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.

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.