SŁAWOMIR WIAK (redakcja)

Transkrypt

1

2 SŁAWOMIR WIAK (redakcja) Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT

3 Recenzenci: Prof. Janusz Turowski Politechnika Łódzka Prof. Ewa Napieralska Juszczak University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja Autorzy rozdziałów: Prof. Piotr Ostalczyk (rozdz. 1, 2) Prof. Edward Jezierski (rozdz. 3) Dr hab. inż. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 4) Dr hab. inż. Ryszard Szczerbanowski, prof. PŁ (rozdz. 5) Dr inż. Grzegorz Tosik (rozdz. 6) Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 6) Dr hab. inż. Jacek Gołębiowski, prof. PŁ (rozdz. 7) Dr hab. inż. Krzysztof Pacholski, prof. PŁ (rozdz. 8, 9) Prof. Krzysztof Gniotek (rozdz. 10) Dr hab. inż. Iwona Frydrych, prof. PŁ (rozdz. 10) Dr hab. Inż Ryszard Korycki, prof. PŁ (rozdz. 11) Dr inż. Grażyna Sobiczewska (rozdz. 12) Dr hab. Maria Dems, prof. PŁ (rozdz. 13, 15) Prof. Sławomir Wiak (rozdz. 13, 14, 15, 16, 17) Dr inż. Wojciech Rosiak (rozdz. 13, 15) Dr inż. Paweł Drzymała (rozdz. 14, 16, 17) Dr inż. Henryk Welfle (rozdz. 14, 16, 17) Dr inż. Ryszard Lasota (rozdz. 18) Dr inż. Marek Jan Glaba (rozdz. 19) Monografia przygotowana w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania, także osób niepełnosprawnych", współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach europejskiego Funduszu Społecznego - Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki "Priorytet IV, poddziałanie Wzmocnienie potencjału dydakty-cznego uczelni". Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, w tym również nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN Copyright by EXIT, Politechnika Łódzka Łódź 2010

4 Jacek Gołębiowski 7. Układy elektroniczne w pojazdach samochodowych 7.1. Układy zapłonowe Zasada działania Zadaniem układu zapłonowego jest spowodowanie zapłonu mieszanki paliwowej w cylindrze silnika w odpowiedniej chwili czasowej. Moment ten określa się za pomocą kąta wyprzedzenia zapłonu. Jest to kąt obrotu wału korbowego od chwili powstania wyładowania iskrowego do momentu osiągnięcia przez tłok zwrotu zewnętrznego. Kąt wyprzedzenia zapłonu jest sumą statycznego i dynamicznego kąta. Kąt statyczny jest niezależny od stanu pracy silnika natomiast kąt dynamiczny jest zmieniany za pomocą regulatorów mechanicznych lub elektronicznych. W przypadku regulatorów mechanicznych są to: regulator odśrodkowy zmieniający kąt wyprzedzenia w zależności od prędkości obrotowej silnika oraz regulator podciśnieniowy zmieniający kąt wyprzedzenia w zależności od podciśnienia w kolektorze dolotowym. Podstawowy elektromechaniczny akumulatorowy układ zapłonowy zbudowany jest z następujących elementów: źródła prądu stałego (akumulatora), wyłącznika zapłonu, cewki zapłonowej, świec zapłonowych, przewodów niskiego i wysokiego napięcia oraz aparatu zapłonowego. W aparacie zapłonowym umieszczone są przerywacz z kondensatorem, rozdzielacz wysokiego napięcia i regulatory mechaniczne. Praca układu zapłonowego synchronizowana jest zamykaniem i otwieraniem styków przerywacza. Po zwarciu styków przerywacza w obwodzie pierwotnym zaczyna płynąć prąd i 1 : U / τ i ( t ) ( e ) t 1 = 1 (7.1) R1 gdzie: U- nap. akumulatora, R 1 - rezystancja obw. pierwotnego cewki, τ- stała czas. obwodu (τ = L 1 / R 1 ), L 1 - indukcyjność uzwoj. pierwotnego cewki 311

5 Otwarcie zestyków przerywacza powoduje przerwanie płynącego prądu i indukowanie się siły elektromotoryczne we wtórnym uzwojeniu cewki. SEM w uzwojeniu wtórnym (o odpowiednio dużej wartości) wywołuje wyładowanie iskrowe pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej. Zastosowanie kondensatora bocznikującego styki przerywacza ogranicza powstawanie wyładowania pomiędzy otwierającymi się stykami przerywacza i zwiększa ich trwałość. Wartość maksymalna indukowanej SEM E 2m po stronie wtórnej jest zależna od następujących parametrów obwodu: L 1 E2 m i1ϑ 2 (7.2) C1 + C2ϑ gdzie: ϑ=z 2 / z 1 przekładnia cewki, z 2 - liczba zwojów uzwojenia wtórnego, z 1 - liczba zwojów uzwojenia pierwotnego cewki, C 1 - pojemność kondensatora, C 2 - pojemność obwodu wtórnego Rys Schemat konstrukcyjny elektromechanicznego akumulatorowego układu zapłonowego [18] Zadaniem rozdzielacza zapłonu jest doprowadzenie wysokiego napięcia do odpowiedniej świecy zapłonowej w cylindrze silnika, w którym ma nastąpić zapłon mieszanki. Wałek rozdzielacza jest sprzęgnięty mechanicznie z krzywką współpracującą z przerywaczem. Cewka zapłonowa pełni rolę transformatora wysokiego napięcia, w jej polu magnetycznym zmagazynowana jest energia potrzebna do wyładowania iskrowego. Na rysunku 7.1 pokazano uproszczoną budowę 312

6 olejowej cewki zapłonowej. Na rdzeniu wykonanym z pakietu izolowanych blach transformatorowych nawinięte jest uzwojenie wtórne cewki. Warstwy uzwojenia są izolowane przekładkami. Początek uzwojenia wtórnego jest połączony z gniazdem wysokiego napięcia cewki, a koniec uzwojenia z początkiem uzwojenia pierwotnego i również wyprowadzony do zacisku na głowicy (pokrywie) cewki. Do tego zacisku podłączone są styki przerywacza. Uzwojenie pierwotne cewki nawinięte jest warstwowo na odizolowanym uzwojeniu wtórnym. Drugi koniec uzwojenia pierwotnego wyprowadzony jest do zacisku na pokrywie cewki i połączony poprzez wyłącznik zapłonu z akumulatorem. Uzwojenia z rdzeniem umieszczone są w pojemniku wypełnionym olejem transformatorowym. Olej zwiększa wytrzymałość izolacji na przebicie oraz ułatwia odprowadzanie ciepła wydzielanego w uzwojeniach. Zewnętrzny obwód magnetyczny cewki wykonany jest z kilku zwojów blachy transformatorowej i umieszczony na zewnątrz uzwojeń. W nowszych rozwiązaniach układów zapłonowych stosuje się często suche cewki zapłonowe, w których uzwojenia impregnowane są podciśnieniowo za pomocą żywic syntetycznych. Obwód magnetyczny zamknięty wykonany jest z blach ferromagnetycznych z szczeliną z materiału paramagnetycznego, diamagnetycznego. Taka konstrukcja pozwala uzyskać odpowiednią indukcyjność uzwojenia pierwotnego przy niewielkich wymiarach cewki oraz uniknąć nasycenia obwodu magnetycznego. Aparat zapłonowy składa się z części obwodu niskiego napięcia (przerywacz, kondensator), rozdzielacza zapłonu wysokiego napięcia oraz regulatorów kąta wyprzedzenia zapłonu. Rozdzielacz zapłonu składa się z następujących elementów: kopułki z zewnętrznymi gniazdami wysokiego napięcia i wewnętrznymi elektrodami, palca rozdzielacza oraz szczotki węglowej. Palec rozdzielacza napędzany jest wałkiem aparatu i jego położenie zsynchronizowane jest z położeniem przerywacza. W momencie otwarcia styków przerywacza palec znajduje się naprzeciwko jednej z elektrod umieszczonych w kopułce. Impuls wysokiego napięcia z cewki zapłonowej doprowadzony jest przewodami instalacji do centralnego gniazda kopułki a następnie za pomocą szczotki węglowej do palca rozdzielacza. Pomiędzy palcem a wewnętrzną elektrodą jest niewielka przerwa (0,3-0,5 mm). W chwili pojawienia się wysokiego napięcia (15-30 kv) następuje przebicie tej przerwy powietrznej i impuls wysokiego napięcia poprzez odpowiednie gniazdo na kopułce zostaje doprowadzony do świecy zapłonowej. W klasycznym aparacie zapłonowym umieszczone są dwa regulatory mechaniczne: regulator odśrodkowy i regulator podciśnieniowy. Zadaniem regulatora odśrodkowego jest zmiana kąta wyprzedzenia zapłonu w 313

