Układy Wtrysku Benzyny

, 22 czerwca 2005, 0:00

Pracownik serwisu otwierając maskę, samochodu nie dysponuje przeważnie dokładnym opisem danego modelu pojazdu. Powinien on więc umieć rozpoznać jakie układy sterujące są zastosowane w danym silniku, i podzielić je na trzy grupy:
– układ zasilania – doprowadzający paliwo,
– układ zapłonowy,
– inne układy, które mogą występować lub nie w różnych modelach samochodów.
Podam przykładowo, że samych tylko układów o nazwie Bosch-Motronic jest około 50 wersji, różniących się różnymi elementami. Konieczność takiego rozróżnienia wynika z faktu, że uszkodzenia każdego z urządzeń należących do grupy C wpływają w różnym stopniu, lecz zawsze niekorzystnie na pracę silnika, mogą być więc błędnie interpretowane jako uszkodzenia układu wtryskowego lub zapłonowego. Dlatego też widzę konieczność omówienia na wstępie wybranych układów współpracujących z współczesnymi silnikami, aby zapoznać Państwa z wymaganiami stawianymi tym silnikom i sposobami ich spełnienia.

Charakterystyka zewnętrzna silnika
Charakterystyka ta, zwana również prędkościową, przedstawia zmianę momentu obrotowego silnika Mo, mocy silnika Ne i jednostkowego zużycia paliwa ge, przy maksymalnym uchyleniu przepustnicy w zależności od prędkości obrotowej n wału korbowego silnika. Zazwyczaj w opisach technicznych podaje się tylko dwie pierwsze charakterystyki, pokazane na rys.1. Przebieg krzywej momentu obrotowego jest najważniejszą cechą silnika, ważniejszą niż tak często porównywana i oceniana wartość mocy maksymalnej silnika. Moment obrotowy silnika, zwielokrotniany przez przełożenia skrzyni biegów i przekładni głównej, jest przekazywany na koła napędowe. Wartość siły F, jaka porusza samochód, pokonując opory ruchu, jest jeszcze zależna od promienia opony rK. Wynika to z wzoru na moment obrotowy:
]1[
gdzie:
Mok – wartość momentu obrotowego na kołach pojazdu,
rK – promień koła pojazdu.
To od wartości siły F poruszającej samochód zależna jest jego zdolność do pokonywania oporów ruchu i przyspieszeń. Dobór przełożeń skrzyni biegów i przekładni głównej jest wykonywany dla określonego promienia koła i w pewnym uproszczeniu podporządkowany dwóm warunkom:
– jeśli samochód ma być oszczędny, to na biegu 5 (lub nawet 6) silnik powinien obracać się z możliwie najmniejszą prędkością obrotową, przy której wartość momentu obrotowego pozwala na pokonanie oporów ruchu przy wymaganej stałej, podróżnej prędkości jazdy;
– dla uzyskania maksymalnych przyspieszeń, poszczególne przełożenia powinny pozwalać na wykorzystanie zakresu obrotów odpowiadającego maksymalnym wartościom momentu obrotowego.
Zmiana jakiegokolwiek parametru, również zmiana promienia koła (który zależy również od rozmiaru opony!), ma wpływ na poprawienie lub pogorszenie: dynamiki samochodu, prędkości maksymalnej lub zużycia paliwa.
]2[
Rys.1 Charakterystyka zewnętrzna silnika spalinowego, nazywana również charakterystyką prędkościową. Charakterystyka ta odzwierciedla wprowadzenie zmian w silniku standardowym, dla zwiększenia wartości momentu obrotowego i mocy. Oznaczenia: Mo – moment obrotowy, Ne – moc, n – prędkość obrotowa silnika. Opis w tekście.

