Vstřikování paliva - Fuel injection

Řezaný model zážehového motoru s přímým vstřikováním

Vstřikování paliva je přivádění paliva do spalovacího motoru , nejčastěji automobilových motorů , pomocí vstřikovače . Tento článek se zaměřuje na vstřikování paliva v pístových a rotačních pístových motorech.

Všechny vznětové (vznětové) motory používají vstřikování paliva a mnoho motorů Otto (zážehových) používá vstřikování paliva toho či onoho druhu. Sériově vyráběné vznětové motory pro osobní automobily (například Mercedes-Benz OM 138 ) byly k dispozici na konci třicátých a na začátku čtyřicátých let minulého století, což byly první motory se vstřikováním paliva pro použití v osobních automobilech. V zážehových motorech osobních automobilů bylo vstřikování paliva zavedeno na počátku padesátých let minulého století a postupně se rozšířilo, dokud na počátku devadesátých let do značné míry nenahradilo karburátory . Primární rozdíl mezi karburátorem a vstřikováním paliva spočívá v tom, že vstřikování paliva atomizuje palivo malou tryskou pod vysokým tlakem, zatímco karburátor se spoléhá na sání vytvořené nasávaným vzduchem zrychleným Venturiho trubicí, aby čerpal palivo do proudu vzduchu.

Pojem „vstřikování paliva“ je vágní a zahrnuje různé odlišné systémy se zásadně odlišnými funkčními principy. Společnou vlastností všech systémů vstřikování paliva je obvykle nedostatek karburátoru. Existují dva hlavní funkční principy systémů tvorby směsi pro spalovací motory: tvorba vnitřní směsi a tvorba vnější směsi. Systém vstřikování paliva, který využívá externí tvorbu směsi, se nazývá systém vstřikování potrubí ; existují dva typy systémů vstřikování potrubí: vícebodové vstřikování (portové vstřikování) a jednobodové vstřikování (vstřikování škrticí klapky). Vnitřní systémy tvorby směsi lze rozdělit na přímé a nepřímé vstřikovací systémy. Existuje několik různých druhů přímých i nepřímých injekčních systémů; nejběžnějším systémem vstřikování paliva s vnitřní směsí je systém vstřikování common-rail, systém přímého vstřikování. Pojem elektronické vstřikování paliva označuje jakýkoli systém vstřikování paliva, který má řídicí jednotku motoru .

Zásadní ohled

Ideální systém vstřikování paliva může přesně poskytnout přesně správné množství paliva za všech provozních podmínek motoru. To obvykle znamená přesné ovládání poměru vzduchu a paliva (lambda), které umožňuje například: snadný provoz motoru i při nízkých teplotách motoru (studený start), dobré přizpůsobení širokému rozsahu nadmořských výšek a okolních teplot, přesně regulované otáčky motoru (včetně volnoběžných a červených otáček), dobrá palivová účinnost a nejnižší dosažitelné emise výfukových plynů (protože umožňuje správné fungování zařízení pro regulaci emisí, jako je třícestný katalyzátor ).

V praxi ideální systém vstřikování paliva neexistuje, ale existuje obrovské množství různých systémů vstřikování paliva s určitými výhodami a nevýhodami. Většina těchto systémů byla zastaralá systémem přímého vstřikování common-rail, který se dnes (2020) používá v mnoha osobních automobilech. Vstřikování common-rail umožňuje přímé vstřikování benzínu a je ještě vhodnější pro přímé vstřikování paliva vznětového motoru . Vstřikování common-rail je však poměrně složitý systém, a proto se v některých osobních automobilech, které nepoužívají vznětové motory, místo toho používá vícebodový systém vstřikování potrubí .

Při návrhu systému vstřikování paliva je třeba vzít v úvahu řadu faktorů, včetně:

