti na teplotě chladicí kapaliny. Při optimálním nastavení počátku vstřiku je provozní teplota motoru vhodná jak z hlediska úrovně emisí oxidů dusíku, tak emisí uhlovodíků. Není-li motor dostatečně zahřátý, rostou emise uhlovodíků, je-li přehřátý, rostou emise oxidů dusíku. Změnami počátku vstřikování v závislosti na teplotě motoru lze úroveň emisí ovlivňovat.

25

Víceparametrickou regulaci počátku vstřikování umožňují řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovými šoupátky. U těchto řadových vstřikovacích čerpadel se používá zdvihových šoupátek kluzně uložených na pístu čerpadlového článku. Šoupátko běhá v „okénku“ válce čerpadlového článku a jeho poloha je měnitelná stavěcí hřídelí (viz obr. 18 a 19) Šoupátka, která se nacházejí ve válcích všech čerpadlových článků, přejímají úlohu přepouštěcích otvorů pro přívod a přepouštění paliva ve válcích čerpacích článků standardních řadových čerpadel. Jakmile šoupátko při posunu pístu čerpadlového článku z dolní úvrati uzavře řídicí otvor provedený uvnitř pístu, vzroste tlak paliva ve vysokotlakém prostoru článku a začne vstřikování. Při pokračujícím zdvihu pístu uvolní jeho šikmá regulační drážka v boční stěně odtok paliva přes tuto drážku a přes řídicí otvor. Tlak paliva v prostoru nad pístem klesne a vstřikování se ukončí. Ukončení vstřikování paliva, tedy nastavení jeho množství, se provádí jako u standardních řadových čerpadel natočením pístu čerpadlového článku. Konstrukční řešení mechanismu natáčení pístu nepoužívá ozubení, ale zajišťuje nastavení obou parametrů vstřiku.

Obr.18 Mechanismus nastavení šoupátka a pístu čerpadlového článku pro elektronickou regulaci počátku vstřiku

26

Obr.19 Řadové vstřikovací čerpadlo se zdvihovým šoupátkem (pohled s částečným řezem)

(1 – válec čerpadlového článku; 2 – šoupátko; 3 – regulační tyč; 4 – píst čerpadlového článku; 5 – vačková hřídel; 6 – elektromagnet ovladače šoupátka; 7 – stavěcí hřídel šoupátek; 8 – elektromagnet ovladače regulační tyče; 9 – snímač dráhy regulační tyče; 10 – konektor s přípoji; 11 – disk začátku dodávky paliva)

3.3 Rotační vstřikovací čerpadla s axiálními písty U rychloběžných vznětových motorů osobních automobilů jsou potřebná vstřikovací čerpadla s nižší hmotností a menšími rozměry. Tyto požadavky splňují rotační vstřikovací čerpadla s rozdělovačem paliva ke vstřikovacím tryskám válců motorů. Na rozdíl od řadového vstřikovacího čerpadla dodává rotační čerpadlo palivo všem válcům jediným pístem, je-li píst posouván axiálně, nebo dvěma až čtyřmi současně pracujícími písty, které jsou posouvány radiálně. Mimo vytváření tlaku paliva čerpadlem provádí jeho rozdělovací píst rozdělení paliva k jednotlivým vstřikovacím tryskám.

27

3.3.1

Popis rotačních vstřikovacích čerpadel s axiálními písty

Ve vstřikovacích čerpadlech tohoto druhu jsou do jednoho celku spojeny podávací čerpadlo, vysokotlaké čerpadlo, otáčkový regulátor i přesuvník vstřiku. Základní provedení velmi rozšířeného čerpadla, je na obrázku č. 20.

