LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH. Ćwiczenie 5 UKŁADY ZASILANIA I ZAPŁONOWE W SILNIKACH O ZAPŁONIE ISKROWYM.

Transkrypt

1 Dr inŝ. Zbigniew Kneba 1. Wstęp WYDZIAŁ MECHANICZNY POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK Kierownik katedry: prof. dr hab. inŝ. Andrzej Balcerski, prof. zw. PG LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH Ćwiczenie 5 UKŁADY ZASILANIA I ZAPŁONOWE W SILNIKACH O ZAPŁONIE ISKROWYM. Układy sterowania pracą samochodowych silników spalinowych uległy zasadniczym przeobraŝeniom w latach 80-tych XX wieku. Pojawiły się wówczas moŝliwości powszechnego stosowania sterowników elektronicznych dla sterowania i kontroli pracy układów zasilania, zapłonowego, rozrządu i innych. Wcześniejsze próby wykorzystania elektroniki kończyły się niepowodzeniem ze względu na trudne warunki pracy w silnikach samochodowych. Elektroniczne sterowane układy zapłonowe zastąpiły klasyczne stykowe układy zapłonowe, a układy wtrysku benzyny wyparły całkowicie stosowane dotychczas, w samochodowych silnikach o zapłonie iskrowym zasilanie gaźnikowe. Takie zmiany były głównie spowodowane wprowadzaniem coraz ostrzejszych przepisów o toksyczności spalin. Dodatkowymi powodami ich wprowadzenia były: doskonalenie cech eksploatacyjnych silników takich jak parametry pracy silnika w fazie rozgrzewania, zuŝycie paliwa oraz przebieg momentu obrotowego w funkcji prędkości obrotowej. Całkowita zmiana zasilania gaźnikowego na wtrysk benzyny w samochodach osobowych nastąpiła u Zachodnioeuropejskich producentów samochodów w latach Obecnie niemal wszystkie sterowniki obsługują układ zasilania benzyną i układ zapłonowy. Tego typu sterowanie będzie dalej zwane zintegrowanym. NaleŜy wspomnieć Ŝe na obecnym etapie rozwoju układów sterowania konkuruje skutecznie ze sobą około 25 róŝnych rozwiązań konstrukcyjnych. Niektóre z rozwiązań zanikają i moŝna zaobserwować tendencję do zastępowania układów mechanicznych przetwornikami elektronicznymi. Wzrasta ilość funkcji wykonywanych przez elektroniczne mikroprocesorowe sterowniki silników oraz postępująca integracja z innymi układami np. klimatyzacji czy elektronicznej kontroli trakcji. 2. Układy zapłonowe Zadaniem układu zapłonowego jest wygenerowanie wyładowania elektrycznego pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej w momencie optymalnym dla stanu pracy silnika. Podstawowymi parametrami określającymi stan pracy są prędkość obrotowa i obciąŝenie. We współczesnych układach wprowadza się wiele innych dodatkowych parametrów np. stan cieplny, występowanie spalania stukowego, niestabilność biegu jałowego itp. Tradycyjnie układy zapłonowe z gromadzeniem energii w indukcyjności cewki dzielimy na: - klasyczne stykowe, - elektroniczne I generacji o bezstykowym sterowaniu prądem uzwojenia pierwotnego, - elektroniczne II generacji o sterowaniu zintegrowanym z układem zasilania Klasyczny układ zapłonowy przedstawia rys. 1. 1

