PZM – Motoryzacja

Niskie wartości

Jak dotychczas, najkorzystniejszy sposób polega na zasilaniu silnika mieszanką o składzie stechiometrycznym (X = 1), z jednoczesnym obniżeniem zawartości węglowodorów i CO w spalinach za pomocą prostego dopalacza katalitycznego. Nadzwyczaj niską zawartość tlenków azotu przy zasilaniu bogatą mieszanką tłumaczy się tym, że wskutek obecności CO, tlenek azotu zostaje zredukowany do wolnego azotu N2. Zbyt mała zawartość powietrza w mieszance powoduje, że obniżenie poziomu CO i węglowodorów nie jest zadowalające. W zakresie ubogich mieszanek nadmiar powietrza wystarcza do prawie całkowitego utleniania węglowodorów i tlenku węgla w dopalaczu. Dopalacz nie powoduje zmniejszenia zawartości tlenków azotu, ponieważ nadmiar tlenu i zbyt mała zawartość CO uniemożliwiają redukcję tlenku azotu do N2. Przy zasilaniu mieszanką o składzie stechiometrycznym a = 1 zawartość CO, węglowodorów i tlenków azotu, mierzona za dopalaczem katalitycznym, jest bardzo mała (mniejsza nawet niż wynikająca z norm sanitarnych USA na rok 1976). Skokowy wzrost zawartości tlenku azotu przy przekroczeniu a=1 stawia nadzwyczaj ostre wymagania co do precyzji dawkowania paliwa. Wymaganej precyzji nie zapewnia nawet urządzenie wtryskowe L-Jetronic. Niezbędną dokładność regulacji uzyskano dopiero dzięki zastosowaniu zamkniętego obwodu regulacji, ze sprzężeniem zwrotnym od składu spalin (sonda X).

Recylkulacja spalin

W każdym przypadku, niezależnie od rodzaju urządzenia zapłonowego i urządzenia wtryskowego, zmniejszenie zawartości tlenku azotu w spalinach można osiągnąć przez zastosowanie recyrkulacji spalin. Recyrkulacja spalin polega na doprowadzeniu pewnej części gazów wylotowych silnika z powrotem do kanału dolotowego. Udział spalin w mieszance wypełniającej cylinder nie powinien przekraczać 20%. Przy większych wartościach współczynnika recyrkulacji obserwuje się zmniejszenie średniego ciśnienia w cylindrze i wzrost zużycia paliwa. Korzystny wpływ recyrkulacji spalin tłumaczy się tym, że obecność spalin w cylindrze powoduje zmniejszenie szczytowych temperatur występujących w czasie spalania, a tym samym zmniejszenie emisji NO. Tlenki azotu powstają właśnie w wysokich temperaturach. Spowodowane jest to zmniejszeniem wartości opałowej mieszanki wypełniającej cylinder. Obecność spalin w cylindrze powoduje również spowolnienie reakcji występujących bezpośrednio przed zapłonem mieszanki i tym samym umożliwia stosowanie paliwa o niższej liczbie oktanowej. Przy zasilaniu wtryskowym w celu zmniejszenia toksyczności spalin i zużycia paliwa w stanie hamowania silnikiem układ sterujący wtryskiwaczami zostaje wyłączony aż do momentu otwarcia przepustnicy lub zmniejszenia prędkości obrotowych silnika poniżej wartości 1300-1700 obr/min.

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.

Zagadnienie

Ponadto należy podkreślić, że w silnikach o małej objętości skokowej (np. 50 cm3) trudno jest ze względów konstrukcyjnych uzyskać małe wartości 3, a chcąc osiągnąć w takich przypadkach duże wskaźniki mocy należy stosować duże czasoprzekroje okien: dolotowych, przelotowych i wylotowych. Na przykład silnik firmy Gräf-Stift, wyposażony w prosty układ regulacji (drogą upustu części powietrza ze strony tłocznej dmuchawy na ssawną) i zamontowany w autobusie pracującym w ruchu miejskim, osiągnął 17% oszczędności w zużyciu paliwa. Dobór elementów nastawczych układu regulacji i charakterystyki więzów łączących te elementy musi odbywać się na drodze eksperymentalnej. Osobne zagadnienie – dotąd nie rozwiązane w całości – to problem wyboru kryteriów optymalności takiej regulacji. Konwertor pulsacji odpowiadający schematowi ma znaczną długość, co utrudnia jego zastosowanie we współczesnych silnikach charakteryzujących się zwartą budową. Na rysunku u Niewiarowskiego pokazano zbadane w wytwórni Sulzer układy, jakie zastosowano w ośmiocylindrowym silniku rzędowym używanym.