Součásti systému

Všechny systémy vstřikování paliva obsahují tři základní součásti: mají alespoň jeden vstřikovač paliva (někdy nazývaný vstřikovací ventil), zařízení, které vytváří dostatečný vstřikovací tlak, a zařízení, které měří správné množství paliva. Tyto tři základní součásti mohou být buď samostatná zařízení (vstřikovač (y) paliva, rozdělovač paliva, palivové čerpadlo), částečně kombinovaná zařízení (vstřikovací ventil a vstřikovací čerpadlo), nebo zcela kombinovaná zařízení ( vstřikovač jednotky ). Systémy raného mechanického vstřikování (kromě vstřikování vzduchem) obvykle používaly vstřikovací ventily (s jehlovými tryskami) v kombinaci s jedním (nebo více než jedním) relativně důmyslným vstřikovacím čerpadlem ovládaným šroubovicí, které dávkovalo palivo a vytvářelo vstřikovací tlak. Byly vhodné pro přerušované vstřikování vícebodových vstřikovacích systémů, stejně jako pro všechny druhy konvenčních přímých vstřikovacích systémů a systémů s komorovým vstřikováním. Pokrok v oblasti mikroelektroniky umožnil výrobcům vstřikovacích systémů výrazně zlepšit přesnost zařízení pro měření paliva. V moderních motorech je dávkování paliva a ovládání vstřikovacího ventilu obvykle prováděno řídicí jednotkou motoru. Vstřikovací čerpadlo paliva proto nemusí dávkovat palivo ani ovládat vstřikovací ventily; potřebuje pouze zajistit vstřikovací tlak. Tyto moderní systémy se používají v motorech s vícebodovým vstřikováním a se vstřikováním common-rail. Jednotkové vstřikovací systémy se v minulosti dostaly do sériové výroby, ale ukázaly se jako horší než vstřikování common-rail.

Klasifikace

souhrn

Níže uvedený přehled ilustruje nejběžnější typy systémů pro vytváření směsí ve spalovacích motorech. Existuje několik různých způsobů charakterizace, seskupení a popisu systémů vstřikování paliva; clade je založen na rozlišení mezi vnitřními a vnějšími systémy tvorby směsí.

Přehled

Vnější tvorba směsi

Motor BMW M88 s vícebodovým vstřikováním

V motoru s vnější tvorbou směsi se vzduch a palivo mísí mimo spalovací komoru, takže do motoru je nasávána předem smíchaná směs vzduchu a paliva. Externí systémy tvorby směsí jsou běžné v benzínových motorech, jako je motor Otto a Wankelův motor. Ve spalovacích motorech existují dva hlavní vnější systémy tvorby směsi: karburátory a vstřikování potrubí . Následující popis se zaměřuje na to druhé. Systémy vstřikování potrubí lze také považovat za nepřímé vstřikování , ale tento článek primárně používá termín nepřímé vstřikování k popisu systémů tvorby vnitřní směsi, které nejsou přímým vstřikováním. Existují dva typy vstřikování potrubí: jednobodové vstřikování a vícebodové vstřikování . Mohou použít několik různých schémat vstřikování.

Jednobodové vstřikování

Jednobodové vstřikování využívá jeden vstřikovač v tělese škrticí klapky namontovaný podobně jako karburátor na sacím potrubí . Stejně jako v karburátorovém indukčním systému je palivo smícháno se vzduchem před vstupem do sacího potrubí. Jednobodové vstřikování bylo pro výrobce automobilů relativně levným způsobem, jak snížit emise výfukových plynů, aby vyhovovaly zpřísňujícím se předpisům a zároveň poskytovaly lepší „ovladatelnost“ (snadné startování, plynulý chod, žádné zadrhávání motoru), než jaké bylo možné dosáhnout u karburátoru. Mnoho podpůrných součástí karburátoru - jako je vzduchový filtr, sací potrubí a vedení palivového potrubí - by bylo možné použít s malými nebo žádnými změnami. To odložilo náklady na redesign a nástroje těchto komponent. Jednobodové vstřikování bylo v letech 1980–1995 hojně používáno na osobních a lehkých nákladních automobilech americké výroby a v některých evropských automobilech na počátku a v polovině 90. let minulého století.

Vícebodové vstřikování
Výkres průřezu vícebodového vstřikovacího systému Marvel. Vstřikovač paliva je umístěn blízko sacího ventilu-to je typické pro vícebodové vstřikovací systémy

Vícebodové vstřikování vstřikuje palivo do sacích portů těsně před sacím ventilem každého válce, nikoli do centrálního bodu v sacím potrubí. Vícebodové vstřikované systémy obvykle používají více vstřikovačů paliva, ale některé systémy, jako je GM vstřikování centrálního portu, používají trubice s talířovými ventily napájenými centrálním vstřikovačem místo více vstřikovačů.

Injekční schémata

Motory se vstřikováním do potrubí mohou používat několik schémat vstřikování: kontinuální a přerušované (simultánní, dávkové, sekvenční a individuální).