2 Po zamknięciu wyłącznika zapłonu 2 przy zwartych stykach przerywacza s w obwodzie pierwotnym płynie prąd którego źródłem jest akumulator 1. Gdy krzywka k przepływ prądu zostaje przerwany a róŝnica potencjałów na stykach przerywacza szybko zanika Rys. 1. Klasyczny (stykowy) układ zapłonowy dzięki kondensatorowi C. Zanikowi prądu towarzyszy szybka zmiana strumienia magnetycznego wytworzonego w uzwojeniu pierwotnym. Pod wpływem tej zmiany w uzwojeniu wtórnym indukuje się wysokie napięcie (20 40 kv). W chwili otwarcia przerywacza palec rozdzielacza p zajmuje połoŝenie naprzeciwko elektrody w kopułce np. e dla cylindra w którym ma nastąpić zapłon mieszanki. Pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej przeskakuje iskra inicjująca spalanie. W elektronicznym układzie zapłonowym rolę przerywacza przejmuje tranzystor albo tyrystor, którego bramka jest polaryzowana przez układ kształtowania impulsów (rys. 2). Układ ten posiadając informację o chwilowym połoŝeniu wału korbowego z czujnika uwzględnia zmianę prędkości obrotowej i ciśnienia w kolektorze dolotowym dla optymalnego wyprzedzenia zapłonu w stosunku do GMP. S N przetwornik magnetoindukcyjny Układ kształtowania impulsów cewka zapłonowa tranzystor mocy Rys. 2 Układ sterowany elektronicznie - bezstykowy Większość producentów proponuje obecnie bezrozdzielaczowe układy zapłonowe albo cewki zapłonowe umieszczone bezpośrednio na świecach. W układach bez rozdzielacza oba końce uzwojenia wtórnego wyprowadzone są na świece (rys. 3) Zaletą tego rozwiązania jest zupełny brak mechanicznych części ruchomych pracujących przy wysokich napięciach. Z kolei w układach z cewkami na świecach zapłonowych unika się zawodnych przewodów zapłonowych a co waŝniejsze moŝna sterować indywidualnie pracą pojedynczych cylindrów. Tego typu rozwiązanie przedstawia rys Układy zasilania Sterownik silnika Stopień końcowy Stopień końcowy Cewka zapłonowa 1-4 Cewka zapłonowa 3-2 Cylinder Rys. 3. Bezrozdzielaczowy układ zapłonowy Zadaniem układu zasilania jest dostarczenie paliwa do przestrzeni spalania w ilości i czasie optymalnym dla chwilowego stanu pracy jak równieŝ przygotowanie mieszanki paliwa z powietrzem do spalania. Ze względu na budowę dzielimy układy na: - jednopunktowego wtrysku sposób przygotowania mieszanki podobny do układów gaźnikowych obecnie zanikające, - wielopunktowego wtrysku układy niskiego ciśnienia, przygotowanie mieszanki w kolektorze dolotowym, obecnie bardzo popularne, - wtrysk bezpośredni do cylindra. Klasyczny współczesny układ wielopunktowego wtrysku przedstawia rys. 4. Paliwo jest dostarczane za pomocą elektrycznej pompy 27 poprzez filtr paliwa 16 do wtryskiwaczy 11. Wielkość dawki paliwa jest określana przede wszystkim na podstawie sygnałów o dopływie powietrza do silnika (przepływomierz 10), prędkości obrotowej (przetwornik 21), o obecności tlenu w spalinach (czujnik 22) i wielu innych. Dawka paliwa jest sterowana długością impulsu napięciowego na cewce wtryskiwacza. Nr 1 Nr 2 Nr 3 Nr 4 2

3 3 Rys. 4 Schemat układu sterowania Motronic M5 [2] 1- filtr z węglem aktywnum, 2 - nastawnik ciśnienia sterującego zaworem recyrkulacji spalin, 3 pompa powietrza wtórnego, 4 zawór napowietrzania filtra, 5 zawór odpowietrzaniaq zbiornika paliwa, 6 przetwornik ciśnienia, 7 regulator ciśnienia paliwa, 8 cewka zapłonowa, 9- czujnik połoŝenia wałka rozrządu, 10 przepływomierz powietrza, 11 wtryskiwacz, 12 zawór sterowania dopływem wtórnego powietrza, 13 potencjometr przepustnicy, 14 zawór iglicowy dla stabilizacji biegu jałowego, 15 przetwornik temperatury zasysanego powietrza, 16 filtr paliwa, 17 czujnik spalania stukowego, 18 przetwornik temperatury cieczy chłodzącej, 19 sterownik elektroniczny, 20 zawór recyrkulacji spalin, 21 przetwornik prędkości obrotowej, 22 czujnik tlenu, 23 złącze diagnostyczne, 24 -czujnik róŝnicowy ciśnienia, 25 dodatkowy czujnik tlenu, 26 lampka kontrolna, 27 pompa paliwa, 28 czujnik opóŝnień nadwozia.

