Vstřikovací systémy nafty. Design, výhody a nevýhody

Na rozdíl od benzínových motorů měly dieselové motory od začátku vstřikování paliva. Změnily se pouze vstřikovací systémy, armatury a tlak paliva dodávaného do válců.

Princip činnosti naftového motoru, běžně známého jako dieselový motor, je zcela odlišný od principu zážehového motoru. U palivových nákladních vozidel vstupuje směs paliva a vzduchu do spalovací komory nad pístem. Po stlačení dojde k zapálení směsi v důsledku průrazu elektrické jiskry na elektrodách zapalovací svíčky. To je důvod, proč se benzinové motory také nazývají zážehové motory (SI).

U vznětových motorů stlačuje píst ve spalovací komoře pouze vzduch, který se vlivem obrovského tlaku (minimálně 40 barů – odtud název „vysoký tlak“) zahřeje na teplotu 600-800°C. Vstřikování paliva do takto horkého vzduchu má za následek okamžité samovznícení paliva ve spalovací komoře. Z tohoto důvodu jsou vznětové pohonné jednotky také označovány jako vznětové motory (CI). Od samého počátku byly přiváděny vstřikováním paliva do spalovacího prostoru, nikoli do sacího potrubí, které pouze přivádí vzduch do motoru. Podle toho, zda byl spalovací prostor dělený či nikoli, se naftové motory dělily na pohonné jednotky s nepřímým nebo přímým vstřikováním.

Nepřímá injekce

Diesel, přestože debutoval se systémem přímého vstřikování, se dlouho nepoužíval. Toto řešení způsobilo příliš mnoho problémů a v automobilovém průmyslu bylo nahrazeno nepřímým vstřikováním patentovaným v roce 1909. Přímé vstřikování zůstalo u velkých stacionárních a lodních motorů a také u některých nákladních aut. Konstruktéři osobních vozů preferovali diesely s nepřímým vstřikováním, s hladším chodem a nižší hlučností.

Pojem „nepřímý“ u dieselových motorů znamená něco úplně jiného než u benzínových motorů, kde nepřímé vstřikování je vstřikování směsi vzduchu a paliva do sacího potrubí. U dieselových motorů s nepřímým vstřikováním, stejně jako u konstrukcí s přímým vstřikováním, vstupuje palivo rozprášené vstřikovačem také do spalovací komory. Jen je rozdělena na dvě části - pomocnou část, do které se vstřikuje palivo a hlavní část, tzn. prostor přímo nad pístem, ve kterém probíhá hlavní proces spalování paliva. Komory jsou vzájemně propojeny kanálem nebo kanály. Z hlediska tvaru a funkce se komory dělí na předřazené, vírové a vzduchojemy.

Posledně jmenované nelze použít, protože jejich výroba prakticky přestala. U předkomůrek a vířivých komor je tryska instalována vedle pomocné komory a vstřikuje do ní palivo. Tam dojde ke vznícení, poté se částečně spálené palivo dostane do hlavní komory a tam dohoří. Diesely s předkomůrkou nebo vířivou komorou běží hladce a mohou mít odlehčené klikové systémy. Nejsou citlivé na kvalitu paliva a mohou mít trysky jednoduché konstrukce. Jsou však méně účinné než přímovstřikové diesely, spotřebují více paliva a mají problém se startováním studeného motoru. Dnes jsou dieselové motory s nepřímým vstřikováním v osobních automobilech minulostí a již se nevyrábějí. V moderních autech se dnes na trhu vyskytují jen zřídka. Najdeme je pouze v provedeních jako indický Hindustan a Tata, ruský UAZ, Mitsubishi Pajero starší generace prodávané v Brazílii nebo Volkswagen Polo nabízený v Argentině. Používají se v mnohem větším množství ve vozidlech pro trh s náhradními díly.

Přímé vstřikování

Všechno to začalo u něj. Výhody přímého vstřikování však nebyly zpočátku využívány. Nebyl znám význam správného víření paliva a jeho spalování nebylo optimální. Tvořily se hrudky paliva, které přispívaly k tvorbě sazí. Procesy na pístu probíhaly příliš rychle, motory tvrdě pracovaly a rychle ničily ložisko klikového hřídele. Z tohoto důvodu bylo upuštěno od přímého vstřikování a preferovalo se vstřikování nepřímé.

