V tomto článku se podíváme na to, jak se do spalovacího motoru
dávkuje palivo. Budeme mít před sebou moderní spalovací zážehový motor
jako jedinou dlouhodobě praktikovatelnou alternativu pohonu pro osobní
vozidlo.
Respektive budeme uvažovat motor s nepřímým vstřikem paliva do sání,
přičemž ale většina uvedených zásad bude platit i pro homogenní provoz
motorů s vstřikem přímým, tedy takový pracovní mód, kdy řízení motoru neusiluje
o vrstvení směsi uvnitř válce.
Stručný přehled hardware: Máme elektricky ovládané vstřikovací ventily
napojené na palivové vedení. O otevírání ventilů se stará řídící jednotka
motoru, zavírají se samy. Palivo je vstřikováno do sání, a to synchronně
s otáčkami klikové hřídele. Může se tak dít sekvenčně (současný stav techniky),
kdy každý ventil vstřikuje v závislosti na poloze "jeho" válce, anebo kontinuálně,
tedy všechny ventily najednou, což se používalo kdysi u jednobodových nebo
dvoubodových systémů. Dále potřebujeme nějaké senzory: snímač otáček klikové
hřídele, snímač otáček vačkové hřídele, senzor tlaku paliva a/nebo jeho
regulátor, senzor tlaku v sání nebo senzor průtočného množství vzduchu,
snímač teploty chladící vody, alternativně snímač okolního tlaku.
Vstřikovací ventil je zařízení skládající se z hydraulické a elektrické
části. Hydraulická část se skládá ze sedla ventilu a jehly, která uzavírá
otvor v sedle. Elektrickou část tvoří cívka, s jejímž jádrem je spojena
jehla. Po přivedení napětí na cívku se jehla vysune ze sedla a palivo protéká
sedlem ke cloně, která se stará o požadovaný průtok a tvar paprsku. O tom,
kolik paliva ventil nadávkuje, rozhoduje délka trvání proudového impulsu,
která je řádově v jednotkách milisekund. Čím delší pulz, tím více paliva.
Tvar paprsku je také důležitý, ten ovlivňuje kvalitu rozptýlení paliva
ve válci a hoření směsi. Tvar paprsku je předem určen tvarem sacího potrubí
a kanálu v hlavě válců.
Délku pulzu určuje řídící jednotka za pomoci svého software a nastavovacích
a kalibračních dat v ní založených.
Platí, že vstřikovaná dávka = základní vstřikované množství + korekce
+ korekce napětí palubní soustavy
Základní vstřikované množství je navrženo tak, aby vyhovělo tzv. alfa-n
regulaci, tedy dávkuje palivo pro daný úhel otevření škrtící klapky (tím
je zhruba určeno množství vzduchu) a otáčky motoru. Pokud má motor MAF
(manifold air flow) senzor, tedy populární "váhu vzduchu", bere se pro
hmotnostní tok vzduchu signál MAFu. Pokud MAF selže, sáhne řízení zpět
po méně přesném alfa-n modelu. Pokud motor má MAP (manifold air pressure)
senzor, pak se řídící systém k údaji o množství vzduchu dopočítá pomocí
parametrů otáček motoru, teploty vzduchu a dat o objemové účinnosti uložených
v ECU. MAP je robustnější, ale méně přesný. Váha vzduchu je přesná, ale
náchylná k poškození. Některá auta mají MAF i MAP (Mitsubishi Lancer EVO
X?), v takových případech se MAP používá k monitorování funkce přeplňování,
monitorování funkce recirkulace výfukových plynů a jako záloha.
Korekce na teplotu motoru: Pokud je motor studený a teplota chladící
kapaliny nízká, ECU obohatí směs, aby bylo možné motor nastartovat a udržet
v chodu. Problém je nedostatečné odpařování paliva a jeho kondenzace na
stěnách sání a spalovacího prostoru. To má mimochodem také zásadní vliv
na mazání a opotřebení motoru. Tato korekce je vypojena při zhruba 50°C,
někdy je přítomna ještě závislost na otáčkách, kdy motor dostává extra
porci paliva proporcionálně k poklesu otáček, aby se nezastavil. Pokud
selže snímač teploty motoru, řídící jednotka použije signál teploty vzduchu
nebo signál teploty samotné ECU, anebo vychází z předem naprogramovaného
průběhu teploty v závislosti na čase od spuštění motoru. Kdyby neexistovalo
toto nouzové řešení, motor by nešel nastartovat.
Korekce na zahřátí katalyzátoru: Řídící jednotka může naopak směs ochudit,
aby zvýšila teplotu spalování a rychleji nahřála katalyzátor.
Lambda korekce: zvýšení (či snížení dávky vstřikovaného paliva podle
informací od kyslíkového senzoru (lambda sondy) s cílem udržet stechiometrický
poměr spalování vzduchu a benzínu. Lambda korekce se nastartuje, pokud
teplota katalyzátoru a lambda sond dosáhne provozní teploty.
