Technologie vstřikování nafty - druhy vstřikovacích čerpadel

V České republice je v současnosti v provozu zhruba milion vznětových motorů, které během svého provozu spálí 2,5 milionu tun motorové nafty. Systém vstřikování paliva má zásadní vliv na výkon, spotřebu, ale i kvalitu a kvantitu emisí. Není tedy divu, že automobilky a jejich dodavatelé věnují této oblasti značnou pozornost. V článku se dozvíte, jaké jsou hlavní technologie vstřikování nafty.

Trocha historie vstřikovačů

Rok 1897 byl pro motorismus velmi významný, jelikož Rudolf Diesel představil svůj vznětový motor (původně spaloval petrolej). V něm byly zcela zásadní vysoké vstřikovací tlaky potřebné pro vznícení a dávkování spalované látky (různé rostlinné a minerální oleje, LTO i petrolej). První diesely měly vstřikovače řešené vzduchovými kompresory, což je v řadě ohledů velmi nedokonalé řešení kvůli velkým rozměrům i váze a nízké efektivitě. Pro nasazení v osobních vozech se toto řešení příliš nehodilo. Využití našlo v lodích, lokomotivách a stacionárních motorech (pohon strojů, které stojí na místě).

Pak přišel Robert Bosch, který způsobil revoluci svým řadovým vstřikovacím čerpadlem. To bylo výrazně menší než předchozí typ. K jeho masovému rozšíření přispěla sériová výroba, která začala v roce 1927. Bosch se kromě čerpadel věnoval i vstřikovacím tryskám.

První diesel motory se objevily nejprve v nákladních vozech MAN, do osobních vozů pronikla v roce 1936. V roce 1962 přišlo na trh vylepšení vstřikovacího systému v podobě rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálními písty. Další vylepšení přišlo se systémem Electronic diesel control v roce 1986. Automobilka OPEL posunula v roce 1996 dál systém vstřikování svým řešením rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty. Slavný systém Common Rail, který je dnes přítomen v téměř všech diesel motorech, přišel na trh v roce 1997 s vozy Alfa Romeo.

Rudolf Diesel se objevil také na německé poštovní známce

Dělení vstřikovacích čerpadel podle konstrukce:

A) Čerpadla se samostatnou vstřikovací jednotkou pro každý válec motoru

1. Řadová vstřikovací čerpadla
2. a samostatné vstřikovací jednotky.

B) Čerpadla s jednou společnou vstřikovací jednotkou pro všechny válce motoru

1. Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty.

C) Čerpadla s vysokotlakým zásobníkem (Common Rail)

Řadová čerpadla

Pro každý válec motoru je určena jedna vstřikovací jednotka složená z válce vstřikovací jednotky a pístku. Pístek se pohybuje ve směru dodávky působením vačkové hřídele umístěné ve vstřikovacím čerpadle, poháněné motorem. Pístek se vrací zpět pomocí pístové pružiny.

Čerpadla s vlastním pohonem mají vačkovou hřídel umístěnou ve spodní části čerpadla. Čerpadla s cizím pohonem jsou poháněna vačkovou hřídelí motoru. Vstřikovací tlaky jsou cca 100–130 MPa. Starší typy mají mechanický regulátor využívající regulační tyč a táhla, modernější typy jsou elektronicky řízeny řídící jednotkou a mají lepší emise. Některé varianty se používají i dnes protože jsou spolehlivá a nenáročná na údržbu.

Řadové čerpadlo

Sdružená vstřikovací jednotka

Označována také jako PD – Pumpe Düse nebo UIS – Unit Injector Systém. Má hydraulické pístové vstřikování nafty. Vstřikovací čerpadlo a vstřikovací tryska tvoří jednu jednotku. Na rozdíl od ostatních nemá tento systém sdružené vstřikovací čerpadlo ani vysokotlaké potrubí. Vstřikovací jednotky jsou u každého válce v hlavě motoru.  Vstřik ovládá řídicí jednotka motoru prostřednictvím vysokotlakého elektromagnetického ventilu.

