MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2009
DAVID HAMERNÍK
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Vstřikovací systémy vznětových motorů s nepřímým vstřikem Bakalářská práce
Vedoucí práce: doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Brno 2009
Vypracoval: David Hamerník
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Vstřikovací systémy vznětových motorů s nepřímým vstřikem 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 bakalářské práce a děkana AF MZLU v Brně.
dne………………………………………. podpis diplomanta……………………….
PODĚKOVÁNÍ Zde bych rád poděkoval panu doc. Ing. Miroslavu Havlíčkovi, CSc. za ochotu, důležité rady, upozornění a hlavně pomoc při tvorbě této práce.
ABSTRAKT V této práci se zabývám problematikou vstřikovacích systémů vznětových motorů s nepřímým vstřikem, neboli tzv. komůrkových motorů. Snažím se porovnat různé druhy vstřikovacích systémů a vliv vstřikovacího čerpadla a vstřikovacích jednotek na práci vznětového motoru. Úvodem práce je sepsána historie vývoje vstřikovacích čerpadel firmy Bosch, dále se zabývám konstrukcí palivové soustavy vznětového motoru a jejích důležitých členů. Tato práce obsahuje detailní nákres a je vysvětlena funkce nejdůležitější části vstřikovacího systému, vstřikovacího čerpadla. Závěrem jsem shrnul důležité výhody i nevýhody nepřímého vstřikování oproti přímému a výsledky porovnání obou systémů.
Klíčová slova: Vstřikovací systém, motor, palivová soustava, vstřikovací čerpadlo, vstřikovací tryska, jemný palivový filtr, nepřímé vstřikování, přímé vstřikování, předkomůrka- vířivá komůrka.
ABSTRACT In this work I concerned with problems of injecting systems of compressionignition engines with indirect injection or so-called rotochamber motors. I try to compare variety of injecting systems and influence fuel-injection and injecting units over work of compression-ignition engine. In preamble is the history and evolution of Bosch´s fuel-injection. The next part I targed the construction of fuel system of compression-ignition engine and their important elements. This work contains detailed drawing and is explained function of the most important part of injecting system, fuel injection. In fine I sumarized important advantages and disadvanteges of indirect injection in comparison with direct injection and results of confrontation these systems.
Keywords: Injecting systems, engine, fuel system, fuel injection, injector, soft fuel filter, indirect injection, direct injection, prechamber- rotochamber
OBSAH 1. 2. 3. 4.
ÚVOD ....................................................................................................................... 8 CÍL PRÁCE .............................................................................................................. 9 HISTORIE .............................................................................................................. 10 PALIVOVÉ SOUSTAVY VZNĚTOVÝCH MOTORŮ........................................ 13 Požadavky na vstřikovací systémy ............................................................................. 13 5. DRUHY VSTŘIKOVACÍCH SYSTÉMŮ A JEJICH POROVNÁNÍ ................... 14 Palivové soustavy se stejným počtem vstřikovacích jednotek jako válců motoru ..... 14 Řadové vstřikovací čerpadlo s vlastním pohonem.................................................. 14 Řadové vstřikovací čerpadlo s cizím pohonem ...................................................... 14 Řadová vstřikovací čerpadlo se zdvihovými šoupátky........................................... 15 Palivové soustavy se vstřikovacím čerpadlem s vysokotlakým rozdělovačem paliva 15 Rotační jednopístkové čerpadlo s axiálním pohybem pístu.................................... 15 Rotační dvoupístové čerpadlo s protiběžným radiálním pohybem pístů ................ 16 Nové palivové soustavy s elektronickou regulací....................................................... 16 Rotační jednopístové čerpadlo s axiálním pohybem pístu, elektronicky řízené..... 16 Sdružená vstřikovací jednotka, systém „Čerpadlo – potrubí – tryska“ .................. 17 Sdružená vstřikovací jednotka, systém „Čerpadlo – tryska“ .................................. 17 Vstřikovací systém Common – Rail ....................................................................... 17 6. VLIV VSTŘIKOVACÍHO SYSTÉMU NA PRÁCI MOTORU ........................... 18 Vířivá komůrka ........................................................................................................... 18 Vstřikovací jednotky................................................................................................... 20 Jemný palivový filtr .................................................................................................... 21 Rotační vstřikovací čerpadlo....................................................................................... 22 Princip práce vstřikovacího čerpadla s rozdělovačem paliva ................................. 23 Redukční ventil ....................................................................................................... 