Referát. Autopříslušenství prvovýbava Doplňkové funkce k přímému vstřikování benzinu: Pohled do technologie budoucích zážehových motorů

Transkript

1 Referát Autopříslušenství prvovýbava Doplňkové funkce k přímému vstřikování benzinu: Pohled do technologie budoucích zážehových motorů červenec 2003 RF Dr. Rolf Leonhard, člen vedení výrobní oblasti benzinové systémy Robert Bosch GmbH, Přednáška k 56. mezinárodnímu tiskovému kolokviu o automobilech, Červen 2003 v Boxberg Evropský automobilový průmysl se zavázal, že sníží průměrný obsah CO2 ve výfukových plynech, který přímo souvisí se spotřebou pohonných hmot pro nové osobní automobily do roku 2008 na 140 gramů na kilometr. Elektronické přímé vstřikování benzínu DI-Motronic jako jednu z nejúčinnějších koncepcí k dosažení úspory pohonných hmot a nižších emisí CO2 u zážehových motorů dodává Bosch sériově již od roku Díky vrstvenému plnění snížil spotřebu paliva v porovnání se vstřikováním se sacím potrubím asi o deset procent. V budoucnu budou zážehové motory díky doplňkovým funkcím DI-Motronic ještě úspornější a čistší. A protože navíc povedou ke spontánnějším a silným motorům s dobrou možností dávkování, zvýší také radost z jízdy. Kombinace přímého vstřikování s přeplňováním tak snižuje dále spotřebu zážehových motorů: konstruktéři motorů mohou díky Downsizing zmenšit zdvihový objem při nezměněném jmenovitém výkonu a snížit spotřebu. K tomu přispívá i nový elektrický přídavný kompresor od firmy Bosch. Zvyšuje točivý moment motoru v dolním rozsahu otáček a odstraňuje tím slabý výkon motoru při rozjíždění. To je zvláště patrné u přeplňovaných motorů s malým zdvihovým objemem. Aby automobily v budoucnu při zastavování způsobeném dopravní situací spotřebovávaly méně pohonných hmot, rozšíří Bosch vstřikovací systémy o levnou Start-Stop funkci. Tato funkce vypne motor při zastavení vozidla a nastartuje jej pro další jízdu bez pomoci startéru. Tato Start-Stop funkce od firmy Bosch ušetří až pět procent paliva. Robert Bosch odbytová s.r.o Pod Višňovkou 1661/ Praha 4 pavel.roman@cz.bosch.com Phone Fax Corporate Communications Vedoucí: Pavel Roman

2 Pro zvláště nízké emise škodlivin vyvinul Bosch přímé vstřikování benzinu s výhradně homogenní tvorbou směsi pro čištění výfukových plynů běžnými třícestnými katalyzátory. Tím mohou zážehové motory již dnes splnit budoucí přísné americké zákony o emisích. Odborníci u výrobců motorů a jejich subdodavatelů zkoumají v současnosti proces spalování se řízením paprsku jako další vývoj přímého vstřikování benzinu s rozvrstveným plněním. Díky tomu budou zážehové motory ještě čistší a úspornější, protože se přitom palivo spaluje účinněji než doposud. Bosch za tím účelem vyvíjí vstřikovací ventily, které umožní nový způsob spalování. Přímé vstřikování a přeplňování pro menší spotřebu a více potěšení z jízdy Dnešní zážehové motory s přeplňováním nadchnou vysokým specifickým výkonem s více než 100 kilowaty na litr zdvihového objemu, platí ale také často za méně úsporné. Kombinací DI-Motronic a přeplňování mohou inženýři již při vývoji motoru působit proti vysoké spotřebě: Protože palivo vstřikované přímo do spalovacího prostoru ochlazuje spalovanou směs, lze ji stlačit více, než je to v současnosti možné u přeplňovaných motorů, aniž by došlo k jejímu samovolnému a nekontrolovatelnému zapálení. Množství paliva potřebné pro plný výkon je při přímém vstřikování rozděleno do dvou dávek, a tím navíc optimalizuje spalování pohonných hmot. Obě opatření dohromady zlepšují účinnost v celé charakteristice chodu motoru a snižují spotřebu paliva asi o tři procenta. U motorů se vstřikováním se sacím potrubím určují rozhodujícím způsobem dimenze plnícího systému vysoké teploty výfukových plynů. Další požadované parametry, jako je dobrá reakce turbodmychadla na změny zatížení, vysoký výkon motoru a nízká spotřeba paliva, nelze často optimálně uskutečnit. Motory s přímým vstřikováním mají naproti tomu nízké teploty výfukových plynů a dávají tím konstruktérům motorů více prostoru přizpůsobit plnící systém těmto dalším cílům. Souhra přímého vstřikování a přeplňování je základem pro Koncepci Downsizing, které slibují další úspory ve spotřebě. Při Downsizing se nahrazují konvenční motory s nasáváním menšími motory s menší spotřebou paliva, se stejným výkonem a přeplňováním. Se zdvihovým Page 2 of 6

