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

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

Palivové systémy nákladních automobilů Bakalářská práce

Vedoucí práce: Doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc Brno 2009

Vypracoval: Nechvátal Tomáš

PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Palivové systémy nákladních automobilů vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.

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

2

PODĚKOVÁNÍ

Děkuji Doc. Ing. Miroslavu Havlíčkovi, CSc. za cenné rady, připomínky a pomoc, kterou mi poskytl v průběhu zpracování bakalářské práce.

3

ABSTRAKT

Téma bakalářské práce jsou Palivové systémy nákladních automobilů. V úvodu popisuji vznik vznětového motoru, požadavky na palivové systémy, zejména na předepsané a stále se stupňující emisní normy a na přípravu směsi. Největší důraz kladu na jednotlivé druhy palivových systémů nákladních automobilů, od nejstarších koncepcí až po dnešní moderní systémy, jako je například systém XPI, jehož výrobcem je Scania. Nejznámějšími palivovými systémy pro nákladní automobily jsou palivové systémy se stejným počtem vstřikovacích jednotek, jako je počet válců motoru, palivové systémy se vstřikovacím čerpadlem s vysokotlakým rozdělovačem paliva a palivové systémy s elektronickou regulací. Závěrem jsem zhodnotil používání výše zmíněných palivových systémů nákladních automobilů, které potkáváme na našich silnicích a dálnicích a jejich další vývoj v provozní hospodárnosti motoru a snižování emisí výfukových plynů.

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

4

ABSTRACT

The theme of my bachelor thesis is Fuel Systems of Trucks. At the beginning I deal with the creation of compression ignition engine, fuel systems’ demands, especially for the prescribed and still graded emissions norms, and for the mixture preparation. I put the main emphasis on particular types of fuel systems of trucks from the oldest concepts to nowadays modern systems, for instance the XPI system produced by Scania. The best known truck fuel systems are those with the same number of injection units as the cylinders, the high-pressure fuel distributor and the electrically regulated fuel systems. In the end I have evaluated the use of the truck fuel systems mentioned above which is commonly used in trucks on our roads and motorways and their further development in operating economy of engine along with the reduction of exhaust fumes emissions. Keywords: pump, fuel, diesel, diesel, injection equipment

5

OBSAH

1 2 3

ÚVOD....................................................................................................................... 8 CÍL PRÁCE............................................................................................................. 9 ROZBOR PROBLEMATIKY............................................................................. 10 3.1 Příprava směsi............................................................................................... 10 3.1.1 Destilační křivka ................................................................................... 10 3.1.2 Reaktivita motorové nafty.................................................................... 10 3.1.3 Obsah síry.............................................................................................. 11 3.1.4 Karbonizační číslo................................................................................. 11 3.1.5 Viskozita motorové nafty ..................................................................... 11 3.1.6 Chladové vlastnosti motorové nafty.................................................... 12 4 ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ PALIVOVÝCH SOUSTAV NÁKLADNÍCH AUTOMOBILŮ ............................................................................................................ 13 4.1 Palivové systémy se stejným počtem vstřikovacích jednotek jako je počet válců motoru.............................................................................................................. 13 4.2 Palivové systémy se vstřikovacím čerpadlem s vysokotlakým rozdělovačem paliva ................................................................................................. 13 4.3 Palivové systémy s elektronickou regulací.................................................. 13 5 PALIVOVÉ SYSTÉMY SE STEJNÝM POČTEM VSTŘIKOVACÍCH JEDNOTEK JAKO JE POČET VÁLCŮ MOTORU ............................................... 14 5.1 Palivový systém s řadovým vstřikovacím čerpadlem ................................ 14 5.1.1 Nízkotlaký okruh (Zařízení pro dopravu a čištění paliva) ............... 15 5.1.1.1 Palivová nádrž................................................................................... 15 5.1.1.2 Nízkotlaké palivové potrubí............................................................. 16 5.1.1.3 Dopravní palivová čerpadla............................................................. 16 5.1.1.4 Čištění paliva ..................................................................................... 17 5.1.2 Vysokotlaký okruh (vstřikovací zařízení)........................................... 19 5.1.2.1 Řadové vstřikovací čerpadlo s vlastním pohonem PE................... 19 5.1.2.2 Mechanická regulace řadových vstřikovacích čerpadel................ 20 5.1.2.3 Vysokotlaké potrubí ......................................................................... 20 5.1.2.4 Vstřikovače a vstřikovací trysky ..................................................... 21 5.2 Palivový systém se sdruženou vstřikovací jednotkou................................ 22 5.2.1 Řadové vstřikovací čerpadlo s cizím pohonem (PV) ......................... 22 5.3 Elektronická regulace (EDC) řadových vstřikovacích čerpadel .............. 22 5.3.1 Hlavní části řídicího systému EDC...................................................... 23 5.3.1.1 Snímače .............................................................................................. 23 5.3.1.2 Řídící jednotka .................................................................................. 24 5.3.1.3 Nastavovací ústrojí a regulace množství vstřikovaného paliva .... 24 6 PALIVOVÉ SYSTÉMY SE VSTŘIKOVACÍM ČERPADLEM S VYSOKOTLAKÝM ROZDĚLOVAČEM PALIVA ............................................. 25 6.1 Palivový systém s jednopístovým čerpadlem s axiálním pohybem pístu. 25 6.1.1 Nízkotlaký okruh palivové soustavy ................................................... 25 6.1.1.1 Palivová nádrž a čistič paliva........................................................... 26 6.1.1.2 Lamelové (dopravní) čerpadlo s redukčním ventilem................... 26 6.1.1.3 Škrtící tryska ..................................................................................... 26 6.1.2 Vysokotlaký okruh palivové soustavy................................................. 27 6.1.2.1 Výtlačný ventil................................................................................... 27 6.1.2.2 Vysokotlaké palivové potrubí, vstřikovač se vstřikovací tryskou 27

6

6.1.3 6.1.4

Mechanická regulace jednopístových čerpadel.................................. 27 Elektronická regulace jednopístových vstřikovacích čerpadel (EDC) 28 6.2 Palivový systém s vícepístovým radiálním čerpadlem............................... 28 6.2.1 Nízkotlaká část vstřikovacího čerpadla .............................................. 28 6.2.1.1 Přepouštěcí ventil .............................................................................. 28 6.2.2 Vysokotlaká část vstřikovacího čerpadla ........................................... 29 6.2.2.1 Vysokotlaké čerpadlo s radiálními písty......................................... 29 6.2.2.2 Rozdělování paliva............................................................................ 29 6.2.2.3 Přesuvník vstřiku.............................................................................. 30 6.2.3 Řídicí systém s elektronickou regulací EDC ...................................... 30 6.2.3.1 Snímače .............................................................................................. 30 6.2.3.2 Řídící jednotky .................................................................................. 31 6.2.3.3 Akční členy ........................................................................................ 32 7 Palivové systémy s elektronickou regulací.......................................................... 33 7.1 Systém vstřikování s tlakovým zásobníkem Common Rail pro nákladní automobily ................................................................................................................. 33 7.1.1 Nízkotlaká část palivového systému Common Rail ........................... 33 7.1.1.1 Zubové palivové (podávací) čerpadlo ............................................. 34 7.1.2 Vysokotlaká část ................................................................................... 34 7.1.2.1 Vysokotlaké čerpadlo ....................................................................... 34 7.1.2.2 Regulační ventil tlaku....................................................................... 35 7.1.2.3 Vysokotlaký zásobník (Rail) ............................................................ 36 7.1.2.4 Snímač tlaku v Railu......................................................................... 36 7.1.2.5 Tlakový pojistný ventil ..................................................................... 37 7.1.2.6 Omezovač průtoku............................................................................ 37 7.1.2.7 Vstřikovač.......................................................................................... 37 7.1.2.8 Otvorové trysky................................................................................. 39 Řízení systému s EDC................................................................................... 39 7.2 7.2.1 Snímače .................................................................................................. 40 7.2.2 Řídicí jednotka ...................................................................................... 41 7.2.3 Akční (ovládací) členy .......................................................................... 41 7.3 Palivový systém vstřikování XPI pro motory Scania ................................ 41 7.3.1 Systém XPI ............................................................................................ 42 7.3.2 Systém EGR a VGT .............................................................................. 43 8 Závěr ...................................................................................................................... 44 9 Seznam použité literatury .................................................................................... 45

