INSTRUKCJE DO ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH

Transkrypt

1 WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe INSTRUKCJE DO ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH SAP-1 SAP-2 SAP-3 SAP-4 SAP-5 SAP-6 SAP-7 SAP-8 SAP-9 SAP-10 SAP-11 SAP-12 Czujniki w pojazdach Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Budowa i działanie EPP Budowa i działanie układu zapłonowego Budowa i działanie układu zasilania Daewoo Budowa i działanie przepływomierzy powietrza Budowa i działanie sondy lambda Wyznaczanie charakterystyk statycznych automatycznego regulatora siły hamowania Budowa i działanie ABS/ESP Budowa i działanie automatycznych skrzyń biegów

2 Rok 2013

3 WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Czujniki w pojazdach Numer ćwiczenia: SAP - 1/2 Laboratorium z przedmiotu: SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH Kod: Białystok 2013

4 Temat: Czujniki w pojazdach SPIS TREŚCI 1. CEL I ZAKRES ĆWICZEŃIA WPROWADZENIE Metodyka pomiarów Sprawdzenie wiedzy ogólnej Zapoznanie się z budową stanowiska Przebieg pomiarów WYMAGANIA BHP SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA LITERATURA...6 Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 2

5 Temat: Czujniki w pojazdach 1. CEL I ZAKRES ĆWICZEŃIA Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie z budową i działaniem czujników stosowanych w pojazdach samochodowych. Zakres obejmuje wykonanie wyznaczenie charakterystyk statycznych podstawowych czujników stosowanych w układzie sterowania pracą silnika ZI 2. WPROWADZENIE Głównym zadaniem stawianym przed systemem sterowania silnika spalinowego jest automatyzacja pracy silnika. Współczesny układ sterowania silnika ZI powinien spełniać trzy podstawowe funkcje sterujące: sterowanie napełnieniem, sterowanie wtryskiem, sterowanie zapłonem. W celu poprawnego doboru nastaw zarówno wytrysku (czas otwarcia wtryskiwaczy) jak i zapłonu (kąt wyprzedzenia zapłonu) sterownik powinien posiadać informacje o podstawowych parametrach pracy silnika jak również warunkach otoczenia. W tym celu do sterownika wtrysku podłączanych jest szereg czujników. Pojecie czujnik" jest synonimem pojęć miernik, sonda. Czujniki przetwarzają fizyczne lub chemiczne (przeważnie nieelektryczne) w wielkości elektryczne. Odbywa się to często także wielostopniowo, poprzez przekształcenie pośrednich wielkości nieelektrycznych. W technice pomiarowej stosuje się zwykle następujące wielkości elektryczne: prąd i napięcie, amplitudę natężenia lub napięcia prądu, częstotliwość, okres, fazę, czas trwania impulsu drgań elektrycznych, rezystancje, pojemność, indukcyjność. Ze względu na funkcje i zastosowanie rozróżnia się czujniki: -funkcyjne, do zadań regulacyjnych i sterujących, -bezpieczeństwa i zabezpieczenia (ochrona przed kradzieżą), -nadzorujące parametry pracy pojazdu (pokładowy układ diagnostyczny OBD, stan i pobór płynów eksploatacyjnych. W zależności od przeznaczenia i zadań realizowanych w samochodzie rozróżnia się trzy klasy niezawodności, do których należą czujniki: - układu kierowniczego, układu hamulcowego i bezpieczeństwa, - silnika i układu napędowego, podwozia i ogumienia, -układów komfortu jazdy, pokładowego systemu diagnostycznego, systemu informacyjnego oraz zabezpieczenia przed kradzieżą. 3. Metodyka pomiarów Zajęcia laboratoryjne powinny przebiegać zgodnie z podaną niżej kolejnością. Zmiana kolejności wykonywania poszczególnych zadań możliwa jest tylko po ustaleniu tego z prowadzącym zajęcia Sprawdzenie wiedzy ogólnej Warunkiem przystąpienia do zajęć jest wykazanie się wiedzą teoretyczną z zakresu tematu zajęć laboratoryjnych. Sprawdzenie wiadomości z zakresu tematu wykonywanego ćwiczenia odbędzie się na podstawie zaliczenia pisemnego po zakończeniu bloku tematycznego Zapoznanie się z budową stanowiska Na rysunku 1 przedstawiono schemat elektryczny stanowiska. Układ zabezpieczono bezpiecznikiem 10A (F1), umieszczony został z tyłu stanowiska. Do włączania zasilania zastosowano stacyjkę (2) wymontowaną z samochodu. Głównym elementem jest urządzenie sterujące (1), którego zadaniem jest przetwarzanie sygnału odbieranego z elementów nastawczych: potencjometrów do regulacji temperatury cieczy (3), ciśnienia bezwzględnego w kolektorze (4), położenia przepustnicy (5), temperatury powietrza dolotowego (6) oraz emu- Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 3

6 Temat: Czujniki w pojazdach latora sondy lambda (7), który jest zasilany poprzez przekaźnik (11). Prędkość obrotowa sczytywana jest z czujnika magnetycznego znajdującego się w rozdzielaczu zapłonu (8). Według wyżej wymienionych elementów nastawczych urządzenie sterujące wysyła sygnały do elementów wykonawczych: zaworów wtryskowych (Y1, Y2, Y3, Y4) oraz do rozdzielacza zapłonu, który przekazuje sygnał do cewki zapłonowej (9). Sygnał trafia również do silniczka krokowego biegu jałowego (10), sterując przesuwem iglicy. Rys. 1 Schemat elektryczny stanowiska: Objaśnienie kolorów: sw czarny, ws biały, bl niebieski, ge żółty, gr szary, rt czerwony, gn zielony, vi fioletowy Budowa stanowiska dydaktycznego do demonstracji działania i budowy układów sterowania silników samochodowych została przedstawiona i opisana na rysunku 2. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 4

7 Temat: Czujniki w pojazdach Rys. 2. Budowa stanowiska: 1 urządzenie sterujące wraz z gniazdem diagnostycznym, 2 kolektor wtryskiwaczy wraz z zaworkami wtryskowymi, 3 układ zapłonowy, 4 czujnik położenia przepustnicy, 5 silniczek krokowy biegu jałowego, 6 czujnik ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym, 7 czujnik temperatury cieczy chłodzącej, 8 czujnik temperatury powietrza dolotowego, 9 czujnik tlenu, 10 stacyjka oraz diody sygnalizujące działanie, 11 panel sterujący z pokrętłami, 12 wyjście na zasilanie: czerwony +12V, czarny GND. Po podłączeniu zasilania stanowisko uruchamia się podobnie jak ma to miejsce w samochodzie czyli przy pomocy stacyjki(10). Po przekręceniu stacyjki w pozycję start uruchamia się silnik napędzający aparat zapłonowy. Za pomocą panelu (11) dokonuje się wszystkich ustawień na stanowisku. Rys.3. Panel sterowania. Pokrętło nr 1 zmiana prędkości obrotowej. Pokrętło nr 2 zmiana położenia (otwarcia) przepustnicy. Pokrętło nr 3 zmiana ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym (obciążenia silnika). Pokrętło nr 4 zmiana temperatury cieczy chłodzącej. Pokrętło nr 5 zmiana temperatury powietrza dolotowego. Przełącznik nr 6 zmiana trybu pracy czujnika tlenu Przebieg pomiarów Sczytywanie parametrów uzyskuje się poprzez podłączenie do gniazda diagnostycznego testera diagnostycznego AMX 550. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 5

8 Temat: Czujniki w pojazdach Rys. 3. Podłączenie testera diagnostycznego AMX550 do stanowiska Po podłączeniu i uruchomieniu testera wybiera się wybieramy markę Daewoo następnie wybieramy model pojazdu Nexia oraz silnik 1,5 MPI/DOHC. W celu wyświetlenia parametrów pracy układu wybieramy parametry bieżące. W tym oknie możemy śledzić na bieżąco parametry pracy układu oraz obserwować dokonane zmiany, wykonane w panelu sterującym stanowiska. W celu określenia charakterystyk poszczególnych czujników należy: 1. Ustawić parametry nastawcze według polecenia prowadzącego. 2. Zmieniać zadane wartości wskazań poszczególnych czujników za pomocą odpowiednich potencjometrów. 3. Zapisywać wskazania z diagnoskopu AMX550 do protokołu pomiarowego. 4. Stworzyć wykres na podstawie zapisanych danych. 4. WYMAGANIA BHP Podczas pracy na stanowisku należy stosować się do zasad BHP obowiązujących w Laboratorium Pojazdów Samochodowych. Nie należy przystępować do pracy na stanowisku bez zgody osoby prowadzącej. Należy niezwłocznie poinformować prowadzącego ćwiczenie o dostrzeżonym nieprawidłowym funkcjonowaniu stanowiska i zaistniałych zdarzeniach zagrażających bezpieczeństwu pracy. 5. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Stronę tytułową; 2. Protokół z pomiarami; 3. Charakterystyki czujników 4. Wnioski końcowe. 6. LITERATURA 1. BOSCH Czujniki w pojazdach samochodowych WKiŁ BOSCH Sterowanie silników o zapłonie iskrowym WKiŁ Mieczysław Dziubiński Badania elektronicznych urządzeń pojazdów samochodowych Lublin 2004, 4. Troc M., Projekt dydaktycznego stanowiska do demonstracji działania i budowy, Praca magisterska, Politechnika Białostocka Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 6

9 Białystok, dn WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe PROTOKÓŁ POMIAROWY Ćwiczenie nr: Czujniki w pojazdach samochodowych Prędkość obrotowa [Obr\min] Napięcie [V] Kąt otwarcia przepustnicy [%] Ciśnienie w kolektorze [kpa] Temperatura cieczy chłodzącej [C] Temperatura powietrza[c] Uwagi:.. data wykonania ćwiczenia podpis prowadzącego

10 WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Numer ćwiczenia: SAP - 3 Laboratorium z przedmiotu: SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH Kod: Białystok 2013

11 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Spis treści 1. Cel i zakres Wstęp Przegląd układów wtryskowych Układ D-Jetronic Układ K-Jetronic Układ KE-Jetronic Układ L-Jetronic Układ LH-Jetronic Układy Motronic Układy Mono-Jetronic i Mono-Motronic Algorytm sterowania wtryskiem paliwa Budowa i zasada działania stanowiska dydaktycznego Zasady BHP PRZEBIEG ĆWICZENIA...18 Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 2

12 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym 1. CEL I ZAKRES Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą działania elektronicznego wtrysku paliwa w silnikach ZI. W zakres ćwiczenia laboratoryjnego wchodzi: - zapoznanie się z budową różnych typów układów wtryskowych, - zapoznanie się ze sposobem obliczania dawki wtrysku, - przeprowadzenie pomiarów elektrycznych za pomocą multimetra i zarejestrowanie przebiegu sygnałów przy pomocy oscyloskopu, - analiza otrzymanych wyników oraz sporządzenie sprawozdania z ćwiczenia laboratoryjnego. 2. WSTĘP Współczesne układy zasilania przeszły długa drogę od prostych konstrukcji gaźnikowych, poprzez układy wtryskowe sterowane mechanicznie aż do współcześnie stosowanych systemów sterowanych elektronicznie. Podstawową funkcją pierwszych układów zasilania silników spalinowych było zapewnienie płynnej pracy, pozbawionej tzw. wystrzałów (zdarzały się strzały mieszanki ubogiej w przewodzie dolotowym oraz mieszanki bogatej w przewodzie wylotowym). Zadanie to było z powodzeniem realizowane przez proste układy gaźnikowe jak również pierwsze układy wtrysku, oparte o zasilanie grawitacyjne lub też wytwarzające ciśnienie przy pomocy zmodyfikowanych pomp układu smarowania. Rozwój motoryzacji na początku XX wieku oraz pierwsza wojna światowa i związany z tym rozwój lotnictwa znacznie przyspieszyły rozwój układów zasilania. Konstrukcje gaźnikowe z racji na wyższą niezawodność i prostszą budowę wyparły na pewien czas układy wtryskowe. Ponowne wykorzystanie wtrysku do zasilania silnika benzynowego nastąpiło w 1937 roku, kiedy to Mercedes-Benz przedstawił silnik DB-601 V KM. Od tej pory wtrysk benzyny stał się najczęściej stosowanym w silnikach lotniczych układem zasilania. Od lat trzydziestych do lat pięćdziesiątych wtrysk benzyny stosowany był w samochodach wyścigowych. Niestety jego budowa była skomplikowana a tym samym był zbyt awaryjny i nie znalazł zastosowania w samochodach produkowanych na szeroką skalę. Pierwszym (pomijając Mercedesa 300SL z 1954 roku) masowo produkowanym samochodem z wtryskowym układem zasilania był Volkswagen VW 1600 LI zaprezentowany w 1966 roku. Został on wyposażony w układ wtrysku firmy Robert Bosch GmbH oznaczony jako D-Jetronic (litera D od niem. Duruck ciśnienie) wykorzystującego do sterowania układu ciśnienie panujące w kolektorze dolotowym. W połowie lat sześćdziesiątych zaczęto zwracać uwagę na zanieczyszczenie powietrza powodowane przez pojazdy samochodowe. Powstają pierwsze regulacje prawne dotyczące emisji toksycznych składników spalin. Prym wiodą Stany Zjednoczone, a w szczególności Kalifornia, gdzie w 1964 zostaje wprowadzony system kontroli toksycznych składników spalin w modelach samochodów produkowanych od W europie przepisy dotyczące badań ilości emitowanych toksycznych składników spalin zostają wprowadzone w 1970 roku, a w 1974 zostają wprowadzone limity emisji CO, HC i NOx. Wprowadzenie obostrzeń odnośnie szkodliwych składników spalin zbiega się w czasie z kryzysem paliwowym z 1973 roku. Od tej priorytetem dla producentów aut jest stworzenie jednostek napędowych, które spełniłyby wszystkie normy emisji zachowując przy tym dotychczasowy poziom dynamiki. Z uwagi na drogie układy elektroniczne sterujące procesem wtrysku wielu producentów wciąż udoskonala systemy gaźnikowe aby mogły sprostać coraz surowszym przepisom. Równocześnie firma Bosch rozwija układy wtryskowe i w 1974 roku wprowadza na rynek mechaniczny układ K-Jetronic i elektroniczny L-Jetronic. Wobec coraz ostrzejszych norm czystości spalin staje się jasne, że przyszłość układów paliwowych to systemy wtryskowe. Są one w stanie zapewnić dokładną kontrolę składu mieszanki paliwowo-powietrznej ze stałym współczynnikiem nadmiaru powietrza, tak, aby umożliwić Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 3

