Technologie moderních dieselových motorů

Díky nejmodernějším technologiím nabízejí dnešní dieselové motory s výkonem kolem 150 k v podstatě shodné jízdní vlastnosti z hlediska akcelerace a maximální rychlosti jako automobily vybavené přeplňovaným benzínovým motorem o výkonu kolem 200 k. To vše s výrazně nižší spotřebou paliva a emisemi oxidu uhličitého.

Čtyřtaktní benzínový motor vynalezl Nikolaus August Otto v roce 1867, zatímco dieselový motor Rudolf Diesel v roce 1898. Oba principy jsou tedy poměrně staré, osvědčené a používají se v motorech, které za dobu od svého vzniku prošly dalším vývojem.

Zatímco benzínové motory procházely více než sto let postupným vývojem, rozvoj dieselových motorů byl pomalejší . Nejprve byly vylepšeny pomocí technologie dvouventilové předspalovací komory a použitím nízkotlakého mechanického vstřikování paliva. Výsledkem byl relativně nízký výkon těchto agregátů, zejména v porovnání s Ottovým motorem.

Změna na vedoucí pozici
Do současnosti byly dieselové motory méně preferovanou volbou pokud jde o výkon a o ekologický dopad jejich provozu. Obecně jsou tyto motory považovány za hlučné a zapáchající jednotky používající „špinavé“ palivo. V mnoha evropských zemích se však tyto motory již dlouho dobu těší vysoké popularitě, a to zejména pro svou úspornost. V jiných zemích však vůči těmto motorům stále panuje poměrně značný odpor – jako příklad lze uvést Řecko nebo Švédsko a zejména pak Spojené státy a Japonsko, kde patrně dodnes přetrvaly některé negativní předsudky.

Vzhledem k tomu, že moderní diesely se zcela liší od svých předchůdců, zůstávají některé z těchto předsudků podloženy pouze mýty. Za posledních 10-15 let došlo téměř k úplnému přechodu na systém přímého vstřikování paliva s přeplňováním a na čtyřventilovou technologii, přičemž technologický náskok benzínových motorů byl během krátké doby prakticky vymazán.
Dieselové motory disponují významně vyšším točivým momentem než motory benzínové. V mnoha případech to znamená, že v porovnání se svými benzínovými protějšky mají diesely lepší zátah a akceleraci.

Akcelerace dnešních vozů s dieselovými motory je vynikající a totéž lze říci o vyšších cestovních rychlostech i o hodnotě maximální rychlosti, která na některých evropských trzích představuje významný faktor. Typické „klapání“ dieselů je rozpoznatelné pouze tehdy, pokud je motor studený nebo pokud běží na volnoběh. Jízda s dieselovými motory je zábavná a jejich řidiči jsou spokojení při zjištění, jak zřídka musí navštěvovat čerpací stanice.

Mimo město je Volvo V70 D5 s automatickou převodovkou a s výkonem 185 k schopno dosáhnout spotřeby paliva 5 litrů na 100 kilometrů. Motor přitom běží stejně potichu a komfortně jako u Volva V70 s benzínovým motorem.

Při porovnání s benzínovým motorem vychází najevo také skutečnost, že emise skleníkového plynu oxidu uhličitého jsou u dieselů na jednotku spotřebovaného paliva přibližně o 20% nižší. Společně s nižší spotřebou těchto motorů a s ohledem na efektivní spalování s přebytkem vzduchu jsou emise jako celek (včetně ostatních škodlivin ve výfukových plynech) nižší. U nových dieselů, které jsou navíc vybaveny částicovými filtry, došlo ke snížení nejzávažnější součásti emisí – sazí – víceméně na stejnou úroveň, jaká je běžná u benzínových motorů. Jediným problémem tak zůstávají emise oxidů dusíku (NOx), které jsou stále na vyšší úrovni.