Wielu z młodych mechaników próbuje modyfikować silniki. Dokonując jakichkolwiek modyfikacji różnych silników należy zastanowić się, jak zmieni się kształt krzywej momentu obrotowego. Kwestia mocy maksymalnej silnika jest drugorzędna. Na rys.1 pokazałem linią przerywaną krzywą momentu obrotowego silnika przerobionego np. przez zastosowanie wałka rozrządu o większych kątach przykrycia zaworów i zwiększenie stopnia sprężania. Proszę zauważyć, że przy obrotach silnika mniejszych od wartości nG, wartość momentu obrotowego silnika zmodyfikowanego jest mniejsza niż standardowego. W praktyce oznacza to, że praca silnika z prędkościami obrotowymi poniżej wartości nG może być niemożliwa i trzeba utrzymywać silnik stale z prędkościami obrotowymi większymi niż nG. Osoba oczekująca więc od takiego silnika elastyczności może być zawiedziona.
Moc silnika Ne jest iloczynem wartości momentu obrotowego Mo i prędkości obrotowej silnika n, dlatego kształt tej krzywej jest uzależniony od kształtu krzywej momentu obrotowego.
Wartość jednostkowego zużycia paliwa, podawana w g/kWh, (ilość gramów paliwa, którą silnik spala, pracując z mocą 1-go kilowata przez 1-dną godzinę) nie pokazana na wykresie, jest dobrą miarą dla konstruktorów silników, ale z punktu widzenia praktycznego dla diagnosty nie ma dużego znaczenia, gdyż przeliczenie wartości zużycia jednostkowego na zużycia paliwa wyrażone w l/100km jest trudne. Oczywiste jest dążenie do minimalizacji tej wielkości, co umożliwia uzyskanie niskich wartości zużycia paliwa w eksploatacji.

Emisja szkodliwych składników spalin
To kolejny problem jaki stoi przed konstruktorem szczególnie, że osiągnięcie najmniejszego zużycia paliwa stoi w sprzeczności z osiągnięciem najniższej emisji szkodliwych składników spalin. Samochód zanim trafi do sprzedaży, przechodzi badania, w których jest oceniana emisja składników toksycznych. Zadaniem pracowników serwisów jest aby emisję szkodliwych składników spalin w trakcie eksploatacji utrzymać na dopuszczalnym poziomie. Można to uczynić tylko poprzez utrzymanie silnika w prawidłowym stanie technicznym a jego nastaw zgodnych z wymaganiami producenta. Każda niesprawność silnika odbija się negatywnie na emisji składników toksycznych.

Sterowanie silnikiem ZI – wielkości charakterystyczne
Pracę każdego silnika charakteryzuje kilka parametrów, których wartości decydują o jego osiągach i zawartości szkodliwych składników spalin w spalinach. W przeszłości jedynym elementem sterownia silnika była przepustnica, a ilość możliwych nastaw, dobieranych do różnych warunków pracy silnika, była ograniczona możliwościami mechanicznych regulatorów aparatu zapłonowego oraz cechami konstrukcyjnymi gaźników. We współczesnych silnikach, ilość parametrów podlegających kontroli i regulacji przez układy sterujące i regulacyjne jest znacznie większa.

Współczynnik napełniania
Parametrem charakteryzującym zdolność silnika do zassania określonej masy powietrza jest współczynnik napełniania
]3[
Konstruktorzy dążą do uzyskania maksymalnych współczynników napełniania w wszystkich warunkach pracy silnika pracującego przy pełnym otwarciu przepustnicy. Wynika to z tego, że interesującym nas składnikiem powietrza jest tlen. Głównie od ilości tlenu wprowadzonej w trakcie cyklu napełniania do komory roboczej cylindra, uzależniona jest ilość paliwa, jaka będzie mogła być spalona w silniku. Aby ten cel osiągnąć są stosowane praktycznie trzy sposoby:
– doładowanie sprężarką,
– doładowanie bezsprężarkowe,
– układ zmiany faz rozrządu.
Przepustnica lub zawór kanału obejściowego, stosowane aktualnie w silnikach ZI, służą do sterowania wartością współczynnika napełniania, tak by ilość zassanego powietrza pozwoliła na przygotowanie takiej ilości mieszanki, której spalenie pozwoli uzyskać wymaganą wartość momentu obrotowego.