Zależności

Im mniejsze jest konieczne ciśnienie doładowania i mniejszy jest wydatek powietrza przy właściwym przebiegu procesu wymiany ładunku, tym łatwiej jest zrealizować doładowanie systemem pulsacyjnym. W celu uzyskania możliwie dużej energii spalin i tym samym zwiększenia mocy turbiny należy ponadto zwiększyć wyprzedzenie otwarcia okien wylotowych. Gwałtowny wypływ spalin podczas wylotu wstępnego powoduje w ciasnym układzie wylotowym pulsacyjnego systemu doładowania chwilowy wzrost ciśnienia dochodzący przy pełnym obciążeniu do 0,15-H -T- 0,2 MPa. Spaliny te powinny możliwie szybko odpłynąć przez turbinę, aby do chwili otwarcia okien dolotowych ciśnienie za oknami wylotowymi zmalało do ciśnienia doładowania lub jeszcze bardziej, co umożliwi przepłukanie cylindra. W przeciwnym przypadku nastąpi „uderzenie” spalin do układu wlotowego. W typowych przypadkach – zwyczajne zwiększenie wymaganej mocy silnika do 2214-250 kW, podczas gdy w latach 1961-63 zachodnioniemieckie silniki-bez doładowania do samochodów ciężarowych o masie całkowitej 32 t miały najczęściej moc 154 kW.

Kilka słów o turbinie

Przekroju turbiny nie można dowolnie zwiększać, ponieważ jest to związane z niepełnym wykorzystaniem pulsacji ciśnienia. A więc musi istnieć duży czasoprzekrój wylotu wstępnego (tj. czasoprzekrój liczony do chwili otwarcia okien dolotowych, aby wzrost ciśnienia nastąpił możliwie szybko, a oprócz tego niezbędny jest dostateczny odstęp czasu między otwarciem okien wylotowych i dolotowych, aby fala spalin o zwiększonym ciśnieniu zdążyła przejść przez turbinę. W wolnoobrotowych silnikach potrzeba do tego 25 -=-28° obrotu korby. Ostatecznie wyprzedzenie dobiera się drogą doświadczalną. Pod tym względem korzystniejsze są silniki o przepłukaniu wzdłużnym, zwłaszcza zaworowe. Oczywiście moc turbiny wzrasta kosztem straty pola wykresu indykatorowego, co pociąga za sobą pewne zwiększenie zużycia paliwa. W silnikach z przepłukaniem zwrotnym i poprzecznym, najczęściej ze względów konstrukcyjnych nie jest możliwe tak wczesne otwarcie wylotu. Występujący wówczas niedobór mocy turbiny wyrównuje się za pomocą dodatkowej dmuchawy.

Wymiana filtrów
Bardzo ważne jest, aby nie lekceważyć tych drobnych części jakimi są wszelkiego rodzaju filtry. Od ich dobrego stanu zależy bardzo wiele rzeczy. Zapewniają one lepszą pracę naszego silnika i dbają o jego jak największą czystość zwiększając tym samym jego ogólną żywotność. Filtry te odgrywają również ogromną rolę w ochronie naszego środowiska naturalnego, czyli między innymi zapewniają zdrowsze życie nam wszystkim. Oczyszczając spaliny powodują mniejszą emisję szkodliwych gazów do atmosfery. Chyba nikt z nas nie chce żyć w miastach z duszącym smogiem, a większość używa samochodów. Dlatego należy dbać również i o te filtry. Ostatnie rodzaje filtrów zapewniają nam samym lepszy komfort jazdy. Oczyszczają powietrze wpadające do kabiny z wszelkiego rodzaju kurzu i zanieczyszczeń. Osuszają je, dzięki czemu szyby w samochodzie nie parują się, powodując w ten sposób większe bezpieczeństwo kierowania samochodem. Każde auto posiada książeczkę, na której dokładnie wyszczególnione jest kiedy i jaki filtr należy wymienić. Nigdy nie powinniśmy o tym zapominać. Należy trzymać się ściśle zaleceń producenta samochodu.