7

1

ÚVOD Silniční dopravu nákladů i hromadnou přepravu osob si můžeme v nynější době jen

těžko představit bez vznětových motorů, které prodělaly od dob jejich vzniku velmi prudký vzestup. Vynálezcem vznětového motoru byl roku 1897 Rudolf Diesel a Charles Kettering ho zdokonalil. Sedmdesátá léta se vyznačovala prudkým vývojem vozidlových vznětových motorů, diktovaným přísnými legislativními opatřeními k zamezení znečisťování ovzduší výfukovými plyny, celosvětovou palivovou krizí a stále rostoucími nároky na provozní spolehlivost a životnost motorů. V tomto vývoji mělo vstřikovací zařízení mimořádně kladnou úlohu. Jeho úpravy, vývoj a vytvoření řady přídavných zařízení značně napomohly dosáhnout u motorů požadovaných ekonomických a ekologických parametrů. Začalo se zavádět přeplňování vozidlových motorů, které se rychle rozšířilo a s ním se zavedly i nové požadavky na vstřikovací zařízení. Vznikla také řada nových způsobů tvoření a spalování směsi, jímž muselo být vstřikovací zařízení přizpůsobeno k dosažení požadovaných efektů, jako jsou nižší spotřeba paliva a zejména podstatně menší obsah škodlivin ve výfukových plynech. Jako palivo se u vznětových motorů užívá motorová nafta, která je těžší frakcí ropy a její bod varu je obecně v rozsahu asi 130 °C až 170 °C až 320 °C až 360 °C. Motorová nafta bývala levnější při menší spotřebě jako benzín, zvláště v oblasti částečného zatížení. V současnosti je motorová nafta dražší než benzín, což je dáno poptávkou, protože se naftové motory značně rozšířily i do osobních vozidel.

8

2

CÍL PRÁCE Cílem této bakalářské práce je rozbor problematiky palivových soustav nákladních

automobilů, seznámení, popis jednotlivých používaných palivových systémů v nákladní dopravě a nové trendy v konstrukci palivových systémů.

9

3

ROZBOR PROBLEMATIKY

3.1 Příprava směsi U vznětových motorů se během komprese stlačuje čistý vzduch na vysoký tlak (až 160 MPa) 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.. Kompresní poměr může dosahovat hodnot až 20 : 1. Klasické způsoby tvoření a spalování směsi jsou vedeny snahou vytvořit homogenní směs paliva a vzduchu. Tyto způsoby jsou realizovány buď jako motory s přímým vstřikem paliva nebo jako motory komůrkové. Kvalita a vhodnost motorové nafty pro spalování ve vznětových motorech se posuzuje na základě několika kritérií, jejichž hodnoty jsou dány evropskou normou ČSN – EN 590. V další části popíšeme základní parametry. 3.1.1

Destilační křivka

Destilační křivka motorové nafty není tak přesně definována jako u benzínu, protože její průběh neovlivňuje podstatně funkci motoru, kromě konce destilace, který se předepisuje a kontroluje velmi přísně. Dnes se požaduje, aby se předestilovalo nejméně 95 % objemu nafty do 350 °C a vývoj směřuje stále k nižším teplotám 95 % bodu. Motorová nafta se skládá z frakcí uhlovodíků a její destilační rozmezí leží mezi 160 °C až 380 °C. Začátek destilace je nepřímo určen požadavkem na bod vzplanutí. Bod vzplanutí je definován jako nejnižší teplota, při níž se ve zkušebním zařízení uvolňuje z povrchu kapaliny tolik par, že jsou schopny přechodného zapálení. Je tedy významným

parametrem,

charakterizujícím

nebezpečí

požáru

při

manipulaci

s motorovou naftou. Hodnota bodu vzplanutí se pohybuje v rozmezí od 55 °C do 100 °C (u benzínu je bod vzplanutí do 21 °C). 3.1.2

Reaktivita motorové nafty

Je to další kvalitativní znak a vyjadřuje schopnost nafty po vstříknutí lehce vzplanout a hořet. Málo reaktivní palivo se projeví obtížným spouštěním motoru, pomalým zahříváním motoru, tvrdým chodem a tvorbou usazenin, které zhoršují kvalitu motorového oleje i výfukových plynů. Reaktivita nafty se vyjadřuje tzv. cetanovým číslem, které je obdobou oktanového čísla u benzínů. Cetanové číslo se může stanovit na zkušebním motoru, ovšem význam

10

této metody určování kvality nafty klesá. Vývoj vznětových motorů směřuje ke zmenšování jejich závislosti na cetanovém čísle paliva, tvrdému chodu motoru se zabraňuje konstrukčními úpravami (např. většími vstřikovacími tlaky, které umožňují lepší rozprášení paliva). Cetanové číslo má vliv i na spouštění studeného motoru, ale i zde přicházejí na řadu mechanické zásahy, jako je úprava dávky paliva, změna úhlu předstřiku a předehřívání spalovacího prostoru žhavicími svíčkami. Cetanové číslo se pohybuje v rozmezí od 46 do 56. 3.1.3

Obsah síry

Sirné sloučeniny obsažené v motorové naftě se projevují dvěma způsoby: •

v kapalném stavu je to tzv. studená koroze, kterou způsobují aktivní sloučeniny síry napadající kovy. Díky nízkému obsahu síry u běžné nafty je toto působení minimalizováno.

•

horší dopad má však horká koroze jako důsledek spalování sirných sloučenin. Při tom vznikají samy o sobě vysoce korozivní oxidy (siřičitý a sírový), které dále vytvářejí s vodou příslušné kyseliny. Určitý minimální obsah síry v palivu je však nezbytný, poněvadž síra zlepšuje jeho mazací schopnosti.

3.1.4

Karbonizační číslo

Karbonizační číslo charakterizuje sklon motorové nafty k tvorbě karbonových úsad ve spalovacím prostoru. Souvisí s destilační křivkou, protože tvorbu karbonu způsobují především složky s vyšším bodem varu, které se válci plně neodpaří. Kapky paliva hoří pouze na povrchu. Při laboratorním zjišťování karbonizačního čísla se použije 10 % zbytek po destilaci nafty, který se dále spaluje a vzniklý tzv. karbonizační zbytek se pak váží. Norma ČSN EN – 590 předepisuje maximálně 0,3 % karbonizačního zbytku. 3.1.5

Viskozita motorové nafty

U motorové nafty, na rozdíl od benzínu, patří viskozita mezi významné parametry, a to ze dvou následujících důvodů: •

z hlediska tvorby aerosolu při vstřiku do válce. Příliš viskózní nafta je příčinou vzniku koncentrovaného, nedostatečně se spalujícího aerosolu, který tvoří karbonové úsady; ty z části odcházejí výfukem do atmosféry.

•

z hlediska mazacích schopností paliva ve vstřikovacím čerpadle. Viskozita paliva ovlivňuje výrazně jeho životnost. Je opět dána normou.

11

3.1.6

Chladové vlastnosti motorové nafty

Nafta je díky svému složení závislá na teplotě prostředí, problémy spojené zejména s přechodem na zimní provoz řadí chladové vlastnosti motorové nafty mezi její nejdůležitější parametry. Chladové vlastnosti se popisují několika následujícími charakteristickými body: Teplota vylučování parafínů CP (Claud Point) – je to teplota, při níž se nafta začíná kalit vyloučenými krystalky parafínů. Proto se tento bod také nazývá bod zákalu. Při dosažení bodu zákalu je však nafta ještě velmi tekutá a má dobrou čerpatelnost, nejsou rovněž problémy se spouštěním motoru. Teplota filtrovatelnosti CFPP (Cold Filter Plugging Point) – při této teplotě vyloučené parafínové částice pokryjí čistící vložku tak silně, že nastává ztráta filtrovatelnosti paliva (ucpání čističe). Za takové teploty lze motor zpravidla spustit, protože nafta je ještě tekutá. Po určité době, kdy se filtr ucpe, dojde samozřejmě k zastavení motoru. Užívá se členění podle CFPP. U nás se používají třídy A až F, přičemž třída F se svými chladovými vlastnostmi řadí mezi arktické nafty. Bod tuhnutí (Pour Point) – po dosažení této teploty vzroste viskozita díky množství vyloučených parafínů natolik, že palivo přestává téci. Při této teplotě nejde spustit motor. S příchodem zimního období lze dodatečně aktivovat naftu nemrznoucími přísadami, které modifikují parafinické sloučeniny a zabraňují tvorbě a růstu krystalů. Tyto přísady musíme do nafty přidávat při minimální teplotě + 7 °C. Při nízkých teplotách se přísady s naftou nejen nesmísí, ale může chladové vlastnosti ještě zhoršit. (Žďánský B., 2000)

12

4

ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ PALIVOVÝCH SOUSTAV NÁKLADNÍCH AUTOMOBILŮ

4.1 Palivové systémy se stejným počtem vstřikovacích jednotek jako je počet válců motoru - řadová vstřikovací čerpadla – vstřikovací jednotky jsou umístěny ve společné skříni s vlastním pohonem (vačkovým hřídelem). - samostatné vstřikovací jednotky – bývají umístěné na bloku motoru a poháněné vačkovým hřídelem ventilového rozvodu motoru. Tento druh palivových soustav je velmi rozšířen u vznětových motorů nákladních automobilů, ale najdeme je i v lokomotivách a lodních motorech. Vstřikovací tlak se pohybuje až do 150 MPa, měřeno na výstupu z čerpadla.

