Technologia System INA UniAir

Transkrypt

1 Technologia System INA UniAir

2 Spis treści Strona 1. Wstęp 3 2. Zalety systemu UniAir 4 3. Konstrukcja i zasada działania Napęd systemu UniAir Przełączanie zaworów Czujnik temperatury oleju Właściwości 13 2

3 1. Wstęp Pomimo wzrastającego trędu do hybrydyzacji i elektryfikacji samochodowych układów napędowych, silnik spalinowy będzie ciągle odgrywał decydująca rolę podczas następnych kilku dekad. Nowe surowe ograniczenia emisji CO2 i co za tym idzie zużycia paliwa, czynią optymalizację silników spalinowych głównym zadaniem dla przemysłu motoryzacyjnego. Wspólnie z elektryfikacją, hybrydyzacją i rozwojem tanich w utrzymaniu pojazdów, zmniejszanie zużycia paliwa stało się dominującym trendem. Jednym ze sposobów osiągnięcia ambitnych celów ograniczania zużycia paliwa i emisji CO2 jest stosowanie zmiennych systemów sterowania zaworami. Dominujące trendy w przemyśle motoryzacyjnym g Redukcja zużycia paliwa/emisji CO2 g Technologia kontroli emisji g Zoptymalizowany silnik spalinowy Ekonomiczne pojazdy Elektryfikacja/hybrydyzacja Schaeffler Group już od dawna opracowuje różne systemy zmiennego sterowania fazami rozrządu. Podczas wstępnych badań konstruktorzy doszli do wniosku, że w pełni zmienny mechaniczny system sterowania zaworami nie zapewni wymaganej funkcjonalności. Dlatego też, już w roku 2001, Schaeffler Group zabezpieczył prawa licencyjne do technologii UniAir, dziś potencjalnie najbardziej elastycznego z systemów sterowania zaworami. Niniejsza broszura prezentuje ten w pełni zmienny system sterowania zaworami. 3

4 2. Zalety systemu UniAir 2. Zalety systemu UniAir Systemy sterowania zaworami Zmienne fazy Ciągłe g Hydrauliczne g Elektromechaniczne Nieciągłe g Dwustopniowe g Popychacz g Sworzeń przełączany g Dźwigienka zaworowa g Krzywka g Popychacz rolkowy g Trzystopniowe g Dźwigienka zaworowa g Krzywka Ciągłe g Elektryczne g Mechaniczne g Valvetronic g Hydrauliczne g UniAir Zmienny system sterowania zaworami jest jedną z kluczowych technologii potrzebnych, aby zrealizować strategię ograniczania emisji CO2. W obecnie dostępnych systemach zmienne sterowanie zaworami jest zazwyczaj realizowane poprzez przesunięcie czasu otwierania i zamykania (zmienne fazy) i/lub warianty skoku zaworów dolotowych. Technologia zmiennych faz stosuje hydrauliczną regulację wirnika, aby zmienić pozycję wałka rozrządu względem wału korbowego, co pozwala na optymalizację recyrkulacji gazów wydechowych i zapewnia efektywny współczynnik kompresji. Zmienny skok zaworów może być zrealizowane poprzez wałek mimośrodowy napędzany przez siłownik. System ze zmiennym skokiem zaworów może mieć nieciągłe dwu-lub-trój stopniowe sterowanie lub być całkowicie zmienny. i czas otwarcia i zamknięcia zaworu w różnych systemach Skok Przesunięcie punktu w czasie, w którym zawór dolotowy jest otwierany i zamykany zrealizowane w systemach ze zmiennymi fazami rozrządu. Skok Czas Przesunięcie punktu w czasie, w którym zawór dolotowy jest otwierany i zamykany zrealizowane w systemach ze zmiennymi fazami rozrządu i zmiennym skokiem zaworu. Skok Czas W pełni zmienny system sterowania zaworami UniAir. Czas 4

