System OPUS

Dopasowanie dawkowania paliwa

W celu zagwarantowania prawidłowej pracy silnika we wszystkich stanach pracy stosuje się, oprócz głównych wielkości sterujących, również wielkości korekcyjne. Umożliwia to dopasowanie składu mieszanki do zapotrzebowania silnika przy pełnym obciążeniu (całkowitym otwarciu przepustnicy), przy zwykłym przyspieszaniu, w czasie hamowania silnikiem, podczas rozruchu w niskich temperaturach oraz w czasie nagrzewania do temperatury eksploatacyjnej. Liczba niezbędnych parametrów korekcyjnych zależy od wyboru głównych parametrów sterujących. Przy rozruchu oraz w czasie nagrzewania silnik musi otrzymywać bogatszą mieszankę. Zwiększenie czasu wtrysku musi być tym większe, im niższa jest temperatura silnika. Przykładowo, przy rozruchu w temperaturze – 20°C ilość paliwa wtryskiwanego do cylindra jest 20 razy większa niż przy pełnym obciążeniu. Wielkość rozruchowej dawki paliwa zmniejsza się ze wzrostem temperatury otoczenia, by przy +20 –  + 40°C zmaleć do zera. Wtryskiwacz rozruchowy zostaje wyłączony. Bezpośrednio do rozruchu ilość wtryśniętego paliwa jest jeszcze 2-3 razy większa od niezbędnej przy temperaturze eksploatacyjnej silnika. Wielkość dawki wtryskiwanego paliwa w czasie rozgrzewania stopniowo maleje, aż po osiągnięciu temperatury roboczej układ wzbogacenia zostaje wyłączony.

Układ blokujący

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.

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.

Konwertory pulsacji

Wykorzystanie energii spalin w układzie doładowania turbosprężarką zależy głównie od dwóch czynników: wielkości strat energii występujących podczas przepływu spalin od cylindra do turbiny; sprawności turbiny, na którą decydujący wpływ ma sposób jej zasilania. Z poprzednich rozważań wynika, że system stałego ciśnienia umożliwia wprawdzie uzyskanie większych sprawności turbiny, lecz charakteryzuje się znacznymi stratami energii spalin. W systemie pulsacyjnym natomiast małe straty energii spalin są okupione mniejszą sprawnością turbiny, co wynika z niepełnego okresowego jej zasilania. W wyniku dążenia do połączenia zalet obu systemów doładowania powstał układ doładowania zwany konwertorem pulsacji1′, w którym energia pulsacji ciśnienia jest wykorzystywana do zwiększania prędkości spalin, a prędkość ta po odpowiednim przekształceniu umożliwia odzyskanie energii w postaci ciśnienia. Przewody wylotowe 1 dwóch cylindrów, dla których odstęp między zapłonami jest mniejszy od czasu otwarcia ich zaworów wylotowych, są doprowadzone przez dysze 2 do wspólnego przewodu 3, łączącego się poprzez dyfuzor 4 ze zbiornikiem wyrównawczym 5 umieszczonym bezpośrednio przed wlotem do turbiny 6.

Ciśnienie

Fala ciśnienia wywołana wylotem z cylindra I przemieszcza się wzdłuż przewodu wylotowego i dochodzi do dyszy, w której energia ciśnienia zostaje zamieniona na energię kinetyczną i powoduje przyspieszenie ruchu spalin wypływających z cylindra 77 (w którym wylot rozpoczął się wcześniej). W ten sposób uzyskuje się w przewodzie 3 wyrównanie prędkości przepływu spalin. W dyfuzorze następuje przemiana energii kinetycznej na ciśnienie. Im więcej cylindrów jest podłączonych do tego samego konwertora pulsacji, tym bardziej stałe jest ciśnienie za dyfuzorem, a cały układ zbliża się do systemu stałego ciśnienia, a jednocześnie przejmuje wady charakterystyczne dla tego systemu. Na przykład celowe jest zastosowanie konwertora pulsacji w silnikach czterosuwowych o odstępie zapłonów mniejszym niż 240°, dzięki czemu można znacznie poprawić zasilanie turbiny w silnikach 5, 8- i 10-cy-lindrowych, a także uzyskać większe ciśnienie doładowania i lepsze przepłukanie cylindrów – a o to przecież także chodzi.

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.