Doładowanie sprężarką
To od dawna stosowany sposób, polegający na podniesieniu ciśnienia i gęstości powietrza napływającego do komór spalania. Można rozróżnić:
– doładowanie turbosprężarką – napędzaną gazami spalinowymi,
– doładowanie sprężarką mechaniczną, napędzaną od wału korbowego silnika.
Aby regulować ciśnienie tłoczonego przez turbosprężarkę powietrza regulacji podlegać może ilość spalin napływających do turbiny, geometria jej kierownicy lub przełączane mogą być kanały, którymi spaliny napływają na wirnik turbiny. Jeśli jest silnik posiada układ kontroli spalania detonacyjnego, to i on wpływa również na parametry pracy sprężarki.

Doładowanie bezsprężarkowe
Zastosowanie wielopunktowych układów wtryskowych, w których silnik zasysa tylko powietrze a paliwo jest wtryskiwane do kanałów dolotowych, przed zaworami dolotowymi lub bezpośrednio do komory spalania, ułatwiło stosowanie układów dolotowych o zmiennej geometrii (przy układach gaźnikowych lub jednopunktowych układach wtryskowych „swobodę” w kształtowaniu układu dolotowego ograniczają zjawiska związane z osiadaniem paliwa na ściankach). W praktyce można spotkać dwie metody, różniące się ideą, aczkolwiek efekty ich zastosowania i sposób sterowania są identyczne:
– doładowanie dynamiczne,
– doładowanie rezonansowe.

Doładowanie dynamiczne
Metoda ta jest nazywana również jako doładowanie pojedynczym przewodem dolotowym. Polega na wykorzystaniu zjawisk dynamicznych, występujących w przewodach dolotowych oddzielnych dla każdego cylindra. Była ona od dawna wykorzystywana w silnikach wyczynowych np. firmy Porsche. Idea metody, przedstawiona na rys. 2, jest następująca:
jeśli chcemy by silnik osiągał maksymalną wartość momentu obrotowego przy niższych prędkościach obrotowych, to należy wyposażyć go w długi kanał dolotowy (rys.2a) lub zastosować mały przekrój kanału dolotowego;
jeśli chcemy by silnik osiągał maksymalną wartość momentu obrotowego przy wyższych prędkościach obrotowych, to należy wyposażyć go w krótki kanał dolotowy (rys.2b) lub zastosować duży przekrój kanału dolotowego;
]4[
Rys.2 Idea doładowania dynamicznego, wykorzystująca zależność maksymalnej wartości momentu obrotowego Mo i prędkości obrotowej silnika (n1 i n2), przy której to maksimum jest osiągane, od długości przewodów kolektora dolotowego (l1 i l2).

Efekty takich rozwiązań widać na rys.2c. Aby silnik mógł mieć duże wartości momentu obrotowego, zarówno przy niskich jak i wysokich obrotach, należy wyposażyć go w przewody dolotowe o różnych długościach lub o zmiennych przekrojach. Jeśli zmianie ma podlegać długość kanału dolotowego, to każdy z cylindrów posiada niezależny, długi przewód dolotowy rozwidlający się w pewnym miejscu na dwa odcinki o różnych długościach. Krótkie odcinki przewodów są zaopatrzone w przepustnice. Zarówno długie jak i krótkie odcinki przewodów są połączone do wspólnego zbiornika wyrównawczego. Powietrze do zbiornika wyrównawczego napływa z filtra powietrza, przez przepływomierz (jeśli jest stosowany) i przepustnicę główną. Wszystkie przepustnice zamykające przewody dolotowe, których ilość równa się liczbie cylindrów, mają wspólne sterowanie. Jeśli są one zamknięte, to powietrze napływa dłuższym odcinkiem przewodu dolotowego (większy moment obrotowy przy niższej prędkości obrotowej), a jeśli otwarte to powietrze napływa krótszym odcinkiem przewodu dolotowego (większy moment obrotowy przy wyższej prędkości obrotowej).
Inne rozwiązanie jest przedstawione na rys.3.
]5[
Rys.3 Praktyczne wykorzystanie idei doładowania dynamicznego: układ VIS firmy Toyota. Oznaczenia elementów na rysunku: 1 – zawór wydechowy, 2 – zawór dolotowy, 3 – podwójne kanały dolotowe, 4 – komora główna, 5 – jedna z przepustnic dynamicznego układu dolotowego (ilość ich jest równa liczbie cylindrów). Opis w tekście.

