Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Vliv palivového systému na práci spalovacího motoru Diplomová práce

Vedoucí práce: doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc.

Brno 2011

Vypracoval: Bc. Tomáš Nechvátal

Mendelova univerzita v Brně Ústav techniky a automobilové dopravy

Agronomická fakulta 2010/2011

ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor:

Název tématu:

Bc. Tomáš Nechvátal Zemědělská specializace Automobilová doprava

Vliv palivového systému na práci spalovacího motoru

Rozsah práce:

50 - 60 stran

Zásady pro vypracování: 1. 2. 3. 4. 5.

Rozbor problematiky zadání. Palivové systémy vznětových motorů Vliv palivové soustavy na práci spalovacího motoru. Vliv vybraného prvku palivové soustavy na práci vznětového motoru. Vyhodnocení naměřených parametrů.

Seznam odborné literatury:

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

VLK, F. Alternativní pohony motorových vozidel. Brno: Nakladatelství VLK, 2004. 234 s. ISBN 80-239-1602-5. VLK, F. Automobilová elektronika : Systémy řízení motoru a převodů. 3. 1. vyd. Brno: František Vlk, 2006. 355 s. ISBN 80-239-7063-1. VLK, F. Elektronické systémy motorových vozidel 1. Brno: Vlk, 2002. 298 s. ISBN 80-2387282-6. VLK, F. Elektronické systémy motorových vozidel 2. Brno: Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2002. 592 s. ISBN 80-238-7282-6. VLK, F. Koncepce motorových vozidel : Koncepce vozidel, Alternativní pohony, Komfortní systémy, Řízení dynamiky, Informační systémy.1. vyd. Brno: Nakl.Vlk, 2000. 367 s. ISBN 80238-5276-0. VLK, F. Paliva a maziva motorových vozidel. 1. vyd. Brno: František Vlk, 2006. 376 s. ISBN 80-239-6461-5. VLK, F. Vozidlové spalovací motory. Brno: Nakladatelství VLK, 2002. 580 s. ISBN 80-2388756-4. 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. 575 s. ISBN 80-238-6573-0. BAUMRUK, P. Příslušenství spalovacích motorů. 2. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1999. 9. 241 s. ISBN 80-01-02062-2. 10. RYBA, S. Seřizování motorů a elektrického příslušenství aut..

Datum zadání diplomové práce:

říjen 2009

Termín odevzdání diplomové práce:

duben 2011

Bc. Tomáš Nechvátal Autor práce

doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Vedoucí práce

doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Vedoucí ústavu

prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. Děkan AF MENDELU

PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Vliv palivového systému na práci spalovacího motoru vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.

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

PODĚKOVÁNÍ

Děkuji Doc. Ing. Miroslavu Havlíčkovi CSc. a Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za cenné rady, připomínky a pomoc, kterou mi poskytli v průběhu zpracování diplomové práce.

ABSTRAKT Téma diplomové práce je Vliv palivového systému na práci spalovacího motoru. V první polovině práce se věnuji popisu moderních vstřikovacích zařízení vznětových motorů osobních automobilů, jako jsou systém Common Rail, systém čerpadlo-tryska a v neposlední řadě systém s rotačním radiálním čerpadlem, se kterým náš měřený automobil disponuje. V další části práce jsem si zvolil vybraný prvek palivového systému a to změnu dávky paliva u dieselového motoru automobilu Škoda Octavia 1.9 TDi a srovnání průběhů točivého momentu, výkonu a kouřivosti. Měření se provádělo na válcovém dynamometru a jako palivo byla použita motorová nafta a řepkový olej.

Klíčová slova: čerpadlo, palivo, vznětový motor, nafta, vstřikovací zařízení

ABSTRACT The topic of my diploma thesis is The Influence of a Fuel System on the Work of a Combustion Engine. In the first half I deal with a description of modern injection systems of compression-ignition engine found in motorcars such as Common Rail system, pump-jet device and last but not least rotary- radial pump system used in our measured vehicle. In the next part I have chosen a selected component of the fuel system respectively fuel rate alternation in diesel engine of Škoda Octavia 1.9 TDI. I also deal with a comparison of a course of turning moment, engine output and smoke emission. The measurement was realised on a cylinder dynamometer. Engine oil and rape oil was used as fuel.

Keywords: pump, fuel, diesel, diesel, injection equipment

Obsah 1 2 3

Úvod .......................................................................................................................... 7 Cíl práce..................................................................................................................... 2 Tvorba směsi a spalování u vznětových motorů ........................................................ 2 3.1 Spalovací prostory vznětových motorů .............................................................. 2 3.1.1 Nedělené spalovací prostory....................................................................... 2 3.1.2 Dělené spalovací prostory........................................................................... 2 3.1.3 Výhody a nevýhody motorů s přímým a nepřímým vstřikováním............. 2 4 Paliva pro vznětové SPALOVACÍ MOTORY .......................................................... 2 4.1 Motorová nafta ................................................................................................... 2 4.2 Rostlinné oleje .................................................................................................... 2 5 Moderní palivové systémy vznětových motorů osobních automobilů – základní rozdělení .................................................................................................................... 2 5.1 Palivové systémy se vstřikovacím čerpadlem s vysokotlakým rozdělovačem paliva………………………………………………………………………….2 5.2 Palivové systémy s elektronickou regulací......................................................... 2 6 Palivová soustava s rotačním vstřikovacím čerpadlem ............................................. 2 6.1 Palivová soustava s rotačním čerpadlem s axiálními písty................................. 2 6.1.1 Nízkotlaký okruh ........................................................................................ 2 6.1.2 Vysokotlaký okruh...................................................................................... 2 6.2 Palivová soustava s vícepístovým radiálním čerpadlem .................................... 2 6.2.1 Nízkotlaká část palivové soustavy.............................................................. 2 6.2.2 Vysokotlaká část palivové soustavy ........................................................... 2 6.2.3 Elektronické řízení vstřikované dávky paliva EDC.................................... 2 7 Palivové systémy s elektronickou regulací ................................................................ 2 7.1 Palivová soustava se sdruženými vstřikovacími jednotkami PDE..................... 2 7.1.1 Třetí generace systému PDE – UIS ............................................................ 2 7.2 Zásobníkový systém Common Rail.................................................................... 2 7.2.1 Nízkotlaká část............................................................................................ 2 7.2.2 Vysokotlaká část ......................................................................................... 2 8 Metogika měření automobilu škoda octavia 1.9 Tdi ................................................. 2 8.1 Škoda Octavia 1.9 TDi ....................................................................................... 2 8.2 Vozidlová zkušebna Ústavu techniky a automobilové dopravy......................... 2 8.2.1 Vozidlový dynamometr 4VDM E120-D .................................................... 2 8.2.2 Emisní systémová analýza .......................................................................... 2 8.3 Druhy měření charakteristik spalovacích motorů............................................... 2 8.3.1 Použití charakteristik v praxi ...................................................................... 2 8.4 Postup při měření vnější otáčkové charakteristiky ............................................. 2 8.5 Tabulkové a grafické zpracování naměřených hodnot statickou metodou měření………… ................................................................................................. 2 8.6 Tabulkové a grafické zpracování naměřených hodnot dynamickou metodou měření ................................................................................................................. 2 8.7 Analýza naměřených hodnot .............................................................................. 2 8.8 Diskuse ............................................................................................................... 2 9 Závěr .......................................................................................................................... 2 Seznam obrázků................................................................................................................ 2 Seznam tabulek ................................................................................................................. 2 Seznam grafů .................................................................................................................... 2 Seznam literatury .............................................................................................................. 2

1

ÚVOD Při výběru motorizace u osobních automobilů se čím dál více uživatelů přiklání

k motoru s pohonem na motorovou naftu. V současné době jde ve vývoji vznětových motorů o zvyšování výkonu a točivého momentu motoru, ale zároveň se klade větší důraz na snižování spotřeby paliva a škodlivin ve výfukových plynech. Tyto parametry jsou z velké části závislé na palivové soustavě motoru, zejména pak na vstřikovacích tlacích kvůli jemnějšímu a preciznějšímu rozprášení paliva. Jako palivo se u vznětových motorů užívá motorová nafta, která je těžší frakcí ropy. Ropa a zemní plyn patří do tzv. klasických primárních látek těžených ze země. Zásoba klasických primárních zdrojů se vyčerpává, a proto se hledají další vhodná paliva. Velká energetika obrací pozornost k atomové a sluneční energii, menší energetické jednotky (tj. spalovací motory apod.) musí hledat řešení v tzv. alternativních palivech a v konstrukčních úpravách motorů, umožňujících provoz na tato alternativní paliva. Nová konstrukční řešení jsou samozřejmě intenzivně hledána a aplikována rovněž u dnešních motorů na klasická paliva s cílem jak zvýšit účinnost motorů, tak omezit produkci výfukových škodlivin. Příkladem využití jiných zdrojů energie, respektive alternativního paliva, bude porovnání měřených výsledků točivého momentu, výkonu a kouřivosti automobilu Škoda Octavia 1.9 TDi, provozovaného na motorovou naftu a řepkový olej při změněné dávce paliva.

8

2

CÍL PRÁCE Cílem diplomové práce je popsání moderních palivových systémů vznětových

motorů osobních automobilů, porovnání a vyhodnocení naměřených hodnot točivého momentu, výkonu a kouřivosti při použití paliv motorová nafta a řepkový olej se změněnou dávkou paliva.

9

3

TVORBA SMĚSI A SPALOVÁNÍ U VZNĚTOVÝCH MOTORŮ Příprava palivové směsi hraje důležitou roli, neboť přímo ovlivňuje průběh

spalování. U vznětových motorů se během komprese stlačuje čistý vzduch na vysoký tlak a tím se silně zvýší jeho teplota. Do stlačeného vzduchu se, před dosažením horní úvratě pístu, vstřikuje palivo, které se stykem s horkým vzduchem vzněcuje a spaluje. Palivo musí být přivedeno do spalovacího prostoru ve správný okamžik a v požadovaném stavu a množství. Společně se vzduchem umožní vznícení směsi a uvolnění tepelné energie, která je přeměněna na mechanickou práci klikového mechanismu, který převádí přímočarý pohyb pístů na otáčivý pohyb klikového hřídele. Příprava směsi je také prostředkem pro regulaci motoru. Vznětový motor je regulován kvalitativně, to znamená, že je měněn obsah paliva ve směsi se vzduchem, na rozdíl od motorů zážehových, kde je regulace kvantitativní, kde se mění obsah vzduchu ve směsi s palivem. V důsledku vysoké teploty stlačeného vzduchu při kompresi (800°C – 900°C) se vstřikované palivo odpaří a po vytvoření hořlavé směsi se vzduchem se samo vznítí. Proces spalování představuje chemickou reakci hořlavých složek paliva se vzdušným kyslíkem s následným uvolněním tepelné energie. Palivo se do spalovacího prostoru vstřikuje ve formě elementárních kapiček, které se s pomocí intenzivního víření vzduchu a vysokých kompresních teplot přemění do plynného stavu a umožní jeho vznícení a hoření při rychlosti 20 až 50 m/s.

Obr. 1 Rozprášení paliva ve spalovacím prostoru

10

Na rozprášení paprsku vstříknutého paliva velice záleží, protože vznícení směsi paliva se vzduchem proběhne tím rychleji, čím jsou kapénky paliva menší, tím mají menší povrch a tím snadněji se odpaří. Spálení vnější vrstvy molekul paliva proběhne velmi rychle, protože mohou ihned reagovat s kyslíkem. Po shoření vnější vrstvy musí ve spalovacím prostoru zůstat dostatek kyslíku schopného reakce pro pokračování procesu hoření. V opačném případě může docházet až k nedokonalému spalování, tvorbě škodlivých emisí a snižování chemické účinnosti. Je to v důsledku nerovnoměrného tvoření směsi, které probíhá teprve ve válci (vnitřní tvoření směsi). Směs proto není homogenní, což znamená, že v části spalovacího prostoru je nedostatek vzduchu a v části nedostatek paliva. Teoreticky je k dokonalému spálení 1 kg nafty zapotřebí 14,3 – 14,5 kg vzduchu. Čas mezi vstříknutím paliva a jeho vznícením se nazývá prodleva vznícení a pohybuje se v rozmezí 0,002 – 0,005 s v závislosti na podmínkách před začátkem hoření. Časový průběh prodlevy vznícení je velmi důležitý pro chod motoru. Vstřikuje-li se palivo do spalovacího prostoru příliš brzo (velký předstřik), setkává se s chladnějším vzduchem málo komprimovaným, pak se nutně prodleva prodlužuje. A jestliže je prodleva příliš dlouhá, dochází k jevům připomínajícím klepání u zážehových motorů, označovaným jako tzv. tvrdý chod motoru a dochází k většímu dynamickému namáhání klikového ústrojí vlivem velkého přírůstku tlaku na stupeň pootočení klikového hřídele. Ve výsledku se prodleva vznícení projeví poklesem indikované práce a energetické účinnosti. Důležitý je i okamžik vstříknutí paliva vzhledem k poloze pístu, který má být zvolený tak, aby maximum tlaku ve válci nastalo 6 - 10 °KH (stupňů natočení klikového hřídele) za horní úvratí pístu. Pro splnění uvedených požadavků bylo nutné přistoupit ke změnám, které se projevily zvýšením vstřikovacího tlaku, chlazením paliva, zvýšením nároků na čistotu paliva a vzduchu, ochlazováním plnícího vzduchu a především využitím elektroniky pro přesné řízení palivové soustavy.

