MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2009
ANTONÍN SKŘIVÁNEK
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Palivové systémy vznětových motorů s přímým vstřikem Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Vypracoval: Antonín Skřivánek Brno 2009
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Palivové systémy vznětových motorů s přímým vstřikem vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MZLU v Brně.
dne………………………….. podpis ……………………….
Děkuji Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za odborné vedení a cenné rady při řešení bakalářské práce, které mi vždy ochotně poskytl.
ABSTRAKT Moje bakalářská práce se zabývá rozdělením palivových soustav vznětových motorů s přímým vstřikováním. Jsou zde popsány systémy, které se již do současných vozidel nepoužívají, ale stále vyskytují. Proti tomu je systém, který je dnes upřednostňován a stále vyvíjen tj. systém Common Rail. Převážně jsou popisovány systémy firmy Bosch. Dále jsou v bakalářské práci porovnány systémy s přímým a nepřímým vstřikováním a uvedeny výhody a nevýhody jednotlivých koncepcí.
Klíčová slova: motor, vznětové motory, common rail
ABSTRACT My bachelor thesis deals with the distribution of fuel systems of diesel engines with direct injection. Systems are described which are not used in existing vehicles already but still occur. Against this a system stands which is preferred now and is still being developed i.e. Common Rail system. Predominantly they are described systems of Bosch. Furthermore, the thesis compares systems with direct and indirect injection and are given the advantages and disadvantages of each approach.
Keywords: engine, diesel engines, common rail
OBSAH 1.
ÚVOD....................................................................................................................... 7
2.
CÍL PRÁCE .............................................................................................................. 8
3.
ROZDĚLENÍ PALIVOVÝCH SYSTÉMŮ ............................................................. 9 3.1
Rozdělení vznětových motorů podle způsobu vstřikování ............................... 9
3.2
Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem .................................. 11
3.2.1
Vstřikovací systémy EDC....................................................................... 15
3.2.2
Vstřikovače a vstřikovací trysky............................................................. 16
3.3
Palivová soustava motoru s rotačním vstřikovacím čerpadlem...................... 17
3.4
Rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pístem (VP 30)................................ 18
3.5
Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty (VP 44) ................................ 21
3.5.1
Odměřování paliva vysokotlakým magnetickým ventilem v rozdělovacím tělese................................................................................. 24
3.6
Sdružený vstřikovací systém - UPS (Unit Pump System).............................. 26
3.7
Sdružená vstřikovací jednotka - UIS (Unit Injektor System) ......................... 27
3.8
Common Rail.................................................................................................. 31
3.8.1
Zásobování palivem, nízkotlaká část ...................................................... 33
3.8.2
Vysokotlaká část ..................................................................................... 35
3.8.2.1
Vstřikovač s elektromagnetickým ventilem ....................................... 36
3.8.2.2
Piezoelektrický vstřikovač inline........................................................ 37
3.8.2.3
Výhody piezoelektrických vstřikovačů inline .................................... 39
3.8.3
Vysokotlaká čerpadla.............................................................................. 40
4.
ZÁVĚR ................................................................................................................... 42
5.
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .................................................................... 43
6.
SEZNAM OBRÁZKŮ............................................................................................ 44
1. ÚVOD Soudobý vývoj v oblasti techniky vznětových (naftových) motorů je určován zvyšováním točivého momentu příp. zvyšováním výkonu při současném snížení spotřeby paliva, emisí hluku a emisí škodlivin. Základním předpokladem pro tento úkol je, vedle použití metody přímého vstřikování, přeplňování a chlazení plnicího vzduchu, nasazení plně elektronických systémů řízení motoru, které umožňují přesné a diferencované utváření parametrů vstřikování. U metody přímého vstřikování jsou vstřikovací tlaky vzhledem k nepřímo vstřikovaným vznětovým motorům s vířivou komůrkou nebo předkomůrkou podstatně vyšší. Z důvodu lepšího tvoření směsi a chybějícím nadproudovým ztrátám mezi předkomůrkou nebo vířivou komůrkou a hlavním spalovacím prostorem se snížila spotřeba paliva motorů s přímým vstřikováním vzhledem k motorům s nepřímým vstřikováním o 10 až 15 %. Vysoké nároky na provozní komfort se projevují u požadavků pro dnešní naftové motory. Trvale rostoucí význam mají zejména emise hluku a škodlivin ve výfukových plynech. To vše vede k rostoucím požadavkům na vstřikovací systém a jeho řízení.
7
2. CÍL PRÁCE Cílem mé bakalářské práce je chronologicky popsat vývoj palivových systémů s přímým vstřikováním pro vznětové motory. Porovnat systémy s přímým a nepřímým vstřikováním.
8
3. ROZDĚLENÍ PALIVOVÝCH SYSTÉMŮ 3.1 Rozdělení vznětových motorů podle způsobu vstřikování Palivová soustava musí zajistit dodávku stejného množství paliva do všech válců ve stanoveném okamžiku a množství. Dodávka paliva musí odpovídat požadovanému průběhu točivého momentu motoru a její regulace musí být plynulá a snadná. Palivo musí být do válce dodávané s velkou přesností a v některých případech i v několika samostatných vstřicích. Pro dokonalé rozprášení se u motorů s přímým vstřikem používají vysoké tlaky (až 200 MPa). Na funkci palivové soustavy závisí průběh spalování ve válci a tedy i dosahované parametry a ekonomika práce motoru. Moderní vznětové vozidlové motory pracují při chodu naprázdno s mimořádně chudou směsí se součinitelem přebytku vzduchu λ = 3; 4 i více a při plném zatížení se součinitelem λ =1,3 - 2. Uvedená příprava směsi se nazývá vnitřní, protože k ní dochází uvnitř spalovacího prostoru. Spalovací prostory vznětového motoru můžeme rozdělit na dvě skupiny: - motory s přímým vstřikováním DI - motory s nepřímým vstřikováním (do komůrky v hlavě válce) IDI
Obr. 1 Spalovací prostory motorů s přímým vstřikem paliva 1) Hesselmann, 2) Man, 3) Saurer, 4) polokulový
V souvislosti se spalovacími prostory se vstřikování paliva u vznětových motorů dělí na nepřímé (u dělených prostorů zpravidla do komůrky) a na vstřikování přímé (do spalovacího prostoru vytvořeného v pístu).
9
Motory s přímým vstřikem mají jednoduchý a kompaktní spalovací prostor. Tvar spalovacího prostoru spolu s uspořádáním sacího kanálu napomáhá intenzivnímu víření vzduchu. Víření umožní rovnoměrný přístup vzdušného kyslíku k hořlavým složkám vstřikovaného paliva a napomůže k dokonalému spalování. Nejčastěji se používají spalovací prostory Hesselmann, Saurer, Man a polokulový. Poměr povrchu těchto spalovacích prostorů k jejich objemu je malý, a proto jsou také tepelné ztráty nízké. Píst je zpravidla chlazen nepřímo, což vede k menšímu odvodu tepla. Při nižších tepelných ztrátách se vzduch při kompresi snadno zahřeje na teplotu vyšší, než je zápalná teplota paliva. Tím dochází ke snadnému spouštění motoru i za nízkých teplot bez dalšího přídavného zařízení. Motory s přímým vstřikem se proti komůrkovým vyznačují nižší měrnou spotřebou paliva (210 - 245 g/kWh). Další výhodou je jednodušší konstrukce hlavy válců. (Bauer 2006)
Výhody motorů s přímým vstřikováním paliva DI -
nižší měrná spotřeba paliva 210 - 245 g/kWh,
-
jednodušší konstrukce hlavy válců,
-
snadnější spouštění za nižších teplot.
Nevýhody motorů s přímým vstřikováním paliva DI -
vyšší hlučnost a vibrace,
-
větší nároky na vstřikovací zařízení pro potřeby velmi jemného rozprášení paliva – vyšší vstřikovací tlaky,
-
víceotvorové vstřikovací trysky s malým průměrem vstřikovacích otvorů,
-
větší namáhání součástí především pístní skupiny,
-
vyšší požadavky na kvalitu a čistotu paliva.
Výhody motorů s nepřímým vstřikováním paliva IDI -
nižší kompresní tlaky – menší namáhání částí motoru,
-
menší nároky na vstřikovací zařízení.