4.2 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 s protiběžným radiálním pohybem pístů – výhodou těchto čerpadel je možnost dosažení vysokých vstřikovacích tlaků (až 160 MPa, měřeno na vstřikovací trysce) při poměrně malých vnějších rozměrech.

Všechna předchozí konstrukční provedení je možno opatřit elektronickou regulací množství vstřikovaného paliva.

4.3 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. U nákladních automobilů (ale i u osobních automobilů) se používají soustavy se zásobníkovým systémem Common Rail s elektronickým řízením. 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 160 MPa.

13

Nové tendence palivových soustav přináší jeden z největších výrobců nákladních automobilů Scania. Stručně se podíváme na jejich nejnovější systém vstřikování XPI (Extra High Presurre Injection).

5

PALIVOVÉ SYSTÉMY SE STEJNÝM POČTEM VSTŘIKOVACÍCH JEDNOTEK JAKO JE POČET VÁLCŮ MOTORU

5.1 Palivový systém s řadovým vstřikovacím čerpadlem Celou palivovou soustavu můžeme rozdělit na dvě základní části: •

nízkotlaký okruh (zařízení pro dopravu a čištění paliva), který se skládá z palivové nádrže 1, nízkotlakého palivového potrubí, palivového podávacího čerpadla 2 a jemného čističe paliva 3

•

vysokotlaký okruh (vstřikovací zařízení), do kterého patří řadové vstřikovací čerpadlo 4, vysokotlaké palivové potrubí a vstřikovače 7

Obr. 1 Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem

Schéma palivové soustavy naftového motoru uvedené na obr. 1 odpovídá klasickému uspořádání používanému u motorů nákladních automobilů, autobusů, traktorů a motorů stavebních strojů vybavených řadovým vstřikovacím čerpadlem. Pozicí 4 je označeno vysokotlaké vstřikovací čerpadlo. Požadovaný pracovní režim je nastavován ovládací pákou 6. Z palivové nádrže 1 je motorová nafta dopravována do

14

vysokotlakého čerpadla podávacím čerpadlem 2. Nafta je do tohoto čerpadla přiváděna potrubím přes hrubý palivový filtr, který současně zachycuje i vodu, která může být obsažena v palivu. Přes výtlačné potrubí podávacího čerpadla je nafta dopravována do palivového filtru 3 a z něj pak potrubím do plnící komory vstřikovacího čerpadla. Konstantní tlak v plnící komoře čerpadla je udržován přetlakovým ventilem. Přebytečné palivo odtéká tímto ventilem odpadním potrubím do palivové nádrže, přičemž průtok paliva plnící komorou čerpadla zabezpečuje jeho chlazení. Palivo stlačené vysokotlakým pístovým čerpadlem je ve vhodný okamžik dopravováno vysokotlakým potrubím do vstřikovače 7 v hlavě válce motoru. Jemné rozprášení nafty do objemu komůrky u motorů s přímým vstřikem paliva zabezpečuje tryska. Palivo, které prosáklo do tělesa vstřikovače je odváděno zpětným potrubím 8 do palivové nádrže.

První sériově vyráběné vstřikovací čerpadlo z roku 1927.

5.1.1

Nízkotlaký okruh (Zařízení pro dopravu a čištění paliva)

5.1.1.1 Palivová nádrž Palivová nádrž je vyrobena z ocelového plechu, hliníkové slitiny nebo plastu. Nádrže z ocelových plechů musí být zevnitř i z venku opatřeny protikorozivní 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).

15

5.1.1.2 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. Trubky mohu být spojeny několika způsoby spojů: •

dutým šroubem

•

rozlisovanou trubkou

•

bez nutnosti úpravy trubky – potřebná délka trubky se nasune do příslušného otvoru ve spojované části. Oblý těsnící kroužek 8 se přitlačí přítlačným kroužkem 7 a vtiskne převlečnou maticí 6 do kuželovitě rozšířeného otvoru ve spojovaném dílu.

Na těsnost spojů je třeba klást velký důraz, a to zejména u potrubí, které vede od nádrže k podávacímu čerpadlu. V případě níže položené nádrže je v tomto potrubí podtlak a i velmi malá netěsnost v potrubí způsobí přisávání vzduchu, který je následně zdrojem poruch. 5.1.1.3 Dopravní palivová čerpadla Dopravní (podávací) čerpadla slouží k dopravě paliva z palivové nádrže do plnící komory vstřikovacího čerpadla. Mezi palivovou nádrží a dopravním čerpadlem je zařazen uzavírací kohout a hrubý čistič paliva. Mezi podávacím a vstřikovacím čerpadlem je zařazen nejméně jeden jemný čistič paliva. Podávací čerpadlo je poháněno buď přímo motorem, nebo je součástí čerpadla vstřikovacího. Zvýšená tlaková hladina paliva ve vstřikovacím čerpadle, vyvolaná použitím dopravního čerpadla, se příznivě projeví zlepšením objemové účinnosti, rovnoměrnosti dodávky paliva a stability funkce vstřikovacího zařízení. Bohatý průtok paliva plnící komorou vstřikovacího čerpadla přispívá i k dobrému chlazení vstřikovacích jednotek. Dopravní palivová čerpadla jsou řešena jako čerpadla pístová a to jednočinná a dvojčinná. Obvyklou součástí podávacího čerpadla je ruční dopravní čerpadlo, které má

16

za úkol naplnit sací systém podávacího čerpadla před prvním uvedením do provozu a nově naplnit a odvzdušnit po úplném vyprázdnění palivové nádrže nebo po údržbě.

Obr. 2 Jednočinné pístové dopravní čerpadlo

5.1.1.4 Čištění paliva Životnost vstřikovacího zařízení je značně závislá na dokonalém vyčištění paliva. Nároky kladené na čističe jsou značné a neustále rostou. 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. Základní požadavky na čističe paliva: •

možnost odvzdušnění

•

malý průtokový odpor

•

snadná vyměnitelnost čistících vložek a jejich velká účinnost

Čistič paliva zachycuje mechanické nečistoty obsažené v palivu a chrání tak písty vstřikovacího čerpadla a trysky před nadměrným opotřebením. Hrubé čističe, které zachycují větší nečistoty, jsou umístěny zpravidla před vstupem paliva do dopravního čerpadla a bývají z jemného drátěného pletiva nebo z mosazných děrovaných a

17

prohýbaných plechů. Jemné čističe mají vložky z plsti, bavlněných provazců, tkaniny nebo papíru. Konstrukce čističe Čistič se skládá většinou z tělesa, ve kterém je umístěna čistící vložka tak, aby jí bylo palivo nuceno protékat. Na nejvyšším místě čističe je umístěn odvzdušňovací šroub, který obvykle umožňuje odvzdušnění nejen čističe, ale většinou celého palivového systému. V nejnižším místě je šroub umožňující vypouštění kalu. Nadměrnému zvýšení tlaku u čističe, který je umístěn mezi dopravním a vstřikovacím čerpadlem, brání seřiditelný přepouštěcí ventil, umístěný obvykle na tělese čističe, který přepouští přebytečné palivo zpět do sacího systému dopravního čerpadla.