11

Příprava směsi paliva se vzduchem výrazně ovlivňuje užitečný výkon, spotřebu paliva, emise výfukových plynů a hluk spalování vznětového motoru. Podstatnou roli hraje provedení vstřikovacího zařízení a řízení vstřikování. Tvoření směsi a průběh vstřikování ovlivňují následující činitelé:
Začátek dodávky paliva a začátek vstřiku
Doba vstřiku a průběh vstřiku
Vstřikovací tlak
Směr vstřikování a počet vstřikovaných paprsků
Přebytek a rozvíření vzduchu Moderní naftové vozidlové motory pracují při chodu naprázdno s mimořádně chudou směsí se součinitelem přebytku vzduchu λ=3,4 i více a při plném zatížení se součinitelem λ=1,3-2. (Bauer 2006)

3.1 Spalovací prostory vznětových motorů Rozlišujeme dva základní typy spalovacích prostorů a to dělené a nedělené spalovací prostory. 3.1.1 Nedělené spalovací prostory Vyznačují se tím, že jej tvoří ucelený spalovací prostor vytvořený ve dnu pístu. Do objemu této komůrky je vstřikováno palivo, které po vznícení poměrně prudce shoří. Tyto

motory

se

označují

jako

motory

s přímým

vstřikem

Obr. 2 Spalovací prostory motorů s přímým vstřikem paliva (Bauer 2006) 1 – Hesselmann, 2 – Man, 3 – Saurer, 4 – polokulový

12

paliva.

3.1.2 Dělené spalovací prostory Dělené spalovací prostory jsou tvořeny dvěma samostatnými objemy. U děleného spalovacího prostoru se palivo vstřikuje do zvláštní komůrky, která je zpravidla vytvořena v hlavě válce motoru. Tato komůrka je spojena s druhou částí spalovacího prostoru vytvořenou ve dnu pístu motoru jedním, nebo více kanálky malého průměru. V současné době se používají dva typy komůrek a to vírová a tlaková.

Obr. 3 Dělený spalovací prostor s vírovou komůrkou (Rauscher 2005) Pozice 1 označuje žhavící svíčku, 2 vstřikovač, 3 vírová komůrka vytvořená v hlavě válce, 4 dno komůrky se spojovacím kanálkem, 5 druhá část spalovacího prostoru vytvořená ve dnu pístu. Má pro vírovou komůrku je charakteristický tvar brýlí. Objem vírové komůrky v hlavě válce tvoří 50 – 80% celého objemu kompresního prostoru.

13

Obr. 4 Dělený spalovací prostor s tlakovou komůrkou (Rauscher 2005) Pozice 1 zobrazuje žhavící svíčku, 2 vstřikovač, 3 vlastní tlakovou komůrku opatřenou na spodní straně výtokovými otvůrky, kterými proudí spaliny a nespálené palivo do druhé části spalovacího prostoru 4 vytvořeného ve dnu pístu, jeho tvar (vybrání) usměrňuje vytékající plyny z jednotlivých otvůrků do prostoru nad pístem. Palivo se vstřikuje do komůrky, kde se ve styku s horkými stěnami a kompresí rozžhaveným vzduchem odpařuje. Promíchává se s rozvířeným vzduchem a po vznícení se částečně spaluje. V komůrce prudce vzrůstá teplota i tlak. Hořící směs proudí vysokou rychlostí spojovacím kanálem (kanály) do druhé části spalovacího prostoru ve dně pístu, kde nespálené palivo za přebytku vzduchu shoří. (Rauscher 2005)

3.1.3 Výhody a nevýhody motorů s přímým a nepřímým vstřikováním Motory s přímým vstřikem paliva (nedělený spalovací prostor) Vyznačují nižší měrnou efektivní spotřebou paliva, tedy ekonomičtějším provozem a snadnějším spouštěním motoru za nízkých teplot. Používají se pro pohon nákladních automobilů, autobusů, traktorů a stavební a zemědělské mechanizace. V porovnání s motory komůrkovými je nevýhodou nepřeplňovaných motorů s

14

přímým vstřikem paliva nižší dosažitelná hodnota středního efektivního tlaku. Je to dáno tím, že pro co nejdokonalejší spálení je nutno spalovat palivo s větším přebytkem vzduchu, takže vzdušný součinitel λ se při maximální vstřikované dávce paliva pohybuje v rozmezí od 1.3 do 2. Při práci motoru na jmenovitém režimu jsou dosahovány u vozidlových motorů hodnoty pe = (0.6 ÷ 0.75) MPa. V průběhu spalování, vlivem rychlejšího nárůstu tlaku nad pístem, vykazují tyto motory vyšší hlučnost a vibrace. Přímý vstřik paliva klade také vyšší nároky na vstřikovací zařízení a jakost používaného paliva. Je to dáno tím, že dokonalost vytvořené směsi paliva se vzduchem je určována co nejjemnějším rozprášením paliva. Proto jsou používány podstatně vyšší vstřikovací tlaky a víceotvorové trysky, jejichž malé výstřikové otvůrky se snadněji ucpou, nebo zakarbonují. Sklon těchto motorů k tvrdému chodu vede k zvýšeným požadavkům na zkrácení průtahu vznícení a tedy i k požadavku na vyšší hodnotu cetanového čísla použité motorové nafty. Požadavek na určitou minimální dobu potřebnou na přípravu směsi vstřikované nafty a vzduchu omezuje u motorů s přímým vstřikem maximální dosažitelné otáčky jmenovitého režimu. Se zvětšováním zdvihového objemu válce se jejich velikost snižuje. Motory komůrkové (s děleným spalovacím prostorem) V porovnání s motory s přímým vstřikem paliva se vyznačují tišším a měkčím chodem, způsobeným pomalejším nárůstem tlaku nad pístem. Z tohoto důvodu, i když mají vyšší spotřebu paliva, převládá jejich použití u osobních automobilů. Za nízkých teplot je zabezpečeno jejich spouštění pomocí žhavící svíčky. Výhodou komůrkových motorů je dobré promísení paliva se vzduchem vyvolané intenzivním vířením vzduchu a palivových par v komůrce i v druhé části spalovacího prostoru ve dnu pístu. To umožňuje spalování motorové nafty, na jmenovitém režimu práce motoru, se vzdušným součinitelem λ = 1.1 až 1.2. Tím jsou u nepřeplňovaných motorů dosahovány hodnoty středního efektivního tlaku až 0.9 MPa. Vysoká teplota stěn komůrky a intenzivní víření zabezpečují rychlejší příprava směsi v komůrce, kratší průtah vznícení a tedy i vyšší dosažitelné otáčky jmenovitého režimu u těchto motorů. Jelikož tvorba směsi paliva se vzduchem je založena na intenzivním víření náplně v komůrce a při výtoku do válce motoru je možno pro vstřik paliva použít jednootvorové trysky s nižšími otvíracími tlaky. Nevzniká tedy nebezpečí ucpání, nebo karbonizace poměrně velkého výtokového průřezu a nároky na vstřikovací soustavu jsou nižší. 15

Vyšší měrná efektivní spotřeba paliva, která je základní nevýhodou komůrkových motorů je způsobena většími tepelnými ztrátami velkým a členitým povrchem spalovacího prostoru , většími hydraulickými ztrátami ve spojovacím kanálku mezi komůrkou a válcem motoru a velkým vířením směsi ve spalovacím prostoru. Velký povrch spalovacího prostoru a zvýšený odvod tepla v důsledku intenzivního víření vzduchu v komůrce motoru jsou příčinou horší startovatelnosti těchto motorů. Aby se usnadnilo spouštění, je v komůrce umístěna žhavící svíčka. Je tvořena odporovým prvkem, který se před startováním rozžhaví proudem z akumulátorové baterie. Po nastartování je žhavící svíčka vypnuta. (Rauscher 2005)

Obr. 5 Spirálová žhavící svíčka pro vznětové motory s vířivou komůrkou

4

PALIVA PRO VZNĚTOVÉ SPALOVACÍ MOTORY Nejvíce rozšířené palivo pro vznětové spalovací motory je motorová nafta. Jak

jsem již zmínil, je velmi důležité hledat nové obnovitelné zdroje energie, protože zásoby uhlí klesají a v budoucnosti se vyčerpají. Pro naše měření jsem použil jako alternativní palivo čistý rostlinný olej, ale ve své práci popisuji i chemicky upravený rostlinný olej.

16

4.1 Motorová nafta Nafta motorová je směs uhlovodíků vroucí v rozmezí 150 °C – 360 °C. Výroba motorových naft je jednodušší než výroba automobilových benzínů. Obvykle se vyrábějí mísením vhodných ropných destilátů tak, aby výsledná směs vyhovovala požadavkům na destilační rozmezí, cetanové číslo, viskozitu, bod vzplanutí, bod tuhnutí, aj. Vhodnými ropnými destiláty pro výrobu motorových naft jsou především plynové oleje a petroleje z atmosférické destilace ropy nebo střední destiláty pocházející ze štěpných procesů. Tyto vstupní suroviny se zpravidla rafinují a to především za účelem snížení obsahu síry (< 10 mg·kg-1) a aromatických uhlovodíků (< 11 % hm.). Motorové nafty se ještě mohou podle potřeby aktivovat různými typy přísad pro zlepšení jejich vlastností. Používají se aditiva zlepšující nízkoteplotní vlastnosti depresanty, mazivostní přísady, zlepšovače cetanového čísla apod. V České republice jsou požadavky na kvalitu motorové nafty obsaženy v normě ČSN EN 590, která je totožná s normou Evropské unie. Podle této normy se motorové nafty (MN) dělí na 2 skupiny: MN pro mírné klima a MN pro arktické klimatické podmínky. MN pro mírné klima se dále dělí podle hodnoty CFPP na 6 tříd. Vybrané požadavky na motorové nafty pro mírné klima podle ČSN EN 590 jsou uvedeny v následující Tab. 1.

Tab. 1 Vybrané kvalitativní parametry motorových naft dle ČSN EN 590 (Rauscher 2005)

Parametr

Mezní hodnoty 3

Hustota při 15 °C (kg/m ) Destilace: při 250 °C předestiluje (% obj.) při 350 °C předestiluje (% obj.) 95 % objemu předestiluje při teplotě (°C) Obsah síry (mg/kg) Bod vzplanutí (°C)

820 - 845 max. 65 min. 85 max. 360 max. 10 min. 55

Kinematická vizkozita při 40 °C (mm2/s) 2,00 - 4,50 Cetanový index min. 46 (CČ min. 51) Obsah polyaromátů (% hm.) max. 11 Obsah metylesterů mastných kyselin (% obj.) max. 5 CFPP (°C) podle třídy motorové nafty A B C D E F Třída 5 0 -5 -10 -15 -20 Max. CFPP (°C)

17

Z principu práce vznětového motoru plyne požadavek na dobrou vznětlivost vstřikovaného paliva. Doba, která uplyne mezi vstřikem paliva do spalovacího prostoru a okamžikem vznícení byla přiměřená. Tato doba se nazývá prodleva vznícení. Záleží nejen na chemickém složení a destilačních vlastnostech paliva, ale i na konstrukci vstřikovacího zařízení a provedení spalovacího prostoru. Z hlediska vlastností paliva je vyjádřena cetanovým číslem. Ke stanovení cetanového čísla slouží stejný jednoválcový motor, jako pro stanovení oktanového čísla, opatřený hlavou pro přímý vstřik paliva. Tak jako v případě určování oktanového čísla, je cetanové číslo určeno objemovým podílem dvou látek. Cetanu (cetanové číslo 100 charakterizující velmi krátkou prodlevu vznícení) a heptametylnonanu (cetanové číslo 0 charakterizující velmi dlouhou prodlevu vznícení). Stejně dlouhá doba prodlevy vznícení zkoušeného paliva a odpovídající směsi cetanu s alfametylnaftalenem v porovnávacím palivu určuje cetanové číslo, které je dáno 32 procentuálním objemovým podílem cetanu ve směsi. Je však třeba upozornit, že na rozdíl od oktanového čísla paliv pro zážehové motory není cetanové číslo mezní hodnotou, protože vznětovému motoru nevyhovuje palivo s příliš vysokým ani příliš nízkým cetanovým číslem. Nízké cetanové číslo způsobuje, že prodleva vznícení je dlouhá a v okamžiku vznícení je ve spalovacím prostoru rozprášeno a částečně i odpařeno velké množství paliva. Současně se tedy vznítí velké množství paliva, což způsobí příliš rychlý narůst tlaku ve spalovacím prostoru motoru. Motor je hlučný a vyznačuje se tzv. „tvrdým chodem“. Vysoké cetanové číslo způsobuje, že prodleva vznícení je krátká, palivo začíná hořet velmi blízko u trysky. To vede k tomu, že palivo je nedostatečně promíšeno se vzduchem, dochází k nedokonalému hoření za značného vývinu sazí. Blízkost plamene u trysky pak často způsobuje její zapečení, tj. vzniku karbonových úsad ucpávajících výstřikové otvůrky trysky, případně zadření jehly trysky. Porovnání je uvedeno na následujícím obrázku. Většina motorových naft používaných ve světě pro pohon pístových spalovacích motorů má cetanové číslo 50 ± 5.