Nevýhody motorů s nepřímým vstřikováním paliva IDI -
vyšší měrná spotřeba paliva 235 g/kWh,
-
složitější konstrukce hlavy válců u motorů s komůrkou,
-
obtížnější spouštění studeného motoru, nutno použití žhavících svíček. 10
Rozdělení palivových soustav: -
řadová vstřikovací čerpadla,
-
rotační vstřikovací čerpadla, - s axiálním pístem, - s radiálním pístem,
-
vstřikování se sdruženými vstřikovači UIS (PDE), UPS,
-
common rail.
3.2 Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem Nízkotlaká část palivové soustavy je tvořena nádrží, podávacím (dopravním) čerpadlem, čističem paliva a nízkotlakým potrubím. Palivo z nádrže nasává dopravní čerpadlo a vytlačuje je přes čistič do vstřikovacího čerpadla. Tlak za dopravním čerpadlem se pohybuje od 0,1 MPa do 0,2 MPa. Část paliva je vstříknuta do motoru a zbývající část jde přes přepouštěcí ventil potrubím zpět do nádrže. Tím je zajištěno chlazení čerpadla a zabrání se přehřátí a odpaření paliva ve vstřikovacím čerpadle. Vstřikovací čerpadlo dodává palivo vysokotlakým potrubím do vstřikovačů. Přes trysku umístěnou ve vstřikovací je palivo vstřikováno do spalovacího prostoru pod tlakem 15-120 MPa. Palivo, které se dostává vlivem netěsností trysky do horní části vstřikovače, se vrací zpětným (přepadovým) potrubím do nádrže. (Bauer 2006)
Dopravní (podávací) čerpadla Pro dopravu paliva se nejčastěji používá pístové čerpadlo poháněné mechanicky vačkou. Čerpadlo je nejčastěji umístěno na bloku vstřikovacího čerpadla. Bývají obyčejně na boku skříně vstřikovacího čerpadla. Pokud má vstřikovací čerpadlo vlastní pohon, pohání se dopravní čerpadlo jednou z vaček vačkového hřídele nebo zvláštním výstředným kotoučem, umístěným mezi vačkami. Má-li vstřikovací čerpadlo cizí pohon, pohání se podávací čerpadlo vačkovým hřídelem ventilového rozvodu nebo má vlastní pohon. Výtlak čerpadla je 100 kPa až 150 kPa.
11
Obr. 2 Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem 1 - dopravní čerpadlo, 2 - nádrž, 3 - čistič paliva, 4 - vstřikovací čerpadlo, 5 vstřikovače, 6 - přepadové potrubí, 7 - regulátor otáček
Jednočinné pístové čerpadlo Tato čerpadla bývají obvykle řešena tak, že s rostoucím protitlakem (vlivem zmenšení odběru paliva vstřikovacím čerpadlem) se zdvih pístu čerpadla zmenšuje, čímž se snižuje dávka paliva. Dosahuje se toho tím, že tlak ve výtlačném potrubí se přivádí i nad píst a pružina, která působí vlastní čerpací zdvih, se neuvolní do plného zdvihu.
Dvojčinné podávací čerpadlo Čerpadlo dodává palivo během jedné otáčky excentru 2x. Tím se dosahuje zvětšení výkonu, který je potřebný zejména u motorů s velkým vrtáním, případně počtem válců.
Ruční čerpadla Ruční čerpadlo má následující úkoly: -
naplnění sacího systému podávacího čerpadla před prvním uvedením do provozu
-
nové naplnění a odvzdušnění sací části při údržbě a opravách
-
nové naplnění a odvzdušnění po úplném vyprázdnění palivové nádrže.
Ruční čerpadlo je obvykle přímo součástí podávacího čerpadla, může být však také umístěno mezi palivovou nádrží a podávacím čerpadlem. (Jan 2000) 12
Čistič paliva Životnost vstřikovacího zařízení je značně závislá na dokonalém vyčištění paliva. Čističe jsou obvykle uspořádány v palivovém systému tak, že čím blíže k čerpadlu, případně trysce, tím je zařazen účinnější čistič. (Jan 2000) Čistič má za úkol zachytit nečistoty a vodu obsaženou v palivu. Palivo může obsahovat vodu ve vázané (emulze) nebo nevázané formě (kondenzační). Když se tato voda dostane do palivového systému, může dojít vlivem koroze k jeho poškození. Protože palivo přichází do styku s přesně opracovanými třecími plochami ve vstřikovacím čerpadle (píst a válec čerpadla jsou lapovány) a vstřikovacích tryskách, musí se zachytit také všechny pevné nečistoty až do rozměru 1 µm. Pevné nečistoty by na třecích plochách způsobily abrazivní opotřebení a vzrůst netěsností. Hrubé nečistoty a vodu zachycuje hrubý čistič (obr. 1.7). Pro zachycení drobných nečistot se používá nejčastěji jemný čistič s plstěnou, textilní nebo papírovou vložkou. U některých motorů se používá pouze jemný čistič s prostorem pro zachycení kondenzační vody. (Bauer 2006)
Vstřikovací čerpadla Řadová vstřikovací čerpadla mají pro každý válec motoru jeden element čerpadla. Ten se skládá z pístu a válce čerpadla. Píst je ve válci zvedán vačkou vačkového hřídele poháněného od motoru. Zpět se píst vrací působením pružiny. Elementy čerpadla jsou uspořádány v řadě. Zdvih pístu je konstantní. Pro změnu dodávku paliva slouží šikmá spodní řídicí hrana na pístu. Pootočením pístu, prostřednictvím posuvné regulační hřebenové tyče, se mění užitečný zdvih pístu a tedy i vstřikovaný objem paliva na jeden zdvih. Mezi vysokotlakým prostorem čerpadla a začátkem vysokotlakého vedení je umístěn výtlačný ventil. Ten určuje přesné ukončení vstřiku, zamezuje dostřiku u vstřikovací trysky a zajišťuje rovnoměrné pole charakteristik čerpadla. Velikost vstřikovacích tlaků dosahuje až 135 MPa. Řadová vstřikovací čerpadla se vyrábějí ve dvou modifikacích jako standardní a se zdvihovým šoupátkem. (Bauer 2006)
Standardní řadová vstřikovací čerpadla Počátek dodávky je určen sacím otvorem, který se uzavře horní hranou pístu. V pístu šikmo umístěná řídicí hrana uvolňující otvor sání, určuje vstřikovanou dávku.
13
Poloha regulační tyče je řízena mechanickým odstředivým regulátorem nebo elektrickým nastavovacím mechanismem.
Řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovými šoupátky Řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovými šoupátky se liší od běžných řadových vstřikovacích čerpadel se zdvihovým šoupátkem kluzně umístěným na pístu čerpadla, pomocí tohoto šoupátka lze měnit úvodní zdvih a tedy také počátek dodávky popř. vstřiku pomocí přídavného ovládacího hřídele. Pozice zdvihového šoupátka se nastavuje v závislosti na různých veličinách. Řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovými šoupátky mají na rozdíl od standardních řadových vstřikovacích čerpadel (Bosch PE) přídavné stupně volnosti.(Vlk 2002)
Přesuvník vstřiku Začátek vstřiku paliva před horní úvratí pístu motoru má základní vliv na rozložení i průběh spalovacího procesu. Ekonomický chod motoru vyžaduje, aby se s rostoucím počtem otáček zvětšoval i předstih vstřiku.
Ruční přesuvník vstřiku Tento přesuvník se používal u starších motorů. Sloužil zejména pro zmenšení předvstřiku při startu studeného motoru. Automatický přesuvník vstřiku Automatický přesuvník vstřiku pracuje na principu využití odstředivé síly a jeho činnost je tedy závislá na změně otáček. Těleso přesuvníku tvoří hnací část. Jsou na něm otočně na čepech uložena dvě odstředivá závaží. Jeden konec každého závaží je zatížen dvojicí tlačných pružin, druhým koncem se závaží prostřednictvím kladky opírá o zakřivenou dráhu na přestavovacím kotouči. Přestavovací kotouč je spojen s nábojem, který je uložen na vačkovém hřídeli vstřikovacího čerpadla a s přestavovací hlavou, která je uložena otočně v tělese přesuvníku.
Regulace dodávky paliva Úkolem každého regulátoru je omezení maximálních otáček motoru. Další funkce se liší podle jeho druhu.
14
Druhy regulátorů: -
výkonnostní - regulátor nastavuje při zvolených otáčkách sám a bez cizího zásahu potřebné množství paliva, které je podle odebíraného výkonu třeba k udržení požadovaných otáček. Je používán tam kde je potřebných konstantních otáček motoru.