24 Vysokotlaká část vstřikovacího čerpadla................................................................ 24 Píst rozdělovače ...................................................................................................... 24 Axiální vačka a těleso rozdělovače......................................................................... 25 Odměřování dávek paliva ....................................................................................... 26 Výtlačný ventil........................................................................................................ 27 Omezovací odstředivý regulátor ............................................................................. 28 Přesuvník vstřiku .................................................................................................... 29 7. SHRNUTÍ VÝSLEDKŮ PRÁCE A ZHODNOCENÍ ZÍSKANÝCH PODKLADŮ 30 8. ZÁVĚR ................................................................................................................... 31 9. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .................................................................... 32 WWW stránky: ........................................................................................................... 32 10. SEZNAM OBRÁZKŮ........................................................................................ 33
1. ÚVOD Téma vstřikovacích systémů vznětových motorů s nepřímým vstřikem jsem si vybral, protože již delší dobu vlastním automobil s tímto způsobem vstřikování. Tuto práce bych chtěl zaměřit hlavně na konstrukci čerpadla a vstřikovacích trysek firmy Bosch používaných automobilovou společností Volkswagen Group v letech 1976, kdy se poprvé objevil v automobilu VW Golf řady 1, až do roku 1999 kdy VW ukončilo výrobu komůrkových motorů v modelu VW Golf 3. V průběhu 22. leté výroby tohoto motoru se systémem nepřímého vstřiku se osvědčila jeho spolehlivost, údržbová nenáročnost, bezporuchovost a hlavně úspornost oproti benzínovým motorům podobných zdvihových objemů a výkonových charakteristik. V dnešní době se už komůrkové motory nepoužívají, protože stále se zpřísňující emisní normy není možné s tímto způsobem spalování dosáhnout. Naše planeta je již dost znečištěna a každá snaha o nápravu je nezbytná. V dnešní době se používají převážně motory TDi, TDi PD a Common Rail, které vstřikování paliva do spalovacího prostoru.
8
používají systém přímého
2. CÍL PRÁCE Cílem této práce je seznámení se vstřikovacím systémem vznětových motorů s nepřímým vstřikem, popis funkčnosti a seznámení s jednotlivými komponenty vstřikovacího systému, dále porovnání druhů vstřikovacích systémů, jejich historie a využití a samozřejmě vliv vstřikovacího systému na práci vznětového motoru.
9
3. HISTORIE Vývoj vstřikování je záležitostí několika desetiletí. V minulosti se používalo převážně řadové vstřikovací čerpadlo, které se za svoji dobu používání zásadně nezměnilo. Počátek sériové výroby prvního řadového vstřikovacího čerpadla firmy Bosch je datován od roku 1927 (obr.1).
Obr.1 1. řadové vstřikovací čerpadlo Bosch
V roce 1962 bylo na trh uvedeno první rotační vstřikovací čerpadlo s axiálním pístem EP-VM. Firma Bosch uvedla první rotační čerpadlo v roce 1975 a do roku 1995 jich bylo vyrobeno přes 25 miliónů kusů (obr.2).
Obr.2 Vstřikovací čerpadlo s axiálním pístem EP-VM
10
V roce 1986, v době počátku největší popularity vznětových motorů s nepřímým vstřikem již bylo vyvinuto první elektronicky řízené rotační vstřikovací čerpadlo s axiálním pístem používané v motorech s přímým vstřikem (obr.3). Konstrukce elektronicky řízeného čerpadla a mechanicky ovládaného čerpadla jsou si velmi podobné, s rozdílem pouze elektronicky řízeného předsuvníku- počátku vstřiku paliva a samozřejmě elektronicky nebo mechanicky řízené dodávky paliva do vstřikovacích trysek.
Obr.3 Elektronicky řízené rotační vstřikovací čerpadlo
V roce 1994 byly na trh uvedeny sdružené vstřikovací jednotky PD, čili systém čerpadlo-tryska (pumpe-düse). Charakteristickým znakem tohoto systému je to, že každý válec motoru má svou elektronicky řízenou vstřikovací jednotku, která je tvořena výtlačným pístem a vstřikovací tryskou (obr.4).
Obr.4 Sdružená vstřikovací jednotka PD
11
V roce 1996 Bosch vstoupil na trh s prvním rotačním vstřikovacím čerpadlem s radiálními písty (obr.5).
Obr.5 Rotační vstřikovací čerpadlo s radiálními písty
1997 byl rok uvedení vstřikovacího systému se zásobníkem Common Rail (obr.6).
Obr.6 Vstřikovací systém Common Rail
Od nástupu montování vysokotlakého vstřikování do automobilů vyrobil a dodal Bosch na trh a výrobcům automobilů více než 12 miliónů vysokotlakých vstřikovacích systémů. Tím se stal světovou špičkou v tomto automobilovém sortimentu. Zájem kupujících stále roste. V roce 2001 vyrobila firma Bosch víc než 5 miliónů vstřikovacích systémů. Common Rail představoval 3 milióny z produkce. Od počátku sériové výroby a používání systému Common Rail vyrobil Bosch přibližně 7 miliónů vstřikovacích souprav. Vysokotlaké vstřikování paliva je dosud na počátků své dlouhé vývojové cesty.
