Přímé vstřikování paliva zážehových motorů

U systému přímého vstřikování paliva je benzin vstřikován přímo do spalovacího prostoru. Přímé vstřikování benzinu GDI (Gasoline Direct Injection) představila firma Mitsubishi v roce 1997. Prvním evropským výrobcem přímého vstřikování benzinu byla firma Bosch, která ve spolupráci s koncernem VW zavedla v roce 2000 systém FSI (Fuel Stratified Injection) do sériové výroby ve voze LUPO 1.4l. Ve srovnání se standardním vstřikováním paliva do sacího potrubí lze dosáhnout, v závislosti na otáčkách a zatížení, snížení spotřeby paliva o 5 až 40% při trvalém snížení emisí CO2. Vztaženo na evropský jízdní cyklus lze tímto ušetřit až 30% paliva. Systémy přímého vstřikování paliva pracují ve dvou základních režimech: V úsporném režimu, kdy se spaluje chudá vrstvená směs, a ve výkonném režimu, kdy se spaluje homogenní směs. Kromě těchto dvou základních režimů umožňuje elektronika motoru ještě tzv. režim dvoufázového vstřikování, používaný např. při startování a rozjíždění se studeným motorem. U přímého vstřikování benzinu je důležité během provozu zajistit vyladěné střídání režimu s vrstvenou směsí a režimu s homogenní směsí.

 

Obr. 1: Přímé vstřikování benzinu

 

Přímé vstřikování benzinu v úsporném režimu

• V oblasti částečného zatížení motoru, ve kterém se jezdí nejvíce, pracuje motor s velmi chudou směsí (součinitel přebytku vzduchu λ = 2,7 až 3,4). Tomu odpovídá směšovací poměr, cca 1:40 až 1:50, který je již pod mezí zápalnosti. Proto se během sání proud vzduchu uvádí do točivého pohybu. V době stlačování se tento proud vzduchu vychyluje tvarovým dnem pístu (deflektor s prohlubní). Dosahuje se šroubového pohybu vzduchu ve válci. Do takto rozvířeného vzduchu je ke konci kompresního zdvihu, krátce před HÚ, vstříknuto minimální potřebné množství paliva. Pomocí vířivé vstřikovací trysky je palivo velmi jemně rozprášeno. Šroubový pohyb vzduchu spolu s vhodně směřovaným výstřikem paliva vytváří ve válci vrstvy s různými směšovacími poměry, tzv. vrstvené plnění. V oblasti zapalovací svíčky je bohatá směs paliva se vzduchem, která je obklopena chudými vrstvami. Bohatá směs paliva se vzduchem v okolí zapalovací svíčky se bezpečně zažehne jiskrou a hořící palivo zapálí bez problému okolní chudou směs, což zaručuje celkově stabilní a čisté spalování. Motor je vlivem provozu s vrstvenou směsí regulován kvalitativně, podobně jako motor vznětový, to znamená, že běží s naplno otevřenou škrticí klapkou a při přidání plynu se zvýší pouze množství vstřikovaného paliva.

 

Obr. 2: Spalování vrstvené směsi

 

Přímé vstřikování benzinu ve výkonném režimu

• Palivo je vstřikováno vířivou tryskou do spalovacího prostoru v době sání a vytváří s nasávaným vzduchem homogenní směs o poměru cca 1:14,7 (součinitel přebytku vzduchu λ = 1). V průběhu kompresního zdvihu tlačí tvarový píst vytvořenou homogenní směs k zapalovací svíčce, kde krátce před HÚ proběhne její zážeh. U přímého vstřikování ve výkonném režimu odpovídá průběh spalování běžnému motoru se vstřikováním do sacího potrubí. Při homogenním provozu je motor regulován kvantitativně, což znamená, že točivý moment motoru odpovídá přímo poloze akceleračního pedálu a je nastavován elektronicky ovládanou škrticí klapkou.

 

Obr. 3: Spalování homogenní směsi

 

Systém přímého vstřikování paliva Bosch Motronic MED 7

• Jde o vysokotlaký systém vstřikování benzinu s tlakovým zásobníkem, tj. se společným rozdělovacím palivovým potrubím. Management řízení motoru Motronic MED 7 integruje ovládání přímého vstřikování benzinu a systému plně elektronického zapalování s jednojiskrovými EFS cívkami. Dále ovládá systém zpětného vedení výfukových plynů a systém odvětrání palivové nádrže. Elektronika řízení motoru provádí nepřetržitě vlastní diagnostiku, je adaptabilní vůči měnícím se provozním podmínkám a technickému stavu motoru, plně podporuje diagnostickou normu OBD. Množství nasávaného vzduchu se reguluje elektronicky ovládanou škrticí klapkou. K přesnému odměření hmotnosti nasávaného vzduchu je použit měřič hmotnosti vzduchu s vyhřívaným filmem. Kontrola složení směsi je zajištěna pomocí dvou lambda sond umístěných před katalyzátorem a za ním. Ve výfukovém systému se za klasickým třícestným katalyzátorem nachází ještě další, tzv. zásobníkový katalyzátor Nox, který zachycuje oxidy dusíku, produkované ve velké míře při vrstveném spalování v úsporném režimu. Regenerace zásobníkového katalyzátoru probíhá změnou tvorby směsi, tzn. přepnutím z vrstveného režimu na homogenní režim s hodnotou λ ˂ 1. Tím se rychle zvýší teplota katalyzátoru nad potřebných 650°C a dojde ke spálení škodlivých složek emisí. Namísto zadní lambda sondy může být namontován snímač Nox informující management motoru o naplněnosti katalyzátoru a nutnosti regenerace.