-
omezovací - regulátor ovládá pouze volnoběžné a maximální otáčky, v oblasti mezi těmito otáčkami je regulátor neúčinný. U této regulace mění tedy obsluha množství vstřikovaného paliva, otáčky v daném rozsahu mimo činnost regulátoru si volí motor sám podle zatížení.
Kromě uvedených dvou základních způsobů regulace se můžeme setkat ještě s dalšími druhy, které jsou však určitou obdobou nebo kombinací obou předchozích: -
všerežimová regulace - je kombinací regulace výkonnostní a omezovací,
-
stupňová regulace je v zásadě regulace výkonnostní,
-
regulace pro agregáty.
3.2.1 Vstřikovací systémy EDC EDC – Electronic Diesel Control (elektronicky řízený proces vstřikování paliva) Tento systém řídí elektronicky pomocí řídící jednotky vstřikovací čerpadla. Potřebné vstupní informace o stavu motoru a požadavek řidiče získává řídící jednotka ze snímačů, které jsou umístěny na pohonné jednotce nebo na karoserii vozidla. Proces vstřikování paliva je řízen pomocí akčních členů. Druhy členů a jejich umístění je závislé na použitém systému vstřikování daného motoru.
Rozdělují se do dvou skupin: -
systém s řídící hranou: sem patří řadová vstřikovací čerpadla EDC a rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pístem EDC ( VE ),
-
systémy řízené elektromagnetickými ventily: do této skupiny patří rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty, systém „čerpadlo tryska“ (PDE) a Common rail .
15
Obr. 3 Blokové schéma systému EDC
3.2.2 Vstřikovače a vstřikovací trysky
Trysky Na trysky jsou kladeny vysoké nároky z hlediska tepelného, případně i mechanického namáhání. Tryska je vždy samostatná a je spojena s vlastním vstřikovačem takovým způsobem, který umožňuje po opotřebení její snadnou výměnu. Účel: -
vstřikování jednotlivých dávek paliva,
-
ovlivňování průběhu vstřiku,
-
utěsnění vysokotlakého potrubí vzhledem ke spalovacímu prostoru. Velikost vstřikovacího tlaku je u vznětových motorů značná, pohybuje se běžně
do 120 MPa, ale může být i vyšší. Při takových tlacích se už kapalina nechová jako nestlačitelná, ale projevuje se u ní určitá stlačitelnost. Během krátké doby dopravy paliva se vstřikovací systém "nafukuje". Průřez trysky přitom ovlivňuje množství 16
paliva, které přichází do spalovacího prostoru. Délka, průřez a tvar 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 podle toho, je-li tryska určena pro motor s nepřímým nebo přímým vstřikem.
Čepové trysky Čepové trysky se používají převážně pro motory s nepřímým vstřikem (komůrkové). Charakteristickým znakem čepových trysek je ovládání výstupního průřezu trysky, a tedy i velikosti protékajícího množství paliva v závislosti na zdvihu jehly. Na rozdíl od otvorové trysky, u níž se pootevření jehly průtočný průřez prudce zvětší, vykazují čepové trysky při malých zdvizích jehly jen malou změnu průtočného průřezu.
Otvorové trysky Pro motory s přímým vstřikem se používají trysky otvorové. U otvorových trysek se průměr jehly pohybuje mezi 4 mm až 6mm. Tryska má pod těsnícím kuželem otvor, do kterého ústí několik výstupních otvorů. (Jan 2000)
3.3 Palivová soustava motoru s rotačním vstřikovacím čerpadlem Pro dopravu paliva v nízkotlaké větvi jsou použita zpravidla dvě čerpadla. Jedno zubové s elektrickým pohonem a druhé lopatkové, které je součástí vstřikovacího čerpadla. Řízení práce motoru a vstřikovacího čerpadla zajišťují elektronické řídicí jednotky. Ostatní části nízkotlaké větve palivové soustavy jsou obdobné konstrukce jako u systémů s řadovým vstřikovacím čerpadlem. Na rozdíl od řadových mají rotační vstřikovací čerpadla pouze jeden výtlačný element pro všechny válce a pomocí rozdělovače je palivo rozdělováno k jednotlivým vstřikovačům. U současných vznětových motorů se používají dva typy rotačních vstřikovacích čerpadel s axiálním pístem a s radiálními písty. (Bauer 2006) Vstřikovací tlak je až 160 MPa. Díky vyššímu tlaku se daří splnit vyšší emisní limity a snížit spotřeba.
17
Obr. 4 Palivová soustava motoru s rotačním vstřikovacím čerpadlem 1 - nádrž, 2 - snímač hladiny paliva, 3 - odvzdušnění nádrže, - sací potrubí, 5 - hrubý čistič paliva s odlučovačem vody, 6- snímač vody v palivu, 7 - elektrické dopravní čerpadlo, - jemný čistič paliva, 9 - snímač tlaku paliva, 10 – přívod o vstřikovacího čerpadla, 11 - vstřikovací čerpadlo, 2 - elektronická jednotka čerpadla, 13 - vysokotlaké potrubí,
3.4 Rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pístem (VP 30) U rotačních vstřikovacích čerpadel s axiálním pístem dopravuje křídlaté lopatkové čerpadlo palivo do prostoru čerpadla. Centrálně umístěný rozdělovací píst, který je otáčen vačkovým kotoučem, vytváří tlak a rozděluje palivo k jednotlivým válcům. Během jedné otáčky hřídele pohonu dělá píst tolik zdvihů, kolika válcům motoru musí dodávat palivo. Vačky na spodní straně vačkového kotouče se odvalují po kladkách prstence kladek a způsobují u rozdělovacího pístu přídavně k točivému pohybu také zdvihový pohyb. U běžného rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálním pístem (Bosch VE) s mechanickým odstředivým regulátorem otáček nebo elektronicky regulovaným nastavovacím mechanismem určuje užitný zdvih regulační šoupátko, které takto
18
dávkuje vstřikovanou dávku. Počátek dodávky čerpadla lze přestavit pomocí prstence s kladkami (přesuvník vstřiku). U rotačních vstřikovacích čerpadel s axiálním pístem ovládaných elektromagnetickým ventilem dávkuje elektronicky řízený vysokotlaký elektromagnetický ventil vstřikovanou dávku místo regulačního šoupátka. Řídicí a regulační signály jsou zpracovány ve dvou elektronických řídicích jednotkách (řídicí jednotka čerpadla a motoru). Otáčky jsou regulovány vhodným nastavením akčních členů. Čerpadlo VP 30 optimálně splňuje následující požadavky: - malé emise škodlivin, - vysoká hospodárnost, - vysoký jízdní komfort.
