PZM – Motoryzacja

Urządzenia dodatkowe

Przy zasilaniu wtryskowym, podobnie jak i w silnikach gaźnikowych, jest konieczne wzbogacenie mieszanki podczas rozruchu i rozgrzewania silnika, ponieważ część mieszanki kondensuje na zimnych ściankach cylindra. Stopień wzbogacenia szybko rośnie w miarę zmniejszania temperatury silnika. Oprócz tego w celu zapewnienia stabilnej pracy silnika należy zwiększyć ilość mieszanki podawanej do cylindrów, bowiem w zimnym silniku większe są opory tarcia. Wymienione zadania realizują urządzenia dodatkowe, do których zalicza się: wtryskiwacz rozruchowy i zawór dodatkowego powietrza. Wtryskiwacz rozruchowy, znajdujący się w kolektorze dolotowym silnika, rozpoczyna podawanie paliwa z chwilą włączenia wyłącznika, jeżeli równocześnie jest zwarty zestyk termicznego wyłącznika czasowego. Zachodziło to w zakresie temperatur od – 20°C do +20 – 40°C, przy czym zależnie od typu silnika czas włączenia może wynosić od 5-20 s. Ograniczenie czasowe wykonano w prosty sposób. Uzwojenie grzejne nawinięte na sprężynie bimetalicznej zestyku powoduje rozwarcie obwodu prądowego po określonym czasie, zależnie od temperatury początkowej. Zwiększenie ilości powietrza byłoby możliwe przez większe otwarcie przepustnicy.

Urządzenie wtryskowe L-Jetronic/BOSCH

Litera L (Luftmenge) w nazwie firmowej oznacza, że jako główny parametr sterujący wybrano ilość powietrza pobieranego przez silnik. Zmiana sposobu sterowania umożliwiła zastąpienie skomplikowanego czujnika ciśŹnienia prostym i niezawodnym czujnikiem przepływu powietrza oraz znaczne uproszczenie urządzenia. Wielkość wtryskiwanej dawki paliwa zależy głównie od ilości powietrza pobranego przez silnik i od obrotów silnika. Taki sposób sterowania zapewnia niezależność wielkości dawki paliwa od zmian objętości cylindra, zmian napełnienia cylindrów przy zmianach prędkości obrotowej, zmian w regulacji zaworów i zmian przeciwciśnienia gazów wylotowych – występujących przy uszkodzeniu układu wydechowego i wskutek zużycia dopalaczy termicznych i katalitycznych. Urządzenie nie posiada układu wzbogacenia mieszanki przy przyspieszaniu, ponieważ czujnik przepływu bez opóźnienia reaguje na zmiany ilości pobieranego powietrza. Urządzenie L-Jetronic nadaje się do pracy w systemie z recyrkulacją spalin, bowiem dzięki zastosowaniu pomiaru przepływu wielkości dawki paliwa dopasowuje się samoczynnie do zmian ilości recyrkulujących spalin. A wiadomo, że recyrkulacja jest potrzebna – dlatego też omawiane urządzenie zostało wysoko ocenione.

Układ paliwowy

Układ paliwowy jest zbudowany podobnie jak w urządzeniu wtryskowym D-Jetronic. Niewielkiej zmianie uległ tylko regulator ciśnienia. Wartość stabilizowanego ciśnienia paliwa uzależniono od ciśnienia powietrza w kanale dolotowym. Dzięki temu różnica pomiędzy ciśnieniem paliwa i powietrza w kanale dolotowym jest stała, a więc ilość wtryśniętego paliwa zależy tylko od czasu otwarcia zaworu wtryskiwacza. Całkowicie zmieniono sposób sterowania wtryskiwaczy. Wszystkie wtryskiwacze są włączane jednocześnie. Wpływa to niekorzystnie na równomierność spalania, dlatego też dawkę paliwa określoną dla całego cyklu pracy podzielono na dwie połowy (wtryskiwane dwukrotnie w czasie jednego obrotu wałka rozrządczego). W takim systemie dokładność wyzwalania nie jest tak istotna, a więc impulsy synchronizujące są wytwarzane z sygnału pobieranego z przerywacza układu zapłonowego. Prostsze rozwiązanie polega na zastosowaniu sterowanego temperaturą zaworu na przewodzie dodatkowym, bocznikującym przepustnicę. Element ruchomy zaworu dodatkowego powietrza może być sterowany bimetalem zaopatrzonym w uzwojenie grzejne, co ułatwia dopasowanie do różnych typów silników. Przewód dodatkowego powietrza zostaje zamknięty w temperaturze -r-60… + 70°C.