5 Technologia UniAir po raz pierwszy realizuje w pełni zmienne ustawienie skoku zaworu, momentu i czasu trwania jego otwarcia i zamknięcia, oraz ich ilość. To oznacza, że system UniAir pozwala zaworom dolotowym na otwarcie lub zamknięcie więcej niż raz podczas trwania suwu ssania, zależnie od warunków obciążenia i wymogów kierowcy osobno dla każdego cylindra. Dzięki temu, że dostarczanie energii precyzyjnie odpowiada zapotrzebowaniu, energetyczna wydajność jest zoptymalizowana. To czyni UniAir pierwszym na świecie w pełni zmienny systemem sterowania zaworami. W konwencjonalnych silnikach benzynowych z przepustnicą straty zasysania świerzego ładunku sięgają 10%. Poprzez zastosowanie zmiennego napędu zaworów, przepustnica może pozostać całkowicie otwarta lub nawet zostać pominięta i powietrze może być wciągnięte przez tłok podczas suwu ssania bez żadnych oporów. Dzięki technologii UniAir, odpowiednia objętość powietrza dla każdego punktu operacyjnego jest kontrolowany bezpośrednio w kolektorach dolotowych cylindrów za pomocą rozrządu i geometrycznej kontroli operacji otwierania zaworu. Jest to znaczący krok w realizowaniu strategii zmniejszania emisji CO2. Napęd UniAir Dodatkowymi zaletami systemu UniAir są: zredukowane spalanie, zwiększona moc i moment obrotowy silnika oraz polepszenie reakcji silnika. Pionierskie rozwiązanie zadebiutowało na rynku motoryzacyjnym we wrześniu 2009 w Alfie Romeo MITO 1.4 l Fire pod nazwą Fiata - MultiAir. Dzisiaj ta technologia jest również stosowana w samochodach: Alfia Romeo Giulietta, Fiat Bravo, Fiat Punto EVO i Lancia Delta używając tej samej nazwy oraz w Fiacie 500 i Lancia Epsilon pod nazwą TwinAir. 5

6 3. Konstrukcja i zasada działania 3.1 Napęd systemu UniAir Napęd systemu UniAir kontroluje otwarcie i zamknięcie zaworów dolotowych. Wałek rozrządu dla zaworów dolotowych nie pełni już tych samych funkcji; konstrukcja UniAir oddziela bezpośrednio kontakt krzywki wałka z zaworem. Ogranicza to duże tarcie, co zmniejsza opory własne silnika i zużycie współpracujących części. Napęd UniAir posiada jedną jednostkę na każdy cylinder, która uruchamia zawory dolotowe używając oleju silnikowego. W zależności od konstrukcji silnika (8 lub 16 zaworów) uruchamia jeden lub dwa zawory dolotowe na cylinder. Napęd systemu UniAir jest sterowany poprzez specjalnie skonstruowane krzywki na wałku dla zaworów wylotowych; jest elektronicznie kontrolowany przez jednostkę sterowania silnikiem. Silnikom benzynowym, pozwala to na, bezstopniową opartą na oprogramowaniu kontrolę obciążenia całego silnika. Ta objętość oleju może być zróżnicowana poprzez użycie zaworów przełączających dwudrożnych. W momencie, kiedy zawór przełączający jest zamknięty, olej zachowuje się jak sztywny popychacz hydrauliczny. Podczas gdy zawór przełączający jest, olej silnikowy płynie przez kanał olejowy do komory ciśnienia pośredniego i zasobnik ciśnienia; krzywka i zawór są więc rozłączone. Tak długo jak krzywka znajduje się w zarysie kołowym, mechaniczny zasobnik ciśnienia zapewnia, że każda ilość oleju wypychanego z komory wysokiego ciśnienia do niej powróci. Zasobnik ciśnienia zapewnia również zaopatrzenie układu w odpowiednią ilość oleju potrzebnego do kolejnego obiegu. W przeciwieństwie do konwencjonalnych lub elektromechanicznych systemów sterowania zaworami gdzie profil krzywki oddziałuje na silnik zaworowy poprzez sztywny element (taki jak popychacz czy dźwigienka zaworowa), UniAir używa ustalonej objętości olej, która jest zamknięta w komorze wysokiego ciśnienia. 6