12
4. PALIVOVÉ SOUSTAVY VZNĚTOVÝCH MOTORŮ Dieselové motory jsou synonymem pro hospodárnost s palivem, jsou využívány v mnoha modifikacích, nejen u osobních automobilů, ale i u nákladních automobilů, v zemědělství, u stavebních strojů, mobilních elektrocentrál, lesnických strojů, autobusů, lodí, traktorů a u mnoha dalších. Nízká spotřeba paliva (převážně u dálkových nákladních automobilů) je jednou z nejdůležitějších podmínek při koupi nového vozidla. Proto se požadavky na dieselové motory stále zvyšují, poptávka trhu je čím dál větší a proto obrovským vývojem v poslední době procházejí především vstřikovací systémy. V principu musí vstřikovací soustava pro dobrou přípravu směsi vstřikovat palivo do vznětových motorů podle způsobu spalování (přímý nebo nepřímý vstřik) s tlakem mezi 130 a 2000 bary a přitom musí dávkovat vstřikované dávky s nejvyšší dosažitelnou přesností.
Požadavky na vstřikovací systémy Po palivové soustavě požadujeme především dopravu paliva z palivové nádrže, rovnoměrné rozdělení pro každý válec motoru, rovnoměrné rozprášení paliva do spalovacího prostoru, řízení dávky paliva a také časové rozvržení doby vstřiku. Po vstřikovacím systému požadujeme vysoké vstřikovací tlaky paliva, flexibilitu průběhu vstřikování, variabilní počátek vstřiku, úvodní (pilotní) vstřik, dávku, plnící tlak a počátek vstřiku přizpůsobivý celému rozsahu otáček, teplotně závislá startovací dávka, na zatížení nezávislá regulace volnoběžných otáček, regulace rychlosti jízdy, regulovaná recirkulace spalin, malé tolerance a vysoká přesnost během celé životnosti motoru.
13
5. DRUHY VSTŘIKOVACÍCH SYSTÉMŮ A JEJICH POROVNÁNÍ
Palivové soustavy se stejným počtem vstřikovacích jednotek jako válců motoru Tento systém patří k nejstarším koncepcím běžmého dieselového vstřikování. V roce 1927 zavedla firma Bosch výrobu řadového vstřikovacího čerpadla. V průběhu let vzniklo v několik variant. Následuje stručný přehled:
Řadové vstřikovací čerpadlo s vlastním pohonem Tento systém má umístěny vstřikovací jednotky pro všechny válce motoru v jedné společné skříni. Vstřikovací jednotky mají vlastní pohon, ve spodní části skříně čerpadla je umístěna vačková hřídel. Tato hřídel nadzvedává jednotlivé vstřikovací jednotky, tím se tvoří požadovaný tlak a vytlačuje palivo do vstřikovače a do válce. Zpětný pohyb pístku zajišťuje pružina.
Řadové vstřikovací čerpadlo s cizím pohonem Vstřikovací jednotky připevněny přímo na bloku motoru a pohání je vačková hřídel motoru. Pracovní činnost je stejná jako u vstřikovacího čerpadla s vlastním pohonem. Vstřikovací tlak se pohybuje okolo 1500 barů. Tohoto systému se většinou používá u motoru s větším zdvihovým objemem. Tyto motory se nacházejí například u velkých nákladních automobilů, lokomotiv nebo lodí.
14
Řadová vstřikovací čerpadlo se zdvihovými šoupátky Čerpadla se zdvihovými šoupátky se odlišují od běžných řadových vstřikovacích čerpadel zdvihovým šoupátkem, které je kluzně umístěno na pístu čerpadla. Řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovými šoupátky mají na rozdíl od standardních řadových vstřikovacích čerpadel přídavné stupně volnosti. Pomocí šoupátka můžeme měnit úvodní zdvih a také začátek dodávky pomocí přídavného ovládacího hřídele.
Palivové soustavy se vstřikovacím čerpadlem s vysokotlakým rozdělovačem paliva Rotační čerpadla se používají u rychloběžných vznětových motorů osobních i nákladních automobilů. Rotační vstřikovací čerpadla se vyznačují mechanickým regulátorem otáček nebo elektronickým regulátorem s integrovaným předsuvníkem vstřiku.
Rotační jednopístkové čerpadlo s axiálním pohybem pístu Čerpadlo má pouze jeden pístek, který vstřikuje palivo do všech válců motoru. Při jednom otočení pístku kolem své osy se provede vstříknutí paliva do všech válců. Pístek se při otáčení současně axiálně pohybuje po vačkovém kotouči a přes rozdělovač vytlačuje palivo.
15
Rotační dvoupístové čerpadlo s protiběžným radiálním pohybem pístů Čerpadlo s radiálními písty s vačkovým kruhem. Dvěma až čtyřmi radiálními písty
realizuje
vytváření
vysokého
tlaku
a
dodávky
paliva.
Vysokotlaký
elektromagnetický ventil dávkuje vstřikované množství paliva. Výhodou těchto čerpadel je dosažení vysokých vstřikovacích tlaků až 1600 barů při poměrně malých vnějších rozměrech.