Čističe rozdělujeme na čističe s papírovou čistící vložkou, s vinutou čistící vložkou, dále máme hvězdicový čistič, dělený čistič, vícestupňový čistič a čistič s možností předehřáním paliva. Obr. 3 Dvoustupňový čistič paliva

18

5.1.2

Vysokotlaký okruh (vstřikovací zařízení)

5.1.2.1 Řadové vstřikovací čerpadlo s vlastním pohonem PE Účelem řadového vstřikovacího čerpadla je vytvořit požadovaný vstřikovací tlak, přesně odměřit vstřikované množství paliva v závislosti na poloze akceleračního pedálu a přizpůsobit okamžik vstřiku otáčkám motoru. Obr. 4 Řadové vstřikovací čerpadlo Motorpal PP4M.f

Vstřikovací čerpadlo sestává z těchto hlavních částí: •

skříň – dnes je většinou vyrobená z hliníkové oceli, ve které jsou uloženy vstřikovací jednotky

•

kompletní vstřikovací jednotky – počet vstřikovacích jednotek je shodný s počtem válců motoru a jsou poháněny vačkovým hřídelem motoru

•

vačkový hřídel – obvykle je uložen ve dvou valivých ložiskách. Pohon vačkového hřídele je proveden od hnacího hřídele buď přímo spojkou, nebo je v případě potřeby mezi hnací a vačkový hřídel vložen přesuvník vstřiku 4.

•

mechanické nebo elektronické regulace otáček a velikosti dávky paliva

Vstřikovací jednotky pro všechny válce motoru jsou umístěny v jedné společné skříni. Vstřikovací jednotky mají vlastní pohon, ve spodní části skříně vstřikovacího čerpadla je umístěn vačkový hřídel (poháněn od rozvodů). Vačkový hřídel nadzvedává jednotlivé vstřikovací jednotky a tím vytlačuje palivo do potrubí, vstřikovače a do válce. Zpětný pohyb pístku se děje pružinou. Zdvih pístku je konstantní. Aby bylo možné dosáhnout změny dávky paliva, jsou v pístku šikmé řídicí hrany, takže lze

19

pootočením pístku prostřednictvím posuvné regulační tyče dosáhnout požadovaného užitného zdvihu. (Doc. Ing. Jaromír Indra CSc, 1984) U vozidlových motorů se požaduje, aby regulátor 2 udržoval předepsané volnoběžné otáčky a zamezil překročení nejvyšších přípustných otáček (regulace omezovací). 5.1.2.2 Mechanická regulace řadových vstřikovacích čerpadel Neexistuje žádná pevná poloha regulační tyče, při které by si vznětový motor udržel své otáčky bez pomoci regulátoru. Například při běhu naprázdno by otáčky bez regulátoru buď klesly až do zastavení motoru, nebo by postupně stoupaly až k maximálním otáčkám. Účel regulace je závislý na požadovaných vlastnostech motoru a úzce souvisí s druhem regulace. Regulace rozdělujeme na: •

výkonnostní – regulátor nastavuje při zvolených otáčkách sám a bez cizího zásahu potřebné množství paliva, které podle odebíraného výkonu třeba k udržení požadovaných otáček. Tato regulace se však u nákladních automobilů nepoužívá.

•

omezovací – regulátor ovládá pouze volnoběžné a maximální otáčky. Tato regulace se používá pro motory osobních a nákladních automobilů.

Kromě uvedených dvou základních způsobů regulace se můžeme setkat ještě s dalšími druhy, které jsou však určitou obdobou nebo kombinací obou předchozích. Patří mezi ně všerežimová regulace, stupňová regulace a regulace pro agregáty. 5.1.2.3 Vysokotlaké potrubí Používají se ocelové bezešvé tlustostěnné trubky. Jejich světlost je závislá na dopravovaném množství paliva. Používají se trubky o rozměrech 6 x 1,5 mm až 10 x 5 mm. 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. 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. Trubky jsou ke vstřikovači nebo vstřikovacímu čerpadlu připojeny buď těsnícím kuželíkem, který je na trubku nasunut a připájen. Tento spoj je pracný, má malou životnost a dnes se používá jen výjimečně. Další používaný spoj je těsnícím kuželíkem

20

vylisovaným přímo z materiálu trubky. Mezi kuželík a převlečnou matici je nutno vložit ocelovou podložku 5.1.2.4 Vstřikovače a vstřikovací trysky Vstřikovač je posledním článkem vstřikovacího zařízení, jehož úkolem je přivést do spalovacího prostoru vznětového motoru palivo ve správném směru a vhodné formě. Vstřikovač se skládá z držáku, jehož tvar je závislý na typu motoru a z trysky, která ústí do spalovacího prostoru. Obr. 5 Vstřikovač s čepovou tryskou (motor s nepřímým vstřikem paliva)

Účelem je vstřikování jednotlivých dávek paliva do spalovacího prostoru, ovlivňování průběhu vstřiku a utěsnění vysokotlakého potrubí vzhledem ke spalovacímu prostoru. Vstřikovací trysky mohou být otevřené, polootevřené nebo zavřené. První dva druhy se dnes prakticky nepoužívají, takže se setkáváme pouze s tryskami zavřenými. 21

Na trysky jsou dnes kladeny vysoké nároky z hlediska tepelného, případně i mechanického namáhání. Délka, tvar a průřez otvoru trysky a nasměrování paprsku paliva ovlivňují přípravu paliva a tím také výkon motoru, spotřebu paliva a obsah škodlivin ve výfukových plynech. Konstrukce trysek se odlišuje zejména dle toho, jsou-li určeny pro motory s přímým nebo nepřímým vstřikem. Pro motory s nepřímým vstřikem (komůrkové) se používají trysky čepové, které můžeme dále rozdělit na čepovou trysku s válcovým koncem čepu (užší paprsek paliva), čepovou trysku s kuželovým koncem čepu (širší paprsek paliva), škrcenou čepovou trysku a čepovou trysku se zabroušenou plochou. Pro motory s přímým vstřikem paliva se používají trysky otvorové, které se dělí na otvorovou trysku s válcovým kanálkem, s kuželovým kanálkem a se sedlem.

5.2 Palivový systém se sdruženou vstřikovací jednotkou Toto uspořádání se v české literatuře označuje jako čerpadlo s cizím pohonem PV. Samostatné vstřikovací jednotky nesmějí být zaměňovány se sdruženými vstřikovacími jednotkami. Tento systém je principielně stejný jako výše uvedený, liší se konstrukcí vysokotlakého vstřikovacího čerpadla. 5.2.1

Řadové vstřikovací čerpadlo s cizím pohonem (PV)

U tohoto typu čerpadla jsou vstřikovací jednotky připevněny přímo na bloku motoru a jejich pohon je zajišťován od vačkové hřídele motoru. Pracovní činnost je shodná s předcházejícím typem řadového vstřikovacího čerpadla. Tohoto systému se většinou využívá u vznětového motoru s větším zdvihovým objemem. Tyto motory se nacházejí například u větších nákladních automobilů, železničních lokomotiv nebo lodí. Vstřikovací tlak u těchto jednotek se pohybuje okolo 150 MPa (1500 bar).

5.3 Elektronická regulace (EDC) řadových vstřikovacích čerpadel Mechanické regulátory zajišťují za různých provozních podmínek vysokou kvalitu regulace. Elektronická regulace ( EDC – z angl. Electronic Diesel Kontrol) zohledňuje další požadavky. Umožňuje pružnou práci s daty a pomocí regulačních okruhů seřizování

22

velikosti dodávky paliva v takovém rozsahu a s takovou přesností, která je u mechanických regulátorů nedosažitelná. Obr. 6 Elektronická regulace EDC řadových vstřikovacích čerpadel

5.3.1 Hlavní části řídicího systému EDC Elektronickou regulaci EDC můžeme rozdělit do tří částí: •

snímače pro zjištění provozních podmínek a jmenovitých hodnot řídících prvků

•

řídící jednotka, která mění vstupní elektrické signály a mění je na matematické vztahy

•

nastavovací akční člen, který prostřednictvím výstupních signálů řídící jednotky ovládá pohyb regulační tyče

5.3.1.1 Snímače • snímače otáček – indukční snímač otáček je umístěn ve spodní části nastavovacího ústrojí •

snímač pohybu regulační tyče – snímač je umístěn rovněž v nastavovacím ústrojí a snímá okamžitou polohu regulační tyče vstřikovacího čerpadla

•

snímač velikosti plnícího tlaku – je odporový, piezoelektrický a měří plnící tlak ve výtlačném potrubí plnícího dmychadla

23

•

snímače teploty – tyto snímače snímají teplotu nasávaného vzduchu, teplotu chladicí kapaliny a teplotu paliva

•

snímač polohy akceleračního pedálu – snímač tvoří potenciometr, který snímá polohu akceleračního pedálu, odpovídající režimu jízdy

5.3.1.2 Řídící jednotka Elektronická řídící jednotka přijímá a zpracovává signály od snímačů a čidel. Ovládací část řídící jednotky obsahuje mikroprocesor se vstupními a výstupními jednotkami a také paměť a obvody pro změnu vstupních dat na velikost potřebnou pro počítačové zpracování. V paměti řídící jednotky může být uložena celá řada různých hodnot snímaných veličin, např. zatížení, počet otáček, teplota chladicí kapaliny, paliva či vzduchu atd. Obr. 7 Řídicí jednotka

