Nejnovější trendy ve vývoji vznětových motorů: Jak se zbavit škodlivin?

Vznětové motory prodělaly v 90. letech a zejména následujícím desetiletí obrovský rozvoj. Přitom ještě před čtvrt stoletím šlo o hlučné a málo výkonné agregáty. Co vlastně změnilo svět dieselů úplně nejvíc? Kromě přeplňování turbodmychadlem to bylo zejména zavedení přímého vstřikování nafty. To pomohlo zásadním způsobem zlepšit parametry motorů s detonačním spalováním. Po přímém vstřiku rotačním čerpadlem se objevily první common-raily a také konkurenční systém čerpadlo-tryska, používaný koncernem Volkswagen. Ani v současnosti se vývoj dieselů nezastavil. Dnes však jde zejména o to maximálně snížit emise všeho druhu a současně zachovat motorům slibné výkonové parametry. Asi nejpádnějším důkazem jsou nové vznětové motory Mercedesu, které nám popsal kolega Martin Vaculík. Zajímavé z pohledu techniky jsou rovněž agregáty koncernu VW spadající do řady EA288, ty najdete i v současných modelech Škody.

Vstřikování AdBlue do výfukového potrubí nebo zásobníkový katalyzátor NOx (LNT, Trap): Bez nich Euro 6 neprojdete

Norma Euro 6 se výrazně zaměřila na snížení emisí oxidů dusíku. V porovnání s předchozí Euro 5 se jeho množství snížilo z 0,180 na 0,080 gramů na každý ujetý kilometr. Složka HC + NOx tedy uhlovodíky s oxidy dusíku, klesla z 0,230 na 0,170 g/km. Aby toho bylo možné dosáhnout, museli výrobci použít zařízení na dodatečné snížení sloučenin dusíku.

V zásadě existují dvě cesty, jak toho dosáhnout. V závislosti na použitém zařízení. První možností je technologie AdBlue, která se poprvé objevila u těžkých užitkových vozidel. Tato technologie počítá s dodatečným vstřikováním močoviny do výfukového potrubí. V současnosti existuje už druhá generace systému AdBlue. Princip ale zůstává stejný. A sice vstřikování vodného roztoku močoviny do výfukového traktu pro selektivní katalytickou redukci SCR. Po vstříknutí močoviny se z ní uvolní čpavek (NH3), který je zachycen v katalyzátoru SCR. V něm reaguje s oxidy dusným a dusičitým a vznikne dusík a voda.

Nové motory Mercedesu: Proč se vrací řadové šestiválce? Nová technika podrobně!

Systém AdBlue je poměrně účinný, ovšem na druhou stranu není bezúdržbový. Aby byl funkční, musí mít kapalinu AdBlue. Její spotřeba se pohybuje v rozmezí od 0,8 do 1,5 litrů na 1000 km. Balení vyje na několik desítek korun. Pokud kapalina dojde, vozidlo se znehybní. Její dolití lze zvládnout i svépomocí. Tady dost záleží na tom, kde se ve vozidle nachází plnicí otvor. Lepší případ je, pokud je to pod víčkem plnicího otvoru palivové nádrže (koncern Volkswagen, Opel). V zavazadelníku už to taková hitparáda není (skupina PSA).

Alternativou k AdBlue je zásobníkový katalyzátor. V závislosti na výrobcích bývá označen jako LNT nebo Trap. Na rozdíl od AdBlue jde o pasivní zařízení, pracující s katalyzátorem se speciální povrchovou úpravou s drahými kovy (baryum, rhodium, platina). Zásobníkový katalyzátor bývá ve společném tělese s oxidačně-redukčním katalyzátorem.

Předností je bezúdržbový provoz. Nic není potřeba dolévat. Nevýhodou je ale nižší účinnost v porovnání s AdBlue. Emise NOx tedy neodbourává tak dobře. Z toho důvodu se musí motor více spoléhat na oba okruhy EGR (vysokotlaký a nízkotlaký).

Filtr pevných částic (DPF): Pro boj s rakovinou plic a slinivky

Zatímco emisní systémy pro snížení oxidů dusíku se plošně objevily až s příchodem normy Euro 6, částicové filtry mají auta běžně od normy Euro 5. A některé i v kombinaci s normou Euro 4. Jako první je nabídla skupina PSA a to už na přelomu let 2000-2001 u motoru 2.2 HDi (DW12TED4). Podobně jako u systémů snižujících množství oxidů dusíku, existují i v případě filtrů pevných částic dvě koncepce.

Ta první a vlastně starší pracuje s aditivy. Dnes ji používá pouze koncern PSA. A to už od výše zmíněných let. Pokud aditiva dojdou, hrozí zanesení částicového filtru. Hlavně však takový motor spadne do nouzového režimu. Aditiva, v současnosti EOLYS Infenium, jsou uložena ve speciální nádrži. Její součástí je také dávkovač, který aditivum vstříkne do palivové nádrže při každém tankování. Samotné aditivum na sebe váže saze. Ve výsledku je tak možná nižší teplota ve výfuku pro jejich shoření (asi 450 stupňů).