V systému kontinuálního vstřikování palivo vždy proudí ze vstřikovačů paliva, ale s proměnným průtokem. Nejběžnějším automobilovým kontinuálním vstřikovacím systémem je Bosch K-Jetronic , představený v roce 1974, a až do poloviny devadesátých let jej používali různí výrobci automobilů. Systémy přerušovaného vstřikování mohou být sekvenční , ve kterých je vstřikování časováno tak, aby se shodovalo se sacím zdvihem každého válce; dávkové , při kterém je palivo vstřikováno do válců ve skupinách, bez přesné synchronizace s konkrétním sacím zdvihem válce; simultánní , ve kterém je palivo vstřikováno současně do všech válců; nebo válec-individuální , ve kterém může řídicí jednotka motoru upravit vstřikování pro každý válec jednotlivě.

Vnitřní tvorba směsi

V motoru s vnitřním systémem tvorby směsi se vzduch a palivo smísí pouze ve spalovací komoře. Při sacím zdvihu je proto do motoru nasáván pouze vzduch. Injekční schéma je vždy přerušované (buď sekvenční nebo individuální). Existují dva různé typy systémů pro tvorbu vnitřní směsi: nepřímé vstřikování a přímé vstřikování.

Nepřímá injekce
Vstřikování vzduchové komory-vstřikovač paliva (vpravo) vstřikuje palivo hlavní spalovací komorou do vzduchové komory nalevo. Jedná se o speciální typ nepřímého vstřikování a byl velmi běžný v raných amerických dieselových motorech.

Tento článek popisuje nepřímé vstřikování jako systém tvorby vnitřní směsi (typický pro motory Akroyd a Diesel ); pro vnější systém tvorby směsi, kterému se někdy říká nepřímé vstřikování (typické pro motory Otto a Wankel ), tento článek používá termín vstřikování potrubí .

V motoru s nepřímým vstřikováním jsou dvě spalovací komory: hlavní spalovací komora a předkomora (také nazývaná ante-komora), která je spojena s hlavní. Palivo je vstřikováno pouze do předkomory (kde začíná hořet), a ne přímo do hlavní spalovací komory. Proto se tento princip nazývá nepřímá injekce. Existuje několik mírně odlišných systémů nepřímého vstřikování, které mají podobné vlastnosti. Všechny motory Akroyd (horké žárovky) a některé vznětové (vznětové) motory používají nepřímé vstřikování.

Přímé vstřikování

Přímé vstřikování znamená, že motor má pouze jednu spalovací komoru a palivo je vstřikováno přímo do této komory. To lze provést buď tlakovým vzduchem ( vstřikování vzduchem ), nebo hydraulicky. Druhá metoda je mnohem běžnější v automobilových motorech. Hydraulické systémy přímého vstřikování obvykle stříkají palivo do vzduchu uvnitř válce nebo spalovací komory, ale některé systémy stříkají palivo na stěny spalovací komory ( M-systém ). Hydraulického přímého vstřikování lze dosáhnout konvenčním vstřikovacím čerpadlem ovládaným šroubovicí, vstřikovači jednotek nebo důmyslným vstřikovacím systémem common-rail . Ten je nejběžnějším systémem v moderních automobilových motorech. Přímé vstřikování je vhodné pro širokou škálu paliv, včetně benzinu (viz přímé vstřikování benzínu ) a motorové nafty .

V systému common rail je palivo z palivové nádrže dodáváno do společného sběrného potrubí (nazývaného akumulátor). Toto palivo je pak posláno hadičkami do vstřikovačů, které je vstřikují do spalovací komory. Sběrač má přetlakový pojistný ventil, který udržuje tlak v sběrači a vrací přebytečné palivo do palivové nádrže. Palivo je stříkáno pomocí trysky, která se otevírá a zavírá jehlovým ventilem, ovládaným solenoidem. Když není solenoid aktivován, pružina tlačí jehlový ventil do průchodu trysky a brání vstřikování paliva do válce. Solenoid zvedne jehlový ventil ze sedla ventilu a palivo pod tlakem je odesláno do válce motoru. Třetí generace dieselových motorů common rail využívá ke zvýšení přesnosti piezoelektrické vstřikovače s tlaky paliva až 300  MPa nebo 44 000  lbf/in 2 .

Historie a vývoj

70. - 20. léta 20. století: rané systémy

Systém vstřikování vzduchu pro vznětový motor 1898

V roce 1872 získal George Bailey Brayton patent na spalovací motor, který používal pneumatický systém vstřikování paliva, který vynalezl také Brayton: vstřikování vzduchem . V roce 1894 Rudolf Diesel kopíroval Braytonův systém vstřikování vzduchu pro vznětový motor, ale také jej vylepšil. Nejvíce pozoruhodně Diesel zvýšil tlak vzduchu z 4–5 kp/cm 2 (390–490 kPa) na 65 kp/cm 2 (6 400 kPa).