7 zależności od prędkości obrotowej silnika. Zasada działania regulatora polega na wykorzystaniu sił odśrodkowych działających na wirujące ciężarki. Ciężarki mogą obracać się wokół osi zamocowanych na dolnej płytce. Płytka wraz z ciężarkami napędzana jest za pomocą wałka aparatu. Wirujące ciężarki pod wpływem siły odśrodkowej ulegają odchyleniu powodując jednocześnie przekręcenie górnej płytki. Do tej płytki zamocowana jest krzywka współpracująca z przerywaczem. Położenie równowagi dla przesuwających się ciężarków zapewniają dwie sprężyny, które równoważą działanie siły odśrodkowej. Wzrost prędkości obrotowej silnika powoduje większe odchylenie ciężarków i przekręcenie krzywki o większy kąt zgodnie z kierunkiem obracania się wałka. W rezultacie styki przerywacza otwierają się wcześniej, a kąt wyprzedzenia zapłonu wzrasta. 314 Rys Charakterystyka regulatora odśrodkowego [9] Na rysunku 7.2 pokazano przykładowo charakterystykę kąta wyprzedzenia zapłonu w funkcji prędkości obrotowej. Linia środkowa oznacza charakterystykę znamionową, a linie zewnętrzne dopuszczalne pole tolerancji. Zagięcie charakterystyki uzyskuje się stosując w regulatorze dwie różne sprężyny. Zadaniem regulatora podciśnieniowego jest zmiana kąta wyprzedzenia zapłonu w funkcji podciśnienia w kolektorze dolotowym. W regulatorze zastosowano siłownik pneumatyczny sterowany podciśnieniem. Zmiana podciśnienia (różnica ciśnienia atmosferycznego i ciśnienia w kolektorze) powoduje przesunięcie membrany i cięgna, a następnie płytki z przerywaczem. Jeżeli wartość podciśnienia wzrośnie, to zwiększy się kąt, o jaki obróci się płytka z przerywaczem. Kierunek obrotu płytki jest przeciwny do kierunku obrotu wałka aparatu. W rezultacie wzrost podciśnienia powoduje zwiększenie kąta wyprzedzenia zapłonu. Na rysunku 7.3 pokazano przykładową charakterystykę kąta wyprzedzenia zapłonu w zależności od podciśnienia w kolektorze dolotowym. Podobnie jak dla regulatora odśrodkowego linia środkowa oznacza charakterystykę znamionową, natomiast linie zewnętrzne określają dopuszczalne pole tolerancji charakterystyki.

8 Rys Charakterystyka regulatora podciśnieniowego [9] W obecnych konstrukcjach bezrozdzielaczowych stosuje się cewki dwubiegunowe. Takie cewki posiadają dwa wyprowadzenia dla obwodu wysokiego napięcia. Dwie cewki zapewniają pracę układu zapłonowego dla silnika czterosuwowego, czterocylindrowego. Wyładowanie iskrowe występuje na przemian odpowiednio w parach cylindrów 1/4 i 3/ Elektroniczne układy zapłonowe Zapłonowe układy tranzystorowe sterowane mechanicznym przerywaczem różnią się od klasycznych układów zapłonowych przede wszystkim zastosowaniem przełączającego tranzystora mocy. Na rys. 7.4 pokazano podstawowy tranzystorowy układ zapłonowy. W tranzystorowym układzie zapłonowym przerywacz P steruje pracą tranzystora T. Przy zamkniętych stykach przerywacza płynie prąd bazy tranzystora ograniczony przede wszystkim wartością rezystora R 2. Dobierając ten rezystor oraz współczynnik wzmocnienia tranzystora można wprowadzić tranzystor w stan nasycenia. W tym stanie spadek napięcia pomiędzy kolektorem a emiterem jest bardzo mały. Prąd płynący w obwodzie pierwotnym jest określony podobną zależnością (przy założeniu, że U CE =0) do wzoru 7.1 dla układu klasycznego. Różnica pomiędzy układem klasycznym a tranzystorowym polega na możliwości zmniejszenia rezystancji R 1 (uzwojenia pierwotnego cewki), a więc zwiększeniu wartości prądu i 1 w chwili otwierania styków przerywacza. Otwarcie styków powoduje, że tranzystor przechodzi w stan odcięcia charakteryzujący się bardzo dużą rezystancją pomiędzy kolektorem a emiterem. Ten stan pracy odpowiada w układzie klasycznym otwierającym się stykom przerywacza i chwili pojawienia się wyładowania iskrowego. W układzie tranzystorowym moment otwarcia styków odpowiada chwili pojawienia się wyładowania iskrowego. Warunki pracy tranzystora przełączającego są szczególnie trudne. Przełączanie prądów o dużych natężeniach w obwodzie o charakterze indukcyjnym związane jest z pojawianiem się przepięć oraz stratami mocy w tranzystorze. Dlatego też w układach tranzystorowych wprowadza się zabezpieczenia ograniczające te zjawiska np. diodę Zenera DZ, kondensator C 10. Układy tranzystorowe pozwalają zwiększyć energię wyładowania, 315