Systém VP 30 je rozdělovači vstřikovací čerpadlo s axiálními písty řízenými vysokotlakými elektromagnetickými ventily s plně elektronickým řízením množství paliva a okamžiku vstřiku. Systému VP 30 má mj. snímač impulzů a snímač úhlu otáčení, vysokotlaký elektromagnetický ventil pro řízení vstřikované dávky paliva a pro odpojování paliva, elektromagnetický ventil přestavování začátku vstřiku pro okamžik vstřiku a pro dobu vstřiku a řídicí jednotka čerpadla. V tomto vstřikovacím čerpadlu je vytvářen vysoký tlak čerpadla až 90 MPa, čím se dosáhne vysoká energie rozprášení paliva na trysce a rychlá odezva řízení množství paliva pomocí rychlospínacího vysokotlakého elektromagnetického ventilu. Řídicí jednotka čerpadla je namontována na horní straně vstřikovacího čerpadla. Jednotka vypočítá z informací snímače úhlu otáčení a řídicí jednotky hnacího ústrojí (PCM) ovládací signály pro vysokotlaký elektromagnetický ventil a přestavení počátku vstřikování. Palivový systém nemůže být při jízdě prázdný. Řídicí jednotkou čerpadla řízený vysokotlaký elektromagnetický ventil určuje vstřikované množství a dobu vstřiku pro každé jednotlivé vstřikování. Vysokotlaký elektromagnetický ventil uzavírá ventilovou jehlou přes řídicí impuls od řídicí jednotky čerpadla v dolní úvrati kotoučové vačky vysokotlakého čerpadla. Okamžik uzavíraní ventilu určuje začátek dodávky vstřikovacího čerpadla. Elektronickým rozpoznáním okamžiku uzavírání dostává řídicí jednotka čerpadla přesnou informaci o začátku dodávky. Odměřování paliva se koná mezi začátkem dodávky a koncem řízené vysokotlakého elektromagnetického ventilu a označuje se jako doba dodávky a množství dodávky . (Vlk 2002) 19
Plnění Axiální píst koná zpětný pohyb. Vysokotlaký elektromagnetický ventil a tím předběžný kanál jsou otevřeny. Tlakem čerpadla a sacím účinkem axiálního pístu je palivo dodáváno do vysokotlakého prostoru. Čerpání Axiální píst koná dopředný pohyb, řídicí štěrbina je otevřena. V tomto okamžiku ještě není dopravováno palivo, protože vysokotlaký elektromagnetický ventil nebyl ještě ovládán řídicí jednotkou čerpadla (situace jako obrázek "C", pouze axiální píst se nedostal ještě tak daleko). V určitém okamžiku určeném řídicí jednotkou čerpadla se uzavře vysokotlaký elektromagnetický ventil a jehla ventilu uzavře předběžný kanál. Uzavřením jehly je definován okamžik, který se označuje jako začátek dodávky. Od tohoto okamžiku začíná nárůst tlaku uvnitř vysokotlakého systému. Konec dodávky paliva Axiální píst stále ještě koná dopředný pohyb, řídicí štěrbina je dále otevřena. V určitém okamžiku určeném řídicí jednotkou čerpadla se vysokotlaký elektromagnetický ventil opět otevře a jehla ventilu otevře předběžný kanál. Palivo stále ještě dopravované axiálním pístem může přes kanál zpětného toku uniknout do skříně čerpadla. K odstavení motoru je vytváření vysokého tlaku zcela přerušeno vysokotlakým magnetickým ventilem (vstřikované množství = 0), takže odpadá přídavný odstavný ventil (jaký je u mechanického rozdělovacího vstřikovacího čerpadla). (Vlk 2002)
Obr. 5 Princip vstřikovacího čerpadla s axiálním pístem 1- přesuvník vstřiku, 2 - prstenec s kladkami, - vačkový kotouč, 4 - píst, 5 - šoupátko, 6 - vysokotlaký prostor, 7 - přívod ke vstřikovací, 8 - kanálek v pístu, - užitečný zdvih pístu
20
Obr. 6 Komponenty rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálními písty VP 30 (Bosch) 1- křídlové podávači čerpadlo s ventilem pro regulaci tlaku, 2 - snímač úhlu otáčení, 3 - válečkový prstenec, 4 - řídicí jednotka čerpadla, 5 - konektor, 6 -axiální písty vysokotlakého čerpadla, 7 - vysokotlaký elektromagnetický ventil, 8 - výtlačný ventil, 9 elektromagnetický ventil přestavování začátku vstřiku, 10 - přesuvník vstřiku, 11kotoučová vačka, 12 - ozubený kotouč snímače úhlu otáčení
3.5 Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty (VP 44) U rotačních vstřikovacích čerpadel s radiálními písty (Bosch VR) dodává křídlové palivové čerpadlo palivo. Čerpadlo s radiálními písty s vačkovým kroužkem a dvěma až čtyřmi radiálními písty realizuje vytváření vysokého tlaku a dodávky paliva. Vysokotlaký elektromagnetický ventil dávkuje vstřikované množství. Počátek dodávky se přestavuje pootočením vačkového kroužku prostřednictvím přesuvníku vstřiku. Stejně jako u elektromagnetickým ventilem ovládaného čerpadla s axiálním pístem jsou také zde veškeré řídicí a regulační signály zpracovány ve dvou řídicích jednotkách (řídicí jednotka čerpadla a motoru). Otáčky jsou regulovány vhodným nastavením akčního členu.
21
Obr. 7 Princip činnosti rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty 1 - přesuvník vstřiku, 2 - kladka, 3 - vačkový prstenec, 4 - radiální píst, 5-elektromagnetický ventil, 6- vysokotlaký prostor rotačního rozváděče,7- přívod tlakového paliva ke vstřikovací trysce,8- řídicí drážka rotačního šoupátka
Systém VP44 se vyznačuje následujícími vlastnostmi: -
vysoká výkonnost daná kompaktní konstrukcí,
-
malá hmotnost,
-
vysoká dynamika řízení množství a začátku vstřiku,
-
vysoké tlaky paliva ve vstřikovacích tryskách.
Nejdůležitějšími složkami VP 44 jsou: křídlové čerpadlo, vysokotlaké čerpadlo s radiálními písty s rozdělovacím hřídelem a tlakovým ventilem, vysokotlaký elektromagnetický ventil, přesuvník vstřiku s magnetickým ventilem, snímač úhlu otáčení, řídicí jednotka čerpadla. Složení těchto složek do kompaktní jednotky dovoluje přesně vzájemně sladit společný účinek jednotlivých funkčních jednotek. V tomto vstřikovacím čerpadle se vytváří vysoký tlak čerpadla až 140 MPa a vstřikovací tlak až 160 MPa (podle varianty). Tímto způsobem je přesně dodrženo zadání a splněna požadovaná výkonová charakteristika. Palivový systém nemůže být při jízdě prázdný. Signálem od snímače v palivové nádrži způsobuje řídicí jednotka EEC V (Ford) při určitém zbytkovém množství paliva škubání motoru. Nadproudový škrticí ventil našroubovaný na skříň čerpadla slouží ke chlazení a odvětrávání rozdělovacího vstřikovacího čerpadla, přičemž palivo odtéká přes kuličkový ventil palivo k palivové nádrži. Uvnitř tělesa ventilu je umístěn pružinový kuličkový ventil, který nechá odtékat palivo z VP 44 teprve při dosažení určitého otevíracího tlaku. Ve vedlejším toku ke kuličkovému ventilu je navíc v tělese ventilu vrtání, které je spojeno s vratným tokem čerpadla přes malý škrticí otvor s velmi malým 22
průměrem. Toto škrcené spojení usnadňuje samočinné odvětrávání systému VP 44. Celý nízkotlaký oběh systému VP 44 je tak sladěn, že přes toto škrcení proudí definované množství paliva k palivové nádrži. Protože systém VP 44 může na straně čerpadla vytvářet velmi vysoký tlak paliva, není křídlové čerpadlo samotné schopno zaručit dostatečnou cirkulaci paliva přes rozdělovači vstřikovací čerpadlo, aby se toto příslušně ochlazovalo. Z toho důvodu je v přívodu paliva zabudováno dodatečné elektrické palivové čerpadlo, které podporuje křídlové čerpadlo. Ve vratném vedení mezi systémem VP 44 a palivovou nádrží je zabudován chladič paliva, který ochlazuje zahřáté palivo od vstřikovacího čerpadla, dříve než palivo dospěje zpět do palivové nádrže. Vysokotlaký elektromagnetický ventil pro odměřováni paliva je umístěn ve středí rozdělovacího tělesa. Ventil otevírá a uzavírá jehlou přívodní otvor mezi vysokotlakým čerpadlem s radiálními písty a přípojkou tlakového potrubí k vstřikovacímu čerpadlu. Konstrukce a funkce je podobná stejná jako u vysokotlakého elektromagnetického ventilu rozdělovacího vstřikovacího čerpadla VP30. Rozdíl spočívá v tom, že jehla ventilu vysokotlakého elektromagnetického ventilu vyčnívá dovnitř rozdělovacího hřídele a synchronně se sním otáčí. (Vlk 2002)
Obr. 8 Rotační vstřikovací čerpadlo s radiálními písty (různá provedení) 1 – vačkový prstenec, 2 – válečky, 3 – vodící drážka hnací hřídele, 4 – náhlavek válečku, 5 – radiální píst, 6 – rozdělovací / hnací hřídel. 7 – vysokotlaký prostor
23
3.5.1 Odměřování paliva vysokotlakým magnetickým ventilem v rozdělovacím tělese
Plnění - obr. 7 A Podávači písty vysokotlakého čerpadlo s radiálními písty se pohubuji směrem ven. Vysokotlaký elektromagnetický ventil a tím přítok jsou otevřeny; vysokotlaký prostor vysokotlakého čerpá s radiálními písty je plněn. Nadbytečné palivo odtéká vratným vedením paliva. Čerpání - obr. 7 B Podávacími písty je palivo stlačováno ve středu vysokotlakého čerpadla s radiálními písty, f dotyku válečků s vačkovou dráhou na prstenci se vysokotlaký elektromagnetický ventil uzavře a
jehla ventilu uzavře přívodní kanál. Palivo je
dodáváno výtlačným ventilem do vstřikoví trysky. Konec dodávky paliva - obr. 7 C Když bylo dosaženo potřebného vstřikovaného množství paliva, otevře se opět vysokotlaký elektromagnetický ventil signálem od řídicí jednotky čerpadla a jehla ventilu otevře přivodí kanál. V tomto okamžiku se pohybují radiální písty stále ještě ve směru do středu vysokotlaká čerpadla s radiálními písty. Palivo stále dopravované až do maximálního zdvihu vačky dospěje přes přívodní kanál do membránového prostoru. Vysoké tlakové špičky, které přitom působí na nízkotlaké straně vstřikovacího čerpadla, jsou tlumeny membránou zásobníku. Kromě toho akumulované množství paliva v membránovém prostoru podporuje plnění pro příští vstřikování. (Vlk 2002)
24
Obr. 9 Odměřování paliva vysokotlakým elektromagnetickým ventilem (Bosch/Ford) A - plnění, B - čerpání, C - konec dodávky paliva 1 - podávači píst, 2 - rozdělovači hřídel, 3 - vratný tok paliva, 4 - jehla ventilu, 5 cívka, 6 - přívodní kanál, 7 - vačkový kotouč, 8 - kanál ke vstřikovací trysce, 9 membránový prostor, 10 - membrána zásobníku
Pro odstavení motoru vyšle modul PCM signál „vstřikované množství = 0" do vstřikovacího čerpadla. Jehla vysokotlakého elektromagnetického ventilu tím již neuzavře přívodní kanál, nemůže nastat nárůst tlaku a motor zhasne. (Vlk 2002)
25
3.6 Sdružený vstřikovací systém - UPS (Unit Pump System) Nazývaný také systém čerpadlo - vedení - tryska pracuje na stejném principu jako systém čerpadlo - tryska (UIS). Na rozdíl od systému čerpadlo - tryska je těleso vstřikovače propojeno s jednotkou vstřikovacího čerpadla krátkým vysokotlakým potrubím. Také tento systém má jednu samostatnou vstřikovací jednotku pro každý válec motoru. Vstřikovací čerpadlo je namontováno na bloku motoru a je poháněno vačkou na vačkovém hřídeli rozvodu.
