MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2010
LUDĚK GEŠVINDR
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav automobilové techniky
Palivové systémy vznětových motorů s přímým vstřikem Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera Ph.D. Vypracoval: Luděk Gešvindr Brno 2010
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma ,,Palivové systémy vznětových motorů s přímým vstřikem“ 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 Mendelovy univerzity v Brně. dne………………………………………. Podpis zhotovitele……………………….
Poděkování Děkuji Ing. Jiřímu Čuperovi, PhD. za odborné vedení a profesionální přístup. Jeho cenné rady byly klíčovým faktorem při vzniku této bakalářské práce.
Abstrakt Bakalářská práce se zabývá palivovými systémy vznětových motorů s přímým vstřikem. V úvodu je zahrnut vynálezce vznětového motoru Rudolf Diesel a jeho dlouholetá práce v této oblasti. Následuje základní rozdělení palivových soustav a řadová vstřikovací čerpadla. Dále jsou zde uvedeny druhy regulací, vstřikovače a vstřikovací trysky. Ve střední části jsou uvedena jednopístová a vícepístová vstřikovací čerpadla. Velká část je věnována palivové soustavě s
rotačními
vstřikovacími čerpadly, kde jsou podrobně popsány vlastnosti těchto systémů, principy činnosti a využití v praxi. Následuje palivová soustava s tlakovým zásobníkem Common Rail, kde je podrobně popsána nízkotlaká a vysokotlaká část, konstrukce a piezoelektronický vstřikovač. V závěru je zhodnocení celé práce a naznačení pravděpodobného vývoje v této oblasti. Klíčová slova: vstřikovací čerpadla, vstřikovací trysky, Common Rail
Abstrakt Bachelor thesis fuel systems of diesel engines with direct injection. In the beginning it included the inventor of the diesel engine, Rudolf Diesel and his longtime work
in
this
area.
Followed
by
the
basic
fuel
distribution
system
row and injection pumps. Next there are the types of regulation, the injector and injectors. In the middle section provides one-piston more-piston and injection pumps. A large part is devoted to the fuel system with rotary injection pump, which are described in detail the characteristics of these systems, operating principles and practical uses. Followed by a fuel tank system with a common rail pressure, which is described in detail at low pressure and high pressure part design and piezoelectronic injektor. In conclusion, evaluation of the whole work and outlined the likely developments in this area.
Keywords: injection pumps, injectors, common rail
OBSAH
1
ÚVOD..................................................................................................... 7 1.1 Rudolf Diesel a jeho vznětový motor ............................................ 7 1.2 Cíl práce........................................................................................... 8
2
ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ PALIVOVÝCH SOUSTAV ................. 9 2.1 Palivová soustava se stejným počtem vstřikovacích jednotek jako je počet válců................................................................................... 9 2.2 Palivová soustava se vstřikovacím čerpadlem s vysokým .......... 9 rozdělovačem paliva................................................................................ 9 2.3 Palivová soustava s elektronickou regulací................................ 10
3
PALIVOVÁ SOUSTAVA S ŘADOVÝM VSTŘIKOVACÍM ....... 12
ČERPADLEM ........................................................................................... 12 3.1 Mechanická regulace.................................................................... 12 3.2 Elektronická regulace (EDC) ...................................................... 13 3.3 Vstřikovače a vstřikovací trysky................................................. 14 4
AXIÁLNÍ ROTAČNÍ ČERPADLA.................................................. 15 4.1 Nízkotlaký okruh .......................................................................... 16 4.2 Vysokotlaká část vstřikovacího čerpadla................................ 17 4.3 Mechanická regulace s rozdělovačem paliva .......................... 18 4.4 Elektronická regulace pomocí systému EDC......................... 19 4.5 Rotační vstřikovací čerpadlo s axiálními písty VP 30......... 19 4.5.1
5
Princip činnosti rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálními písty VP 30.......... 20
RADIÁLNÍ ROTAČNÍ ČERPADLA ............................................... 22 5.1 Nízkotlaká část vstřikovacího čerpadla................................... 22 5.2 Vysokotlaká část vstřikovacího čerpadla................................ 23 5.3 Rotační vstřikovací čerpadlo s radiálními písty (VP 44)..... 24 5.3.1
Princip činnosti rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty VP 44........ 26
6 PALIVOVÁ SOUSTAVA S TLAKOVÝM ZÁSOBNÍKEM COMMON RAIL ...................................................................................... 27 6.1 Palivový systém............................................................................. 28 6.1.1
Nízkotlaká část .................................................................................................... 28
6.1.2
Vysokotlaká část.................................................................................................. 28
6.2 Vstřikovač řízený piezoelektronicky .......................................... 33 ZÁVĚR ....................................................................................................... 35 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY..................................................... 36 SEZNAM OBRÁZKŮ .............................................................................. 37
1
ÚVOD Ve své bakalářské práci se budu zabývat popisem palivových systémů pro
vznětové motory s přímým vstřikem.
1.1 RUDOLF DIESEL A JEHO VZNĚTOVÝ MOTOR
18.3.1857 se ve městě Seině narodil Rudolf Diesel. Již jako student měl touhu nahradit parní stroj jiným, silnějším a dokonalejším strojem. Jeho velkým vzorem byl francouzský fyzik, důstojník Sandi Carnot, který se zabýval účinností parního stroje. V roce 1823 vydal všem technikům známý Carnotův cyklus. Po dlouhé a usilovné práci získal Rudolf Diesel ve dne 28.2.1892 patent č. 67207 s názvem: ,, Způsob práce a druh provedení spalovacího motoru“. Samozřejmě se našlo pár odpůrců, mezi ně patřil i profesor Johanes Lüders a označil jeho práci za ,, Dieselův mýtus“. Ovšem Dieselovi příznivci, jako byl Heinrich Butz (ředitel Augsburské továrny) nebo profesor Schröter (ředitel Deutzské továrny na plynové motory), ho neustále podporovali a díky tomu mohl Diesel v listopadu roku 1893 přihlásit druhý německý patent č. 82168. V roce 1896 pracoval stále první motor, ale Diesel již pracoval na dalším motoru, tentokrát s myšlenkou snížit spotřebu paliva. Koncem tohoto roku byl motor sestaven a testován. Výsledky byly ohromující - za měsíc splnil všechny kladené požadavky. Motor naskočil pomocí stisknutí páky a stlačený vzduch z tlakové nádoby rozhýbal píst a následně setrvačník. Hlavní díly tohoto motoru byly: vysokotlaký kompresor, vstřikovací čerpadlo a tryska, sací a výfukový ventil. Následovala doba právních sporů o patenty, ale i tohle těžké období Rudolf Diesel s úspěchem přečkal. V roce 1913 byla postavena lokomotiva s Dieselovým motorem, která byla schopná táhnout dlouhý vlak rychlostí přes 100 km.h −1 . V Mnichově vznikl čtyřválcový motor pro automobily, který se osvědčil, ale měl vysoké výrobní náklady a řadu technických problémů. Rudolfa Diesela nijak nepřitahovala myšlenka aplikace jeho motorů do automobilu, sám řidičem nikdy nebyl. Tehdy ještě netušil, jaký silný potenciál v automobilech je. Tehdy byl již ve finančních potížích, které si způsobil špatnými investicemi do nemovitosti. Rudolf Diesel byl výborný vědec, ale špatný ekonom. Zemřel v roce 1913 v chudobě.