Zatížení a počet otáček ovládá řidič změnou polohy akceleračního pedálu. Ostatní veličiny jsou pouze pomocné 5.3.1.3 Nastavovací ústrojí a regulace množství vstřikovaného paliva Poloha regulační tyče a tím také velikost dodávky paliva je stejně jako u mechanického regulátoru závislá na počtu otáček motoru. Poloha regulační tyče je ovládaná magnetem, který je umístěn v nastavovacím ústrojí vstřikovacího čerpadla. Změna velikosti dodávky paliva je přímo úměrná změnám proudu, který prochází vinutím elektromagnetu. Spouštění, běh naprázdno, výkon motoru, emise škodlivin a jízdní vlastnosti budou rozdílné v závislosti na velikosti dávky vstřikovaného paliva. Podle toho jsou v paměti řídící jednotky uloženy hodnoty pro spouštění, běh naprázdno, plný výkon, pro charakteristiku vstřikovacího čerpadla, pohyb akceleračního pedálu a pro hranici kouření motoru. Změnou polohy pedálu se prostřednictvím potenciometru mění poloha regulační tyče a velikost dávky paliva. Řídící jednotka získá aktuální hodnotu, která představuje základní regulační veličinu. Součást řídící jednotky tvoří regulátor polohy, ve kterém je 24

uložen údaj o okamžité poloze regulační tyče a který umožňuje přesnou a rychlou změnu její polohy.

6

PALIVOVÉ SYSTÉMY SE VSTŘIKOVACÍM ČERPADLEM S VYSOKOTLAKÝM ROZDĚLOVAČEM PALIVA Rotační čerpadla se používají u vznětových motorů menších nákladních automobilů

do výkonu asi 150 kW. Rotační vstřikovací čerpadla se vyznačují mechanickým regulátorem otáček nebo elektronickým regulátorem s integrovaným přesuvníkem vstřiku.

6.1 Palivový systém s jednopístovým čerpadlem s axiálním pohybem pístu 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. 6.1.1

Nízkotlaký okruh palivové soustavy

Obr. 8 Palivová soustava se vstřikovacím čerpadlem s rozdělovačem paliva

25

K nízkotlaké části patří palivová nádrž 27, čistič paliva 28, lamelové dopravní čerpadlo 2, řídící redukční ventil 3 a škrtící tryska 4. Lamelové dopravní čerpadlo nasává palivo z nádrže 27 a dodává do vnitřního prostoru skříně čerpadla 29 na otáčku přibližně stejný objem paliva. Protože ve skříni čerpadla 29 je požadován tlak lineárně závislý na počtu otáček, je nutno použít redukční ventil 3. Redukční ventil 3 zajišťuje, aby určitým otáčkám odpovídal požadovaný tlak paliva, a to tak, že s rostoucími otáčkami tlak vzrůstá. Určitá část paliva proudí přes redukční ventil 3 zpět do sání dopravního čerpadla 2. Z důvodů chlazení a samočinného odvzdušňování vstřikovacího čerpadla proudí rovněž část paliva přes škrtící trysku 4 zpět do nádrže 27. Místo trysky může být použit škrtící ventil. 6.1.1.1 Palivová nádrž a čistič paliva U této palivové soustavy je palivová nádrž konstrukčně shodná s palivovou nádrží u předchozích palivových soustav. U vozidel, u nichž je velký výškový rozdíl mezi nádrží a vstřikovacím čerpadlem a navíc délka potrubí mezi nimi je značná, je nutno použít ještě dalšího dopravního (pomocného) čerpadla, umístěného mezi nádrží a čističem paliva. Čističe mají konstrukci shodnou s dříve popsanými druhy. Vzhledem k malým vůlím mezi řadou součástí vstřikovacího čerpadla se požaduje odstranění mechanických nečistot o velikosti 4 až 6 mikrometrů. 6.1.1.2 Lamelové (dopravní) čerpadlo s redukčním ventilem Lamelové dopravní čerpadlo je umístěno ve skříni vstřikovacího čerpadla a dopravuje palivo v závislosti na hnacích otáčkách do vnitřního prostoru skříně vstřikovacího čerpadla. 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. 6.1.1.3 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. Pro proudící palivo představují odpory odpor, jehož velikost je závislá na tlaku ve vnitřním prostoru čerpadla. Pokud je ve vnitřním prostoru čerpadla pro stanovené

26

otáčky požadovaná velikost tlaku, je činnost redukčního ventilu a škrtící trysky v rovnováze. 6.1.2 Vysokotlaký okruh palivové soustavy Ve vysokotlaké části vstřikovacího čerpadla se získává tlak potřebný pro vstříknutí paliva do spalovacího prostoru. Palivo je vytlačováno do spalovacího prostoru přes výtlačný ventil, vysokotlaké palivové potrubí a vstřikovač se vstřikovací tryskou. Obr. 9 Jednopístové vstřikovací čerpadlo s rozdělovačem paliva

6.1.2.1 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. Výtlačný ventil má kuželovou těsnící plochu, je otevírán tlakem paliva a zavírán ventilovou pružinou. 6.1.2.2 Vysokotlaké palivové potrubí, vstřikovač se vstřikovací tryskou Vysokotlaké palivové potrubí, vstřikovač se vstřikovací tryskou jsou konstrukčně shodné a popsané v kapitole palivové systémy s řadovým vstřikovacím čerpadlem. 6.1.3

Mechanická regulace jednopístových čerpadel

Úkoly regulátorů a jejich rozdělení je naprosto stejné jako u řadových vstřikovacích čerpadel.

27

6.1.4

Elektronická regulace jednopístových vstřikovacích čerpadel (EDC)

Základní vlastnosti a v podstatě i princip činnosti jsou stejné jako u elektronické regulace řadových vstřikovacích čerpadel.

6.2

Palivový systém s vícepístovým radiálním čerpadlem Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty byla vyvinuta pro vznětové motory

s přímým vstřikem paliva. Vyznačují se vysokou rychlostí při regulaci množství vstřikovaného paliva a počátku vstřiku. Jsou schopna vyvinout velký vstřikovací tlak až 185 MPa. Obr. 10 Hlavní konstrukční části rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty

6.2.1

Nízkotlaká část vstřikovacího čerpadla

Nízkotlaká část zajišťuje dostatek paliva pro část vysokotlakou. Nejdůležitějšími částmi jsou lamelové dopravní (podávací) čerpadlo, redukční ventil a přepouštěcí ventil. Lamelové dopravní čerpadlo a redukční ventil byly popsány v předešlé kapitole věnované jednopístovým vstřikovacím čerpadlům. 6.2.1.1 Přepouštěcí ventil Z důvodu chlazení a odvzdušnění vstřikovacího čerpadla protéká palivo přes přepouštěcí ventil zpět do palivové nádrže.

28

Uvnitř tělesa ventilu je pružinou zatížený kuličkový ventil, který umožní odtok paliva z čerpadla zpět do palivové nádrže až po dosažení nastaveného otevíracího tlaku. V přívodním kanálku ke kuličkovému ventilu je umístěna tryska s velmi malým průměrem. Toto spojení se zpětným potrubím usnadňuje samočinné odvzdušnění čerpadla. Celý nízkotlaký okruh čerpadla je řešen tak, aby přes přepouštěcí ventil odtékalo zpět do palivové nádrže přesně určené množství paliva. 6.2.2

Vysokotlaká část vstřikovacího čerpadla

Ve vysokotlaké části dochází k vytvoření vysokého tlaku, k rozdělování a odměřování paliva s řízením počátku dodávky. 6.2.2.1 Vysokotlaké čerpadlo s radiálními písty Jedná se o čerpadlo s radiálními písty s vačkovým kruhem a dvěma až čtyřmi radiálními písty, které realizují vytváření vysokého tlaku a dodávku paliva. Vysokotlaký elektromagnetický ventil dávkuje vstřikované množství paliva. Počátek dodávky se přestavuje pootočením vačkového kroužku prostřednictvím přesuvníku vstřiku. 6.2.2.2 Rozdělování paliva Rozdělování paliva do jednotlivých válců motoru se provádí prostřednictvím tělesa rozdělovače. Ve fázi plnění jsou radiální písty při otevřeném ventilu vytlačovány směrem od osy rozdělovacího hřídele. Přes nízkotlaký přívod, kruhový kanálek a jehlu ventilu proudí palivo z vnitřního prostoru skříně čerpadla do kanálku v rozdělovacím hřídeli a plní vysokotlaký prostor. Přebytečné čerpadlo odtéká kanálkem zpět do skříně čerpadla. Při výtlačné fázi jsou radiální písty při uzavřené jehle ventilu tlačeny radiálními vačkami směrem k ose rozdělovacího hřídele, palivo je stlačováno v nyní uzavřeném vysokotlakém prostoru. Při rotačním pohybu rozdělovacího hřídele propojí rozdělovací kanálek vysokotlaký prostor s výtlačným kanálkem. Palivo je vytlačováno vysokým tlakem přes výtlačný ventil, výtlačné hrdlo a vysokotlaké palivové potrubí do vstřikovače, kde je vstřikováno do spalovacího prostoru příslušného válce motoru. Počet výtlačných kanálků, ke kterým je připojeno vysokotlaké palivové (vstřikovací) potrubí, odpovídá počtu válců motoru.