7 Konstrukcja Pośrednia komora ciśnieniowa Zasobnik ciśnienia Komora wysokiego ciśnienia Pompa Zawór elektromagnetyczny Siłownik z kontrolowanym zamknięciem Wałek rozrządu Dźwigienka zaworowa typu rolkowego W silnikach z konwencjonalnymi systemami sterowania zaworami, zawór dolotowy jest otwierany i zamykany przez zarys krzywki. system UniAir czyni skok zaworu całkowicie niezależnym od zarysu krzywki. Maksymalny skok podczas całej fazy podnoszenia zaworów pojawi się tylko wtedy, kiedy zawór przełączający jest zamknięty. Olej silnikowy jest podawany bezpośrednio do hydraulicznego popychacza, który otwiera zawór dolotowy. Aby zapobiec obijaniu zaworów w gnieździe, każdy zawór posiada kontrolę zamknięcia. Jego zastosowanie zmniejsza prędkość zamknięcia zaworu. Przed uderzeniem zaworu w gniazdo hydrauliczny ogranicznik uruchamia się, co zapewnia regularne i kontrolę zamknięcie zaworu. Chroni to powierzchnię gniazda zaworów zapewniając dłuższe czas eksploatacji części. To rozwiązanie pozwala również na aktywowanie mechanizmu hydraulicznej kompensacji luzu zaworowego. Oddzielenie skoku zaworu od zarysu krzywki również umożliwia skok jałowy zaworu. W tym trybie, zawór przełączający pozostaje cały czas powodując stałe zamknięcie zaworu dolotowego. Olej silnikowy jest podawany przez magistralę olejową i zawór przełączający do pośredniej komory ciśnieniowej i zasobnika ciśnienia. Zawór dolotowy Od skoku maksymalnego do zerowego, UniAir zapewnia nieskończoną liczbę przełączeń. Późne zamknięcie zaworu przełączanego, może na przykład skutkować otwarciem zaworu dolotowego natomiast wczesne otwarcie zaworu przełączającego skutkuje wcześniejszym zamknięciem zaworu dolotowego (patrz wykres strona 8). Oba zdarzenia są od siebie niezależne i pozwalają na zmiany w długości skoku zaworów i częstotliwości podczas jednego suwu spalania. 7

8 3. Konstrukcja i zasada działania Zawór przełączający jest otwierany w zależności od wymaganego momentu i czasu, w jakim zawór dolotowy ma być zamknięty lub. Parametry określające odpowiednie warunki obciążenia są zgromadzone w danych jednostki sterowania silnikiem. zależny od trybu zaworu przełączającego Maksymalny skok Skok Wczesne zamknięcie zaworu dolotowego Skok Tryb zaworu przełączającego zamknięty Czas Tryb zaworu przełączającego zamknięty Czas Późne otwarcie zaworu dolotowego Skok Zerowy skok Skok Tryb zaworu przełączającego zamknięty Czas Tryb zaworu przełączającego Czas Podczas normalnych warunków jazdy rzadko wymagane jest maksymalne podniesienie zaworu dolotowego. Maksymalny skok podczas całego cyklu (to znaczy, wczesne otwarcie i późne zamknięcie zaworów dolotowych razem z pełną wysokością skoku) jest używany tylko wtedy, kiedy kierowca potrzebuje pełnej mocy silnika, co występuje tylko przy wysokich obrotach silnika i dużym momencie obrotowym. 8

9 zależny od kąta wału korbowego Maksymalna moc Bieg jałowy Wydech Maksymalny skok Dolot Wydech Późne otwarcie zaworu dolotowego Dolot Kąt wału korbowego Kąt wału korbowego Zakres niższych prędkości obrotowych Cykl miejski Wydech Wczesne zamknięcie zaworu dolotowego Dolot Wydech Wielokrotny skok Dolot Kąt wału korbowego Kąt wału korbowego Krótszy czas otwarcia zaworu, niezależnie od obciążenia, jest wymagany do zapewnienia bardziej efektywnego użycia energii; Innymi słowy, niższy lub wielokrotny skok zaworu dolotowego. Krótszy czas otwarcia zaworu zmniejsza objętość powietrza tłoczoną do cylindra. co przekłada się na spadek oporów termodynamicznych. W rezultacie temperatury pozostają na niższym poziomie pozwalając silnikowi na zapewnienie większej ilości energii. 9

10 3. Konstrukcja i zasada działania Sterowanie zaworami zależne od momentu obrotowego i prędkości obrotowej silnika Moment obrotowy Maks. moment obrotowy Maks.sprawność objętościowa g Wczesne zamknięcie zaworu (krótkie otwarcie zaworu) Maks. moc g Pełne otwarcie zaworów g Późne zamknięcie zaworu (długie otwarcie zaworu) g Duże pokrycie zaworów Optymalizacja spalania Optymalizacja spalania g Multilift (podawanie powietrza) Prędkość obrotowa silnika 10

