PZM – Motoryzacja

Układ blokujący

Układ blokujący uniemożliwia wtrysk paliwa przy hamowaniu silnikiem. W stanie blokowania prawy tranzystor przerzutnika bistabilnego (T800 i T801) nie przewodzi prądu. Temperaturę silnika – jako dodatkową wielkość sterującą blokowaniem wprowadzono dopiero w nowszej wersji D-Jetronic. Umożliwiło to dopasowanie granicznej prędkości obrotowej, przy której następuje wznowienie podawania paliwa, do temperatury silnika. W temperaturach poniżej 0°C jako wartość graniczną przyjmuje się 1500 obr/min, natomiast w stanie nagrzanym wtryskiwacze włączane są ponownie dopiero przy 1000 obr/min. Dopasowanie mieszanki zasilającej cylindry do wymagań silnika przy rozruchu w niskich temperaturach zapewnia układ wzbogacania mieszanki (oznaczony cyfrą 6). Tranzystory T600, T601 i T602 pracują w układzie przerzutnika astabilnego, który generuje impulsy tylko przy zwartym zestyku przekaźnika włączającego rozrusznik i zestyku obwodu wzbogacania czujnika przepustnicy, o ile temperatura silnika jest niższa niż. + 10 – + 15°C. Impulsy te poprzez rezystor rv208 powodują dodatkowe wyzwolenie przerzutnika monostabilnego RL. Funkcję sterowania wzbogacaniem mieszanki w zależności od temperatury silnika spełnia tranzystor T601. Zależnie od temperatury umożliwia on zerwanie generacji drgań, bądź też zwiększenie częstotliwości.

Układ sterowania pompą paliwową

Układ sterowania pompą paliwową (zbudowany na tranzystorach T400 i T401) powoduje odłączenie napięcia zasilania, gdy obroty silnika spadną poniżej 200…300 obr/min. W celu umożliwienia uruchomienia silnika baza tranzystora T401 otrzymuje dodatnie napięcie z zacisku zasilania przekaźnika włączającego rozrusznik. Wtedy tranzystor T401 przewodzi i przekaźnik pompy P2 zostaje wzbudzony. Po wyłączeniu rozrusznika prąd kolektora tranzystora T401 zależy tylko od napięcia emitera tranzystora Tl, tj. od napięcia na okładzinach kondensatora Cm. W przerwie między impulsami synchronizującymi napięcie to maleje ze stałą czasową określoną przez Cm i Rm. Jeżeli silnik nie zaczął samodzielŹnie pracować, to przez l…l,5 s napięcie na Cm zmaleje tak dalece, że pomŹpa zostanie wyłączona. W czasie normalnej pracy silnika przerwa między impulsami synŹchronizującymi jest tak mała, że Cm nie zdąży się rozładować i pompa będzie stale włączona. Oznacza to, że tranzystor T700 przewodzi wysterowany impulsem synchronizującym z zestyku KI, a układ blokujący sterowany zestykiem K4 czujnika przepustnicy (zwartym przy hamowaniu) jest w stanie spoczynku. Długość impulsu wyjściowego jest w przybliżeniu stała i wynosi około 1,7 ms. Impulsy odniesienia określające położenie maksimum charakterystyki są generowane przez układ tranzystora T101.