Obr. 10 Princip činnosti sdruženého vstřikovacího systému (UPS) 1 - tryska, 2 - těleso vstřikovače, 3 - vysokotlaké vedení, 4 - elektromagnetický vysokotlaký ventil, 5 - píst čerpadla, 6 - hnací vačka
Také u sdruženého vstřikovacího systému jsou doba a počátek vstřiku regulovány elektronicky, pomocí rychle spínaného vysokotlakého elektromagnetického ventilu. U starších konstrukcí traktorových motorů s uvedeným vstřikovacím systémem je jednotka vstřikovacího čerpadla stejné konstrukce jako u řadových čerpadel s regulací natáčením pístů pomocí regulační tyče ovládané regulátorem. Základní nastavení stejné dodávky paliva na všech válcích motoru se pak dosáhne pootočením válce každého čerpadla přímo na motoru. Rovnoměrnost dávkování paliva se kontroluje nepřímo měřením teploty spalin ve výfukových kanálech jednotlivých válců.(Bauer 2006)
26
3.7 Sdružená vstřikovací jednotka - UIS (Unit Injektor System) Je nazývána také jednotka čerpadlo - tryska. U tohoto systému jsou vstřikovací čerpadlo a tryska umístěny v jednom samostatném bloku. Pro každý válec motoru je v hlavě vestavěna jedna jednotka. Píst čerpadla je poháněn buď přímo přes zdvihátko, nebo nepřímo přes vahadlo od vačkového hřídele motoru. Vstřikovací vačka má strmý náběžný bok a plochý úběžný bok. Strmý náběžný bok způsobuje, že píst čerpadla je tlačen vysokou rychlostí dolů a tím rychle vznikne vysoký vstřikovací tlak. Plochý úběžný bok nechá píst čerpadla pomalu přejít zpět nahoru do výchozí polohy. Protože není použito žádné vysokotlaké potrubí a palivo je vedeno kanálky přímo k trysce, je možné dosáhnout vyššího vstřikovacího tlaku (až 205 MPa) než u řadových a rotačních vstřikovacích čerpadel. Vstřikované množství paliva je vypočteno řídicí jednotkou a realizováno otevřením a uzavřením vysokotlakého elektromagnetického ventilu. Pomocí vysokého vstřikovacího tlaku a elektronické regulace s polem charakteristik a dávek lze dosáhnout podstatného snížení emisí škodlivých látek vznětového motoru. (Bauer 2006) Palivo je dopravováno elektrickým palivovým čerpadlem (pokud je instalováno) a mechanickým palivovým čerpadlem z palivové nádrže přes čistič paliva do přívodu paliva k hlavě válců. V přívodním vedení paliva v hlavě válců je umístěn rozdělovač, který rozděluje palivo rovnoměrně na sdružené vstřikovače. Přes vratné vedení paliva v hlavě válců je palivo nepotřebné k vstřikování odváděno zpět do palivové nádrže. Čistič paliva chrání vstřikovací systém před znečištěním a opotřebení vlivem pevných částic a vody. Zpětný ventil zamezuje, aby u zastaveného motoru proudilo z palivového čerpadla zpět do palivové nádrže (otevírací tlak 20 kPa). Mechanické palivové čerpadlo dopravuje palivo z palivové nádrže k jednotkám čerpadlo-tryska. Škrticími otvory jsou odlučovány parní bubliny, které se vykytují v přívodu paliva, do zpětného toku paliva. Palivo, které proudí přes zpětný tok paliva do palivové nádrže je zahřáté. Aby se zabránilo poškození palivového systému je palivo ochlazováno. Snímač teploty paliva ve zpětném toku paliva dává signál o teplotě paliva řídicí jednotce hnacího ústrojí (PCM). (Vlk 2002)
27
Obr. 11 Palivový systém u vystřikování se sdruženými vstřikovací (Bosch/Ford) 1 - chladič paliva, 2 - snímač teploty paliva ve zpětném toku paliva, 3 - omezovači tlakový ventil ve zpětném toku paliva, 4 - obtok se škrticím otvorem, 5 - rozdělovač (tlakový zásobník) paliva, 6 - hlava válců, 7 - sdružený vstřikovač, 8 - škrticí otvor od přívodu paliva k zpětnému toku paliva, 9 - síto, 10 - omezovači tlakový ventil v přívodu paliva, 11- mechanické palivové čerpadlo, 12 - zpětný ventil, 13 - čistič paliva, 14 elektrické palivové čerpadlo, 15 - palivová nádrž
Sdružený vstřikovač je umístěn přímo v hlavě válců. Sdružený vstřikovač slučuje do jednoho dílu: -
vstřikovací čerpadlo,
-
řídicí jednotku,
-
vstřikovací trysku.
28
Obr. 12 Sdružený vstřikovač (Bosch/Ford) 1 - tlačná tyčka, 2 - píst čerpadla, 3 - pružina pístu, 4 - jehla ventilu, 5 elektromagnetický ventil, 6 - zpětný tok paliva, 7 - vyrovnávací píst, 8 - přívod paliva, 9 - pružina vstřikovací trysky, 10 - tlumení jehly trysky, 11 - jehla vstřikovací trysky, 12 hlava válců, 13 - izolační těsnění, 14 - O-kroužek, 15 - vysokotlaký prostor, 16 vstřikovací vačka, 17 - vahadlo s kladkou
Vstřikovací systém čerpadlo-tryska pracuje s předvstřikováním. Toto předběžné vstřikování však neřídí řídicí jednotka motoru nýbrž funguje čistě mechanickohydraulicky přes tlumicí jednotku v sdruženém vstřikovací.