13 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym efektywną prace reaktora katalitycznego. Rozwój techniki cyfrowej i większa integracja elementów elektronicznych (pojawienie się wyspecjalizowanych układów scalonych) umożliwia wprowadzenie procedur diagnostyki pokładowej OBD (ich zasady po raz pierwszy opublikowano w Kalifornii w 1981 roku, a w całych Stanach Zjednoczonych wprowadzono w roku 1988). Współczesne systemy wtryskowe działają w oparciu o cyfrowe sterowniki które są zaawansowanymi urządzeniami pozwalającymi na odczyt analogowych sygnałów z czujników zamontowanych na silniku, wytworzenie sygnałów sterujących pracą poszczególnych układów (układu wtryskowego, układu zapłonowego, układu napełniania itp.) i funkcje auto diagnostyczną (od 2001 roku na terenie Europy obowiązkowym systemem diagnostyki pokładowej jest system OBD II/EOBD). Niegdysiejsze zasady sterowania procesem wtrysku oparte o rozwiązania czysto mechaniczne (układy Kugelfischer, K-Jetronic) czy też działające w oparciu o elektronikę analogową (układ D-Jetronic) zostały zastąpione przez algorytmy sterujące zapisane w pamięci mikroprocesorowych układów sterujących. Stąd też podobna budowa mechaniczna większości układów paliwowych, gdzie różnice sprowadzają się głównie do zastosowanego osprzętu zależnego od typu silnika. Poprzez odpowiednie zaprojektowanie algorytmy sterującego praca silnika (procesem wtrysku, zapłonu, napełniania i integracją z układami oczyszczania spalin) inżynierowie starają się pogodzić trzy przeciwstawne wymagania: zapewnienie odpowiedniej dynamiki (wysoka wartość momentu obrotowego i jego przebieg) zapewnienie niskiego zużycia paliwa niska emisja toksycznych składników spalin Rosnące ceny paliwa, naciski lobby ekologicznego i rosnące wymagania klientów sprawiają, iż systemy elektronicznego wtrysku benzyny są nieustannie rozwijane. Jednakże podstawowe zasady rządzące procesem wtrysku pozostają niezmienne. 3. PRZEGLĄD UKŁADÓW WTRYSKOWYCH Pod koniec lat sześćdziesiątych XX wieku nastąpił gwałtowny rozwój układów wtryskowych montowanych w samochodach osobowych. Pojawił się elektronicznie sterowany układ D-Jetronic firmy Bosch, mechaniczny układ firmy Kugelfischer (działał w sposób podobny do rzędowej pompy wtryskowej stosowanej w silniku ZS), układy sterowane mechanicznie z rodziny K-Jetronic. Dalszy rozwój nastąpił wraz z wprowadzeniem sterowania cyfrowego. Obecnie największym producentem układów wtryskowych jest firma Bosch, dlatego też do przeglądu zdecydowałem się wybrać jej układy. Układy wtryskowe w zależności od przyjętego kryterium możemy podzielić na kilka podstawowych grup: ze sterowaniem mechanicznym ze sterowaniem elektronicznym z wtryskiem wielopunktowym z wtryskiem jednopunktowym zintegrowane z układem zapłonowym z wtryskiem ciągłym z wtryskiem jednoczesnym z wtryskiem grupowym z wtryskiem sekwencyjnym 3.1 Układ D-Jetronic Układ D-Jetronic składa się z trzech głównych układów: zasilania w paliwo, dolotowego i elektronicznego układu sterującego. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 4

14 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Rys. 1 Schemat funkcjonalny wtryskowego układu zasilania D-Jetronic ( 2009) Paliwo jest zasysane ze zbiornika przez elektryczną pompę rolkowo-komorową, następnie jest przetłaczane przez filtr paliwa i przewodami doprowadzane do wtryskiwaczy roboczych i wtryskiwacza rozruchowego. Stały poziom ciśnienia jest utrzymywany przez regulator ciśnienia, nadmiar paliwa jest kierowany do zbiornika paliwa tzw. przewodem przelewowym. Rys. 2 Schemat pompy rolkowo-komorowej: 1 dopływ paliwa, 2 wirnik, 3 rolki, 4 korpus, 5 wypływ paliwa, 6 przewody zasilające, 7 zawór zwrotny, 8 zawór przeciążeniowy, 9 komora zasysania (Zbigniew Kneba, Sławomir Markowski 2004) Wtryskiwacz roboczy jest wtryskiwaczem sterowanym elektromagnetycznie. W zależności od typu silnika i jego zapotrzebowania na paliwo stosuje się wtryskiwacze o różnej wydajności, tak aby przy stałym nadciśnieniu paliwa (0,2 MPa) i odpowiednim czasie otwarcia wtryskiwacza możliwe było uzyskanie odpowiedniego składu mieszanki. Dodatkowy wtryskiwacz rozruchowy jest potrzebny aby w czasie rozruchu zimnego silnika dostarczyć dodatkową dawkę paliwa kompensującą zubożenie mieszanki w skutek wykraplania się paliwa na zimnych ściankach traktu dolotowego. Wtryskiwacz ten jest sterowany za pomocą włącznika termicznego lub termiczno-czasowego. Za sterowanie procesem wtrysku odpowiada elektroniczne urządzenie sterujące. Jest to analogowy układ, zbudowany z około 300 elementów (we współczesnych układach dzięki zastosowaniu układów scalonych udało się zmniejszyć liczbę elementów używanych do budowy sterownika). Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 5

15 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Sterownik wyznacza czas otwarcia wtryskiwaczy co przy stałym ciśnieniu paliwa przekłada się na dawkę wtryskiwanego paliwa. Dawka paliwa jest obliczana na podstawie danych z czujnika ciśnienia panującego w trakcie dolotowym i wartości prędkości obrotowej silnika (obliczanej na podstawie sygnałów ze stycznika zamontowanego w aparacie zapłonowym). Sygnały z czujnika zamontowanego w aparacie zapłonowym służą również do wyznaczenia początku wtrysku jak też określenia uruchamianej grupy wtryskiwaczy (dla silnika czterocylindrowego są to odpowiednio: grupa pierwsza pierwszy i czwarty cylinder, grupa druga drugi i trzeci). Rys. 3 Schemat działania czujnika ciśnienia ( 2009) Czujnik ciśnienia ma postać puszki barometrycznej, w której w zależności od zmian ciśnienia w kolektorze dolotowym wychylany jest rdzeń magnetyczny. Zmiana indukcyjności cewki jest wykorzystywana jako sygnał sterujący dostarczający informacji o ilości przepływającego powietrza. Sygnały z czujnika temperatury powietrza w trakcie dolotowym oraz czujnika położenia przepustnicy są wykorzystywane do korekcji dawki paliwa. Układ dolotowy powietrza musi być wyposażony w zawór obejściowy przepustnicy. Najczęściej jest on sterowany elementem bimetalicznym. Jego zadaniem w trakcie pracy zimnego silnika z prędkością biegu jałowego (przy przymkniętej przepustnicy) jest dostarczenie dodatkowej dawki powietrza, tak aby silnik mógł pokonać zwiększone opory tarcia. 3.2 Układ K-Jetronic Układ K-Jetronic jest nazywany mechanicznym ze sterowaniem hydraulicznym. Rys. 4 Schemat układu K-Jetronic: 1 zbiornik paliwa, 2 elektryczna pompa paliwa, 3 zasobnik ciśnieniowy paliwa, 4 filtr paliwa, 5 rozdzielacz paliwa, 6 regulator ciśnienia z zaworem zwrotnym, 7 regulator fazy nagrzewania, 8 przepływomierz powietrza zasysanego, 9 tarcza spiętrzająca, 10 przepustnica, 11 wkręt regulacji prędkości obrotowej biegu jałowego, 12 zawór suwakowy powietrza dodatkowego, 13 wtryskiwacz rozruchowy, 14 wyłącznik termicznoczasowy, 15 wtryskiwacz roboczy (Jürgen Kasedorf 1996) Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 6

16 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Paliwo jest zasysane ze zbiornika paliwa przez pompę komorowo-rolkową, a następnie jest pompowane do zasobnika paliwa, który utrzymuje ciśnienie w układzie i tłumi pulsację paliwa. Po przejściu przez filtr paliwowy paliwo jest kierowane do regulatora składu mieszanki. W układzie tym zastosowano mechaniczny przepływomierz powietrza. Składa się on z odpowiednio wyprofilowanej gardzieli i tarczy spiętrzającej. Powietrze przepływające przez gardziel unosi tarczę spiętrzającą dźwigniowo połączoną z regulatorem składu mieszanki. Rys. 5 Korekcja konturu przekroju gardzieli przepływomierza: A pełne obciążenie, B częściowe obciążenie, C bieg jałowy (Jürgen Kasedorf 1996) Zmienny kąt nachylenia ścianek ma na celu zmianę składu mieszanki. Dla biegu jałowego ścianki są ustawione pod kątem zbliżonym do prostego zmianie ilości przepływającego powietrza towarzyszy duża zmiana wychylenia tarczy spiętrzającej, a tym samym wzbogacenie mieszanki. Dalszy wzrost przepływu powietrza w zakresie częściowych obciążeń z racji na mniejszy kąt pochylenia ścianek gardzieli nie powoduje dużego wychylenia tarczy spiętrzającej. Dzięki temu skład mieszanki paliwowo-powietrznej jest utrzymywany na poziomie pozwalającym ograniczyć spalanie. W zakresie pełnego obciążenia krawędzie gardzieli są ustawione niemal pionowo, co skutkuje wzbogaceniem mieszanki. Wychylenie tarczy spiętrzającej jest wielkością sterującą wykorzystywaną do regulacji dawki paliwa. Poprzez dźwignię działa ono na tłok sterujący regulatora paliwa. Sile podnoszącej tłok przeciwstawia się siła ciśnienia hydraulicznego, działająca na górną powierzchnię tłoka. Ruch tłoka w rozdzielaczu reguluje dopływ paliwa do wtryskiwaczy. Liczba szczelin umieszczonych w rozdzielaczu odpowiada liczbie cylindrów w silniku. W obudowie rozdzielacza są umieszczone zawory różnicowe, oddzielne dla każdego wtryskiwacza. Dzięki nim odpływ paliwa do wtryskiwaczy może odbywać się tylko wówczas, kiedy krawędź sterująca tłoka odsłania przepływ przez szczeliny sterujące. Stałe ciśnienie sterujące w rozdzielaczu jest utrzymywane przez regulator ciśnienia. Rys. 6 Schemat działania zaworu różnicowego: 1 rozdzielacz paliwa, 2 tłok sterujący, 4 szczelina sterująca, 5 sprężyna naciskowa, 6 przepona, 8 komora dolna, 9 komora górna, 11 - działanie ciśnienia sterującego, 12 działanie ciśnienia zasilającego, 13 odpływ paliwa do wtryskiwacza (Jürgen Kasedorf 1996) Paliwo z rozdzielacza trafia do wtryskiwacza roboczego. Wtryskiwacz roboczy otwiera się pod wpływem ciśnienia o wartości około 0,3MPa. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 7

17 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Do rozruchu zimnego silnika służy elektromagnetyczny wtryskiwacz rozruchowy. Jego pracą steruje wyłącznik termiczno-czasowy. Podczas pracy zimnego silnika wymagane jest wzbogacenie mieszanki. Uzyskuje się to poprzez obniżenie ciśnienia działającego na górna powierzchnię tłoka rozdzielacza paliwa. Za zmniejszenie ciśnienia paliwa w układzie sterowania odpowiada regulator fazy nagrzewania. Jest on zbudowany w oparciu o ogrzewany element bimetaliczny. Rys. 7 Schemat budowy i działania regulatora fazy nagrzewania: a zimny silnik, b nagrzany silnik; 1 powrót paliwa do zbiornika, 2 dopływ z układu sterującego, 3 uzwojenie nagrzewające, 4 sprężyna bimetalowa (Jürgen Kasedorf 1996) Dodatkowe powietrze w fazie nagrzewania silnika jest dostarczane przewodem obejściowym, sterowanym za pomocą zaworu suwakowego, którego otwarcie jest uzależnione od temperatury silnika. 3.3 Układ KE-Jetronic Mechaniczno-elektroniczny układ wtryskowy KE-Jetronic jest wersją rozwojową opisanego powyżej układu K-Jetronic. Poprzez dodanie sterowania elektronicznego stało się możliwe lepsze dostosowanie wytwarzanej mieszanki paliwowo-powietrznej do aktualnych potrzeb jednostki napędowej. W stosunku do czysto mechanicznej wersji tego układu dodane elementy sterowania elektronicznego i zmodyfikowano dotychczas wykorzystywane. Został wprowadzony czujnik temperatury cieczy chłodzącej, na podstawie sygnałów z tegoż czujnika można sterować otwarciem zaworu dodatkowego powietrza i dokonywać korekcji dawki paliwa podczas rozgrzewania silnika. Zastosowano zewnętrzny regulator ciśnienia paliwa. Wprowadzono potencjometr tarczy spiętrzającej służący do dostarczenia sterownikowi sygnałów dotyczących stanu obciążenia silnika. W nowszych konstrukcjach pojawił się potencjometr przepustnicy wyposażony w styczniki biegu jałowego i pełnego obciążenia. Najważniejsza zmiana zaszła w rozdzielaczu paliwa, gdzie wprowadzono elektrohydrauliczny nastawnik ciśnienia. Rys. 8 Umiejscowienie i schemat działania nastawnika ciśnienia. 1 tarcza spiętrzająca, 2 - rozdzielacz paliwa, 3 odpływ paliwa, 4 odprowadzenie paliwa do wtryskiwaczy, 5 odpływ do regulatora ciśnienia, 6 dławik, 7 komora górna, 8 komora dolna, 9 przepona, 10 nastawnik ciśnienia, 11 płytka oporowa, 12 dysza, 13 biegun elektromagnesu, 14 szczelina (Jürgen Kasedorf 1996) Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 8

18 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Sterownik oddziaływując na płytkę oporową nastawnika może regulować ciśnienie w górnych komorach zaworów różnicowych, a tym samym zmieniając dawkę wtryskiwanego paliwa dostosowując ja do aktualnego zapotrzebowania. 3.4 Układ L-Jetronic Układy wtryskowe sterowane elektronicznie powstały, aby sprostać wymaganiom dotyczącym emisji szkodliwych składników spalin. Rys. 9 Schemat układu wtryskowego L-Jetronic: 1 zbiornik paliwa, 2 elektryczna pompa paliwa, 3 filtr paliwa, 4 listwa paliwowa, 5 regulator ciśnienia, 6 urządzenie sterujące, 7 wtryskiwacz roboczy, 8 wtryskiwacz rozruchowy, 9 wkręt regulacyjny prędkości obrotowej biegu jałowego, 10 czujnik położenia przepustnicy, 11 przepustnica, 12 przepływomierz powietrza, 13 układ przekaźników, 14 sonda lambda, 15 czujnik temperatury cieczy chłodzącej, 16 wyłącznik termiczno-czasowy, 17 rozdzielacz zapłonu, 18 zawór suwakowy powietrza dodatkowego, 19 wkręt regulacyjny składu mieszanki biegu jałowego, 20 akumulator, 21 włącznik zapłonowo-rozruchowy (Jürgen Kasedorf 1996) Jednostka sterująca oblicza dawkę wtryskiwanego paliwa na podstawie sygnałów z czujników podstawowych i korekcyjnych. Do sygnałów podstawowych należy sygnał przepływomierza powietrza. W układzie L-Jetronic ma on postać przesłony spiętrzającej połączonej z potencjometrem, która jest umieszczona w trakcie dolotowym. Przepływające powietrze wychyla przesłonę spiętrzającej. Kąt o który przesłona jest odchylona odpowiada w przybliżeniu ilości zasysanego powietrza. Wartość wychylenia przesłony jest zamieniana na sygnał elektryczny i przesyłany do urządzenia sterującego. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 9