Obr.20 Základní provedení rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálním pístem

(1 – lopatkové podávací čerpadlo; 2 – pohon otáčkového regulátoru; 3 – přesuvník vstřiku; 4 – zdvihová vačka; 5 – regulační šoupátko; 6 – rozdělovací píst; 7 – tlakový ventil; 8 – elektromagnetický odstavovač; 9 – regulační páka otáčkové regulace; 10 – průtok přepadu paliva; 11 – mechanický odstavovač; 12 – regulační pružina; 13 – stavěcí páka otáček; 14 – návlačka otáčkového regulátoru; 15 – závažíčko; 16 – tlakový ventil)

28

S hnací hřídelí čerpadla je spojeno lopatkové podávací čerpadlo, které tlačí palivo do sacího prostoru vstřikovacího čerpadla. Současně jde část paliva druhým otvorem k regulátoru tlaku. Regulátor tlaku je pružinou zatížený šoupátkový ventil, kterým se může měnit tlak ve vnitřním prostoru čerpadla podle dodávaného množství paliva. 3.3.2

Elektronická regulace rotačních čerpadel a axiálním pístem

Elektronická regulační soustava rotačního čerpadla s axiálním pístem používá obdobných snímačů jako regulační soustava řadových čerpadel. Signály snímačů neelektrických veličin vyjadřujících provozní stavy motoru a sešlápnutí plynového pedálu vozidla, se přivádějí k řídicí jednotce motoru. Elektronická řídicí jednotka zpracovává vstupní signály podle svého programového vybavení na výstupní elektrické signály. Výstupní signály přicházejí k ovladačům provádějícím potřebné zákroky na průběhu vstřikování paliva. Zjednodušené schéma elektrické regulace otáček a počátku vstřiku pro rotační vstřikovací čerpadlo s axiální pístem je na obrázku 21. [FERENC, B. Spalovací motory]

Obr.21 Schéma elektronické regulace otáček a počátku vstřiku u rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálním pístem

(1 – podávací čerpadlo; 2 – elektromagnetický ventil; 3 – přesuvník vstřiku; 4 – regulační šoupátko; 5 – elektromagnetické stavědlo se snímačem polohy; 6 – elektronická řídicí jednotka)

29

3.4 Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty U rychloběžných vznětových motorů osobních automobilů s přímým vstřikem nepostačuje vstřikovací tlak vytvářený rotačními čerpadly s axiálním pístem pro dodržení nižších limitů emisí výfukových plynů. I když se různými konstrukčními zlepšeními a použitím elektronické regulace podařilo dosáhnout u těchto čerpadel zvýšení vstřikovacího tlaku, ukázalo se to nedostatečným pro nové zpřísněné emisní limity.

Obr.22 Řez rotačním vstřikovacím čerpadlem s radiálními písty

(1 – regulační závaží; 2 – upevňovací šroub hnací hřídele; 3 – dutá hřídel; 4 – hnací hřídel; 5 – přípoj odtoku paliva; 6 – páka odstavovače; 7 – regulační pružina; 8 – doraz volnoběhu; 9 – ovládací páka regulátoru; 10 – doraz maximálních otáček; 11 – dávkovací ventil; 12 – vtok paliva; 13 – koncová deska; 14 – hydraulická hlava; 15 – rotor rozdělovače; 16 – nylonový filtr; 17 – pouzdro ventilu regulace tlaku paliva; 18 – pístek ventilu tlaku; 19 – pružina odvzdušnění; 20 – podávací čerpadlo; 21 – k tryskám; 22 – přesuvník vstřiku; 23 – vačkový prstenec; 24 – radiální píst)

30

3.4.1

Mechanická regulace rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty

Palivo se čerpá z nádrže pomocným čerpadlem, poháněným od motoru a doplněným ručním čerpadlem. Přes palivový filtr je palivo dodáváno k podávacímu čerpadlu, které je již součástí celku čerpadla vstřikovacího. Za podávacím čerpadlem následuje dávkovací ventil, ze kterého palivo přichází přes rotor rozdělovače k radiálním pístům. Radiální písty udělují palivu tlak potřebný k otevření vstřikovací trysky. Okamžik, kdy k otevření trysky dojde, je závislý na natočení vačkového prstence. Natáčení prstence provádí přesuvník vstřiku, množství paliva přicházejícího k radiálním pístům je nastavováno pístem dávkovacího ventilu. Píst je ovládán plynovým pedálem vozidla, kterým se nastavuje základní množství paliva pro okamžité otáčky a výkon motoru. Otáčkový regulátor koriguje základní množství paliva, aby se otáčky motoru při změnách jeho zatížení neměnily. Otáčkový regulátor je buď setrvačníkový nebo hydraulický)

Obr.23 Blokové schéma vstřikovací soustavy pro vznětové motory s rotačním čerpadlem

31

Regulátory množství paliva •

Mechanický regulátor je setrvačníkový. Pohyb závažíček regulátoru podle otáček a zatížení motoru se přenáší přes přesuvnou objímku na regulační páku. Regulační páka je během volnoběhu lehce zatížena volnoběžnou pružinou a při vyšších otáčkách hlavní pružinou.