Návrat ke kořenům, ovšem v moderní verzi, nastal až v roce 1987, kdy se do sériové výroby dostal Fiat Croma 1.9 TD. Přímé vstřikování paliva vyžaduje účinné vstřikovací zařízení, vysoký vstřikovací tlak, kvalitní palivo a velmi pevné (a tedy těžké) klikové ústrojí. Poskytuje však vysokou účinnost a snadný start studeného motoru. Moderní řešení přímovstřikových dieselových motorů jsou založena především na zcela plochých hlavách a pístech s vhodně tvarovanými komorami (dutinami). Komory jsou zodpovědné za správnou turbulenci paliva. Přímé vstřikování je dnes široce používáno u dieselových motorů osobních automobilů.

Přímé vstřikování - Pumpové vstřikovače

V tradičních vznětových motorech jsou za dodávku paliva zodpovědné různé typy čerpadel. V průkopnických dobách se vstřikování paliva provádělo stlačeným vzduchem, ve dvacátých letech minulého století to bylo pomocí přepracovaných olejových čerpadel. V 20. letech se již hojně využívala speciální čerpadla určená pro dieselové motory. Zpočátku byl založen na sériových čerpadlech, které vytvářejí nízký tlak (až 300 barů). Až po tisíciletí se objevila účinnější čerpadla s axiálním rozdělovačem (nad 60 barů). V polovině sedmdesátých let dostaly mechanické ovládání vstřikování a v polovině osmdesátých let elektronické (BMW 1000td, 80).

Poněkud jiným způsobem vstřikování paliva byly čerpadlo-vstřikovače používané u nákladních automobilů již ve 30. letech, v osobních automobilech je hojně používal koncern Volkswagen, poprvé v roce 1998 (Passat B5 1.9 TDI). Stručně řečeno, vstřikovač čerpadla je vstřikovač s vlastním čerpadlem, které je poháněno vačkovým hřídelem. Celý proces natlakování a vstřikování do válce je tedy omezen na hlavu válce. Systém je velmi kompaktní, nejsou zde žádné palivové potrubí spojující čerpadlo se vstřikovači. Nedochází tedy k pulzování trysky, což ztěžuje regulaci dávky paliva a netěsnosti. Protože se palivo částečně odpařuje v komoře vstřikovače jednotky, může být časování vstřiku malé (snadný start). Nejdůležitější je však velmi vysoký vstřikovací tlak 2000-2200 barů. Dávka paliva ve válci se rychle mísí se vzduchem a velmi efektivně hoří.

Obecně se diesel s jednotkovými vstřikovači vyznačuje vysokou účinností, nízkou spotřebou paliva, vysokou rychlostí a možností dosažení vysoké hustoty výkonu. Ale jednotkový vstřikovací motor je nákladný na výrobu, hlavně kvůli složitosti hlavy válců. Jeho práce je tvrdá a hlasitá. Při pohonu jednotkovými vstřikovači dochází také k problémům s toxicitou výfukových plynů, což do značné míry přispělo k tomu, že VW od tohoto řešení upustilo.

Přímé vstřikování - Common Rail

Nejdůležitějším prvkem vstřikovacího systému Common Rail je „Common Rail“, typ nádrže známý také jako „tlakový zásobník paliva“, do kterého čerpadlo čerpá motorovou naftu. Do trysek se dostává ne přímo z čerpadla, ale z nádrže, při zachování stejného tlaku pro každý válec.

Obrazně můžeme říci, že každý ze vstřikovačů nečeká na porci paliva z čerpadla, ale stále má palivo pod velmi vysokým tlakem. Elektrické impulsy, které aktivují vstřikovače, jsou dostatečné pro přívod paliva do spalovacích komor. Takový systém umožňuje vytvářet vícefázové vstřiky (i 8 fází na vstřik), což vede k velmi přesnému spalování paliva s postupným zvyšováním tlaku. Velmi vysoký vstřikovací tlak (1800 bar) umožňuje použití vstřikovačů s velmi malými otvory, které dodávají palivo téměř ve formě mlhy.

To vše doplňuje vysoká účinnost motoru, klidný chod a nízká hladina hluku (i přes přímé vstřikování), dobrá manévrovatelnost a nízké emise výfukových plynů. Motory Common Rail však vyžadují palivo nejvyšší kvality a nejlepší filtry. Nečistoty v palivu mohou zničit vstřikovače a způsobit poškození, jehož oprava je extrémně nákladná.