7
1.2 CÍL PRÁCE
Cílem této bakalářské práce je vytvořit přehled o palivových soustavách s přímým vstřikem pro vznětové motory. V této práci také zahrnu palivový systém common – rail, jeho využití v praxi a trendy ve vývoji.
8
2
ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ PALIVOVÝCH SOUSTAV
2.1 PALIVOVÁ
SOUSTAVA
SE
STEJNÝM
POČTEM
VSTŘIKOVACÍCH
JEDNOTEK JAKO JE POČET VÁLCŮ
a) Vstřikovací jednotky jsou umístěny na bloku motoru a jsou poháněny od rozvodu motoru vačkovým hřídelem. Tento způsob je rozšířen u vznětových motorů s větším zdvihovým objemem (lodní motory, nákladní automobily, lokomotivy). Vstřikovací tlak v této jednotce pohybuje až do 150 MPa. Tohle uspořádání se v odborné literatuře označuje jako ,,čerpadlo s cizím pohonem“ (PC) ( Jan 2008 ) b) Vstřikovací jednotky (písty s válci) mohou být uložené společně, tzn. řadová vstřikovací čerpadla mají vlastní pohon. Jsou používány nejčastěji u vznětových motorů nákladních automobilů.
2.2 PALIVOVÁ SOUSTAVA SE VSTŘIKOVACÍM ČERPADLEM S VYSOKÝM ROZDĚLOVAČEM PALIVA
Dopravování paliva s vysokým rozdělovačem je způsob velice rozšířený u osobních automobilů a lehkých užitkových vozidel do výkonu cca 150 kW u šestiválcového motoru. Tento způsob je znám i pod pojmem rotační. V dnešní době se využívají dvě konstrukční provedení těchto vstřikovacích čerpadel: a) jednopístová s axiálním
pohybem
pístu.
Počet
vytlačených
zdvihů
pístu
na jedno otočení je rovno počtu válců motoru. Kromě výtlaku řídí píst svým rotačním pohybem rozdělení paliva do jednotlivých vstřikovačů. ( Jan 2008 )
Obr. 1 Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem ( Jan 2008 )
9
b) dvoupístová (i třípístová) s protiběžným radiálním pohybem. Výhodou je dosažení vysokých vstřikovacích tlaků (do 160MPa) při malých vnějších rozměrech. Všechna zmíněná konstrukční provedení lze opatřit elektronickou regulací množství vstřikovaného paliva (EDC). (Jan 2008)
Obr. 2 Schéma palivové soustavy s řadovým vstřikovacím čerpadlem a elektronickou regulací (EDC). ( Jan 2008)
2.3 PALIVOVÁ SOUSTAVA S ELEKTRONICKOU REGULACÍ Při využití elektronických systémů můžeme položit základ pro vznik nových palivových soustav. Mezi již dříve zmiňované řadové a rotační vstřikovací čerpadla s elektronickou regulací také patří: a) PLD palivová soustava Celý německý název tohoto vstřikovacího systému je Pumpe – Leitung – Düse (překládáno jako ,,čerpadlo – potrubí – tryska“). Je to vysokotlaký vstřikovací
systém
s jednopístovými vstřikovacími čerpadly. Tento systém je poháněn od ventilového rozvodu motoru pomocí vačkového hřídele. Počet čerpadel odpovídá stejnému počtu válců motoru.
10
Princip činnosti: Palivo je dopravováno ze vstřikovacích čerpadel přes vstřikovací potrubí až ke vstřikovačům jednotlivých válců motoru. Vstřikování je regulováno elektronickou řídící jednotkou prostřednictvím elektromagnetických ventilů.
Obr. 3 Palivová soustava PLD (Jan 2008) b) PDE palivová soustava Palivová soustava se sdruženými vstřikovacími jednotkami je z německého jazyka (Pumpe – Düse – Einheit) překládána jako ,,čerpadlo – tryska“. Pístová vstřikovací jednotka a vstřikovací tryska tvoří jeden celek a je poháněna pomocí vačkového hřídele z ventilového rozvodu motoru. U zmíněného systému odpadá vstřikovací potrubí. Vstřikovací tlaky zde mohou dosáhnout hodnot až 200MPa. Využití tohoto systému je možné u nově konstruovaných motorů. ( Jan 2008 ) c) Common – rail zásobníkový systém V tomto systému se používá jedno vysokotlaké čerpadlo a společné palivové potrubí
(zásobník tlaku). Vše je spojeno s jednotlivými vstřikovači. Tento systém
je vhodný pro rychloběžné víceválcové motory s přímým vstřikem.