Zasoby ropy naftowej
Jeśli transport będzie się rozwijał w takim tempie jak dotychczas, to za kilkadziesiąt lat zatruje cały świat. Na świecie jest blisko miliard samochodów z silnikami spalinowymi. Zdaniem naukowców, musimy jak najszybciej wprowadzić technologie, które umożliwią pozyskiwanie czystej energii, aby zapobiec dalszym zmianom klimatu. Problemem jest uzależnienie transportu od ropy naftowej, która zatruwa środowisko. Potrzebny jest dobry pomyśl, który pomoże zastąpić ropę, zanim jej złoża ulegną wyczerpaniu. Światowe zużycie ropy sięga obecnie 80 baryłek ropy dziennie. Za około 50 lat zasoby ropy będą już znacznie uboższe i jeśli nie znajdziemy zamiennika, samochody najnormalniej staną, bo nie będzie paliwa, które by je napędzało. Zwykły użytkownik nie zastanawia się tak naprawdę skąd bierze się paliwo. Jedzie na stację benzynową, tankuje, płaci i odjeżdża; jeszcze na razie tak jest, ale mogą nadejść dni, kiedy paliwo to będzie na wagę złota, a jego zdobycie graniczyć będzie niemalże z cudem. Ktoś pomyśli, że świat zwariował, ale naprawdę ropa nie jest surowcem, który odnawia się przez 20 czy 50 lat.

Działanie

Napięcie mierzone Um i kompensujące Uk są odejmowane we wzmacniaczu operacyjnym. Drut pomiarowy powinien być osłonięty przed bryzgami paliwa. Korekcję liniowości wskaźnika wykonuje się zmieniając długość drutu oporowego zanurzonego w poszczególnych strefach zbiornika. Cienkowarstwowe foliowe czujniki elektrotermiczne produkowane są na automatycznych liniach produkcyjnych. Wynikająca z zasady działania duża swoboda w doborze ilości wartości rezystorów umożliwia łatwą linearyzację wskazań nawet dla bardzo skomplikowanych kształtów zbiornika paliwa oraz współpracę z układami cyfrowymi. Dokładność pomiaru zwłaszcza w zakresie małych ilości paliwa jest znacznie większa niż w przypadku innych typów czujników – ważne przy współpracy z kalkulatorem pokładowym obliczającym przewidywany zasięg do wyczerpania zapasu paliwa. Czujniki elektrotermiczne nadają się również do pomiaru poziomu innych cieczy eksploatacyjnych. Temperatura otoczenia nie wpływa na wynik pomiaru. Po włączeniu stacyjki lampka kontrolna świeci przez 1,5 s, po czym gaśnie, gdy poziom oleju jest wyższy od minimalnego.

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.

We współczesnych samochodach jest to miernik poziomu paliwa (który zawsze tak martwi kierowców gdy jego wskazówka zbliża się do dolnej krawędzi). Poziom innych cieczy eksploatacyjnych: cieczy chłodzącej, płynu hamulcowego, elektrolitu w akumulatorze, wody w zbiorniczku wtryskiwacza oraz olejów smarujących kontroluje się wizualnie, np. za pomocą marki prętowej (olej silnikowy) lub otworów pomocniczych (skrzynia przekładniowa i mechanizm różnicowy). Kontrola poziomu tych cieczy jest kłopotliwa (zły dostęp, brak oświetlenia, konieczność zabrudzenia rąk), toteż kierowcy wykonują ją niechętnie lub wcale. Wyciek płynu może zdarzyć się w czasie jazdy, co może być przyczyną zatarcia silnika (wyciek oleju silnikowego) lub nawet wypadku (wyciek płynu hamulcowego). Wszystkie wymienione pomiary można w prosty sposób wykonać metodami elektrycznymi, przy czym stopień skomplikowania układu zależy w dużej mierze od typu czujnika (czujniki pomiarowe i sygnalizacyjne) oraz od rodzaju cieczy (przewodzące lub nieprzewodzące).

Pomiar ilości paliwa

W klasycznych układach do pomiaru poziomu paliwa stosuje się najczęściej czujnik potencjometryczny, którego rezystancja wyjściowa zależy od położenia suwaka sprzężonego z pływakiem umieszczonym w zbiorniku paliwa. Wadą tego typu czujnika jest wrażliwość na przypadkowe zmiany poziomu spowodowane ruchami paliwa w zbiorniku. Wady tej są pozbawione czujniki rezystancyjne. Czujnik rezystancyjny, który, podobnie jak czujnik potencjometryczny, nadaje się tylko do cieczy nieprzewodzących. W wersji opracowanej przez VDO składa się z zanurzonej w benzynie rury, w której na prowadnicy porusza się pływak. Czujniki typu pływakowego można stosować tylko w zbiornikach paliwa o prostych formach geometrycznych. Kształty współczesnych bezpiecznych zbiorników montowanych w strefie najmniejszych odkształceń pojazdu mogą być bardzo skomplikowane. Stosuje się wtedy czujniki pojemnościowe w wykonaniu elastycznym lub elektrotermiczne. Wielkością sterującą układ elektroniczny jest zmiana pojemności czujnika spowodowana zmianą poziomu paliwa.