Nové palivové soustavy s elektronickou regulací Palivové soustavy s elektronickou regulací se převážně používají ve spojení s přímým vstřikováním. V dnešní době už dávno zastaralé nepřímé vstřikování nepoužívá. Výhody vstřikování paliva přímo do válce jsou zejména zvýšení měrného výkonu, snížení spotřeby paliva, stejně jako snížení emisí a hluku. Zde je stručný přehled palivových soustav s přímým vstřikováním:
Rotační jednopístové čerpadlo s axiálním pohybem pístu, elektronicky řízené
Snad nejrozšířenější koncepce vstřikování, kterou můžeme znát hlavně z německé automobilky Volkswagen Group. Elektronicky řízené čerpadlo je v konstrukci a principu funkce shodné jako mechanicky řízené čerpadlo jednopístové. Rozdíl je pouze v ovládání dávky paliva, kde u elektronicky řízeného obstarává ovládání řídící jednotka, která po vyhodnocení vnějších vlivů jako je teplota motoru, množství nasávaného vzduchu, nebo teplota paliva ovládá množství vstřikovaného paliva samozřejmě v závislosti na sešlápnutí plynového pedálu.
16
Sdružená vstřikovací jednotka, systém „Čerpadlo – potrubí – tryska“ Neboli Pumpe – Leitung - Düse systém je modulární vysokotlaký vstřikovací systém, kde každý válec motoru má vlastní vstřikovací čerpadlo připevněné k bloku motoru. Vstřikovací čerpadlo je poháněné od vačkové hřídele. Od čerpadla je palivo vedeno vysokotlakým potrubím ke vstřikovači. Vstřikovací tlak dosahuje až 1800 barů. Regulace vstřikování je provedena elektronickou řídicí jednotkou prostřednictvím elektromagnetických ventilů umístěných na jednotlivých vstřikovacích čerpadlech.
Sdružená vstřikovací jednotka, systém „Čerpadlo – tryska“ Tento
vstřikovací
systém
je nyní
nejpoužívanější
vstřikovací
systém
automobilky Volkswagen Group. Německý název je Pumpe-Düse, je to palivová soustava se sdruženými vstřikovacími jednotkami. U tohoto systému tvoří vstřikovací čerpadlo, vstřikovač i elektromagnetický ventil jeden celek. Vždy jedna sdružená vstřikovací jednotka je umístěna v hlavě válců nad každým válcem. Pohon každého z čerpadel zajišťuje vačková hřídel umístěná nad sdruženými vstřikovacími jednotkami. Vstřikování je ovládáno přes elektromagnetický ventil řídicí jednotkou. Absencí vysokotlakého potrubí bylo možné dosáhnout vysokých vstřikovacích tlaků až 2000 barů.
Vstřikovací systém Common – Rail Zásobníkový systém s elektronickým řízením. Zde je použito jedno vysokotlaké třípístové dopravní čerpadlo dodávající stlačené palivo do zásobníku. Tento zásobník je tlustostěnná trubka (rail). Ze zásobníku vede krátké potrubí k elektronicky ovládaným vstřikovačům. Vstřikovače ovládá řídicí jednotka.
17
6. VLIV VSTŘIKOVACÍHO SYSTÉMU NA PRÁCI MOTORU
Hlavní práci nepřímého vstřikovacího systému vykonává vstřikovací čerpadlo. Běžně v palivové soustavě „komůrkových“ motorů osobních automobilů není použito podávací čerpadlo, ale práci potřebnou k přesunu paliva z nádrže až do spalovacích prostorů ve válcích motoru vykonává pouze vstřikovací čerpadlo umístěné na bloku motoru. Vstřikovací čerpadlo má za úkol dopravit palivo přes hrubý filtr pevných částic který je umístěn v nádrži v tzv. „koši“, dále přes vedení hadiček až k jemnému filtru nečistot v palivu, z tohoto filtru přímo do čerpadla a dále vysokotlakým vedením ocelovými hadičkami až ke vstřikovačím, ve kterých se upraví tlak vstřikování na konstantní hodnotu a palivo se v požadované dávce rozpráší do spalovacího prostoru, v případě nepřímého vstřikování do tzv. „předkomůrky“. Předkomůrka má význam zejména v utlumení rázů, a někdy zlepší spalování, ale nevýhody v podobě snížení termodynamické účinnosti motoru vlivem zvětšení spalovacího prostoru a ztrát způsobených prouděním plynů znemožnily další vývoj vstřikovacích systémů s předkomůrkou, které nahradily vstřikovací systémy s přímým vstřikem.