11
3
PALIVOVÁ SOUSTAVA S ŘADOVÝM VSTŘIKOVACÍM ČERPADLEM
Obr. 4 Řadové vstřikovací čerpadlo (motorpal PP4M.f) ( Jan 2008) Princip činnosti: Podávací čerpadlo nasává palivo z nádrže a dopravuje ho do filtru a následně do vstřikovacího čerpadla. Vstřikovací čerpadlo díky vysokotlakým potrubím dodává palivo do vstřikovacích trysek. Tlak ve vysokotlakém potrubí se pohybuje od 25 MPa až do 120 MPa. Modernější vstřikovací čerpadla dosahují tlaku až 180 MPa. Přebytek paliva ze vstřikovacího čerpadla je spolu s palivem ze vstřikovače, které nebylo využito, přiváděno zpět do nádrže. U vstřikovačů je to známo jako ,,přepad“ (Jan 2008)
3.1 MECHANICKÁ REGULACE Aby motor mohl mít požadované otáčky, musí mít vstřikovací čerpadlo regulaci. Např. u motoru, který by neměl regulaci, mohou jeho otáčky klesnout až na takovou hodnotu, která by vedla k jeho zastavení. Nebo mohou postupně stoupat až k maximálním otáčkám a to by vedlo k jeho zničení. (Jan 2008)
12
Základní druhy regulace: a) výkonnostní (otáčková): regulátor nastavuje sám potřebné množství paliva při zvolených otáčkách. Tato regulace se používá pro jeřáby, vodní čerpadla, elektrické generátory a také u zemědělských strojů. b) omezovací regulátor: ovládá maximální a volnoběžné otáčky. Mezi těmito otáčkami je omezovací regulátor neúčinný. Této regulace se využívá u nákladních a osobních automobilů. c) všerežimová regulace: je kombinací výkonnostní a omezovací regulace. Ovládacím ústrojím lze nastavit jednu nebo více hodnot v rozsahu pracovních otáček. Otáčky jsou udržovány i při změně zatížení motoru. (Jan 2008)
3.2
ELEKTRONICKÁ REGULACE (EDC)
Regulace EDC je z anglického jazyka (Electronic – Diesel – Control). Vlastnosti i princip činnosti jsou stejné jako u elektronické regulace řadových vstřikovacích čerpadel. Rozdíly najdeme v konstrukci některých snímačů, akčních členů a uspořádání celého systému. (Jan 2008) Hlavní části EDC systému a) snímače: zjišťují provozní podmínky jako jsou otáčky klikového hřídele, snímač pohybu jehly vstřikovací trysky, snímač plnícího tlaku, měřič hmotnosti vzduchu vyhřívaným filmem, teplota chladící kapaliny v motoru, teplota plnícího vzduchu a teplota paliva. b) řídící jednotka: zde jsou mikroprocesory, které zpracovávají informace a tyto informace posílají dále do akčních členů. Je zde řídící jednotka čerpadla a řídící jednotka motoru. c) akční členy: zpracovávají elektrické signály z řídící jednotky na mechanický pohyb. Najdeme zde elektromagnetický ventil vysokotlaký a přesuvník vstřiku, řídící jednotku doby žhavení a regulaci škrtící klapky. (Jan 2008)
13
Obr. 5 Blokové schéma systému elektronické regulace EDC (Jan 2008)
3.3 VSTŘIKOVAČE A VSTŘIKOVACÍ TRYSKY Vstřikovač je poslední část vstřikovacího zařízení, jehož úkolem je přivést palivo do spalovacího prostoru motoru ve správné formě a směru, utěsnění vzhledem ke spalovacímu prostoru a ovlivňování vstřiku. Na trysky jsou kladeny velké nároky, ať už je to z hlediska tepelného nebo z hlediska mechanického namáhání. Při takto velkých tlacích se už nafta nechová jako nestlačitelná kapalina, ale dojde k určité stlačitelnosti. Při dopravování paliva se bude tento systém ,,nafukovat“. Množství paliva vstříknutého do spalovacího prostoru ovlivňuje průřez trysky. Vstřikovací tryska ve vznětovém motoru má vliv na výkon motoru, spotřebu nafty a obsah škodlivých látek ve výfukových plynech. Princip činnosti a konstrukce vstřikovače Vstřikovač se skládá ze vstřikovací trysky a držáku trysky s ovládacím ústrojím. Vstřikovací tryska (8) je k držáku (3) připevněna pomocí převlečné matice, anebo v případě dvoudílného držáku pomocí jeho spodního dílu. Mezi držákem (3) a tryskou (8) je umístěn mezikus (7), umístění je provedeno lapováním dosedacích ploch. Jehla (10) je v tělese trysky uložena posuvně s malou vůlí. Jehla musí být schopna utěsnit velmi značné vstřikovací tlaky. Na konci jehly je těsnící kužel, který je vinutou tlačnou
14
pružinou (5) tlačen do kuželového sedla v tělese trysky. K docílení těsnosti a dobré funkce trysky se provádí úhel sedla asi o 1° až 2° menší než příslušný úhel na jehle. (Jan 2008).
