Proč vaše auta již nemají karburátory

Předpisy týkající se emisí a požadavky na spotřebu paliva donutily automobilový průmysl zcela přehodnotit způsob, jakým dodává benzín do motoru. Tento posun není nedávný. Stalo se to postupně, řízeno spíše inženýrskou nutností než volbou. Subaru Justy z roku 1990 zaujímá zvláštní místo v americké automobilové historii. Bylo to poslední sériově vyráběné auto prodávané ve Spojených státech s karburátorem. Příští modelový rok? Justy obdržel systém vstřikování paliva.

To činí chronologii pro některé nadšence matoucí. Vstřikování paliva není nová technologie. Jeho počátky sahají do 50. let minulého století. Evropští výrobci ve velké míře používají elektronické vstřikování paliva zhruba od roku 1980. Dnes, pokud si koupíte nový vůz ve Spojených státech, je vybaven vstřikováním paliva. Tečka.

Podrobně se podíváme na to, jak přesně se palivo dostává do válce. Rozdělíme si také pojmy jako „víceportové vstřikování paliva“ a „vstřikování paliva tělesem škrticí klapky“, abyste pochopili, co se skutečně děje pod kapotou.

Složité stoupání a klesání karburátoru

Téměř po celou dobu životnosti spalovacího motoru odvedl většinu práce karburátor. Smíchal vzduch a palivo pro motor. Na sekačkách a motorových pilách je můžete vidět dodnes. Pracují. Jsou jednoduché. Ale auta se stala složitými. Karburátor musel zvládat více provozních režimů než kdy předtím.

Aby se tato zátěž vyrovnala, tato mechanická zařízení se stala složitými. Typický design vyžadoval pět samostatných okruhů:

• Hlavní okruh – Dodává přesné množství paliva potřebné pro efektivní jízdu při cestovní rychlosti.
• Idle Air Circuit – Udržuje hladký chod motoru, když stojíte na semaforu.
• Akcelerační čerpadlo – Poskytuje rychlou dávku paliva při prvním sešlápnutí pedálu. Tím se eliminuje zpoždění reakce.
• Okruh pro obohacení výkonu – Přidává další palivo při stoupání do kopce nebo tažení těžkého přívěsu.
• Sytič – Obohacuje směs, když je motor studený, aby bylo zajištěno spolehlivé startování.

Nestačilo jednoduše namíchat palivo. Prostředí se změnilo. Ekologické normy se zpřísnily. Katalyzátor se stal povinným. Aby toto zařízení fungovalo efektivně, vyžaduje velmi specifický poměr vzduchu a paliva. Příliš mnoho paliva a nefunguje to. Příliš málo a ani to nejde.

Inženýři museli v reálném čase sledovat hladinu kyslíku ve výfukových plynech. K přenosu dat do řídicí jednotky motoru (ECU) použili kyslíkové senzory. ECU pak okamžitě upravila směs. Toto se nazývá řízení s uzavřenou smyčkou. Karburátory prostě nemohly dosáhnout této úrovně přesnosti. Jsou mechanické. Nedokážou „myslet“.

Nastalo krátké nepříjemné období, kdy se výrobci snažili karburátor elektrifikovat. Elektricky ovládané karburátory byly ještě složitější než jejich čistě mechanické protějšky. Neuspěli. Vstřikování paliva zabralo.

Od bodového vstřikování k vícebodové přesnosti

Přechod neproběhl přes noc. Prvním krokem bylo vstřikování paliva do těla škrticí klapky. Také známé jako jednobodové nebo centrální vstřikování paliva. Tento systém umístil elektricky ovládané ventily vstřikovačů přímo do těla škrticí klapky.

Byla to téměř přímá náhrada. Automobilky nemusely předělávat své motory. Bylo to rychlé rozhodnutí. Ale nebylo to dokonalé.

Jak se konstrukce motorů vyvíjela, výrobci přešli k víceportovému vstřikování paliva. Nazývá se také vstřikování do potrubí, vícenásobné vstřikování nebo sekvenční vstřikování paliva. Rozdíl je značný. Každý válec má svůj vlastní vstřikovač. Tyto trysky rozstřikují palivo přímo na sací ventil.