Termistor

Termistor umieszczony w misce olejowej jest włączony w dolną gałąź dzielnika napięcia ogranicznika diodowego D207, RT. Wskutek zastosowania ogranicznika diodowego uzyskano wyłączenie korekcji w temperaturze oleju wyższej niż +70… + 80°C. Przy temperaturach niższych niż -20 -25°C potencjał dzielnika ogranicznika diodowego zmienia się tylko nieznacznie, bowiem rezystancja termistora R7 jest znacznie większa niż rezystora R220. Wskutek tego w niskich temperaturach długość impulsu wyjściowego z przerzutnika monostabilnego RL ulega tylko nieznacznym zmianom. Wyzwolenie impulsu na wyjściu przerzutnika monostabilnego może być spowodowane nie tylko impulsami synchronizującymi, lecz także impulsami z układu wzbogacania mieszanki przy rozruchu. Oznaczenia podzespołów tego układu rozpoczynają się od cyfry 6. Podczas rozruchu w niskich temperaturach układ ten generuje dodatkowe impulsy powodujące – przez przerzutnik monostabilny RL – dodatkowe zadziałanie wtryskiwaczy. Układ korekcji dawki paliwa w funkcji prędkości obrotowej zrealizowano według pewnego schematu. Rolę klucza KI spełnia w tym wypadku prosty generator pojedynczego impulsu zbudowany na tranzystorze T100 wyzwalany każdym opadającym zboczem impulsu podawanego na wtryskiwacz.

Układ dopasowujący

Aby ułatwić dopasowanie urządzenia wtryskowego do różnych typów silników spalinowych, zastosowano dodatkowy układ dopasowujący, którego podzespoły oznaczono numerami rozpoczynającymi się od 3. Powoduje on zmianę długości impulsów podawanych na wtryskiwacze odpowiednio do wymagań silnika bez zmiany momentu wtrysku. Układ ten wykorzystano równocześnie do wprowadzenia korekcji dawki paliwa od temperatury silnika i do kompensacji wpływu napięcia zasilania na wielkość dawki paliwa. Impuls sterujący wzmacniaczem wtryskiwacza jest sumą impulsu wyjściowego przerzutnika monostabilnego RL (branego z kolektora tranzystora T300 i dodatkowego Impulsu pobieranego z wyjścia układu dopasowującego T303). Impuls ten wysterowuje tranzystor wejściowy układu wzmacniacza mocy T506. Wzmacniacz mocy, którego elementy oznaczono cyfrą 5, zbudowano w układzie dwukanałowym. Współczynnik wzmocnienia prądowego każdego kanału wynosi 1,6 – 103. Ujemny impuls z kolektora tranzystora T506 tylko wtedy spowoduje przepływ prądu przez tranzystor wyjściowy T502 i włączy wtryskiwa-cze danego kanału, jeżeli na bazie tranzystora T500 nie wystąpi dodatnie napięcie, tzn. jeżeli tranzystory T700 i T801 będą w stanie przewodzenia.

Zwiększone tarcie

Zwiększone tarcie w silniku występujące w czasie rozruchu w niskich temperaturach i podczas rozgrzewania może powodować nierównomierną pracę na biegu jałowym. Dlatego w celu zwiększenia mocy silnika, potrzebnej na pokrycie strat tarcia, jest konieczne zwiększenie napełnienia cylindrów powietrzem. Przy częściowym otwarciu przepustnicy skład mieszanki jest tak dobrany, aby uzyskać jak najmniejsze zużycie paliwa i ograniczyć toksyczność spalin. Określona testem toksyczność spalin zależy głównie od dokładności dawkowania paliwa w tym najczęstszym stanie pracy silnika. Natomiast przy całkowitym otwarciu przepustnicy skład mieszanki dobiera się pod kątem maksymalnej mocy. Dlatego w niektórych urządzeniach wtryskowych (reagujących na ciśnienie w kanale wlotowym) stosuje się układ wzbogacający mieszankę przy pełnym otwarciu przepustnicy. Ponieważ ciśnienie w organie pomiarowym czujnika ustala się z pewnym opóźnieniem, niezbędny więc jest dodatkowy czujnik informujący o nagłym otwieraniu przepustnicy. W czasie hamowania silnikiem przepustnica jest zamknięta i silnik, napędzany przez koła pojazdu, ma większą prędkość obrotową niż na biegu jałowym. W silniku gaźnikowym cylindry są zasilane mieszanką przez cały okres hamowania. Powoduje to nadmierne wzbogacenie mieszanki, nawet powyżej granicy zapalności, i wskutek tego bardzo duży wzrost zawartości szkodliwych składników w spalinach.