Akcelerační korekce: Pokud ECU zaznamená zvětšující se úhel otevření
škrtící klapky, přidá do motoru palivo, aby se zlepšila odezva na plynový
pedál. "Nášup" je závislý přímo úměrně na rozdílu počáteční a koncové polohy
klapky.
Korekce při velké zátěži: Pokud je plynový pedál výrazně sešlápnutý,
ale otáčky motoru se nezvyšují, motor dostane rovněž nějaké palivo navíc.
Kromě primárního efektu je vedlejším cílem ochladit spalovací prostor.
Decelerační odpojení přívodu paliva (DFCO): Pokud není šešlápnut plynový
pedál, není dávkováno palivo. Tento stav trvá, pokud otáčky neklesnou pod
určitou mez, pak je dávkování paliva opět obnoveno, aby nedošlo k zablokování
hnaných kol. Je zde ještě jeden problém: I když plyn pedálu není sešlápnut
a škrtící klapka je zavřená, v důsledku různých netěsností proudí do motoru
určité množství vzduchu. Do katalyzátoru by se tak dostával přebytečný
kyslík, což není dlouhodobě žádoucí. Řídící jednotka za takové situace
občas "procvakne" vstřikovací vetily. Představa, že jízda se zařazenou
rychlostí bez plynu znamená nulovou spotřebu, není vzhledem k uvedeným
dvěma skutečnostem zcela pravdivá.
Korekce odsávání výparů z odvětrání palivové nádrže: Výpary z palivové
nádrže jsou odsávány z nádobky s aktivním uhlím přes elektromagnetický
ventil zpět do sání, protože ekologické předpisy požadují, lapidárně řečeno,
aby veškerá média unikala z automobilu přes výfuk. Problém je, že odpařování
benzínu je závislé na okolní teplotě, za určitých okolností nastává situace,
že až 20% paliva jdoucího do motoru přichází touto cestou. I s tím se musí
umět řízení motoru vypořádat. K odsávání par z nádobky lze s výhodou použít
volnoběh nebo stav, kdy je škrtící klapka zavřená, tedy například při deceleraci,
protože pak je v sání dostatečný podtlak. To ovšem opět zhoršuje ekonomiku
provozu, protože benzín jsme museli zaplatit tak jako tak a příliš nás
nezajímá, zda dotekl do motoru touto "odpadní" cestou.
Korekce nadmořské výšky: V místech s větší nadmořskou výškou je řidší
vzduch, což je třeba kompenzovat zkrácením doby vstřiku. U motorů s MAFem
odpadá. Snímač okolního tlaku bývá součastí ECU nebo je řešen externě.
Korekce napětí palubní sítě: pokles napětí by ovlivnil rychlost otevírání
vstřikovacích ventilů a tím množství paliva, proto je třeba dávku upravit
vzhledem k zjištěnému napětí. To se uplatní hlavně při studeném startu,
kdy napětí baterie může výrazně poklesnout.
Start motoru je poměrně specifickou situací. Prvním úkolem je zajistit
si tlak paliva, tedy spustit palivovou pumpu. Protože čas od otočení klíčkem
do první polohy (zapnutí hlavního relé) a do druhé polohy (start) nemusí
být dostatečný k tomu, aby se pumpa rozeběhla a natlačila palivo do vedení
a do lišty vstřikovačů, bývá někdy pumpa napojena na dveře řidiče. Otevření
dveří tedy pumpu zapne a snímač tlaku paliva vypne. Tím je zajištěno, že
tlak paliva je dostatečný, ještě něž řidič dosedne. Jakmile zaznamená řídící
jednotka pokus o start, nastaví základní dávku paliva, připočte korekci
na napětí a na teplotu motoru. Když dostane řídící jednotka signál od snímače
otáček klikové hřídele, začne dávkovat palivo. Za extrémních okolností
dokonce rezignuje na sekvenční vstřikování a po nějakou dobu vstřikuje
kontinuálně.
Některé praktické důsledky v reálném životě:
- styl jízdy popsaný jako "pulse and glide" zde
znamená vlastně hledání rovnováhy mezi DFCO a pneumatickými ztrátami v
motoru. Ty jsou největší, když je škrtící klapka zavřená, protože písty
musejí "pumpovat" vzduch skrz clonu představující odpor, je to jako vytahovat
špunt z láhve, ve které je podtlak. Když je škrtící klapka otevřená, tato
ztráta odpadá. Na druhé straně je ovšem přítomno obohacování směsi pro
vysokou zátěž, které je, jak jsme si řekli, úměrné rozdílu počáteční a
koncové polohy škrtící klapky, tady jak moc šlápneme na plyn. To může spolehlivě
"požrat" úsporu z eliminace ztrát pumpováním. Pulse and glide tedy není
uvniverzální recept, funguje jen na některých typech vozidel.