Výsledkem je lepší přesnost. Dávkování je přísnější. Motor reaguje rychleji. Toto je efektivnější systém. Éra jednoho vstřikovače pro všechny válce skončila.

Pochopení vstupních dat

Když v autě sešlápnete plynový pedál, neřídíte přímo palivo. Vy ovládáte plyn. Tento ventil reguluje množství vzduchu vstupujícího do motoru. Palivový systém na tento vzduch reaguje.

Plynový pedál je tedy vlastně vzduchový pedál.

Sešlápněte pedál plynu. Škrticí ventil se otevře. Vzduch proudí dovnitř. Řídicí jednotka motoru (ECU) tento pohyb okamžitě detekuje. Nejen přihlíží. On reaguje. ECU zvyšuje dodávku paliva ještě předtím, než do spalovací komory vstoupí další vzduch.

Proč je synchronizace tak důležitá?

Protože zpoždění je nepřítel. Pokud přívod paliva nedrží krok s přívodem vzduchu, vytvoří se směs bohatá na palivo s přebytkem vzduchu. Motor se rozběhne. Cítíš to jako hulvát. ECU tomu brání synchronizací vstřikování paliva s prouděním vzduchu. Je to těsný tanec mezi prouděním hmoty vzduchu a atomizací paliva.

Anatomie injektoru

Vstřikovač paliva je v podstatě elektronicky řízený ventil. Nechte to jednoduché. Jedná se o „hlídače“, který řídí dodávku paliva pod tlakem z čerpadla. Otevírá a zavírá se mnohokrát za sekundu. Přesnost je klíčová.

Když ECU vyšle elektrický signál, elektromagnet posune plunžr. Ventil se otevře. Palivo je vstřikováno pod tlakem přes malou trysku. Tato tryska je určena pro stříkání. Promění tekutinu v jemnou mlhu. Proč? Protože mlha hoří. Kapalina – ne. Pro úplné spalování je zapotřebí velký povrch. Čím jemnější mlha, tím lepší spalování.

ECU řídí dobu trvání tohoto otevření. Říkáme tomu šířka pulzu. Delší pulz znamená více paliva. Kratší znamená méně. Jednoduchá fyzika.

Tyto vstřikovače jsou instalovány v sacím potrubí. Vstřikují palivo přímo do sacích ventilů. Rozdělovač paliva distribuuje palivo pod tlakem do každého vstřikovače. Toto je uzavřený systém. Tlak je konstantní. Dynamické ovládání.

Síť senzorů

ECU nemůže rozhodovat ve vzduchoprázdnu. Potřebuje data. Spousta dat. Motor pracuje v neustále se měnících podmínkách. Teplota, zatížení, rychlost, proudění vzduchu. ECU monitoruje všechny tyto parametry pomocí sítě senzorů.

ECU poslouchá toto:

• Snímač hmotnostního průtoku vzduchu (MAF): Sděluje ECU přesně, kolik vzduchu vstupuje do motoru. Toto je hlavní vstupní signál pro výpočet základní dávky paliva.
• Snímač kyslíku (lambda sonda): Nachází se ve výfukovém systému. Měří obsah kyslíku ve výfukových plynech. Tato zpětná vazba sděluje ECU, zda je směs bohatá (příliš mnoho paliva) nebo chudá (příliš mnoho vzduchu). ECU upravuje provoz na základě těchto dat v reálném čase.
• Snímač polohy škrticí klapky: Sleduje úhel natočení škrticí klapky. Signalizuje ECU o záměrech řidiče. Náhle sešlápnout pedál? ECU to okamžitě vidí a upraví dodávku paliva, aby se zabránilo zpoždění.
• Snímač teploty chladicí kapaliny: Motor vyžaduje jiný poměr vzduchu a paliva, když je studený, než když je horký. Tento snímač informuje ECU o tepelném stavu motoru. Studené motory vyžadují pro hladký chod bohatší směs.
• Snímač napětí: Na elektrickém systému záleží. Pokud napětí v systému klesne, často to znamená vysokou elektrickou zátěž (například kompresor klimatizace nebo generátor běží pod napětím). ECU může zvýšit volnoběžné otáčky, aby kompenzovala zatížení.
• Snímač absolutního tlaku v sacím potrubí (MAP): Měří podtlak v sacím potrubí. Menší tlak znamená více nasávaného vzduchu. ECU to používá k odhadu zatížení motoru a výkonu. Více vzduchu dovnitř, více paliva ven.
• Snímač otáček motoru: Otáčky (RPM) jsou kritickým faktorem při výpočtu šířky impulzu. Čím rychleji se motor otáčí, tím častěji musí vstřikovače střílet, aby poměr udržely.