18

Obr. 6 Vliv cetanového čísla na průběh hoření (Rauscher 2005) Pro hodnocení motorové nafty z hlediska korosních vlivů na díly motoru a negativních vlivů na okolní prostředí je důležitý obsah síry v palivu. Síra obsažená v motorové naftě způsobuje jednak korozi za studena, působící na díly palivové soustavy (palivová nádrž, potrubí, čerpadlo), jednak korozi vyvolanou produkty spalování, což jsou oxid sírový a siřičitý. Oba oxidy ve styku s kondenzovanou vodní párou vytváří kyseliny, které korosně napadají válec motoru, ventily a výfukové potrubí. Vedle korosních účinků působí produkty oxidace síry negativně i na životní prostředí. Jednak ve formě kyselin, které se v důsledku dešťových srážek dostávají do půdy a jednak ve formě polétavých částic (sulfátů), které se vznáší v atmosféře a po vdechnutí mohou iniciovat vznik rakoviny plic. (Rauscher 2005)

19

4.2 Rostlinné oleje Na rozdíl od paliv uhlovodíkových získávaných z ropy se jedná o zdroje obnovitelné, získávané zpracováním biomasy. Při jejich spalování nedochází k nárůstu oxidu uhličitého v atmosféře planety (skleníkový efekt). K dalšímu nárůstu CO2 nedochází proto, že nově rostoucí rostliny jej znovu zabudují do svých tkání. Jejich velkou předností v porovnání s kapalnými ropnými palivy uhlovodíkovými je vedle obnovitelnosti jejich zdrojů i skutečnost, že v případě kontaminace půdy jsou velmi snadno odbouratelná půdními mikroorganismy. Získávají se lisováním semen olejnin. V Evropě je to především řepkový olej a v tropickém a subtropickém pásmu palmový olej. Srovnání základních fyzikálních vlastností rostlinných olejů s motorovou naftou je provedeno v Tab. 2. Spalné teplo 40.6 MJ.kg-1 je poněkud nižší, ale v zásadě srovnatelné s naftou. Další parametry viskozita, bod vzplanutí však ukazují, že přímé použití v běžném naftovém motoru převážně v zimních měsících není možné. Tab. 2 Fyzikální vlastnosti rostlinných olejů ve srovnání s motorovou naftou (Rauscher 2005)

Čistý rostlinný olej má vyšší viskozitu než nafta nebo bionafta a proto se musí před použitím jako palivo ohřát. Rostlinný olej, který není předehříván přináší problémy při startování, není kompletně spalován ve válci a má negativní efekt na výkon motoru a jeho životnost. Dlouhodobé nekvalitní spalování paliva v motoru způsobuje nánosy a znečištění ve spalovacích komorách motoru. Některé společnosti se začali zajímat o provoz dieselových motorů na čistý rostlinný olej, a to řešení s dvounádržovým systémem s předehřevem paliva.

20

Dvounádržový systém s předehřevem paliva se skládá z následujících hlavních částí:
Přídavná palivová nádrž – přídavná nádrž je namontovaná na nejvhodnější místo ve vozidle. Hlavní nádrž je plněna rostlinným olejem a menší nádrž motorovou naftou.
Dva třícestné solenoidové ventily – solenoidové ventily se starají o přepnutí systému, aby nasál palivo z nádrže s naftou nebo z nádrže s rostlinným olejem.
Průtokový ohřívač – ohřívá palivo (rostlinný olej) kvůli jeho vyšší viskozitě
Řídící jednotka
Ovládací jednotka pro obsluhu Princip činnosti Za účelem ochrany studeného motoru a vstřikovacího systému motor startuje na naftu. Brzo poté jak motor dosáhne pracovní teploty, dojde k automatickému přepnutí z nafty na rostlinný olej elektronickým přepínačem umístěným ve vozidle. To zaručuje snadný přechod z nafty na rostlinný olej. Průtokový ohřívač ohřívá rostlinný olej na optimální teplotu. Ohřáté palivo je jemněji rozprášeno vstřikovacím čerpadlem, lépe vyplní válec, vznítí a spálí se velmi efektivně. Výsledkem je méně opotřebení, usazenin a ochrana motoru. Palivový systém se před koncem jízdy přepne zpět na naftu a dojde k zaplnění vstřikovacího systému naftou. Tímto se předejde problémům při studeném startu. Dvounádržový systém má čistící efekt pravidelným vyplachováním vstřikovacího čerpadla a palivových trysek systému. A navíc, i při pohonu pouze na naftu ji naše zařízení ohřívá, čímž se dosahuje efektivnějšího spalování, menší potřeby a vyššího výkonu.

Obr. 7 Pohled do motorové části vozu Fiat

21

Čistý, neupravený rostlinný olej se stává v mrazech viskózní a lepkavý. V závislosti na typu a vlastnostech rostlinného oleje, se toto stane dříve či později. Takto vysokoviskózní palivo, nasáté do palivových trubiček v první řadě ovlivňuje palivový filtr resp. jeho mikropórovitý povrch. Tímto je zajištěna ochrana palivového toku. Průtokový ohřívač chrání filtr před počínajícím ucpáním ohřátím paliva. Při požadavku ochrany před zgelovatěním paliva v palivových trubičkách a v nádrži se používá optimální mix rostlinného oleje a minerálních olejů v zimních měsících.

Obr. 8 Pohled na motor VW 1.9 TDi s dvounádržovým systémem Velikou výhodou tohoto dvoupalivového systému je, že se dá jezdit jenom na naftu a že tento proces je vratný, tzn., že zakoupený palivový systém lze nenainstalovat i do jiného automobilu. (2) Další možností použití rostlinného oleje je úprava vylisovaného a vyčištěného oleje esterifikací. Procesem při němž jsou pomocí alkoholu štěpeny velké molekuly oleje na menší. To vede k podstatnému snížení viskozity a tvorbě směsi paliva se vzduchem, která odpovídá použití motorové nafty. Z porovnání parametrů motorové nafty a metylesteru řepkového oleje v tab. 3, vyplývá, že základní fyzikální charakteristiky jsou velmi podobné. 22

Tab. 3 Vlastnosti rafinovaného a esterifikovaného řepkového oleje (Rauscher 2005)

Při použití metylesteru řepkového oleje v naftovém motoru s přímým vstřikem paliva dochází k následujícím změnám: a) Změna parametrů motoru
pokles výkonu o cca 5 %
snížení kouřivosti o cca 50 %
zvýšení hodinové spotřeby o cca 4 % b) Změny v emisích výfukových plynů
obsah CO a HC je prakticky stejný, dochází však k nárůstu Nox
nepříjemný je daný zápach a skutečnost, že se výfukové plyny obtížně rozptylují c) Podmínky dlouhodobého provozu
v důsledku „ředění“, tj. průniku paliva do motorového oleje dochází při použití metylesteru ke značnému zhoršování kvality oleje, proto všichni výrobci motorů doporučují snížení lhůt výměny motorového oleje na polovinu, přičemž je nutné používat vysoce kvalitní oleje d) Startovatelnost motoru za nízkých teplot
do -3 °C je srovnatelná se startovatelností motoru s naftou NM – 22°C (zimní)
pod touto teplotou je startovatelnost špatná

23

Bionafta první generace byla vyráběna esterifikací různých olejů. Podle použitého oleje je označována následujícími zkratkami: RME (Raps-Methyl-Ester) - metylester řepkového oleje MEŘO SME (Sunflower -Methyl –Ester) - metylester slunečnicového oleje SOME (Soya-Methyl-Ester) - metylester ze sóji FAME (Falty-acid-Methyl-Ester) - metylester z živočišných tuků VUOME (Vaste Used Oil-Methyl-Ester) - metylester z použitých fritovacích olejů

5

MODERNÍ PALIVOVÉ SYSTÉMY VZNĚTOVÝCH MOTORŮ OSOBNÍCH AUTOMOBILŮ – ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ Jelikož se používání vznětových motorů nejdříve uplatnilo u nákladních

automobilů, tak mezi nejstarší a zároveň nejpoužívanější systémy patří palivový systém se stejným počtem vstřikovacích jednotek, jako je počet válců motoru a to zejména systém s řadovým vstřikovacím čerpadlem. První sériově vyráběné řadové čerpadlo bylo vyrobeno již v roce 1927. S řadovými čerpadly se i po více než osmdesáti letech můžeme setkat u palivových systémů dnešních moderních motorů nákladních automobilů a traktorů, doplněných o elektronickou regulaci EDC, která zajišťuje seřizování velikosti dodávky paliva v takovém rozsahu a s takovou přesností, která je u mechanických regulátorů nedosažitelná. Další palivová soustava, která je hodně rozšířena u moderních nákladních automobilů, se nazývá Samostatné vstřikovací jednotky – PLD (Pumpe – Leichtung Düse) nazývaný také systém čerpadlo – vedení – tryska. My se budeme ovšem zabývat palivovými soustavami vznětových motorů osobních automobilů, kde se používání řadových vstřikovacích čerpadel a systému UPS nerozšířilo.

Obr. 9 První sériově vyráběné vstřikovací čerpadlo z roku 1927

24

5.1 Palivové systémy se vstřikovacím čerpadlem s vysokotlakým rozdělovačem paliva V současné době se vstřikovací čerpadla s rozdělovačem paliva, tzv. rotační, používají dvě konstrukční provedení:
jednopístová s axiálním pohybem pístu – počet výtlačných zdvihů pístu na jedno otočení odpovídá počtu válců motoru. Píst kromě výtlaku řídí svým otáčivým pohybem rozdělení paliva do jednotlivých vstřikovačů.
dvoupístová, resp. vícepístová s protiběžným radiálním pohybem pístů – výhodou těchto čerpadel je možnost dosažení vysokých vstřikovacích tlaků (až 185 MPa, měřeno na vstřikovací trysce) při poměrně malých vnějších rozměrech. Radiální rotační čerpadla se používají u motorů s přímým vstřikem paliva. Všechna předchozí konstrukční provedení je možno opatřit elektronickou regulací množství vstřikovaného paliva.

5.2 Palivové systémy s elektronickou regulací Rozvoj elektroniky a její použití umožňuje lepší využití již dříve známých systémů a vytváří předpoklady pro vznik netradičních palivových soustav.
sdružené vstřikovací jednotky PDE (Pumpe – Düse – Einheit) – všeobecně je tato palivová soustava nazývána systém čerpadlo – tryska, vstřikovací tlaky dosahují hodnot 200 (250) MPa.
zásobníkový systém Common Rail - vyznačuje se použitím jednoho vysokotlakého čerpadla (obvykle třípístového ) a společného palivového potrubí (zásobníku tlaku), které je potrubím spojeno s jednotlivými vstřikovači. U nejnovějších provedení tohoto systému dosahuje vstřikovací tlak hodnoty 200 (250) MPa.

6

PALIVOVÁ SOUSTAVA S ROTAČNÍM VSTŘIKOVACÍM ČERPADLEM Rotační vstřikovací čerpadla se používají kvůli svým malým rozměrům, nízké

hmotnosti a jednoduchému řízení regulace předstřiku (počáteční okamžik vstřiku paliva do válce motoru před dosažením pístu horní úvrati). Mají elektronický regulátor s integrovaným přesuvníkem vstřiku nebo mechanický regulátor otáček. Rotační čerpadlo 25

dodává palivo všem válcům pomocí jednoho výtlačného elementu. Hlavním úkolem je vytváření tlaku paliva a následné rozdělení pro jednotlivé vstřikovací trysky. Palivový systém s rotačním vstřikovacím čerpadlem tvoří nízkotlaký a vysokotlaký okruh, kde nízkotlaký okruh je tvořen zařízením pro dopravu a čištění paliva (palivová nádrž, nízkotlaké palivové potrubí, podávací čerpadlo, palivový filtr) a vysokotlaký okruh je tvořen zařízením pro vstřikování (vstřikovací čerpadlo, vysokotlaké palivové potrubí, vstřikovače). (Ján 2003)

6.1 Palivová soustava s rotačním čerpadlem s axiálními písty Mezi základní výhody použití jednopístových čerpadel patří malá hmotnost čerpadla a nezávislost na mazacím systému motoru. Použití pouze jednoho pístu zaručuje ve všech válcích motoru stejný počátek dopravy paliva a stejnou velikost jeho dodávky.

Obr. 10 Palivová soustava motoru s rotačním vstřikovacím čerpadlem (Bauer 2006) 1- nádrž, 2 - snímač hladiny paliva, 3 - odvzdušnění paliva, 4 - sací potrubí, 5 - hrubý čistič paliva s odlučovačem vody, 6 - snímač vody v palivu, 7 - elektrické dopravní čerpadlo, 8 - jemný čistič paliva, 9 – snímač tlaku paliva, 10 - přívod do vstřikovacího čerpadla, 11 - vstřikovací čerpadlo, 12 - těleso čerpadla, 13 - vysokotlaké potrubí, 14 vstřikovač, 15,16 - přetlakový ventil, 17 - vratné přepadové potrubí, 18 - řídící jednotka motoru, 19 - zobrazovací jednotka 26

6.1.1 Nízkotlaký okruh K nízkotlaké části patří palivová nádrž, čistič paliva, lamelové dopravní čerpadlo, řídící redukční ventil a škrtící tryska. Lamelové dopravní čerpadlo nasává palivo z nádrže a dodává do vnitřního prostoru skříně čerpadla na otáčku přibližně stejný objem paliva. Protože ve skříni čerpadla je požadován tlak lineárně závislý na počtu otáček, je nutno použít redukční ventil. Redukční ventil 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 důvodů chlazení a samočinného odvzdušňování vstřikovacího čerpadla proudí rovněž část paliva přes škrtící trysku zpět do nádrže. Místo trysky může být použit škrtící ventil. (Bauer 2006)

Obr. 11 Rotační palivové čerpadlo s axiálním pístem (Bauer 2006) 1 – lopatkové dopravní čerpadlo, 2 – kladky, 3 – vačkový kotouč, 4 – axiální píst, 5 – elektromagnetický vysokotlaký ventil, 6 – výtlačný ventil, 7 – přesuvník vstřiku, 8 – elektromagnetický ventil přesuvníku, 9 – snímač úhlu natočení, 10 – řídící jednotka čerpadla.