První systém vstřikování potrubí byl navržen Johannesem Spielem v Hallesche Maschinenfabrik v roce 1884. Na počátku 90. let 19. století vyvinul Herbert Akroyd Stuart systém nepřímého vstřikování paliva pomocí „trhavého čerpadla“ k odměřování topného oleje pod vysokým tlakem do vstřikovače. Tento systém byl použit na motoru Akroyd a byl upraven a vylepšen společnostmi Bosch a Clessie Cummins pro použití na vznětových motorech .

Letecký motor Antoinette 8V se vstřikováním do potrubí, uložený v zachovaném jednoplošníku letadla Antoinette VII.

V roce 1898 zahájila společnost Deutz AG sériovou výrobu stacionárních čtyřdobých motorů Otto se vstřikováním potrubí. O osm let později, Grade vybavena jejich dvoudobé motory s rozdělovači injekci, a to jak Léon Levavasseur ‚s Antoinette 8V letecké motory (první na světě motor V8 jakéhokoli druhu, patentovaný Levavasseur v roce 1902) a Wright byly osazeny rozdělovači vstřikováním as studna. Prvním motorem s přímým vstřikováním benzínu byl dvoudobý letecký motor navržený Otto Maderem v roce 1916.

Další rané použití přímého vstřikování benzínu bylo na motoru Hesselman vynalezeném švédským inženýrem Jonasem Hesselmanem v roce 1925. Hesselmanovy motory používají princip stratifikovaného nabíjení ; palivo je vstřikováno ke konci kompresního zdvihu a poté zapáleno zapalovací svíčkou . Mohou jezdit na obrovské množství paliv.

Vynález vstřikování předspalovací komory společností Prosper l'Orange pomohl výrobcům vznětových motorů překonat problémy se vstřikováním vzduchem a od 20. let 20. století umožnil navrhovat malé motory pro automobilové použití. V roce 1924 představil MAN první vznětový motor s přímým vstřikováním pro nákladní vozidla .

30.-50. léta: první sériově vyráběné přímé vstřikování benzínu

Přímé vstřikování benzínu bylo použito v pozoruhodných leteckých motorech druhé světové války , jako jsou Junkers Jumo 210 , Daimler-Benz DB 601 , BMW 801 , Shvetsov ASh-82FN (M-82FN) . Německé benzínové motory s přímým vstřikováním používaly ze svých dieselových vstřikovacích systémů vstřikovací systémy vyvinuté společnostmi Bosch , Deckel, Junkers a l'Orange. Pozdější verze Rolls-Royce Merlin a Wright R-3350 používaly jednobodové vstřikování, v té době nazývané „Tlakový karburátor“. Vzhledem k válečným vztahům mezi Německem a Japonskem měla společnost Mitsubishi také dva hvězdicové letecké motory využívající přímé vstřikování benzínu, Mitsubishi Kinsei a Mitsubishi Kasei .

První automobilový přímý vstřikovací systém použit pro provoz na benzín byl vyvinut Bosch , a byl představen Goliath pro jejich Goliáš GP700 a Gutbrod pro jejich lepší v roce 1952 to bylo v podstatě speciálně mazané vysokotlaké diesel s přímým vstřikováním čerpadlo typ, který je řízen podtlakem za sacím škrticím ventilem. Motor závodního automobilu Formule 1 Mercedes-Benz W196 z roku 1954 používal přímé vstřikování Bosch odvozené z válečných leteckých motorů. Po tomto úspěchu závodní dráhy se Mercedes-Benz 300SL z roku 1955 stal prvním osobním vozem se čtyřtaktním motorem Otto, který používal přímé vstřikování. Později více tradiční aplikace vstřikování paliva upřednostňovaly levnější vstřikování do potrubí.

50. - 80. léta: Sériová výroba rozdělovacích vstřikovacích systémů

1959 Corvette small-block 4,6 litru V8 se vstřikováním paliva Rochester potrubí
Bezmotorové, kontinuálně vstřikovací vícebodové vstřikování Bosch K-Jetronic

Skrz 1950, několik výrobců představili své rozmanité vstřikovacích systémů pro zážehové motory, včetně General Motors ' Rochester Products Division , Bosch a Lucas Industries . V roce 1960 byly zavedeny další systémy vstřikování potrubí, jako jsou systémy Hilborn , Kugelfischer a SPICA .