Klíčové technologie
Z mechanického hlediska je dieselový motor prakticky shodný se svým benzínovým protějškem, jeho konstrukce je však o něco masivnější, neboť motor musí odolávat vyšším spalovacím tlakům. Namísto směsi vzduchu a paliva je sacím potrubím přiváděn pouze vzduch. Sací systém je zkonstruován tak, aby byl procházející vzduch zvířen takovým způsobem, který je nejvhodnější pro specifický proces spalování dieselového motoru. Při studeném startu je spalování iniciováno žhavicími svíčkami, které jsou dnes co do rychlosti srovnatelné se svíčkami u benzínových motorů.

Na rozdíl od benzínového motoru, ve kterém jiskra vytvořená svíčkou vyvolá vznícení směsi benzínu a vzduchu, u nafty dochází po jejím vstřiku do horkého a rychle vířícího stlačeného vzduchu k jejímu samovznícení. Po vznícení počáteční dávky paliva dochází k difúznímu hoření dalšího vstřikovaného paliva. Spalování v dieselovém motoru za všech okolností probíhá s přebytkem vzduchu a nevyžaduje škrtící klapku – výkon je jednoduše regulován pouze změnou množství paliva.

Flexibilní systém vstřikování paliva „common rail“ je vybaven vysokotlakým vstřikovacím čerpadlem a tlakovým akumulátorem, které představují klíčové prvky technologie moderních dieselových motorů. Tlak může mít hodnotu od 500 do 1 500-2 000 bar a vstřikování paliva je plně elektronické. Spalování je iniciováno předstřikem paliva, což umožňuje dosažení nižších emisí a jemnějšího spalování, které zároveň umožňuje snížení hlučnosti. Moderní vstřikovače obsahují 5-7 mimořádně malých a pečlivě vytvořených otvorů, které zajišťují optimální rozprášení paliva ve válcích a v důsledku toho také efektivní využití spalovacího vzduchu.

Nejméně o 20% vyšší úspora
Další klíčovou technologií je pokročilé přeplňování. Proměnlivá geometrie turbodmychadla a nastavitelné rozváděcí lopatky před ním zajišťují maximální účinnost a vyšší plnicí tlak v celém rozmezí otáček. U turbodmychadla je úhel natočení rozváděcích lopatek měněn pomocí pneumatického nebo elektrického pohonu. Systém umožňuje efektivní přeplňování, díky čemuž může být do válců vstřikováno více paliva. To vede k vyšším výkonům, k vyšší účinnosti a současně k nižším emisím škodlivin!

Dieselový motor je o 20-30% úspornější než benzínový. Jinými slovy, se stejným množstvím paliva odvede více práce. Vzhledem ke skutečnosti, že dieselové motory netrpí na rozdíl od benzínových motorů omezením v důsledku klepání, mohou pracovat při vyšších kompresních poměrech blíže optimální hodnotě 16-19:1 (v porovnání s průměrem 10,5:1 u benzínových motorů).

U benzínového motoru je směs vzduchu a paliva nejprve zažehnuta jiskrou svíčky a spalování probíhá progresivně tím, jak se hoření ve válci šíří. Výkon je regulován pomocí škrtící klapky a stechiometrické složení směsi je řízeno kyslíkovým čidlem (Lambda sondou). Tento systém společně s třícestným katalyzátorem zajišťuje vysoce účinné odstraňování oxidů dusíku (NOx), oxidu uhelnatého (CO) a uhlovodíků z výfukových plynů.

Jako příklad mohou posloužit stávající hodnoty pro dva různé vozy Volvo. V současnosti se celkové emise oxidů dusíku a uhlovodíků (NOx + HC) u benzínových motorů pohybují na úrovni 0,05 g/km v porovnání s hodnotou 0,22 g/km u dieselu. Emise uhlovodíků jsou srovnatelné. Pokud jde o oxid uhelnatý (CO), motor Volvo D5 v současnosti emituje 0,205 g/km, zatímco u ekvivalentního benzínového přeplňovaného motoru 2.5T dosahují emise CO 0,216 g/km.

Recirkulace výfukových plynů snižuje obsah oxidů dusíku
Oxidy dusíku (NOx) vznikají při spalování, kdy se kyslík (O2) při vysoké teplotě slučuje s dusíkem (N2). Tento proces závisí na výskytu „lokálních“ teplotních špiček (píků) a jeho intenzita se zvyšuje se zatížením motoru; jinými slovy, s akcelerací, rychlostí a zatížením vozidla.