27

6.1.1.1 Palivová nádrž Palivová nádrž je vyrobena z ocelového plechu, hliníkové slitiny nebo plastu. Nádrže z ocelových plechů musí být zevnitř i z venku opatřeny protikorozní ochrannou vrstvou. Nádrž je obvykle rozdělena přepážkami na několik částí, aby se omezilo přelévání paliva v nádrži při průjezdu zatáčkou. Je opatřena odvzdušňovacím potrubím, které zabraňuje vzniku podtlaku v nádrži při odebírání paliva. Naopak při zahřátí paliva vlivem odvzdušňovacího zařízení nedojde ke vzniku přetlaku. Plnící hrdlo a odvzdušňovací zařízení musí být opatřeny ventily, které zabraňují úniku paliva i při velkých náklonech karoserie (např. při havárii vozidla). (Ján 2003) 6.1.1.2 Čistič paliva Životnost vstřikovacího zařízení je značně závislá na dokonalém vyčištění paliva. Nároky kladené na čističe jsou značné a neustále rostou. Póry filtračních vložek jsou cca 4 – 10 µm. Čističe jsou obvykle uspořádány v palivovém systému tak, že čím blíže ke vstřikovacímu čerpadlu, případně k trysce, tím je zařazen účinnější čistič. Poslední čistič bývá umístěn těsně před vstřikovací tryskou v jejím držáku. (Ján 2003)

Obr. 12 Dvoustupňový čistič paliva (Ján, Ždánský 2000)

28

6.1.1.3 Nízkotlaké palivové potrubí Nízkotlaké palivové potrubí je potrubí od nádrže k podávacímu čerpadlu, od podávacího čerpadla k čističi, od čističe k vstřikovacímu čerpadlu, od přepouštěcího ventilu na čističi do nádrže, od vstřikovacích jednotek do nádrže a od vstřikovačů do nádrže. Na trubky se používá materiál, který dobře odolává otřesům, kterým je potrubí vystaveno. Potrubí bývá ocelové, měděné nebo ze syntetické pryže, opatřené ochranným ocelovým obalem. Musí odolávat chemickým vlivům, které jsou v palivu. 6.1.1.4 Lamelové dopravní čerpadlo Lamelové dopravní čerpadlo je umístěno ve skříni vstřikovacího čerpadla a dopravuje palivo v závislosti na hnacích otáčkách do vnitřního prostoru skříně vstřikovacího čerpadla. 6.1.1.5 Redukční ventil Se stoupajícími otáčkami stoupá také tlak paliva. Redukční ventil, umístěný na výstupu z dopravního čerpadla, zabraňuje přílišnému zvýšení tlaku. Kromě toho řídí tlak ve vnitřním prostoru čerpadla přímo úměrně otáčkám. 6.1.1.6 Škrtící tryska Škrtící tryska je zabudována ve víku vstřikovacího čerpadla a je spojena s jeho vnitřním prostorem. Malými otvory v trysce může protékat proměnné množství paliva zpět do nádrže. 6.1.2 Vysokotlaký okruh Ve vysokotlaké části vstřikovacího čerpadla se získává tlak potřebný pro vstříknutí paliva do spalovacího prostoru Do vysokotlaké části palivového okruhu patří výtlačný ventil, vysokotlaké palivové potrubí a vstřikovač se vstřikovací tryskou.

29

6.1.2.1 Princip práce čerpadla s axiálním pohybem pístu a rozdělovačem

Obr. 13 Regulace dodávaného množství paliva u čerpadla s jednou vstřikovací jednotkou pro všechny válce motoru (Rauscher 2005) Píst 1, na obr. 13, vykonává v tělese čerpadla kmitavý pohyb vyvolávaný axiální vačkou, která tvoří s pístem jeden celek. Tento pohyb zabezpečuje dodávku paliva do vysokotlakého potrubí palivového systému motoru. Při pohybu pístu od horní úvrati, odkryje hrana pístu plnící kanál 2, kterým je palivo z dopravního čerpadla přiváděno do prostoru 3 nad pístem. Současně se píst pootáčí tak, aby drážka v pístu 4 se natočila na následující kanálek 5, kterým je nátrubek 6. s vysokotlakou trubkou příslušného válce propojen středovým vývrtem pístu s výtlačným prostorem čerpadla nad pístem. Rychlost otáčení je ve vztahu k otáčkám klikového hřídele poloviční. Při zpětném pohybu pístu k horní úvrati je palivo vytlačováno do vstřikovače příslušného válce tak dlouho, dokud příčný kanál 7 zůstává utěsněn objímkou 8. Vzdálenost h polohy vývrtu 7 od okamžiku uzavření plnícího kanálku 2 do okamžiku, kdy jej přestane objímka 8 utěsňovat je činný zdvih pístu čerpadla určující dodávané množství paliva. Jeho velikost je tedy určována polohou objímky 8. Při úplném vysunutí vlevo, tak že kanálek 7 není těsněn je dodávka čerpadla nulová, tedy „stop stav“ motoru. Při úplném vysunutí objímky 8 vpravo dává čerpadlo maximální cyklovou dávku paliva.(Rauscher 2005) 6.1.2.2 Výtlačný ventil Výtlačný ventil uzavírá výtlačné palivové potrubí na straně vstřikovacího čerpadla. Jeho úkolem je snížit tlak ve výtlačném potrubí po ukončení výtlaku. Tím je přesně definován okamžik uzavření vstřikovací trysky.

30

6.1.2.3 Vysokotlaké potrubí Používají se ocelové bezešvé tlustostěnné trubky. Jejich světlost je závislá na dopravovaném množství paliva. Vnitřní průměr trubky má na vstřikovací proces velmi značný vliv. Trubky ovlivňují vstřikovací proces i svou radiální pružností. Pro tlaky nad 100 MPa je třeba zvolit zvlášť silnostěnné trubky. Používají se trubky o rozměrech 6 x 1,5 mm až 10 x 5 mm. Pro velmi vysoké tlaky se trubky vrtají z plného materiálu. Vysokotlaké trubky musí mít co nejmenší délku, musí být vedeny bez ostrých ohybů a mají být pokud možno stejně dlouhé. Délka se volí podle nejdelší potřebné trubky. (Ján 2003) 6.1.2.4 Vstřikovač Od vstřikovacího

jednotlivých čerpadla

vývodů je

palivo

přiváděno vysokotlakým potrubím k jednotlivým vstřikovačům, které rozprašují palivo do spalovacího prostoru motoru. Vstřikovač je tvořen držákem trysky a samotnou tryskou. Palivo vysokotlakou

je trubkou

přiváděno přes

propojovací šroubení 1. Kanálkem 2 je

přiváděno do prostoru pod jehlou

trysky 3. Tryska je k tělesu držáku vstřikovače připevněna převlečnou maticí 4. Poloha trysky je jednoznačně určena buď pomocí kolíku, nebo ryskou na trysce a tělese vstřikovače. Jehla trysky 5 je v sedle držena silou předpětí pružiny 7, která na jehlu působí prostřednictvím tlačného čepu 6. Velikost předpětí pružiny, a tedy i velikost otvíracího tlaku trysky je možno seřizovat pomocí šroubu 8 zajišťovaného pojistnou maticí 9. Seřizovací šroub je chráněn krytkou 10, do které je zašroubován dutý šroub 11. Jím je odváděno palivo, které proniká netěsností uložení jehly trysky do prostoru pružiny a nad seřizovací šroub, do odpadního potrubí 12. Utěsnění vstřikovače v hlavě válce zabezpečuje těsnící podložka 13. (Rauscher 2005)

31

6.2 Palivová soustava s vícepístovým radiálním čerpadlem Touto palivovou soustavou disponuje náš měřený automobil Škoda Octavia 1.9 TDi. Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty byla vyvinuta pro vznětové motory s přímým vstřikem paliva. Jejich předností je vysoká rychlost regulace vstřikovaného množství paliva a počátku vstřiku. Jsou schopna vyvinout velký vstřikovací tlak až 185 MPa. Palivová soustava se rovněž dělí na část nízkotlakou a část vysokotlakou. 6.2.1 Nízkotlaká část palivové soustavy Nízkotlaká část zajišťuje dostatek paliva pro část vysokotlakou a skládá se z podávacího (lamelového) čerpadla, nízkotlakého palivového potrubí, redukčního a přepouštěcího ventilu. Kromě přepouštěcího ventilu, kterým prochází palivo zpět do nádrže z důvodu chlazení a odvzdušnění vstřikovacího čerpadla, jsou tyto části popsány v předešlé kapitole. 6.2.2 Vysokotlaká část palivové soustavy K vytvoření vysokého tlaku, k rozdělování a odměřování paliva s řízením počátku dodávky dochází ve vysokotlaké části radiálního čerpadla. 6.2.2.1 Vysokotlaké čerpadlo s radiálními písty Dvojice radiálních pístů ve válci 2, na obr. 14, se otáčí společně s rotorem 1, jehož otáčky jsou ve vztahu k otáčkám klikového hřídele poloviční. Písty ve válci vykonávají vratný pohyb určovaný vačkovým kotoučem 3. Počet vačkových výstupků odpovídá počtu válců motoru. V našem případě se jedná o čerpadlo pro čtyřválcový motor. Na obr. 14 a) je nakreslen okamžik, kdy písty sestupují s vrcholu vačky a prostor mezi nimi se zvětšuje. Dochází tedy k plnění tohoto prostoru palivem, které je přiváděno centrálním vývrtem 4 z příčného vývrtu 6 v rotoru vstřikovacího čerpadla. Tento vývrt je natočen proti vývrtu 5 ve statoru čerpadla, do kterého je přiváděno palivo od podávacího čerpadla. Vývrt 8, sloužící k propojení centrálního vývrtu 4 s příslušnými kanálky jednotlivých válců ve statoru čerpadla 7 je těsněn, po dobu plnění, stěnou statoru. Na obr. 14 b) je nakreslen okamžik, kdy nastává výtlak paliva do vysokotlakého potrubí příslušného válce. Rotor čerpadla 4 spolu s radiálními pístky se pootočil tak, že

32

vačkové výstupky stlačují písty 2 a palivo je vytlačováno do centrálního vývrtu 4. Současně se kanálek 6 natočil tak, že je stěnou statoru těsněn a centrální vývrt 4 je propojen kanálkem 8 s výstupním vývrtem 9. Každému válci přísluší tedy výstupní nátrubek pro připojení vysokotlaké vstřikovací trubky odpovídající vývrtu 7 ve statoru čerpadla. Velikost vstřikované dávky je u těchto čerpadel řízena škrcením průtoku paliva dodávaného od podávacího čerpadla do plnícího kanálku 5. Rotor čerpadla a styková plocha pístů s vačkovým kotoučem je mazána a chlazena prolínajícím palivem. (Rauscher 2005)

Obr. 14 Čerpadlo s radiálními písty Rauscher 2005) 6.2.2.2 Princip rozdělování paliva Spolu s vysokotlakým čerpadlem se otáčí hřídel rozdělovače, který rozvádí palivo do jednotlivých válců. Elektromagnetický vysokotlaký ventil zodpovídá za dávku paliva a je řízený signály s proměnlivým kmitočtem impulsů pomocí ovladače umístěného na čerpadle. Otevírání a zavírání ventilu určuje dobu vhánění paliva vysokotlakým čerpadlem. Na základě signálů snímače úhlu obratu (úhlová poloha hřídele) je určována okamžitá vzájemná úhlová poloha pohonné hřídele a vačkového kroužku během 33

otáčení, dále je počítána rychlost otáčení vstřikovacího čerpadla a (srovnáním se signály ze snímače klikové hřídele) detekována poloha přesuvníku vstřiku. Snímač úhlu obratu je umístěn na kroužku, který se otáčí synchronně s vačkovým kroužkem vysokotlakého čerpadla. Ozubený kotouč vysílače impulsů je umístěn na hnací hřídeli čerpadla. Neozubená místa odpovídají počtu válců motoru. Když se rozdělovací hřídel otáčí, válečky tlačné tyčky se pohybují po povrchu vačkového kroužku. Pístky jsou pak vtlačovány dovnitř a provádí kompresi paliva pod vysokým tlakem. Avšak vhánění paliva pod vysokým tlakem začíná tehdy, když pomocí signálu z ovladače dojde k uzavření elektromagnetického ventilu. Hřídel rozdělovače se přesune do polohy před výstupním kanálkem stlačeného paliva do příslušného válce. Palivo se pak přes zpětný škrtící ventil dostane potrubím do vstřikovače, který je vstřikuje do spalovací komory. Vstřik končí v okamžiku, kdy dojde k otevření elektromagnetického ventilu. (1)

Obr. 15 Radiální čerpadlo VP44, kterým disponuje měřené vozidlo (1) 1 – lopatkové výtlačné čerpadlo s regulačním tlakovým ventilem, 2 – snímač úhlu obratu, 3 – řídící jednotka čerpadla, 4 – vysokotlaké čerpadlo s rozdělovací hřídelí a vypouštěcím ventilem, 5 – přesuvník vstřiku s elektromagnetickým ventilem přesuvníku, 6 – elektromagnetický vysokotlaký ventil 34

6.2.2.3 Princip přesuvníku vstřiku Informací o skutečné hodnotě počátku vstřiku je signál snímače úhlu obratu nebo čidla zdvihu jehly v soustavě vstřikovače. Čidlo zdvihu jehly trysky není nezbytné. Elektromagnetický ventil nastavuje polohu přesuvníku vstřiku, který příslušně otáčí vačkovým kroužkem vysokotlakého čerpadla. Díky tomu válečky, které pohánějí pístky, dříve nebo později narazí na vačky kroužku a způsobují zrychlení nebo opoždění počátku vhánění. Ventil přesuvníku vstřiku lze otevírat a zavírat bezestupňově pomocí ovladače stanovením patřičného součinitele podílu impulsu. (Ján 2003) 6.2.3 Elektronické řízení vstřikované dávky paliva EDC Důvodem zavedení elektronicky řízeného vstřikování ( EDC – Electronic Diesel Control ) byly vzrůstající požadavky na snížení množství škodlivin obsažených ve výfukových plynech naftových motorů a to, jak plynných exhalátů, tak i pevných částic. K těmto legislativním požadavkům se přiřadily i vzrůstající nároky na snížení spotřeby paliva a zmenšení úrovně hluku a vibrací vyzařovaných vznětovým motorem osobního automobilu. Výzkumy ukázaly, že jedinou možností jak splnit vzrůstající požadavky je lepší atomizace paliva vstřikovaného do válce motoru v kombinaci s děleným vstřikem paliva. Současně se musela snížit i tolerance rozptylu vstřikovaného množství a přesnost nastavení počátku vstřiku paliva. U palivových soustav s rotačním čerpadlem je řízení vstřikované dávky paliva uskutečněno pomocí elektromagnetického ventilu na čerpadle. Elektronická regulace vznětového motoru EDC pro palivový systém s rotačním čerpadlem s protiběžnými radiálními písty je rozdělena do tří systémových bloků:
snímače – pro snímání provozních podmínek a požadovaných hodnot převádějí různé fyzikální veličiny na elektrické
akční členy – pro převod elektrických výstupních signálů řídících jednotek na mechanické veličiny. Řídící jednotky ovládají akční členy pomocí výstupních elektrických signálů přímo přes koncové výkonové stupně nebo předávají tyto signály dalším systémům
řídící jednotka motoru a řídící jednotka čerpadla – pro zpracování informací podle určitých matematických výpočetních postupů (zpravidla algoritmů) na elektrické výstupní signály.