Obr. 6 Vstřikovač s prodlouženou otvorovou tryskou (přímý vstřik paliva)(Jan 2008) 1 – přívod paliva, 2 – odvod paliva, 3 – držák trysky, 4 – seřizovací podložka, 5 – tlačná pružina, 6 – tlačný čep, 7 – mezikus, 8 – těleso vstřikovací trysky, 9 – převlečná matice, 10 – jehla trysky, 11 – kovový čistič paliva
4
AXIÁLNÍ ROTAČNÍ ČERPADLA Tento druh vstřikovacích čerpadel je vhodný a využívaný pro motory osobních
automobilů a menších užitkových vozidel. Základní výhody tohoto systému: - malá hmotnost a kompaktní konstrukce - je nezávislý na mazacím systému motoru - použití jednoho pístu zaručuje ve všech válcích v motoru stejný počátek dopravování paliva a stejné vstřiknuté množství
15
Obr. 7 Palivová soustava se vstřikovacím čerpadlem s rozdělovačem paliva ( Jan 2008)
4.1 NÍZKOTLAKÝ OKRUH K tomuto nízkotlakému okruhu patří tyto části: palivová nádrž, čističe paliva, lamelové dopravní čerpadlo, řídící redukční ventil a škrtící tryska. Princip činnosti: Lamelové dopravní čerpadlo (2) nasává palivo z nádrže (27) a dodává do vnitřního prostoru skříně čerpadla (29) na jednu otáčku přibližně stejný objem paliva. Protože ve skříni čerpadla je požadován tlak lineárně závislý na počtu otáček, je nutno použít redukční ventil (3), který zajišťuje, aby určitým otáčkám odpovídal požadovaný tlak paliva, a to tak, že s rostoucími otáčkami tlak vzrůstá. Určitá část paliva proudí přes redukční ventil zpět do sání dopravního čerpadla. Z důvodu chlazení a samočinného odvzdušňování vstřikovacího čerpadla proudí rovněž část paliva přes škrtící trysku (4) zpět do nádrže. Místo trysky může být použit škrtící ventil. Poznámka: U osobních a lehkých užitkových vozidel je výškový rozdíl mezi nádrží a vstřikovacím čerpadlem obvykle malý a délka potrubí natolik příznivá, že pro dopravu paliva je sací výkon ve vstřikovacím čerpadle zabudovaného lamelového
16
čerpadla postačující. U vozidel, u nichž je velký výškový rozdíl mezi polohou nádrže a vstřikovacího čerpadla a navíc délka potrubí mezi těmito částmi značná, je nutno použít ještě další dopravní čerpadlo (pomocné), umístěné mezi nádrží a čističem paliva. (Jan 2008)
Obr. 8 Lamelové dopravní čerpadlo ( Jan 2008)
4.2 VYSOKOTLAKÁ
ČÁST VSTŘIKOVACÍHO ČERPADLA
V této části se získává tlak, který je potřebný pro vstřiknutí paliva do spalovacího prostoru. Sem patří pohon pístu rozdělovače, axiální vačka, těleso rozdělovače, odměřování dávek paliva a výtlačný ventil. Princip činnosti pohonu pístu rozdělovače: Výstupky na hnacím hřídeli (1) a na axiální vačce (7) zapadají do křížového kotouče (36). Axiální vačkou se mění čistě rotační pohyb hnacího hřídele na rotační pohyb pístu rozdělovače (8). Axiální vačka se odvaluje po kladkách uchycených v kladkovém kruhu (6). Píst rozdělovače je uložen v axiální vačce a jeho poloha je zajištěna kolíkem. Axiální vačka se odvaluje po kladkách uchycených v kladkovém kruhu (6). Píst rozdělovače je uložen v axiální vačce a jeho poloha je zajištěna kolíkem. Pohyb pístu směrem k dolní úvrati zajišťují dvě symetricky vratné pružiny (40), navíc brání k odskakování axiální vačky od kladek v případech velkých zrychlení. Aby se píst rozdělovače ve vedení nekřížil, musí být obě vratné pružiny přesně stejně dlouhé. (Jan 2008)
17
Obr. 9 Pohon pístu rozdělovače ( Jan 2008)
4.3 MECHANICKÁ
REGULACE S ROZDĚLOVAČEM PALIVA
Úkoly a rozdělení těchto regulátorů jsou stejné jako u řadových vstřikovacích čerpadel. Všerežimový odstředivý regulátor Skupina regulátorů je tvořena tělesem regulátoru a odstředivým závažím je poháněna hnacím hřídelem čerpadla. Skupina je uložena otočně na čepu, který je pevně spojen se skříní čerpadla. Radiální pohyb odstředivých závaží (19) působí axiální posuv regulačního pouzdra (20). Regulační síla vyvolaná posuvem regulačního pouzdra (20) působí změnu polohy regulačního mechanismu, který je tvořen pákami nastavovacími, napínacími (42) a spouštěcími (43). Vzájemným působením sil vzniklých pohybem regulačního pouzdra a sil pružin je poloha regulačního mechanismu definována. Změny polohy se přenáší na regulační šoupátko (9), které ovládá velikost dodávky paliva. (Jan 2008)
18
4.4 ELEKTRONICKÁ
REGULACE POMOCÍ SYSTÉMU
EDC
Obr. 10 Blokové schéma systému elektronické regulace (EDC) Bosch VE
4.5 ROTAČNÍ
VSTŘIKOVACÍ ČERPADLO S AXIÁLNÍMI PÍSTY
VP 30
Systém VP 30 s modulární koncepcí je založen na osvědčeném principu rozdělovacího vstřikovacího čerpadla s axiálními písty VP 37, avšak s plně elektronicky řízeným systémem odměřování paliv. Čerpadlo VP 30 splňuje následující požadavky: malé emise škodlivin, vysoká hospodárnost, vysoký jízdní komfort.
Obr. 11 Komponenty rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálními písty VP 30
19
1 – křídlové podávací čerpadlo s ventilem pro regulaci tlaku, 2 – snímač úhlu otáčení, 3 – válečkový prstenec, 4 – řídící jednotka čerpadla, 5 – konektor, 6- axiální písty vysokotlakého čerpadla, 7 – vysokotlaký elektromagnetický ventil, 8 – výtlačný ventil, 9 – elektromagnetický ventil přestavování začátku vstřiku, 10 – přesuvník vstřiku, 11 – kotoučová vačka, 12 – ozubený kotouč snímače úhlu natočení Systém VP 30 je rozdělovací vstřikovací čerpadlo s axiálními písty řízenými vysokotlakými elektromagnetickými ventily s plně elektronickým řízením množství paliva a okamžiku vstřiku. Systém VP 30 má mj. snímač impulzů a snímač úhlu natočení., vysokotlaký elektromagnetický ventil pro řízení vstřikované dávky paliva a pro odpojování paliva, elektromagnetický ventil přestavování začátku vstřiku pro okamžik vstřiku a pro dobu vstřiku a řídící jednotku čerpadla. V tomto vstřikovacím čerpadlu je vytvářen vysoký tlak čerpadla až 90 MPa, čímž se dosáhne vysoké energie rozprášení paliva na trysce a rychlé odezvy řízení množství paliva pomocí rychloupínacího
vysokotlakého
elektromagnetického
ventilu.