3 objemem zmenšeným o 30 % oproti základní variantě (nepřeplňovaný motor se vstřikováním se sacím potrubím) lze snížit spotřebu paliva při nezměněném jmenovitém výkonu až o 14 procent. Silnější Downsizing s až o 50 % zmenšeným zdvihovým objemem má ještě větší výhody, pokud jde o spotřebu. Vyžaduje to však doplňková opatření k zachování rozsahu výkonu vozidla. Turbodmychadla bez propadu výkonu (bez turboefektu ) s přídavným elektrickým kompresorem Právě u turbomotorů s malým zdvihovým objemem a výhodnější spotřebou, které budou v budoucnu více přicházet na trh, se projevuje výrazná slabost při rozjíždění známým propadem výkonu turbodmychadla : Běžné, jednostupňové přeplňování nedodává motoru při nízkých otáčkách nebo dynamickém způsobu jízdy dostatek vzduchu na spalování. V těchto případech dodává motoru dostatečné množství vzduchu nový pomocný kompresor od firmy Bosch. Pomocný kompresor zvyšuje točivý moment motoru při rozjezdových otáčkách až o 50 procent a poskytuje i během jízdy přídavný točivý moment takřka bez zpoždění. Elektronický regulační systém pak ukládá, jak řidič využívá výkon motoru a předvídá dlouhodobě jeho chování. U motorů s mírným Downsizing podstatně zvyšuje kombinace přímého vstřikování a přídavného kompresoru oproti běžnému motoru bez přeplňování požitek z jízdy. Extrémnější koncepce Downsizing nabízí teprve s přídavným kompresorem požadovanou spontánnost. Důležité pro integraci kompresoru do systému je důležitý dostatečný elektrický výkon. Bosch jej dimenzoval tak, aby jej šlo provozovat ve 12V elektrické síti vozidla. Start-Stop funkce s přímým startováním Dnes ještě vozidla spotřebovávají palivo i při zastavení způsobeném dopravní situací, např. na červenou na křižovatce nebo při dopravní zácpě. Nápravu představují Start-Stop funkce, které automaticky přeruší přívod paliva při zastavení a motor při pokračování jízdy zase automaticky nastartují. Doposud k tomu byly potřebné náročné externí agregáty. Tak tomu ale není u nového levného přímého startování od firmy Bosch, které podporuje konvenční elektrický startér. Přídavná funkce přímého vstřikování spočívá v tom, že přímý start uvede spalovací motor do provozu v širokém rozsahu použití pouze zapálením spalovací směsi, aniž se použije startér. Z toho plynou výhody - snížení spotřeby až o pět procent a komfortnější, tišší a rychlejší startování motoru, to vše při nízkých emisích vznikajících Page 3 of 6