Vířivá komůrka Vířivá komůrka neboli předkomůrka je zásadní rozdíl mezi přímým a nepřímým systémem vstřikování paliva. Zatím co u přímého vstřikování paliva je rozprašovací část vstřikovací trysky umístěna přímo ve válci a palivo je rozprášeno přímo do spalovací komory a na povrch pístu, u nepřímého vstřikování je palivo vstřikováno do malé předkomory (vířivé komůrky). Spalování začíná v této předkomoře a pokračuje ve spalovací komoře. Tento systém má relativně jednoduchou konstrukci. Hlavy pístů jsou převážně ploché. Systém je méně citlivý na přesnost seřízení vstřikování. Vstřikování je jednobodové. Vstřikovací tlak je nízký oproti vstřikovacímu tlaku přímého vstřikování. Kvůli ztrátám tepla v předkomoře není spalování tak efektivní. Výkon a točivý moment jsou nižší, spotřeba paliva je řádově o 15% vyšší. Delší čas potřebný pro spalování má za následek nižší hlučnost motoru.
18
Na obrázku č.7 vidíme umístění vířivé předkomůrky v hlavě válců u klasického motoru s nepřímým vstřikováním paliva.
Obr.7 Řez hlavou válců motoru
Zde na obrázku č.8 vidíme detail vířivé komůrky, proudění paliva v komůrce při kompresi motoru a umístění žhavící svíčky v prostoru vířivé komůrky. Žhavící svíčka při studeném startu motoru předehřeje spalovací prostor a tím pomůže vznícení paliva a samozřejmě snadnější chod motoru bezprostředně po startu. U přímého vstřikování jsou žhavící svíčky umístěny přímo ve spalovací komoře uvnitř válce motoru.
Obr.8 Vířivá komůrka
19
Vstřikovací jednotky Vstřikovací jednotka (obr.9) je při cestě paliva do spalovacího prostoru poslední mechanická část celého vstřikovacího systému. Vstřik má za úkol rovnoměrně rozprášit palivo do spalovacího prostoru vznětového motoru. U nepřímého vstřikovacího systému je použito zpravidla jednobodové vstřikování paliva. Vstřikovací čerpadlo dopravuje palivo vysokotlakým vedením přímo do vstřikovací jednotky, kde nahromaděné palivo při určitém tlaku přemůže odpor pružiny a tím nadzdvihne vstřikovací trysku a tím otevře vstřikovací otvor do spalovacího prostoru. Pružina ve vstřikovací jednotce je nastavena na požadovaný tlak stlačení, ten docílíme vložením vymezovacích podložek různých tlouštěk. Odpor pružiny vložením vymezovacích podložek nastavujeme na zkušební stolici. Přebytečné palivo které se nevstříkne do spalovacího prostoru je odvedeno centrem vstřikovací jednotky k vývodům přepadových hadiček, odkud je odvedeno zpět do zásobní nádrže paliva.
Obr.9 Vstřikovací jednotka
20
Jemný palivový filtr Díly vysokotlaké části vstřikovacího čerpadla a vstřikovací trysky jsou vyrobeny s přesností několika tisícin mm. Znamená to, že nečistoty o stejné nebo větší velikosti mohou negativně ovlivnit jejich funkci. špatná filtrace vede k poškození dílů vstřikovacího čerpadla., výtlačných ventilů a vstřikovacích trysek. Kromě nečistot může palivo obsahovat vodu ve formě emulze nebo kondenzátu. Pokud dojde ke styku vody s kovovými díly dochází ke korozi a k poškození napadených dílů.Proto musí palivový filtr (obr.10) obsahovat zásobník, ve kterém se voda obsažená v palivu shromažďuje a z něhož musí být v pravidelných intervalech odpouštěna.Při nízkých teplotách dochází u motorové nafty ke vzniku parafínu, které znesnadňují průchod paliva filtrem a přívodním potrubím. Palivový filtr je zanesen, pokud je rozdíl tlaku větší než 300hPa. Při této nebo větší hodnotě musí být palivový filtr vyměněn. Průchod paliva filtrem a hromadění vody v něm je znázorněno na obrázku.
Obr.10 Palivový filtr jemných částic 21
Rotační vstřikovací čerpadlo Vstřikovací čerpadlo (obr.11) je nejdůležitější část celého vstřikovacího systému. Sestává se z těchto hlavních komponent:
Obr.11 Rotační vstřikovací čerpadlo
1. hnací čerpadlo 2. lamelové čerpadlo 3. redukční ventil 4. škrtící tryska 5. pohon regulátoru 6. kladkový kruh 7. axiální vačka 8. píst rozdělovače 9. regulační šoupátko 10. přívodní kanál 11. výtlačný kanál 12. příčný přepouštěcí kanál 13. plnící drážka 14. rozdělovací drážka 15. držák výtlačného ventilu
16. výtlačný ventil 17. elektromagnetický zastavovací ventil 18. hlava rozdělovače 19. odstředivé závaží 20. regulační pouzdro 21. pákový regulační systém 22. regulační pružina 23. ovládací páka 24. nastavovací páka 25. nastavení velikosti dodávky paliva 26. přesuvník vstřiku 27. palivová nádrž 28. palivový filtr 29. vnitřní prostor čerpadla
22
Princip práce vstřikovacího čerpadla s rozdělovačem paliva Lamelové dopravní čerpadlo (obr.12) je umístěno ve skříni vstřikovacího čerpadla a dopravuje palivo v závislosti na otáčkách motoru do prostoru skříně vstřikovacího čerpadla. Se stoupajícími otáčkami stoupá také tlak paliva, který usměrňuje redukční ventil, umístěný na výstupu z dopravního čerpadla. Rotor čerpadla je pevně spojen s hnacím hřídelem a je umístěn výstředně ve skříni čerpadla. V rotoru jsou radiální drážky, v nichž se posouvají čtyři lamely. Při otáčení jsou dotlačovány na skříň odstředivou silou. Otáčením vznikají mezi skříní a rotorem pracovní prostory s proměnlivým objemem. Otáčí-li se rotor, na jedné straně dochází ke zvětšování objemu pracovních prostorů, tím vzniká podtlak který saje palivo a na druhé straně vzniká přetlak, který palivo dopravuje do prostoru skříně vstřikovacího čerpadla.