Řídící
jednotka
je namontována na horní straně vstřikovacího čerpadla. Jednotka vypočítává z informací snímače úhlu natočení a řídící jednotky hnacího ústrojí (PMC) ovládací signály pro vysokotlaký elektromagnetický ventil a přestavení počátku vstřikování. Palivový systém nemůže být při jízdě prázdný. Řídící jednotkou čerpadla je řízený vysokotlaký elektromagnetický ventil, který určuje vstřikované množství a dobu vstřiku pro každé jednotlivé vstřikování. Vysokotlaký elektromagnetický ventil uzavírá ventilovou jehlou přes řídící impuls od řídící jednotky čerpadla v dolní úvrati kotoučové vačky vysokotlaké čerpadlo. Okamžik uzavírání ventilu určuje začátek dodávky vstřikovacího čerpadla. Elektronickým rozpoznáním okamžiku uzavírání dostává řídící jednotka čerpadla přesnou informaci o začátku dodávky. Odměřování paliva se koná mezi začátkem dodávky a koncem řízeného elektromagnetického ventilu a označuje se jako doba dodávky a množství dodávky. (Vlk 2002) 4.5.1
Princip činnosti rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálními písty VP 30
Plnění Axiální píst koná zpětný pohyb. Vysokotlaký elektromagnetický ventil a tím předběžný kanál jsou otevřeny. Tlakem čerpadla a sacím účinkem axiálního pístu je palivo dodáváno do vysokotlakého prostoru. (Vlk 2002)
20
Čerpání Axiální píst koná dopředný pohyb, řídící štěrbina je otevřena. V tomto okamžiku ještě není dopravováno palivo, protože vysokotlaký elektromagnetický ventil nebyl ještě ovládán řídící jednotkou čerpadla. V určitém okamžiku určeném řídící jednotkou čerpadla se uzavře vysokotlaký elektromagnetický ventil a jehla ventilu uzavře předběžný kanál. Uzavřením jehly je definován okamžik, který se označuje jako začátek dodávky. Od tohoto okamžiku začíná nárůst tlaku uvnitř vysokotlakého systému. (Vlk 2002) Konec dodávky paliva Axiální píst stále ještě koná dopředný pohyb, řídící štěrbina je dále otevřená. V určitém
okamžiku
určeném
řídící
jednotkou
čerpadla
se
vysokotlaký
elektromagnetický ventil opět otevře a jehla ventilu otevře předběžný kanál. Palivo stále ještě dopravované axiálním pístem může přes kanál zpětného toku uniknout do skříně čerpadla. K odstavení motoru je vytváření vysokotlakého tlaku zcela přerušeno vysokotlakým magnetickým ventilem (vstřikované množství = 0), takže odpadá přídavný ventil (jaký je u mechanického rozdělovacího vstřikovacího čerpadla). (Vlk 2002)
Obr. 12 Odměřování paliva vysokotlakým elektromagnetickým ventilem (Ford) A – plnění, B – čerpání , C – konec dodávky paliva
21
1 – axiální píst, 2 – vysokotlaký prostor, 3 – prstencový kanál (přítok), 4 – cívka, 5 – jehla ventilu, 6 – přívodní kanál, 7 – směr zdvihu axiálního pístu, 8 – kanál ke vstřikovací trysce, 9 – řídící štěrbina, 10 – kanál zpětného toku
5
RADIÁLNÍ ROTAČNÍ ČERPADLA Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty byla vyvinuta pro rychloběžné
vznětové motory s přímým vstřikem paliva. Vyznačují se vysokou rychlostí při regulaci množství vstřikovaného paliva a počátku vstřiku. Jsou schopna vyvinout vstřikovací tlak až 185 MPa, ale běžné hodnoty se pohybují okolo 150 MPa. (Jan 2008)
Obr. 13 Palivová soustava s radiálním vstřikovacím čerpadlem (Jan 2008)
5.1 NÍZKOTLAKÁ
ČÁST VSTŘIKOVACÍHO ČERPADLA
Tato část zajišťuje dostatek paliva pro vysokotlakou část. Důležité části tohoto systému jsou: lamelové dopravní čerpadlo, redukční ventily a přepouštěcí ventil.
22
Obr. 14 Nízkotlaká část rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty (Jan 2008)
5.2 VYSOKOTLAKÁ
ČÁST VSTŘIKOVACÍHO ČERPADLA
Zde dochází k vytváření vysokého tlaku, rozdělování a dávkování paliva s řízeným počátkem.
Obr.15 Vysokotlaká část rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty (Jan 2008)
23
5.3 ROTAČNÍ
VSTŘIKOVACÍ ČERPADLO S RADIÁLNÍMI PÍSTY (VP 44)
Pro rychloběžné vznětové motory s přímým vstřikem bylo vyvinuto rotační vstřikovací čerpadlo s radiálními písty. Vyznačuje se vysokou rychlostí při regulovaném množství vstřikovaného paliva. Provedení radiálního čerpadla je na obrázku č. 16
Obr. 16 Komponenty rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty VP 44 1 – křídlové podávací čerpadlo s ventilem pro regulaci tlaku, 2 – snímač úhlu otáčení, 3 – vačkový kotouč, 4 – řídící jednotka čerpadla, 5 – konektor, 6 – radiální písty
vysokotlakého
čerpadla,
7
–
rozdělovací
hřídel,
8
–
vysokotlaký
elektromagnetický ventil, 9 – výtlačný ventil, 10 – elektromagnetický ventil přesuvníku vstřiku, 11 – přesuvník vstřiku, 12 – ozubený kotouč snímače úhlu otáčení
Systém VP 44 se vyznačuje následujícími vlastnostmi: - vysoká výkonnost daná kompaktní konstrukcí
24