Sekvenční versus dávková injekce

Víceportové systémy vstřikování paliva obecně spadají do dvou kategorií. Buď vystřelí všechny najednou nebo postupně.

Dávkové vstřikování je jednodušší. Všechny vstřikovače se otevřou v jedné události nebo ve skupině událostí. Funguje to. Ale dochází ke zpoždění.

Sekvenční víceportové vstřikování paliva funguje jinak. Každý vstřikovač se otevře těsně předtím, než se otevře sací ventil jeho konkrétního válce. Čas je synchronizován pro každý válec samostatně.

co je lepší? Sekvenční injekce těží z citlivosti.

Zvažte náhlou změnu polohy plynu. V prasklém systému může být ECU nucena čekat na další plnou otáčku motoru, než dojde k dalšímu vstřikování. To je zpoždění. V sekvenčním systému ECU čeká pouze na otevření sacího ventilu pro konkrétní válec. Může to být o milisekundy dříve.

Výsledkem je rychlejší adaptace. Motor reaguje na podněty řidiče s menším zpožděním. Poměr vzduch-palivo zůstává za dynamických podmínek stabilnější. Nejde jen o moc. Jde o plynulost. Jde o přesnost.

Technologie se stále vyvíjejí. Ale základní princip zůstává stejný. Změřte vzduch. Přidejte palivo. Spalte to dočista. Udělejte to rychle.

Software uvnitř vaší řídicí jednotky motoru (ECU) dělá hodně práce. Nejedná se pouze o jednoduchý přepínač. Algoritmy musí splňovat přísné emisní požadavky na 100 000 mil, splňovat cíle spotřeby paliva EPA a zabraňovat zničení motoru. Existuje mnoho dalších omezení, které je třeba vzít v úvahu.

ECU používá vzorec v kombinaci s velkými datovými tabulkami k určení šířky impulsu pro vstřikovače paliva. Toto je doba, po kterou zůstává tryska otevřená. Rovnice násobí řadu faktorů. Většina těchto faktorů je převzata z tabulek. Můžeme to zjednodušit, abychom pochopili, jak to funguje. Skutečný systém může využívat sto faktorů. V našem příkladu používáme tři.

Šířka pulzu = (Základní šířka pulzu) x (Faktor A) x (Faktor B)

Nejprve ECU určí šířku základního impulsu. Záleží na otáčkách motoru (ot/min) a zatížení. Zatížení je určeno absolutním tlakem v sacím potrubí. Řekněme, že jste na 2000 ot./min se zátěží 4. Průsečík najdete v tabulce. Základní šířka pulzu je 8 milisekund.

RPM\Load	1	2	3	4	5
1 000	1	2	3	4	5
2 000	2	4	6	*8	10
3 000	3	6	9	12	15
4 000	4	8	12	16	20

Nyní se podívejme na faktory A a B. Pocházejí ze senzorů. Faktor A je teplota chladicí kapaliny. Faktor B – hladina kyslíku. Pokud je teplota chladicí kapaliny 100 stupňů a hladina kyslíku je 3, tabulky nám dávají konkrétní multiplikátory.