•

Hydraulický regulátor – Palivo, natlakované podávacím čerpadlem, přitéká kruhovitou drážkou obklopující rotor rozdělovače k pístu dávkovacího ventilu. Středem pístu prochází otvor, na který navazuje další příčně vrtaný otvor. Palivo prochází těmito otvory do kruhovitého prostoru kolem zúžené části pístu ventilu. Do tohoto kruhového prostoru ústí šikmo vrtaný dávkovací kanál, jehož odtokový průřez se může měnit posouváním pístu dávkovacího ventilu. Dávkovacím kanálem odtéká palivo k hydraulické hlavě rozdělovače.

Obr.24 Schemata otáčkových regulátorů rotačního vstřikovacího čerpadla

(vlevo mechanický regulátor, vpravo hydraulický regulátor)

32

3.4.2

Elektronicko-hydraulická

regulace

rotačního

vstřikovacího

čerpadla

s radiálními písty Regulace parametrů vstřikovacího čerpadla je buď hydraulická nebo elektronická. U hydraulické regulace se počátek vstřikování řídí podle otáček motoru natáčením vačkového prstence přesuvníku vstřiku. Otáčková regulace množství paliva, podle zatížení a teploty motoru, nepoužívá dávkovacího ventilu, ale axiálního posuvu rotoru rozdělovače. Regulace podle zatížení je obvykle spojitá, množství paliva se zvyšuje s růstem zátěže, teplotní regulace je dvoustavová. Mnohem dokonalejší je elektronická regulace, která probíhá jak u počátku vstřikování, tak u dávkování množství paliva v uzavřené smyčce. Elektronická řídicí jednotka dostává signály ze snímačů otáček a zatížení motoru, teploty motoru, paliva a nasávaného vzduchu a atmosférického nebo plnicího tlaku.

Obr.25 Funkční schéma rotačního vstřikovacího čerpadla

(1 – hnací hřídel; 2 – rotor rozdělovače; 3 – řídicí komora množství paliva; 4 – protipružina; 5 – radiální písty; 6 – píst přesuvníku vstřiku; 7 – vačkový prstenec; 8 – podávací čerpadlo; 9 – palivový filtr; 10 – regulátor tlaku paliva z podávacího čerp.; 11 – snímač axiální polohy rotoru rozdělovače paliva; 12 – snímač polohy vačkového prstence; 13 – elektromag. ventil množství paliva (+); 14 – elektromag. ventil množství paliva (-); 15 – elektromag. ventil přesuvníku vstřiku; 16 – elektromag. ventil přerušení dodávky paliva; 17 – vstřik. trysky; 18 – řídicí komora začátku vstřiku; 19 – vratná pružina)

33

3.4.3

Elektronická regulace rotačního čerpadla s radiálními písty

Jako ovladače obou regulací slouží elektromagnetické ventily, ovládané signály z řídicích jednotek. Vstřikovací soustava má dvě řídicí jednotky, jednu pro čerpadlo a druhou pro motor. Rozdělení je nutné pro omezení přehřívání od výkonových prvků a snížení vlivu rušivých signálů od spínání vysokých proudů ve vstřikovacím čerpadle. Řídicí jednotka čerpadla zpracovává signály snímačů v čerpadle, snímače úhlu natočení hřídele čerpadla a snímače teploty paliva. V řídicí jednotce motoru jsou zpracovávány signály ze snímačů stavu motoru a polohy plynového pedálu. Blokové schéma rotačního čerpadla s elektronickou regulací vstřikování je na obrázku 26.