 

 

Obr. 4: Systém Bosch Motronic MED 7

 

• Doprava paliva: Elektricky poháněné nízkotlaké čerpadlo je umístěno v palivové nádrži a ve spolupráci s regulátorem tlaku dopravuje palivo pod tlakem 3,5 baru přes palivový filtr do vysokotlakého čerpadla, umístěného na hlavě válců a poháněného vačkovou hřídelí. Z vysokotlakého čerpadla je palivo dopravováno do rozdělovací trubice, tzv. Railu a v závislosti na zatížení a otáčkách motoru vstřikováno pod tlakem 50 až 120 barů přímo do spalovacího prostoru přes elektricky ovládané vstřikovací ventily. Na tlakovém zásobníku je umístěno čidlo tlaku snímající aktuální tlak paliva v Railu. Požadovaný vstřikovací tlak nastavuje elektronika motoru pomocí regulačního ventilu tlaku, přičemž přebytečné palivo je přepouštěno zpět do nízkotlakého okruhu.

• Výfukový systém se dvěma lambda sondami bez snímače NOx

  

Obr. 5: Výfukový systém bez snímače NOx

 

• Výfukový systém s přední lambda sondou a snímačem NOx

  

Obr. 6: Výfukový systém se snímačem NOx

 

• Snímače zajišťující vstupní informace pro řídicí jednotku motoru

  • měřič hmotnosti nasávaného vzduchu se snímačem teploty

  • snímač otáček a polohy klikové hřídele

  • snímač polohy vačkové hřídele

  • snímač polohy škrticí klapky

  • snímač polohy plynového pedálu

  • snímač teploty chladicí kapaliny

  • snímač tlaku vzduchu v sacím potrubí

  • snímač tlaku paliva v Railu

  • snímač klepání motoru

  • lambda sonda před katalyzátorem

  • lambda sonda za katalyzátorem

  • snímač teploty výfukových plynů

  • spínač volnoběhu

  • spínač brzdového pedálu

  • spínač spojkového pedálu

  • napětí akumulátoru

• Akční členy ovládané řídicí jednotkou motoru

  • vstřikovací ventily

  • ventil odvětrání

  • ventil recirkulace spalin

  • ventil regulace tlaku paliva

  • servomotor škrticí klapky

  • EFS cívky s koncovými stupni

  • relé palivového čerpadla

 

Palivový systém FSI s elektronicky řízeným dopravním čerpadlem

• Moderní systémy přímého vstřikování benzinu FSI mívají již elektronicky řízené dopravní palivové čerpadlo se systémovým tlakem regulovaným v rozsahu 3 až 5 barů.

---

Obr. 7: Palivový systém FSI

 

Přímé vstřikování benzinu a kvalita tankovaného paliva

• Tankované palivo u čerpacích stanic nemá vždy kvalitu požadovanou pro provoz moderních systémů přímého vstřikování benzinu. Konkrétně na tuzemském trhu tankujeme benzin s vyšším obsahem síry. Síra obsažená v benzinu způsobuje zanášení zásobníkového katalyzátoru Nox a výrazně tak snižuje jeho účinnost. To má za následek daleko častější regenerační cykly a přednost přímého vstřikování benzinu v  úspoře paliva se tímto vytrácí. Díky tomu jsou vozidla s přímým vstřikováním benzinu dodávaná na náš trh softwarově upravena a umožňují provoz pouze na homogenní směs.

 

Zdroje

• GSCHEIDLE, Rolf.  Příručka pro automechanika. 3. vyd. Praha: Sobotáles, 2007, 688 s. ISBN: 978-80-86706-17-7.
• Powerpointová prezentace BOSCH a ŠKODA pro pedagogické pracovníky.

Obrázky:

• Obr. 1: Přímé vstřikování benzínu. Powerpointová prezentace BOSCH a ŠKODA pro pedagogické pracovníky
• Obr. 2: Spalování vrstvené směsi. Powerpointová prezentace BOSCH a ŠKODA pro pedagogické pracovníky
• Obr. 3: Spalování homogenní směsi. Powerpointová prezentace BOSCH a ŠKODA pro pedagogické pracovníky
• Obr. 4: Systém Bosch Motronic MED 7. Powerpointová prezentace BOSCH a ŠKODA pro pedagogické pracovníky
• Obr. 5: Výfukový systém bez snímače NOx. Powerpointová prezentace BOSCH a ŠKODA pro pedagogické pracovníky
• Obr. 6: Výfukový systém se snímačem NOx. Powerpointová prezentace BOSCH a ŠKODA pro pedagogické pracovníky
• Obr. 7: Palivový systém FSI. Powerpointová prezentace BOSCH a ŠKODA pro pedagogické pracovníky