9 dzięki zwiększeniu wartości prądu i 1 oraz odpowiedniej konstrukcji cewki. Typowe wartości energii wyładowania w układzie klasycznym wynoszą ok mj (w zakresie obr/min) natomiast dla układów tranzystorowych ok mj i mogą byćć większe. Cewki zapłonowe stosowane w tranzystorowych układach zapłonowych charakteryzują się mniejszą wartością rezystancji uzwojenia pierwotnego (ok.0,4-2ω), mniejszą indukcyjnością uzwojenia pierwotnego(ok. 3-5 mh) oraz większą przekładnią (ok ) w porównaniu do układu klasycznego. Zastosowanie cewek o bardzo małych rezystancjach R 1 (<2Ω) wymaga rozbudowania układu tranzystorowego o dodatkowy obwód ograniczający maksymalną wartość prądu i 1 (ok.6-9a). Zaletą takich układów jest stabilizacja energii wyładowania niezależnie od prędkości obrotowej silnika. W porównaniu do układów klasycznych układy tranzystorowe inaczej nazywane układami elektronicznymi z energią gromadzoną w indukcyj- i niezależna od prędkości obrotowej. Dodatkową zaletą układów tranzystorowych jest zwiększenie trwałości i niezawodności przerywacza dzięki zmniejszeniu natężenia prądu przepływającego przez jego styki (prąd bazy tranzystora). Dalsze zwiększenie trwałości i niezawodności układów zapłonowych jest możliwe przez wyeliminowanie stykowego sterowania. W układach tranzystorowych z regulatorami mechanicznymi stosowane są najczęściej dwa typy czujników generacyjnych bezstykowych: czujniki magnetoinduk- cyjne i czujniki hallotronowe, które umieszczone są w aparacie zapłonowym. ności mają większą energięę wyładowania, która może być stała Rys Schemat tranzystorowego układu zapłonowego sterowanego przerywaczem P- przerywacz, Cz- cewka zapłonowa, C 2 - pojemność obwodu wtórnego (rozproszona) [4] 316

10 W odróżnieniu od układów tranzystorowych spotykane są również układy tyrystorowe. Schemat blokowy takiego układu zapłonowego, który może być sterowany mechanicznym przerywaczem lub czujnikiem bezstykowym pokazano na rysunku 7.5. Zasada działania układu tyrystorowego polega na gromadzeniu ładunku w polu elektrycznym kondensatora, a następnie rozładowaniu zgromadzonego ładunku w obwodzie pierwotnym cewki zapłonowej. Przetwornica tranzystorowa przetwarza niskie napięcie (6, 12V) prądu stałego na napięcie zmienne o wartości ok V. Napięcie to jest wyprostowane w układzie diodowym i kondensator C jest ładowany do wartości maksymalnej tego napięcia. Tyrystor Th pracuje jako sterowany przełącznik (klucz). Sygnał z przerywacza lub czujnika bezstykowego doprowadzony jest do obwodu bramki tyrystora i może spowodować jego wyzwolenie. W obwodzie kondensator C, tyrystor Th, uzwojenie pierwotne cewki następuje rozładowanie zgromadzonegoo ładunku w pojemności kondensatora. Wyładowanie charakteryzuje się stosunkowo długim czasem wyładowania łukowego (faza pojemnościowa), szybkim narastaniem napięcia w obwodzie wtórnym i dużym natężeniem prądu wyładowania. Natomiast druga część wyładowania fazaa tzw. indukcyjna jest stosunkowo krótka, a wartość płynącego prądu mała. Skrócenie fazy indukcyjnej w porównaniu do czasu trwania tej fazy wyładowaniaa w układach klasycznych i tranzystorowych jest podstawową wadą układów tyrystorowych. Parametry wyładowania fazy indukcyjnej mają wpływ na proces spalania oraz na zawartośćć składników toksycznych w spalinach. Zaletą układów tyrystorowych jest stałaa energia wyładowania i duża energia wyładowania rzędu mj oraz duża stromość narastania napięcia (mniejszy jest wpływ zanieczyszcze eń na świecach zapłonowych, przewodach). Rys Schemat blokowy tyrystorowego układu zapłonowegoo sterowanego przerywaczem lub czujnikiem indukcyjnym PI, UF- układ formujący [9] 317

11 Obecnie zastosowanie układów tyrystorowych jest ograniczone ze względu na krótki czas trwaniaa fazy indukcyjnej wyładowania (możliwość wystąpienia szkodliwych składników w spalinach) Czujniki w układach zapłonowych Na rysunkuu 7.6 pokazano konstrukcję generacyjnego czujnika magnetoindukcyjnego ze zmienną reluktancją obwodu magnetycznego. Zasada działaniaa polega na indukowaniu zmiennej SEM w uzwojeniu czujnika pod wpływem zmiany strumienia magnetycznego w obwodzie. Strumień magnetyczny wytwarzany jest przez magnes trwały (jeden lub kilka), który jest nieruchomy. Obracający się ferromagnetyczny wirnik wywołuje zmiany strumienia magnetycznego w obwodzie. Rys Czujnik magnetoindukcyjny [1] 1- magnes trwały, 2- cewka uzwojenia,, 3- szczelina, 4- ferromagnetyczny wirnik, e- SEM indukowana w uzwojeniu Na rysunkuu 7.7 pokazanoo przebieg indukowanej SEM w uzwojeniu czujnika dla określonej prędkości obrotowej. Zmiana prędkości spowoduje zmianę amplitudy SEM. Do sterowania momentem zapłonu (wyładowania) wykorzystuje się najczęściej chwilę odpowiadającą przejściu sygnału przez zero (czas t 1 ). Zmiany prędkości powodują opóźnienie sygnału wyjściowego (ok. 1 0 /1000 obr/min) wynikające z wpływu prądów wirowych wytwarzających dodatkowy strumień magnetyczny. Wpływ temperatury jest niewielki i może powodować zmiany wielkości szczeliny oraz zmiany parametrów magnesu (natężenie koercji, magnetyzm szczątkowy). 318

12 Rys Przebieg SEM w uzwojeniu czujnika magnetoindukcyjnego [1] Na rysunkuu 7.8 przedstawiono konstrukcję czujnika położenia wału i jednocześnie czujnika pomiaru prędkości obrotowej. Jest to czujnik magnetoindukcyjny z magnesem trwałym umieszczonym wewnątrz cewki, współpracujący z kołem pasowym i znacznikami na jego obwodzie. Zmiana rozmieszczenia znaczników pozwala wyróżnić określone położenie wału. Rys Czujnik położenia wału i prędkości obrotowej [4] Kp- tarcza na wale korbowym ze znacznikami, Cz- czujnik, O- obudowa Na rysunku 7.9 zamieszczono przebieg sygnału wyjściowego z czujnika. Impuls o większej amplitudzie pojawiający się w czasie t S może byćć wykorzystanyy do synchronizacji pracy układu zapłonowego (określa położenie wału). 319

13 Rys Sygnał z czujnika magnetoindukcyjnego z rysunku 7.8 [4] Na kolejnym rysunku 7.10 pokazano konstrukcję czujnika wykorzystującegoo efekt Halla. Element półprzewodnikowy zasilany jest stałym prądem, strumień magnetycznyy skierowany prostopadle do kierunku prądu powoduje powstanie napięcia Halla (w kierunku trzeciej współrzędnej). Amplituda napięcia jest proporcjonalne do iloczynu natężenia prądu i natężenia pola magnetycznego. Rys Czujnik hallotronowy [1] 1- obwód magnetyczny (z magnesem trwałym), 2-szczelina, 3- hallotron, 4- wirująca przesłona ferromagnetyczn na, U H - napięcie Halla Kształt przebiegu napięcia na wyjściu czujnika jest niezależny od prędkości obrotowej. W czasie pomiędzy chwilami t 1 i t 2 (Rys. 7.11) przesłona ferromagnetyczna znajduje się poza szczelinąą powietrzną 2 i element hallotronowy znajduje się w polu magnetycznym. Na zaciskach czujnika pojawia się impuls napięcia. Zbocze narastające (lub opadające) impulsu napięciowego wyzwalaa komparator, na wyjściu, którego otrzymuje się sygnał prostokątny. Dobranie punktu pracy komparatora zmniejsza wpływ temperatury na pracę czujnika. 320

