PZM – Motoryzacja

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.

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.

Wzmocnienie wału korbowego

Jednak przez wzmocnienie i odpowiednie wymiarowanie wału korbowego, łożysk, głowic, ściągów, trzonów tłokowych i korbowodów oraz wprowadzenie po wnikliwych studiach konstrukcyjnych specjalnych rozwiązań tłoków nie dopuszczono do przekroczenia naprężeń uznawanych jako dopuszczalne w typowych silnikach. Podane poprzednio założenia wysokiego doładowania MAN, zastosowane w pierwszych silnikach tego rodzaju, umożliwiały uzyskanie wyjątkowo małego zużycia paliwa. Późniejszy rozwój związany z dalszym powiększaniem pe (dla uzyskania jak najmniejszego obrysu silnika) skłonił konstruktorów wspomnianej wytwórni do wprowadzania większego współotwarcia zaworów, umożliwiającego zmniejszenie obciążeń cieplnych kosztem pewnego wzrostu zużycia paliwa. Ponadto w dążeniu do uzyskania możliwie dużych wartości pe przy danym największym ciśnieniu spalania (uwarunkowanym względami konstrukcyjnymi oraz przepisami towarzystw klasyfikacyjnych) przyjęto oczywiście ciśnienia doładowania nie tak duże jak początkowo.

Wybór systemu

Przykładem silnika opracowanego w oparciu o te zmodyfikowane założenia jest silnik W52/55 (D/S = 520/550 mm) o mocy z cylindra 740 kW. Zastanawiając się nad wyborem systemu doładowania do wysokodoładowanego silnika czterosuwowego, należy wziąć pod uwagę, że przy współczesnych sprawnościach turbosprężarek rzędu 0,6 czterosuwowy silnik doładowany systemem stałego ciśnienia góruje nad silnikiem doładowanym systemem pulsacyjnym z częściowym zasilaniem przy obciążeniach przekraczających 1,75 MPa. Przy doładowaniu pulsacyjnym i pełnym zasilaniu (zgrupowanie wylotów z trzech cylindrów) punkt, w którym system przy stałym ciśnieniu jest korzystniejszy, znajduje się powyżej wartości pe = 2,1 MPa. Ponadto należy uwzględnić fakt, że doładowanie systemem stałego ciśnienia powoduje gorszą pracę przy obciążeniach częściowych i gorszą zdolność do przyspieszania silnika. A więc system ten jest niedogodny w takich warunkach eksploatacji, w których wymaga się dobrej reakcji silnika przy nagłych zmianach obciążenia albo żąda się długich okresów pracy na obciążeniach częściowych.

Kolejne wady

Inną jeszcze wadą dmuchawy promieniowej jest szybki spadek ciśnienia tłoczenia ze zmniejszeniem prędkości obrotowej wirnika. Wprawdzie przy mniejszej prędkości obrotowej silnika dłuższy czas otwarcia okien (a tym samym i większy ich czasoprzekrój mierzony w m2 s) ułatwia przepłukanie cylindra przy zmniejszonym ciśnieniu ładowania, jednak pogarsza to w istotny sposób przebieg krzywej pe oraz MB. W silniku nawrotnym dmuchawa promieniowa, dobrana do jego normalnej pracy, ma podczas biegu wstecznego znacznie mniejszą sprawność. W wielu przypadkach można się jednak z tym pogodzić, ponieważ śruba napędowa obracająca się w kierunku odwrotnym i tak nie pobiera pełnej mocy silnika. Ze względu na omówione właściwości dmuchawy promieniowe nadają się do ładowania silników z zapłonem samoczynnym średniej i dużej mocy. Jednak szerokie stosowanie w zakresie dużych mocy doładowania przy użyciu turbosprężarek i coraz szersze ich rozpowszechnianie w mniejszych silnikach ogranicza obecnie stosowanie dmuchaw promieniowych (napędzanych od wału korbowego) do niezbyt licznych silników dwusuwowych średniej mocy.