Obr. 13 Průběh vstřikování sdruženého vstřikovače - vstřikovací tlak, t - doba vstřikování, 1- předvstřik, 2- přestávka vstřikování, 3- hlavní vstřikování
29
Klidová poloha (A) U předvstřikování je zdvih jehly trysky tlumen mechanicko-hydraulickou tlumicí jednotkou (hydraulický polštář). Princip vstřikování znázorněný na Obr. 14 Řízení průběhu vstřikování sdruženého vstřikovače (Bosch/Ford) Jehla trysky a vyrovnávací píst jsou v sedle. Píst čerpadla koná pohyb dolů. Elektromagnetický ventil (na obrázku neznázorněn) je otevřen, čím nemůže dojít k nárůstu tlaku. Začátek předvstřikování (B) Nárůst tlaku začíná, jakmile elektromagnetický ventil uzavírá. Předvstřikování začíná, jakmile je dosažen otevírací tlak trysky a zvedne se jehla trysky. Zdvih jehly trysky je přitom omezen hydraulickým polštářem, který vzniká, jestliže se tlumicí píst ponoří do otvoru tělesa trysky. Palivo může být nyní tlačena nad tlumicí píst pouze přes štěrbinu v prostoru pružiny trysky, čím se omezuje zdvih jehly trysky. Nadbytečné palivo v prostoru pružiny trysky je tlumicím pístem tlačeno do přívodu paliva. Konec předvstřikování (C) Při pohybu pístu čerpadla dolů opět vzrůstá tlak a vyrovnávací píst se nazvedne ze sedla. Tím se zvětší objem vysokotlakého prostoru. Vzniklý pokles tlaku a současné zvýšení předpětí pružiny trysky způsobí, že jehla trysky uzavírá a tím se ukončí předvstřikování. Při pohybu vyrovnávacího pístu dolů se pružina trysky silněji předepne. K novému otevření jehly trysky u následného hlavního vstřikování je proto zapotřebí větší síla než u předběžného vstřikování. Začátek hlavního vstřikování (D) Z důvodu pokračujícího pohybu pístu čerpadla dolů se dále zvětšuje tlak ve vysokotlakém prostoru. Při dosažení nyní zvýšeného otevírací tlaku na jehle trysky začíná hlavní vstřikování. Přitom se tlumicí píst úplně ponoří do štěrbiny, čímž zdvih jehly trysky dosáhne dráhu potřebnou pro hlavní vstřikování. Při otevření elektromagnetického ventilu končí perioda hlavního vstřikování. Jehla trysky a vyrovnávací píst se vracejí zpět do výchozí polohy.(Vlk 2002)
30
Obr. 14 Řízení průběhu vstřikování sdruženého vstřikovače (Bosch/Ford) A - klidová poloha, B - začátek předvstřikování, C - konec předvstřikování, D - hlavní vstřikování, 1 - píst čerpadla, 2 - jehla vstřikovací trysky, 3 - vyrovnávací píst, 4 přívod paliva, 5 - prostor pružiny vstřikovací trysky, 6 - hydraulický polštář, 7 - tlumicí píst, 8 - štěrbina, 9 - těleso vstřikovací trysky, 10 - vysokotlaký prostor, 11 - pružina vstřikovací trysky
3.8 Common Rail Jedním z vysoce vyvíjených vstřikovacích systémů je vstřikovací systém se zásobníkem Common Rail (CR). Hlavní výhoda systému Common Rail spočívá ve velkých možnostech variability při vytváření vstřikovacího tlaku a časového okamžiku vstřiku. Toho je dosaženo oddělením vytváření vysokého tlaku (vysokotlaké čerpadlo) a vstřikování (vstřikovače). Jako zásobník tlaku přitom slouží „Rail". (Vlk 2002)
31
Obr. 15 Vysokotlaká část Common Rail Delphi
Tab. 1. Přehled systémů Common Rail
Generace CR
Max. tlak ( MPa )
Vstřikovač
1. 2. 3. 4.
135-145 160 180 200-250
Vstřikovač s elektro-magn. ventilem Vstřikovač s elektro-magn. ventilem Piezoelektrický vstřikovač Inline Vstřikovač s hydraulickým posilovačem
Firma Delphi používá vstřikovací systémy s tlakem až 300 MPa. Oddělené vytváření tlaku a vstřikování je umožněno existencí určitého objemu paliva v zásobníku. Palivo je v prostoru zásobníku „Common Rail" pod tlakem a je připraveno ke vstřikování. Nepřetržitě pracující vysokotlaké čerpadlo poháněné motorem vytváří požadovaný vstřikovací tlak. Tlak v Railu je udržován čerpadlem nezávisle na otáčkách motoru a vstřikovaném množství. Díky téměř stejnoměrné dodávce může mít vysokotlaké čerpadlo výrazně menší rozměry a vyžadovat menší potřebný špičkový hnací moment než je tomu u konvenčních vstřikovacích systémů. Důsledkem toho je také významné odlehčení pohonu čerpadla. (Vlk 2002)
32
3.8.1 Zásobování palivem, nízkotlaká část
Úkolem systému zásobování palivem je akumulovat a filtrovat palivo a pod určitým podávacím tlakem ho za všech provozních podmínek dodávat do vstřikovacího systému. U některých aplikací je použito přídavné chlazení paliva ve zpětném palivovém potrubí. Na zásobování palivem se podílí především následující komponenty: • palivová nádrž, • předřadný filtr, • chladič řídicí jednotky (zvláštní výbava), • podávači čerpadlo (zvláštní výbava, u osobních vozidel také čerpadlo typu Intank), • palivový filtr, • palivové čerpadlo (nízkotlaká část), • regulační tlakový ventil (přepouštěcí ventil), • chladič paliva (zvláštní výbava), • nízkotlaká palivová vedení.
Obr. 16 Palivová soustava vstřikovacího zařízení se systémem Common Rail 1 Palivová nádrž, 2 Předřadný filtr, 3 Podávači čerpadlo, 4 Palivový filtr, 5 Nízkotlaká palivová potrubí, 6 Vysokotlaké čerpadlo, 7 Vysokotlaká palivová potrubí, 8 33
Vysokotlaký zásobník (Rail), 9 Vstřikovač, 10 Zpětné palivové potrubí, 11 Snímač teploty paliva, 12 Řídící jednotka, 13 Kolíková žhavicí svíčka
Požadavky na elektrická palivová čerpadla Pro předdodávku paliva se u systémů Common Rail osobních vozů stále více používají elektrická palivová čerpadla (EKP). Elektrické palivové čerpadlo má většinou provedení Intank (vestavěno v palivové nádrži) nebo provedení Inline (vestavěno v palivovém potrubí v přívodu k vysokotlakému čerpadlu). Elektrická palivová čerpadla mají oproti dříve používaným podávacím čerpadlům s mechanickým pohonem značné výhody související s jejich vlastnostmi při startování za tepla, prvním spouštění a opakovaném spouštění a rovněž funkční přednosti při nižších teplotách paliva. Elektrická palivová čerpadla pro použití u vznětových motorů se liší od čerpadel pro zážehové motory tím, že namísto proudových elementů čerpadla se u nich používají objemové elementy a sací sítko s hrubými oky. U systémů Bosch se jedná o element válečkového lamelového čerpadla. Tento systém je zvlášť robustní a odolný proti znečištění a je vhodný zejména pro palivo pro vznětové motory, protože přes hrubé sítko lze nasávat parafin vyloučený při chladu, ale také nedochází k poškození elementu čerpadla v důsledku vysokého znečištění paliva. Čerpadlo provedení Intank je Integrováno do jednotky vestavěné v nádrži. Dalšími konstrukčními prvky této jednotky je snímač množství paliva v nádrži, palivové sítko na sací straně, vypouštěcí pojistný ventil a spirálová nádoba jako zásobník paliva. Narozdíl od systémů pro zážehové motory musí být palivový filtr umístěn vně nádrže, protože slouží také k odlučování vody z paliva a musí tudíž umožňovat výměnu filtru. (Landhäußer 2005)
Palivový filtr Jednou z úloh palivového filtruje snížení znečištění paliva pevnými částicemi. Tím jsou chráněny komponenty vstřikovacího systému vystavené opotřebení. Vstřikovací systém vyžaduje určitou jemnost palivového filtru. Kromě zajištění ochrany proti opotřebení musí palivové filtry vykazovat také dostatečnou kapacitu pro ukládání pevných částic, jinak může dojít k ucpání ještě před intervalem výměny. Pro nové systémy je podle použití (provozní podmínky, stupeň znečištění paliva, životnost motoru) nutný stupeň účinnosti odlučování mezi 65 a 98,6 % (velikost pevných částic 3 až 5 µm. (Landhäußer 2005) 34
Odlučování vody Druhou funkcí palivového filtru pro vznětové motory je odlučování emulgované a volné vody z paliva, aby se zabránilo poškození korozí. Účinné odlučování vody vyšší než 93 % při maximálním průtoku (ISO 4020:2001) je důležité zvláště u rotačních vstřikovacích čerpadel a systému Common Rail. (Landhäußer 2005) Palivová potrubí Pro nízkotlakou část mohou být kromě kovových trubek použita také pružná vedení se ztíženou hořlavostí opatřená oplétanou kovovou výztuží. Musí být provedena tak, aby bylo zabráněno mechanickému poškození a aby se odkapávající nebo vypařující se palivo nemohlo shromažďovat ani vznítit. Palivová potrubí nesmí být ve své funkci ovlivňována zkroucením vozidla, pohybem motoru nebo podobnými vlivy. Všechny díly, které slouží k vedení paliva musí být chráněny proti teplu narušujícímu provoz. U autobusů nesmí být palivová potrubí umístěna v prostoru řidiče a cestujících. Palivo nesmí být dopravováno samospádem. (Landhäußer 2005)
3.8.2 Vysokotlaká část Vysokotlaká část systému Common Rail se dělí na tři oblasti: vytváření tlaku, udržování tlaku a odměřování paliva. Vysokotlaké čerpadlo přebírá úlohu vytváření tlaku. Udržování tlaku se provádí v zásobníku Rail, na němž jsou upevněny snímač tlaku Rail a tlakový regulační ventil resp. tlakový omezovači ventil. Vstřikování správného množství paliva ve správnou dobu zajišťují vstřikovače. Vysokotlaká vedení paliva propojují jednotlivé části okruhu. U vstřikovacího systému Common Rail pro vznětové motory jsou vstřikovače připojeny k vysokotlakému zásobníku Rail krátkými vysokotlakými palivovými potrubími. Těsnění vstřikovačů u spalovacího prostoru je provedeno pomocí měděné těsnicí podložky. Vstřikovače jsou pomocí upínacích prvků upevněny k hlavě válců. Vstřikovače Common Rail jsou podle provedení vstřikovacích trysek vhodné pro přímou nebo šikmou vestavbu do vznětových motorů s přímým vstřikem. V současné době jsou sériově používány tři typy vstřikovačů: • vstřikovač s elektromagnetickým ventilem s jednodílnou kotvou, • vstřikovač s elektromagnetickým ventilem s dvojdílnou kotvou, • vstřikovač s piezoelektrickým členem. (Landhäußer 2005).