14 Rys Przebieg napięcia Halla na wyjściu czujnika [1] Oprócz czujników hallotronowych stosuje się również czujniki półprzewodnikowe z tzw. efektem magnetorezystancyjnym wykorzystujące zależność rezystancji od zmiany strumienia magnetycznego. Ze względu na duży wpływ temperatury w tych czujnikach stosuje się je najczęściej w układach mostkowych. Czujniki wykorzystujące efekt Halla mogą być również stosowane do pomiaru położenia wału oraz jego prędkości obrotowej. Do pomiaru temperatury najczęściej używane są termistory, a do pomiaru kąta otwarcia przepustnicy czujniki potencjometryczne. Do pomiaru temperatury wykorzystuje się również czujniki rezystancyjne, złączowe (półprzewodnikowe) [11,12]. Rezystancja cienkowarstwowego opornika jest zależna od temperatury. Bardzo dobrymi parametrami charakteryzują się zintegrowane rezystory platynowe. Mają mniejsze rozrzuty rezystancji, dobrą liniowość, duży zakres pomiarowy. Wadą jest duży koszt wytwarzania. Innym materiałem stosowanym jest krzem polikrystaliczny. Zaletą jest prosta technologia, niski koszt; wadą znacznie większe rozrzuty technologiczne, nieliniowość charakterystyki. Wadą cienkowarstwowych czujników rezystancyjnych jest także ich zależność od naprężeń występujących w podłożu. Obecne układy tranzystorowe posiadają elektroniczną regulację kąta wyprzedzenia zapłonu w funkcji prędkości obrotowej oraz podciśnienia. Charakterystyki regulacyjne są realizowane na drodze analogowej lub cyfrowej. W przypadku charakterystyki kąta wyprzedzenia w funkcji prędkości obrotowej wykorzystuje się sygnały z czujnika położenia wału. Może być to czujnik sterujący pracą układu (zastępuje przerywacz) zapłonowego lub dodatkowy czujnik. Regulacja kąta wyprzedzenia w funkcji podciśnienia wymaga użycia dodatkowego czujnika podciśnienia. Stosowane są czujniki membranowe, w których położenie membrany jest zależne od wartości podciśnienia. Do pomiarów podciśnienia mogą być stosowane membranowe czujniki tensometryczne lub piezorezystancyjne. Te ostatnie znalazły obecnie największe zastosowanie. Są one wykonywane w postaci scalonej na bazie membran krzemowych. Konstrukcję mikrosensora podciśnienia z przetwornikami piezorezystancyjnymi pokazano na poniższym rysunku [1, 12, 14]. 321

15 Umieszczenie piezorezystorów tak, aby jeden z nich poddawany był naprężeniom ściskającym, a dugi rozciągającym pozwala zwiększyć sygnał wyjściowy dwukrotnie (układ pomiarowy pół-mostkowy). Zmiana rezystancji wywołana tymi naprężeniami wynosi odpowiednio R - ΔR i R + ΔR. Dla membrany można zastosować układ pełnego mostka z czterema piezorezystorami i w rezultacie sygnał wyjściowy zwiększa się czterokrotnie w stosunku do pojedynczego piezorezystora. Rys Widok struktury mikrokrzemowej z piezorezystancyjnymi czujnikami [14] Schemat elektryczny piezorezystorów połączonych w układ mostka pokazano na kolejnym rysunku. Jednocześnie zmniejsza się wpływ temperatury na sygnał wyjściowy. Rys Schemat elektryczny czterech piezorezystorów w układzie mostkowym [14] Do pomiaru przepływu masowego powietrza stosowane są również termoanemometry [12]. Przepływomierz zbudowany jest na podłożu krzemowym w układzie czterech termoelementów oraz układzie grzejników zamontowanych na czterech cienkich belkach połączonych w kształcie krzyża [14]. Grzejniki podgrzewają belki i przy braku przepływu gazu ustala się rozkład temperatur dla całej struktury. Przepływ gazu (o niższej temperaturze) powoduje, że zmienia się rozkład przestrzenny temperatur. 322

16 Mikrokomputerowe układy zapłonowe Zastosowanie mikroprocesorów w układach zapłonowych pozwoliło na zwiększenie dokładności wyznaczania kąta wyprzedzenia zapłonu oraz zwiększenie niezawodności działania (brak elementów mechanicznych). Mikrokomputer sterowany jest impulsem synchronizującym pochodzącym od znacznika określającego położenie wału. Jest to najczęściej sygnał z czujnika umieszczonego obok koła zamachowego lub koła pasowego wału. Sygnały do pomiaru prędkości obrotowej mogą być otrzymane z dodatkowego czujnika współpracującego ze znacznikami umieszczonymi na kole pasowym, kole zamachowym lub z czujnika określającego położenie wału. Podciśnienie w kolektorze dolotowym mierzone jest najczęściej membranowym czujnikiem piezorezystancyjnym. Te dwa parametry są podstawowymi w układzie sterowania zapłonem. Większość mikrokomputerowych układów zapłonowych wyposażona jest w szereg dodatkowych czujników mierzących m.in. temperaturę cieczy chłodzącej, temperaturę powietrza, ciśnienie atmosferyczne, wilgotność powietrza, napięcie akumulatora, ciśnienie spalania, położenie przepustnicy oraz inne. Na rysunku 7.14 pokazano schemat blokowy mikrokomputerowego układu zapłonowego. Poszczególne przetworniki pomiarowe P1-P7 umożliwiają przetworzenie sygnałów z czujników na impulsy sterujące oraz wartości analogowe (napięcia) wielkości mierzonych. Impulsy z przetwornika P1 synchronizują pracę mikrokomputera, impulsy z przetwornika P2 zliczane są w liczniku wewnętrznym i na tej podstawie wyznaczana jest prędkość obrotowa wału silnika. Sygnały z przetworników P3 i P4 określają położenie przepustnicy odpowiadające jej minimalnemu i maksymalnemu otwarciu. W przetwornikach P5, P6, P7 sygnały z czujników ciśnienia, temperatury oraz napięcie zasilania są zamieniane na znormalizowane sygnały napięciowe, które następnie są doprowadzane do wejścia przetwornika A/C. W przetwornik wbudowany jest multiplekser analogowy przełączający kolejne wejścia analogowe do wejścia przetwornika. W samym przetworniku następuje konwersja analogowych sygnałów na postać cyfrową. W zależności od rozdzielczości zastosowanego przetwornika wyjściowe sygnały są 8, 10 lub 12 bitowe. 323

17 Rys Schemat blokowy mikrokomputerowego układu zapłonowego [2] K- mikrokomputer, G- generator zegarowy, S- stabilizator zasilania, T- tranzystor mocy, Cz- cewka zapłonowa, A/C - przetwornik analogowo-cyfrowy, P1-P7 - przetworniki pomiarowe, Is- impuls synchronizacji (położenia wału), n- sygnał prędkości obrotowej, α1, 1 α 2 - sygnały z czujnika położenia przepustnicy (dla biegu jałowego i maksymalnego obciążenia silnika), Δp- podciśnienie w kolektorze dolotowym, T- temperatura cieczy chłodzącej, Uz- dwóch podstawowych parametrów silnika prędkości obrotowej i podciśnienia wyznaczany jest kąt wyprzedzenia zapłonu. Przykład takiej charakterystyki kąta wyprzedzenia w postaci trójwy- miarowej powierzchni (przestrzennej mapy) pokazano na rysunku Dane dotyczące charakterystyki zapisane są w pamięci stałej ROM w postaci tabeli. W pamięci tej zapisane są również dane dotyczące czasu przewodzenia tranzystora mocy. napięcie zasilania Na podstawie 324