Obr.26 Funkční schéma elektronického řízení vstřikovacího čerpadla

(1 – řídicí jednotka motoru; 2 – řídicí jednotka čerpadla; 3 – snímač úhlu natočení rozdělovače paliva; 4 – vysokotlaký elektomag. ventil; 5 – elektomag. ventil přesuvníku vstřiku; 6 – snímač pohybu jehly vstřikovací trysky)

34

3.5 Vstřikovací trysky otevírané tlakem vstřikovaného paliva Palivo dodávané vstřikovacím čerpadlem je vstřikováno do spalovacího prostoru válce motoru vstřikovací tryskou. Vstřikovací tryska palivo do spalovacího prostoru rozpráší a podle způsobu tvorby směsi je v tomto prostoru rozdělí. 3.5.1

Jednopružinové vstřikovací trysky

Jednopružinová vstřikovací tryska se skládá z tělesa trysky a jehly trysky. Jehla se pohybuje volně ve vodicím otvoru tělesa a zároveň utěsňuje vstřikovací otvor i při vysokém tlaku paliva. Oba díly jsou vloženy v dolní části držáku trysky.

Obr.27 Vstřikovací tryska vznětového motoru

35

Jehla čepové vstřikovací trysky je zakončena čepem, který se s malou vůlí vsouvá do vstřikovacího otvoru tělesa trysky. Tvarem čepu a jeho různým průměrem se přizpůsobuje paprsek vstřikovaného paliva požadavkům motoru. Čep kromě toho zabraňuje zanášení vstřikovacího otvoru karbonem.

Obr.28 Provedení čepové vstřikovací trysky

Jehla otvorové vstřikovací trysky je kuželově zakončena a utěsňuje vstřikovací otvory v tělese trysky. Otvorové vstřik. trysky se vyrábějí v jednootvorové (má jediný otvor většího průměru, vrtaný středově nebo stranově) a víceotvorovém provedení (mívají až 12 otvorů, většinou souměrně uspořádaných).

Obr.29 Provedení otvorové vstřikovací trysky

36

Obr.30 Tvary vrcholů vstřikovacích trysek vznětových motorů

( a – tryska s otvory do sedla a se zaobleným vrcholem; b – tryska se slepým válcovým otvorem a kuželovitým vrcholem; c – tryska se slepým kuželovitým otvorem a kuželovitým vrcholem)

3.5.2

Dvoupružinové vstřikovací trysky

Otvorové vstřikovací trysky se používají u přímého vstřikování paliva do spalovacího prostoru. Palivo je vstřikováno velkou rychlostí a po rozprášení v ohřátém vzduchu vytvoří nerovnoměrnou směs. V blízkosti palivového paprsku je nedostatek kyslíku, ve větší vzdálenosti od paprsku přebytek. Vysoká teplota a velký tlak při nedostatku kyslíku podporují krakování, které je provázeno zvýšenou kouřivostí a prodloužením spalování. Když shoří mnoho vstříknutého paliva již před horní úvratí, jsou nárůst tlaku a maximální tlak ve válci velké a chod motoru je hlučný. Pokud však spalování začne pomalu a stupňuje svoji rychlost, pak při stejném celkovém množství tepla spalování dříve skončí a účinnost motoru je vyšší. Rychlejší průběh spalování snižuje krakování a kouřivost.

37

Obr.31 Porovnání průběhu zdvihu jehly vstřikovací trysky

(a – jednopružinová tryska; b – dvoupružinová tryska; h1 – úvodní zdvih; h2 – hlavní zdvih)

3.6 Vstřikování vznětových motorů s elektronicky řízenými tryskami Předností přímého vstřikování paliva je hlavně nižší spotřeba motorů a jejich snadnější startovatelnost. Aby tyto přednosti nebyly zastíněny vyššími emisemi a hlučností chodu, musí být použito dalších opatření, které tyto nedostatky přímého vstřiku odstraní, nebo alespoň omezí na přijatelnou míru. Pro omezení kouřivosti vznětových motorů je důležité vstřikovat palivo vysokou rychlostí ve formě jemných kapiček. Vstřikování paliva probíhá přibližně poloviční dobu, než u vstřikování nepřímého. Vstřikovací tlak je ale zhruba dvojnásobný. Aby nedocházelo ke zvýšení hlučnosti chodu motoru a nárůstu emisí oxidu dusíku, musí být průběh vstřiku vhodně tvarován.

38

Obr.32: Průběh vstřikování

Obrázek 32 znázorňuje průběh vstřikování s „pilotním“ vstřikem malého množství paliva a s následným vstřikem hlavní dávky po krátkém přerušení.

