Vstrekovanie paliva (zážihový motor)

dýza

Vstrekovanie paliva je spôsob prípravy zmesi zážihového spaľovacieho motora spaľujúceho homogénnu zmes pripravenú z ľahkoodpariteľných kvapalných palív a vzduchu. Palivo pod tlakom (0,2 až 1 MPa pri nepriamom vstreku) prechádza cez dýzu s malým priemerom, následkom čoho dôjde k jeho rozprášeniu na drobné čiastočky a rýchlemu odparovaniu. Alternatívnym spôsobom prípravy zmesi pre zážihový motor je využitie karburátora. Tento spôsob dominoval zážihovým motorom mnoho rokov. Až s rozvojom mikroelektroniky a vďaka svojim výhodám sa koncom osemdesiatych rokov 20. storočia stalo vstrekovanie paliva štandardným spôsobom prípravy zmesi.

Výhody vstrekovania paliva

V porovnaní s karburátorovým spôsobom prípravy zmesi má vstrekovanie paliva nasledovné výhody:

• vyšší maximálny výkon
• nižšia spotreba paliva
• nižšie emisie, najmä pri prechodových režimoch
• lepšia atomizácia paliva
• menší hydraulický odpor nasávacieho traktu motora
• dobrá rovnomernosť rozdelenia zmesi
• dobré spúšťanie motora
• správna funkcia pri ľubovoľnej polohe motora
• zvýšená bezpečnosť z hľadiska možnosti vzniku požiaru.

Najmä stále prísnejšie požiadavky na plnenie noriem emisií dopravných prostriedkov, ako aj požiadavky na lepšiu ekonomiku prevádzky a dynamické vlastnosti motorov umožnili vstrekovacím systémom vytlačenie karburátorov.

Základné rozdelenie

Vstrekovacie systémy pre zážihové motory sa rozdeľujú na dve základné skupiny. Príslušnosť k jednotlivej skupine je ľahko rozlíšiteľná podľa umiestnenia vstrekovacích jednotiek vzhľadom k spaľovaciemu priestoru, podľa toho dostali aj svoje pomenovanie. Z umiestnenia vstrekovačov vyplývajú zásadné rozdiely v príprave zmesi, čo sa prejaví na rozdielnych výkonových a prevádzkových vlastnostiach motorov.

Nepriamy vstrek paliva

Systémy s nepriamym vstrekom paliva majú za sebou dlhú históriu a patria k štandardnej výbave zážihových motorov. Ich základnou úlohou je pripraviť čo najhomogénnejšiu zmes paliva so vzduchom v správnom pomere. Pre bežné motory vybavené trojcestným katalyzátorom je správny stechiometrický pomer, t. j. súčiniteľ prebytku vzduchu λ = 1.

Priamy vstrek paliva

Priamy vstrek paliva patrí medzi moderné systémy. Na rozdiel od nepriameho vstreku, sa vyžaduje vyšší vstrekovací tlak a motor môže pracovať aj s veľmi chudobnou zmesou 1:30 až 1:50. Motor je konštruovaný tak, aby bola len v okolí elektród zapaľovacej sviečky v okamihu zážihu zmes v zápalnom zložení (blízka stechiometrickému pomeru). V ostatných častiach valca je prebytok vzduchu. Takéto riešenie umožňuje znížiť spotrebu paliva a odstrániť, alebo znížiť nepriaznivý vplyv regulácie škrtiacou klapkou. Správne rozloženie zmesi v spaľovacom priestore sa riadi buď vírením zmesi, hranou piesta, prispôsobením sacích ventilov alebo prispôsobením vstrekovacej trysky ktorá jedným vstrekovacím lúčom vytvára zápalnú zmes v okolí zapaľovacej sviečky

Vstrekovacie systémy pre nepriamy vstrek

Vstrekovacie systémy pre nepriamy vstrek je možné členiť podľa ďalších kritérií:

1. Podľa vyhotovenia vstrekovacieho zariadenia
   • mechanické
   • elektromechanické
   • elektronické
2. Podľa počtu vstrekovacích trysiek
   • jednobodové
   • viacbodové
3. Podľa spôsobu práce
   • kontinuálne (niektoré staršie riešenia)
   • diskontinuálne (sekvenčné)
4. Podľa miesta vstrekovania paliva (vždy však mimo spaľovacieho priestoru)
   • do nasávacieho potrubia (väčšinou jednobodové)
   • pred nasávací ventil (väčšinou viacbodové)