18 Rys Charakterystyka kąta wyprzedzenia zapłonu α w funkcji prędkości obrotowej n i podciśnienia Δp w postaci trójwymiarowej [18] Na podstawie tych danych oraz dodatkowych sygnałów (napięcia zasilania, temperatury, położenia przepustnicy i innych) kontroler dokonuje obliczeń wg założonego algorytmu i koryguje dane odczytane (dla danej prędkości i podciśnienia) z pamięci stałej. Końcowe wartości cyfrowe wyznaczające czas przewodzenia tranzystora oraz moment jego wyłączenia (powstanie wyładowania) zamieniane są na wartości określające parametry czasowe (czas przewodzenia i wyłączenie tranzystora) sygnału sterującego pracą tranzystora mocy. Jeżeli silnik ma cztery lub więcej cylindrów na wyjściu układu zapłonowego stosuje się dodatkowo jeszcze jeden lub więcej tranzystorów mocy oraz cewek zapłonowych podłączonych do odpowiednich świec zapłonowych. Na podstawie impulsów określających położenie wału mikrokomputer synchronizuje pracę tranzystorów, co pozwala wyeliminować mechaniczny rozdzielacz zapłonu. Większość mikrokomputerowych układów zapłonowych wyposażona jest w gniazdo diagnostyczne, które umożliwia podłączenie przyrządów diagnostycznych a następnie wykonanie pomiaru podstawowych parametrów takich jak prędkość obrotowa, kąt wyprzedzenia zapłonu. Analiza pracy mikrokomputerowych układów zapłonowych wymaga stosowania specjalnych testerów diagnostycznych lub specjalizowanych komputerowych stanowisk pomiarowych Diagnostyka układów zapłonowych Do wykrywania uszkodzeń w obwodzie niskiego i wysokiego napięcia stosuje się przyrządy diagnostyczne. Badania podstawowych elementów klasycznego układu zapłonowego dotyczą: cewki zapłonowej, kondensatora, świec zapłonowych, instalacji wysokiego napięcia. 325

19 Badanie cewki zapłonowej polega na sprawdzeniu jej parametrów: rezystancji uzwojenia pierwotnego i wtórnego za pomocą mostka technicznego Wheatstone a lub diagnoskopów. Następnie należy sprawdzić stan izolacji cewki za pomocą megaomomierza o napięciu probierczym ok. 500V (np. induktora. Sprawdzenie prawidłowości działania cewki można wykonać stosując kasetę probierczą. Dla ustalonej prędkości obrotowej i napięcia zasilania należy wyregulować odstęp elektrod iskrownika. Przebieg wyładowania powinien być ciągły. Pojawiające się przerwy w wyładowaniu mogą oznaczać, że cewka jest niesprawna. Badanie powinno być przeprowadzone po nagrzaniu cewki [7]. Testowanie stanu kondensatora polega na wyznaczeniu jego pojemności oraz sprawdzeniu stanu izolacji. Badanie świec zapłonowych można przeprowadzić za pomocą testera np. typu TSP16 oraz szczelinomierza. Wykonuje się sprawdzenie szczelności świecy, badanie stanu izolacji oraz wielkości szczeliny pomiędzy elektrodami. Po oczyszczeniu izolatora świecy należy podłączyć świecę do instalacji wysokiego napięcia. Obserwuje się wyładowanie iskrowe pomiędzy elektrodami świecy w warunkach podwyższonego ciśnienia powietrza (ok. 1-1,4MPa). Pojawiające się wyładowania iskrowe na powierzchni izolatora świadczą o uszkodzeniu izolatora lub o jego zanieczyszczeniu [7]. Przewody instalacji wysokiego napięcia sprawdza się: badając ich stan izolacji oraz sprawdzając czy w przewodach nie występują przerwy, należy zmierzyć ich rezystancję i indukcyjność. Rezystancja i indukcyjność przewodów jest zależna od ich długości, dlatego należy wyznaczyć indukcyjność i rezystancję odpowiadającą jednostce długości (μh/m, Ω/m). Analizując przebiegi napięcia po stronie pierwotnej i wtórnej cewki zapłonowej można wykryć nieprawidłowości w działaniu całego układu zapłonowego. W tym celu należy porównać przebiegi badane z przebiegami wzorcowymi (odniesienia). Badanie przebiegu napięcia po stronie pierwotnej pozwala określić czas (kąt) przepływu prądu oraz wykryć uszkodzenia cewki zapłonowej. W cyklu pracy można wyróżnić etapy: załączenie (czas przepływu prądu, kąt zwarcia α1), wyłączenie (czas wyłączenia, kąt α2+α3). Badanie przebiegu napięcia po stronie wtórnej pozwala wykryć uszkodzenia w obwodzie wysokiego napięcia dotyczące świec zapłonowych, cewki zapłonowej, instalacji, a także niektóre niedomagania w obwodzie pierwotnym. Parametry wyładowania takie jak: czas trwania wyładowania łukowego (faza pojemnościowa), czas trwania wyładowania iskrowego (faza indukcyjna), natężenie prądu oraz szybkość narastania napięcia są istotne ze względu na proces spalania oraz zawartość składników toksycznych w spalinach. 326

20 Rys Przebieg napięcia po stronie pierwotnej cewki zapłonowej [2] A - początek wyładowania, B - koniec procesu wyładowania Rys Przebieg napięciaa po stronie wtórnej cewki zapłonowej [2] Na kolejnych oscylogramach zamieszczono typowe przebiegi napięć w prawidłowo działającym układzie zapłonowym oraz podano również przebiegi napięć dla najczęściejj spotykanych uszkodzeń Na dwóch kolejnych rysunkach 7.18 i 7.19 przedstawiono oscylogramy napięć, które różnią się amplitudą poszczególnych impulsów wysokiego napięcia. Zbyt mała amplituda może świadczyć o za małej przerwie iskrowej między elektrodami świecy lub o przebiciu izolacji przewodu wysokiego napięciaa do masy lub o za małym ciśnieniu sprężania. Zbyt duża amplituda może być wynikiem za dużej przerwy iskrowej na świecy zapłonowej lub dodatkowej przerwy w obwodzie wtórnym (np. złe połączenie przewodów). 327

21 Rys Przebieg napięcia po stronie wtórnej cewki zapłonowej [2] A za mała amplituda impulsu 328 Rys Przebieg napięcia po stronie wtórnej cewki zapłonowej [2] A- za duża amplituda impulsu Badanie elektronicznych układów zapłonowych sterowanych bezstykowo polega na sprawdzeniu między innymi oscylogramów przebiegów: napięć w obwodach czujników, prądu w obwodzie pierwotnym cewki, napięć w obwodzie wtórnym cewki zapłonowej. Badanie mikrokomputerowych układów zapłonowych można przeprowadzić stosując specjalne stanowiska laboratoryjne albo testery mikrokomputerowe przeznaczone dla określonego typu pojazdów. Przed zastosowaniem diagnostycznego testera należy sprawdzić czy posiada on moduł pamięci zawierający dane dotyczące badanego układu zapłonowego. Połączenie testera z układem zapłonowym następuje poprzez złącze diagnostyczne układu zapłonowego. Tester zasilany jest z sieci pokładowej pojazdu. W czasie pracy tester może zbierać i zapamiętywać dane systemu udostępniając je operatorowi za pośrednic-