Čerpadla PD jsou poháněna buď od vačkové hřídele, nebo přes zdvihátko. Vstřikovací tlaky jsou cca 160–220 MPa (dle generace), s vyššími tlaky se nepracuje, protože dochází k rychlému opotřebení komponent. Nynější třetí generace je schopná rozdělit jednu dávku paliva až na pět, s variabilním časováním pomocí spínatelného elektronického ventilu. Najdeme ji především u motorů s rozvody OHC (vačková hřídel v hlavě motoru). Hlavní výrobci VOLVO, Cummins a SCANIA.

Sdružená vstřikovací jednotka

Samostatná vstřikovací jednotka

Jednotka označována také jako PLD nebo UPS je na trhu od roku 1995. Čerpadlo se nachází na bloku motoru. Jednotka určená pro nízkootáčkové velkoobjemové motory s rozvody OHV, kde je vačková hřídel poblíž klikové hřídele (SCANIA). Vstřikovací tlak je až 200 MPa. Starší typy nemají elektronickou regulaci pomocí řídicí jednotky, ale využívají systém blízký řadovým čerpadlům, tedy natáčení pístů pomocí regulační tyče.

Vstřikovací jednotka

Rotační vstřikovací čerpadlo

Toto čerpadlo se skládá z: palivového vedení s čističem, rotačního vstřikovacího čerpadla s integrovaným podávacím čerpadlem, vysokotlakého vstřikovacího potrubí a vstřikovačů se vstřikovacími tryskami. Čerpadlo je poháněno rozvodovým mechanismem motoru, zpravidla řemenovým převodem. Podle generace mohou tato čerpadla být řízena hranou (pomocí řídicích hran, vývrtů a šoupátka, počátek vstřiku mění hydraulický přesuvník vstřiku) nebo magnetickými ventily. Vstřikovací tlaky dosahují až 160 MPa.

Rotační vstřikovací čerpadlo má společný výtlačný element po všechny válce motoru. Nasazuje se především u spalovacích motorů nižší objemové a výkonové třídy, a to především kvůli omezenému množství vstřikovací dávky do spalovacího prostoru.

Dělí se podle pístu na axiální (stlačují palivo jedním pístem, pohybujícím se axiálně vůči hnací hřídeli čerpadla) a radiální (stlačují palivo více písty, uspořádanými radiálně vůči hnací hřídeli čerpadla). S radiálními písty lze vytvářet vyšší tlaky než s axiálním pístem.

Dělí se také podle způsobu regulace na čerpadla s mechanickou regulací (regulační pákový mechanismus s regulačním šoupátkem odměřuje dávky paliva) a čerpadla s elektronickým řízením (řídicí jednotka motoru provádí pomocí akčních členů umístěných v čerpadle, a to na základě vstupních informací ze snímačů).

Rotační vstřikovací čerpadlo

Common Rail

Vstřikovač Common Rail (CR) se od všech ostatních systémů liší tím, že má společný zásobník, který se podobá liště. Palivo je skladováno v zásobníku pod tlakem pro všechny válce a vstřikovače. Velikost tlaku je od 40 MPa do 250 MPa. V zásobníku je stále vysoký tlak, nezávisle na otáčkách motoru, palivo je tedy natlakováno do zásoby, na zásobníku je číslo tlaku, které posílá informace do řídicí jednotky, pokud dojde k překročení určité meze, aktivuje se pojistný ventil a palivo se přepustí zpět směrem do hlavní nádrže paliva.

Dávku a čas vstřiku určuje řídicí jednotka, která se rozhoduje na základě dat ze senzorů otáček klikové hřídele, otáček vačkové hřídele, polohy pedálu, plnicího tlaku, teploty chladicí kapaliny a hmotnosti nasávaného vzduchu.

Common Rail systém dnes dominuje, protože přináší celou řadu výhod. Umožňuje měnit časování vstřiku i tlaky v zásobníku, díky vysokým tlakům paliva se palivo jemněji rozpráší a tím se dosahuje lepšího spalování, vyšších výkonů, lepších emisí a nižší spotřeby. Dále je možné spalovanou dávku rozdělit do vícero dávek, a tím zajistit motoru měkčí chod.