4 PERSPEKTIVY

A

VÝVOJ

PALIVOVÝCH

SYSTÉMŮ

NAFTOVÝCH MOTORŮ Bezporuchová funkce vstřikovací soustavy a kvalita spalovacího procesu jsou závislé na stavu palivového okruhu a čistotě paliva. Vysokotlaké díly vstřikovacích čerpadel a trysek jsou vyráběny s přesností tisícin milimetru a vzájemně přizpůsobovány. Nečistotami v palivu, jejichž rozměry jsou srovnatelné s uvedenými tolerancemi, je funkce čerpadla a trysek ohrožena. Není-li palivo dostatečně filtrováno, dochází k poškození a předčasnému opotřebení různých dílů vstřikovacích čerpadel i dalším následkům. K těm patří nedokonalé spalování, vyšší spotřeba, špatná startovatelnost, neklidný volnoběžný chod a nižší výkon motoru. Důležité je i odvzdušnění vstřikovacího čerpadla a palivového okruhu. Vzduch v palivové soustavě způsobuje poruchy, protože je stlačitelný. Odvětrávání vstřikovacího čerpadla je potřebné po delší přestávce v provozu, dále po demontáži nebo uvolnění těsnosti čerpadla a nízkotlakého nebo vysokotlakého potrubí. Odvzdušnění je potřebné, jestliže je v potrubí nebo v nasávacím prostoru vzduch, nebo když došlo k vyprázdnění nádrže během chodu motoru.

39

4.2 Palivové okruhy řadových vstřikovacích čerpadel Palivo pro řadové vstřikovací čerpadlo se čerpá z nádrže podávacím čerpadlem. Podávací čerpadlo bývá umístěno na boční stěně vstřikovacího čerpadla. Píst podávacího čerpadla je poháněn vačkou, která se nachází na vačkové hřídeli vstřikovacího čerpadla, na které jsou vačky čerpadlových článků. Nejdříve protéká palivo z nádrže předčističem v dolní části podávacího čerpadla a je nasáto do tlakového prostoru. Píst podávacího čerpadla je posouván vačkou proti síle vratné pružiny a uděluje palivu tlak 150 až 250 kPa. S tímto tlakem je palivo přiváděno přes dvoustupňový palivový filtr do vstřikovacího čerpadla. Ve filtru je palivo zbavováno nečistot i vzduchových bublin. Součástí filtru bývá i přepouštěcí ventil, kterým odtéká nadbytečné palivo zpět do palivové nádrže. V podávacím čerpadle je integrováno i ruční čerpadlo, které se používá k naplnění vstřikovací soustavy palivem po servisních činnostech, nebo po úplném vyprázdnění palivové nádrže během chodu motoru. Kromě toho je ruční čerpadlo potřebné při odvzdušnění celé soustavy. Ruční čerpadlo se nachází v horním výstupku podávacího čerpadla.

Obr.33 Palivový okruh vstřikovací soustavy a řadovým čerpadlem (výrobek Bosch)