Dmuchawa tłokowa

Dmuchawy takie, po niezbyt udanym zastosowaniu w dawnych silnikach DKW i innych, zostały całkowicie zastąpione w dwusuwowych silnikach gaźnikowych wstępnym sprężaniem mieszanki w skrzyni korbowej. Próby użycia dmuchaw tłokowych w szybkoobrotowych silnikach z zapłonem samoczynnym (np. NORMAG) nie znalazły naśladowców, ponieważ wprowadzenie takich dmuchaw w celu uzyskania nadciśnienia w granicach kilku setnych megapaskala pociąga za sobą niewspółmiernie duże skomplikowanie konstrukcji silnika oraz znaczny wzrost jego masy i gabarytu. Szersze zastosowanie znalazły natomiast dmuchawy tłokowe w wolnoobrotowych silnikach dwusuwowych (n < 250 obr/min). W tych silnikach może być zastosowana jedna duża dmuchawa umieszczona w osi podłużnej silnika i napędzana od specjalnego wykorbienia wału korbowego lub też większa liczba małych dmuchaw zabudowanych na bocznej stronie silnika i napędzanych od wodzików za pomocą odpowiednich ramion. Przy takim zabudowaniu dmuchawy, gdy powietrze jest tłoczone wprost do przelotni, przyjmuje się p2 – pp.

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.

Pomiar poziomu oleju

Wobec oczywistych niedogodności związanych z pomiarem poziomu oleju w misce olejowej za pomocą pręta pomiarowego kilka firm opracowało proste czujniki minimalnego poziomu oleju. Umieszczony na pływaku 1 pierścień stykowy 2 zwiera styki 3, gdy poziom oleju opadnie do minimum. Czujnik ten nadaje się tylko do cieczy nie przewodzących. Rysunek 11.49b przedstawia uniwersalny czujnik kontaktronowy. Składa się on z dwóch części: – magnesu ferrytowego 5 umieszczonego na odpowiednio prowadzonym pływaku, – . kontaktronu 4 umieszczonego w miejscu odpowiadającym minimalnemu poziomowi. W chwili gdy magnes znajduje się obok środka kontaktronu, nastąpi zamknięcie lub rozwarcie obwodu prądu (zależy to od typu kontaktronu) i włączenie urządzenia sygnalizującego ubytek cieczy. Czujnik termistorowy połączony szeregowo z lampką kontrolną nadaje się również tylko do cieczy nie przewodzących. Termistor jest umieszczony w rurce mosiężnej 6 z otworkami. Oznacza to, że poziom oleju jest zbyt niski i rezystor pomiarowy nie jest chłodzony przez olej.

Termistor

Ciecz otaczająca termistor chłodzi go i tym samym jego rezystancja jest w przybliżeniu stała. Gdy poziom cieczy opadnie poniżej termistora, to pod wpływem nagrzewania spowodowanego przepływem prądu, jego rezystancja zmaleje – prąd wzrośnie jeszcze bardziej i zaświeci się lampka sygnalizacyjna. Opisane powyżej czujniki wymagają wprowadzenia określonych zmian w konstrukcji zbiornika. Jako wyposażenie dodatkowe firma VDO opracowała czujnik elektrotermiczny montowany w otworze prętowego wskaźnika poziomu oleju. Drucik pomiarowy zamocowano na izolatorach wewnątrz rurki, w zakresie minimalnego poziomu oleju. W momencie włączenia zapłonu układ czasowy przepuszcza przez rezystor pomiarowy Rm impuls prądu o stałym natężeniu trwającym 1,5 s. Przepływ prądu powoduje wzrost temperatury, a tym samym zwiększenie rezystancji Rm. Układ pomiarowy mierzy i zapamiętuje spadek napięcia na rezystancji Rm w chwili t = 0 i po zakończeniu impulsu prądowego – t = 1,5 s. Układ progowy porównuje różnicę zmierzonych wartości i zapala lampkę kontrolną przy wzroście różnicy AU powyżej wartości progowej.