Zmniejszenie toksyczności spalin

Istnieje kilka możliwości zmniejszenia toksyczności spalin drogą oddziaływania na skład mieszanki. Jedna z metod polega na zasilaniu silnika mieszanką zubożoną. Powoduje to obniżenie zawartości tlenków azotu, lecz równocześnie wzrasta poziom węglowodorów. Zawarte w spalinach węglowodory wraz z pozostałościami tlenku węgla (CO) zostają całkowicie spalone w dopalaczu. Wymagania dotyczące precyzji dawkowania paliwa są duże, bowiem silnik jest zasilany mieszanką bardzo ubogą, w pewnych warunkach zbliżoną do granicy zapalności. Dlatego trzeba zastosować zasilanie wtryskowe. Niestety, nie istnieje korzystny kompromis pomiędzy zawartością tlenku azotu a parametrami silnika. Silnik zasilany zubożoną mieszanką rozwija mniejszą moc, a zużycie paliwa jest większe. Opisane rozwiązanie zapewniało spełnienie norm sanitarnych USA do roku 1975 włącznie. W innym systemie stosuje się zasilanie silnika mieszanką bogatą. W tym zakresie zawartość tlenku azotu jest również stosunkowo niewielka. W celu obniżenia zwiększonej emisji węglowodorów i CO wprowadzono dopalacz katalityczny w układzie wydechowym. Podstawową wadą tego rozwiązania jest wzrost zużycia paliwa, nawet do 30%, a do tego producenci samochodów nie mogą dopuścić.

Kontaktron

Równocześnie z impulsem włączającym przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej mikroprocesor podaje impuls włączający uzwojenie odpowiedniego kontaktronu. W silniku 4-cylindrowym stosuje się zwykle kolejność zapłonów 1, 3, 2, 4. W momencie generacji impulsu wysokiego napięcia styki kontaktronu są zwarte – nie ma straty energii na przeskok iskry i układ nie emituje zakłóceń elektromagnetycznych. Firma AUSTIN przewiduje trwałość układu kontaktronów rzędu 500 tys. mil. W przypadku uszkodzenia kontaktronu przestaje pracować tylko jeden cylinder. Wyeliminowanie rozdzielacza możliwe jest przez zastosowanie szeregowego połączenia świec zapłonowych. W takim układzie końce uzwojenia wtórnego odizolowane są od potencjału masy i połączone do świec zapłonowych. Energia impulsu wysokiego napięcia rozkłada się jednakże na dwa cylindry: w jednym powoduje zapłon mieszanki w suwie sprężania, a w drugim przeskok iskry następuje w czasie wydechu. W przedstawionym rozwiązaniu wzrastają wymagania odnośnie wartości wysokiego napięcia generowanego przez układ zapłonowy, bowiem różne są polaryzacje elektrod świec. Podwójna częstotliwość iskrzenia powoduje przyspieszone zużycie elektrod. W układzie uszkodzenie w jednym ze stopni końcowych powoduje wyłączenie 2 cylindrów.

Wpływ składu mieszanki na pracę silnika

Wzrost zanieczyszczenia powietrza, szczególnie dotkliwy w wielkich miastach, spowodował rozpoczęcie prac nad sposobami zmniejszenia toksyczności spalin wydzielanych przez silnik samochodowy. W wielu krajach istnieją normy sanitarne ograniczające emisję spalin. Spełnienie narzuconych warunków sanitarnych możliwe jest tylko przy bardzo precyzyjnym dawkowaniu mieszanki paliwowo-powietrznej podawanej do cylindrów silnika, w zależności od chwilowego stanu pracy silnika i parametrów zewnętrznych. Parametry zewnętrzne, np. temperatura otoczenia czy wilgotność powietrza (od których w znacznym stopniu zależy przebieg spalania, a więc i emisja spalin), odgrywają rolę tzw. wielkości korekcyjnych, wpływających na wielkość dawki paliwa. Precyzja dawkowania paliwa w istotny sposób zależy od rodzaju układu zasilania paliwem. W gaźniku ilość paliwa dostarczanego w jednostce czasu do cylindrów zależy od różnicy ciśnień paliwa w przewodzie doprowadzającym do dyszy paliwa i powietrza w okolicy rozpylacza. Dlatego też wylot rozpylacza jest umieszczony zawsze w najmniejszym przekroju kanału dolotowego gaźnika – w tak zwanej. gardzieli. Z fizycznego punktu widzenia spełnia ona rolę dyszy Venturiego.