Jest to system o nazwie VIS (Variable Induction System) stosowany przez firmę Toyota. Wykorzystano w nim zasadę zmiany przekroju poprzecznego przewodów dolotowych. Każdy z zaworów dolotowych 2 szesnastozaworowej głowicy posiada oddzielny kanał. Para kanałów jednego cylindra jest połączona dodatkowym kanałem łączącym, a jeden z kanałów tej pary posiada przepustnicę 5. Jeśli silnik pracuje w zakresie niższych prędkości obrotowych to dla osiągnięcia maksymalnych wartości momentu obrotowego, układ sterujący zamyka przepustnicę 5 – silnik zasysać będzie powietrze tylko przez jeden kanał (rys.3a). Aby silnik osiągał maksymalne wartości momentu obrotowego w zakresie wyższych prędkości obrotowych, układ sterujący otwiera przepustnicę 5, co umożliwia zasysanie powietrza przez dwa kanały dolotowe o większym sumarycznym przekroju poprzecznym (rys.3b).

Doładowanie rezonansowe
Metoda ta opiera się na wykorzystaniu drgań powietrza w układzie dolotowym. Zasada pracy takiego układu jest przedstawiona z pewnym uproszczeniem na rys.4.
]6[
Rys.4 Ilustracja wykorzystania zjawiska drgań w układzie dolotowym do zwiększenia współczynnika napełniania komory roboczej cylindra. Oznaczenia elementów na rysunku: 1 – zawór dolotowy, 2 – zawór wydechowy, 3 – tłok. Opis w tekście.

Układ dolotowy składa się z wspólnego dla wszystkich, lub grupy cylindrów, zbiornika rezonansowego, o objętości Vr i przewodu dolotowego o długości lr, zwanej rezonansową, łączącego zbiornik rezonansowy z poszczególnymi cylindrami. Niezbędnym dla wyjaśnienia działania tego układu jest przypomnienie zagadnień: drgań swobodnych, wymuszania drgań i rezonansu.
Posłużymy się tutaj przykładem zwykłej sprężyny. Jeśli stojącą na stole sprężynę ściśniemy ręką a następnie rękę szybko cofniemy, to wykona ona kilka drgań w swojej osi, zanim stanie nieruchomo. Częstotliwość takich drgań nazywamy częstotliwością drgań własnych. Jeśli teraz tę samą sprężynę będziemy cyklicznie, z określoną częstotliwością, uderzać osiowo z góry, to mówimy, że wymuszamy drgania. Jeśli częstotliwość tych wymuszeń zrówna się z częstotliwością drgań własnych, to wystąpi tzw. zjawisko rezonansu, objawiające się wyraźnym zwiększeniem amplitudy drań.
Te same zjawiska występują w każdym w samochodzie. Jeśli przykładowo podczas jazdy stwierdzamy, że tylko przy prędkości obrotowej silnika ok. 3000 obr/min nagle jakiś element samochodu wpada w silne drgania to są to drgania rezonansowe. Wówczas, mówiąc językiem fizyki, częstotliwość drgań wymuszanych przez silnik pokrywa się z częstotliwością drgań własnych danego elementu, co wywołuje jego drgania rezonansowe.
Analogicznie jest w rezonansowym układzie dolotowym. Zbiornik wraz z przewodem rezonansowym tworzy układ, w którym powietrze go wypełniające posiada określoną częstotliwość drgań własnych. Układ rozrządu silnika, pracując z określoną prędkością obrotową, wymusza drgania powietrza w układzie dolotowym. Jeśli przy określonej prędkości obrotowej częstotliwość drgań wymuszanych pokryje się z częstotliwością drgań własnych układu dolotowego, to wystąpią drgania rezonansowe. W czasie tych drań zmianie ulega ciśnienie panujące w układzie dolotowym, a co za tym idzie również gęstość powietrza.
Na rys.4a jest przedstawiony układ dolotowy w stanie „początkowym”, nie drgający, w którym słup powietrza ma długość lr i gęstość 0. Jeśli ten słup powietrza zacznie drgać, to cyklicznie będzie się on „wydłużał” – gęstość powietrza gęstość 1 będzie mniejsza od gęstość 0 (rys.4b), a następnie „skracał” – gęstość powietrza gęstość 2 będzie większa od gęstość 0 (rys.4c). Jeśli w tym momencie zostanie otwarty zawór dolotowy, to do przestrzeni roboczej cylindra zostanie zassane powietrze o większej gęstości, niż miało by to miejsce w przypadku nie wystąpienia tego zjawiska. Większa gęstość powietrza, oznacza uzyskanie wyższego, korzystniejszego współczynnika napełnienia.
Rezonansowe układy dolotowe najlepiej współpracują z silnikami 3 i 6 cylindrowymi. Przykład rzeczywistego rozwiązania takiego układu przedstawia rys.5. Jest to układ dolotowy systemu Dual-Ram, silnika V6 firmy Opel, o pojemności 3,0l, który był montowany w modelach Omega i Senator.
]8[
Rys.5 Dolotowy układ rezonansowy w działaniu. Legenda: 1 – zawór wydechowy, 2 – zawór dolotowy, 3, 4 – dodatkowe zbiorniki rezonansowe, 5 – przepustnica rezonansowego układu dolotowego, 6 – powietrze napływające z filtra powietrza, 7 – przepustnica główna silnika, 8 – główna komora rezonansowa. Opis w tekście.