19 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Rys. 10 Schemat budowy i działania przepływomierza powietrza: 1 wkręt regulacyjny składu mieszanki biegu jałowego, 2 przesłona spiętrzająca, 3 zawór zwrotny, 4 - czujnik temperatury powietrza, 5 potencjometr z przyłączami, 6 objętość tłumiąca, 7 przesłona kompensacyjna (Jürgen Kasedorf 1996) Drugim podstawowym sygnałem wykorzystywanym do obliczania dawki paliwa jest sygnał prędkości obrotowej. Pochodzi on z przerywacza w układzie zapłonowym. Trafia on do urządzenia sterującego, gdzie jest poddawany przetworzeniu na sygnał prostokątny. Zastosowanie sterowania elektronicznego umożliwiło zastosowanie całej gamy elektronicznych czujników służących do korekcji czasu wtrysku. Czujnik temperatury zasysanego powietrza pozwala dokładniej oszacować ilość tlenu dostarczanego do cylindrów (im zimniejsze powietrze tym większa jego gęstość, a tym samym większa zawartość tlenu). Czujnik temperatury cieczy chłodzącej pozwala na korekcję dawki wtryskiwanego paliwa podczas procesu nagrzewania silnika. Dzięki zastosowaniu sondy lambda (początkowo tylko w wersjach układu eksportowanych do krajów o zaostrzonych przepisach dot. toksyczności spalin) pozwoliła na lepsza kontrolę składu mieszanki i ustalenie jej składu tak, aby uzyskać skład stechiometryczny. Pozwala to na wydajniejsza pracę reaktora katalitycznego. Paliwo po przejściu przez filtr trafia do tzw. listwy paliwowej. Jest to metalowy przewód o zwiększonej średnicy do którego zamontowane są wtryskiwacze i zawór regulacji ciśnienia paliwa. Zadaniem regulatora ciśnienia paliwa jest utrzymanie stałej różnicy miedzy ciśnieniem paliwa w listwie paliwowej a ciśnieniem (podciśnieniem) panującym w trakcie dolotowym. Dzięki temu ilość wtryskiwanego paliwa zależy tylko od czasu otwarcia wtryskiwaczy. Wtryskiwacze są otwierane elektrycznym sygnałem ze sterownika. Rys. 11 Regulator ciśnienia paliwa. 1 dopływ paliwa, 2 odpływ paliwa do zbiornika, 3 trzon zaworu, 4 przepona, 5 sprężyna dociskowa, 6 króciec przewodu podciśnienia, 7 grzybek zaworu (Jürgen Kasedorf 1996) Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 10

20 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Pozostałe układy takie jak: wyłącznik termiczno-czasowy, układ obejściowy powietrza dodatkowego i wtryskiwacz rozruchowy działają na tej samej zasadzie jak w układzie K-Jetronic. 3.5 Układ LH-Jetronic Układ wtryskowy LH-Jetronic jest ewolucja układu L-Jetronic. Od swojego pierwowzoru różni się udoskonalonym sterownikiem, oraz użyciem przepływomierza powietrza działającym na zasadzie termoanemometru. Przepływomierz z tzw. gorącym drutem posiada zamontowany platynowy drut, który jest ogrzewany. Powietrze przepływając chłodzi drut przepływomierza. Wartością mierzoną jest ilość prądu potrzebna do utrzymania stałej temperatury drutu (ok. 100 C). Rys. 12 Przepływomierz z gorącym drutem. 1 układ przetwarzania sygnału, 2 złącze elektryczne, 3 rezystor pomiarowy, 4 termoanemometr, 5 rezystor kompensacji temperatury, 6,8 siatka ochronna, 7 obudowa (Zbigniew Kneba, Sławomir Markowski 2004) Zaletą tego przepływomierza jest to, iż mierzy on masowy wydatek powietrza, dzięki czemu nie ma konieczności wprowadzania korekcji dawki paliwa względem temperatury zasysanego powietrza. Dodatkowym atutem tej konstrukcji SA niewielkie opory przepływu (brak elementów tłumiących przepływ powietrza. 3.6 Układy Motronic System sterowania zawiera układ wtrysku benzyny zintegrowany z układem zapłonowym. Układ wtryskowy opiera się o zasadę działania systemów z rodziny L-Jetronic, KE-Jetronic lub Mono-Jetronic. Zastosowanie modułu sterowania zapłonem wymusiło zastosowanie dodatkowych czujników. Najważniejszym z nich jest czujnik prędkości obrotowej i położenia kątowego wału korbowego. Zazwyczaj ma on postać czujnika indukcyjnego umieszczonego przy zębatym wieńcu koła zamachowego. Kolejnym czujnikiem stosowanym w układach Motronic jest czujnik spalania stukowego. Na podstawie sygnałów, które przesyła do sterownika regulowany jest kąt wyprzedzenia zapłonu. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 11

21 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Rys. 13 Indukcyjny czujnik prędkości obrotowej i położenia wału korbowego. 1 magnes stały, 2 obudowa, 3 kadłub silnika, 4 rdzeń z miękkiego żelaza, 5 uzwojenie, 6 tarcza zębata ze znakiem odniesienia położenia wału korbowego (Zbigniew Kneba, Sławomir Markowski 2004) Funkcje układu wtryskowego działają tak samo jak w układach L lub KE Jetronic. 3.7 Układy Mono-Jetronic i Mono-Motronic Układy wtrysku jednopunktowego z powodu swej prostej budowy były często stosowane w samochodach tanich, z silnikami o pojemności do 1,8 dm 3. Większość układów wykonawczych i czujników była zintegrowana w jednej obudowie, co znacznie obniżało koszty. Zwarta budowa i wtrysk paliwa do kolektora dolotowego umożliwiło łatwy montaż w miejscu gaźnika. Rys. 14 Układ zasilania Mono-Motronic. 1 pompa paliwa, 2 filtr paliwa, 3 wtryskiwacz, 4 regulator ciśnienia paliwa, 5 czujnik położenia przepustnicy (Zbigniew Kneba, Sławomir Markowski 2004) W korpusie zespołu wtryskiwacza oprócz pojedynczego wtryskiwacza sterowanego elektromagnetycznie znalazł się również regulator ciśnienia. Za jego pomocą utrzymywana jest stała różnica ciśnień między ciśnieniem wtryskiwanego paliwa, a podciśnieniem panującym w kolektorze dolotowym. Kolejnym wbudowanym czujnikiem jest czujnik temperatury zasysanego powietrza, służący Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 12

22 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym do określania korekcji dawki paliwa. Kolejnymi czujnikami służącymi do określania dawki paliwa są: potencjometryczny czujnik położenia przepustnicy, czujnik temperatury cieczy chłodzącej, czujnik tlenu w spalinach (sonda lambda), a w układach rodziny Motronic także czujnik określający prędkość i kątowe położenie wału korbowego. Rys. 15 Zespół wtryskowy. 1 korpus regulatora, 2 główny kanał przelewowy, 3 wtryskiwacz, 4 kanał dopływu paliwa, 5 stożek wtrysku, 6 kanał odpływu paliwa (Zbigniew Kneba Sławomir Markowski 2004) Z układem wtryskowym zintegrowany jest zawór obejściowy przepustnicy, sterowany zazwyczaj silnikiem krokowym. 4 Algorytm sterowania wtryskiem paliwa Rys. 16 Schemat odmierzania dawki wtryskiwanego paliwa (Mirosław Wendeker, Piotr Jakliński, Jacek Czarnigowski 2001) Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 13

23 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Działanie systemu wtrysku paliwa opiera się na zapewnieniu właściwego stosunku nadmiaru powietrza do paliwa, tj. wartości stechiometrycznej, tak by zapewnić efektywne spalanie, uniknąć nadmiernego zużycia paliwa oraz utrzymać emisję toksycznych składników spalin na poziomie określonym przepisami. Dawka paliwa jest obliczana na podstawie sygnałów z następujących czujników: - masa zasysanego powietrza mierzona przepływomierzem powierza - prędkość obrotowa silnika mierzona przez czujnik obrotów - zapotrzebowanie kierowcy na moment obrotowy mierzone czujnikiem potencjometrycznym pedału przyspiesznika - temperatura cieczy chłodzącej silnik - zawartość wolnych jonów tlenu w spalinach mierzona za pomocą sondy lambda Dzięki zastosowaniu regulatora ciśnienia paliwa sterowanego podciśnieniem w trakcie dolotowym dawka wtryskiwanego paliwa zależy wyłącznie od czasu otwarcia wtryskiwacza, gdyż różnica ciśnień między wtryskiwanym paliwem, a ciśnieniem w trakcie dolotowym jest stałe. Pierwszą fazą algorytmu sterującego wtryskiem paliwa jest wyznaczenie chwili początku (lub chwili końca) wtrysku opierając się na identyfikacji numeru cylindra oraz położenia i prędkości obrotowej wału korbowego. Po wyznaczeniu momentu wtrysku następuje wybór strategii odpowiadającej chwilowym warunkom pracy silnika. Wybór ten jest oparty o sygnały z czujnika prędkości pojazdu, czujnika temperatury chłodzącej, potencjometru położenia przepustnicy, czujnika prędkości obrotowej wału korbowego silnika. Strategia rozruchu zimnego silnika w niskich temperaturach duża cześć paliwa osadza się na zimnych ściankach kolektora dolotowego zubożając tym samym mieszankę paliwowo powietrzną. Dodatkowo zimny silnik potrzebuje więcej mocy na pokonanie zwiększonych oporów stawianych przez gesty olej. W takiej sytuacji zwiększana jest dawka wtryskiwanego paliwa i zwiększa się prędkość obrotowa biegu jałowego. Strategia wzbogacania mieszanki podczas przyspieszania w chwili, gdy wystąpi zwiększone zapotrzebowanie na moment obrotowy np. kierowca szybko wciśnie pedał przyspiesznika podczas manewru wyprzedzania dawka wtrysku jest natychmiast zwiększana tak, aby osiągnąć jak najwyższy moment obrotowy. Strategia odcinania paliwa w czasie hamowania silnikiem jeżeli powyżej pewnej ustalonej wartości obrotów zostanie zamknięta przepustnica zostaje odcięty dopływ paliwa. Ma to na celu uchronienie katalizatora przed zniszczeniem przez niedopalone cząstki paliwa, jak również oszczędność tegoż paliwa. Ponowny wtrysk zostaje przywrócony w zależności od sytuacji jeżeli prędkość obrotowa spada zbyt gwałtownie wtrysk paliwa zostaje uruchomiony wcześniej aby uniknąć zdławienia. W normalnych warunkach wtrysk zostaje uruchomiony nieco powyżej prędkości biegu jałowego. Ponieważ w trakcie hamowania silnikiem jest zamknięta przepustnica, w kolektorze dolotowym panuje wysokie podciśnienie sprzyjające parowaniu paliwa ze ścianek kolektora. Aby po ponownym uruchomieniu wtrysku odbudować film paliwowy na ściankach traktu dolotowego pierwsza dawka paliwa jest większa niż by to wynikało z mapy wtrysku. Strategia zarządzania biegiem jałowym w trakcie pracy na biegu jałowym - przy niewielkiej prędkości obrotowej wału korbowego układ wtryskowy jak również zawór obejściowy powietrza dodatkowego musza reagować na zmiany obciążenia wywołane przez włączanie dodatkowych odbiorników energii (jak np. klimatyzacja czy ogrzewanie tylnej szyby i światła) i tak dobierać parametry aby utrzymywać obroty na stałym poziomie i nie dopuścić do zgaszenia silnika. Strategia ograniczenia maksymalnych obrotów gdy zostanie wykryte przekroczenie maksymalnej prędkości obrotowej wału korbowego wtrysk zostaje odcięty stopniowo, aż do uzyskania prędkości obrotowej niższej od krytycznej. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 14

24 SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Strategia jazdy w stanie ustalonym jazda bez gwałtownych zmian prędkości skład mieszanki paliwowo powietrznej jest najbliższy stechiometrycznemu. Kolejną fazą obliczania dawki paliwa jest tzw. kalkulacja. Sterownik na podstawie danych z czujników ilości zasysanego powietrza z przepływomierzy, czujnika ciśnienia, czujnika temperatury zasysanego powietrza oraz na podstawie zapisanych w pamięci modeli i charakterystyk oblicza dawkę wtrysku paliwa. Tak obliczona dawka paliwa jest korygowana w oparciu o sygnał z czujnika napięcia akumulatora, czujnik temperatury itp., Najczęściej współczynniki te mają charakter multiplikacyjny. Ostatnią fazą obliczania dawki paliwa Rest regulacja. Odbywa się ona na podstawie wcześniejszych i obecnych wskazań czujnika wolnych jonów tlenu w spalinach. 5 BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA STANOWISKA DYDAKTYCZNEGO Rys. 17 Widok górnej pokrywy stanowiska gdzie: 1 włącznik, 2 koło impulsowe z czujnikiem optycznym, 3 złącze sygnału prędkości obrotowej, 4 wyświetlacz alfanumeryczny, 5 przyciski, 6 diody sygnalizujące wskazania sondy lambda, 7 potencjometry symulujące potencjometr przepustnicy i czujnik temperatury silnika, 8 diody sygnalizujące pracę wtryskiwaczy w poszczególnych cylindrach, 9 złącze sygnału impulsu wtrysku, 10 - wtryskiwacz Przed uruchomieniem stanowiska należy sprawdzić, czy tarcza impulsowa jest zamontowana prawidłowo (obraca się swobodnie) oraz czy podłączony jest przewód wtryskiwacza. Następnie należy uruchomić stanowisko za pomocą przycisku 1 (rys. 17). Stanowisko jest wyposażone w wyprowadzenia sygnałów z czujnika identyfikacji numeru cylindra, jak również sygnału impulsu otwarcia wtryskiwacza. Po podłączeniu oscyloskopu można przystąpić do badań. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 15

25 SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Rys. 18 Sposób prawidłowego zamocowania sondy oscyloskopu z lewej sposób mocowania przewodu masowego, z prawej przewodu sygnałowego Rys. 19 Stanowisko z prawidłowo podłączonymi sondami Należy uruchomić oscyloskop. UWAGA: Oscyloskop może być obsługiwany tylko przez prowadzącego zajęcia lub osobę do tego wyznaczoną. Aby rozpocząć pracę należy nacisnąć czerwony przycisk 5 (rys. 17). W tym momencie zostaje uruchomiony silnik napędzający koło impulsowe i można zacząć obserwację przebiegu sygnałów w funkcji zmieniających się parametrów. Do zmiany parametrów służą dwa potencjometry oznaczone jako stopień uchylenia przepustnicy i temperatura silnika Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 16

26 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym Rys. 20 Potencjometry Zmiany parametrów mona obserwować zarówno na ekranie oscyloskopu, jak i obserwując diody zamontowane na stanowisku oraz korzystając z wbudowanego wyświetlacza. Aby dokonać odczytu parametrów pracy stanowiska należy nacisnąć zielony przycisk 5 (rys. 17). Wyświetlacz będzie pokazywał szczegółowe dane z chwili w której został wciśnięty przycisk. Wartości te można porównać z danymi odczytanymi z oscyloskopu. Rys. 41 Wyświetlacz alfanumeryczny gdzie: 1 prędkość obrotowa [obr/min], 2 temperatura silnika [ C], 3 numer strategii, 4 kąt otwarcia przepustnicy [%], 5 czas wtrysku [ms], 6 czas od uruchomienia silnika [s], 7 prędkość otwierania przepustnicy 6 ZASADY BHP Wykonanie pomiarów wiąże się z niebezpieczeństwem powstania wypadków. W celu zminimalizowania możliwości powstania wypadku studenci i pracownicy są zobowiązani do przestrzegania ogólnych zasad BHP oraz do przestrzegania przepisów porządkowych i organizacyjnych obowiązujących w laboratorium pojazdów, które na pierwszych zajęciach były podawane do wiadomości. Ponadto osoby biorące udział w ćwiczeniu obowiązane są: - dbać o należyty stan maszyn, urządzeń, narzędzi i sprzętu oraz o porządek i ład na stanowisku badawczym i w jego obrębie, Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 17

27 Temat: Algorytmy sterowania silnikiem spalinowym - niezwłocznie zawiadomić przełożonego o zauważonym w laboratorium wypadku albo zagrożeniu życia lub zdrowia ludzkiego. Strzec inne osoby znajdujące się w laboratorium o grożącym niebezpieczeństwie. 7 PRZEBIEG ĆWICZENIA W trakcie ćwiczenia należy obserwować zmiany parametru wtrysku (cza trwania) oraz zmiany strategii wtrysku w zależności od: zmiany prędkości obrotowej, zmiany stopnia uchylenia przepustnicy, zmiany temperatury, szybkości uchylania przepustnicy. Możliwe jest również obserwowanie zmian prędkości obrotowej na biegu jałowym w funkcji zmiany temperatury, oraz ograniczenie maksymalnych obrotów (prędkość obrotowa nie powinna przekraczać 3000 obr/min). Wybrane oscylogramy przebiegów sygnałów należy porównać do wartości podawanych na monitorze LCD i zamieścić w sprawozdaniu. W sprawozdaniu powinno znajdować się: strona tytułowa, oscylogramy, wnioski. LITERATURA 1. Zbigniew Kneba Sławomir Markowski Zasilanie i sterowanie silników WKiŁ Jürgen Kasedorf Układy wtryskowe i katalizatory WKiŁ Mirosław Wendeker, Piotr Jakliński, Jacek Czarnigowski Badania strategii sterowania Wtryskiem benzyny Silniki spalinowe nr 3-4/ marzec 2009 Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 18