35
3.8.2.1 Vstřikovač s elektromagnetickým ventilem Vstřikovač je uzavřen (klidový stav) V
klidovém
stavu
není
vstřikovač
aktivován
obr.
l5a.
Pružina
elektromagnetického ventilu (11) přitlačí kuličku ventilu (5) do sedla škrcení na odpadu (12). V řídicím prostoru ventilu se vytvoří vysoký tlak Railu. Tentýž tlak začne působit také v objemu komory (9) trysky. Síly působící v důsledku tlaku Railu na čelní plochu řídicího pístu (15) a síla pružiny trysky (7) drží jehlu trysky uzavřenou, a to proti síle vyvolávající otevření, která působí na tlačné mezikruží (8).
Obr. 17 Vstřikovač s elektromagnetickým ventilem (princip činnosti) a Klidový stav, b Vstřikovač se otvírá, c Vstřikovač se zavírá 1 Zpětné palivové potrubí, 2 Cívka elektromagnetu, 3 Pružina přeběhu, 4 Kotva, 5 Kulička ventilu, 6 Řídicí prostor ventilu, 7 Pružina trysky, 8 Tlačné mezikruží jehly trysky, 9 Objem komory, 10 Vstřikovací otvor, 11 Pružina elmg. ventilu, 12 Škrcení na odpadu, 13 Vysokotlaká přípojka, 14 Škrcení na přívodu, 15 Píst ventilu (řídicí píst), 16 Jehla trysky
36
Vstřikovač je zcela otevřen Rychlost otvírání jehly trysky je dána rozdílem průtoku mezi škrcením na přívodu a škrcením na odpadu. Řídicí píst dosáhne své horní koncové polohy a zastaví se na polštáři z paliva (hydraulický doraz). Polštář vzniká v důsledku proudění paliva, k němuž dochází mezi škrcením na přívodu a škrcením na odpadu. Tryska vstřikovače je nyní zcela otevřena. Palivo vystři-kuje do spalovacího prostoru pod tlakem, který téměř odpovídá tlaku v Railu. Rozdělování paliva ve vstřikovací je podobné rozdělování paliva během fáze otvírání. Vystříknuté množství pálívaje při daném tlaku úměrné době zapnutí elektromagnetického ventilu a nezávislé na otáčkách motoru nebo čerpadla (časově řízené vstřikování).
Vstřikovač se zavírá (konec vstřiku) Při neaktivovaném elektromagnetickém ventilu dotlačuje ventilová pružina kotvu dolů, kulička ventilu poté uzavře škrcení na odpadu (obr. l5c). V důsledku uzavření škrcení na odpadu se v řídicím prostoru v důsledku přítoku ze škrcení na přívodu opět vytvoří tlak stejný jako v zásobníku Rail. Tento zvýšený tlak vyvolává zvýšenou sílu na řídicí píst. Tato síla z řídicího prostoru ventilu a síla pružiny trysky nyní překročí sílu na jehle trysky a jehla trysky se uzavře. Průtok škrcením na přívodu určuje rychlost zavírání jehly trysky. Vstřikování končí, když jehla trysky opět dosáhne sedla tělesa trysky a tím uzavře vstřikovací otvory. (Landhäußer 2005)
3.8.2.2 Piezoelektrický vstřikovač inline Vstřikovací systém nabízí možnost realizovat velmi krátké intervaly mezi vstřiky („hydraulická nula"). Díky počtu a vybavení dávkování paliva lze realizovat až pět vstřiků najeden vstřikovací cyklus a tím přizpůsobit požadavkům na pracovní body motoru. Díky úzké vazbě servoventilu (5) s jehlou trysky je dosaženo bezprostřední reakce jehly na aktivaci akčního členu. Doba prodlevy mezi počátkem elektrické aktivace a hydraulickou reakcí jehly trysky činí přibližně 150 mikrosekund. V důsledku toho mohou být splněny protichůdné požadavky na vysokou rychlost jehly a současnou realizaci co nejmenších reprodukovatelných vstřikovaných množství. (Landhäußer 2005) 37
Obr. 18 Konstrukční provedení piezoelektrického vstřikovače 1 Zpětné palivové potrubí, 2 Vysokotlaká přípojka, 3 Piezoelektrický regulační modul, 4 Hydraulický vazební člen (převodník), 5 Servoventil (řídicí ventil), 6 Modul trysky s jehlou trysky, 7 Vstřikovací otvor
Funkce servoventilu 3/2 ve vstřikovací CR Jehla trysky piezoelektrického inline vstřikovače je nepřímo aktivována prostřednictvím servoventilu. Potřebné vstřikované množství je regulováno dobou aktivace ventilu. V neaktivovaném stavu se akční člen nachází ve výchozí poloze se zavřeným servoventilem. To znamená, že vysokotlaká oblast je oddělena od nízkotlaké oblasti. Tryska je udržována v uzavřeném stavu tlakem Railu v řídicím prostoru (3). Aktivací piezoelektrického akčního členu se otevře servoventil a uzavře otvor obtoku . V důsledku rozdílu průtoku mezi škrcením na výstupu (2) a škrcením na přívodu (4) tlak v řídicím prostoru poklesne a tryska (5) se otevře. S tím spojený řídicí objem odtéká přes servoventil do nízkotlaké části okruhu.
38
Aby se zahájilo zavírání, vybije se akční člen a servoventil opět uvolní obtok. Prostřednictvím škrcení na přívodu a výstupu v opačném směru se nyní řídicí prostor znovu naplní a tlak v řídicím prostoru se zvýší. Jakmile je dosažena požadovaná úroveň tlaku, začne se pohybovat jehla trysky a ukončí se cyklus vstřikování.
Funkce hydraulického vazebního členu Dalším důležitým konstrukčním prvkem piezoelektrického vstřikovače inline je hydraulický vazební člen, který musí provádět následující funkce: -
převod a zesilování zdvihu akčního členu,
-
kompenzace případné vůle (např. v důsledku tepelné roztažnosti) mezi akčním členem a servoventilem.