Układ ten posiada:
– główny zbiornik rezonansowy 8;
– dwa dodatkowe zbiorniki rezonansowe 3 i 4, połączone wzajemnie kanałem posiadającym dodatkową przepustnicę 5.
Jeśli silnik pracuje w niższym zakresie prędkości obrotowych, to przepustnica 5 jest zamykana przez siłownik nią sterujący (rys.5a). Przewody dolotowe mają wówczas długość rezonansową l1, co umożliwia uzyskanie wyższych wartości momentu obrotowego przy niższych prędkościach obrotowych. Wzrost prędkości obrotowej ponad określoną wartość, powoduje otwarcie przez siłownik przepustnicy 5 i połączenie dodatkowych zbiorników rezonansowych (rys.5b). Wówczas długość rezonansowa przewodów maleje do wartości l2, co umożliwia osiągnięcie wyższych wartości momentu obrotowego również w wyższym zakresie prędkości obrotowych. Sposób pracy układu przedstawiony na rys.5 odpowiada pracy układu przy maksymalnym, lub zbliżonym do maksymalnego, kącie otwarcia przepustnicy głównej 7. Przy mniejszych otwarciach przepustnicy głównej 7 sposób sterowania może być odwrotny.

Krzywa momentu obrotowego silników doładowanych bezsprężarkowo
Obojętnie która z przedstawionych metod jest stosowana, przykładowy przebieg momentu obrotowego przy pełnym otwarciu przepustnicy głównej 7 (rys.5, na rys. 3 jest ona nie pokazana), odpowiada przedstawionemu na rys.6 wypadkowemu przebiegowi krzywej momentu obrotowego, który składa się z części charakterystyki momentu obrotowego, przy zamkniętej przepustnicy 5 (rys.3 i 5) i z części charakterystyki momentu obrotowego, przy otwartej przepustnicy 5.
]9[
Rys.6 Charakterystyka silnika z dynamicznym lub rezonansowym układem dolotowym. Oznaczenia na wykresie: Mo – moment obrotowy, n – prędkość obrotowa silnika, np – prędkość obrotowa silnika, przy której jest zmieniana geometria układu dolotowego. Opis w tekście.

Charakterystycznym punktem wykresu jest prędkość np, przy której następuje zmiana geometrii układu dolotowego, co pozwala na uzyskanie wyższych wartości momentu obrotowego silnika, zarówno dla niższych jak i dla wyższych zakresów prędkości obrotowych, w porównaniu z silnikiem o stałej geometrii układu dolotowego.