Obr.12 Lamelové dopravní čerpadlo
23
Redukční ventil Redukční ventil je spojen kanálkem s výtlačnou a sací stranou dopravního čerpadla. Redukční ventil (obr.13) je tvořen posuvným šoupátkem, jehož pomocí se v závislosti na množství dodávaného paliva mění tlak ve vnitřním prostoru vstřikovacího čerpadla. Při zvýšení tlaku nad požadovanou hodnotu otevře píst šoupátka přepouštěcí kanál a palivo se vrací zpět do sání dopravního čerpadla.
← Redukční ventil
Obr.13 Redukční ventil Vysokotlaká část vstřikovacího čerpadla Zde se získává tlak potřebný pro vstříknutí paliva do spalovacího prostoru. Palivo je vytlačováno přes výtlačný ventil , vysokotlaké palivové potrubí a vstřikovač.
Píst rozdělovače Pohon pístu určuje točivý moment hnacího hřídele, který se přenáší na píst rozdělovače. Výstupky na axiální vačce a na hnacím hřídeli zapadají do křížového kotouče(Obr.14). Axiální vačka mění čistě rotační pohyb na pohyb rotační a zároveň přímočarý. Umožňuje jí to odvalování po kladkách uložených v kladkovém kruhu. Píst rozdělovače je uložen v axiální vačce. Pohyb pístu do dolní úvratě umožňují dvě vinuté
24
pružiny, které se opírají jedním koncem o přírubu rozdělovače a druhým o opěrný můstek. Pružiny musí být obě přesně stejně dlouhé aby se píst nekřížil.
Obr.14 Detail pohonu pístu rozdělovače Axiální vačka a těleso rozdělovače Velikost tlaku a dobu trvání výstřiku ovlivňují výstupky na axiální vačce, rozhodující je jejich výška a axiální rychlost pohybu. Těleso rozdělovače (obr.15) tvoří píst rozdělovače (5) s vyrovnávacím kotoučem (4), můstek s pružinami (6,10), regulační šoupátko (7) a příruba rozdělovače (8). Dále je zde křížový kotouč(1), kladkový kruh (2), čelní axiální vačka (3) a výstupní hrdlo (9).
Obr.15 Axiální vačka a těleso rozdělovače
25
Odměřování dávek paliva U čtyřválcového motoru je nutno, aby rozdělovací píst vykonal během jedné otáčky osm zdvihů- vždy dva na ¼ otáčky. Při pohyb u pístu rozdělovače z horní do dolní úvratě se nasává otevřeným přívodním kanálem palivo do vysokotlakého prostoru. Vzhledem k natáčení pístu je je v dolní úvrati přívod paliva uzavřen a je odkryta rozdělovací drážka. Tlak paliva ve vysokotlakém prostoru a příslušných kanálech otevře výtlačný ventil a palivo proudí vysokotlakým potrubím ke vstřikovačům. Dodávka je ukončena když regulační šoupátko odkryje příčný přepouštěcí kanál v pístu rozdělovače. V tomto okamžiku se uzavře výtlačný ventil a dodávka paliva je ukončena. Palivo proudí během pohybu pístu rozdělovače z DÚ do HÚ odkrytým přepouštěcím kanálem do vnitřního prostoru čerpadla a současně se otevírá i přívodní kanál. (obr.16)
Obr.16 Odměřování dávek paliva
26
Výtlačný ventil Výtlačný ventil (obr.17,18) má za úkol uzavírat výtlačné palivové potrubí, musí snížit tlak v tomto potrubí po ukončení výtlaku. Tím je přesně definován okamžik uzavření vstřikovací trysky. Výtlačný ventil má kuželovou těsnící plochu, je otevírán tlakem paliva a zavírán pružinou. Při každém zdvihu pístu rozdělovače, při kterém je do vysokotlakého prostoru dopravováno palivo je výtlačný ventil uzavřen. Tím je oddělen výtlačný kanál od vysokotlakého potrubí. Zvýšení tlaku paliva ale v zápětí výtlačný ventil otevře a palivo proudí vysokotlakým potrubím ke vstřikovačím.