Katalizator
Katalizatory montowane są w układzie wydechowym zazwyczaj dość blisko kolektora wydechowego. Katalizatory są montowane ze względu na coraz bardziej restrykcyjne prawo dotyczące czystości spalin samochodowych. Ich podstawowym zadaniem jest oczyszczanie spalin w celu zmniejszenia ilości szkodliwych składników, które się w nich znajdują. Początkowo na układzie wydechowym montowano tylko jeden katalizator. Wystarczał on do tego, aby sprostać wymaganiom prawa. Stale rosnące normy doprowadziły jednak do tego, że zaczyna się montować w pojazdach układy kilku katalizatorów zamiast standardowego jednego. Katalizator do prawidłowej pracy potrzebuje optymalnych warunków, które dobierane są dzięki danym przekazywanym przez sondę lambda. Stąd tendencja do montażu sondy zarówno przez jak i za katalizatorem. Sam proces oczyszczania spalin odbywa się na zasadzie reakcji wszelkich substancji występujących w spalinach z katalizatorem. Zużyty katalizator to nie tylko zwiększona emisja szkodliwych gazów do atmosfery. To również zwiększenie się zużycia paliwa. Z tego względu bardzo ważne jest dbanie o nasz katalizator. Z reguły katalizator powinien przetrwać naprawdę wiele, jednak zdarza się że ulega on przedwczesnemu zużyciu. Wymiana katalizatora to niestety dość kosztowna operacja.

Czujniki wieloelektrodowe

Kondensator ma około dwukrotnie większą pojemność po całkowitym zanurzeniu w benzynie; wynika to z różnych przenikalności dielektrycznych paliwa i powietrza. Czujnik ma charakterystykę liniową, dostosowaną do zbiorników o kształtach prostopadłościennych. W celu otrzymania liniowej podziałki układu mierzącego poziom paliwa w zbiorniku o nieliniowej zależności między poziomem a objętością paliwa stosuje się czujniki nieliniowe. Inny sposób linearyzacji charakterystyki polega na odpowiedniej zmianie długości poszczególnych pasków przewodzących czujnika. Czujniki wieloelektrodowe mają stosunkowo dużą pojemność. Zmiana pojemności czujnika powoduje przestrojenie oscylatora na inną częstotliwość. W przypadku czujników prętowych częstotliwość oscylacji powinna wynosić 200…500 kHz, natomiast stosując czujniki wieloelektrodowe można ograniczyć częstotliwość do 5 kHz, co znacznie ułatwia konstrukcję układu pomiarowego. Zmiana pojemności Cx spowodowana zmianą pozioma paliwa powoduje rozstrojenie mostka Cu Cx, Ph.

Równowaga

Mostek jest w stanie równowagi, gdy Ci = Cx i suwak potencjometru Pj jest ustawiony w położeniu środkowym. Proporcjonalne do zmiany pojemności Cx napięcie po przekątnej suwak jest mierzone przez miliwoltomierz zbudowany na układzie scalonym MAA245. W celu uzyskania dobrej liniowości wskazań miernik włączono w gałąź sprzężenia zwrotnego. Potencjometr Pj służy do nastawienia punktu zerowego przy pustym zbiorniku, a P2 – przy pełnym. W opisanym układzie czujnik wykonano z rury mosiężnej o średnicy 15 mm i długości 250 mm (okładzina masowa). Wewnątrz rury na izolatorach zamocowano pręt o 0 1,5 mm tworzący drugą okładzinę kondensatora CX. Dołączając do wyjścia miernika układ progowy można uzyskać zapalenie lampki kontrolnej minimalnego poziomu paliwa. Zasilany stałym prądem drut oporowy jest chłodzony przez paliwo, toteż jego rezystancja jest tym mniejsza, im bardziej napełniony jest zbiornik. W celu wyeliminowania wpływu temperatury paliwa na wynik pomiaru na dnie zbiornika umieszczono rezystor kompensacyjny.