Funkce Fail-Safe (samočinné bezpečnostní vypnutí vstřikování v případě závady v důsledku ztráty elektrického kontaktu) (Landhäußer 2005) Aktivace piezoelektrického vstřikovače inline v systému Common Rail Aktivace vstřikovače se provádí pomocí řídicí jednotky motoru, jejíž koncový stupeň je navržen speciálně pro tyto vstřikovače. V závislosti na tlaku v Railu pro nastavitelný pracovní bod je stanoveno předepsané aktivační napětí. Napájení pracuje ve formě pulsů, tak dlouho, až se dosáhne minimální odchylky mezi předepsaným a regulačním napětím. Vzestup napětí je úměrný zdvihu piezoelektrického akčního členu. Pomoci hydraulického převodníku vyvolává zdvih akčního členu zvýšení tlaku ve vazebním členu, až dojde k porušení rovnováhy na spínacím ventilu a ventil se otevře. Jakmile spínací ventil dosáhne své koncové polohy, začne tlak v řídicím prostoru nad jehlou klesat a vstřik bude dokončován. (Landhäußer 2005)
3.8.2.3 Výhody piezoelektrických vstřikovačů inline -
několikanásobný vstřik s pružným počátkem vstřiku a prodlevami mezi jednotlivými vstřiky,
-
velmi malé vstřikované množství při předvstřiku,
-
malé konstrukční rozměry a nízká hmotnost vstřikovače (270 g oproti 490 g),
-
nízká hlučnost (-3 dB [A]),
-
nižší spotřeba paliva (-3 %),
-
nižší emise (-20%),
-
zvýšení výkonu motoru (+ 7 %).
39
Obr. 19 Srovnání piezoelektrického vstřikovače s konvenčním servo-hydraulickám Delphi
3.8.3 Vysokotlaká čerpadla Vysokotlaké čerpadlo tvoří rozhraní mezi nízkotlakou a vysokotlakou částí okruhu. Jeho úkolem je dodávat dostatek paliva pod tlakem do všech provozních oblastí po celou dobu životnosti vozidla. Obsahuje rezervu paliva, která je nutná pro rychlejší nastartování a pro rychlý nárůst tlaku v zásobníku Rail. Vysokotlaké čerpadlo vytváří trvale, nezávisle na vstřikování, systémový tlak pro vysokotlaký zásobník (Rail). Palivo proto nemusí být - na rozdíl od běžných vstřikovacích systémů - v průběhu vstřikování stlačováno. Jako vysokotlaké čerpadlo pro vytvoření tlaku slouží u systémů pro osobní vozidla 3pístové radiální čerpadlo. U nákladních vozidel se používají také 2pístová řadová čerpadla. Vysokotlaké čerpadlo je přednostně montováno na témž místě vznětového motoru jako běžná rotační vstřikovací čerpadla. Je poháněno motorem přes spojku, ozubené kolo, řetěz nebo ozubený řemen. Otáčky čerpadla jsou takto vázány pevným převodovým poměrem k otáčkám motoru. Výkon potřebný na pohon čerpadla Točivý moment u systémů osobních vozidel dosahuje jen 16 Nm, což je jen 1/9 hnacího momentu potřebného u rotačního palivového čerpadla. Systém Common Rail tak klade nižší požadavky na pohon čerpadla než je tomu u konvenčních vstřikovacích systémů. Výkon potřebný k pohonu čerpadla roste úměrně s tlakem nastaveným v Railu 40
a s otáčkami čerpadla (dodávaným množstvím). U 2litrového motoru odebírá vysokotlaké čerpadlo při jmenovitých otáčkách a tlaku 135 MPa v Railu (při mechanické účinnosti cca 90%) výkon 3,8 kW. Vyšší potřebný příkon systémů Common Rail oproti konvenčním vstřikovacím systémům má svou příčinu v uniklém a řídicím množství ve vstřikovací a - u vysokotlakého čerpadla CPI - v redukci tlaku na požadovaný systémový tlak pomocí regulačního tlakového ventilu. (Landhäußer 2005)
Obr. 20 Vysokotlaké čerpadlo Bosch Common Rail CP1 1 Hnací hřídel, 2 Výstředník, 3 Element čerpadla s pístem čerpadla, 4 Sací ventil (vstupní ventil), 5 Výstupní ventil, 6 Přívod paliva
Vysokotlaká radiální pístová čerpadla používaná u osobních vozidel j sou mazána palivem. U nákladních vozidel se používají radiální pístová čerpadla mazaná palivem nebo olejem, ale také 2pístová řadová čerpadla. Čerpadla mazaná olejem mají lepší odolnost proti horší kvalitě paliva. U osobních a nákladních vozidel se používají vysokotlaká čerpadla různých provedení. Mezi generacemi čerpadel jsou provedení s rozdílným dopravním výkonem a dopravním tlakem. (Landhäußer 2005)
41
4. ZÁVĚR Požadavky na nižší spotřebu paliva, malý obsah škodlivých látek ve spalinách a na tišší chod motoru kladou vysoké nároky na motor a vstřikovací soustavu. Tyto požadavky mohou splnit jen vstřikovací systémy, které jsou schopny zajistit vysoký vstřikovací tlak nutný pro jemné rozprášení paliva v trysce, velmi přesné dávkování vstřikovaného množství, přesný průběh vstřikování a rovněž pilotní vstřiky a následné vstřiky. Systém, který tyto požadavky splňuje, je zásobníkový systém Common Rail. Na rozdíl od ostatních vstřikovacích systémů je palivo ve vysokotlakém zásobníku stále připraveno ke vstřikování. Systém Common Rail je v současné době nejvíce používaným vstřikovacím systémem pro moderní rychloběžné vznětové motory pro osobní vozy.
42
5. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1. BAUER, František, SEDLÁK, Pavel, ŠMERDA, Tomáš, Traktory, 1. vyd. Praha Profi press 2006. 191 s. ISBN 80-86726-15-0
2. JAN, Zdeněk, ŽDÁNSKÝ, Bronislav, Automobily 3 motory, 1. vyd. Brno Avid 2000. 165 s.
3. VLK, František, Elektronické systémy motorových vozidel, 1. vyd. Brno František Vlk 2002. 299 s. ISBN 80-238-7282-6
4. JAN, Z. -- ŽDÁNSKÝ, B. Automobily : Příslušenství. 1. vyd. Brno: Nakladatelství Avid, s.r.o., 2000. 223 s.
5. LANDHÄUßER, Felix, Systém vstřikování s tlakovým zásobníkem Common Rail pro vznětové motory, 1. vyd. Robert Bosch GmbH 2005, 95 s. ISBN 80-903132-7-2
6. http://delphi.com/shared/pdf/ppd/pwrtrn/dsl_direct_adcrs.pdf
7. http://www.bosch.cz/press/
8. http://aa.bosch.cz/Casopis-Formule-Bosch/Casopis-Formule-Bosch.html
9. MOTEJL, Vladimír, HOREJŠ, Karel. Učebnice pro řidiče a opraváře automobilů. 1. vyd. Litera, 1998. 504 s., ISBN 80-85763-00-1.
10. MOTEJL, Vladimír. Vstřikovací zařízení vznětových motorů. 1. vyd. České Budějovice: Kopp, 2001. 181 s. ISBN 80-7232-142-0.
43
6. SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Spalovací prostory motorů s přímým vstřikem paliva Obr. 2 Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem Obr. 3 Blokové schéma systému EDC Obr. 4 Palivová soustava motoru s rotačním vstřikovacím čerpadlem Obr. 5 Princip vstřikovacího čerpadla s axiálním pístem Obr. 6 Komponenty rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálními písty VP 30 (Bosch) Obr. 7 Princip činnosti rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty Obr. 8 Rotační vstřikovací čerpadlo s radiálními písty (různá provedení) Obr. 9 Odměřování paliva vysokotlakým elektromagnetickým ventilem (Bosch/Ford) Obr. 10 Princip činnosti sdruženého vstřikovacího systému (UPS) Obr. 11 Palivový systém u vystřikování se sdruženými vstřikovací (Bosch/Ford) Obr. 12 Sdružený vstřikovač (Bosch/Ford) Obr. 13 Průběh vstřikování sdruženého vstřikovače - vstřikovací tlak, Obr. 14 Řízení průběhu vstřikování sdruženého vstřikovače (Bosch/Ford) Obr. 15 Vysokotlaká část Common Rail Delphi Obr. 16 Palivová soustava vstřikovacího zařízení se systémem Common Rail Obr. 17 Vstřikovač s elektromagnetickým ventilem (princip činnosti) Obr. 18 Konstrukční provedení piezoelektrického vstřikovače Obr. 19 Srovnání piezoelektrického vstřikovače s konvenčním servo-hydraulickám Obr. 20 Vysokotlaké čerpadlo Bosch Common Rail CP1
44