rozdělovací drážka
vysokotlaký kanál
Obr.17 Pozice výtlačného ventilu
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Obr.18 Výtlačný ventil 27
držák ventilu zpětná škrtící tryska ventilová pružina sedlo ventilu dřík ventilu odlehčovací píst
Omezovací odstředivý regulátor Regulace běhu naprázdno a regulace provozních otáček Po spuštění motoru a uvolnění pedálu akcelerátoru se přesune ovládací páka do polohy pro běh na prázdno. S rostoucími otáčkami vzrůstá i síla vyvolaná odstředivým závažím, která tlačí regulační pouzdro na spouštěcí páku. Spouštěcí páka překoná sílu pružiny běhu naprázdno (tj. vymezí dráhu a) a její spodní konec posune regulační šoupátko do polohy pro volnoběžnou dávku paliva. Tomto okamžiku je síla vyvolaná odstředivým závažím a síla pružin vyrovnaná. Změna polohy pedálu akcelerátoru znamená i odpovídající změnu polohy ovládací páky. Zdvih spouštěcí pružiny a pružiny běhu naprázdno (tj. vzdálenost a) je vymezen a napínací páka působí na vloženou pružinu. Úkolem vložené pružiny je docílit „měkký“ přechod od volnoběžných otáček do neregulované oblasti. Po dosednutí napínací páky na osazení čepu regulační pružiny je dosaženo neregulované oblasti. Rozsah neregulované oblasti je dán tuhostí regulační pružiny. V této oblasti se chová pružina jako tuhá a změna polohy akceleračního pedálu ( a tedy i ovládací páky) se přenáší přímo na regulační šoupátko. Při zvýšení otáček nad stanovenou maximální (jmenovitou) hodnotu překoná odstředivá síla vyvozená odstředivým závažím tuhost regulační pružiny, regulační pouzdro se posune vpravo a pootočí spouštěcí a napínací pákou tak, že kulový čep spouštěcí páky posune regulační šoupátko směrem klesající dodávky paliva. (obr.19)
Obr.19 Omezovací odstředivý regulátor
28
1. odstředivé závaží 9. napínací páka 2. ovládací páka 10. doraz napínací páky 3. seřizovací šroub volnoběhu 11. pružina spouštěcí páky 4. regulační pružina 12. regulační šoupátko 5. vložená pružina 13. seřizovací šroub max. otáček 6. čep regulační pružiny 14. regulační pouzdro 7. pružina běhu naprázdno 15. příčný přepouštěcí kanál 8. spouštěcí páka 16. píst rozdělovače a - dráha pružin pro spouštění a běh naprázdno b - dráha vložené pružiny h1 - minimální zdvih (běh naprázdno) h2 - zdvih při plné dodávce paliva M2- otočný bod pro části 8 a 9
Přesuvník vstřiku Motory s nepřímým vstřikováním používaly převážně mechanický přesuvník vstřiku (obr.20), který byl ovládán řidičem zevnitř automobilu pomocí táhla. Při zatáhnutém předsuvnému vstřiku se natočí axiální vačka spolu s kladkami a kladkovým kruhem tak, že ke vstříknutí paliva do spalovací komory dojde později. Toto pomůže při studeném startu, protože palivo má delší dobu na hoření a vytvoření požadované expanze.
Obr.20 Mechanismus přesuvníku vstřiku
29
7. SHRNUTÍ VÝSLEDKŮ PRÁCE A ZHODNOCENÍ ZÍSKANÝCH PODKLADŮ Tuto práci s tématem „Systémy vstřikování vznětových motorů s nepřímým vstřikem“ jsem zaměřil hlavně na systémy vstřikování firmy Bosch a jejím užití v osobních automobilech značky Volkswagen. Nakonec bych se chtěl zmínit i o dnešním trendu zvyšování výkonu. O zvyšování výkonu bych chtěl mluvit pouze u motorů přeplňovaných, protože u atmosférických není mnoho dostupných způsobů jak výkon efektivně navýšit. U motorů s turbodmychadlem lze snadno dosáhnout výrazného navýšení výkonu zvýšením přeplňovacího tlaku a dávky paliva. Po vlastní zkušenosti a po získání poznatků z této práce mohu říct, že celý vstřikovací systém by takovouto úpravu bezproblémově zvládnul, ale stejně bych zvyšování výkonu nedoporučoval, hlavně z důvodu náchylnosti hlavy motoru na praskání. Tloušťka odlitku mezi ventilovými sedly motoru a vloženou stěnou předkomůrky je dimenzována na výkon nastavený výrobcem motoru a nesnese přílišné přetěžování. Tato skutečnost neplatí třeba pro novější motory s přímým vstřikováním, kde bez výrazné újmy na životnosti motoru můžeme výkon navýšit až o 20-30%. Další nevýhoda při srovnání s motory s přímým vstřikováním paliva je menší účinnost vlivem horšího spalování a tím i nemožnost dosáhnout aktuálních emisních limitů, které se v dnešní době nemohou přehlížet. Komůrkové motory jsou dnes již dávnou minulostí a i přes jejich bezporuchovost nemůžeme do budoucnosti počítat s jejich návratem na trh s osobními automobily.