28 WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Budowa i działanie EPP Numer ćwiczenia: SAP - 4 Laboratorium z przedmiotu: SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH Kod: Białystok 2013

29 Temat: Budowa i działanie EPP SPIS TREŚCI 1. Cel i zakres Wiadomości ogólne Układy elektronicznego sterowania przepustnicą Elektroniczny pedał przyspiesznika Przepustnica sterowana elektronicznie Budowa stanowiska pomiarowego Wymagania do ćwiczenia laboratoryjnego Zasady BHP Przebieg ćwiczenia Literatura Protokół pomiarowy 14 Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 2

30 Temat: Budowa i działanie EPP 1. CEL I ZAKRES Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą działania układu elektronicznego sterowania przepustnicą przy pomocy elektronicznego pedału przyspiesznika. W zakres ćwiczenia laboratoryjnego wchodzi: - zapoznanie się z budową poszczególnych elementów układu elektronicznego sterowania przepustnicą, - zapoznanie się z zasadą działania układu elektronicznego sterowania przepustnicą, - przeprowadzenie pomiarów elektrycznych za pomocą multimetra i zarejestrowanie przebiegu sygnałów przy pomocy oscyloskopu, - analiza otrzymanych wyników oraz sporządzenie sprawozdania z ćwiczenia laboratoryjnego. 2. WIADOMOŚCI OGÓLNE 2.1 Układy elektronicznego sterowania przepustnicą Rozwiązania elektronicznego sterowania przepustnicą stosowane są w pojazdach już od 1986r. Zamiast mechanicznego połączenia pedału przyspiesznika z osią przepustnicy ( w postaci linki czy dźwigienek i cięgieł) sterowanie odbywa się elektronicznie za pomocą silnika elektrycznego, sterowanego z modułu sterownika. Czynnikiem wymuszającym nadal jest człowiek lecz oddziaływuje on na pedał przyspiesznika, w którym umieszczone są czujniki, z których informacje o położeniu pedału zbierane są do sterownika. Następnie sterownik po przetworzeniu otrzymanych informacji (również z czujników położenia listka przepustnicy) wysyła polecenie do silnika sterującego przepustnicą. Głównymi zaletami takiego rozwiązania są: - możliwość współpracy z innymi układami w samochodzie, - zwiększony komfort jazdy, - możliwość ustawienia biegu jałowego poprzez sterownik (eliminując zawór obejściowy), - większa dokładność regulacji stopnia zasilania silnika, - mniejsze spalanie a co za tym idzie mniej szkodliwych substancji przedostających się do środowiska. Rys. 1. Schemat przedstawiający działanie układu elektronicznego sterowania przepustnicą zastosowanego w układzie Motronic 3.8 firmy Bosch [2] W związku z siłami działającymi na listek przepustnicy takimi jak: - siła sprężyny zwrotnej, - siła oporów tarcia, - opór aerodynamiczny przepływającego przez przepustnicę powietrza Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 3

31 Temat: Budowa i działanie EPP zaszła potrzeba zastosowania odpowiedniego napędu, który przeciwdziałałby powyższym oporom i sterował listkiem przepustnicy tak jak nakazują mu sygnały przesyłane ze sterownika, toteż stosuje się jedno z powyższych rozwiązań: - silnik prądu stałego, - silnik krokowy z przekładnią ślimakową, - silnik krokowy z bezpośrednim napędem. W nowszych pojazdach z systemami kontroli trakcji typu: ABS, ASR, ESP układ elektronicznego sterowania przepustnicą dodatkowo z nimi współpracuje jak i również z układami wtryskowymi i zapłonu. I dopiero na tej podstawie mikroprocesor formułuje polecenie dla silnika sterującego przepustnicą. Operacja ta trwa tylko parę ms. Rys. 2. Schemat blokowy układu elektronicznego sterowania przepustnicą powiązanego z układem ABS i ASR [1] 1 pedał przyspiesznika, 2 czujnik położenia pedału, 3 elektroniczny moduł sterujący: a) mikroprocesor, b) szyna wymiany danych; 4 silnik regulujący uchylenie listka przepustnicy, 5 system nadzorujący pracę silnika Jeśli chodzi o zabezpieczenia stosowane w układach elektronicznego sterowania przepustnicą to jak można było zauważyć na schematach występują podwójne czujniki potencjometryczne informujące o położeniu i pedału przyspiesznika i listka przepustnicy. Jest to podyktowane tym, iż czujniki potencjometryczne pod wpływem czasu i warunków zewnętrznych (zmienne temperatury oraz wilgotność) mogą powodować błędne wskazania i odczyty przez sterownik elektronicznego pedału przyspiesznika. Jest to działanie redundantne sterownik EPP analizuje odczyty z obydwu czujników lub porównuje jeden z drugim i dopiero wtedy wydaje rozkazy dalej. Ponadto w przepustnicy stosuje się niekiedy kanały przepływowe (podobne do tych w bloku silnika) jak i tzw. zderzaki. Do kanału przepływowego podłączana jest instalacja chłodzenia silnika co ma na celu podgrzewanie jej w typowo wiosenno-jesiennych warunkach gdzie listek przepustnicy mógłby przymarznąć czy oszronić się. Natomiast zderzaki (mechaniczne lub elektryczne) stosuje się w celu identyfikacji położenia listka przepustnicy lub przed nieprawidłowymi nastawami. W przypadku błędnych odczytów z czujników elektrycznego pedału przyspiesznika, zarówno z jednego jak i drugiego, sterownik może ustawić położenie przepustnicy w określonej pozycji i komputer ECU w samochodzie może przejść w tryb awaryjny umożliwiający dojechanie do najbliższego warsztatu/serwisu ze stałą prędkością obrotową silnika (np obr/min). 2.2 Elektroniczny pedał przyspiesznika Elektroniczny pedał przyspiesznika w budowie nie różni się znacząco od zwykłego pedału przyspiesznika stosowanego dotychczas. Różnica polega tylko na dodaniu modułu czujnika, który to Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 4

32 Temat: Budowa i działanie EPP będzie informował sterownik EPP o aktualnym położeniu pedału. Czujnik umieszczony w elektronicznym pedale przyspiesznika składa się najczęściej z dwóch potencjometrów o zmiennej charakterystyce rezystancji. Rys. 3. Pedał przyspiesznika firmy Bosch, widoczne ścieżki potencjometrów po zdjęciu osłonki Do sterownika zostają wysyłane sygnały analogowe o wartości napięcia zależnego od położenia kątowego suwaka, który jeździ po ścieżkach oporowych. Dodatkowo mogą występować styki: - położenia pedału w pozycji biegu jałowego, - styk maksymalnego wciśnięcia pedału przyspiesznika tzw. kick-down występujący w autach z automatycznymi skrzyniami biegów służący do korygowania dawki paliwa w zależności od włączonego biegu i obciążenia silnika. Rys. 4. Charakterystyka rezystancji elektronicznego pedału przyspiesznika [3] Do wyznaczenia kąta obrotu pedału wykorzystuje się wartość średnią napięcia z dwóch potencjometrów. Obliczony kąt obrotu jest podany z większą dokładnością niż przy pomiarze z pojedynczego potencjometru. Obliczenie wartości średniej tych sygnałów pozwala również zminimalizować wpływ przypadkowych zakłóceń chociażby z układu zapłonowego. Rys. 5. Przebieg napięcia z czujnika położenia pedału przyspiesznika [3]; zakres od biegu jałowego do pełnego otwarcia i zamknięcia przepustnicy Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 5

33 Temat: Budowa i działanie EPP 2.3 Przepustnica sterowana elektronicznie Jednym z pierwszych układów sterowania silnika, w którym została zastosowana elektronicznie sterowana przepustnica był układ Motronic ME 7.1 (Audi S4 Quatro 2,7L V6 Biturbo). Rys. 6. Budowa elektronicznej przepustnicy w przekroju [4] 1 listek przepustnicy, 2 precyzyjnie dopasowane gniazdo, 3 tarcza cięgłowa, 4 - sprężyna spiralna, 5 sprężyna awaryjnego trybu pracy Typowy czujnik położenia przepustnicy działa na zasadzie potencjometru rezystancyjnego obrotowego. Umieszczony jest w osi przepustnicy powietrza i obraca się wraz z nią. Rys. 7. Elektryczny napęd przepustnicy z potencjometrem kontroli uchylenia przepustnicy [5] 1 listek przepustnicy, 2 sprężyna zamykająca przepustnicę, 3 łącznik krańcowy do identyfikacji zamknięcia, 4 przekładnia zębata, 5 wałek napędowy Czujnik położenia przepustnicy umożliwia sterownikowi EPP wykonanie wielu funkcji obliczeniowych koniecznych do regulacji wtryskiwanej dawki paliwa i kąta wyprzedzenia zapłonu. Kąt otwarcia przepustnicy jest jednym z podstawowych parametrów decydujących o czasie otwarcia wtryskiwacza paliwa. Zróżniczkowany względem czasu sygnał z czujnika położenia przepustnicy wskazuje na szybkość nacisku na pedał przyspieszenia i jest parametrem korygującym czas otwarcia wtryskiwacza oraz kąt wyprzedzenia zapłonu. Gdy uszkodzeniu ulegnie czujnik pomiaru wydatku powietrza lub czujnik ciśnienia w kolektorze dolotowym sterowanie dawką paliwa jest dokonywane na podstawie pomiaru położenia listka przepustnicy. Rys. 8. Charakterystyka dwuścieżkowego czujnika położenia przepustnicy o odwrotnie zmieniających się rezystancjach [3] Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 6

34 Temat: Budowa i działanie EPP W zastosowaniach, w których czujnik położenia przepustnicy stanowi główny czujnik obciążenia silnika (nie występuje przepływomierz), stosuje się czujnik o dwóch potencjometrach, z dwoma zakresami kąta, w celu uzyskania zwiększonej dokładności pomiaru małych kątów otwarcia przepustnicy. Rys. 9. Przebieg napięcia z potencjometrów I i II czujnika położenia przepustnicy o przeciwbieżnych charakterystykach [3]; zakres od biegu jałowego do pełnego otwarcia i zamknięcia przepustnicy 3. BUDOWA STANOWISKA POMIAROWEGO Stanowisko użyte w ćwiczeniu jest zbudowane w oparciu o: elektroniczny pedał przyspiesznika z samochodu ciężarowego marki Volvo oraz przepustnicę sterowaną elektronicznie z samochodu osobowego marki Skoda Fabia (1.4 MPI). Rys. 10. Stanowisko służące do prezentacji zasady działania układu elektronicznego sterowania przepustnicą Rys. 11. Gniazda bananowe służące do podłączenia miernika i oscyloskopu w celu pomiarów: napięć, rezystancji i sygnałów Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 7

35 Temat: Budowa i działanie EPP Rys. 12. Dodatkowo zintegrowany ze stanowiskiem woltomierz 4. WYMAGANIA DO ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO Do przeprowadzenia ćwiczenia niezbędne są: - multimetr (cyfrowy bądź analogowy) lub woltomierz i omomierz, - oscyloskop. Podczas pomiarów napięcia należy zachować szczególną ostrożność w celu uniknięcia powstania zwarć, które mogłyby uszkodzić sterownik elektronicznego pedału przyspiesznika lub miernik (woltomierz/omomierz) użyty do pomiarów. Natomiast podczas pomiarów rezystancji należy najpierw wyłączyć zasilanie za pomocą czerwonego przycisku oraz odłączyć zasilanie z sieci. Do ćwiczenia jest również niezbędna wiedza z zakresu obsługi oscyloskopu z wcześniejszego okresu studiów. 5. ZASADY BHP Wykonanie pomiarów wiąże się z niebezpieczeństwem powstania wypadków. W celu zminimalizowania możliwości powstania wypadku studenci i pracownicy są zobowiązani do przestrzegania ogólnych zasad BHP oraz do przestrzegania przepisów porządkowych i organizacyjnych obowiązujących w laboratorium pojazdów, które na pierwszych zajęciach były podawane do wiadomości. Ponadto osoby biorące udział w ćwiczeniu obowiązane są: - dbać o należyty stan maszyn, urządzeń, narzędzi i sprzętu oraz o porządek i ład na stanowisku badawczym i w jego obrębie, - niezwłocznie zawiadomić przełożonego o zauważonym w laboratorium wypadku albo zagrożeniu życia lub zdrowia ludzkiego. Strzec inne osoby znajdujące się w laboratorium o grożącym niebezpieczeństwie. 6. PRZEBIEG ĆWICZENIA Podczas ćwiczenia laboratoryjnego należy dokonać: pomiarów napięć dla: a) czujników EPP przy minimalnym i maksymalnym stopniu otwarcia przepustnicy, b) czujników elektronicznej przepustnicy przy minimalnym i maksymalnym stopniu otwarcia przepustnicy. pomiarów rezystancji dla (wyłączniki w pozycji OFF oraz stanowisko odłączone od sieci! ): a) czujników EPP przy minimalnym i maksymalnym stopniu otwarcia przepustnicy, Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 8

36 Temat: Budowa i działanie EPP b) czujników elektronicznej przepustnicy przy minimalnym i maksymalnym stopniu otwarcia przepustnicy. zarejestrowania przebiegu sygnałów PWM sterujących listkiem przepustnicy za pomocą oscyloskopu (złącze niebieskie górne podłączone jest do sygnału PWM ze sterownika dla otwierania przepustnicy natomiast złącze niebieskie dolne podłączone jest do sygnału PWM ze sterownika dla domykania przepustnicy); zarejestrowania przebiegu napięć z czujników elektronicznego pedału przyspiesznika i elektronicznie sterowanej przepustnicy za pomocą oscyloskopu. W sprawozdaniu powinno znajdować się: strona tytułowa, protokół pomiarowy, zrzuty ekranu z oscyloskopu, wnioski. 7. LITERATURA 1. AUTO Technika Motoryzacyjna - numer 11/ Gajek Andrzej, Juda Zdzisław: Czujniki, Wydawnictwo WKŁ, Warszawa Leksykon Auto ŚWIAT numer Kneba Zbigniew, Makowski Sławomir: Zasilanie i sterowanie silników, Wydawnictwo WKŁ, Warszawa 2004 PROTOKÓŁ POMIAROWY Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 9

37 Białystok, dn... WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn Specjalność: Pojazdy Samochodowe PROTOKÓŁ POMIAROWY Ćwiczenie nr: Budowa i zasada działania EPP Czujnik EPP 1 Czujnik EPP 2 Czujnik przepustnicy 1 Czujnik przepustnicy 2 U min [V] U max [V] R min [kω] R max [kω] Data wykonania ćwiczenia Podpis Prowadzącego

38 WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego Numer ćwiczenia: SAP - 5 Laboratorium z przedmiotu: SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH Kod: Białystok 2013

39 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego SPIS TREŚCI 1. Cel i zakres Wiadomości ogólne o elektronicznych układach zapłonowych Rozdzielaczowe układy zapłonowe Tranzystorowe układy zapłonowe Tyrystorowe układy zapłonowe Bezrozdzielaczowe układy zapłonowe Układy z cewkami dwubiegunowymi Moduł DIS Układy z cewkami indywidualnymi Stanowiska pomiarowe Zasada działania stanowiska Budowa układu zapłonowego Układ pomiarowy Sposób dokonywania pomiarów Pomiar rezystancji uzwojeń Pomiary oscyloskopowe niskich napięć Pomiary czujnika fotooptycznego Pomiary sygnałów sterujących Pomiary oscyloskopowe wysokich napięć Zasady BHP Przebieg ćwiczenia Literatura Protokół pomiarowy 21 Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 2