22 twem ekranu a także przekazując odpowiednie instrukcje niezbędne do przeprowadzenia analizy działania i wykrywania uszkodzeń. W większości przypadków do testera mogą być podłączone drukarka i zewnętrzny monitor. Podstawowe funkcje realizowane za pomocą testera: zbieranie i odczyt danych, sygnalizacja stanów uszkodzeń układu zapłonowego, lokalizacja uszkodzeń przy pomocy programu diagnostycznego, informacje przekazywane na żądanie operatora, funkcje pomocnicze umożliwiające sterowanie urządzeniami zewnętrznymi takimi jak: cewka zapłonowa, wtryskiwacz, elektrozawory, monitor. W przypadku diagnostyki aktywnej tester wysyła rozkazy do modułu zapłonowego i poprzez niego uruchamia elementy osprzętu elektrycznego przy niepracującym silniku np. steruje cewką zapłonową i inicjuje wyładowanie iskrowe na wzorcowym iskrowniku (procedura sprawdzania cewki zapłonowej) Systemy zasilania wtryskowego silników o zapłonie iskrowym Budowa i zasada działania mikrokomputerowych układów wtryskowych Układy wtrysku paliwa przechodziły długą drogę rozwoju. Obecnie istnieje szereg rozwiązań konstrukcyjnych, lecz zasada działania i założenia projektowe nie uległy znacznym zmianom. Zadaniem układów wtryskowych paliwa jest odpowiedni dobór składu mieszanki paliwowopowietrznej tak, aby praca silnika była możliwie najbardziej korzystna z punktu widzenia środowiska naturalnego i dynamiki silnika. Na podstawie informacji pochodzących z czujników jednostka sterująca CPU optymalnie dobiera czas otwarcia wtryskiwaczy, aby dawka paliwa zbliżała się do optymalnego składu z naciskiem na jednostkowe zużycie paliwa oraz zawartość składników toksycznych w spalinach. Firma Bosch od wielu lat zajmuje się badaniami i rozwijaniem układów wtrysku paliwa i jest czołowym producentem tych układów. Układy wtrysku paliwa firmy Bosch są produkowane pod nazwą Jetronic i Motronic (wspólny układ sterowania dla zapłonu i wtrysku paliwa) [18]. 329

23 Rys Wpływ składu mieszanki na pracę silnika [6,8] Układ D Jetronic Układy Jetronic występują w układach jedno i wielopunktowych. Układ D Jetronic jest układem wtryskowym, w którym pomiar masy powietrza realizowany jest za pomocą czujnika podciśnienia umieszczonego w kolektorze dolotowym silnika. Paliwo wtryskiwane jest okresowo pod niskim ciśnieniem do kolektora dolotowego silnika. Informacje potrzebne do wyznaczenia dawki paliwa są pobierane z czujników pomiarowych i przetwarzane na sygnały elektryczne. Urządzenie steruje, na podstawie otrzymanych sygnałów, czasem otwarcia wtryskiwaczy. Układ tego typu składa się z trzech podstawowych współpracujących ze sobą układów: Układ paliwowy Paliwo pobierane jest ze zbiornika pojazdu i tłoczone przez pompę o napędzie elektrycznym do wtryskiwaczy roboczych i wtryskiwacza rozruchowego. Właściwa wartość ciśnienia paliwa utrzymywana jest przez regulator, z którego nadmiarowe paliwo odprowadzane jest z powrotem do zbiornika. Układ dolotowy powietrza Zasysane powietrze kierowane jest do kolektora dolotowego silnika. Przed przepustnicą umieszczony jest czujnik pomiaru podciśnienia ssania. Wartość podciśnienia ssania jest zależna od ilości zasysanego powietrza. Układ sterowania Elektroniczny układ sterujący otrzymuje informacje z czujników 330

24 pomiarowych i na ich podstawie wytwarza impulsy sterujące czasem otwarcia elektromagnetycznych wtryskiwaczy roboczych. Pomiar prędkości obrotowej silnika realizowany jest za pomocą czujników umieszczonych albo obok koła zamachowego albo w aparacie zapłonowym. Rys Schemat układu wtryskowego D Jetronic [5] 1 elektroniczne urządzenie sterujące, 2 elektromagnetyczny wtryskiwacz roboczy, 3 czujnik ciśnienia, 4 czujnik temperatury, 5 wyłącznik termiczny lub termiczno czasowy, 6 elektromagnetyczny wtryskiwacz rozruchowy, 7 elektryczna pompa paliwa, 8 filtr paliwa, 9 regulator ciśnienia paliwa, 10 zawór powietrza dodatkowego, 11 czujnik położenia przepustnicy, 12 aparat zapłonowy Układ L Jetronic W układzie L Jetronic główną wielkością mierzoną (w celu wyznaczenia czasu wtrysku) jest objętość zasysanego powietrza. Układ ten był następnym krokiem w rozwoju układów wtryskowych. Podstawową zaletą tego układu jest redukcja zawartości składników toksycznych w spalinach w stosunku do układu D-Jetronic. Główną wielkością sterującą w układzie L Jetronic nie jest podciśnienie w kolektorze dolotowym (D Jetronic), lecz ilość zasysanego powietrza. Pomiar masy zasysanego powietrza jest korzystniejszy od pomiaru podciśnienia ze względu na następujące własności: kompensuje różnice w stopniu napełnienia cylindrów, wynikające z tolerancji produkcyjnych, zużycia silnika oraz osadzania się nagaru w komorze spalania, kompensuje wpływ zmian ciśnienia gazów wylotowych wynikający z zastosowania katalizatorów, zmian wysokości nad poziomem morza oraz zmian ciśnienia 331

25 atmosferycznego, umożliwia obniżenie kosztów w wyniku wyeliminowania urządzenia wzbogacającego mieszankę podczas przyśpieszania. Sygnał odbierany z przepływomierza wyprzedza proces napełnienia cylindrów silnika, zapewnia większą stabilność biegu jałowego, umożliwia recyrkulację spalin w celu obniżenia temperatury w komorze spalania, ponieważ przepływomierz mierzy tylko ilość zasysanego powietrza i według tej informacji ustalana jest ilość wtryskiwanego paliwa. Rys Schemat układu wtryskowego L Jetronic [5] 1 urządzenie sterujące, 2 elektromagnetyczny wtryskiwacz roboczy, 3 przepływomierz powietrza, 4 czujnik temperatury, 5 wyłącznik termiczno czasowy, 6 elektromagnetyczny wtryskiwacz rozruchowy, 7 elektryczna pompa paliwa, 8 filtr paliwa, 9 regulator ciśnienia paliwa, 10 zawór powietrza dodatkowego, 11 czujnik położenia przepustnicy, 12 przekaźnik Dodatkowe zalety układu są następujące: Prostsza budowa układu sterującego, a co za tym idzie większa odporność na zakłócenia, Zmniejszenie kosztów wykonania poprzez zastosowanie układów scalonych, Możliwość rozbudowania układu o dodatkowe urządzenia do kontroli toksyczności spalin (sonda λ). 332