35

6.2.3.1 Přehled snímačů a spínačů EDC u Škody Octavie 1.9 TDi Počítačem podporované řízení motoru je speciálně přizpůsobeno požadavkům regulace otáček turbodmychadla nového typu. Řídící jednotka MSA 15 od firmy Bosch řídí množství vstřikovaného paliva, počátek vstřiku, plnicí tlak, zpětné vedení výfukových plynů, dobu žhavení a elektrické vyhřívání chladicí kapaliny.

Obr. 16 Snímače, čidla a spínače 36

6.2.3.2 Přehled akčních členů EDC u Škody Octavie 1.9 TDi

Obr. 17 Akční členy

37

7

PALIVOVÉ SYSTÉMY S ELEKTRONICKOU REGULACÍ Požadavky na vznětové motory z hlediska jejich výkonu, spotřeby, emisních

hodnot a hlučnosti neustále stoupají. Předpokladem pro splnění takových požadavků je příprava kvalitní směsi. Pro přípravu kvalitní směsi jsou zapotřebí výkonné vstřikovací systémy, které umožňují používání vysokých tlaků, potřebných k jemnému rozptýlení paliva, a které jsou s to přesně regulovat počátek vstřiku a vstřikované množství paliva.

7.1 Palivová soustava se sdruženými vstřikovacími jednotkami PDE Palivová soustava se sdruženými vstřikovacími jednotkami PDE ((Pumpe – Düse – Einheit) je také označována zkratkou UIS (Unit – Injektor – Systém) a všeobecně je nazývána systém čerpadlo – tryska. U tohoto vstřikovacího systému zcela odpadá vstřikovací čerpadlo a vysokotlaké potrubí, rozvádějící palivo pod vysokým tlakem do jednotlivých vstřikovačů. Právě poměrně krátká, ale přece jen choulostivá cesta stlačované nafty od vstřikovacího čerpadla ke vstřikovačům je slabým místem klasických palivových soustav vznětových motorů. I nepatrné rezonance potrubí vlivem tlakových kmitů mohou nepříznivě ovlivnit jak časování vstřiku, tak i kvalitu rozprášení paliva do válců motoru.(Ján 2003)

Konstrukce Sdružené vstřikovací jednotky jsou umístěny v hlavě válců (obr. 18).

Obr. 18 Motor se sdruženými vstřikovacími jednotkami PDE 38

Vstřikovací tlak paliva se vytváří přímo ve vstřikovači pomocí integrovaného pístového čerpadla (obr. 19). Píst (7) čerpadla je poháněn vačkou (1) na vačkovém hřídeli ventilového rozvodu motoru prostřednictvím vahadla s kladkou (2). Vratný pohyb pístu (7) je zajištěn vinutou pružinou (5). Palivo je do vstřikovačů dopravováno nízkotlakým palivovým čerpadlem rozváděcími kanálky v hlavě válců (17). Časový průběh nárůstu tlaku v prostoru pod pístem (7), a tím i průběh vstřikování je ovládán elektromagnetickým

ventilem

elektromagnetického

ventilu

(12). (12)

Tlak

řídící

může jednotkou

narůstat motoru.

až

po

Rychlé

uzavření otevření

elektromagnetického ventilu (12) pak způsobí ,,ostré“ ukončení vstřikování, což je mimořádně důležité pro co nejdokonalejší spalování bez produkce emisí.(Ján 2003).

Obr. 19 Sdružená vstřikovací jednotka (Volvo D12)

39

Princip činnosti Vysoký tlak se vytváří odděleně v každé jednotce (pro každý válec zvlášť) pohybem pístu (7) po uzavření elektromagnetického ventilu (12) (obr. 19). Po dosažení otevíracího tlaku dojde k nadzvednutí jehly ve vstřikovací trysce (18) a ke vstřiku paliva. Proces vstřiku paliva řídí řídící jednotka uzavíráním a otevíráním odtoku paliva elektromagnetickým ventilem (12). Tento systém umožňuje dosažení vstřikovacích tlaků přes 200 MPa. Vyšší tlak přináší lepší rozvíření směsi, její lepší prohoření, a tím i vyšší účinnost, výkony i nižší emise a spotřebu paliva. Sdružené vstřikovací jednotky umožňují přesné stanovení objemu a časování mikroskopického množství paliva pro tzv. ,,pilotní“ vstřik (předstřik). Předvstřik je vhodnou cestou k dosažení hladkého průběhu spalování, kdy tlaky ve spalovacím prostoru narůstají plynule, namísto prudkého nárůstu skokem. Pro tento účel musí být vstřikované množství malé a přesně načasované vzhledem k ,,hlavnímu“ vstřiku (předstřik nesmí přecházet do hlavního vstřikování). Předvstřik, během kterého se do spalovacího prostoru dostává asi 1,5 mm3 paliva, je oproti hlavnímu vstřiku předsazen asi jen o 10° pootočení klikového hřídele. Tím se podstatně snižuje hlučnost spalovacího procesu (tvrdost chodu) a klesá množství oxidů dusíku ve výfukových plynech.(Ján 2003).

40

7.1.1 Třetí generace systému PDE – UIS Tento systém se neustále vyvíjí, protože pořád patří mezi nejmodernější systémy vstřikování pro vznětové motory osobních automobilů. Nejnovější generace vyvinutá společností Bosch dosahuje vstřikovacích tlaků nad 220 MPa, přičemž se používá dvou magnetických ventilů, namísto jednoho a průběh vstřikování lze velmi variabilně upravovat. Jedním ventilem se řídí nárůst a pokles tlaku, druhý nezávisle řídí otevírání a uzavírání jehly ventilu. Díky tomuto uspořádání je možných pět variabilních vstřiků na jeden cyklus. Vede to ke snížení množství pevných částic a ke snížení oxidů dusíku ve výfukových plynech.

Obr. 20 Třetí generace systému PDE – UIS

7.2 Zásobníkový systém Common Rail Hlavní výhoda systému Common Rail spočívá ve velkých možnostech variability při vytváření vstřikovacího tlaku a časového okamžiku vstřiku. Jak již název napovídá, systém pracuje na principu vysokotlakého vstřikování paliva ze společného (common) zásobníku (rail). Palivo je vysokotlakým čerpadlem stlačeno a poté uschováno v zásobníku, ze kterého je vysokotlakým potrubím rozvedeno k jednotlivým vstřikovačům v hlavě motoru. Řídící jednotka určí kdy, a jaké množství paliva má být do válce dodáno, dle toho pak elektrickým signálem vstřikovače otevírá.

41

Obr. 21 Systém Common – Rail První

a

druhá

generace

Common

rail

používala

vstřikovače

řízené

elektromagnetickými cívkami (tzv. solenoidy pracujícími na podobném principu jako cívky v reproduktorech) při tlacích paliva 1350 a 1600 bar. Třetí generace vstřikovačů používá rychlé elektrokeramické piezo prvky a tlaky 1600 až 1800 bar (160 – 180MPa). Poslední, čtvrtá generace Common Rail používá hydraulicky posilovaný vstřikovač nafty. Tento vstřikovač HADI (Hydraulically Amplified Diesel Injektor) pracuje s převodovým pístem, který zvyšuje stávající tlak v systému a umožňuje tak docílit maximálního vstřikovacího tlaku až 250 MPa. Tato nová technika dává možnost pracovat v systému Common Rail i s výrazně nižším tlakem a vytvářet požadovaný maximální tlak teprve ve vstřikovači. Snížení emisí škodlivin se také dosahuje tím, že speciálním geometrickým dimenzováním vstřiku není palivo vstřikováno rázem, ale zvyšujícím se tlakem. Tím vzniká velmi příznivý průběh vstřikování a zlepšuje se tak příprava zápalné směsi. Rovněž se tímto způsobem zabraňuje tomu, aby nedokonalým spalováním vznikaly saze a karbon. Pomocí tohoto systému je také umožněno vícenásobné vstřikování. (Bosch 2005) Požadovaný konstrukční prostor u vstřikovače čtvrté generace Common Rail přitom v podstatě odpovídá potřebě tradičního vstřikovače druhé generace.

42

Palivový systém Common Rail sestává ze zařízení pro dopravu a čištění paliva (nízkotlaká část) a vlastního vstřikovacího zařízení (vysokotlaká část). 7.2.1 Nízkotlaká část Nízkotlaká část palivového systému Common Rail zajišťuje dostatek paliva pro část vysokotlakou a sestává z následujících částí:
palivová nádrž
dopravní palivové čerpadlo se sacím košem (u osobních automobilů se používá elektrické válečkové čerpadlo, obvykle umístěné v palivové nádrži)
jemný čistič paliva
nízkotlaké palivové potrubí
zpětné palivové potrubí 7.2.2 Vysokotlaká část Hlavním úkolem vysokotlaké části palivové soustavy je, kromě vytváření vysokého tlaku, rozdělení a odměření množství vstřikovaného paliva. K hlavním částem patří:
vysokotlaké čerpadlo
regulační tlakový ventil
vysokotlaký zásobník paliva (Rail)
snímač tlaku paliva v zásobníku
pojistný ventil
omezovač průtoku
vstřikovače

Princip činnosti Nepřetržitě pracující vysokotlaké čerpadlo poháněné motorem vytváří požadovaný tlak paliva. Regulační tlakový ventil je zabudován do vysokotlakého čerpadla nebo je instalován zvlášť. Palivo je stlačováno třemi pístky rozmístěnými radiálně uvnitř čerpadla každých 120 stupňů (obr. 22). Plnící čerpadlo vhání palivo přes filtr s čističem vody do pojistného ventilu a vytlačuje ho škrtícím otvorem pojistného ventilu do mazací a chladicí soustavy vysokotlakého čerpadla. Hnací hřídel pohybuje třemi pístky čerpadla nahoru a dolů podle tvaru vačky. Pokud podávací tlak překročí hodnotu otevíracího tlaku pojistného ventilu, plnicí čerpadlo může vhánět palivo vypouštěcím ventilem vysokotlakého čerpadla do prostoru výtlačné části, přičemž se pístek čerpadla pohybuje směrem dolů (sací zdvih). 43

Obr. 22 Příčný řez vysokotlakým čerpadlem Common Rail 1 – hnací hřídel, 2 – excentrická vačka, 3 – výtlačná část, 4 – vstupní ventil, 5 – vypouštěcí ventil, 6 – přívod paliva

Po překročení nejnižší polohy pístku dojde k uzavření prostoru výtlačné části a palivo v něm se nemůže rozpínat. Tlak může být vyšší než podávací tlak dopravního čerpadla. Stoupající tlak otevírá vypouštěcí ventil a v okamžiku dosažení tlaku v zásobníku se stlačené palivo dostane do vysokotlakého obvodu. Pístek výtlačné části vytlačuje palivo do okamžiku, ve kterém dosáhne své nejvyšší polohy (zdvih výtlaku). Potom tlak klesá a vypouštěcí ventil se uzavírá. Zbylé palivo se rozpíná, pístek výtlačné části se pohybuje směrem dolů. Jakmile bude tlak v prostoru výtlačné části nižší, než podávací tlak napájecího čerpadla, proces se bude opakovat. Protože vysokotlaké čerpadlo musí zajistit přiměřený výkon již na volnoběhu, při zvýšených obrátkách motoru se objevuje nadbytek stlačeného paliva. Je odváděn zpět do nádrže regulačním tlakovým ventilem. Avšak stlačené palivo se rozpíná, energie získaná stlačením je ztracena, a tím pádem dochází k poklesu celkové výkonnosti. Tento problém byl vyřešen přizpůsobením výkonu vytlačování spotřebě paliva soustavou vypínání výtlačné části. (Bosch 2005) 44

Odpojení výtlačné části, které způsobuje snížení množství paliva vháněného do vysokotlakého zásobníku, je provedeno trvalým otevřením vstupního ventilu. Po zapnutí ventilu elektromagnetického vypínání výtlačné části trn umístěný na kotvě ventilu nepřetržitě tlačí na vstupní ventil. Díky tomu nemůže dojít ke stlačení nasávaného paliva během zdvihu vytlačení a palivo odtéká zpět do nízkotlakého potrubí. 7.2.2.1 Vysokotlaký zásobník (Rail) Vysokotlaký zásobník funguje jako akumulátor paliva pod vysokým tlakem a zároveň tlumí kolísání (kmitání) tlaku. Vyrábí se z kované oceli a má podélný tvar. Ke kolísání tlaku dochází pracovními pohyby čerpadla a neustálým otevíráním a zavíráním vstřikovačů. Musí mít tedy dostatečný objem k jeho omezení. Nesmí být ale příliš velký, aby se po startu rychle vytvořil potřebný tlak pro chod motoru. (Bosch 2005)

Obr. 23 Popis systému Common Rail 7.2.2.2 Elektromagnetické a piezoelektrické vstřikovače V systémech Common Rail první generace se používají elektromagneticky řízené vstřikovače. Za účelem zajištění správného průběhu vstřiku a přesné dávky paliva je vstřikovač

řízen

elektromagnetickým

impulsem

podporovaným

hydraulickým

systémem. Umožňuje to libovolně upravovat průběh vstřiku a provádět předvstřik. 45

Vstřiknutá dávka paliva je úměrná, za daného tlaku, času zapojení elektromagnetického ventilu, avšak je nezávislá na rychlosti otáčení motoru nebo vstřikovacího čerpadla. Je to možné díky zásobníku, umístěnému mezi vysokotlakým čerpadlem a vstřikovači, kde je shromážděno palivo pod vysokým tlakem.