40

4.2.1

Palivové okruhy rotačních vstřikovacích čerpadel

Palivová soustava rotačních vstřikovacích čerpadel se dělí na nízkotlakou a vysokotlakou část. Nízkotlaká část vstřikovací soustavy s rotačním čerpadlem obsahuje palivovou nádrž, nízkotlaké palivové potrubí, palivový filtr, křídlové podávací čerpadlo, ventil regulace tlaku a přepouštěcí škrticí ventil. Křídlové podávací čerpadlo nasává palivo z palivové nádrže. Při každé otáčce dopravuje do vnitřního prostoru vstřikovacího čerpadla přibližně stálé množství paliva. Tlak paliva přiváděného do vnitřního prostoru je závislý na otáčkách čerpadla. Aby tlak nebyl při vysokých otáčkách příliš velký, je potřebný ventil regulace tlaku. Je to pružinou zatížený šoupátkový ventil, připojený otvorem s kardioidním vybráním výstupu podávacího čerpadla. Ventil regulace mění podávací tlak křídlového čerpadla podle dodávaného množství paliva. Stoupne-li tlak paliva nad určitou hodnotu, otevře píst ventilu odtokový otvor, přes který může palivo odtékat kanálkem zpět do sací části podávacího čerpadla. Pokud je tlak paliva nízký, zůstává otvor silou pružiny uzavřen. Předepnutí pružiny, kterým je určen otevírací tlak pružiny, je nastavitelné. Pro chlazení a samočinné odvzdušnění rotačního vstřikovacího čerpadla slouží přepouštěcí škrticí ventil. Ventil je umístěn na tělese vstřikovacího čerpadla a je propojen s jeho vnitřním prostorem. Přes malý otvor tohoto ventilu může odtékat měnící se množství paliva zpět do nádrže. Pro odtékající palivo představuje otvor ventilu odpor, takže tlak paliva ve vnitřním prostoru čerpadla zůstává zachován. Protože je ve vnitřním prostoru vstřikovacího čerpadla potřebný přesně definovaný tlak závislý na otáčkách, je dán vzájemnou součinností ventilu regulace tlaku a přepouštěcího ventilu. U nových vstřikovacích soustav je používáno přepouštěcích ventilů s kuličkou, zatíženou pružinou. Toto uspořádání umožňuje odtok paliva až po dosažení přednastaveného tlaku. V takovém ventilu je navíc škrticí otvor s velmi malým průřezem, který slouží k odvětrávání paliva. Do vysokotlaké části se pístem rozdělovače čerpá palivo z vnitřního prostoru. Rozdělovač vytváří potřebný vstřikovací tlak paliva a rozvádí palivo ke vstřikovacím tryskám válců motoru. Pro odvětrávání vysokotlakého prostoru vstřikovacího čerpadla slouží odvětrávací šroub. Pro funkci vstřikovacího čerpadla je potřebné přivádět palivo do vysokotlaké části plynule, bez vzduchových bublin a pod tlakem. Při méně příznivém uložení palivové

41

nádrže, nebo při delším palivovém potrubí mezi nádrží a vstřikovacím čerpadlem, je palivová soustava doplněna předřadným podávacím čerpadlem. Předřadné podávací čerpadlo je u starších typů soustav poháněno motorem a doplněno ručním čerpadlem. Obě čerpadla se nacházejí mimo palivovou nádrž. Nové typy vstřikovacích soustav používají čerpadel poháněných elektromotorem. Tato čerpadla jsou obdobná jako u vstřikovacích soustav zážehových motorů a bývají umístěna v palivové nádrži. [FERENC, B. Spalovací motory]

Obr.34 Palivová soustava rotačního vstřikovacího čerpadla s rozdělovačem (typ VE firmy Bosch)

(1 – křídlové podávací čerpadlo; 2 – ovládací páka; 3 – přepouštěcí škrticí ventil; 4 – stavěcí šroub maximálního zatížení motoru; 5 – píst rozdělovače paliva; 6 – regulační šoupátko; 7 – vnitřní prostor vstřikovacího čerpadla; 8 – vačkový kotouč; 9 – píst přesuvníku vstřiku; 10 – předřadné vstřikovací čerpadlo; 11 – palivový filtr; 12 – ventil regulace tlaku; 13 – odvzdušňovací šroub)