- způsob jízdy populární mezi českými motoristy, který mimochodem rezultuje
v loudání se v křižovatkách, totiž brzké řazení dvojky a podtáčení motoru,
nevede k úspoře paliva. Dotyčný jedinec totiž zařadí dvojku a pořádně šlápne
na plyn. Zvenčí se to jeví jako trhaná jízda, někdy tomu říkám "turbodieselový
přískok". Razantním šlápnutím na plyn řidič nastartuje korekci směrem k
sytější směsi a úspora proletí výfukem. Je to zcela debilní chování, které
navíc vede k vyššímu opotřebení motoru. Ekonomické by bylo se rozjet plynule,
v malých otáčkách a s malou výchylkou plynu.
- k určité úspoře by vedlo, kdyby se místo současných "motýlkových"
škrtících klapek používaly posuvné
nebo válcové.
Taková škrtící klapka nabízí příznivější tvar clony a redukovala by ztráty
z čerpání vzduchu. Protože se dá sehnat celá řada těchto udělátorů jako
aftermarket, stává se z toho dostupný tuning i pro běžný provoz, ovšem
s tou nevýhodou, že je třeba mít speciální motorovou ECU
- pokud bychom do sání foukali plyn, například bubliny "vodíkokyslíku",
museli bychom tam přihodit nějakou "korekci na HHO". Tedy ubrat původní
palivo, změnit reakci na signál z MAP (registroval by vyšší tlak v sání,
což by vedlo k dalším důsledkům, například zaznamenání chyby o vadném EGR),
změnit reakci na signál z MAF (do motoru teče ještě nějaký plyn jinudy
než skrz MAF, přičemž nevíme, kolik ho je). Dál bychom se museli vypořádat
s DFCO, protože zařízení na vodíkobubliny nemá žádné řízení výkonu anebo
je primitivní, takže by motor musel při deceleraci pořád dál běžet, aby
spotřebovával vyrobený oxyhydrogen, který se jinak bude někde hromadit.
Objemová účinnost motoru bude také jiná, pravděpodobně menší. HHO církev
se ve svých úvahách kolem motormanagementu vydala jinou zdánlivě snazší
cestou, totiž oblbováním
různých senzorů, takže ECU realizuje správný program nad špatnými daty.
Nezbývá než připomenout základní zákon kybernetiky znějící "blbosti dovnitř,
blbosti ven".
- proč některá auta nechtějí jezdit na E85? E85 má vyšší stechiometrický
spalovací poměr, a to 9,8 : 1, narozdíl od benzínu (14.7 : 1). Zážehový
spalovací motor je řízený množstvím vzduchu (které ovládá naše pravá noha
napojená nepřímo na škrtící klapku) a tím pádem je nutné dávkovat více
paliva, skrz vstřikovací ventily tedy musí protéct o třetinu paliva více.
To už může být docela problém, protože při daném tlaku a omezeném průtoku
otevřeným vstřikovačem může doba otevření vstřikovače neúnosně narůstat
a dosáhnout doby, kdy vůbec vstřikovat lze. Někteří výrobci mají tendenci
navrhovat svoje výrobky "nadoraz", jen s takovou rezervou, aby pokryli
výrobní tolerance, takže už není dostatečná časová rezerva pro prodlužování
doby vstřiku. Pak všechny výše popsané korekce ztratí svůj smysl a motor
například nejde nastartovat nebo ztrácí výkon při vyšším zatížení. Napravit
to může být například zvýšení tlaku paliva (s ohledem na předchozí dimenzování
palivové soustavy poněkud sporný akt, který může skončit příjezdem hochů
v helmách a s hadicemi, nehledě na deformaci tvaru paprsku paliva za ventilem).
Limitním výsledkem je upálení svíček nebo propálení pístu coby následek
dlouhodobého provozu na chudou směs, ale v případě etanolu je to spíše
raritní situace způsobená totálním doprasením, vzhledem k nižším teplotám
hoření.
Pokud se vyskytují problémy se startováním motoru, ještě před nějakým rozsáhlejším a nákladným zkoumáním se vyplatí proměřit, zkusmo vyměnit anebo rovnou odpojit snímač teploty chladící kapaliny.
- jaká je největší chyba filmu Ronin? Že tam nejsou italská auta. Slavnou
filmovou honičku
s Audi A8, Citroenem XM a ultraekologickým Mercedesem 450SEL 6.9 si patrně
vybavíme všichni. Co povídal ten tuner, když upravoval A8 pro své účely
(S8 se tehdy ještě nedělala)? Že tam narve větší vstřikovače, protože EV6
od Bosche mají malý průtok ("the Bosch injectors aren't going to cut it,
they have to be custom made.") To se neděje jen ve filmech, to se děje
i českých servisech, v souvislosti s adaptacemi na E85. Obecně bych před
tím chtěl varovat, ten, kdo to dělá, by měl sakra vědět, co činí. V opačném
případě hrozí, že to vůbec na benzín nepojede nebo ani nenastartuje.
V příštím dílu mythbustingu pro petrolheady se podíváme, proč diesely
smrdí, proč ty moderní smrdí víc než ty staré, probereme, komu, kdy a proč
bude diagnostikována leukémie a rozebereme kurvítko zvané DPF neboli částicový
filtr.
15.10.2012 D-FENS