A – otevřený vstřikovač B – zavřený vstřikovač 1 – hrdlo přepadu paliva 2 – elektrické spojení 3 – cívka elektromagnetu 4 - přípojka přívodu paliva z railu 5 – kulička kotvy ventilu 6 – škrticí klapka odtoku 7 – škrtící klapka přívodu 8 – řídící komora ventilu 9 – řídící pístek 10 – kanál přívodu paliva do trysky 11 – jehla trysky

Obr. 24 Elektromagnetický ventil V

systémech druhé generace se objevily piezoelektrické vstřikovače, to znamená

vstřikovače s piezoelektrickým výkonným prvkem. Piezoelektrický efekt spočívá ve změně rozměrů krystalu pod vlivem působení elektrického pole. Tento jev se vyskytuje v těch krystalech, které nemají svůj střed symetrie, např. v krystalech křemene. V případě vstřikovačů byly místo běžných krystalů křemene, používaných v průmyslu, použity krystaly z keramického materiálu. Tento materiál má také piezoelektrické vlastnosti a díky příměsi olova a oxidu zirkoničitého dobře snáší vysokou teplotu. Pro dosažení požadovaného zdvihu jehly trysky je nutná přiměřená tloušťka piezoelementů. Piezoelement je váleček vysoký cca 30 mm, vyrobený z asi 400 vrstev velmi tenké keramické fólie. Po přiložení napětí 150 V zvětší svou výšku o 0,04 mm. Pro srovnání: tloušťka lidského vlasu je asi 0,05 mm. Pak mechanismus, který se 46

skládá ze soustavy pístů a pružin, mění tuto hodnotu ve zdvih jehly trysky 0,08 mm. Tato poměrně malá hodnota stačí k přesnému otevření a uzavření vstřikovače. Protože v tryskách nemohou být namontována žádná těsnění, výrobní tolerance otvoru v tělese trysky a jehly nesmí přesáhnout několik tisícin milimetru, montážní vůle jsou ještě menší. (Bosch 2005) Hlavní předností piezoelektrických vstřikovačů je krátká doba jejich přepínání, cca 0,1 ms. Piezovstřikovače umožňují svobodný výběr počátku vstřiku a velikosti dávky paliva, jakož i provedení vícenásobného vstřiku. Setrvačnost elektromagnetických vstřikovačů dosud umožňovala pouze jeden předvstřik za účelem tlumení hluku při spalování. V květnu 2003 byla zahájena sériová výroba třetí generace systémů Common Rail firmy Bosch vybavených piezokrystalickými vstřikovači. Ventily vstřikovače mají v sobě integrovaný piezokrystalický nastavovač, který se skládá z několika set malých a tenkých krystalů. Piezokrystaly přepínají ventily v době kratší než jedna desítitisícina vteřiny. Aby bylo možno toho využít, vývojáři integrovali piezokrystalický nastavovač v tělese vstřikovače (odtud název Inline Injector). Pohyb piezokrystalického materiálu je ve vstřikovači typu Inline Injector přenášen bez dodatečných mechanických prvků a bez tření na rychle se pohybující jehlici. Výhodou inovativního řešení je to, že ve srovnání s elektromagnetickými vstřikovači a dosud používanými tradičními piezoelektrickými vstřikovači umožňuje preciznější dávkování množství vstřikovaného paliva a lepší rozprášení paliva ve spalovací komoře motoru. Díky rychlému přepínání vstřikovače lze zkrátit odstupy mezi jednotlivými vstřiky, což umožňuje dosáhnout pružnějšího průběhu vstřiku. (Bosch 2005)

Obr. 25 Piezoelektrický vstřikovač 47

7.2.2.3 Elektronická regulace palivového systému Common Rail Elektronické řízení vznětových motorů (EDC – Elektronic Diesel Control) je nutné pro dosažení požadovaných emisí výfukových plynů a hlukových emisí motoru. Tyto požadavky je schopen splnit motor s elektronickým řízením. EDC snímá a následně vypočítává potřebné vstřikované množství paliva. Veličiny vstupující do řídící jednotky:
poloha plynového pedálu
teplota motoru
provozní stav
působení na emise škodlivých látek EDC se dělí do tří systémových bloků:
snímače a čidla – snímají provozní podmínky (např. otáčky motoru) a předepsané hodnoty (např. polohu spínačů), převádějí fyzikální veličiny na elektrické signály
řídící jednotka – zpracovává signály snímačů a čidel požadovaných hodnot podle určitých matematických pravidel výpočtu (řídící a regulační algoritmy), řídí akční členy elektrickými výstupními signály, řídící jednotka kromě toho tvoří rozhraní k dalším systémům a k diagnostice vozidla.
akční členy – převádějí elektrické výstupní signály řídící jednotky na mechanické veličiny (např. elektromagnetický ventil pro vstřikování)

48

Obr. 26 EDC systému Common Rail pro osobní vozidla (Bosch 2005)

49

8

METOGIKA MĚŘENÍ AUTOMOBILU ŠKODA OCTAVIA 1.9 TDI V následující části diplomové práce jsem si zvolil vybraný prvek palivového

systému a to změnu dávky paliva u dieselového motoru automobilu Škoda Octavia 1.9 TDi a srovnání průběhů točivého momentu, výkonu a kouřivosti. Měření se provádělo na válcovém dynamometru a jako palivo byla použita motorová nafta a řepkový olej.

8.1 Škoda Octavia 1.9 TDi Tab. 4 Technické údaje Kód motoru Konstrukce Obsah Vrtání Zdvih Kompresní poměr Příprava směsi

Pořadí vstřikování Palivo Čištění výfukových plynů Výkon Točivý moment

AHF Řadový čtyřválec 1896 cm 79,5 mm 95,5 mm 19,5 : 1 přímé vstřikování s elektronicky řízeným rozdělovacím vstřikovacím čerpadlem 1-3-4-2 nafta, řepkový olej zpětné vedení výfukových plynů a oxidační katalyzátor 66 kW (90 koní) při 3750 1/min 210 Nm při 1900 1/min

Obr. 27 Měřené vozidlo Škoda Octavia Combi 1.9 TDi 50

8.2 Vozidlová zkušebna Ústavu techniky a automobilové dopravy Sestává:
vozidlový dynamometr 4VDM E120-D
emisní analýzy ,
zařízení pro měření spotřeby,
čidel tlaku a 8 senzorů teploty (tlak i teplota před a za turbem 8.2.1 Vozidlový dynamometr 4VDM E120-D K měření výkonu spalovacího motoru vozidla bez nutnosti demontáže na zkušebnu motorů slouží válcový vozidlový dynamometr. Jeho činnost lze zjednodušeně popsat následovně. Spalovací motor přenáší výkon na hnací kola vozidla, ta třením roztáčí zkušební válce dynamometru (z konstrukčního hlediska se může jednat o monovlácové či duoválcové výkonové zkušebny). K válci je připojeno zařízení (z principu maření energie existují vířivé, hydraulické či elektrické brzdy , které klade otáčejícímu se kolu brzdný odpor a umožňuje regulaci jeho velikosti. Tento brzdný moment vyvolává reakční moment stejné velikosti ale s opačným smyslem, a jelikož válce jsou spojeny s rotorem brzdného zařízení a poháněny koly vozidla, přenáší se reakční moment přes stator na siloměrné zařízení - tenzometr . Měřením velikosti reakčního momentu lze určit obvodové hnací síly na kolech vozidla a při znalosti otáček, resp. rychlosti otáčení je možné vypočítat výkon. (Studijní opory MENDELU)

Obr. 28 Válcový vozidlový dynamometr - hala na MENDELU 51

Data z měření se zapisují až z 140 kanálů v reálném čase na PC. Protokol z měření je ukládán v HTML a všechny údaje je možno samozřejmě exportovat do tabulkového procesoru k další analýze.

Obr. 29 Softwarové vybavení zkušebny Velmi důležitou součástí zkušebny je také vzduchotechnika a spalinové hospodářství. Podtlak v místnosti lze regulovat od 5 do 300 Pa, přičemž vyměněné množství vzduchu činí až 25 000 m3/h. U výfukových plynů lze regulovat množství ručně či v závislosti na odebíraném výkonu motoru a to až do 24 000 m3/h. 8.2.1.1 Typy zkušebních zařízení Výkon při rotačním pohybu je jednoznačně dán součinem točivého momentu a úhlové rychlosti. Protože ho nelze měřit přímo, je nutné měřit tyto dvě veličiny. Pro zjištění točivého momentu se nejčastěji používají deformační členy, které jsou založeny na změně mechanických, magnetických či elektrických veličin. V praxi se lze často setkat s označením výkonová brzda, tento pojem je odvozen od brzdného účinku momentu vyvolaného zkušebním zařízením. Hydraulické brzdy jsou charakteristické tím, že se pohybová energie spalovacího motoru přenesená na hnací kola přemění v teplo vnitřním třením částic kapaliny (nejčastěji vody). Kapalina zde slouží nejen jako pracovní látka, ale i jako chladící médium.

52

Elektromagnetické vířivé brzdy pracují na principu vzniku vířivých proudů při toku stejnosměrného proudu budícím vinutím. Často jsou řešeny tak, že výkyvné uložené těleso obsahuje ozubený pólový kotouč, budící vinutí a chladicí komory, kterými protéká voda. Protéká-li budícím vinutím stejnosměrný proud, vzniká magnetické pole, které má statický charakter v zubech pólového kotouče (obíhá současně s pólovým kotoučem, přičemž siločáry procházejí zuby pólového kotouče pouze v axiálním směru), ale vztažené ke stěnám chladících komor má frekvenci shodnou s frekvencí otáčejících se zubů. Takto vznikají ve stěnách vířivé proudy, které vytváří pole s brzdným účinkem. (Studijní opory MENDELU)

Obr. 30 Elektromagnetická vířivá brzda, červeně označený pólový kotouč, žlutě budící vinutí, modře chladicí komory Elektrické brzdy (často stejnosměrné dynamometry) jsou v podstatě elektrické generátory nebo elektromotory s výkyvně uloženým statorem. Jejich výhoda oproti předchozím je v možnosti nejen brzdit, ale i pohánět kola vozidla a zjišťovat tak např. brzdné síly, monitorovat funkci ABS aj. 8.2.2 Emisní systémová analýza Přístroje Bosch ESA (Emisní Systémová Analýza) je zařízení vyvinuté zejména pro pracoviště zabývající se měřením emisí. Současně také umožňuje diagnostiku a základní seřízení motoru. ESA je modulárně řešený systém, jehož funkce je možné podle potřeb postupně rozšiřovat. Jako základ lze zvolit sestavy, které umožňují měření emisí zážehových (ESA 3.140), vznětových 53

(ESA 3.110) nebo zážehových a

vznětových motorů (ESA 3.250). Měřit lze i motory poháněné alternativními palivy (LPG, CNG, metanol) s tím, že součinitel lambda je vypočítán podle zvoleného druhu paliva (pouze v některých verzích analyzátoru). ESA kromě plynných emisí, případně kouřivosti, zajišťuje nejen potřebné měření otáček a teploty oleje, ale umožňuje provádět i jednoduché funkce motortesteru. Dokáže změřit předstih a dynamický předvstřik pomocí stroboskopické lampy nebo snímače HÚ, úhel sepnutí má možnost zobrazit i signály (např. napětí lambda sondy, doba vstřiku,…) a nabízí i funkci multimetru. Součástí softwaru ESA je databanka předepsaných hodnot některých vozidel a databanka zákazníků. Databanku předepsaných hodnot ostatních vozidel lze doplnit jako zvláštní výbavu. Tiskne protokoly o měření emisí se všemi náležitostmi, automaticky čísluje protokoly, hlídá platnost osvědčení techniků, zajišťuje vedení evidence kontrolních nálepek, osvědčení a vypracovává pravidelná hlášení. Emisní systémová analýza je určena nejen pro úřední měření emisí, ale také pro diagnostiku a základní seřízení motoru. Jedná se o modulárně řešený systém, ve kterém je modul analyzátoru ETT 8.70/ETT 8.71, opacimetru RTM 430 i měřící modul MTM plus řízen počítačem. (Studijní opory MENDELU)

1–

Monitor

2 – Dálkové ovládání 3 – Inkoustová tiskárna 4 – Měřící modul MTM Plus 5 – Modul opacimetru RTM 430 6 – Klávesnice 7 – PC modul 8 – Modul 008.70-1

Obr. 31 Emisní systémová analýza Bosch 54

analyzátoru

ETT

Dílenský vozík Modul analyzátoru ETT 8.70 provádí měření čtyř základních složek výfukových plynů CO, HC, CO2, O2 a z nich pak vypočítává hodnotu součinitele přebytku vzduchu lambda pro právě měřené palivo (benzín, LPG, CNG a metanol). Modul ETT 8.71 je navíc připraven na montáž snímače pro měření NOx. Modul opacimetru RTM 430 se vyznačuje unikátně řešeným systémem vzduchových závěsů, který zaručuje vysokou přesnost měření a dlouhé intervaly údržby. Výfuková sonda s nastavitelnou délkou umožňuje bezproblémové připojení na výfuk i vozidel s extrémně krátkou nebo nezvykle tvarovanou koncovkou výfuku. Magnetické uchycení přijímače a vysílače zrychluje již tak velmi jednoduchou údržbu. (Studijní opory MENDELU) Tab. 5 Charakteristika emisní systémové analýzy Bosch ESA 3.250 Měřící rozsah Rozlišení Modul analyzátoru ETT 008.70 0,000 - 10,00 % obj. 0,001 % obj. CO CO2

0,00 - 18,00 % obj.