40 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego 1. CEL I ZAKRES Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą działania elektronicznego układu zapłonowego. W zakres ćwiczenia laboratoryjnego wchodzi: - poznanie budowy i poszczególnych elementów elektronicznego układu zapłonowego, - poznanie zasady działania elektronicznego układu zapłonowego, - przeprowadzenie pomiarów elektrycznych za pomocą multimetru i zarejestrowanie przebiegu sygnałów przy pomocy oscyloskopu, - analiza otrzymanych wyników oraz sporządzenie sprawozdania z ćwiczenia laboratoryjnego. 2. WIADOMOŚCI OGÓLNE O ELEKTRONICZNYCH UKŁADACH ZAPŁONOWYCH Decydujący wpływ na parametry silnika ma dokładność występowania zapłonu, dlatego też wraz z biegiem lat, układy zapłonowe ciągle udoskonalano wskutek stale zwiększających się wymagań dotyczących coraz większych mocy silnika i czystszych spalin. Rozwiązania mechaniczne zastępowano niezawodnymi elementami elektronicznymi. Zastosowanie elektroniki w sterowaniu pracą zapłonu umożliwiło sprostanie wymaganiom stawianym współczesnym, nowoczesnym układom zapłonowym. Wobec udowodnionych wad przerywacza i klasycznych regulatorów kąta wyprzedzenia zapłonu - stosuje się specjalne układy elektroniczne, sterujące chwilą zapłonu w funkcji prędkości obrotowej i podciśnienia w kanale dolotowym silnika. W bardziej skomplikowanych rozwiązaniach uwzględnia się ponadto skład spalin, temperaturę silnika oraz parametry powietrza atmosferycznego. Obecnie powszechnie stosowane są do tego celu mikroprocesory. W elektronicznych układach zapłonowych parametry uzwojenia pierwotnego cewki zapłonowej są inne niż cewki układu klasycznego. Przekładnia zwojowa w cewce układów elektronicznych jest znacznie większa niż w cewce układu klasycznego (np. układ elektroniczny ok. 250, klasyczny ok. 80), natomiast indukcyjność obwodu pierwotnego jest znacznie mniejsza w układzie elektronicznym niż klasycznym. W rezultacie stromość narastania krzywej prądu i wartość prądu ustalonego w obwodzie pierwotnym są znacznie większe, co przedstawia wykres. Rys. 1. Wykres zależności czasowych prądu pierwotnego w układzie zapłonu elektronicznego 1, i klasycznego 2 [1] Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 3

41 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego W miarę zwiększania prędkości obrotowej silnika maleje czas tz zwarcia styków. Wartość prądu Ip przerywanego przez styki przerywacza w układzie zapłonu klasycznego zmniejsza się już przy tz2 (krzywa 2), a w układzie elektronicznym (krzywa 1) zmniejsza się dopiero przy tz5. Dzieje się tak przy prędkości obrotowej ok. 8-krotnie większej niż w układzie klasycznym. Wynika z tego iż: charakterystyka elektronicznego układu zapłonowego ma przebieg opadający przy znacznie większych prędkościach obrotowych silnika niż w układzie zapłonu klasycznego, wartość bezwzględna siły elektromotorycznej E2 jest znacznie większa w układzie elektronicznym niż w układzie klasycznym - w całym zakresie zmienności prędkości obrotowej Rozdzielaczowe układy zapłonowe W układach rozdzielaczowych, czyli zawierających wirujący mechaniczny rozdzielacz wysokiego napięcia, stosuje się tylko jedna cewkę zapłonową. Wytwarza ona wysokie napięcie kierowane przez rozdzielacz do świec zapłonowych poszczególnych cylindrów w odpowiedniej kolejności zapłonu. Ze względu na ograniczenia, jakie niesie mechaniczny rozdział energii zapłonu, rozwiązanie takie nie jest już obecnie stosowane w silnikach nowej generacji Tranzystorowe układy zapłonowe ( z gromadzeniem energii w cewce) Tego typu układy zapłonowe zawierają moduł zapłonowy, będący układem elektronicznym, który za pomocą tranzystora mocy zamyka obwód pierwotny. Rys. 2. Układ zapłonowy z gromadzeniem energii w cewce (tranzystorowy) [1] 1- tranzystor, 2 akumulator, 3 - cewka zapłonowa, 4- przerywacz, 5 - rozdzielacz wysokiego napięcia,6 - zespół świec zapłonowych. Tranzystor mocy jest zasilany napięciem akumulatora doprowadzonym do jego emitera. Kolektor połączony jest z końcówką uzwojenia pierwotnego cewki zapłonowej. Prąd emiter-kolektor jest sterowany napięciem bazy. Po powstaniu na bazie impulsu napięciowego tranzystor zaczyna przewodzić i w uzwojeniu pierwotnym cewki zapłonowej płynie prąd. Gdy impuls zanika, gwałtowna zmiana strumienia magnetycznego w uzwojeniu pierwotnym indukuje napicie w uzwojeniu wtórnym. Cewka zapłonowa działając jako transformator przekłada kilkusetwoltowe napięcie pierwotne na kilkukilowoltowe napięcie wtórne. Tranzystorowe układy zapłonowe były pierwszymi, które mogły w celu ustawienia optymalnego kąta wyprzedzenia zapłonu użyć charakterystyk zapisanych w ich pamięciach typu EPROM. Mając do dyspozycji informację o prędkości obrotowej, swobodnie dostosowywały kąt wyprzedzenia zapłonu do aktualnej prędkości wału silnika. Najczęściej współpracowały one z aparatami zapłonowymi z wbudowanym regulatorem podciśnieniowym, a więc kąt wyprzedzenia w za1eżności od obciążenia silnika był nastawiany tak samo jak w tradycyjnych układach mechanicznych. W pierwszych zastosowaniach impuls napięciowy na bazie tranzystora mocy był wywoływany przerywaczem, tak jak w układzie klasycznym, a moduł nie otrzymywał informacji o prędkości obrotowej Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 4

42 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego silnika. W aparacie zapłonowym pracował wówczas mechaniczny - odśrodkowy - regulator kąta wyprzedzenia zapłonu. W następnych konstrukcjach rolę przerywacza spełniały czujniki magnetoindukcyjne albo hallotronowe dzięki którym możliwa stała się regulacja kąta zwarcia układu zapłonowego. Rys. 3. Schemat ogólny tranzystorowego układu zapłonowego [7] 1 akumulator; 2 wyłącznik zapłonu, 3 cewka zapłonowa, 4 elektroniczny moduł zapłonowy, 5 rozdzielacz zapłonu, 6a indukcyjny nadajnik impulsów, 6b nadajnik impulsów Halla, 7 świece zapłonowe Rys. 4. Schemat blokowy tranzystorowego układu zapłonowego [5] Tranzystorowe układy zapłonowe w porównaniu z układami klasycznymi charakteryzują się następującymi zaletami: zwiększona wartość prądu w uzwojeniu pierwotnym cewki zapłonowej (do 10 A), a więc większa energia iskry w zakresie małych i średnich prędkości obrotowych, mniejsza stała czasowa narastania prądu w uzwojeniu pierwotnym cewki, a więc wyższe napięcie przebicia w zakresie dużych prędkości obrotowych, większa trwałość styków przerywacza. W układach zapłonowych tego typu pozostawiono mechaniczny układ regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu zarówno podciśnieniowy, jak i odśrodkowy, ze wszystkimi ich wadami Tyrystorowe układy zapłonowe (z gromadzeniem energii w kondensatorze) Równocześnie ze stosowaniem tranzystorowych układów zapłonowych budowano układy tyrystorowe, w których energia pomiędzy zapłonami była gromadzona w kondensatorze. Zasadnicza część układu jest podobna do konwencjonalnego - różni je dodatkowy układ podwyższający napicie w Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 5

43 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego celu naładowania kondensatora - przetwornica tranzystorowa. Przetwornica zmienia 12 V na około 400 V prądu stałego. Tym napięciem ładowany jest kondensator dużej pojemności 1 2 µf. Rys. 5. Tyrystorowy (kondensatorowy) układ zapłonowy [2] 1-czujnik magnetoindukcyjny, 2-układ kształtowania impulsów, 3-przetwornica, 4-cewka zapłonowa, 5 - tyrystor mocy Rys. 6. Schemat i zasada działania kondensatorowego układu zapłonowego [5] Zasada działania kondensatorowych układów zapłonowych polega na tym, że znajdujący się w układzie kondensator Cn o pojemności 1 2 µf jest ładowany napięciem z akumulatora poprzez odpowiednią przetwornicę do wartości około kilkuset woltów. Nagromadzona w ten sposób w kondensatorze energia może być rozładowana: albo w chwili rozwarcia styków, albo (w układach bezstykowych) w chwili pojawienia się impulsu z układu wyzwalającego, który powoduje załączenie znajdującego się w układzie tyrystora Ty. Rozładowanie kondensatora w obwodzie, w którym znajduje się uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej, powoduje indukowanie się impulsu wysokiego napięcia w uzwojeniu wtórnym cewki zapłonowej i przeskok iskry na elektrodach świecy zapłonowej. Przetwornica składa się z elementu przełączającego, transformatora i prostownika. Kondensatorowy układ jest szczególnie wrażliwy na spadki napięcia zasilania, które wpływają na energię wyładowania iskry na elektrodach świec, stosuje się więc stabilizację energii nagromadzonej w kondensatorze. Podobnie jak w tranzystorowych układach zapłonowych sterowanie prądem w uzwojeniu pierwotnym cewki zapłonowej może odbywać się, w starszych układach stykowo, za pomocą przerywacza, lub bezstykowo z wykorzystaniem czujników generacyjnych lub parametrycznych. Zaletami kondensatorowych układów zapłonowych są: zwiększona energia wyładowania iskrowego, stałość wysokiego napięcia w całym zakresie prędkości obrotowych silnika, Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 6

44 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego odporność na bocznikowanie świecy, korzystna charakterystyka poboru mocy Bezrozdzielaczowe układy zapłonowe W układach bezrozdzielaczowych zrezygnowano z ostatniego elementu mechanicznego jakim był rozdzielacz wysokiego napięcia. Wyeliminowano tym samym iskrzenie zewnętrzne, dzięki czemu obniżono poziom zakłóceń elektromagnetycznych. Brak elementów wirujących spowodował obniżenie hałasu w komorze silnika i znacznie podniósł trwałości układu zapłonowego. Zmniejszenie liczby połączeń w obwodzie wysokiego napięcia zwiększyło możliwości konstrukcyjne dla wytwórców silników i uprościło budowę układu. Otworzyła się również możliwość sekwencyjnego sterowania zapłonem (układy DI ang. Direct Ignition). Poza wymienionymi cechami omawiany układ spełnia takie same funkcje jak rozdzielaczowy układ zapłonowy sterowany elektronicznie i posiada podobne charakterystyki mocy. Układy te mogą występować w dwóch głównych odmianach: z cewkami dwubiegunowymi, z indywidualnymi cewkami na każdy cylinder (układy DI). Spotyka się również układy o innej konfiguracji cewek, np. układy z pojedynczą cewką czterobiegunową Układy z cewkami dwubiegunowymi. Rys. 7. Schemat blokowy układu z dwubiegunowymi cewkami zapłonowymi [5] Jeśli silnik ma parzystą liczbę cylindrów, to dwa tłoki poruszają się razem w kierunku zwrotu głowicowego ZG, np. tłoki 1. i 4. cylindra w czterocylindrowym silniku. W jednym z cylindrów występuje wówczas proces sprężania, a w drugim wylotu. Iskra przeskakuje pomiędzy elektrodami świec jednocześnie w obu cylindrach, choć ma różną polaryzację. Działanie cewek jest przesunięte o 180. Właściwa iskra zapalająca mieszankę ma energię większą od tej traconej, ponieważ stała dielektryczna powietrza zależy od ciśnienia, a ciśnienie w czasie sprężania jest podwyższone. Takie układy zapłonowe mogą pracować w silnikach o parzystej liczbie cylindrów z symetrycznym wałem korbowym. Przy stosowaniu cewek dwubiegunowych wzrastają wymagania odnośnie wartości wysokiego napięcia generowanego przez układ zapłonowy ze względu na różne polaryzacje elektrod świec. Podwójna częstotliwość iskrzenia powoduje ponadto przyspieszone zużycie elektrod, zaś uszkodzenie w jednym ze stopni końcowych wyłącza 2 cylindry Moduł DIS Starsze rozwiązania układów DIS (Distributorless Ignition System układ bezrozdzielaczowy) korzystały z modułów zapłonowych zamocowanych do zespołu cewek (rysunek 7). Późniejsze rozwiązania układów sterowania zapłonem, w odniesieniu do cewek dwubiegunowych przekazują do Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 7

45 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego komputera centralnego funkcje przetwarzania sygnału czujnika położenia wału korbowego i wyznaczania czasu zwarcia cewek zapłonowych (rysunek 34). Rys. 8. Schemat połączeń bezrozdzielaczowego modułu zapłonu [5] Wewnątrz obudowy modułu zapłonowego znajduje się struktura elektroniczna zawierająca układy scalone, odpowiedzialne za analogowe przetwarzanie sygnału czujnika położenia wału, współpracę z komputerem nadrzędnym, ustawianie czasu zwarcia cewek i realizację zapłonu w odpowiedniej chwili. Moduł zapłonowy DIS spełnia w systemie następujące funkcje przetwarza sygnał z czujnika prędkości obrotowej na odpowiedni sygnał TTL przekazywany do komputera nadrzędnego oraz na sygnał do obrotomierza, generuje zapłon w chwilach wyznaczonych przez komputer nadrzędny, generuje iskrę na podstawie sygnału prędkości obrotowej w przypadku awarii lub rozłączenia z komputerem nadrzędnym. steruje rozdziałem zapłonu na poszczególne pary cylindrów. Ponad to jednostka sterująca DIS potrafi samodzielnie generować iskrę, lecz sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu przeprowadza w ograniczonym zakresie. Dlatego istotne jest sterowanie iskrą z komputera nadrzędnego, a co za tym idzie, sposób współpracy między modułami DIS i sterownikiem. Moduły te połączone są trzema sygnałami, co przedstawiono na poniższym rysunku 9: Rys. 9. Schemat wymiany informacji pomiędzy sterownikiem a DIS-em [5] Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 8

46 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego SP - sygnał prędkości obrotowej z DIS-a, ST - sygnał, którego stan wysoki powoduje odblokowanie wejścia SZ i pod-porządkowanie sterowania zapłonem komputerowi nadrzędnemu, w przeciwnym przypadku DIS przechodzi do trybu pracy samodzielnej, SZ - wejście sterujące kątem wyprzedzenia zapłonu (opadające zbocze sygnału powoduje generowanie iskry). Rys. 10. Wygląd zewnętrzny zespołu zapłonowego oraz jego umieszczenia w silniku 2.2 MPFI samochodu Lublin II [5] Układy z cewkami indywidualnymi W dążeniu do sterowania wtryskiem benzyny zgodnie z cyklami pracy silnika (wtrysk synchroniczny) pojawiły się układy mierzące dokładnie prędkość obrotową. Odczytują one większą liczbę impulsów z koła o dużej liczbie zębów oraz jednocześnie, najczęściej jednym impulsem, mierzy się położenie wału rozrządu. Układ zapłonowy korzysta z tych samych pomiarów do synchronizacji. Poprzez umieszczenie pojedynczych cewek zapłonowych bezpośrednio na świecach unika się przewodów wysokiego napięcia. Do cewek umieszczonych w głowicy doprowadzone są tylko typowe przewody sterujące uzwojeniem pierwotnym. Na jednym z przewodów po włączeniu wyłącznika zapłonu jest stale polaryzacja dodatnia, a drugi okresowo jest zwierany do masy przez sterownik. Przyszłe układy zapłonowe są projektowane z myślą o indywidualnym sterowaniu poszczególnymi cylindrami. Taki pomysł jest możliwy do realizacji tylko w układach z pojedynczymi cewkami zapłonowymi. Już obecnie w niektórych silnikach (np. widlaste 8- i 12-cylindrowe silniki Mercedes-Benz) cylindry są wyłączane z pracy przy małych obciążeniach. Wyłączanie możliwe jest parami po dwa cylindry aż do połowy liczby cylindrów. Realizuje się je przez zamknięcie zaworów dolotowych i wylotowych (odłączenie dźwigni zaworów od wałka rozrządu), zamknięcie wtryskiwaczy benzyny i wyłączenie cewek zapłonowych. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 9