26 Układ ten składa się z trzech podstawowych układów współpracujących ze sobą; Układ paliwowy (tak jak w D - Jetronic) Układ dolotowy powietrza Zasysane powietrze przepływa przez przepływomierz, przepustnicę i jest kierowane do kolektora dolotowego silnika. W tym rozwiązaniu zastosowano zawór powietrza dodatkowego dla ustalenia prędkości biegu jałowego silnika. Układ sterowania elektronicznego Elektroniczny układ sterujący przetwarza sygnały z czujników pomiarowych i na ich podstawie wytwarza sygnały sterujące czasem otwarcia wtryskiwaczy roboczych. Układ LE Jetronic W układzie LE Jetronic niektóre elementy zostały zmodyfikowane. W układzie LE Jetronic zastosowano wyłączanie podawania paliwa podczas hamowania silnikiem (sterowane czujnikiem położenia przepustnicy). Rys Schemat układu wtryskowego LE Jetronic [5] 1 wtryskiwacz roboczy, 2 czujnik temperatury 3 przepływomierz powietrza, 4 zawór powietrza dodatkowego, 5 elektryczna pompa paliwa, 6 filtr paliwa, 7 czujnik położenia przepustnicy, 8 urządzenie sterujące Z układu usunięto wtryskiwacz rozruchowy, sterowany wyłącznikiem termiczno czasowym wraz z układem do wzbogacania mieszanki podczas rozruchu. Zastosowano materiały nawojowe o większej 333

27 rezystancji uzwojeń oraz bardziej precyzyjne sterowanie pozwoliły uzyskać dokładną dawkę paliwa. Rezystancję wtryskiwaczy zwiększono z 2,5Ω do 16,2Ω. Z przepływomierza usunięto zestyk elektrycznej pompy paliwa. Czujnik temperatury powietrza dolotowego został połączony równolegle z potencjometrem przepływomierza, co umożliwiło zredukowanie liczby przewodów łączących przepływomierz z jednostką sterującą. Zastosowano nowy układ termiczno czasowy kontrolujący pracę wtryskiwaczy podczas rozruchu. Do zalet układu LE Jetronic należy zaliczyć: Mniejsze zużycie paliwa (od 3 do 5%), Łatwiejsza obsługa, Większa niezawodność i trwałość. Układ LH Jetronic W układzie LH Jetronic zastosowano przepływomierz masowy z termoanemometrem. 334 Rys Schemat układu wtryskowego LH Jetronic [5] 1 przepływomierz powietrza, 2 zawór powietrza dodatkowego, 3 filtr paliwa, 4 czujnik położenia przepustnicy, 5 regulator ciśnienia paliwa, 6 urządzenie sterujące, 7 elektryczna pompa paliwa, 8 sonda Lambda, 9 wtryskiwacz, 10 czujnik temperatury Elementem charakterystycznym dla zastosowanego przepływomierza masowego z gorącym drutem, jest nagrzewany elektrycznie do temperatury około 100ºC drut platynowy (o średnicy ok. 0,07mm). Przepływające powietrze chłodzi drut i jego rezystancja maleje. Natężenie

28 prądu reguluje się w taki sposób, żeby średnia temperatura drutu wynosiła 100ºC. Natężenie prądu jest, więc miarą przepływającej masy powietrza. W celu dokładniejszego pomiaru masy powietrza stosuje się korekcję, uwzględniającą temperaturę zasysanego powietrza. Układ Motronic Obecnie układy Jetronic zostały zastąpione przez układy typu Motronic. System Motronic opracowany przez firmę Bosch jest elektronicznym systemem sterowania silnika. Jest to układ, w którym układ wtrysku paliwa zintegrowany jest z układem zapłonowym, a ponadto mapa zapłonów i mapa czasu otwarcia wtryskiwaczy, są zapisane w pamięci ROM jako zbiory parametrów regulacyjnych. W układzie zastosowano podobnie jak w układzie L, LE Jetronic przepływomierz powietrza (z klapą spiętrzającą), czujnik położenia przepustnicy, czujniki temperatury (silnika, powietrza) oraz czujnik położenia wału korbowego (prędkości obrotowej). Urządzenie sterujące wyznacza czas wtryskiwania paliwa i kąt wyprzedzenia zapłonu oraz steruje wtryskiwaczami i cewka zapłonową. Sygnały analogowe są przetwarzane na postać cyfrową (przetworniki A/C). Po przetworzeniu danych przez sterownik wyznaczany jest optymalny czas otwarcia wtryskiwaczy oraz kąt wyprzedzenia zapłonu. Układ poprzez stopnie mocy uruchamia wtryskiwacze oraz steruje prądem płynącym przez cewkę zapłonową. Zasada doboru czasu otwarcia wtryskiwaczy jest analogiczna jak w układzie Jetronic. Danymi o stanie pracy silnika są przede wszystkim: obciążenie silnika, prędkość obrotowa i aktualna temperatura. Są one mierzone za pomocą przepływomierza powietrza, czujnika prędkości obrotowej i czujnika temperatury silnika. Zalety układu: Motronic umożliwia dokładniejsze i stabilniejsze w czasie sterowanie ilością wtryskiwanego paliwa oraz optymalizację chwili zapłonu w zależności do aktualnych warunków pracy silnika, Dane zaprogramowane cyfrowo w pamięci stałej mikrokomputera nie zmieniają się przez cały okres użytkowania i mogą być przeprogramowane dla innych silników, Mniejsza liczba czujników, Niższy koszt układu Motronic w stosunku od dwóch oddzielnych układów wtrysku benzyny i układu zapłonowego. 335

29 Istnieją również inne układy wtrysku paliwa. Wiele firm dysponuje własnymi systemami sterowania pracą silnika. Na przykład firma Mitsubishi jako jedna z pierwszych opracowała układ bezpośredniego wtrysku paliwa do silnika o zapłonie iskrowym (GDI). Na rynku europejskim bardzo powszechnie stosowane są układy sterujące pracą silnika firmy Bosch. Rys Schemat systemu Motronic [5] 1 elektryczna pompa paliwa, 2 filtr paliwa, 3 regulator ciśnienia paliwa, 4 wtryskiwacz rozruchowy, 5 wtryskiwacz roboczy, 6 rozdzielacz wysokiego napięcia, 7 cewka zapłonowa, 8 wyłącznik termiczno czasowy, 9 czujnik temperatury silnika, 10 wieniec zębaty, 11 czujnik prędkości obrotowej, 12 czujnik położenia przepustnicy, 13 elektroniczne urządzenie sterujące, 14 wyłącznik zapłonu, 15 czujnik położenia przepustnicy, 16 przepływomierz powietrza, 17 zawór powietrza dodatkowego 336