- malá hmotnost - vysoká dynamika řízení množství a začátku vstřiku - vysoké tlaky paliva ve vstřikovacích tryskách Nejdůležitějšími složkami VP 44 jsou: křídlové čerpadlo, vysokotlaké čerpadlo s radiálními písty s rozdělovacím hřídelem a tlakovým ventilem, vysokotlaký elektromagnetický ventil, přesuvník vstřiku s magnetickým ventilem, snímač úhlu natočení, řídící jednotka čerpadla. Složení těchto složek do kompaktní jednotky dovoluje přesně vzájemně sladit společný účinek jednotlivých funkčních jednotek. V tomto vstřikovacím čerpadle se vytváří vysoký tlak čerpadla až 140 MPa a vstřikovací tlak až 160 MPa (podle varianty). Tímto způsobem je přesně dodrženo zadání a splněna požadovaná výkonová charakteristika. Palivový systém nemůže být při jízdě prázdný. Signálem od snímače v palivové nádrži způsobuje řídící jednotka EEC V (Ford) při určitém zbytkovém množství paliva škubání motoru. Nadproudový škrtící ventil našroubovaný na skříň čerpadla slouží ke chlazení a odvětrávání rozdělovacího vstřikovacího čerpadla, přičemž palivo odtéká přes kuličkový ventil k palivové nádrži. Uvnitř tělesa ventilu je umístěn pružinový kuličkový ventil, který nechá odtékat palivo z VP 44 teprve při dosažení určitého otevíracího tlaku. Ve vedlejším toku ke kuličkovému ventilu je navíc v tělese ventilu vrtání, které je spojeno s vratným tokem čerpadla přes malý škrtící otvor s velmi malým průměrem. Toto škrcené spojení usnadňuje samočinné odvětrávání systému VP 44. Celý nízkotlaký oběh systému VP 44 je tak sladěn, že přes toto škrcení proudí definované množství paliva k palivové nádrži. Protože systém VP 44 může na straně čerpadla vytvářet velmi vysoký tlak paliva (asi až 105 MPa), není křídlové čerpadlo samotné schopno zaručit dostatečnou cirkulaci paliva přes rozdělovací vstřikovací čerpadlo, aby se toto příslušně ochlazovalo. Z tohoto důvodu je v přívodu paliva zabudováno dodatečné elektrické palivové čerpadlo, které podporuje křídlové čerpadlo. Ve vratném vedení mezi systémem VP 44 a palivovou nádrží je zabudován chladič paliva, který ochlazuje zahřáté palivo od vstřikovacího čerpadla, dříve než palivo dospěje zpět do palivové nádrže. (Vlk 2002) Vysokotlaký elektromagnetický ventil pro odměřování paliva je umístěn ve středu rozdělovacího tělesa. Ventil otevírá a uzavírá jehlou přívodní otvor mezi vysokotlakým čerpadlem s
radiálními písty a přípojkou tlakového potrubí
25
k vstřikovacímu čerpadlu. Konstrukce a funkce je podobná jako u vysokotlakého elektromagnetického ventilu rozdělovacího vstřikovacího čerpadla VP 30. Rozdíl spočívá v tom, že jehla ventilu vysokotlakého elektromagnetického ventilu vyčnívá dovnitř rozdělovacího hřídele a synchronně se s ním otáčí. (Vlk 2002) 5.3.1
Princip činnosti rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty VP 44 Plnění Podávací písty vysokotlakého čerpadla s radiálními písty se pohybují směrem
ven. Vysokotlaký elektromagnetický ventil a tím přítok jsou otevřeny, vysokotlaký prostor vysokotlakého čerpadla s radiálními písty je plněn. Nadbytečné palivo odtéká vratným vedením paliva. (Vlk 2002) Čerpání Podávacími písty je palivo stlačováno ve středu vysokotlakého čerpadla s radiálními písty. Při dotyku válečků s válečkovou dráhou na prstenci se vysokotlaký elektromagnetický ventil uzavře a jehla ventilu uzavře přívodní kanál. Palivo je dodáváno výtlačným ventilem do vstřikovací trysky. (Vlk 2002) Konec dodávky paliva Když bylo dosaženo potřebného vstřikovaného množství paliva, otevře se opět vysokotlaký elektromagnetický ventil signálem od řídící jednotky čerpadla a jehla ventilu otevře přívodní kanál. V tomto okamžiku se pohybují radiální písty stále ještě ve směru do středu vysokotlakého čerpadla s radiálními písty. Palivo stále dopravované až do maximálního zdvihu vačky dospěje přes přívodní kanál do membránového prostoru. Vysoké tlakové špičky, které přitom působí na nízkotlaké straně vstřikovacího čerpadla, jsou tlumeny membránou zásobníku. Kromě toho akumulované množství paliva v membránovém prostoru podporuje plnění pro další vstřikování. (Vlk 2002)
26
Obr. 17 Odměřování paliva vysokotlakým elektromagnetickým ventilem (Vlk 2002) A – plnění, B – čerpání, C – konec dávky paliva 1 – podávací píst, 2 – rozdělovací hřídel, 3 – vratný tok paliva, 4 – jehla ventilu, 5 – cívka, 6 – přívodní kanál, 7 – vačkový kotouč, 8 – kanál ve vstřikovací trysce, 9 – membránový prostor, 10 – membrána zásobníku Pro odstavení motoru vyšle modul PCM signál ,,vstřikované množství = 0“ do vstřikovacího čerpadla. Jehla vysokotlakého elektromagnetického ventilu tím již neuzavře přívodní kanál a nemůže nastat nárůst tlaku a motor zhasne. (Vlk 2002)
6
PALIVOVÁ SOUSTAVA COMMON RAIL
S
TLAKOVÝM
ZÁSOBNÍKEM
U tohoto způsobu vstřikování paliva je odděleno vytváření tlaku a vstřikování. Vstřikovací tlak je nezávislý na otáčkách motoru a množství vstřikovaného paliva. Palivo je přivedeno do vysokotlakého zásobníku, (známý jako Rail), a odtud je vedeno do vstřikovačů. Vstřikování je zajišťováno elektronickou řídící jednotkou, která vypočítá přesné potřebné množství paliva a jeho tlak po dobu otevření vstřikovací trysky. Výhody: a) vstřikování paliva pod vysokým tlakem. Výsledkem je dokonalé rozprášení a smíchání se vzduchem ve spalovacím prostoru, snížení spotřeby paliva.
27
b) motor má tišší a měkčí chod, díky předstřiku, který je uskutečněn několik milisekund před hlavním vstřikem do spalovacího prostoru. c) emise obsaženy ve výfukových plynech jsou podstatně nižší.