0,01 % obj.

HC

0 - 9999 ppm obj.

1 ppm obj.

O2

0,00 - 22 % obj.

0,01 % obj.

Lambda

0,500 - 1,800

0,001

Splňuje požadavky normy OIML třídy 1 Modul opacimetru RTM 430

Měřící rozsah

Rozlišení

Kouřivost

0 - 100 %

0,10%

Opacita

0 - 10 1/m

0,01 1/m

8.3 Druhy měření charakteristik spalovacích motorů Charakteristiky spalovacích motorů jsou graficky znázorněné závislosti mezi základními veličinami, jako jsou výkon Pe, točivý moment Mt, střední efektivní tlak pe, otáčky n, měrná spotřeba paliva mpe, hodinová spotřeba paliva Mp, dále vybraná teplota a tlak, účinnosti, veličiny charakterizující exhalace atd. Hledisek, podle kterých se charakteristiky dělí, je několik. Základní dělení je podle zvolené nezávislé proměnné veličiny.

55

Otáčková (rychlostní) charakteristika, znázorňuje závislost výkonu a ostatních důležitých veličin motoru na jeho otáčkách při stálém nastavení ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) regulujícího výkon motoru. Rozděleny jsou podle více hledisek na:
vnější charakteristiky – typické tím, že ovládací zařízení (pedál akcelerátoru), regulující výkon motoru, je nastavené na maximum v celém rozsahu otáček.
částečné charakteristiky – svým průběhem se podobají vnější provozní charakteristice, ale velikostí se odlišují podle nastavení ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru), regulujícího výkon motoru. Částečná charakteristika platí tedy i pro konstantní polohu ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) regulujícího výkon motoru v celém otáčkovém rozsahu, ale její hodnota je nižší než maximální.
zvláštní charakteristiky – zařazené pod skupinu rychlostních, které znázorňují závislosti základních veličin motoru pro určité vybrané režimy, respektive podmínky (vrtulová charakteristika, charakteristika motoru s regulátorem, charakteristika chodu naprázdno). Zatěžovací charakteristika znázorňuje závislost spotřeby paliva, zpravidla měrné (g.kW-1.h-1), respektive dalších důležitých veličin, na některé veličině charakterizující zatížení spalovacího motoru, jako například výkon Pe, stření efektivní tlak pe, točivý moment Mk atd. Jsou výhodné při posuzování stacionárních motorů, motorů kolejových vozidel, ale slouží také jako podklad na konstrukci úplných charakteristik motorů, při vyhodnocování ztrátového momentu, chodu naprázdno atd. Regulační (nastavovací) charakteristika znázorňuje závislost veličin spalovacího motoru na některé konstrukční veličině, charakterizující seřízení (nastavení) motoru (např. úhel předstřiku). Při zjišťování charakteristiky měřením se mění jen sledovaná nezávisle proměnná, ostatní vstupní veličiny se podle možnosti udržují konstantní například otáčky, poloha regulačního orgánu, teploty atd. Regulační charakteristiky se využívají ve sféře výzkumu, vývoje, při navrhování systémů řízení nebo seřizování konstrukčních prvků, které ovlivňují výstupní hodnoty motoru. Úplná (celková) charakteristika se v praxi uplatňuje na komplexní posuzování spalovacích motorů z hlediska výkonu, momentu, spotřeby, teplot, škodlivin v 56

exhalacích a dalších vedlejších veličin. V jednom diagramu umožňuje zobrazit několik závislostí současně pomocí průsečíkových diagramů. Nedá se získat měřením ani výpočtem přímo, ale je sestavená z otáčkové nebo zatěžovací charakteristiky přenosem bodů vybrané veličiny s konstantní hodnotou do souřadnicového systému Pe - n, respektive Mk – n. (Studijní opory MENDELU) 8.3.1 Použití charakteristik v praxi Všechny uvedené charakteristiky mají uplatnění v praxi:
při vývoji a výzkumu nového typu spalovacího motoru,
- při konstrukci zařízení, které spalovací motor používají jako zdroj výkonu
při posuzování stavu motoru a při zjišťování ekonomických ukazatelů
při analýze statických a dynamických vlastností pohonů vozidel a mobilní techniky. Otáčkové charakteristiky se používají na posuzování vlastností motorů, které pracují s proměnlivými otáčkami. Pouze v některých případech lze vystačit se jmenovitou otáčkovou charakteristikou, například u stacionárních motorů. Především u vznětových naftových motorů je při posuzování jejich chování významná ta část otáčkové charakteristiky, kde působí nezávislý autonomní jedno-, dvou nebo celorežimový regulátor. Zatěžovací charakteristiky se používají převážně při posuzování vlastností motorů, které pracují s konstantními otáčkami. Oba dva tyto druhy charakteristik slouží jako výsledný podklad pro konstrukci úplné charakteristiky motoru. Regulační (nastavovací) charakteristiky se zjišťují při vývojových a prototypových zkouškách s cílem optimálního nastavení motoru pro dané podmínky, respektive posuzování motoru v mimořádných pracovních podmínkách. Úplné charakteristiky mají význam při projektování pohonu. Umožňují komplexní pohled na pracovní oblast motoru, se zobrazením nejpodstatnějších veličin a jejich vzájemný vztah v jednom diagramu. (Studijní opory MENDELU)

57

8.4 Postup při měření vnější otáčkové charakteristiky Před zkouškou na válcové zkušebně je nutno zkontrolovat, zda jsou na hnacích kolech použity předepsané pneumatiky a zkontrolovat upevnění vyvažovacích závaží. Tlak v pneumatikách má být na horní mezi stanovené výrobcem vozidla. Po usazení vozidla na válcích je nutno provést zajištění vozidla. Vozidlo se zafixuje pomocí konstrukce k podlaze zkušebny. Ta je vybavena pryžovými dorazy, které doléhají na nárazník a umožňují vozidlu maření nadměrných dynamických sil. Před spuštěním motoru se musí na výfuk nasadit odsávací zařízení. Vlastní zkouška se kvůli reprodukovatelnosti výsledků musí provádět na určitý rychlostní stupeň. U vozidel se samočinnou převodovkou se doporučuje provádět zkoušku na nejvyšší rychlostní stupeň, a to rychlostí, při níž nedojde k prokluzu hnacích kol s ohledem na provozní pole dynamometru. U našeho měřeného vozidla Škoda Octavia 1.9 TDi se zkouška prováděla na čtvrtý rychlostní stupeň. Velký výkon nelze měřit při malých rychlostech jízdy, protože v tomto případě není styčná plocha mezi pláštěm a válci jej schopna přenést a dojde k prokluzu hnaných kol na zkušebních válcích. Následuje kalibrace zkušebny, měření pasivních ztrát a měření výkonu. Měření výkonu bylo prováděno dvěma způsoby, staticky i dynamicky. Statický výkon – měření je prováděno při konstantních otáčkách motoru, který je zatížen dynamometrem – brzdou. Odečítají se otáčky dynamometru a jim odpovídající hodnota točivého momentu, který je snímán snímačem síly. Z těchto hodnot se následně zjišťuje výkon motoru. Dynamický výkon – motor je krátkodobě zatížen odporem setrvačných hmot během jejich roztáčení. Výkon je v tomto případě stanoven výpočtem: výkon jest součinem točivého momentu a úhlové rychlosti, přičemž točivý moment je součinem momentu setrvačnosti a úhlového zrychlení. Při statickém měření výkonu se měřila i kouřivost vznětového motoru opacimetrem RTM 430, který je součástí Emisní systémové analýzy, jak jsem již zmínil. (Studijní opory MENDELU)

58

8.5 Tabulkové a grafické zpracování naměřených hodnot statickou metodou měření Při měření výkonu a točivého momentu na válcovém dynamometru statickou metodou nedošlo k úpravě řídící jednotky, tudíž porovnávám výkony a točivé momenty při sériovém nastavení řídící jednotky na palivo motorová nafta a řepkový olej. Dále porovnávám kouřivost motoru na obě paliva.

Podmínky měření Tab. 6 Podmínky měření statickou metodou Statická metoda měření Zkoušené vozidlo Škoda OCTAVIA1,9TDi označení: OCTAVIA 1,9TDi typ: M1 - osobní auto kategorie: Přední hnaná náprava: Podmínky zkoušky Kontrolní měření specifikace testu: TMBGG41U7184572167 VIN: 4S5 0139 SPZ: Ing. Podlipný operátor: palivo: Nafta, řepkový olej IV převodový stupeň: Ano přední válce: Ne spojka: bez vývodový hřídel: 23,0 teplota paliva [°C]: 100 teplota spalin kouřoměr [°C]: teplota nasávaného vzduchu[°C]: 24,3 98,0 barometrický tlak [kPa]: 50 relativní vlhkost [%]: 210675 stav tachometru [km]: 856 zatížení přední nápravy [kg]: 723 zatížení zadní nápravy [kg]:

59

Tab. 7 Hodnoty pro stanovení vnější otáčkové charakteristiky na palivo motorová nafta Vnější otáčková charakteristika - motorová nafta n

P

Mt

Opacita

Kouřivost

1/min

kW

N.m

1/m

%

1243

25,7

181,7

2,51

66,2

1653

40,1

214,8

0,43

17,0

2066

48,5

213,8

0,37

14,8

2478

54,2

202,7

0,38

15,1

2888

60,3

195,0

0,50

19,4

3299

64,1

181,6

1,04

36,2

3709

60,2

152,2

1,59

49,7

4121

52,2

132,0

0,68

25,5

Tab. 8 Hodnoty pro stanovení vnější otáčkové charakteristiky na palivo řepkový olej Vnější otáčková charakteristika - řepkový olej n

P

Mt

Opacita

Kouřivost

1/min

kW

N.m

1/m

%

1243

27,5

193,4

1,91

56,2

1653

42,8

228,5

0,21

8,7

2066

51,2

225,7

0,18

7,5

2478

57,4

214,7

0,21

8,7

2888

64,1

207,1

0,29

11,8

3299

65,8

186,4

0,48

18,7

3709

63,3

159,5

0,77

28,3

4121

50,6

115,6

0,24

9,8

60

Graf 1 Vnější otáčková charakteristika Škody Octavie 1.9 61

Měření kouřivosti Výfukové plyny spalovacího motoru jsou označovány jako kouř tehdy, obsahují – li kromě plynných zplodin hoření i určité množství kapalných a pevných částeček v podobě sazí a nespálených uhlovodíků. Praktický význam má kouřivost zejména při diagnostice vznětového motoru. Na kouřivosti vznětových motorů se hlavně podílejí pevné částice, v menší míře pak olej, vodní pára a nespálené palivo. Příčinou může být také opotřebované palivové čerpadlo, vstřikovací trysky, turbo, ale také snímače, které určují bohatost směsi, množství vstřikované dávky paliva a nebo množství protékajícího vzduchu (váha vzduchu). V našem případě porovnáváme změnu kouřivosti při změně paliva z motorové nafty na řepkový olej. Tab. 9 Rozdíl v kouřivosti M. nafta

Ř. olej

Rozdíl

%

%

%

%

66,2

56,2

17

8,7

14,8

7,5

15,1

8,7

19,4

11,8

36,2

18,7

49,7

28,3

25,5

9,8

84,89426 51,17647 50,67568 57,61589 60,82474 51,65746 56,94165 38,43137

15,10574 48,82353 49,32432 42,38411 39,17526 48,34254 43,05835 61,56863 43,5

62

Graf 2 Porovnání kouřivosti 63

8.6 Tabulkové a grafické zpracování naměřených hodnot dynamickou metodou měření Před měřením výkonu a točivého momentu dynamickou metodou se provedla úprava řídící jednotky, respektive se zvyšovala dávka paliva. Zvýšení dávky paliva se provádí zvýšením doby otevření vstřikovače. U některých automobilů je v řídící jednotce paměť EPROM, která se nedá elektronicky přemazat, pouze vyměnit. V našem případě je řídící jednotka vybavena elektronicky přemazatelnou pamětí EEPROM, která obsahuje zavaděč, řídící program a nastavení (vstřikovací mapy, řízení plnění, EGR apod.) Pro vyjmutí paměti EEPROM z řídící jednotky je zapotřebí mít kvalitní horkovzdušnou pájku.

Obr. 32 Pájení paměti EEPROM z řídící jednotky horkovzdušnou pájkou Po vypájení paměti EEPROM se změna provedla v binárním souboru paměti EEPROM, a jelikož nejsou známa originální data, nelze změnu zvýšení dávky paliva určit procentuálně.