29

6.2.2.3 Přesuvník vstřiku Přesuvník vstřiku se stoupajícími otáčkami motoru mění počátek výtlaku paliva ze vstřikovacího čerpadla. Tím se optimálně přizpůsobuje okamžik úhlu předstřiku pracovnímu režimu motoru. Hydraulicky ovládaný přesuvník vstřiku je umístěn ve skříni rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty na spodní straně příčně k podélné ose čerpadla. Regulace úhlu předvstřiku (počátku vstřiku) Podle provozního stavu motoru (zatížení, otáčky, teplota motoru) určuje řídící jednotka motoru požadovanou hodnotu úhlu předvstřiku, která je obsažena v trojrozměrném datovém poli charakteristik počátku vstřiku. Regulátor počátku vstřiku v řídící jednotce čerpadla trvale porovnává skutečný počátek vstřiku se zadanou požadovanou hodnotou a při odchylkách mění střídu napěťového signálu, kterým je elektromagnetický ventil ovládán. O skutečné hodnotě úhlu předvstřiku je řídící jednotka čerpadla informována snímačem úhlu natočení nebo snímačem pohybu jehly ve vstřikovací trysce některého z válců motoru. 6.2.3

Řídicí systém s elektronickou regulací EDC

Elektronická regulace vznětového motoru EDC pro rotační čerpadla s radiálními písty je rozdělena do tří systémových bloků: •

snímače

•

řídící jednotka motoru a řídící jednotka čerpadla

•

akční členy

6.2.3.1 Snímače Snímače teploty Snímače teploty se používají v několika místech: •

v okruhu chladící kapaliny 12, aby bylo možné z teploty chladící kapaliny odvodit teplotu motory

•

v plnícím potrubí 14, kde se měří teplota plnícího vzduchu

•

v motorovém oleji pro určení teploty oleje

•

ve vstřikovacím čerpadle pro měření teploty paliva

Snímač otáček klikového hřídele

30

Otáčky motoru a poloha pístů ve válcích patří mezi nejdůležitější vstupní veličiny pro určení množství vstřikovaného paliva. Tato vstupní veličina se vypočítává v řídící jednotce motoru ze signálu indukčního snímače otáček klikového hřídele 13. Snímač úhlu natočení Na hnacím hřídeli vstřikovacího čerpadla je pevně uloženo impulzní kolo snímače s jemným ozubením. Toto ozubené kolo má na svém obvodu rovnoměrně rozděleny velké mezery mezi zuby, jejichž počet odpovídá počtu válců motoru. Sled zubů a mezer je snímán indukčním snímačem. Signál z tohoto snímače se využívá pro následující účely: •

určení momentální úhlové pozice

•

měření okamžitých otáček vstřikovacího čerpadla

•

určení skutečné polohy

Snímač pohybu jehly vstřikovací trysky Pro správnou činnost systémů s elektronickou regulací počátku vstřiku je nutné použít indukční snímač pohybu jehly vstřikovací trysky. Snímač zajišťuje okamžik, ve kterém dojde k nadzvednutí jehly vstřikovací trysky – skutečný počátek vstřiku. Měřič hmotnosti nasávaného vzduchu Aby bylo možno dodržet zákonem stanovené nejvyšší možné hodnoty emisí, je zejména v přechodovém režimu motoru nutné zajistit přesné dodržení poměru vzduchu a paliva. K tomu jsou potřebné snímače, které velmi přesně měří skutečnou hmotnost vzduchu přiváděného do válců motoru. V tomto případě byl použit měřič hmotnosti nasávaného vzduchu s vyhřívaným filtrem. Snímač plnícího tlaku Snímač je spojen s plnícím potrubím a určuje absolutní tlak v plnícím potrubí v rozsahu 50 kPa až 300 kPa. 6.2.3.2 Řídící jednotky Řídící jednotka čerpadla Řídící jednotka čerpadla je umístěna přímo na vstřikovacím čerpadle. Přijímá vnitřní signály snímačů v čerpadle pro úhel natočení a teplotu paliva a společně s údaji z řídící jednotky motoru je vyhodnocuje pro určení okamžiku vstřiku a množství vstřikovaného paliva. Řídící jednotka motoru

31

Řídicí jednotka motoru zpracovává veškeré informační signály snímačů umístěných na motoru a v okolním prostředí a vypočítává z nich ovládací signály pro akční členy. 6.2.3.3 Akční členy Vysokotlaký elektromagnetický ventil Prostřednictvím vysokotlakého elektromagnetického ventilu ovládá řídící jednotka čerpadla množství vstřikovaného čerpadla. Ventil je umístěn ve vysokotlaké části vstřikovacího čerpadla. Elektromagnetický ventil přesuvníku vstřiku Řídící

jednotka čerpadla ovládá píst

přesuvníku

vstřiku

prostřednictvím

elektromagnetického ventilu, který je trvale taktován řídícím proudem s konstantní frekvencí. Poměr sepnutého a nesepnutého intervalu určuje průtočné množství paliva. Řídící jednotka doby žhavení Správné řízení doby žhavení je důležité pro snadné spouštění studeného motoru a pro snížení emisí během fáze zahřívání motoru. Doba předžhavení je závislá na teplotě chladicí kapaliny. Další fáze žhavení u spouštěného nebo běžícího motoru jsou určeny řadou parametrů, mimo jiné vstřikovaným množstvím paliva a otáčkami motoru. Elektropneumatické převodníky Ventily nebo klapky regulace plnícího tlaku a recirkulace výfukových plynů jsou ovládány mechanickopneumaticky pomocí podtlaku nebo přetlaku. Řídící jednotka motoru k tomu vytváří elektrický signál, který je převáděn elektropneumatickým převodníkem na přetlak nebo podtlak. Regulace škrticí klapky Škrticí klapka má u vznětových motorů zcela odlišnou funkci než u motorů zážehových. Slouží pro zvýšení množství recirkulace výfukových plynů tak, že snižuje přetlak v plnícím potrubí motoru. Regulace škrticí klapky je aktivní pouze v oblasti nízkých otáček motoru.

32

7

Palivové systémy s elektronickou regulací

7.1 Systém vstřikování s tlakovým zásobníkem Common Rail pro nákladní automobily Obr. 11 Systém Common Rail

Hlavní výhoda systému Common Rail spočívá ve velkých možnostech variability při vytváření vstřikovacího tlaku a časového okamžiku vstřiku. Toto je dosaženo oddělením vytváření vysokého tlaku (vysokotlaké čerpadlo) a vstřikování (vstřikovače). Jako zásobník tlaku přitom slouží Rail. Jádrem systému Common Rail jsou vstřikovače. Obsahují ventil s rychlým spínáním (elektromagnetický ventil nebo piezoelektrický člen), který otvírá a zavírá vstřikovací trysku. Tak může být průběh vstřiku řízen jednotlivě pro každý válec. Přímé vstřikování paliva pod dostatečně vysokým tlakem (u 3. generace až 180 MPa) zajišťuje jeho velmi jemné rozprášení, okamžité odpaření a vznik kvalitní směsi se vzduchem. Díky tomu pracuje motor s ekonomičtějším spalováním. K tiššímu a měkčímu chodu motoru přispívá i tzv. pilotní vstřik. Několik milisekund před hlavním vstřikem se uskuteční předehřátí spalovacího prostoru úvodním vstřikem malého množství paliva. Emise ve výfukových plynech jsou podstatně nižší než u vznětových motorů předchozí generace. 7.1.1

Nízkotlaká část palivového systému Common Rail

Nízkotlaká část zajišťuje dostatek paliva pro část vysokotlakou. K hlavním částem patří palivová nádrž, dopravní palivové čerpadlo se sacím košem, jemný čistič paliva,