6.1 PALIVOVÝ SYSTÉM
Palivový systém Common rail je sestaven ze zařízení pro dopravu a čištění paliva (nízkotlaká část) a samostatného vstřikovacího zařízení (vysokotlaká část). 6.1.1 Nízkotlaká část
Nízkotlaká část má za úkol dodat dostatek paliva pro část vysokotlakou. Do této části patří: palivová nádrž, dopravní palivové čerpadlo, jemný filtr paliva, nízkotlaké palivové potrubí, nízkotlaký okruh vysokotlakého čerpadla a zpětné palivové potrubí. Elektrické válečkové čerpadlo Využití tohoto čerpadla najdeme pouze u osobních a lehkých užitkových vozidel. Obvykle je umístěno přímo v palivové nádrži. Zubové čerpadlo Čerpadlo je umístěno buď ve vysokotlakém čerpadle a má s ním společný pohon (ozubené soukolí, ozubený řemen), nebo je přímo na motoru a má pohon vlastní. Dopravované množství je přibližně úměrné otáčkám motoru. Proto je prováděna regulace množství dopravovaného paliva buď škrcením průtoku na straně sání, nebo obtokovým přepouštěním na straně výtlačné. ( Jan 2008) 6.1.2 Vysokotlaká část
Vysokotlaká část má za úkol vytvářet dostatečně vysoký tlak a dále také rozděluje a odměřuje množství vstřiknutého paliva. Do této části patří: vysokotlaké čerpadlo s odpojovacím ventilem jednotky čerpadla a regulátorem tlaku paliva, vysokotlaký zásobník paliva (Rail), pojistný ventil, vstřikovače, omezovač průtoku, snímač tlaku paliva v zásobníku.
28
Obr. 18 Řídící systém vstřikování systému common – rail (Jan 2008) 1 – vysokotlaké čerpadlo, 2 – odpojovací ventil jednotky čerpadla, 3 – regulátor tlaku paliva, 4 – jemný čistič paliva, 5 – nádrž, 6 – řídící jednotka motoru, 7 – ovládací jednotka žhavení, 8 – akumulátor, 9 – vysokotlaký zásobník (Rail), 10 – snímač tlaku paliva, 11 – omezovač průtoku paliva, 12 – pojistný ventil, 13 – snímač teploty paliva, 14 – vstřikovač, 15 – žhavící svíčka, 16 – snímač teploty chladící kapaliny, 17 – snímač polohy otáček, 18 – snímač polohy otáček vačkového hřídele1 19 – snímač teploty plnícího vzduchu, 20 – snímač plnícího tlaku, 21 – měřič hmotnosti nasávaného vzduchu, 22 – turbodmychadlo, 23 – převodník recirkulace spalin, 24 – převodník regulace plnícího tlaku turbodmychadla, 25 – podtlakové čerpadlo, 26 – přístrojová deska, 27 – snímač polohy plynového pedálu, 28 – snímač brzdového pedálu, 29 – snímač spojkového pedálu, 30 – snímač rychlosti vozidla, 31 – ovládání tempomatu, 32 – kompresor klimatizace, 33 – ovládání klimatizace, 34 – diagnostická kontrolka
Vysokotlaké čerpadlo Tohle čerpadlo tvoří rozhraní mezi nízkotlakou a vysokotlakou částí. Jeho úkolem je vždy dodávat dostatečné množství paliva pod vysokým tlakem při všech
29
provozních režimech běhu motoru. Vysokotlaké čerpadlo vytváří trvalý tlak pro systémový zásobník (Rail). Konstrukce Vysokotlaké čerpadlo je na motor montováno přednostně na stejné místo jako klasické rotační vstřikovací čerpadlo. Je poháněno klikovým hřídelem motoru prostřednictvím ozubeného soukolí, ozubeného řemenu nebo řetězu. Volba převodu je provedena tak, aby otáčky čerpadla při nejvyšších otáčkách motoru nepřekročily 3000 min-1. Čerpadlo je mazáno a chlazeno palivem. Vysokotlaké čerpadlo tvoří tři základní pístové jednotky s radiálně uspořádanými písty (6). Tyto pístové jednotky jsou vzájemně pootočeny o 120°. Každá jednotka má sací (8) a výtlačný ventil (10). Pohyb pístů je ovládán výstředníkovou vačkou (5), která je umístěna na hnacím hřídeli čerpadla (4). Na vačku dosedá zdvihátko, které převádí točivý pohyb vačky na přímočarý vratný pohyb pístu. Zdvihátko s pístem je na výstředníkovou vačku přitlačováno vinutou pružinou. ( Jan 2008)
Obr. 19 Vysokotlaké palivové čerpadlo (příčný řez) (Jan 2008) Regulátor tlaku paliva Regulátor tlaku má za úkol nastavit a držet tlak paliva v zásobníku v závislosti na zatížení motoru. Pokud je tlak příliš vysoký, otevře se regulační ventil a část paliva tak dotéká zpětným potrubím zpět do palivové nádrže. Pokud je tlak příliš malý,
30
regulační ventil se uzavře a utěsní tak vysokotlakou stranu vůči nízkotlaké. Tento regulátor má dva okruhy. Elektrický regulační okruh, který je pomalejší a je určen pro nastavení proměnné střední hodnoty tlaku ve vysokotlakém zásobníku a rychlejší mechanicko – hydraulický regulační okruh, který vyrovnává vysokofrekvenční tlakové kmitání.
Obr. 20 Regulátor tlaku paliva (Jan 2008) Vysokotlaký zásobník paliva Vysokotlaký zásobník má za úkol akumulovat palivo pod vysokým tlakem. Díky svému velkému objemu tak tlumí tlakové kmitání vznikající dopravou paliva vysokotlakým čerpadlem a odběrem paliva při vstřikování.