64

Obr. 33 Software pro zvýšení dávky paliva v paměti EEPROM

Podmínky měření Tab. 10 Podmínky měření dynamickou metodou Dynamická metoda měření Zkoušené vozidlo Škoda OCTAVIA1,9TDi označení: OCTAVIA 1,9TDi typ: M1 - osobní auto kategorie: Přední hnaná náprava: Podmínky zkoušky Kontrolní měření po úpravě řídící jednotky specifikace testu: TMBGG41U7184572167 VIN: 4S5 0139 SPZ: Ing. Podlipný operátor: palivo: Nafta, řepkový olej IV převodový stupeň: Ano přední válce: Ne spojka: bez vývodový hřídel: teplota paliva [°C]: 23,0 teplota spalin kouřoměr [°C]: 100 teplota nasávaného vzduchu[°C]: 22,9 barometrický tlak [kPa]: 98,0 relativní vlhkost [%]: 50 stav tachometru [km]: 210675 zatížení přední nápravy [kg]: 856 zatížení zadní nápravy [kg]: 723

65

Tab. 11 Ukázkové hodnoty pro stanovení vnější otáčkové charakteristiky na palivo řepkový olej P

n

Mt

kW 18,1

1/min

N.m

1102

149,4

27,9

1353

193,2

47,1

1716

231,6

57,4

1886

249,4

64,1

2340

243

69,9 72,8

2790 3248

234 197

75,6

3723

191,3

74 72,2

3876 3937

180,6 168,8

68,2

4145

149,8

57,4

4305

139,3

Tab. 12 Ukázkové hodnoty pro stanovení vnější otáčkové charakteristiky na palivo motorová nafta P

n

Mt

kW

1/min

N.m

17,4

1103

149,2

26,2

1337

189,4

42,8 54

1685 2080

221,7 240,6

60,5

2756

235

66,6

3068

200

72,9 73,5

3432 3780

192,7 183,1

70,7

3997

172

66,8

4110

154,1

59,2 49,7

4277 4395

131,2 106,8

66

Graf 3 Vnější otáčková charakteristika Škody Octavie 1.9 TDi po zvýšené dávce paliva 67

8.7 Analýza naměřených hodnot Statická metoda měření Z tabulek 7 a 8 a z grafu 1 Vnější otáčkové charakteristiky je patrné, že průběhy výkonu a točivého momentu motoru automobilu Škoda Octavia 1.9 TDi jsou při provozu na řepkový olej příznivější. Maximální hodnota výkonu je 65,8 kW při 3299 min-1 a maximální hodnota točivého momentu je 228,5 Nm při 1653 min-1při provozu na řepkový olej, přičemž maximální hodnoty na motorovou naftu dosahují u výkonu 64,1 kW při 3299 min-1 a u točivého momentu 214,8 Nm při 1653 min-1. Jak je vidno z tabulky 9 a grafu 2, tak kouřivost se na řepkový olej snížila průměrně o 43,5 %.

Dynamická metoda měření Jak je patrné z tabulek 11 a 12 a z grafu 3 Vnější otáčkové charakteristiky, průběhy výkonů a točivých momentů motoru automobilu Škoda Octavia 1.9 TDi po úpravě řídící jednotky, respektive po zvýšení dávky paliva (delší doba otevření vstřikovače) jsou podobné. Maximální hodnota výkonu je 75,6 kW při 3723 min-1 a maximální hodnota točivého momentu je 249,4 Nm při 1886 min-1při provozu na řepkový olej, přičemž maximální hodnoty na motorovou naftu dosahují u výkonu 73,5 kW při 3780 min-1 a u točivého momentu 240,6 Nm při 2080 min-1.

8.8 Diskuse Z uvedených tabulek a grafů je jasné, že průběhy výkonů a točivých momentů jsou na palivo řepkový olej přijatelnější. Většího výkonu a točivého momentu dosáhl motor 1.9 TDi při statické metodě měření na palivo řepkový olej a to o 1,7 kW a 13,7 Nm vyšší než na motorovou naftu. Po úpravě řídící jednotky nám výkon na řepkový olej narostl z původní hodnoty o 9,8 kW a točivý moment o 20,9 Nm, nutno podotknout, že maximální hodnoty jsou při odlišných otáčkách motoru, než při měření bez úpravy řídící jednotky. Výkon měřený na motorovou naftu se po úpravě řídící jednotky zvýšil o 9,4 kW a točivý moment o 25,8 Nm.

68

Vyšší dosažený výkon a točivý moment u řepkového oleje je dán vyšší měrnou hmotností řepkového oleje. Porovnání měrných hmotností zmiňovaných paliv je v tabulce 13. Tab. 13 Měrná hmotnost u použitých paliv Palivo Měrná hmotnost ρ Motorová nafta

0,815 - 0,855 kg/dm3

Řepkový olej

0,917 - 0,920 kg/dm3

Řepkový olej má vyšší hustotu, tudíž je do spalovacího prostoru vstříknuta větší hmotnost paliva při stejném objemu. Při stejném objemu rostlinného oleje a motorové nafty je hmotnost řepkového oleje vyšší o 12,5%. mřo = ρřo × V

mřo – hmotnost řepkového oleje [kg]

mřo = 0,917 × 1

ρřo – měrná hmotnost [kg/dm3]

mřo= 0,917 kg

mmn = ρmn × V mmn = 0815 × 1 mmn= 0,815 kg

V – objem [l]

mmn – hmotnost motorové nafty [kg] ρmn – měrná hmotnost [kg/dm3] V – objem [l]

Tab. 14 Výhřevnost použitých paliv Palivo Výhřevnost Motorová nafta Řepkový olej

42,62 MJ/kg 37,21 MJ/kg

Při měření lze použít datových výstupů palubní diagnostiky, zejména hodnoty hodinové spotřeby paliva. Je však nutné říci, že systém je optimalizován na motorovou naftu a výpočtem z doby otevření vstřikovače není vhodná. Důvodem je zcela odlišná tvorba obrazce vstřikování, která pramení z jiných závislostí toku tryskou, jelikož je značně změněna viskozita kapaliny. Proto lze vycházet z obdobných realizovaných měření u traktorových motorů na zkušebně Mendelu, kde nárůst spotřeby u rostlinných olejů činil průměrně 5% (hm.). Odůvodnění zvýšení výkonu motoru je tedy možné vyčíslit následujícím způsobem.

69

Z hustoty lze vzít základ pro jeden 1 litr paliva. Násobením s výhřevností vychází energetický potenciál pro 1 litr paliva. Pro skutečnou dávku u ŘO je třeba korigovat výsledek zmíněnými 5%. Výpočtem zjistíme, že pro rostlinný olej výsledek činí 35,82 MJ/l a pro naftu je to 34,73 MJ/l. Diference je 3% ve prospěch ŘO. Ověření pak lze udělat výpočtem diference výkonu, kde lze dospět k číslu 2,6%. Tedy lze konstatovat, že oba výsledky jsou v matematickém souladu.

70

9

ZÁVĚR Diplomová práce se zabývá moderními vstřikovacími zařízeními vznětových

motorů osobních automobilů. V dnešní době se vývoj vstřikovacích zařízení ubírá směrem k systému Common Rail, který disponuje velkými možnostmi variability při vytváření vstřikovacího tlaku a časového okamžiku vstřiku paliva. Nedílnou součástí vývoje vstřikovacích zařízení vznětových motorů je hledání vhodných alternativních paliv pro tyto motory. Jako alternativní palivo byl použit neupravený řepkový olej u automobilu Škoda Octavia 1.9 TDi s palivovou soustavou s radiálním vstřikovacím čerpadlem. Měřenými parametry byly točivý moment, výkon a kouřivost. Provoz spalovacího motoru na řepkový olej vykazoval vyšší míru efektivity práce než na motorovou naftu při snížené kouřivosti. Při dalším porovnání měřených parametrů na obě paliva se zvýšila dávka paliva, respektive doba otevření vstřikovače v binárním souboru paměti EEPROM, která je součástí řídící jednotky. Hodnoty výkonu u obou paliv se zvýšily přibližně o stejnou hodnotu, točivý moment měřený na motorovou naftu se nám v porovnání se sériovým nastavením zvýšil o 4,9 kW více, než na řepkový olej, avšak maximální hodnota točivého momentu na řepkový olej po úpravě řídící jednotky je větší, jak je patrno z grafu 3. Nedostatkem pro provoz spalovacího motoru na řepkový olej je poměrně jednoduchá, ale nákladná přestavba automobilu a provoz v zimních měsících, poněvadž nelze spalovací motor provozovat na čistý řepkový olej kvůli jeho viskozitě, nýbrž jen v určitém poměru s motorovou naftou. Další nedostatek takto provozovaného spalovacího motoru spočívá ve sníženém servisním intervalu pro výměnu motorového oleje, protože část paliva se dostane do prostoru motorového oleje, kde se na rozdíl od motorové nafty neodpaří a motorový olej degraduje.

71

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Rozprášení paliva ve spalovacím prostoru Obr. 2 Spalovací prostory motorů s přímým vstřikem paliva (Bauer 2006) Obr. 3 Dělený spalovací prostor s vírovou komůrkou (Rauscher 2005) Obr. 4 Dělený spalovací prostor s tlakovou komůrkou (Rauscher 2005) Obr. 5 Spirálová žhavící svíčka pro vznětové motory s vířivou komůrkou Obr. 6 Vliv cetanového čísla na průběh hoření (Rauscher 2005) Obr. 7 Pohled do motorové části vozu Fiat Obr. 8 Pohled na motor VW 1.9 TDi s dvounádržovým systémem Obr. 9 První sériově vyráběné vstřikovací čerpadlo z roku 1927 Obr. 10 Palivová soustava motoru s rotačním vstřikovacím čerpadlem (Bauer 2006) Obr. 11 Rotační palivové čerpadlo s axiálním pístem (Bauer 2006) Obr. 12 Dvoustupňový čistič paliva (Ján, Ždánský 2000) Obr. 13 Regulace dodávaného množství paliva u čerpadla s jednou vstřikovací jednotkou pro všechny válce motoru (Rauscher 2005) Obr. 14 Čerpadlo s radiálními písty Rauscher 2005) Obr. 15 Radiální čerpadlo VP44, kterým disponuje měřené vozidlo Obr. 16 Snímače, čidla a spínače Obr. 17 Akční členy Obr. 18 Motor se sdruženými vstřikovacími jednotkami PDE Obr. 19 Sdružená vstřikovací jednotka (Volvo D12) Obr. 20 Třetí generace systému PDE – UIS Obr. 21 Systém Common – Rail Obr. 22 Příčný řez vysokotlakým čerpadlem Common Rail Obr. 23 Popis systému Common Rail Obr. 24 Elektromagnetický ventil Obr. 25 Piezoelektrický vstřikovač Obr. 26 EDC systému Common Rail pro osobní vozidla (Bosch 2005) Obr. 27 Měřené vozidlo Škoda Octavia Combi 1.9 TDi Obr. 28 Válcový vozidlový dynamometr - hala na MENDELU Obr. 29 Softwarové vybavení zkušebny Obr. 30 Elektromagnetická vířivá brzda, červeně označený pólový kotouč, žlutě budící vinutí, modře chladicí komory 72

Obr. 31 Emisní systémová analýza Bosch Obr. 32 Pájení paměti EEPROM z řídící jednotky horkovzdušnou pájkou Obr. 33 Software pro zvýšení dávky paliva v paměti EEPROM

SEZNAM TABULEK Tab. 1 Vybrané kvalitativní parametry motorových naft dle ČSN EN 590 (Rauscher 2005) Tab. 2 Fyzikální vlastnosti rostlinných olejů ve srovnání s motorovou naftou (Rauscher 2005) Tab. 3 Vlastnosti rafinovaného a esterifikovaného řepkového oleje (Rauscher 2005) Tab. 4 Technické údaje Tab. 5 Charakteristika emisní systémové analýzy Bosch ESA 3.250 Tab. 6 Podmínky měření statickou metodou Tab. 7 Hodnoty pro stanovení vnější otáčkové charakteristiky na palivo motorová nafta Tab. 8 Hodnoty pro stanovení vnější otáčkové charakteristiky na palivo řepkový olej Tab. 9 Rozdíl v kouřivosti Tab. 10 Podmínky měření dynamickou metodou Tab. 11 Ukázkové hodnoty pro stanovení vnější otáčkové charakteristiky na palivo řepkový olej Tab. 12 Ukázkové hodnoty pro stanovení vnější otáčkové charakteristiky na palivo motorová nafta Tab. 13 Měrná hmotnost u použitých paliv Tab. 14 Spalné teplo u použitých paliv

SEZNAM GRAFŮ Graf 1 Vnější otáčková charakteristika Škody Octavie 1.9 T Graf 2 Porovnání kouřivosti Graf 3 Vnější otáčková charakteristika Škody Octavie 1.9 TDi po zvýšené dávce paliva

73

SEZNAM LITERATURY Ján Z.,Ždánský B., Automobily 3, Motory, Avid s.r.o. Brno, 2003 Ján Z.,Ždánský B., Automobily 4, Příslušenství, Avid s.r.o. Brno, 2003 Robert Bosch, Systém vstřikování s tlakovým zásobníkem Common Rail pro vznětové motory, Odbytová s.r.o., 2005, Praha Robert Bosch, Elektronické vstřikování vznětových motorů EDC 1.3.3, Odbytová s.r.o., 2005, Praha Jaroslav Rauscher, CSc., Spalovací motory, VUT FSI Brno, 2005 Studijní opory MENDELU, Agronomická fakulta, Ústav techniky a automobilové dopravy

Internetové zdroje

(1) http://www.dieseltechnika.cz/cerpadla.html, 20. 2. 2011 (2) http://www.autonaolej.cz/sluzby-autonaolej.cz/upravy-prestavby-motoru.html, 11. 12. 2010

74