42

4.2.2

Palivový okruh vstřikovacích soustav „common rail“

Vstřikovací soustava tohoto druhu se liší od ostatních tím, že vstřikovací tlak paliva se s otáčkami palivového čerpadla nemění. Vysokotlaké čerpadlo nevytváří tlak paliva, který by byl svázán s polohou klikové hřídele motoru. Proto musí i podávací čerpadlo dodávat vysokotlakému čerpadlu palivo s rovnoměrným tlakem. Podávací čerpadlo je poháněno elektromotorem a umístěno v palivové nádrži spolu s regulátorem tlaku jím dodávaného paliva. Obvykle je to jednostupňové válečkové čerpadlo, které vytváří dostatečně vysoký tlak paliva, aby mohl být udržován regulátorem na stálé úrovni. Jinou možností je použití motorem poháněného zubového čerpadla, které je samozřejmě umístěno mimo palivovou nádrž. Čerpadlo čerpá palivo z nádrže přes palivový filtr a předehřívač paliva. Předehříváním paliva se předchází vzniku voskových krystalků při nízkých teplotách. Mezi podávacím zubovým a vysokotlakým čerpadlem je zařazen odpojovací ventil, který se otevírá po dosažení určitého tlaku přiváděného paliva. Zubové čerpadlo, na rozdíl od čerpadel pístových, dodává během své otáčky stálý objem paliva. Vysokotlaké čerpadlo je zpravidla s radiálními písty. Toto provedení je rozměrově i cenově nejvýhodnější. Konstrukce čerpadla je obdobná, jako pro přímé vstřikování benzinu. Aby byl objem dodávaného paliva co možná nejrovnoměrnější, používá se lichého počtu pístů. Tlak paliva v zásobníku je udržován regulátorem výstupního tlaku vysokotlakého čerpadla. Regulátor je ovládán elektromagnetickým ventilem, zapínaným signálem řídicí jednotky. Při zapnutí ventilu je nadbytečné palivo přepouštěno zpět do palivové nádrže nebo ke vstupu vysokotlakého čerpadla. Regulátor vysokého tlaku je umístěn buď v zásobníku paliva nebo ve vysokotlakém čerpadle.

43

Obr.35 Palivový okruh vstřikovací soustavy „common rail“

( A – tlak podávacího čerpadla; B – zpětný chod paliva; C – palivo s vysokým tlakem; D – přívod paliva z nádrže; 1 – zásobník/rozdělovač paliva; 2 – vysokotlaké čerpadlo; 3 – podávací zubové čerpadlo; 4 – hlavní palivový filtr; 5 – teplotní spínač s ohřívačem paliva; 6 – palivová nádrž; 7 – chladič paliva; Y – ovladače: 16 – vstřikovací tryska; 68 – odpojovací ventil; 92 – regulátor tlaku paliva; B – snímače: 30 – snímač teploty paliva; 113 – snímač tlaku paliva v zásobníku) Regulátor tlaku paliva je vložen mezi vstupem k zásobníku a odtokem nadbytečného paliva. Ovládací signál z řídicí jednotky se přivádí k vinutí elektromagnetu v regulátoru. Není-li signál přiveden, tlak paliva z čerpadla překoná sílu pružiny působící na kotvu elektromagnetu a ventil regulátoru otevře odtok paliva do nízkotlaké části okruhu. Předepnutím pružiny je nastaven minimální tlak paliva do tlakového zásobníku. Napětí signálu z řídicí jednotky přivedeného k vinutí elektromagnetu zvyšuje sílu působící na kulový uzávěr ventilu. Ventil je uzavřen a palivo z vysokotlakého čerpadla je dodáváno do tlakového zásobníku. Podle potřebného tlaku paliva se ventil střídavě otevírá a uzavírá a tím udržuje tlak na požadované hodnotě. Velikost tlaku paliva v zásobníku je snímána tlakovým snímačem. Signál snímače se přivádí do řídicí jednotky.

44

5 ZÁVĚR V současné době velkého rozvoje automobilového průmyslu hraje konstrukce a výroba motorů velkou roli. Můžeme říci, že motor je hlavním srdcem automobilu i jiných mobilních jednotek. V této bakalářské práci jsem se věnoval palivovým systémům u naftových motorů, především vlastní přípravě směsi, jak probíhá samotné vstřikování ať už nepřímé do vírové komůrky, tak přímé vstřikování do spalovacího prostoru, regulaci vstřikovaného množství paliva a počátku vstřiku. Poté jsem se věnoval zhodnocením palivových systémů, především řadových vstřikovacích čerpadel, u kterých se používá nejen mechanická regulace, ale i elektronická; rotačním vstřikovacím čerpadlům, které se vyznačují hlavně nižší hmotností a menšími rozměry, a to čerpadlům s axiálními a radiálními písty i s elektronickou regulací, používaným vstřikovacím tryskám, jednopružinovým i dvoupružinovým. Touto prací jsem chtěl udělat celkový pohled na již známé a používané palivové systémy a zejména okruh palivového systému „common rail“ ve kterém elektronika umožňuje realizovat složitější regulační charakteristiky, které vyjadřují závislost na prakticky libovolném počtu vstupních parametrů motoru. Změnou programu výpočtu a jeho výchozích hodnot se elektronická regulace upraví na různé typy motorů mnohem jednodušším způsobem než mechanická.