Obr 21 Vysokotlaký zásobník (Rail) (Jan 2008)
31
Vstřikovač Elektronicky řízený vstřikovač má za úkol vstřiknout přesné množství paliva a ve správném čase do spalovacího prostoru. Počátek vstřiku a vstřikované množství jsou nastaveny vstřikovačem. Konstrukce Vstřikovač je tvořen třemi částmi: otvorová vstřikovací tryska, hydraulický ovládaný systém, elektromagnetický ventil. Palivo proudí od vysokotlaké přípojky (4) přívodním kanálem (10) k jehle vstřikovací trysky (11) a současně také přes přívodní škrtící trysku (7) do ovládacího prostoru (8) nad ovládací pístek (9). Ovládací prostor je spojen přes odtokovou škrtící trysku (6) a elektromagneticky ovládaný kuličkový ventil (5) se zpětným odvodem paliva. ( Jan 2008)
Obr. 22 Průřez vstřikovačem v klidném a pracovním režimu (Jan 2008)
32
6.2 VSTŘIKOVAČ ŘÍZENÝ PIEZOELEKTRONICKY Piezoelektronický jev ( z řeckého ,,piezein“ – stlačit) objevili bratři Pierre a Jacques Curie již v roce 1880. Pozorovali, že když se na krystal (např. křemene, Seignettovy soli apod.) působí tlakem, vyvolí to na něm elektrické napětí. Působením tlaku se totiž pravidelná krystalová mřížka s kladně a záporně nabitými ionty deformuje. Posunutí iontů z jejich poloh vyvolává proudový impuls. Celý děj funguje však i obráceně. Přivede-li se na krystal elektrické napětí, bleskově se deformuje, a tak se vytvoří síla. Této skutečnosti (tj. vzniku síly jako následkem deformace krystalu) se využívá k nadzvednutí jehly vstřikovací prysky ve vstřikovači. Místo obvyklého křemíkového krystalu lze použít keramický materiál, který má rovněž piezoelektrické vlastnosti a s příměsí oxidu olovnatého nebo zirkoničitého odolává i tepelným podmínkám ve vznětovém motoru. (Jan 2008) Konstrukce a princip činnosti Potřebný
zdvih
jehly
vstřikovací
trysky
vyžaduje
určitou
tloušťku
piezoelektronického prvku. Firma Siemens VDO jej vyrábí asi ze 400 vrstev velmi tenké keramické folie, které jsou seskupeny do válcového piezoelektrického prvku o výšce asi 30 mm. Na tento prvek se přivádí napětí 150 V, které způsobí prodloužení krystalů celkem asi o 0,04 mm. Pohyb krystalů se mechanicky pomocí pístků a pružinek přivede na zdvih jehly vstřikovací trysky asi 0,08 mm. Tento poměrně malý zdvih postačuje k tomu, aby se vstřikovací tryska mohla přesně otevírat a zavírat. Tímto způsobem lze přesně odměřovat i velmi malá množství paliva. ( Jan 2008)
Obr. 23 Piezoelektronický vstřikovač
33
Výhody piezoelektronického vstřikovače -
několikanásobný vstřik s variabilním počátkem a časovými prodlevami mezi jednotlivými vstřiky
-
vstříknutí malého množství paliva před hlavní dávkou (tzn. předvstřik)
-
značné snížení emisí a zvýšení výkonu motoru
34
ZÁVĚR
Cílem této práce bylo vytvoření přehledu o palivových soustavách pro vznětové motory. Od nejstaršího systému, palivové soustavy se stejným počtem vstřikovacích jednotek, jako je počet válců, až po systém Common - Rail. V současné době je kladen velký důraz na ekonomiku provozu motoru, nejnižší možné emise škodlivých látek a samozřejmě bezporuchovost soustavy. Všechny tyto požadavky je schopen zajistit systém Common - Rail. Hlavní výhoda spočívá v možnostech variability. Od vstřikovacích tlaků, předstřiku a hlavní vstřikovací dávky, až po dokonalé načasování. Ostatní zmíněné vstřikovací systémy tuhle možnost nemají. Firma Scania používá Common - Rail v kombinaci s dalšími systémy. Podařilo se jí tak zvýšit výkon, snížit spotřebu paliva a množství emisí. Používá technologii EGR (recirkulace výfukových plynů) a SCR (selektivní katalytickou redukci). Snižovaní emisí a spotřeba paliva bude klíčový faktor při vývoji dalších systémů.
35
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1. BAUER, František, SEDLÁK, Pavel, Šmerda, Tomáš, Traktory, 1. vyd. Praha Profi press 2006. 191 s. ISBN 80-86726-15-0 2. JAN, Zdeněk, ŽDÁNSKÝ, Bronislav, Automobily: Příslušenství, 2. vyd. Brno Avid, spol.s.r.o 2008. 313 s. ISBN 978-80-87143-08-7 3. JAN, Zdeněk, ŽDÁNSKÝ, Bronislav, Automobily: Motory, 5. vyd. Brno Avid, spol.s.r.o 2008. 179 s. ISBN 978-80-87143-06-3 4. VLK, František, Elektronické systémy motorových vozidel, 1.vyd. Brno František Vlk 2002. 299s. ISBN 80-238-7282-6
Internetové zdroje www.scania.cz http://www.hotronik.de/images/crinjektor.jpg http://Periskop.CZ
36
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem Obr. 2 Schéma palivové soustavy s řadovým vstřikovacím čerpadlem a elektronickou regulací (EDC) Obr. 3 Palivová soustava PLD Obr. 4 Řadové vstřikovací čerpadlo (motorpal PP4M.f) Obr. 5 Blokové schéma systému elektronické regulace (EDC) Obr. 6 Vstřikovač s prodlouženou otvorovou tryskou (přímý vstřik paliva) Obr. 7 Palivová soustava se vstřikovacím čerpadlem s rozdělovačem paliva Obr. 8 Lamelové dopravní čerpadlo Obr. 9 Pohon pístu rozdělovače Obr. 10 Blokové schéma systému elektronické regulace (EDC) Bosch VE Obr. 11 Komponenty rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálními písty VP 30 Obr. 12 Odměřování paliva vysokotlakým elektromagnetickým ventilem (Ford) Obr. 13 Palivová soustava s rotačním vstřikovacím čerpadlem Obr. 14 Nízkotlaká část rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty Obr. 15 Vysokotlaká část rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty Obr. 16 Komponenty rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty VP 44 Obr. 17 Odměřování paliva vysokotlakým elektromagnetickým ventilem (Bosch/Ford) Obr. 18 Řídící systém vstřikování systému common – rail Obr. 19 Vysokotlaké palivové čerpadlo (příčný řez)
37
Obr. 20 Regulátor tlaku paliva Obr 21 Vysokotlaký zásobník (Rail) Obr. 22 Průřez vstřikovačem v klidném a pracovním režimu Obr. 23 Piezoelektronický vstřikovač http://www.hotronik.de/images/crinjektor.jpg
38