Uproszczenie konstrukcji

Sprężynę dociskającą grzybek do gniazda dobrano w taki sposób, że czujnik nie reaguje na pulsacje ciśnienia w stanie ustalonej pracy silnika. Jak już wspomniano, nie wymaga się zbyt dużej dokładności pomiaru obrotów silnika. Dlatego jako nadajnik impulsów proporcjonalnych do prędkości obrotowej silnika wykorzystano dwa zestyki umieszczone wewnątrz aparatu zapłonowego (przesunięte względem siebie o 180° i sterowane wspólną pojedynczą krzywką), służące do określenia momentu wtrysku. W celu uproszczenia konstrukcji układu sterującego przyjęto, że wszystkie krzywe częściowych obciążeń zmieniają się w przybliżeniu tak samo w funkcji obrotów silnika, i określono zależność czasu wtrysku od obrotów silnika dla wybranych wartości ciśnienia pobieranego powietrza. Wyznaczono przebieg charakterystyki korekcyjnej, określonej z dokładnością 2,5%. Przy takim założeniu można przyjąć, że zależność czasu wtrysku od prędkości obrotowej silnika jest taka sama dla wszystkich wartości ciśnienia wlotowego. Pierwotna wersja czujnika przepustnicy urządzenia wtryskowego D-Jetronic posiadała tylko zestyk sygnalizujący całkowite zamknięcie przepustnicy. Sygnał ten powodował całkowite odcięcie podawania paliwa do cylindrów przy hamowaniu silnikiem, o ile silnik pracował z prędkością większą niż 1300…1700 obr/min.

Eliminacja wpływu opóźnienia

W celu wyeliminowania wpływu opóźnienia wnoszonego przez czujnik ciśnienia przy skokowej zmianie ciśnienia w kanale wlotowym zastosowano czujnik przepustnicy, mierzący jej kąt otwarcia i prędkość otwierania. Zmiana konstrukcji czujnika polega na wprowadzeniu zestyku biegu jałowego zwartego przy całkowitym zamknięciu przepustnicy oraz impulsatora należącego do układu wzbogacania mieszanki przy przyspieszaniu. Otwarcie przepustnicy powoduje obrót sprężonego z nią sztywno ramienia i zwarcie zestyku. Nieco później zabierak ramienia powoduje obrót płytki. Dwa ślizgacze przesuwają się po meandrowatej ścieżce przewodzącej i – jeżeli zestyk jest zwarty – wytwarzają ciąg impulsów o częstotliwości przepustnicy. Zestyk zostaje natychmiast otwarty. W ten sposób w stanie ustalonym silnik może pracować na maksymalnie zubożonej mieszance, podczas gdy przy nagłym przyspieszaniu stopień wzbogacenia jest uzależniony od prędkości otwierania przepustnicy. Dodatkowe wydłużenie czasu wtrysku wynosi 2-3 ms. Czas trwania wtrysku zależy również, a może przede wszystkim (oprócz poznanych wcześniej zależności od ciśnienia i obrotów) od temperatury powietrza pobieranego przez silnik – jest to bowiem w tym procesie dość istotne.