33

nízkotlaké palivové potrubí, nízkotlaký okruh vysokotlakého čerpadla a zpětné palivové potrubí. Kromě dopravního palivového čerpadla je vše popsáno v předešlých kapitolách. 7.1.1.1 Zubové palivové (podávací) čerpadlo Úkolem podávacího čerpadla je zásobovat vysokotlaké čerpadlo dostatkem paliva, a sice v každém provozním stavu a po celou dobu životnosti potřebným tlakem. Zubové palivové čerpadlo je buď integrováno do vysokotlakého palivového čerpadla a má sním společný náhon, nebo je přímo na motoru a má vlastní pohon. Obvyklé druhy pohonu jsou spojka, ozubené kolo nebo ozubený řemen. Podstatnými konstrukčními díly jsou dvě vzájemně zabírající ozubená kola, která dopravují v zubových mezerách palivo od sací k výtlačné straně. 7.1.2

Vysokotlaká část

Ve vysokotlaké části jsou vedle zdroje vysokého tlaku také rozdělování a odměřování paliva. Mezi podstatné součásti patří vysokotlaké čerpadlo s odpojovacím ventilem elementu a regulačním ventilem tlaku, vysokotlaký zásobník (Rail), snímač tlaku v Railu, pojistný ventil, omezovače průtoku a vstřikovače. 7.1.2.1 Vysokotlaké čerpadlo Vysokotlaké čerpadlo tvoří rozhraní mezi nízko a vysokotlakou částí. Jeho úkolem je vždy dodávat dostatek stlačeného paliva ve všech provozních stavech po celou dobu životnosti vozidla. Vysokotlaké čerpadlo vytváří trvale systémový tlak pro vysokotlaký zásobník Rail. Proto nemusí být stlačené palivo ve srovnání s obvyklým vstřikovacím systémem vysoce stlačeno specielně pro každý jednotlivý vstřik.

34

Obr. 12 Vysokotlaké palivové čerpadlo (příčný řez)

Vysokotlaké čerpadlo je na vznětovém motoru přednostně montováno na stejném místě jako konvenční rotační vstřikovací čerpadlo. Je poháněno od motoru přes spojku, ozubené kolo, řetězem nebo ozubeným řemenem s maximálními otáčkami 3000 min-1. Je mazáno palivem. Redukční ventil je podle zástavbového prostoru buď namontován přímo na vysokotlakém čerpadlu, nebo je instalován odděleně. Palivo je ve vysokotlakém čerpadle stlačováno třemi radiálními písty čerpadla, vzájemně přesazeny o 120°. Dopravní výkon Protože je vysokotlaké čerpadlo dimenzováno pro vysoké dopravní množství, je při volnoběhu a částečném zatížení přebytek stlačeného paliva. Tento přebytek paliva je přes regulační ventil tlaku veden zpět do palivové nádrže. Protože je zde dopravní palivo uvolněno, je energie stlačením ztracena. Vedle ohřívání paliva se tím snižuje celková účinnost. 7.1.2.2 Regulační ventil tlaku Úlohou regulačního ventilu tlaku je nastavovat a držet tlak v Railu v závislosti na zatížení motoru: •

při příliš vysokém tlaku v Railu otevírá regulační ventil tak, že část paliva je odvedena sběrným potrubím zpět do nádrže

•

při příliš nízkém tlaku v Railu se uzavírá regulační ventil a utěsňuje tak vysokotlakou stranu proti nízkotlaké

35

Regulační ventil tlaku má upevňovací přírubu pro připevnění na vysokotlaké čerpadlo nebo vysokotlaký zásobník (Rail). Kotva tlačí kuličku proti sedlu, aby utěsnila vysokotlakou stranu proti nízkotlaké – při tom za prvé tlačí kotvu dolů pružina a za druhé působí na kotvu síla elektromagnetu. Pro mazání a odvod tepla je celá kotva omývána palivem. 7.1.2.3 Vysokotlaký zásobník (Rail) Vysokotlaký zásobník má za úkol akumulovat palivo pod vysokým tlakem. Přitom má zásobním objemem tlumit tlakové kmitání vzniklé dopravou a vstřikováním. Tlak ve společném rozdělovači (Common Rail) paliva pro všechny válce je sám při odběru většího množství paliva udržován na přibližně konstantní hodnotě. Tím je zajištěno, že při otevření vstřikovače zůstane vstřikovací tlak konstantní. Obr. 13 Vysokotlaký zásobník paliva (Rail)

7.1.2.4 Snímač tlaku v Railu Snímač tlaku v Railu musí měřit aktuální tlak v Railu s vyhovující přesností a v odpovídajícím čase. Následně musí poskytnout řídící jednotce napěťový signál odpovídající přilehlému tlaku. Snímač tlaku v Railu pracuje na následujícím principu: elektrický odpor na membráně umístěné vrstvy se mění, když se změní její tvar. Tato změna tvaru (asi 1mm při 150 MPa) vlivem systémového tlaku působí změnu elektrického odporu a dává z 5 V napájeného odporového můstku změnu napětí. Toto napětí leží v rozsahu 0…70 mV a je zesíleno vyhodnocovacím obvodem na rozsah 0,5…4,5 V. Přesné měření tlaku v Railu je pro správnou funkci nezbytné.

36

7.1.2.5 Tlakový pojistný ventil Úkol tlakového pojistného ventilu odpovídá přetlakovému ventilu. Pojistný ventil omezuje tlak v Railu tím, že při příliš vysokém zatížení uvolní odpadový otvor. Maximální tlak v Railu připouští krátkodobě 150 MPa. 7.1.2.6 Omezovač průtoku Úkolem omezovače průtoku je zamezit nepravděpodobnému případu trvalého vstřikování jednoho vstřikovače. Aby tuto úlohu splnil, uzavírá omezovač průtoku při překročení maximálního odběrového množství z Railu přívod ke vstřikovači, kterého se to týká. 7.1.2.7 Vstřikovač Počátek vstřiku a vstřikované množství jsou nastavovány elektricky ovladatelným vstřikovačem. Ten nahrazuje vstřikovač (trysku a držák trysky) tradičních vstřikovacích zařízení vznětových motorů. Podobně jako u dosavadních držáků trysek vznětových motorů s přímým vstřikem DI (Direkt Injection) jsou vstřikovače do hlavy válců přednostně montovány pomocí upínacích příložek. Proto jsou vstřikovače Common Railu vhodné pro zástavbu do vznětových motorů s přímým vstřikem bez podstatných změn hlavy válců. Vstřikovač můžeme rozdělit do rozdílných funkčních celků, a to na otvorové trysky, hydraulický servosystém a magnetický ventil.

37

Obr. 14 Vstřikovač (Bosch)

Princip činnosti Palivo je vedeno od vysokotlaké přípojky 4 přes přívodní kanál 10 k trysce, stejně jako přes přívodní škrtící trysku 7 do prostoru ovládacího ventilu 8. Prostor ovládacího ventilu je spojen přes odtokovou škrtící trysku 6, která může být otevřena magnetickým ventilem, se zpětným vedením paliva 1. V zavřeném stavu převládne hydraulická síla na ovládací píst 9 nad silou na tlakový kužel jehly trysky 11. Proto je jehla trysky tlačena do svého sedla a těsně uzavírá vysokotlaký kanál k motorovému prostoru. Žádné palivo se nemůže dostat do spalovacího prostoru. Při aktivování magnetického ventilu je otevřena odtoková škrtící tryska. Tím klesá tlak v prostoru ovládacího ventilu a s ním síla na ovládací píst. Jakmile hydraulická síla nedosáhne tu na tlakovém kuželu jehly trysky, otevře jehla trysky, takže se palivo může dostat vstřikovacími otvory do spalovacího prostoru. Toto nepřímé ovládání jehly trysky hydraulickým servosystémem je použito proto, protože sílu potřebnou pro rychlé otevření jehly trysky není možné dosáhnout přímo magnetickým ventilem.

38

Ovládací a uniklá množství paliva jsou přes zpětné vedení paliva se sběrným potrubí, připojeným také na přepadový ventil, vysokotlaké čerpadlo a regulační ventil tlaku, vedena zpět do nádrže. 7.1.2.8 Otvorové trysky Vstřikovací trysky jsou vestavěny do vstřikovače Common Railu. Tím přebírá vstřikovač Common Railu funkci držáku trysky. Trysky musejí být pečlivě naladěny na dané poměry motoru. Dimenzování trysky spolurozhoduje o: •

dávkování vstřikování (doba vstřiku a vstřikované množství na stupeň klikového hřídele)

•

přípravě paliva (počet paprsků, tvar paprsku a rozprášení paprsků paliva) a rozdělení paliva ve spalovacím prostoru

•

utěsnění proti spalovacímu prostoru.