První komerční elektronicky řízený systém vstřikování potrubí byl Electrojector vyvinutý společností Bendix a byl nabízen společností American Motors Corporation (AMC) v roce 1957. Počáteční problémy s Electrojectorem znamenaly, že byly nainstalovány pouze předprodukční vozy , takže bylo prodáno velmi málo automobilů a žádný nebyl zpřístupněna veřejnosti. Systém EFI v Rambler fungoval dobře v teplém počasí, ale bylo obtížné spustit v chladnějších teplotách.

Chrysler nabídl Electrojector na 1958 Chrysler 300D , DeSoto Adventurer , Dodge D-500 a Plymouth Fury , pravděpodobně první sériově vyráběné vozy vybavené systémem EFI. Patenty na Electrojector byly následně prodány společnosti Bosch, která vyvinula Electrojector na Bosch D-Jetronic . D v D-Jetronic znamená Druckfühlergesteuert , německý na „tlak-senzor řízené“). D-Jetronic byl poprvé použit na vozidle VW 1600TL/E v roce 1967. Jednalo se o systém rychlosti/hustoty, využívající otáčky motoru a hustotu vzduchu sacího potrubí k výpočtu průtoku „hmotnosti vzduchu“ a tím i požadavků na palivo.

Společnost Bosch nahradila systém D-Jetronic systémy K-Jetronic a L-Jetronic pro rok 1974, ačkoli některá auta (jako například Volvo 164 ) pokračovala v používání D-Jetronic po několik následujících let. L-Jetronic používá mechanický měřič průtoku vzduchu (L pro Luft , německy pro „vzduch“), který vytváří signál, který je úměrný objemovému průtoku . Tento přístup vyžadoval další senzory pro měření atmosférického tlaku a teploty, pro výpočet hmotnostního průtoku . L-Jetronic byl široce přijat na evropských automobilech té doby a několik japonských modelů krátce nato.

1979 - 1990

Prvním digitálním systémem řízení motoru ( řídicí jednotka motoru ) byl Bosch Motronic představený v roce 1979. V roce 1980 představila Motorola (nyní NXP Semiconductors ) svou digitální ECU EEC-III . Jednobodový vstřikovací systém EHS-III.

Vstřikování potrubí bylo v 70. a 80. letech zaváděno zrychlujícím tempem, přičemž přední byly německé, francouzské a americké trhy a trhy ve Velké Británii a společenství poněkud zaostávaly. Od počátku devadesátých let jsou téměř všechny benzínové osobní automobily prodávané na trzích prvního světa vybaveny elektronickým vstřikováním potrubí. Karburátor zůstává v provozu v rozvojových zemích, kde jsou emise vozidel neregulované a diagnostická a opravárenská infrastruktura je řídká. Systémy vstřikování paliva postupně nahrazují karburátory i v těchto zemích, protože přijímají emisní předpisy koncepčně podobné těm, které platí v Evropě, Japonsku, Austrálii a Severní Americe.

Od roku 1990

V roce 1995 představila společnost Mitsubishi první systém přímého vstřikování benzinu common-rail pro osobní automobily. Byl představen v roce 1997. Následně bylo přímé vstřikování common-rail zavedeno také do vznětových motorů osobních automobilů, přičemž prvním motorem pro masový trh byl Fiat 1.9 JTD. Na počátku dvacátých let se několik výrobců automobilů pokusilo použít ve svých benzínových motorech s přímým vstřikováním koncepty vrstvené náplně, aby snížily spotřebu paliva. Úspora paliva se však ukázala být téměř nepostřehnutelná a nepřiměřená zvýšené složitosti systémů úpravy výfukových plynů. Od poloviny roku 2010 proto téměř všichni výrobci automobilů přešli na konvenční homogenní směs ve svých přímo vstřikovaných benzínových motorech. Na začátku roku 2020 někteří výrobci automobilů stále používali vstřikování potrubí, zejména u ekonomických vozů, ale také u některých vysoce výkonných automobilů. Od roku 1997 používají výrobci automobilů pro své vznětové motory přímé vstřikování common-rail. Systém Volkswagen Pumpe-Düse používal pouze Volkswagen na počátku roku 2000, ale od roku 2010 také používali přímé vstřikování common-rail.

Poznámky

externí odkazy