30 Czujniki i aktuatory stosowane w układach wtryskowych Zadaniem układów wtryskowych paliwa jest odpowiedni dobór składu mieszanki paliwowo-powietrznej tak, aby praca silnika była możliwie najbardziej korzystna z punktu widzenia środowiska naturalnego i dynamiki silnika. Ilość wtryskiwanego paliwa (czas otwarcia wtryskiwacza przy stałym ciśnieniu) jest dobierana na podstawie informacji pochodzących z następujących czujników: 1. Czujnika położenia przepustnicy (kąt otwarcia), 2. Przepływomierza (ilość pobieranego powietrza), 3. Czujnika prędkości wału korbowego (prędkość obrotowa), 4. Czujnika temperatury powierza dolotowego (temperatura powietrza), 5. Czujnika temperatury silnika (temperatura silnika), 6. Układu pomiaru napięcia (korekcja napięcia zasilania), 7. Sondy Lambda (czujnik zawartości tlenu w spalinach). Czujnik położenia wału korbowego W układach firmy Bosch najczęściej stosowanym czujnikiem położenia wału jest czujnik hallotronowy, często jest on umieszczony w aparacie zapłonowym [ ]. Czujnik hallotronowy generuje impulsy o przebiegu prostokątnym, które są doprowadzane do jednostki sterującej. Czujnik położenia przepustnicy Za pomocą przepustnicy reguluje się dopływem powietrza do silnika. Kąt otwarcia α p przepustnicy przetwarzany jest w układzie potencjometrycznym na napięcie U p. Sygnały napięciowe są doprowadzane do układu sterującego. Na podstawie tych sygnałów układ sterowania uwzględnia korekcje dawki paliwa np. podczas wyprzedzania (szybka zmiana położenia przepustnicy). Zmiana rezystancji czujnika wynosi od 0 do 4kΩ (LE - Jetronic). Wyróżnia się trzy podstawowe stany otwarcia przepustnicy: Stan pełnego obciążenia (45º 90º), Stan częściowego obciążenia (0º 45º), Bieg jałowy (0º). 337

31 Czujnik temperatury silnika Temperatura silnika jest mierzona za pomocą termistora typu NTC. Termistor NTC jest elementem półprzewodnikowym o nieliniowej charakterystyce. Zmiana temperatury powoduje zmianę natężenia prądu w obwodzie, który jest wykorzystywany jako wielkość regulacyjna. Charakterystykę czujnika (LE - Jetronic) w funkcji temperatury przedstawiono na rysunku R [k ohm] Ts [ C] Rys Zależność rezystancji czujnika od temperatury cieczy chłodzącej [2] Czujnik temperatury powietrza W czujniku temperatury powietrza wykorzystano termistor typu NTC. Zakres pomiarowy czujnika obejmuje temperatury od 40ºC do 60ºC. Charakterystykę czujnika (LE - Jetronic) w funkcji temperatury pokazano na rysunku R [ohm] Tpow [ C] Rys Charakterystyka czujnika do pomiaru temperatury powietrza [2] 338

32 Przepływomierz objętościowy powietrza zasilającego Przepływomierz powietrza mierzy objętość zasysanego powietrza. Maksymalna ilośćć zasysanego powietrza Q pow wmax w silniku spalinowym jest zależna od pojemności silnika i maksymalnej prędkości obrotowej. Jeżeli prędkość obrotowa osiągnie wartość maksymalną n smax następuje wyłączenie wtryskiwaczy. Dla silnika o pojemności V (dm 3 ) maksymalna ilość przepływającego powietrza można wyznaczyć: Q pow max = Qcc n 2 s max = V n 2 dm 3 ( ) min Przepływomierz z klapąą spiętrzającąą Siła wytworzona wyniku przepływającego strumieniem powietrza działa na ruchomą klapę spiętrzającą przepływomierza. Siła ta jest równoważona za pomocą siły sprężyny zwrotnej. Przy stałym natężeniu przepływu powietrza obie te siły równoważą się i klapa spiętrzająca zajmuje określone położeniee kątowe. Kąt otwarcia α Q przesłony przetwarzany jest w układzie potencjometrycznym przetwornika na napięcie U s. Napięcie to steruje pracą układu wtryskowego. s max (7.3) Rys Budowa przepływomierza objętościowego powietrza [9] 1 wkręt regulacji składu mieszanki biegu jałowego, 2 klapa spiętrzająca, 3 czujnik temperatury powietrza, 4 potencjometr z układem połączeń elektrycznych, 5 komora tłumiąca, 6 klapa kompensacyjna Układ potencjometrycznyy składa się z szeregowo połączonych rezystorów o dużych rezystancjach, zbocznikowanych rezystorem o małej rezystancji. Dzięki takiej budowie układu potencjometrycznego, napięcie wyjściowe U s jest odwrotnie proporcjonalne do ilości (objętości) zasysanego powietrza. 339

33 Rys Wykres zależności między ilością zasysanego powietrza, kątem obrotu przesłony spiętrzającej, napięciem na potencjometrze oraz wielkością wtryskiwanej dawki paliwa [6] a kąt uchylenia klapy spiętrzającej α, b napięcie na wyjściu potencjometru U s, c wyznaczona dawka paliwa V e przez urządzenie sterujące d wyznaczona teoretycznie dawka paliwa Q L z ilości zassanego powietrza Zależności między objętością zasysanego powietrza, kątem uchylenia klapy spiętrzającej, napięciem na wyjściu potencjometru i ilością wtryskiwanego paliwa przedstawiono na rysunku Z określonego przez przepływomierz natężenia przepływu powietrza wynika teoretyczna ilość wtryskiwanego paliwa (punkt D1). Uruchamiany klapą spiętrzającą potencjometr, wysyła do urządzenia sterującego sygnał napięciowy proporcjonalny do położenia kątowego klapy spiętrzającej (punkt C). Punkt D2 określa ilość zassanego powietrza. Przepływomierz masowy z termoanemometrem Elementem najbardziej charakterystyc znym tego rozwiązania, jest nagrzewany do temperatury około C drut platynowy o średnicy około 0.07mm. Kiedy zasysane powietrze chłodzi drut platynowy i jego temperatura zaczyna spadać, wtedy ogrzewający go prąd zastaje zwiększony tak, aby przeciętna temperaturaa osiągnęła ponownie C. Natężenie prądu jest, więc miarą zasysanej masy powietrza. 340

34 Rys Budowa przepływomierza masowego z termoanemometrem [5] 1 podzespół z gorącym drutem, 2 rezystor do kompensacji temperatury, 3 siatka ochronna, 4 obudowa Regulator prędkości biegu jałowegoo Po uruchomieniu zimnego silnika, ażż do osiągnięcia temperatur roboczych, silnik pracuje przy zwiększonych oporach tarcia. W celu zapewnienia w tym okresie równomiernej pracy silnika przy prędkości możliwie bliskiej prędkości biegu jałowego, silnik musi otrzymać odpowiednio bogatszą mieszankę paliwowoo powietrzną. Zwiększoną dawkę paliwa wyznacza jednostka sterująca na podstawie informacji z czujników temperatury. Dodatkowe ilości powietrza zapewnia regulator prędkości biegu jałowego, sterujący przepływem powietrza w kanale równoległym do głównego kolektora z przepustnicą. Zastosowanie regulowanego zaworu, który steruje przepływem dodatkowego powietrza zapewnia precyzyjny dobór składu mieszanki w zależności od temperatury silnika. Kiedy silnik jest zimny wówczas zawór jest otwarty umożliwiając przepływ powietrza. W miarę wzrostu temperatury silnika zawór jest stopniowo zamykany, a po osiągnięciu temperatury pracy zamykanyy całkowicie. Do sterowanie zaworem wykorzystuje się bardzo często silniki krokowe [10]. Wtryskiwacze W układach wtryskowych silnik otrzymuje paliwo za pomocą wtryskiwaczy. Najczęściej stosowanym typem wtryskiwaczy są wtryskiwa- cze elektromagnetyczne. W najnowszych rozwiązaniach stosowane są wtryskiwacze piezoelektryczne, z elementem wykonawczym w postaci piezoelektryka. Typowe rezystancje uzwojeńń wtryskiwaczyy elektromagne- tycznych wynosząą około 16 Ω. 341