Tvorbu oxidů dusíku je možné omezovat třemi způsoby – řízením vstřikování paliva a spalování, přidáváním nehořlavých spalin prostřednictvím recirkulace výfukových plynů (EGR) a v menší míře také následným čištěním pomocí oxidačních katalyzátorů.

Systém EGR funguje tak, že část výfukových plynů se vrací do sání motoru. Přestože je výsledná směs teplejší než okolní vzduch, dochází k nárůstu měrné tepelné kapacity a ke snižování relativního obsahu kyslíku, což je doprovázeno poklesem hmotnostního průtoku nasávaného vzduchu. Výsledkem je spalovací proces, který je o něco pomalejší a chladnější, tj. probíhá při nižší celkové teplotě. V důsledku toho jsou výfukové plyny čistší z hlediska obsahu oxidů dusíku. Při ochlazování recyklovaných spalin je možné dále zvyšovat jejich podíl na vstupu do motoru, čímž se ještě více sníží teplota spalování a množství emisí NOx dále poklesne.

Množství uhlovodíků (HC) a oxidu uhelnatého (CO) se výrazně snižuje začleněním oxidačního katalyzátoru do výfukového systému.

Částicový filtr na konci procesu 
V podstatě všechny moderní dieselové motory jsou dnes již výše popsanými technologiemi vybaveny. Výsledkem posledního vývoje v oblasti dieselových motorů se stal částicový filtr. K dispozici jsou dva nejrozšířenější typy těchto filtrů – ADPF a CDPF. V obou případech poslední tři písmena znamenají ‘Diesel Particulate Filter’ (částicový filtr pro dieselové motory), zatímco ‘A’ označuje ‘Additive’ (aditivovaný) a ‘C’ ‘Catalysed’ (katalytický).

Obě tato zařízení jsou tvořena substrátem podobným klasickému katalyzátoru a také princip jejich funkce je podobný – výfukové plyny i zde procházejí množstvím malých otvorů. Rozdíl spočívá v tom, že zadní část každého otvoru je uzavřena a plyny musí procházet porézními stěnami do druhé poloviny filtru, jejíž otvory jsou uzavřeny na přední straně. Tímto způsobem dochází k navázání částic sazí na stěny těchto kanálků.

Jak je zřejmé z předchozího odstavce, písmeno ‘C’ ve zkratce CDPF označuje „katalytický“ (potažený katalytickou vrstvou), zatímco ‘A’ v ADPF znamená „Aditivovaný“. Ve druhém případě je do paliva dávkováno speciální bezpečné aditivum, které společně s recyklací výfukových plynů umožňuje dosažení stejné čistoty spalin jako systém CDPF. Hlavním úkolem katalyzátoru i aditiva je snížit teplotu, při které mohou saze usazené ve filtru vyhořet.

Zachycené částice sazí jsou v pravidelných intervalech odstraňovány automaticky řízeným procesem vyhořívání/regenerace. Ta probíhá přibližně každých 500 kilometrů zcela automaticky bez jakéhokoliv zásahu ze strany řidiče.

Životnost katalytického částicového filtru je téměř srovnatelná s životností vozidla - 240 000 km, zatímco verze s aditivy vyžaduje pravidelný servis, při kterém jsou odstraněny nespálené zbytky sazí, a doplňování nádržky aditivem.

Při použití částicového filtru se koncentrace velkých i malých částic snižuje na stejnou nebo ještě nižší úroveň, než jaká je běžná u benzínových motorů. To také platí pro škodlivé jemné částečky.

Je tudíž zřejmé, že automobilky intenzivně pracují na snižování obsahu částic ve výfukových plynech dieselových motorů. To platí jak pro vývoj efektivnějších systémů spalování, tak pro systémy následného čištění spalin. Se svým příspěvkem přicházejí také ropné společnosti, které se snaží vyvíjet lepší a čistější paliva. Jako příklad je možno uvést zkoušky syntetické nafty, které ukazují na možnost snížení obsahu NOx o 20% a obsahu částic o 30%.