U prvních motorů PSA, konstruovaných ještě pro normu Euro 3 či později Euro 4, bylo třeba aditivum doplňovat přibližně každých 80.000 km. Zajímavé je, že Ford, který motory PSA s částicovým filtrem s aditivy také používal (řada DV), uváděl interval 60.000 km. Později se podařilo prodloužit interval pro doplňování aditiv na nějakých 120.000 km.

Výhodou systému s aditivy je výrazně kratší doba dodatečných vstřiků pro zvýšení teploty výfukového potrubí. Tím se nejen snižuje spotřeba paliva, ale také eliminuje známý nešvar této koncepce, a sice přibývání oleje v motoru (ředění oleje naftou). Filtr s aditivy má ovšem i nevýhody. Tou největší je fakt, že jejich spalováním dochází k zanášení filtru. Servisy PSA tak od proběhu 160.000 km kontrolují diagnostikou míru zanesení DPF. V praxi se pak mění zpravidla po ujetí 180.000 km.

Alternativou je bezúdržbový částicový filtr, takzvaný cDPF (Closed DPF). Ten pro vypálení sazí vyžaduje výrazně vyšší teplotu ve výfuku. Výrobci uvádějí od 500 stupňů (Ford) až po 800 stupňů (Fiat). Výrazně zvýšená dodatečně vstřikovaná dávka nafty ve fázi výfukového zdvihu pak znamená také její průnik do oleje, což je dost nežádoucí jev. Regenerace filtru také probíhá déle – klidně 30 minut, přičemž, aby nastala a úspěšně proběhla, jsou k tomu třeba některé podmínky. Zejména jízda ustálenou rychlostí. Kritické je to naopak při popojíždění v zácpách. Na druhou stranu nedochází k systematickému zanášení částicového filtru, takže jeho živost je v porovnání s tím s aditivy vyšší. Bývá však mnohem dražší, filtry bez aditiv stojí desítky tisíc. Naproti tomu u PSA koupíte profesionálně repasovaný filtr klidně od 7.500 korun.

Hliníkový blok motoru: Nižší hmotnost, účinnější chlazení a nejen to

První dieselem, jehož blok vyrobili ze slitiny hliníku, byl tříválec VW 1.2 TDI. Šlo o motor, pohánějící superúsporná auta Audi A2 3L a VW Lupo 3L. Výrobce u nich tehdy uváděl kombinovanou spotřebu 2,99 litru na 100 km. Realita však byla o něco horší…

Později se hliníkový blok objevil i na jiných dieselových agregátech. Třeba Honda jej použila pro motory řady N22. A dále koncern PSA pro řadu DV (1.4 HDi, 1.6 HDi), používanou toho času také Fordem, Mazdou či Volvem. Zmíněné motory sice měly hliníkové bloky, ovšem pro zachování patřičné odolnosti vůči mechanickému opotřebení válců stále spoléhaly na ocelolitinové vložené válce. Ty byly takzvaně suché a tedy za tepla lisované do otvorů válců. V případě motorů DV koncernu PSA byly navíc spojené v jeden celek. Tehdy jsme tomu říkali monovložka.

V posledních letech se ale objevily vznětové motory s hliníkovým blokem bez vložených válců. Jedním z prvních, který takto konstruktéři koncipovali, byl pětiválec 2.5 TDI od Volkswagenu. Poháněl mimo jiné třeba T5. Ač má pověst problematického stroje, inovativní řešení bloku mu nikdo neodpáře.

Namísto litinových vložek použil VW na vnitřní plochy válců plazmu. Ta se na válce stříká pokročilou technologií. K tomu se používá speciální „hořák“, do něj se přivádí plyn spolu se stejnosměrným elektrickým proudem. Vzniká elektrický oblouk mezi dvěma elektrodami – anodou a katodou, a to za účinného chlazení vodou.

Jaké to mělo výhody? Podle materiálů od Volkswagenu jich bylo hned několik. Předně snížení hmotnosti bloku a tedy i celého motoru. U pětiválce, navíc uloženého v přídi napříč, jde o docela důležitý aspekt. A dále méně materiálu, respektive zmenšení tloušťky stěn mezi jednotlivými válci. A v neposlední řadě odolnost proti otěru a tedy mechanickému opotřebení.

Takto potažené válce nemají typickou strukturu honování skládající se z nekonečného množství drobných prohlubní (mističek), v nichž ulpívá olej, ale jsou zrcadlově vyleštěné. Jak to, že se na nich udrží olejový film? I když vypadají jako zrcadlo, jsou v jejich ploše mikroskopické „výstupky“.