História

Prvé vstrekovacie zariadenia sa objavili na trhu v 60. rokoch 20. storočia v USA. Tieto zariadenia boli sprvu mechanické, neskôr s pokračujúcim rozvojom a miniaturizáciou počítačov elektromechanické, a dnes sú prevažne elektronické. Prvé vstrekovacie zariadenia na mechanickom princípe činnosti preberali len rolu systému prípravy zmesi, zatiaľ čo ostatné komponenty motora aj naďalej plnili svoju funkciu (napríklad rola odstredivej a podtlakovej regulácie rozdeľovača pri určovaní predstihu zážihu) - tzv. nepriame vstrekovanie. Tieto zariadenia preto neriešili všetky problémy komplikovaných mechanických prvkov karburátorového motora a neumožňovali zásadné zníženie emisií motorov. S príchodom elektromechanických a elektronických vstrekovacích systémov však riadiaca jednotka vstrekovacieho systému začala preberať okrem úlohy prípravy zmesi aj všetky komplexné úlohy spojené s riadením motora. Prvé elektrické vstrekovacie systémy boli osadzované jednou vstrekovacou tryskou umiestnenou obvykle v mieste, kde býval karburátor. Neskôr umožnilo zvýšenie výkonu počítačového riadiaceho systému montáž viacerých trysiek, obvykle jednej na každý valec, pričom trysky sa presunuli bližšie k valcom. V dnešnej dobe sa začínajú na trhu objavovať vysokotlakové vstrekovacie systémy s priamym vstrekom s vstrekovacou tryskou umiestnenou priamo na valci (tzv. priame vstrekovanie). Vďaka výkonnému počítačovému systému, presným snímačom a komplexnému vyhodnocovaniu stavu motora je možné za pomoci vstrekovacieho zariadenia zvýšiť výstupný výkon motora oproti ekvivalentnému motoru s karburátorom.

Princíp práce nepriameho vstrekovania

Na rozdiel od karburátora, pri ktorom je palivo vysávané podtlakom v jeho hrdle, sa pri vstrekovacom zariadení palivo vstrekuje do prúdu čistého vzduchu pretlakom. Pri pretlakovom vstrekovaní paliva je možné zabezpečiť lepšie rozprášenie paliva vo vzduchu. Rýchlosť odparovania paliva tak nie je závislá od tvaru a dĺžky sacieho potrubia, prípadne rýchlosti prúdenia vzduchu, ale môže byť priamo ovplyvnená vstrekovacím tlakom, dĺžkou a počtom vstrekov. Všeobecne platí, že čím vyšší vstrekovací tlak sa použije, tým lepšie sa palivo rozpráši a tým väčšia úspora paliva vzniká.

Vstrekovací systém obsahuje elektronickú riadiacu jednotku, ktorá pomocou Hallovho snímača zisťuje polohu kľukového hriadeľa. Vo vhodnom momente (uhol predvstreku), súbežne s otváraním sacieho ventilu dáva riadiaca jednotka pokyn na spustenie vstrekovacej trysky, ktorá nastrekne do prúdu vzduchu dávku paliva. Dávka paliva sa určuje hlavne podľa aktuálneho prietoku vzduchu meraného snímačom s prihliadnutím aj k ďalším faktorom tak, aby sa dosiahlo vhodné zloženie zmesi. Súčasne sa však kontroluje aj zloženie výfukových plynov motora pomocou λ-sondy, ktorá zisťuje súčiniteľ prebytku vzduchu (λ). Tento snímač poskytuje riadiacej jednotke spätnú väzbu, pre korekciu dávky paliva. Pre bežné motory s trojcestným katalyzátorom je nutné dodržať λ = 1 z dôvodu dosiahnutia maximálnej účinnosti katalyzátora a jeho ochrany pred znehodnotením.

Čím viac je stlačený pedál akcelerátora, tým je väčší prietok vzduchu a tým dlhšie dávky paliva riadiaca jednotka vstrekuje. S rastúcimi otáčkami motora riadiaca jednotka zvyšuje uhol predvstreku podľa dopredu daného vzťahu. Prvé jednobodové vstrekovacie jednotky vstrekovali palivo takmer kontinuálne, pričom sa v závislosti od otáčok a stlačenia pedálu akcelerátora menila dĺžka vstrekov a páuz medzi vstrekmi. Po zavedení viacbodových nepriamych vstrekovacích systémov sa vykonával vstrek obvykle simultánne vo všetkých valcoch, alebo skupinovo po dvojiciach / trojiciach valcov. Tento prístup však nebol efektívny, pretože sa palivo vstrekovalo do sacieho potrubia aj v čase, keď nebolo potrebné (palivo nakoniec bolo spálené, ale až pri nasledujúcom cykle). Ďalším krokom bolo zavedenie sekvenčného vstrekovania, pri ktorom vstrekuje len vstrekovač zodpovedajúci práve nasávajúcemu valcu.

Zdroje

• Trnka J., Urban J.: Spaľovacie motory. Alfa Bratislava, 1992.