Pro motory s přímým vstřikem paliva ve spojení s Common Railem jsou používány otvorové trysky typu P s průměrem jehly 4 mm. Existují dva typy a to trysky se slepým vývrtem a trysky s otvory do sedla. Jak trysky se slepým vývrtem, tak také s otvory do sedla mohou být upravovány hydroerozivním zaoblováním. Cílem přitom je předejít opotřebení hran působením abrazivních částic paliva a zúžení tolerancí průtoku. Pro nízké emise uhlovodíků je důležité, aby byl dodržen objem vyplněný palivem pod hranou sedla jehly trysky tak malý, jak je možné. Toho je nejlépe dosaženo u trysek s otvory vrtanými do sedla.

7.2 Řízení systému s EDC Elektronická regulace vznětových motorů EDC s Common Railem se člení na tři systémové bloky: •

snímače

•

řídící jednotky

•

ovládací (akční) členy

39

Obr. 15 Řídící systém vstřikování Common Rail (Bosch)

7.2.1 Snímače Snímač polohy a otáček klikového hřídele Poloha pístu je rozhodující pro správný okamžik vstřiku. Jeden indukční snímač na klikovém hřídeli poskytuje informace o poloze pístů všech válců motoru. Snímač polohy a otáček vačkového hřídele Poloha vačkového hřídele určuje, zda se píst, který se pohybuje do HÚ, nachází v kompresním nebo výfukovém zdvihu. Snímač teploty Snímače teploty jsou používány na více místech: •

v chladícím okruhu pro určení teploty motoru z teploty chladicí kapaliny

•

v plnicím potrubí pro měření teploty plnicího vzduchu

•

ve zpětném palivovém potrubí pro měření teploty paliva

•

v mazacím systému pro měření teploty motorového oleje

40

Měřič hmotnosti vzduchu s vyhřívaným filmem Pro zákonem stanovené emisní limity je nutné přesné dodržení požadovaného směšovacího poměru vzduch – palivo. Pro měření hmotnosti vzduchu se používá keramická destička s vyhřívaným filmem. Snímač plnicího tlaku Snímač je spojen s plnicím potrubím a měří absolutní tlak v rozsahu 50 kPa až 300 kPa. Skládá se ze snímací části a vyhodnocovacího hybridního obvodu. 7.2.2 Řídicí jednotka Řídicí jednotka vyhodnocuje signály z vnějších snímačů, omezuje přípustnou úroveň napětí a řídí činnost akčních členů systému. Mikroprocesory v řídicí jednotce počítají ze vstupních dat a z uložených datových polí doby a okamžiky vstřiku. Tyto doby převádí na signály s časovým průběhem, které jsou přizpůsobeny činnosti motoru. Řídicí jednotka je umístěna v kovovém pouzdře. Snímače, akční členy a napájení jsou k řídicí jednotce připojeny vícepólovým konektorem. 7.2.3 Akční (ovládací) členy Vstřikovače Regulátor tlaku paliva Ovládací jednotka žhavení Elektropneumatické převodníky Ovládání škrticí klapky

7.3 Palivový systém vstřikování XPI pro motory Scania Vstřikování paliva bylo při posuzování provozní hospodárnosti a regulace emisí vždy klíčovým hlediskem. Společnost Scania vyvinula speciálně pro nové motory EGR nový systém vstřikování paliva, který se vymyká konvencím a stanovil nové standardy v oblasti výkonu a hospodárnosti. Důležité je, že systém XPI (mimořádně vysokotlaké vstřikování) byl navržen pro práci se systémem Scania EGR. Výsledkem je lepší hospodárnost spotřeby paliva, vyšší točivý moment, lepší jízdní vlastnosti, méně hluku a delší doba provozuschopnosti.

41

Obr. 16 Motor Scania se systémem XPI

7.3.1 Systém XPI Je to systém vstřikování paliva Common Rail, který funguje při značně vyšších než tradičních hodnotách vstřikovacího tlaku. Tento palivový systém obsahuje mechanický otevřený vstřikovač, elektroventily ovládané řídicí jednotkou EDC, přičemž pro šestiválcový motor se používají čtyři elektroventily. Dva časovací (počátek vstřiku), dva pro množství paliva a stopventil pro odstavení dodávky paliva při vypnutí motoru. Časování vstřikování je zcela nezávislé na poloze vačkového hřídele a tlak vstřikování lze nastavit bez ohledu na otáčky motoru. Maximální špičkový tlak systému XPI je 240 MPa. Ještě důležitější je, že maximální průměrný tlak dosahuje hodnot 180 MPa. Tyto jedinečné vlastnosti nabízí možnost tří přesně načasovaných a odměřených vstřiků paliva. Předstřik snižuje hlučnost spalování a také pomáhá snižovat emise. Hlavní vstřik zajišťuje účinné spalování přesně ve správný okamžik. A vstřik následující po vznícení stimuluje hoření částic uhlíku a může regulovat teplotu výfukových plynů.

42

Obr. 17 Palivový systém Scania XPI

7.3.2 Systém EGR a VGT Systém EGR (recirkulace výfukových plynů) slouží pro snížení škodlivých oxidů dusíku. Zásadní význam mají objem a teplota recirkulujících plynů, ovšem optimální podmínky se výrazně mění v souvislosti s provozními podmínkami a zatížením motoru. Chceme-li maximalizovat jízdní vlastnosti a provozní hospodárnost, musíme průběžně upravovat recirkulaci teplotně regulovaných plynů. Toho dosáhneme použitím systému VGT (proměnná geometrie turbodmychadla). Proudění recirkulačních plynů je mnohem proměnlivější, čímž obstarává další regulaci emisí. Zásadní důležitost má fakt, že regulace tlakového nárůstu a otáček turbíny probíhá nezávisle na otáčkách motoru. Díky této inovativní technologii regulace vzduchu nejsou součásti systému EGR Euro 5 komplikovanější jak Euro 4.

43

8

Závěr Tato práce pojednává o palivových systémech, které se používají u motorů

nákladních automobilů, které můžeme vidět a potkat na našich silnicích a dálnicích. 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, doplněných o elektronickou regulaci EDC, která zajišťuje seřizování velikosti dodávky paliva v takovém rozsahu a s takovou přesností, která je u mechanických regulátorů nedosažitelná. Palivové systémy se vstřikovacím čerpadlem s vysokotlakým rozdělovačem paliva se používají pro menší nákladní automobily do výkonu 150 KW. Dnes je v konstrukci palivových systémů nákladních automobilů nejvíce používán systém Common Rail, který umožňuje lepší využití provozní hospodárnosti motoru a regulace emisí výfukových plynů. Hlavní výhoda systému Common Rail spočívá ve velkých možnostech variability při vytváření vstřikovacího tlaku a časového okamžiku vstřiku. Toto je dosaženo oddělením vytváření vysokého tlaku (vysokotlaké čerpadlo) a vstřikování (vstřikovače). Jako zásobník tlaku přitom slouží Rail. Příkladem zdokonalení palivového systému Common Rail je systém XPI společnosti Scania. Je to systém vstřikování paliva, který funguje při značně vyšších než tradičních hodnotách vstřikovacího tlaku.

44

9

Seznam použité literatury

Ing. Antonín Dyk, Paliva a maziva pro automobily, SNTL, 1973

Doc. Ing. Jaromír Indra CSc., Palivové soustavy vozidlových vznětových motorů., SNTL, 1984,

Doc. Ing. Jaromír Indra CSc, Vstřikovací zařízení naftových motorů, SNTL, 1969

Ing. Julius Mackerle, Údržba vstřikovacích zařízení naftových motorů, SNTL, 1961

Bureš, Kubále, Novák, Papoušek, Traktory a automobily, SZN, 1974

Robert Bosch, Elektronické vstřikování vznětových motorů EDC 1.3.3, Odbytová s.r.o., 1998, Praha

Jan Z.-Ždánský B., Automobily 4 příslušenství, Avid s.r.o. Brno, 2000

Ing. Jaroslav Rauscher, CSc., Spalovací motory,

Robert Bosch, Systém vstřikování s tlakovým zásobníkem Common Rail pro vznětové motory, Odbytová s.r.o., 1998, Praha

Internetové zdroje www.scania.cz www.liaz.cz

45