4 při startování. Funkce přímého vstřikování navíc odlehčuje elektrický startér, obzvláště při extrémně nízkých venkovních teplotách a u motorů s velkým počtem válců. DI-Motronic pro nízké emise vyhřívání katalyzátoru a vysokotlaké vrstvené startování Přímé vstřikování od firmy Bosch lze pružně přizpůsobit různým požadavkům konstruktérů motorů. Vrstvené plnění zajišťuje u zážehových motorů nízkou spotřebu paliva. Jsou-li požadovány zvláště nízké škodlivé emise, dodává Bosch DI-Motronic s homogenní tvorbou směsi. V kombinaci s běžnými třícestnými katalyzátory motory splňují i budoucí přísné mezní hodnoty emisí, jako SULEV (Sub Ultra Low Emission Vehicle) pro severoamerický trh, které se budou používat již pro vozidla od roku výroby Podle normy SULEV nesmí vozidla v testovacím cyklu (FTP75) emitovat více než 0,01 gramu sloučenin uhlovodíků a 0,02 gramu kysličníku dusnatého na míli. Výhodou přímého vstřikování od firmy Bosch průběh vstřikování se dá v širokém rozsahu nastavit variabilně je rychlé zahřátí katalyzátoru a menší emise uhlovodíků během studeného startu. Jen katalyzátor s provozní teplotou může optimálně čistit výfukové plyny od škodlivin, proto se musí katalyzátor ve fázi zahřívání motoru co nejrychleji zahřát. Bosch proto vyvinul i pro přímé vstřikování rychlé zahřívání katalyzátoru horkými výfukovými plyny, již osvědčené u vstřikování se sacím potrubím. Rozdělením vstřikování na sání a kompresi (homogenní dělené dvojité vstřikování) lze spalovací směs během zahřívání motoru zapálit podstatně později, aniž by se riskoval neklidný chod motoru nebo vynechání zapalování. Tak vznikají velmi horké výfukové plyny, které katalyzátor zahřejí na jeho provozní teplotu skoro dvakrát rychleji než doposud. Nová strategie startování od firmy Bosch snižuje emise při studeném motoru. Při vysokotlakém vrstveném startování vstříkne DI-Motronic teprve těsně před zapálením palivo pod vysokým tlakem do spalovacího prostoru. V tomto okamžiku má stlačený spalovací vzduch teplotu již více než 100 stupňů Celsia. To vede k velmi dobré tvorbě směsi i při nízkých venkovních teplotách. Startování s vrstveným plněním, které je možné i u motoru s homogenní tvorbou směsi, snižuje emise uhlovodíků o 30 až 50 procent v porovnání s motorem, jehož přímé vstřikování tvoří směs homogenně při nízkém tlaku ve fázi startování. Page 4 of 6

5 Spalovací proces s řízením paprsku Bosch vyvíjí dále DI-Motronic s vrstveným plněním pro spalování s řízením paprsku, díky kterému budou zážehové motory v budoucnu ještě úspornější a čistší. Vstřikovací tryska umístěná uprostřed ve stropu spalovacího prostoru vstřikuje do prostoru tak jemně rozprášené palivo, že lze směs vzduchu s palivem okamžitě zapálit. Doprava směsi typická pro dnešní metodu přímého vstřikování benzinu podél stěny spalovacího prostoru a/nebo proudem vzduchu ve spalovacím prostoru již není potřebná. Ušetří se energie, a tím palivo pro silné proudění směsi. Lepší tepelná izolace mezi spalovanou směsí a stěnou spalovacího prostoru má za důsledek další zlepšení účinnosti. Celkově snižuje DI-Motronic spalováním s řízením paprsku spotřebu v porovnání s dnešními metodami přímého vstřikování o dalších pět procent. Bosch počítá s prvním použitím nové metody spalování nejdříve v roce V současnosti vyvíjí Bosch dva naprosto odlišné typy vstřikovacích ventilů pro spalování s řízením paprsku: ventily ovládané magnetem s tryskou s více otvory a ventily s piezoelektrickým ovladačem. Na vstřikovacích ventilech s tryskou s více otvory se palivo jemně rozprašuje na destičce se šesti až deseti otvory umístěné na špičce ventilu. Různým umístěním otvorů lze přizpůsobit geometrii paprsku paliva různým spalovacím prostorům. To je za prvé důležitým předpokladem stabilního spalování, za druhé to umožňuje, že lze ventil použít pro různé koncepce motorů a usnadňuje to konstruktérům přechod z dnešní na budoucí metody spalování. Kombinace trysek s několika otvory a elektromagnetickým ovladačem umožňuje vyrobit levný kompaktní vstřikovací ventil. Zvláště vhodné pro požadavky spalovacího procesu s řízeným paprskem jsou rychle spínající vstřikovací ventily s piezoelektrickým ovládáním. Díky jejich rychlosti spínání, která je v porovnání s elektromagnetickými ovladači dvojnásobná, je možné ještě lépe přizpůsobit průběh vstřikování. Pomocí krátkých a rychlých vstříknutí je například možné se střídavým působením okolního vzduchu vytvořit proudění směsi ve spalovacím prostoru a použít jej ke tvorbě směsi a jejímu vznícení. Ve spojení s tryskou A, tj. Tryskou s kruhovou štěrbinou otevírající se směrem ven, která vytváří souvislý kuželovitý vstřikovací paprsek namísto několika samostatných paprsků paliva, je možné maximálně využít potenciál nové metody spalování pro snížení spotřeby. Ovšem tyto vstřikovací trysky jsou v porovnání s tryskami s více otvory větší a náročnější na výrobu. Page 5 of 6