Możliwości

Różnice pomiędzy pracą silnika z zasilaniem gaźnikowym i z zasilaniem wtryskowym są szczególnie istotne w stanach przejściowych, takich jak gwałtowne przyspieszenie lub hamowanie silnikiem. Zastosowanie urządzenia wtryskowego sterowanego elektronicznie umożliwia: – zwiększenie mocy P uzyskiwanej z danej pojemności skokowej o około 2O% w porównaniu z zasilaniem gaźnikowym, – zwiększenie momentu obrotowego M, zwłaszcza w zakresie małych prędkości obrotowych silnika, – zmniejszenie zużycia paliwa, – poprawę elastyczności silnika dzięki spłaszczeniu krzywej momentu obrotowego M, – duże zmniejszenie toksyczności spalin. Najważniejsze zalety układu wtryskowego ze sterowaniem elektronicznym to przede wszystkim szybkość działania, precyzja regulacji, łatwość dopasowania do różnych stanów pracy silnika, łatwość zmiany obranego programu dawkowania paliwa i możliwość uwzględnienia dużej liczby parametrów sterujących. Z punktu widzenia konstruktora silnika zastosowanie wtrysku paliwa oznacza złagodzenie ograniczeń obowiązujących zwykle przy projektowaniu, np. umożliwia optymalne ukształtowanie kanałów dolotowych. Oczywiście, tych „złagodzonych ograniczeń” jest znacznie więcej, ale nie warto ich przytaczać.

Dalszy rozwój silników spalinowych

Silnik spalinowy nie osiągnął jeszcze granic rozwoju. W wielu przypadkach poprawę parametrów trakcyjno-ekonomicznych i zmniejszenie toksyczności można uzyskać środkami mechanicznymi; np. przez zmianę konstrukcji komory spalania, uwarstwienie ładunku itp. Środki te są szczególnie korzystne w połączeniu z zasilaniem wtryskowym. Zasilanie wtryskowe stosowano dotąd głównie w samochodach osobowych o większych pojemnościach silnika, a więc oczywiście droższych. Spowodowane to było istniejącą do dziś dużą różnicą cen elektronicznego urządzenia wtryskowego i gaźnika. W ostatnich latach różnica ta uległa znacznemu zmniejszeniu, głównie wskutek opracowania prostszych sposobów sterowania oraz zastosowania układów scalonych w bloku elektronicznym. Dzięki temu udało się uprościć strukturę układu, zmniejszyć wymagania odnośnie dokładności pomiaru niektórych parametrów sterujących i ograniczyć liczbę elementów. Według prognoz firmy BOSCH do roku 1988 technika cyfrowa całkowicie wyprze układy analogowe z urządzeń wtryskowych. Ale obserwując tempo rozwoju techniki i przekładając te obserwacje na prognozy, można przypuszczać, że i ta zostanie jeszcze udoskonalona, a może i zastąpiona – choć w tej chwili to tylko marzenia konstruktorów.

Zasada działania układu zasilania wtryskowego

Zasilanie wtryskowe, powszechnie stosowane w silnikach z zapłonem samoczynnym, w ostatnich dziesięcioleciach wielokrotnie próbowano zastosować do silników z zapłonem iskrowym. W początkowym okresie rozwoju urządzeń wtryskowych stosowano wyłącznie układy wtryskowe z mechanicznym sterowaniem dawki paliwa. W celu poznania zagadnień związanych ze sterowaniem mechanicznym omówimy jedno ze sprawdzonych w praktyce rozwiązań. Dawka paliwa jest określona skokiem tłoczka pompy wtryskowej. W układzie zależy ona od przesunięcia dźwigni regulacyjnej – a więc od otwarcia przepustnicy, położenia wodzika na krzywce przestrzennej, od obrotów silnika, temperatury cieczy chłodzącej i ciśnienia atmosferycznego. Powierzchnia krzywki przestrzennej a odwzorowuje wszystkie punkty charakterystyki silnika. Uzależnienie dawki paliwa od obrotów silnika uzyskano przez sprzężenie krzywki przestrzennej z odśrodkowym czujnikiem obrotów b. Zmiany obrotów silnika powodują poosiowe przesunięcie krzywki. Natomiast naciśnięcie na pedał sterowania przepustnicą c powoduje obrót krzywki. W celu kompensacji niedokładności produkcyjnych w czujniku obrotów zastosowano sprężyny regulacyjne. Czujniki pomocnicze: temperatury silnika e i ciśnienia atmosferycznego f zapewniają dokładne dopasowanie dawki paliwa do różnych warunków eksploatacyjnych.