47 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego Rys. 11. Schemat bezpośredniego układu zapłonowego silnika Mitsubishi GDI [5] 3. STANOWISKO POMIAROWE 3.1. Zasada działania stanowiska Po załączeniu głównego wyłącznika w układzie płynie prąd do sterownika zapłonu. Odpowiada to przekręceniu kluczyka w stacyjce samochodu w pozycję ZAPŁON. Załączenie drugiego wyłącznika powoduje włączenie silniczka elektrycznego, co odpowiada rozruchowi silnika spalinowego. Na wale silniczka elektrycznego umieszczona jest tarcza z trzema szczelinami powietrznymi dwie z nich reprezentują tłok silnika w zwrocie głowicowym lub korbowym natomiast trzecia szczelina umieszczona tuż przy pierwszej umożliwia identyfikację numeru cylindra. Czujnik fotooptyczny wysyła do kontrolera sygnał napięciowy 5V gdy przestrzeń między jego szczękami jest zasłonięta, natomiast przy przejściu przez szczelinę powietrzną generuje sygnał napięciowy 0V. Wynika z tego, że co jeden pełny obrót tarczy czujnik generuje trzy impulsy napięciowe - z czego dwa w znacznie krótszym czasie od trzeciego. Na ich podstawie mikrokontroler ocenia prędkość obrotową tarczy (odnośnie wewnętrznego układu czasowego) oraz identyfikuje cylinder w którym nastąpić ma zapłon mieszanki co za tym idzie obwód której cewki należy załączyć i przerwać. Realizowane jest to poprzez tranzystor mocy IRF 840 włączony szeregowo w obwód pierwotny cewki. W starszych układach zapłonowych jego rolę pełnił mechaniczny przerywacz umieszczony wewnątrz aparatu zapłonowego. Na podstawie prędkości obrotowej tarczy i wartości obciążenia zadanego potencjometrem mikrokontroler dobiera z zapisanej w jego pamięci tzw. mapy zapłonu odpowiedni kąt wyprzedzenia zapłonu i ocenia w jakim położeniu kątowym wału przed zwrotem głowicowym należy załączyć cewkę i przerwać jej obwód. Nagłemu przerwaniu obwodu pierwotnego cewki towarzyszy znaczny wzrost napięcia w jego uzwojeniu. W tej samej chwili w uzwojeniu wtórnym indukuje się napięcie o wartości około V które powoduje przeskok iskry elektrycznej między elektrodami świecy zapłonowej. Prędkość obrotowa tarczy, analogicznie jak prędkość obrotowa wału rozrządu czterosuwowego silnika spalinowego jest dwukrotnie mniejsza od prędkości obrotowej wału korbowego silnika, co wynika z zasady działania silnika. Po załączeniu silniczka elektrycznego jego minimalna prędkość obrotowa ustala się w zakresie około 1500 obr/min co odpowiada 3000 obr/min prędkości obrotowej silnika. Jest to średni zakres prędkości przy Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 10

48 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego której powinno się dokonywać wszelkich pomiarów. Docelowo prędkość obrotowa silniczka może być zwiększana potencjometrem do około 3500 obr/min (około 7000 obr/min wału korbowego). Rys. 12. Widok stanowiska dydaktycznego do prezentacji budowy i zasady działania elektronicznego układu zapłonowego Budowa układu zapłonowego Źródłem napięcia stałego jest zasilacz komputerowy, pełniący funkcję akumulatora samochodowego. Zasila on poprzez wyłącznik zapłonu i moduł zapłonowy- uzwojenie pierwotne cewek zapłonowych. Rolę wyłącznika zapłonu, umieszczonego w samochodzie przy stacyjce, pełni tu główny wyłącznik zasilania. Rys. 13. Widok elementów sterujących pracą układu zapłonowego Moduł zapłonowy na podstawie sygnałów z czujnika fotooptycznego, sygnałów z zadajnika obciążenia oraz na podstawie algorytmów sterujących umieszczonych w jego pamięci, decyduje o czasie zwarcia i momencie wystąpienia zwarcia uzwojenia pierwotnego cewek zapłonowych. Wysokonapięciowe uzwojenie wtórne cewek połączone jest z elektrodą dodatnią świecy zapłonowej przy pomocy przewodów zapłonowych. Obwód zamykany jest przez elektrodę masową świecy, która poprzez metalową opaskę mocującą połączona jest od spodu panelu z masą całego układu. Funkcję zadajnika obciążenia pełni potencjometr obrotowy symulujący stopień otwarcia przepustnicy. Czujnik fotooptyczny określa prędkość obrotową wału rozrządu (a tym samym prędkość obrotową silnika) oraz identyfikuje numer cylindra na podstawie nacięć na wirującej tarczy. Tarcza umieszczona jest na wale silniczka elektrycznego zastępującego wał rozrządu silnika spalinowego. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 11

49 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego Silnik elektryczny, zasilany bezpośrednio z zasilacza, załączany jest oddzielnym wyłącznikiem a jego prędkością obrotową steruje potencjometryczny regulator obrotów Układ pomiarowy W celu ułatwienia dokonania pomiarów sygnały sterujące zostały wyprowadzone do zacisków pomiarowych umieszczonych nad modułem zapłonowym. Do zacisku 1 wyprowadzony jest sygnał napięciowy z fotooptycznego czujnika szczelinowego. Do zacisków 2 i 3 wyprowadzono sygnały sterujące czasem zwarcia odpowiednio pierwszej i drugiej cewki zapłonowej. Zacisk 4 połączono z masą układu. Zaciski strony pierwotnej cewek zapłonowych 5, 7, 8 i 10 umożliwiają pomiar rezystancji uzwojenia pierwotnego a zacisk wysokonapięciowy 6 i 9 - pomiar rezystancji uzwojenia wtórnego, a także obserwację przebiegu napięcia po stronie pierwotnej i wtórnej cewki zapłonowej. Rys. 14. Rozmieszczenie zacisków pomiarowych: 1- sygnał sterujący czujnika fotooptycznego, 2- sygnał sterujący cewki pierwszej, 3 sygnał sterujący cewki drugiej, 5 i 7 zaciski uzwojenia pierwotnego cewki pierwszej, 8 i 10 zaciski uzwojenia pierwotnego cewki drugiej, 6 i 9 zaciski uzwojenia wtórnego odpowiednio cewki pierwszej i drugiej. Przebiegi tych sygnałów są możliwe do zaobserwowania na oscyloskopie, lecz ze względu na wysokie napięcia na zaciskach cewek - na uzwojeniu pierwotnym do około 400V, po stronie wtórnej do około 30kV, należy bezwzględnie skorzystać z sondy wysokonapięciowej. Natomiast sygnały z zacisków 1,2 i 3 można sczytywać bezpośrednio sondą oscyloskopu. 4. SPOSÓB DOKONYWANIA POMIARÓW Do przeprowadzenia ćwiczenia niezbędne są: - multimetr (cyfrowy bądź analogowy) lub woltomierz i omomierz, - oscyloskop - sonda wysokonapięciowa Podczas pomiarów wysokich napięć należy zachować szczególną ostrożność w celu uniknięcia porażenia prądem elektrycznym!. Podczas pomiarów rezystancji uzwojeń należy najpierw wyłączyć zasilanie za pomocą czerwonego przycisku Pomiary rezystancji uzwojeń Dokonuje się go omomierzem w sposób pokazany na poniższych schematach, po odłączeniu przewodów z zacisków cewki. Wartość rezystancji powinna być zgodna z danymi producenta dla konkretnego modelu cewki zapłonowej. Jeżeli brak jest takich danych, przyjmuje się, że rezystancja Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 12

50 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego uzwojenia pierwotnego cewki o napięciu 12V wynosi 3 6 ohm, a rezystancja uzwojenia wtórnego wynosi 4 20 kohm. Rys. 15. Sposób podłączenia omomierza podczas pomiaru rezystancji uzwojenia pierwotnego i wtórnego cewki zapłonowej Pomiary oscyloskopowe niskich napięć Pomiary czujnika fotooptycznego Prawidłowe działanie czujnika jest niezbędne do pracy modułu zapłonowego, a ocenę czujnika można przeprowadzić mierząc woltomierzem napięcia na zaciskach 1-4 rys.14. Gdy szczęki czujnika przesłonięte są nieprzepuszczającym światła materiałem wirującej tarczy, spadek napięcia na zaciskach wynosi 4.5V, natomiast gdy między szczękami znajduje się pusta przestrzeń, niewidoczne gołym okiem światło z fotodiody padające na fototranzystor powoduje przełączenie jego stanu przewodzenia i spadek napięcia wynosi 0V. Pomiar napięcia oscyloskopem umożliwia obserwację przebiegu sygnału z czujnika Pomiary sygnałów sterujących Gdy moduł zapłonowy wyliczy w którym położeniu kątowym wału należy załączyć i wyłączyć prąd ładowania cewki, do tranzystora mocy przesyłany jest odpowiedni sygnał napięciowy Pomiarów dokonuje się na zaciskach 2-4 i 3 4 bezpośrednio sondą oscyloskopu. Wykorzystanie do pomiaru drugiego kanału oscyloskopu ( sygnał z czujnika fotooptycznego ) umożliwia obserwację chwili wystąpienia sygnałów w cyklu pracy silnika Pomiary oscyloskopowe wysokich napięć Ze względu na wysokie napięcia panujące po stronie pierwotnej (około 400V) i wtórnej (około V) cewki zapłonowej nie wolno wykonywać pomiarów oscyloskopowych bezpośrednio ze styków pomiarowych napięcie musi być przedtem zmniejszone na bezpieczne dla urządzenia. Umożliwia to Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 13

51 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego sonda wysokonapięciowa podłączona w sposób pokazany poniżej do miernika UNi11e. Wykorzystano rezystancję wewnętrzną miernika w celu zachowania niezmienionej charakterystyki przebiegu sygnału. Sonda niskonapięciowa oscyloskopu włączona jest równolegle do sygnału wyjściowego (o bezpiecznym napięciu) sondy wysokonapięciowej. Poniższe fotografie pokazują sposób połączenia mierników i dokonania odczytu. Rys. 15. Sposób dokonania pomiaru przy pomocy sondy wysokonapięciowej. Rys. 16. Miernik UNi11e. Sposób połączenia oscyloskopu: zacisk masowy oscyloskopu podłączony do masy miernika; sonda niskonapięciowa oscyloskopu podłączona do sygnału niskonapięciowego z sondy pomiarowej. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 14

52 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego Rys. 17. Przebieg wysokiego napięcia po stronie pierwotnej cewki zapłonowej obserwowany na ekranie oscyloskopu. 5. ZASADY BHP Wykonanie pomiarów wiąże się z niebezpieczeństwem powstania wypadków. W celu zminimalizowania możliwości powstania wypadku studenci i pracownicy są zobowiązani do przestrzegania ogólnych zasad BHP oraz do przestrzegania przepisów porządkowych i organizacyjnych obowiązujących w laboratorium pojazdów, które na pierwszych zajęciach były podawane do wiadomości. Ponadto osoby biorące udział w ćwiczeniu obowiązane są: - dbać o należyty stan maszyn, urządzeń, narzędzi i sprzętu oraz o porządek i ład na stanowisku badawczym i w jego obrębie, - niezwłocznie zawiadomić przełożonego o zauważonym w laboratorium wypadku albo zagrożeniu życia lub zdrowia ludzkiego. Strzec inne osoby znajdujące się w laboratorium o grożącym niebezpieczeństwie. 6. PRZEBIEG ĆWICZENIA Podczas ćwiczenia laboratoryjnego należy dokonać: pomiarów napięć dla: stanu przewodzenia czujnika fotooptycznego, stanu blokowania czujnika fotooptycznego. pomiarów rezystancji: uzwojeń pierwotnych cewek zapłonowych, uzwojeń wtórnych cewek zapłonowych. rejestracji za pomocą oscyloskopu przebiegu sygnałów sterujących pracą cewek zapłonowych rejestracji za pomocą oscyloskopu przebiegu napięć po stronie pierwotnej i wtórnej uzwojenia cewki. Sprawozdanie powinno zawierać: stronę tytułową, protokół pomiarowy, oscylogramy przebiegu sygnałów, wnioski. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 15

53 Temat: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego 7. LITERATURA 1. Ocioszyński Jerzy: Zespoły elektryczne i elektroniczne w samochodach 2. Kneba Zbigniew, Makowski Sławomir: Zasilanie i sterowanie silników, Wydawnictwo WKŁ 3. Radzimirski Stanisław: Układy zasilania gaźnikowych silników samochodowych, Wydawnictwo WKŁ 4. Zając P. Kołodziejczyk L. M.: Silniki spalinowe 5. (styczeń 2009) 6. (styczeń 2009) 7. (styczeń 2009) 8. (styczeń 2009) 8. PROTOKÓŁ POMIAROWY Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 16

54 Białystok, dn... WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn Specjalność: pojazdy samochodowe PROTOKÓŁ POMIAROWY Ćwiczenie nr: Budowa i zasada działania elektronicznego układu zapłonowego. Napięcie w stanie przewodzenia czujnika Napięcie w stanie blokowania czujnika Rezystancja uzwojenia pierwotnego cewki 1. Rezystancja uzwojenia wtórnego cewki 1. Rezystancja uzwojenia pierwotnego cewki 2. Rezystancja uzwojenia wtórnego cewki 2. [V] [V] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] Data wykonania ćwiczenia Podpis prowadzącego

55 WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Budowa i działanie układu zasilania Daewoo Numer ćwiczenia: SAP - 6 Laboratorium z przedmiotu: SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH Kod: Białystok 2013