45

6 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1 FERENC, Bohumil, Spalovací motory – karburátory a vstřikování paliva, Vydavatelství a nakladatelství Computer press, 2004 ISBN 80-251-0207-6

2 VLK, F. Zkoušení a diagnostika motorových vozidel: Výkon vozidla, brzdové soustavy, motor, převodové ústrojí, odpružení, řízení, ovladatelnost, elektronické systémy. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, 2001. 575s ISBN 80-238-6573-0

46

7 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr.1 Vstřikovací soustava vznětového motoru..................................................................... 9 Obr.2 Nepřímé vstřikování motorové nafty do vírové komůrky........................................... 11 Obr.3 Provedení čepu na jehle trysky a příslušný tvar kužele paliva vstřikovaného čepovou tryskou.................................................................................................................................. 11 Obr.4 Přímé vstřikování motorové nafty.............................................................................. 12 Obr.5 Vytváření paprsků paliva vstřikovaného otvorovou tryskou ..................................... 13 Obr.6 Závislost spotřeby a emisí vznětového motoru na složení směsi ............................... 15 Obr. 7 Průběh závislosti emisí HC a NOX na počátku vstřikování...................................... 15 Obr.8 Průběh vývinu tepla spalováním vstřikované motorové nafty ................................... 17 Obr.9 Řez řadovým vstřikovacím čerpadlem typu A Bosch ................................................. 18 Obr.10 Regulace množství vstřikovaného paliva natáčením pístu čerpadla (Bosch).......... 19 Obr.11 Vysokotlaký okruh vstřikovací soustavy s řadovým čerpadlem............................... 19 Obr.12 Nastavitelný pevný doraz regulační tyče čerpadla pro seřízení maximálního vstřikovaného množství paliva ............................................................................................. 20 Obr.13 Provedení automaticky zapínaného dorazu dávky paliva pro maximální zatížení motoru .................................................................................................................................. 21 Obr.14 Řez přesuvníkem vstřiku .......................................................................................... 22 Obr.15 Řadové čerpadlo s elektronickým ovladačem regulační tyče množství paliva a se snímačem dráhy tyče............................................................................................................ 23 Obr.16 Funkční schema snímače dráhy regulační tyče řadového vstřikovacího čerpadla . 24 Obr.17 Snímač pohybu jehly vstřikovací trysky................................................................... 25 Obr.18 Mechanismus nastavení šoupátka a pístu čerpadlového článku pro elektronickou regulaci počátku vstřiku....................................................................................................... 26 Obr.19 Řadové vstřikovací čerpadlo se zdvihovým šoupátkem (pohled s částečným řezem) .............................................................................................................................................. 27 Obr.20 Základní provedení rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálním pístem............... 28 Obr.21 Schéma elektronické regulace otáček a počátku vstřiku u rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálním pístem .................................................................................................. 29 Obr.22 Řez rotačním vstřikovacím čerpadlem s radiálními písty........................................ 30 Obr.23 Blokové schéma vstřikovací soustavy pro vznětové motory s rotačním čerpadlem 31 Obr.24 Schemata otáčkových regulátorů rotačního vstřikovacího čerpadla ...................... 32 Obr.25 Funkční schéma rotačního vstřikovacího čerpadla................................................. 33 Obr.26 Funkční schéma elektronického řízení vstřikovacího čerpadla............................... 34 Obr.27 Vstřikovací tryska vznětového motoru ..................................................................... 35 Obr.28 Provedení čepové vstřikovací trysky........................................................................ 36 Obr.29 Provedení otvorové vstřikovací trysky..................................................................... 36 Obr.30 Tvary vrcholů vstřikovacích trysek vznětových motorů........................................... 37 Obr.31 Porovnání průběhu zdvihu jehly vstřikovací trysky................................................. 38 Obr.32: Průběh vstřikování.................................................................................................. 39 Obr.33 Palivový okruh vstřikovací soustavy a řadovým čerpadlem (výrobek Bosch)......... 40 Obr.34 Palivová soustava rotačního vstřikovacího čerpadla s rozdělovačem (typ VE firmy Bosch) .................................................................................................................................. 42 Obr.35 Palivový okruh vstřikovací soustavy „common rail“.............................................. 44

47