11 3.2 Przełączanie zaworów Niezwykle wysoka dokładność jest wymagana przez system UniAir w celu zapewnienia identycznego skoku tych samych zaworów. Kluczowe jest, aby wszystkie elementy począwszy od pompy aż po siłownik spełniały określone granice tolerancji. Zawory elektromagnetyczne, jako urządzenia sterujące obciążeniem mają kluczowe znaczenie dla całego układu. Podczas projektowania nowego zaworu przełączającego, konstruktorzy stanęli przed specjalnymi wyzwaniami, takimi jak wymagana liczba przełączeń, precyzyjny moment przełączenia i wytrzymałość. Konstrukcja systemu z normalnie m zaworem przełączającym wymaga, aby zawór przełączył się raz podczas obrotu wałka i nawet kilka razy podczas trybu multi-lift. Aby przygotować napełnienie komory wysokiego ciśnienia, a tym samym pełen skok podczas kolejnego cyklu, zawór przełączający jest na krótko po każdym cyklu. W wypadku operacji multilift, trzeba spowodować, aby rdzeń znów osiągnął stan spoczynku po pierwszym otwarciu przed ponownym aktywowaniem zaworu przełączającego. Dlatego, prąd potrzebny na drugi skok może być jedynie przekazany, podczas gdy rdzeń jest w stanie spoczynku przez ok. 2 milisekundy. Wykres poniżej przedstawia krzywą aktywowania napięcia dla zaworu przełączanego i odpowiednią krzywą skoku zaworu. Schemat porównuje wczesne zamknięcie zaworów dolotowych z całą krzywą skoku. Specjalna metoda aktywacji została stworzona dla prądu przełączającego zawór w celu wyprodukowania szybko działającego zaworu przełączającego przy możliwie najmniejszym możliwie natężeniu. Profil natężenia składa się z kilku części. Nieaktywowany zawór przełączający jest na początku zasilany przez prąd polaryzacji, który wstępnie magnetyzuje zawór przełączający, ale go nie przełącza. W celu zapewnienia gwałtownego i precyzyjnego trybu energetyzacji, wyższa wartość szczytowa natężenia jest stosowana podczas przełączania. Moment przełączenia jest determinowany przez program w zależności od warunków pracy silnika. Po całkowitym aktywowaniu zaworu przełączającego, natężenie jest zredukowane do prądu wstrzymującego, który utrzymuje zawór przełączający zamkniętym. Z kolei oprogramowanie określa moment, w którym prąd jest kompletnie odcięty tym samym ponownie otwierając zawór przełączający. Zakładany kąt i tryb Wczesne zamknięcie zaworu dolotowego Późne otwarcie zaworu dolotowego Zakładany kąt i tryb Wczesne zamknięcie zaworu dolotowego Późne otwarcie zaworu dolotowego Natężenie Skok Zawór przełączający Zawór przełączający zamknięty Zawór przełączający Zawór przełączający Zawór przełączający zamknięty Zawór przełączający 11