Nejnovější trendy ve vývoji zážehových motorů: Jak se snižují emise a zvyšuje výkon?

Alternativní technologií vnitřních ploch válců, použitou u nových motorů Mercedes-Benz OM654 a 656, je nanoslide. Její historie sahá až do roku 2006 k zážehovým osmiválcům AMG. Technologie nanoslide se na první pohled hodně podobá plazmě. Také se otěru odolný materiál na válce stříká, a to tavením „drátu“ z karbidu železa a uhlíku. Opět s přispěním elektrického oblouku. Jako výhody uvádí Mercedes mnohem přesnější sesazení válce a pístu. Ten tak nemusí být příliš „natěsno“, ba ani naopak s velkou vůlí. Více v článku o nových motorech Mercedesu od Martina Vaculíka.

Proměnné časování rozvodu: Z části supluje SCR

Variabilní časování rozvodu se dosud spojovalo se zážehovými motory. U nejnovější generace dieselů se však objevuje i na nich. Třeba u vybraných verzí motoru VW/Audi 2.0 TDI EA288 při Euro 6. Má jej například současný Golf GTD s motorem označeným CUNA o výkonu 135 kW. Proměnné časování existuje také v aplikaci se 110 kW třeba v novém Seatu Ateca. Tady se jedná o verzi motoru DFFA, přičemž se pojí pouze s verzí s pohonem předních kol.

Motor EA288 nepoužívá koncepci, kdy sacím i výfukovým ventilům přísluší jeden vačkový hřídel. Oba tak ovládají sací i výfukové ventily, a to na přeskáčku. Variabilní časování tudíž zahrnuje vlastně polovinu sacích i výfukových ventilů, tedy vlastně vždy jeden sací a jeden výfukový ventil v každém válci. Umožňuje opozdit zavírání/otevírání zmíněných ventilů oproti klikovému hřídeli.

K čemu je to vlastně dobré? Jednak je opožděním otevření jednoho ze sacích ventilů vůči druhému docilován vířivý efekt nasávaného vzduchu. Výsledkem je pak lepší promíchání nafty se vzduchem – tedy „homogennější“ směs. Kromě toho lze v některých režimech motoru zajistit snížení komprese. Teplota nasávaného vzduchu potom není tak vysoká, čímž se redukuje množství emisí oxidů dusíku (podobně jako při recirkulaci EGR). To je také jeden z důvodů, proč si verze motoru EA288, vybavená variabilním časováním vystačí se zásobníkovým katalyzátorem NOx. A tedy nepotřebují účinnější AdBlue. Třeba zmíněný Seat Ateca sice ve verzi 4Drive, tedy s pohonem všech kol, variabilní časování rozvodu nepoužívá, ale zase má katalyzátor SCR. Verze s pohonem předních kol a VVT vystačí se zásobníkovým katalyzátorem oxidů dusíku.

Odpojitelná vodní pumpa a vícestupňové chlazení: Teplý motor znamená méně emisí

I na nejmodernějších vznětových motorech zůstává vodní pumpa poháněna mechanicky. Tedy od rozvodového řemene (případně pokud motor používá řetěz, tak řemenem pohonu příslušenství).

Aby mohl motor produkovat co nejméně emisí, musí pracovat pokud možno v optimální teplotě. Je to právě fáze ohřívání motoru, kdy produkuje nejvíce škodlivin ve výfukových plynech. Aby se agregát co nejrychleji dostal na provozní teplotu, dojde ve fázi ohřívání k deaktivaci vodního čerpadla. Mechanismus, který odpojí hnací řemenici od oběžného kola vodního čerpadla, je součástí tělesa vodní pumpy.

Může se tak dít s využitím elektromagnetické spojky. Ovšem, třeba VW používá na motorech EA288 odlišné řešení s pomocným řídicím ventilem hlavy válců (opravdu se to tak jmenuje). Přivedením proudu do něj dojde k odpojení vodní pumpy od pohonu a obráceně.

S teplotním managementem souvisí také pokročilý systém pracující nikoliv s klasickými dvěma okruhu chlazení, nýbrž se třemi okruhy. Příkladem je opět motor VW EA288. Prvním a nejchladnějším je takzvaný mikro okruh. Zahrnuje pouze hlavu válců. Chladicí kapalina z ní je vedena přes chladič systému EGR a dále výměník topení. O cirkulaci se stará pomocná elektricky poháněná vodní pumpa. Druhým je okruh vysoké teploty. V rámci něj je chlazen blok válců. Využívá obvyklý termostat vpouštějící chladicí kapalinu přes chladič v přídi a zmíněnou odpojitelnou vodní pumpu. A dále je tu ještě třetí okruh používaný pro teplotní režim plnění motoru a tedy pro turbodmychadlo. Opět využívá vlastní pomocnou elektrickou pumpu, která zajišťuje cirkulaci chlazení přes dva výměníky, mimo jiné chladič stlačeného vzduchu.