CR čerpadla dělíme podle konstrukce také na třípístové radiální, dvoupístové řadové a radiální. Hlavními výrobci jsou CR firmy BOSCH, Continental (SIEMENS), DELPHI a DENSO.

CR systémy se neustále vyvíjí a zdokonalují, v současné době existují tři generace (viz níže).

Jak se tvoří u dieselů směs paliva a vzduchu?

Každý motor má jiné parametry, proto je potřeba individuálně navrhnout systém vstřikování pro konkrétní motor. Podle parametrů motoru, zatížení a otáček se stanovuje velikost dávky vstřiku. Způsob podání dávku paliva ovlivňuje řadu věcí, např. výkon, hlučnost motoru, emise spalin. Je třeba také určit správný okamžik vstřiku, správný způsob vstřikování a velikost dávky.

U dieselových motorů platí, že výkon je závislý na množství paliva ve směsi. Výkon je tedy regulován změnou množství vstříknutého paliva do spalovacího prostoru. Jak už název napovídá, ve vznětovém motoru se palivo vznítí působením vysoké teploty stlačeného vzduchu palivové páry se vzduchem. Pro správné vznícení je důležité palivo správně dávkovat (čas vstřiku, počet vstřiků, vstřikovaná množství) a správně rozprášit (čím jemnější kapičky, tím rovnoměrnější shoření paliva ve válci).

Do spalovacího prostoru je tedy nafta rozprašována ve formě malých kapiček, aby se hořlavá látka co nejlépe smísila se vzduchem a došlo k co nejideálnějšímu způsobu spalování. Vysoká teplota stlačeného vzduchu (cca 900 stupňů Celsia) při kompresi odpaří jemně rozptýlenou naftu, a tím vznikne hořlavá směs v plynném skupenství, která se sama vznítí. Spalování v diesel motorech je mimo jiné ovlivněno kvalitou (vznětlivostí) paliva, způsobem rozprášení paliva, teplotou nasávaného vzduchu, teplotou spalovacího prostoru a kompresním poměrem.

Tím jsme si také nastínili, proč motory spalující naftu mají problém se starty v zimě. Dokonalejšího spalování se dosahuje navyšováním vstřikovacích tlaků a rozdělením dávky na více vstřiků. Je třeba vzít v potaz prodlevu vznícení paliva vzhledem k otáčkám motoru. Například můžeme říct, že čím větší otáčky motoru, tím větší bude předvstřik paliva.

Problém je, když ve válci vznikají místa, kde je směs buď moc chudá, nebo příliš bohatá. Pokud je ve válci málo vzduchu, dochází k nedokonalému spalování, účinnost jde dolů a ve výfukových plynech je mnohem víc škodlivých látek.

Dieselův motor pracuje s přebytkem vzduchu, směs se tvoří ve spalovacím prostoru nebo v předkomůrce a je nehomogenní. Na spalování má vliv především množství vstřikovaného paliva, doba trvání vstřiku a okamžik vstřiku (pozice klikové hřídele), směr vstřikování a počet paprsků, dále pak víření směsi.    

U prvního systému s řadovým čerpadlem se podařilo docílit maximálních vstřikovacích tlaků 130 MPa. Laboratorně nejvyšších vstřikovacích tlaků se podařilo dosáhnout u systému PDE, a to až 300 MPa.

Common Rail dosahuje vstřikovacích tlaků až 250 MPa. Další zvyšování tlaků není účelné. Při tlaku 250 MPa dochází k téměř dokonalému spalování. U dalšího zvyšování tlaku může dojít k problému s velikostí elementárních kapiček, které jako pevné částice po spálení není možné kompletně zachytit ve filtru pevných částic. Takto malé částice jsou navíc zdraví škodlivé. Usazují se v plicích a vzhledem k jejich malým rozměrům nejsou plíce schopny je vyloučit. I z tohoto důvodu dnes mnohé automobilky upouštějí od dieselových motorů v osobních automobilech.


Jsme specialisté v repasi široké škály autodílů, kterou neustále rozšiřujeme. U nás máme skladem kvalitní čerpadla - vysokotlaká a vstřikovací.