Parametr A (Teplota)	Faktor A
0	1,2
25	1,1
50	1,0
75	0,9
100	0,8
125	0,75

Parametr B (O2)	Faktor B
0	1,0
1	1,0
2	1,0
*3	1.0
4	0,75

Matematika je tedy jednoduchá. 8 x 0,8 x 1,0 se rovná 6,4 milisekundám. Systém na základě těchto vstupů upravuje parametry. Faktor B se týká obsahu kyslíku ve výfukových plynech. Pokud je kyslíku příliš mnoho, ECU sníží dodávku paliva. Jedná se o zpětnovazební smyčku navrženou pro zajištění účinnosti.

Reálné systémy mají více než 100 parametrů. Některé tabulky se v průběhu času mění, aby zohlednily opotřebení dílů, jako je katalyzátor. ECU může provádět tyto výpočty stokrát za sekundu.

Co čipy pro zvýšení výkonu vlastně dělají

Tím se dostáváme k čipům pro zvýšení výkonu. Pokud rozumíte logice ECU, je jasné, proč tyto čipy třetích stran existují. Zvyšují výkon motoru.

Standardní ECU má čip obsahující datové tabulky. Výrobci čipů nahrazují tento čip, aby zvýšili výkon. Nové tabulky obsahují hodnoty, které za určitých podmínek poskytují více paliva. Mohou přidat více paliva, když je pedál plynu plně sešlápnut v celém rozsahu otáček. Mohou také změnit časování zapalování. Pro tato nastavení existují tabulky.

Hlavním rozdílem jsou priority. Automobilky se starají o spolehlivost, spotřebu paliva a emise. Výrobci čipů se o tyto věci tolik nestarají. Používají agresivní nastavení v mapách vstřikování paliva. Chtějí moc. Tečka.

Budoucnost přímého vstřikování

Přímé vstřikování změnilo hru. Palivo je přiváděno přímo do spalovací komory, nikoli do sacího potrubí. Toto přesné dávkování zlepšuje atomizaci. Získáte efektivnější spalování. Více síly. Méně emisí.

Elektromobily získávají podíl na trhu. Poptávka po spalovacích motorech bude klesat. Stejně tak poptávka po vstřikovačích paliva. Ale to se nestane přes noc. Spalovací motory budou existovat ještě mnoho let. Hybridy je potřebují. Specializované aplikace je potřebují.

Technologie se stále vyvíjejí. Vidíme vysokotlaké vstřikovací systémy. Řídící algoritmy jsou stále chytřejší. Integrace se systémy elektrické trakce již začíná. Tyto kroky slibují ještě větší efektivitu a menší znečištění. Krajina se mění.

Chcete-li se dozvědět více o systémech vstřikování paliva, postupujte podle odkazů na další stránce.

Často kladené otázky o systémech vstřikování paliva

Lze karburátor předělat na vstřikování paliva?
Ano. Konverzní komponenty od výrobců třetích stran mohou nahradit karburátor vstřikovači.

Kolik stojí systém konverze vstřikování paliva?
Některé systémy stojí méně než 1 000 USD. Většina je výrazně dražší.

Zvyšuje vstřikování paliva výkon?
Záleží na motoru. Můžete očekávat nárůst výkonu o 10–20 koní.

Mají starší auta vstřikovače?
Většina amerických automobilů vyrobených před rokem 1990 používala karburátory. Vstřikování paliva existuje od 50. let minulého století. Od roku 1980 jej hojně využívají evropské automobily.

Jaké typy systémů vstřikování paliva existují?
Moderní systémy jsou rozděleny do čtyř kategorií: centrální vstřikování, víceportové vstřikování, sekvenční vstřikování a přímé vstřikování.

Související články HowStuffWorks

• Jak fungují zapalovací systémy automobilů?

• Jak fungují motory automobilů?

• Jak fungují katalyzátory?

• Jak fungují chladicí systémy automobilů?

• Jakou rychlostí byste měli jet pro maximální úsporu paliva?

• Jak funguje benzín?

• Jak funguje vodíková ekonomika?

• Jak funguje hybridní vůz Aptera

Další užitečné odkazy

• Systém přívodu paliva

• Odstraňování závad elektronického systému vstřikování paliva

• Tipy pro údržbu systému vstřikování nafty

• Video GM Goodwrench