4 4. Diagnostyka układów sterowania pracą silników o zapłonie iskrowym Producenci układów zasilania i zapłonowych wyposaŝają je w procedury samo-diagnostyki i złącza diagnostyczne dla kontroli poprawności pracy zewnętrznymi testerami elektronicznymi. taki sposób diagnostyki układów jest jedynym moŝliwym do stosowania w warsztatach gdzie istotna jest szybkość naprawy samochodu. Diagnostyka współczesnych układów zasilania i zapłonu odbywa się trzema sposobami: 1. przez odczyt kodów błędów zapisanych w pamięci urządzenia sterującego, 2. przez wykonanie programów sprawdzających elementy układu i ich połączenia za pomocą komputera osobistego. 3. na podstawie wartości otrzymanych z pomiarów wielkości elektrycznych i porównanie ich z dopuszczalnymi. Wskazywane uszkodzenia zawierają pewien ograniczony zbiór kilkunastu typowych niesprawności. Układy te są zabezpieczane przed sygnalizowaniem niesprawności występujących przypadkowo, które się nie powtarzają. Po odłączeniu zasilania urządzenia sterującego silnikiem zapamiętane kody błędów są często kasowane z pamięci. Obecnie moŝna zaobserwować tendencję do stosowania typowych komputerów osobistych wyposaŝonych w odpowiednie karty. Trzecia metoda pozornie łatwa do realizacji wymaga większego doświadczenia mechanika i polecana jest w przypadkach braku wyposaŝenia warsztatu i jako wspomagająca dwie wymienione poprzednio metody. Najczęściej spotykaną niesprawnością wyposaŝenia elektronicznego układów wtrysku benzyny jest brak połączenia lub duŝy opór elektryczny złączy. Uszkodzenie takie jest łatwe do wykrycia przez pomiar wielkości elektrycznych. Dlatego uszkodzenie jest zwykle wykrywane przez układy samo diagnostyki. Trudniejszy przypadek występuje wówczas gdy połączenie jest przerwane w miejscu które nie zostało przewidziane do sprawdzenia przez urządzenie sterujące silnikiem. Takie przypadki są moŝliwe i zwykle prowadzą do wymiany sprawnych elementów. Niedogodnością wszystkich układów mikroprocesorowego sprawdzania sprawności układów zasilania wtryskowego jest wraŝliwość urządzeń na opory elektryczne styków. Suma oporów złączy i kabli połączeniowych prowadzi do przerwania wykonywania programu, a często do konieczności rozpoczęcia wykonywania programu od początku. Przyczyną wraŝliwości na opór jest niski poziom stosowanych napięć - najczęściej do 5V W czasie ćwiczenia laboratoryjnego zostanie przedstawiona praca układu sterowania silnikiem typu M firmy Mercedes-Benz oraz sposoby wykrywania usterek w tym układzie. Literatura: 1. Kneba Z., Makowski S.: Zasilanie i sterowanie silników WKiŁ Warszawa 2004, 2. Kasedorf J.: Układy wtryskowe i katalizatory. WKiŁ Warszawa

5 KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH Nazwisko i imię:... Grupa:... Data:... Ćwiczenie 5 Wyznaczenie charakterystyki aparatu zapłonowego 1. Przebieg pomiarów na stanowisku badawczym: Nastawić Ŝądaną prędkość obrotową napędu aparatu. Zmieniać prędkość obrotową n napędu aparatu za pomocą pokrętła z oznaczeniem (zakres i krok zmian prędkości obrotowej określi prowadzący ćwiczenie). Dla kaŝdej nastawionej wartości prędkości obrotowej odczytać i zapisać w tab. 1 wielkości mierzone. Podczas wykonywania pomiarów odczytać jednorazowo ciśnienie w siłowniku pneumatycznego regulatora kąta wyprzedzenia zapłonu. 2. Tablica wielkości pomierzonych L.p n obr/min º α wz P = 3. Wykres kąta wyprzedzenia zapłonu w funkcji prędkości obrotowej apatatu zapłonowego Wykres naleŝy sporządzić na papierze milimetrowym i dołączyć do sprawozdania. 5