56 Temat: Budowa i działanie układu zasilania Daewoo 1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie z budową i działaniem układu sterowania silnika samochodowego o zapłonie iskrowym. Ćwiczenie obejmuje wykonanie map obciążeń: czasu otwarcia wtryskiwaczy oraz kąta wyprzedzenia zapłonu w różnych stanach pracy silnika. 2. Wprowadzenie Głównym zadaniem stawianym przed systemem sterowania silnika spalinowego jest automatyzacja pracy silnika. Współczesny układ sterowania silnika ZI powinien spełniać trzy podstawowe funkcje sterujące: sterowanie napełnieniem, sterowanie wtryskiem, sterowanie zapłonem. Sterowaniem napełnienia silnika ZI nazywa się regulacja mocy silnika poprzez zmianę masy gazu roboczego w komorze spalania. Masa mieszanki w cylindrze w znacznym stopniu wpływa na temperaturę i ciśnienie sprężania, a co za tym idzie na zdolność mieszanki do zapłonu. Automatyczne sterowanie tego procesu najczęściej realizowane jest podczas biegu jałowego przy zamkniętej przepustnicy. Steruje się poprzez np. zawór obejściowy poruszany silnikiem elektrycznym, bądź też może być realizowany przez elektroniczną przepustnicę. System sterowania wtryskiem projektowany jest tak, aby dostarczyć potrzebne paliwo z prawidłowym ciśnieniem w układzie paliwowym. Sygnał sterujący wtryskiwaczami jest impulsem o pewnej długości czasowej zależnej od wielkości dawki paliwa. Sam proces sterowania składa się z kilku faz: faza synchronizacji - wyznacza chwilę początku wtrysku, faza strategii wybiera wartość λ na podstawie warunków pracy silnika, faza kalkulacji szacuję ilość powietrza dolotowego w oparciu o czujniki, korekcja korekcja czasu wtrysku zgodnie z aktualnym napięciem akumulatora, regulacja bazuje na wskazaniach czujnika tlenu. Sterowanie zapłonem odbywa się poprzez zmianę kąta wyprzedzenia zapłonu. Ma on istotny wpływ na parametry pracy silnika. Kąt wyprzedzenia zapłonu musi być odpowiednio dobrany do obciążenia silnika oraz prędkości obrotowej. Spełnia się jeden z warunków optymalizacji ze względu na maksymalny moment obrotowy, minimalne zużycie paliwa lub najmniejszą możliwą emisję szkodliwych substancji toksycznych. 3. Metodyka pomiarów Zajęcia laboratoryjne powinny przebiegać zgodnie z podaną niżej kolejnością. Zmiana kolejności wykonywania poszczególnych zadań możliwa jest tylko po ustaleniu tego z prowadzącym zajęcia. 3.1 Sprawdzenie wiedzy ogólnej Warunkiem przystąpienia do zajęć jest wykazanie się wiedzą teoretyczną z zakresu tematu zajęć laboratoryjnych. Sprawdzenie wiadomości z zakresu tematu wykonywanego ćwiczenia odbędzie się na podstawie zaliczenia pisemnego po zakończeniu bloku tematycznego. 3.2 Zapoznanie się z budową stanowiska Na rysunku 1 przedstawiono schemat elektryczny stanowiska. Układ zabezpieczono bezpiecznikiem 10A (F1), umieszczony został z tyłu stanowiska. Do włączania zasilania zastosowano stacyjkę (2) wymontowaną z samochodu. Głównym elementem jest urządzenie sterujące (1), którego zadaniem jest przetwarzanie sygnału odbieranego z elementów nastawczych: potencjometrów do regulacji temperatury cieczy (3), ciśnienia bezwzględnego w kolektorze (4), położenia przepustnicy (5), temperatury powietrza dolotowego (6) oraz emulatora sondy lambda (7), który jest zasilany poprzez Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 2

57 Temat: Budowa i działanie układu zasilania Daewoo przekaźnik (11). Prędkość obrotowa sczytywana jest z czujnika magnetycznego znajdującego się w rozdzielaczu zapłonu (8). Według wyżej wymienionych elementów nastawczych urządzenie sterujące wysyła sygnały do elementów wykonawczych: zaworów wtryskowych (Y1, Y2, Y3, Y4) oraz do rozdzielacza zapłonu, który przekazuje sygnał do cewki zapłonowej (9). Sygnał trafia również do silniczka krokowego biegu jałowego (10), sterując przesuwem iglicy. Rys. 1 Schemat elektryczny stanowiska. Objaśnienie kolorów: sw czarny, ws biały, bl niebieski, ge żółty, gr szary, rt czerwony, gn zielony, vi fioletowy Budowa stanowiska dydaktycznego do demonstracji działania i budowy układów sterowania silników samochodowych została przedstawiona i opisana na rysunku 2. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 3

58 Temat: Budowa i działanie układu zasilania Daewoo Rys. 1. Budowa stanowiska 1 urządzenie sterujące wraz z gniazdem diagnostycznym, 2 kolektor wtryskiwaczy wraz z zaworkami wtryskowymi, 3 układ zapłonowy, 4 czujnik położenia przepustnicy, 5 silniczek krokowy biegu jałowego, 6 czujnik ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym, 7 czujnik temperatury cieczy chłodzącej, 8 czujnik temperatury powietrza dolotowego, 9 czujnik tlenu, 10 stacyjka oraz diody sygnalizujące działanie, 11 panel sterujący z pokrętłami, 12 wyjście na zasilanie: czerwony +12V, czarny GND. Po podłączeniu zasilania stanowisko uruchamia się podobnie jak ma to miejsce w samochodzie czyli przy pomocy stacyjki(10). Po przekręceniu stacyjki w pozycję start uruchamia się silnik napędzający aparat zapłonowy. Za pomocą panelu (11) dokonuje się wszystkich ustawień na stanowisku. Rys.2. Panel sterowania. Pokrętło nr 1 zmiana prędkości obrotowej. Pokrętło nr 2 zmiana położenia (otwarcia) przepustnicy. Pokrętło nr 3 zmiana ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym (obciążenia silnika). Pokrętło nr 4 zmiana temperatury cieczy chłodzącej. Pokrętło nr 5 zmiana temperatury powietrza dolotowego. Przełącznik nr 6 zmiana trybu pracy czujnika tlenu. 3.3 Przebieg pomiarów Sczytywanie parametrów uzyskuje się poprzez podłączenie do gniazda diagnostycznego testera diagnostycznego AMX 550. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 4

59 Temat: Budowa i działanie układu zasilania Daewoo Rys. 3. Podłączenie testera diagnostycznego AMX550 do stanowiska Po podłączeniu i uruchomieniu testera wybiera się wybieramy markę Daewoo następnie wybieramy model pojazdu Nexia oraz silnik 1,5 MPI/DOHC. W celu wyświetlenia parametrów pracy układu wybieramy parametry bieżące. W tym oknie możemy śledzić na bieżąco parametry pracy układu oraz obserwować dokonane zmiany, wykonane w panelu sterującym stanowiska. W celu sczytania map obciążeń w warunkach ustalonych należy: 1. Ustawić parametry nastawcze według polecenia prowadzącego. 2. Zmieniać obciążenie (położenie przepustnicy oraz wartość ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym). 3. Zapisywać zmiany czasu wtrysku do protokołu pomiarowego. 4. Stworzyć wykres na podstawie zapisanych danych. 4. WYMAGANIA BHP Podczas pracy na stanowisku należy stosować się do zasad BHP obowiązujących w Laboratorium Pojazdów Samochodowych. Nie należy przystępować do pracy na stanowisku bez zgody osoby prowadzącej. Należy niezwłocznie poinformować prowadzącego ćwiczenie o dostrzeżonym nieprawidłowym funkcjonowaniu stanowiska i zaistniałych zdarzeniach zagrażających bezpieczeństwu pracy. 5. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Stronę tytułową; 2. Protokół z pomiarami; 3. Mapy obciążeń; 4. Wnioski końcowe. 6. LITERATURA 1. BOSCH Czujniki w pojazdach samochodowych WKiŁ BOSCH Sterowanie silników o zapłonie iskrowym WKiŁ Mieczysław Dziubiński Badania elektronicznych urządzeń pojazdów samochodowych Lublin 2004 PROTOKÓŁ POMIAROWY Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 5

60 Białystok, dn WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe PROTOKÓŁ POMIAROWY Ćwiczenie nr: Budowa i działanie układu zasilania Daewoo Prędkość obrotowa [Obr\min] Obciążenie [%] Temperatura cieczy chłodzącej -. Temperatura powietrza dolotowego -. Wartość λ -..

61 Uwagi:.. Data wykonania ćwiczenia Podpis prowadzącego

62 WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Budowa i działanie przepływomierzy powietrza Numer ćwiczenia: SAP - 10 Laboratorium z przedmiotu: SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH Kod: Białystok 2013

63 Temat: Budowa i działanie przepływomierzy powietrza Spis treści 1. CEL I ZAKRES WIADOMOŚCI OGÓLNE ZASADA DZIAŁANIA PRZEPŁYWOMIERZY RODZAJE PRZEPŁYWOMIERZY Przepływomierz klapowy Termoanemometr drutowy Termoanemometr warstwowy 6 3. BUDOWA STANOWISKA POMIAROWEGO WYMAGANIA DO ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO ZASADY BHP PRZEBIEG ĆWICZENIA LITERATURA... 8 Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 2

64 Temat: Budowa i działanie przepływomierzy powietrza 1. CEL I ZAKRES Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą działania przepływomierzy samochodowych. W zakres ćwiczenia laboratoryjnego wchodzi: - zapoznanie się z budową oraz rodzajami przepływomierzy, - zapoznanie się z zasadą działania przepływomierzy, - przeprowadzenie pomiarów z wyznaczeniem charakterystyki przepływomierza wraz z oceną prawidłowości jego działania, - analiza otrzymanych wyników oraz sporządzenie sprawozdania z ćwiczenia laboratoryjnego. 2. WIADOMOŚCI OGÓLNE 2.1. Zasada działania przepływomierzy W dzisiejszych czasach zdecydowana większość pojazdów zasilana jest układami wtryskowymi. Takie rozwiązanie do odpowiedniego dobrania dawki paliwa jaka może ulec spaleniu w danej chwili wymaga zastosowania urządzenia, które dokona pomiaru ilości zasysanego powietrza przez silnik. Rolę tą spełniają przepływomierze, które stanowią część układu dolotowego prawie każdego z pojazdu samochodowego produkowanego w dzisiejszych czasach. Natomiast sama geneza pomiaru sprawia, że urządzenia te ulegają awarii i w następstwie pomiar ich obarczony jest błędem. Czujniki masowego natężenia przepływu działają przeważnie na zasadzie termoanemometru. Ich zasada działania polega na pomiarze natężenia prądu potrzebnego do utrzymywania stałej temperatury elementu grzanego elektrycznie, omywanego przez strugę przepływającego czynnika lub na pomiarze różnicy temperatur rezystorów, umieszczonych w strudze powietrza, a podgrzewanych oddzielnym grzejnikiem. Mamy do czynienia również z przepływomierzami klapowymi, w których przepływające powietrze wychyla klapę połączoną ramieniem z potencjometrem. Powoduje to zmianę rezystancji czujnika, a przez to zmianę napięcia wyjściowego, proporcjonalnego do wydatku objętościowego powietrza przepływającego przez ten czujnik. Rys. 1. Przepływomierz powietrza Bosch [4] Mimo umiejscowienia przepływomierza za filtrem powietrza co skutkuje tym, że przepływa przez niego odfiltrowane powietrze jest on narażony na zanieczyszczenia. Uszkodzenia tego urządzenia mogą być również spowodowane pulsacjami układu oraz ewentualnymi zapłonami mieszanki w kolektorze dolotowym ( strzały do kolektora dolotowego. Niesprawny przepływomierz owocuje spadkiem dynamiki auta, nierównomierną pracą silnika, a nawet zwiększonym zużyciem paliwa. Te wszystkie czynniki wpływają na pogorszenie komfortu podróżowania, nasze bezpieczeństwo jak i grubość portfela Rodzaje przepływomierzy Przepływomierze ze względu na zasadę działania możemy podzielić na: klapowe, termoanemometry, o drutowe, o warstwowe. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 3

65 Temat: Budowa i działanie przepływomierzy powietrza Przepływomierz klapowy W układzie zasilania L- Jetronic ilość zasysanego powietrza przez silnik jest odczytywana przy pomocy przepływomierza klapowego. Umiejscowiony jest on pomiędzy przepustnicą i filtrem powietrza, dzięki czemu pulsacja przepływającego przez nie medium jest zdecydowanie mniejsza. Rys. 2. Przepływomierz klapowy [1] 1 - przesłona kompensacyjna, 2 objętość tłumiąca, 3 przewód obejściowy, 4 przesłona spiętrzająca, 5 wkręt regulacyjny mieszanki biegu jałowego Powietrze zasysane przez silnik odchyla przesłonę spiętrzającą przepływomierza (4), pokonując w ten sposób siłę sprężyny. Przesłona jest sprzężona z ślizgowym zestykiem potencjometru zmieniając jego rezystancję. Wzrost rezystancji powoduję spadek napięcia, dzięki temu urządzenie sterujące odczytuje aktualne położenie przesłony spiętrzającej, a tym samym ilość zasysanego powietrza aktualnie przez silnik. Objętość tłumiąca została stworzona w celu eliminacji dużych wahań przesłony spiętrzającej, które były powodowane strugą zasysanego powietrza jak i gwałtownymi zmianami obciążenia silnika. Wkręt regulacyjny (5) służy do regulacji ilości powietrza, która jest przepuszczana poza przesłoną spiętrzającą przepływomierza i nie podlega pomiarowi. Nazywany jest on wkrętem regulacyjny składu mieszanki biegu jałowego i właśnie podczas pracy w tym stanie zmienia się ilość tlenku węgla (CO) w spalinach. W autach, w których zastosowano sterowanie sondą lambdą te rozwiązanie regulacyjne zostało wycofane. Precyzyjne określenie wtryskiwanej ilości paliwa wymaga uwzględnienia nie tylko ilości zasysanego powietrza, a także jego temperatury. Skorygowania według tego kryterium dokonuje urządzenie sterujące silnika posiadające odpowiednie mapy wewnątrz jednostki. Pomiar temperatury zasysanego powietrza jest dokonywany przez rezystor NTC (rzadziej PTC), najczęściej zintegrowany bezpośrednio z przepływomierzem powietrza. W starszych rozwiązaniach elektryczna pompa paliwa była włączana zestykiem umieszczonym w przepływomierzu powietrza. Przy wyłączonym silniku zestyk jest otwarty. Podczas pracy nawet na jałowym biegu przepływające powietrze wychyla przesłonę spiętrzającą i powoduje zamknięcie zestyku. W nowszych rozwiązaniach funkcję uruchomienia pompy paliwa przejmuję urządzenie sterujące silnika wykorzystując czujnik prędkości obrotowej. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 4

66 Temat: Budowa i działanie przepływomierzy powietrza Rys. 3. Zależność wartości napięcia od stopnia otwarcia przesłony spiętrzającej [1] Termoanemometr drutowy Istotą pomiaru zasysanego powietrza w tej metodzie jest to, że medium opływa gorący platynowy drut oporowy o średnicy 0,07 mm, który jest rozgrzewany elektrycznie do temperatury odpowiednio do ilości zasysanego powietrza tak, aby zachować zależność, że temperatura jego była wyższa od temperatury zasysanego powietrza zawsze o stałą wartość. Zazwyczaj o º. Zachowanie tej stałej różnicy temperatur przy stale rosnącej ilości zasysanego powietrza jest możliwe dzięki wzmocnieniu prądu elektrycznego podgrzewającego drut. Miarą ilości zasysanego powietrza i obciążenia silnika jest zatem wartość natężenia prądu płynącego drutem. Rys. 4. Przepływomierz powietrza z termoanemometrem drutowym [1] 1 płytka przyłączy elektrycznych, 2 obwód hybrydowy, układ kompensacji temperatury oraz eliminacji zakłóceń, 3 rura wewnętrzna, 4 rezystor precyzyjny, 5 element z gorącym drutem, 6 rezystor kompensacyjny temperatury, 7 siatka ochronna, 8 obudowa Rys. 5. Charakterystyka przepływomierza powietrza z termoanemometrem drutowym [1] Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 5