Czujnik z efektem Halla

Efekt Halla polega na wytwarzaniu napięcia elektrycznego wskutek zmiany gęstości rozmieszczenia elektronów przy przepływie prądu przez element przewodzący znajdujący się w polu magnetycznym. Elektrony odchylane są w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu prądu Iv i do kierunku pola magnetycznego. Przy elektrodzie Ax powstaje nadmiar elektronów, a przy A2 – niedobór, tzn. pomiędzy A i A2 występuje napięcie Halla UH. Sygnał wyjściowy nie zależy od szybkości zmian pola magnetycznego. Opanowanie mikroelektronicznej technologii wytwarzania elementów Halla i integracji ich z układem scalonym wpływa na zmniejszenie wpływu temperatury i szumów. Firma BOSCH już w 1977 roku uruchomiła produkcję scalonego czujnika Halla, przeznaczonego do sterowania układów zapłonowych. Przykład zastosowania scalonego czujnika Halla w tranzystorowym układzie zapłonowym firmy BOSCH można znaleźć na ich stronie. Częstotliwość napięcia przemiennego generowanego w uzwojeniu 2 równa jest częstotliwości iskrzenia. Amplituda sygnału wyjściowego czujnika jest najmniejsza przy małych prędkościach obrotowych, bowiem wtedy szybkość zmian pola magnetycznego jest najmniejsza. Zwiększenie amplitudy sygnału przy najmniejszych prędkościach obrotowych jest możliwe przez zwiększanie wymiarów magnesu lub cewki albo zmniejszanie szczeliny powietrznej.

Czujnik z efektem Wieganda

Efektem Wieganda nazwano zjawisko magnetyczne, zachodzące w specjalnym drucie ferromagnetycznym (stop 10% wanadu, 52% kobaltu i 38″/o żelaza) o małej średnicy, pokrytym galwanicznie cienką warstwą „miękkiego” stopu niklowo-żelazowego. Drut rdzeniowy poddany jest podczas galwanizacji naprężeniom skręcającym. Drut Wieganda jest prostym bistabilnym elementem magnetycznym, tj. może pozostawać w jednym z dwóch stanów namagnesowania w zależności od kierunku i natężenia zewnętrznego pola magnetycznego: zgodnym i przeciwnym. Przejście stanu magnetycznego warstwy zewnętrznej w stan 2 (przeciwny) następuje pod działaniem zewnętrznego, asymetrycznego pola magnetycznego, którego natężenie pola jest mniejsze niż koercja rdzenia. Napięcie indukowane w cewce nawiniętej na drucie Wieganda zależy od szybkości zmiany zewnętrznego pola magnetycznego. Natomiast do przejścia w stan zgodny wystarczy, by natężenie pola magnetycznego osiągnęło pewną wartość progową. Wtedy wszystkie molekuły magnetyczne skokowo przemagnetyzują się w Kierunku zgodnym z kierunkiem magnetyzacji rdzenia. Ten kontrolowany przeskok magnetyczny indukuje w cewce nawiniętej na drucie krótki impuls o dość dużej amplitudzie, wystarczający do bezpośredniego wysterowania układów scalonych (ok. 15 lis, ok. 5 V). Parametry impulsu nie zależą od szybkości zmian pola magnetycznego, a więc od np. mierzonej prędkości obrotowej. Zakres temperatur pracy od -70 do + 250°C.