30
8. ZÁVĚR Vypracování této bakalářské práce mi přineslo prohloubení znalostí z oblasti automobilové techniky. Snažil jsem se pochopit konstrukci vstřikovacích systémů motorů s nepřímým vstřikem a zjistil jsem, že většina komponentů tohoto systému by bez problémů fungovalo i na motorech s přímým vstřikováním paliva. Pevně doufám, že moje snažení nebylo marné a přinese užitek mně a možná i budoucím studentům školy při pochopení kompletních komůrkových vstřikovacích systémů. Tento systém vstřikování už bohužel nepatří k používaným v automobilovém průmyslu, a proto jsem při práci narazil na mnoho složitých problémů. K systému je velice málo publikací a materiálů. Většina publikací je pouze německy. Moji snahou bylo maximálně zjednodušit popis funkce systému. Díky mé zkušenosti s vlastními domácími opravami motorů s nepřímým vstřikováním paliva a snaze se o problematice tohoto způsobu vstřikování dozvědět co nejvíce informací, se tato práce stala velice zajímavou a zábavnou.
31
9. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY JAN,Z. Automobily 4- Příslušenství, 2. vydání, Brno 2001, Zdeněk Jan a Bronislav Dánský, ISBN 16 917/2001 RŮŽIČKA,A. Elektronické vstřikování motorů EDC 1.3.3, Antonín Růžička a Zdeněk Petrás, 1. vydání 1998 Praha, Robert Bosch odbytová s.r.o. Praha 4 VOLKSWAGEN AG, Wolfsburg, V.A.G Service- Dieselmotor, Technischer Standt 1976, 600/280.829.00 ROBERT BOSCH GmbH, Diesel-injection pumps, Bosch engine managments 1995 ROBERT BOSCH GmbH, Technische unterrichtung Bosch, Regler fürDieselReiheneinspritzpumpen, 1992, Stutgart VLK, F. Automobilová elektronika. 1. vyd. Brno: František Vlk, 2006. 269 s. ISBN 80239-6462-3 VLK, F. Elektronické systémy motorových vozidel. 1. vyd. Brno: František Vlk, 2002. 298 s. ISBN 80-238-7282-6 1. VLK, F. Koncepce motorových vozidel : Koncepce vozidel, alternativní pohony, komfortní systémy, řízení dynamiky, informační systémy. 1. vyd. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, 2000. 367 s. ISBN 80-238-5276-0 VLK, F. Zkoušení a diagnostika motorových vozidel : výkon vozidla, brzdné vlastnosti, převodová ústrojí, řízení, geometrie kol, tlumiče a pružiny, řiditelnost a ovladatelnost, životní zkoušky, motor, zapalování, elektronické systémy. 2. vyd. Brno: František Vlk, 2005. 576 s. ISBN 80-239-3717-0
WWW stránky: www.Bosch.cz www.cs.wikipedia.org
32
10. SEZNAM OBRÁZKŮ Obr.1
1. řadové vstřikovací čerpadlo Bosch…………………………….. 10
Obr.2
Vstřikovací čerpadlo s axiálním pístem EP-VM…………………. 10
Obr.3
Elektronicky řízené rotační vstřikovací čerpadlo…………………. 11
Obr.4
Sdružená vstřikovací jednotka PD…………………………………11
Obr.5
Rotační vstřikovací čerpadlo s radiálními písty…………………... 12
Obr.6
Vstřikovací systém Common Rail…………………………………12
Obr.7
Řez hlavou válců motoru…………………………………………..19
Obr.8
Vířivá komůrka…………………………………………………….19
Obr.9
Vstřikovací jednotka……………………………………………….20
Obr.10
Palivový filtr jemných částic………………………………………21
Obr.11
Rotační vstřikovací čerpadlo……………………………………… 22
Obr.12
Lamelové dopravní čerpadlo……………………………………… 23
Obr.13
Redukční ventil…………………………………………………… 24
Obr.14
Detail pohonu pístu rozdělovače………………………………….. 25
Obr.15
Axiální vačka a těleso rozdělovače……………………………….. 25
Obr.16
Odměřování dávek paliva………………………………………….26
Obr.17
Pozice výtlačného ventilu………………………………………….27
Obr.18
Výtlačný ventil……………………………………………………. 27
Obr.19
Omezovací odstředivý regulátor………………………………….. 28
Obr.20
Mechanismus přesuvníku vstřiku…..……………………………...29
33