Przewężenie

Obecność przewężenia w kanale dolotowym (gardzieli) powoduje pogorszenie napełniania cylindrów, a więc ograniczenie parametrów trakcyjnych silnika. Przy zasilaniu wtryskowym przewężenie w kanale dolotowym nie jest potrzebne, ponieważ ciśnienie paliwa zasilającego wtryskiwacze jest. wystarczająco duże, aby zapewnić prawidłowe rozpylenie i wymieszanie we wszystkich stanach pracy silnika. Z tego powodu w silnikach zasilanych wtryskowo można stosować wyższe stopnie sprężania i uzyskać większą moc niż przy zasilaniu gaźnikowym. Skład mieszanki określa się zwykle za pomocą współczynnika nadmiaru powietrza podającego stosunek ilości powietrza L (kg, m3) zawartego w mieszance, do ilości L (kg, m3) powietrza teoretycznie niezbędnej do zupełnego spalenia paliwa zawartego w tej mieszance. Współczynnik ten jest równy jedności wtedy, gdy ilości paliwa i powietrza odpowiadają tzw. składowi stechiometrycznemu, a paliwo zawarte w danej ilości powietrza może ulec zupełnemu spaleniu na dwutlenek węgla i parę wodną. Do całkowitego spalenia 1 kg paliwa potrzeba 14,7 kg powietrza. Jeżeli ilość powietrza jest zbyt mała do całkowitego spalenia, to mieszankę nazywa się bogatą, jeżeli jest odwrotnie, to mówimy o ubogiej mieszance.

Mieszanka

Skład mieszanki dostarczanej przez gaźnik może się w pewnych granicach zmieniać w zależności od zmian gęstości zasysanego powietrza, spowodowanych wahaniami temperatury i zmianami ciśnienia atmosferycznego. Z tego powodu gaźnik musi wytwarzać mieszankę bogatszą, niż jest to niezbędne, w przeciwnym razie może nastąpić nadmierne zubożenie mieszanki w niskich temperaturach i przy wysokich ciśnieniach atmosferycznych. Przy zasilaniu gaźnikowym obserwuje się ponadto nierównomierny rozdział mieszanki i niejednakowy jej skład w poszczególnych cylindrach. Skład mieszanki w poszczególnych cylindrach może wahać się nawet o około 0,1 X. Przy zasilaniu wtryskowym nierównomierność ta jest ponad dwukrotnie mniejsza. W stanach nie ustalonych precyzja dawkowania paliwa przez gaźnik jest stosunkowo niewielka. Czas dopasowania składu mieszanki do nowych warunków pracy jest zbyt długi, wynosi nawet 400-600 ms. Przez pewien okres czasu silnik jest więc zasilany mieszanką o nieprawidłowym składzie. Wymienione czynniki powodują pogorszenie parametrów trakcyjnych silnika, wzrost zużycia paliwa i zwiększenie zawartości szkodliwych składników spalin. Te negatywne zjawiska z trudnością można opanować za pomocą środków mechanicznych, np. skomplikowanych gaźników, układów gaźników, czy też mechanicznego sterowania wtryskiem paliwa (wyjątkiem jest opracowane przez BOSCHA mechaniczne urządzenie wtryskowe K-Jetronic).

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.