12 3. Konstrukcja i zasada działania Dokładność kątów otwierania i zamykania zaworów jest kluczowa dla funkcjonowania całego układu. Precyzja przełączeń ma na to bardzo duży wpływ. Podczas montażu zaworów przełączających i ich podzespołów, różne właściwości takie jak przepływ i czas przełączania są mierzone na linii montażowej i dopasowywane, aby te wielkości mieściły się w wymaganym zakresie. Dodatkowo specjalny mechanizm kompensujący jest użyty do optymalizacji dokładności czasu przełączania. Ta kompensacja działa podczas całego cyklu życia produktu i dlatego też przeciwdziała zmianom w czasie przełączania wynikającym z upływu czasu. Zapewnia to dostarczanie optymalnie zrównoważonego ładunku do cylindra przez cały okres użytkowania silnika. Zawory przełączające wykonują ok. 330 milionów przełączeń przez cały okres działania układu. Ta ilość cykli przełączania przy wymaganej precyzji stanowi poważne wyzwanie dla rozwoju konstrukcji zaworu. Nowy zawór był tworzony od momentu projektu aż do masowej produkcji przy użyciu najbardziej zaawansowanych metod projektowania i symulacji, we współpracy z Continental Automotive Systems. Funkcjonowanie zostało dokładnie sprawdzone, a zawór został włączony do całego systemu za pomocą wielu badań na specjalnych stanowiskach kontrolnych i podczas testowej pracy w pojeździe. Zawory przełączające są indywidualnie kontrolowane przez sterujące oprogramowanie za pośrednictwem odpowiednich stopni mocy. Funkcjonowanie oprogramowania kontrolnego polega na wprowadzaniu trybów i kątów otwarcia i zamknięcia zaworu tak jak ustalił to układ sterowania silnikiem. Podczas tej operacji oprogramowanie bierze pod uwagę różne czynniki, które wpływają na zachowanie układu w celu znalezienia, w każdym przypadku, odpowiedniego punktu przyłożenia. W związku z tym określa koordynację pracy zaworów. Aby zapobiec nadmiernej prędkości zamykania, która może powodować hałas i uszkodzenie zaworu, ulega on spowolnieniu pod koniec fazy gwałtownego zamknięcia za pomocą sterowania hydraulicznego w tłoczku. Zaprojektowanie tych wszystkich elementów w określony sposób zapewnia zamknięcie zaworu w odpowiednim czasie przy niskich temperaturach do 35 C i niskie prędkości zamykania przy gorącym oleju. Pierwszym krokiem do zrozumienia pracy układu jest wyjaśnienie cyklu załączania i rozłączania każdego zaworu przełączającego. Są one indywidualnie monitorowane za pomocą odczytu krzywej natężenia podczas każdego procesu przełączania dla każdego cylindra, a następnie ponownie dostosowywane w zależności od warunków pracy na podstawie danych z jednostki silnikiem. Wyzwaniem jest sprawdzenie krzywej natężenia w całym zakresie wymaganej temperatury i lepkości oleju. W celu zapewnienia tej funkcji wszystkie elementy zaworu przełączającego muszą być perfekcyjnie do siebie dopasowane. Konstrukcja systemu i geometria części również określają cechy krzywej skoku zaworów. Dotyczy to również mechanizmu hydraulicznego ogranicznika. Jednostka ta to siłownik, który zmienia ciśnienie hydrauliczne w ruch poprzez hydrauliczny układ regulacji luzu zaworowego. Poprzez to, że zawór jest zawsze zamykany niezależnie od zarysu krzywki, nie jest on spowalniany mechanicznie. 12

13 3.3 Czujnik temperatury oleju i funkcjonowanie siłownika są zależne nie tylko od charakterystyki systemu i jego konstrukcji, ale również od środowiska i parametrów pracy, takich jak prędkość obrotowa silnika i lepkość oleju. Konieczne jest monitorowanie lepkości oleju, szczególnie podczas uruchamiania przy niskiej temperaturze i późniejszym jej wzroście w układzie. Czujnik temperatury jest bardzo ważnym elementem będąc jedynym dodatkowym mechanizmem pomiarowym w układzie. Mierzy on temperaturę oleju na bieżąco i podaje tę ważną informację do jednostki sterowania, aby określić lepkość oleju. Czujnik stosowany dotychczas w silniku do pomiaru temperatury oleju i wody w układzie chłodzenia nie jest wystarczająco sprawny. Specjalny czujnik z ujemnym współczynnikiem temperaturowym jest specjalnie przystosowanym do używania w niskich temperaturach i posiada czas reakcji maksymalnie sekundy. Uwaga: Konieczne jest używanie oleju zgodnego ze specyfikacjami podanymi przez producenta pojazdu. Stosowanie niewłaściwego oleju może spowodować usterki, w najgorszym razie łącznie z całkowitą awarią silnika. 3.4 Właściwości Najważniejsze zalety systemu UniAir : g Bezstopniowa regulacja skoku zaworów g Płynna regulacja czasu otwierania i zamykania zaworów g Możliwość wielu skoków zaworu podczas jednego czterosuwowego cyklu g Zmniejszona emisja CO2 i zużycie paliwa aż do 10% g Moc silnika zwiększona o 10 % g Moment obrotowy zwiększony o 15% na niskich obrotach silnika g Zwiększone bezpieczeństwo pojazdu, gdyż usterka w układzie nie spowoduje awarii silnika 13

14 Notatki Notatki 14

15 Notatki 15

16 /1.0/8.2011/BB-PL