6 DI-Motronic více než koncepce pro snížení spotřeby Původně mělo přímé vstřikování v prvé řadě snížit spotřebu zážehových motorů. Dnes umí DI-Motronic od firmy Bosch podstatně více: tím, že zajišťuje i u přeplňovaných zážehových motorů nižší spotřebu, aniž by zmenšovalo jeho výhody jako např. široce využitelné pásmo otáček, stává se předpokladem pro nový vývoj motorů se spontánním rozvojem síly. Navíc poskytuje přímé vstřikování benzinu ideální základnu pro splnění i těch nejpřísnější zákonných emisních limitů. O potenciálu přímého vstřikování benzínu se nechává přesvědčit stále více výrobců automobilů: Dnes dodává Bosch systémy pro sériově vyráběné motory mezi 1,4 a šesti litry zdvihového objemu a s výkony motorů mezi 77 a 327 kilowatty. Navíc se využívá DI-Motronic v automobilovém sportu: Při 24hodinovém závodu v Le Mans s ním slavila Audi R8 v roce 2002 převahu trojitým vítězstvím po dvojitém vítězství v roce I v tomto roce byla vozidla s přímým vstřikováním benzinu od firmy Bosch v Le Mans opět na startu. Tiskové foto: 1-GS-12011, 1-GS-12012, 1-GS-12013, 1-GS-12014, 1-GS-12025, 1-GS Skupina Bosch je celosvětově vedoucím výrobcem automobilové a průmyslové techniky, spotřebního zboží a technického zařízení budov. Kolem zaměstnanců dosáhlo ve fiskálním roce 2005 obratu 42 miliard Euro. Společnost byla založena ve Stuttgartu v roce 1886 Robertem Boschem ( ) jako Dílna pro jemnou mechaniku a elektrotechniku. Současnou skupinu Bosch tvoří výrobní, odbytová a zákaznická síť s cca. 270 dceřinými společnostmi a více než servisními centry ve více než 140 zemích. V České republice Bosch Group vyrábí a prodává originální automobilovou techniku, autodíly pro náhradní spotřebu, průmyslovou a automatizační techniku, elektrické nářadí, zabezpečovací systémy, tepelnou techniku a domácí spotřebiče. V osmi dceřiných společnostech pracuje téměř 9000 zaměstnanců. Celkový obrat Bosch Group v ČR v roce 2005 činil včetně dodávek do jiných závodů Bosch 1,07 miliardy EUR. Z toho prodeje v České republice dosáhly výše 414 milionu EUR. Více informací na Page 6 of 6