Sterowanie układów o zmiennej geometrii układu dolotowego
Przedstawiony na rys.7 schemat i zamieszczony opis odnoszą się do większości układów dolotowych o zmiennej geometrii, niezależnie czy jest to układ doładowania dynamicznego czy rezonansowego. Przepustnica 5 (lub zespół przepustnic, zależnie od konstrukcji układu), oznaczone na rys. 3 i 5 tą samą cyfrą, są sterowane siłownikiem podciśnieniowym 4. O momencie otwarcia lub zamknięcia przepustnicy 5, decyduje elektroniczny układ sterujący pracą silnika, który wysyła sygnał do elektromagnetycznego zaworu przełączającego 3. Zawór ten podaje podciśnienie do komory roboczej siłownika 4 (membrana pokonuje opór sprężyny i przesuwa cięgło w kierunku A) lub łączy tę komorę z otoczeniem, o ciśnieniu atmosferycznym (sprężyna przemieszcza wówczas cięgło w kierunku B).
]10[
Rys.7 Układ sterowania układem dolotowym o zmiennej geometrii. Oznaczenia elementów na rysunku: 1 – główna przepustnica układu dolotowego; 2 – akumulator podciśnienia; 3 – elektromagnetyczny zawór przełączający; 4 – siłownik pneumatyczny; 5 – przepustnica rezonansowego lub dynamicznego układu dolotowego. Oznaczenia króćców elektromagnetycznego zaworu przełączającego: P – połączenie z akumulatorem podciśnienia; A – połączenie z powietrzem atmosferycznym, o ciśnieniu atmosferycznym; S – połączenia z siłownikiem pneumatycznym.

Podciśnienie pobierane jest z kolektora dolotowego, za przepustnicą główną 1. Zadaniem akumulatora podciśnienia 2, jest uniezależnienie pozycji przepustnicy 5 od chwilowych wartości podciśnień w kolektorze dolotowym. Jeśli przykładowo na biegu jałowym panuje podciśnienie o wartości 0,6 at, to takie samo podciśnienie panować będzie również w akumulatorze 2 i siłowniku 4. Jeśli nastąpi chwilowe uchylenie przepustnicy, nie wywołujące przełączenia zaworu 3, ale powodujące nagłe zmniejszenie wartości podciśnienia np. do 0,2 at, to zawór zwrotny zamontowany w akumulatorze nie pozwoli na wyrównanie się ciśnień i nadal siłownik 4 będzie zasilany podciśnieniem o wartości 0,6 at.
Elektromagnetyczny zawór przełączający 3 jest wykonywany w dwóch wersjach (oznaczenia króćców wg. rys.7):
typ I: podanie zasilania na cewkę powoduje połączenie króćców P i S,
typ II: podanie zasilania na cewkę powoduje połączenie króćców A i S.
Dla większości układów dolotowych o zmiennej geometrii można podać następujące zasady sterowania:
– dla układów doładowania dynamicznego, moment przełączania zależy od prędkości obrotowej silnika;
– dla układów doładowania rezonansowego moment przełączania zależy od prędkości obrotowej silnika i kąta uchylenia przepustnicy; przedstawiona i opisana na rys. 6 charakterystyka, dotyczy na pewno pełnego otwarcia przepustnicy 7 (rys.5) i otwarć zbliżonych do pełnego. Przy mniejszych otwarciach przepustnicy, może obowiązywać odwrotna zasada.
W tabeli 1 zestawiłem zasady sterowania układami dolotowymi o zmiennej geometrii.
]11[
Tabelka
W nowoczesnych układach sterowania, elektromagnetyczny zawór przełączający jest prawdopodobnie objęty również nadzorem układu samodiagnozy, czyli jego niesprawność (prawdopodobnie tylko elektryczna) jest sygnalizowana kodami usterek. Proszę pamiętać, że takie uszkodzenia jak np. pęknięcie przewodów podciśnieniowych lub membrany, mechaniczna niesprawność elektromagnetycznego zaworu przełączającego nie będą prawdopodobnie wykazane przez układ samodiagnozy. Oczywiście odczuwalnym objawem niesprawności układu zmieniającego geometrię układu dolotowego, będzie pogorszenie dynamiki samochodu.

mgr inż. Stefan Myszkowski – Studio Konstrukcyjno-Konsultacyjne, Wrocław

Komentarze

Brak komentarzy