67 Temat: Budowa i działanie przepływomierzy powietrza Termoanemometr z gorącym drutem w porównaniu do przepływomierza klapowego posiada znikomy opór aerodynamiczny dla przepływającego powietrza, dzięki czemu możemy uzyskiwać satysfakcjonujące napełnienia cylindrów co sprzyja wzrostowi parametrów użytkowych silnika Termoanemometr warstwowy Istota pomiaru jest bardzo podobna jak w przypadku termoanemometru drutowego. Element pomiarowy (5) posiada taką zależność, że jego temperatura jest zawsze wyższa o 180ºC od temperatury zasysanego powietrza. Te rozwiązanie nie wymaga wypalania osadów na zakończenie pracy urządzenia. Ten typ przepływomierza jest odporny na różnego rodzaju pulsacje układu oraz pola elektromagnetyczne. Rys. 6. Przepływomierz powietrza z termoanemometrem warstwowym [1] 1 siatka ochronna, 2 element mocujący z wtykiem, 3 otwór technologiczny do regulacji laserowej, 4 obudowa, 5 termoanemometr warstwowy, 6 gardziel pomiarowa, 7 siatka gardzieli stabilizacji przepływu, 8 wlot powietrza Dzięki połączeniu mostkowemu utrzymywana jest stała różnica temperatur. Wraz z rosnącą ilością zasysanego powietrza element grzewczy jest ochładzany i spada jego temperatura wraz z jego rezystancją wewnętrzną, prowadzi to do zwiększenia natężenia prądu płynącego w układzie i nagrzania elementu pomiarowego do zadanej temperatury spełniającej zależność stałej różnicy temperatur. Tak samo jak w przypadku termoanemometru drutowego miarą obciążenia silnika w przypadku termoanemometru warstwowego jest wartość natężenia prądu, które zależy od masy zasysanego powietrza. Rys. 7. Charakterystyka napięciowa przepływomierza warstwowego HFM rozpoznającego kierunek przepływu [1] Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 6

68 Temat: Budowa i działanie przepływomierzy powietrza 3. BUDOWA STANOWISKA POMIAROWEGO Projektowane stanowisko umożliwia pomiar właściwego działania przepływomierzy oraz pozwala ukazać studentom zasadę działania tych urządzeń wraz ze sporządzeniem ich charakterystyk zależnych od masowego natężenia przepływu czynnika. Do tego celu zastosowano silnik prądu przemiennego odkurzacza wraz z turbiną, który będzie wymuszał ruch powietrza. Regulacja jego będzie realizowana poprzez sterownik prędkości obrotowej do jednofazowych komutatorowych silników elektrycznych. Dzięki temu otrzymamy płynny dobór masowych natężeń przepływu odwzorowujących pracę silnika samochodowego z określonymi prędkościami obrotowymi, w którego układzie dolotowym znajduje się przepływomierz. W stanowisku znajdują się wiązki elektryczne z pojedynczymi pinami, co umożliwia po zdekodowaniu wyprowadzeń we wtyczce zbadanie każdego rodzaju masowego czujnika natężenia przepływu. Przepływomierze użyte w stanowisku pochodzą z samochodu BMW 520i oraz z Hyundai a Coupe. Rys. 8. Widok płyty wierzchniej stanowiska do badania przepływomierzy samochodowych Rys. 9.. Widok podłączonych przepływomierzy gotowych do badania 4. WYMAGANIA DO ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO Do wykonania ćwiczenia laboratoryjnego niezbędny jest anemometr turbinowy, który pozwoli określić rzeczywistą prędkość powietrza w przewodzie rurowym. Zanim dokonamy uruchomienia stanowiska należy się upewnić czy badane przepływomierze zostały prawidłowo podłączone do Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 7

69 Temat: Budowa i działanie przepływomierzy powietrza przyłącz elektrycznych, nie zastosowanie się do tego warunku grozi uszkodzeniem układu elektronicznego. 5. ZASADY BHP Wykonanie pomiarów wiąże się z niebezpieczeństwem powstania wypadków. W celu zminimalizowania możliwości powstania wypadku studenci i pracownicy są zobowiązani do przestrzegania ogólnych zasad BHP oraz do przestrzegania przepisów porządkowych i organizacyjnych obowiązujących w laboratorium pojazdów, które na pierwszych zajęciach były podawane do wiadomości. Ponadto osoby biorące udział w ćwiczeniu obowiązane są: dbać o należyty stan maszyn, urządzeń, narzędzi i sprzętu oraz o porządek i ład na stanowisku badawczym i w jego obrębie, niezwłocznie zawiadomić przełożonego o zauważonym w laboratorium wypadku albo zagrożeniu życia lub zdrowia ludzkiego. Strzec inne osoby znajdujące się w laboratorium o grożącym niebezpieczeństwie. 6. PRZEBIEG ĆWICZENIA Podczas ćwiczenia laboratoryjnego należy sporządzić rzeczywiste charakterystyki przepływomierzy oraz dokonać ich porównania z danymi producenta. W tym celu należy zanotować napięcie wyjściowe U[V], masowe natężenie przepływu Q[kg/h] odczytane z wyświetlacza ciekłokrystalicznego wraz z odpowiadającym im prędkościom powietrza V[m/s] panującym w przewodzie rurowym zmierzonym przy pomocy anemometru turbinowego. W sprawozdaniu powinno znajdować się: strona tytułowa, protokół pomiarowy, rzeczywiste charakterystyki przepływomierzy, wnioski. 7. LITERATURA 1. Andrzej Gajek, Zdzisław Juda Czujniki - Mechatronika samochodowa Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa Charles White Wtrysk benzyny Auto poradnik Wydawnictwa Auto, Warszawa Herner Anton, Riehl Hans J. Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa. 4. Internet: - Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 8

70 WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Budowa i działanie sondy lambda Numer ćwiczenia: SAP - 8 Laboratorium z przedmiotu: SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH Kod: Białystok 2013

71 Temat: Budowa i działanie sondy lambda SPIS TREŚCI 1. CEL I ZAKRES WIADOMOŚCI OGÓLNE Czujnik tlenu cyrkonowy Czujnik tlenu tytanowy Czujnik stężenia tlenków azotu Oznaczenia przewodów stosowanych w czujnikach tlenu BUDOWA STANOWISKA ZASADY BHP PRZEBIEG ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW LITERATURA PROTOKÓŁ POMIAROWY Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 2

72 Temat: Budowa i działanie sondy lambda 1. CEL I ZAKRES Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest poznanie zasady działania oraz określenie poprawności działania czujników tlenu w danym pojeździe samochodowym. Zakres ćwiczenia obejmuje: - wykonanie pomiarów sygnałów pochodzących z czujników tlenu z wykorzystaniem testera CZ1, - wykonanie pomiarów z wykorzystaniem testera CZ1 oraz podłączonego do niego komputera przenośnego, - wykonanie kilku prób pomiarów dla silnika o różnej temperaturze, - porównanie i analiza otrzymanych wyników. 2. WIADOMOŚCI OGÓLNE 2.1 Budowa i zadania działania czujników tlenu Nazwa sonda lambda pochodzi od greckiej litery λ, która w technice jest używana do określenia stosunku rzeczywistej masy zassanego powietrza do masy powietrza teoretycznie potrzebnego do całkowitego spalenia mieszanki, zwanego współczynnikiem nadmiaru powietrza. Do realizacji tego w pojazdach stosuje się zwarte urządzenia opierające się na wynalazku profesora Nernsta zwane czujnikami tlenu. Sygnały z tych czujników przesyłane są do jednostki sterującej paliwem dla korekty składu mieszanki paliwowo powietrznej. Rys.1. Widok ogólny czujnika tlenu firmy Bosch Układy sterowania zamkniętego posiadają czujniki tlenu, których zadaniem jest pomiar zawartości tlenu w spalinach (gazach wylotowych), przez porównanie z zawartością tlenu w powietrzu. Czujniki tlenu nazywane są często sondami lambda, mierzą bowiem zawartość tlenu w spalinach i powietrzu, dokonują one pośrednio pomiaru parametru λ, który jest jednoznacznie związany ze składem mieszanki. Parametr λ, zwany współczynnikiem składu mieszanki, jest definiowany następująco: Le λ = (1) L gdzie: Le ilość powietrza doprowadzona do silnika w celu spalenia danej masy benzyny, Lt teoretyczna ilość powietrza potrzebna do spalenia danej masy benzyny. t Niska zawartość tlenu świadczy o tym, że mieszanka jest bogata. Wysoki poziom tlenu w spalinach informuje o tym, że mieszanka jest uboga. Gdy silnik pracuje w układzie zamkniętym, sygnał z sondy lambda powoduje, że urządzenie sterujące zmienia czas otwarcia wtryskiwacza tak, by skład mieszanki był bliski stechiometrycznemu. Przez regulowanie czasu otwarcia wtryskiwacza, można we wszystkich warunkach pracy silnika, utrzymać proporcje powietrza do paliwa, dla których współczynnik lambda ma wartość bliską jedności (λ = 0,97 1,03), a spalanie przebiega idealnie. Tak więc katalizator ma mniej pracy do wykonania, a jego trwałość będzie tym większa, im mniej spalin wydziela silnik. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 3

73 Temat: Budowa i działanie sondy lambda Rys.2. Zależność składu spalin do składu mieszanki paliwowo powietrznej. Końcówka pomiarowa sondy jest umiejscowiona w kolektorze wydechowym pojazdu, miedzy silnikiem a katalizatorem. Ilość tlenu pozostała po spaleniu mieszanki paliwowo powietrznej jest doskonałym wskaźnikiem braku lub nadmiaru powietrza w procesie spalania (bogata lub uboga mieszanka). Sonda lambda przesyła do urządzenia sterującego sygnał do ewentualnej zmiany, która następuje w ciągu 50 ms czasu trwania wtrysku paliwa. Jeżeli λ>1 występuje spalanie mieszanki ubogiej czyli na 1 kg spalanego paliwa przypada więcej niż 14,7 kg spalanego powietrza. Jeżeli natomiast λ<1 to występuje spalanie mieszanki bogatej, czyli na 1 kg paliwa przypada mniej niż 14,7 kg powietrza. Dla silnika sterowanego elektronicznie skład mieszanki paliwowo powietrznej odpowiada w przybliżeniu współczynnikowi lambda i bez względu na obciążenie i prędkość proces spalania mieszanki przebiega w prawie idealnych warunkach. Rys.3. Schemat blokowy regulacji lambda. Prawidłowe działanie sondy lambda możliwe jest dopiero po osiągnięciu przez nią temperatury powyżej 300ºC. W celu szybszego osiągnięcia przez sondę odpowiedniej temperatury umożliwiającej jej pracę, zarazem wydłużającym jej żywotność dziś buduje się sondy z elementem grzejnym. Górną granicą pracy sondy jest temperatura około 800 C. Napięcie generowane przez ogniwo jest przekazywane do modułu sterującego składem mieszanki paliwowo - powietrznej w silniku. Moduł ten dostosowuje na bieżąco skład mieszanki tak, aby w określonych warunkach obciążenia silnika, rodzaju paliwa i warunków atmosferycznych zapewnić jak najdoskonalszą pracę silnika i zmniejszyć do minimum emisję tlenku węgla. 2.2 Czujnik tlenu cyrkonowy Cyrkonowy czujnik tlenu ma element półprzewodnikowy wykonany z dwutlenku cyrkonu (ZrO2). Element ten jest po stronie wewnętrznej i zewnętrznej pokryty cienką warstwą platyny (rys.4). Jeżeli Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 4

74 Temat: Budowa i działanie sondy lambda koncentracja tlenu na wewnętrznej powierzchni elementu wykonanego z dwutlenku cyrkonu różni się zasadniczo od koncentracji tlenu na jego zewnętrznej powierzchni, a temperatura spalin jest wyższa niż 300 C, to element cyrkonowy wytwarza sygnał napięciowy. Sygnał ten jest przekazywany do EJS silnika informując w ten sposób o koncentracji tlenu w salinach. Jeżeli mieszanka paliwowo powietrzna jest uboga, to spaliny zawierają dużo tlenu. W tym przypadku jest niewielka różnica między koncentracją tlenu wewnątrz i na zewnątrz elementu czujnika. Dlatego napięcie wytwarzane przez element cyrkonowy jest bliskie zeru. Jeżeli natomiast mieszanka paliwowo powietrzna jest bogata, to w spalinach prawie nie ma tlenu. Ten stan powoduje dużą różnicę w koncentracji wewnątrz i na zewnątrz czujnika. Wówczas napięcie wytwarzane przez element cyrkonowy ma wartość około 1 V. Platyna, której cienka warstwa pokrywa element półprzewodnikowy, działa jako katalizator powodując reakcję między tlenem i tlenkiem węgla CO obecnym w spalinach Rys.4. Schemat budowy czujnika cyrkonowego przewód sygnałowy, 2 przewód masy, 3 uszczelka, 4 sześciokątny element mocujący, 5 - ceramiczny element mocujący, 6 - pierścień uszczelniający, 7 - ceramiczny element grzejny, 8 element cyrkonowy, 9 - rurka ochronna. Sygnał napięciowy czujnika tlenu przesyłany jest do EJS silnika powodując zwiększenie lub zmniejszenie dawki wtryskiwanego paliwa utrzymując skład mieszanki paliwowo powietrznej na stałym poziomie w pobliżu składu teoretycznego. Niektóre czujniki cyrkonowe posiadają ogrzewacz zwiększający temperaturę elementu cyrkonowego (półprzewodnikowego). Temperatura jest regulowana przez centralne urządzenie sterujące EJS silnika. Gdy ilość powietrza dostarczonego do silnika jest niewielka (niska temperatura spalin), prąd płynący przez rezystory ogrzewacza powoduje nagrzewanie czujnika tlenu. Na rysunku 18 przedstawiono zależność napięcia Uc wytworzonego przez element cyrkonowy od składu mieszanki paliwowo powietrznej. Rys.5. Napięcie sondy Uc w zależności od składu mieszanki paliwowo powietrznej. 2.3 Czujnik tlenu tytanowy Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 5

75 Temat: Budowa i działanie sondy lambda Tytanowy czujnik tlenu (rys.6) ma element półprzewodnikowy 2 wykonany z dwutlenku tytanu i jest umieszczony w metalowej osłonie 1. Korpus sondy 8, jego platynowe elektrody 5 i element grzewczy umieszczone są na ceramicznej płytce 6 podłożowej za pomocą specjalnej technologii grubowarstwowej. Zwykle posiadają mniejsze gabaryty niż sondy cyrkonowe. Tego typu sondy posiadają krótszy czas rozruchu niż sondy cyrkonowe. Sondy tytanowe w odróżnieniu od sond cyrkonowych, które wytwarzają napięcie, zmieniają swą oporność w funkcji poziomu zawartości tlenu w spalinach. Kiedy układ spalania pracuje na optymalnym poziomie, napięcie odniesienia, wynoszące zazwyczaj 5V, podawane jest z centralki ECU do sondy lambda. Napięcie to przechodzi poprzez oporność tytanową i centralka ECU monitoruje napięcie sygnału powrotnego. Sonda tytanowa nie bazuje podczas pomiaru na odniesieniu do powietrza atmosferycznego, dlatego zanieczyszczenie powietrza nie ma wpływu na jej pracę. Oporność sondy tytanowej zmienia się zależności od składu spalin. Kiedy w spalinach jest nadmiar tlenu (mieszanka uboga), oporność jest wysoka i wynosi około Ω. Kiedy zaś poziom zawartości tlenu w spalinach jest niski (mieszanka bogata), oporność sondy jest niska i wynosi około 1000 Ω [ Sonda tytanowa działa sprawnie w zakresie temperatur wynoszącym od 700 do 800 C. Wszystkie sondy tytanowe są podgrzewane Rys.6. Schemat budowy czujnika tytanowego. 1 rurka ochronna, 2 element tytanowy, 3 pierścień uszczelniający, 4 sześciokątny element mocujący, 5 substancja łącząca elementy, 6 pojemnik ceramiczny, 7 szklana uszczelka, 8 metalowa obudowa, 9 uszczelka, 10 kabel sygnałowy. 2.4 Czujnik stężenia tlenków azotu Czujniki stężenia tlenków azotu nazywane są również dwukomorowymi czujnikami tlenu. Stosuje się je głównie w układach oczyszczania spalin z reaktorami adsorpcyjnymi, służącymi do redukcji tlenków azotu w spalinach silników spalających mieszanki ubogie. Zastosowanie czujnika tlenków azotu umożliwia śledzenie stopnia wykorzystania pojemności absorpcyjnej takiego reaktora i przy pełnym jej wykorzystaniu jest uruchamiana procedura regeneracji reaktora. Wzrost stężenia tlenków azotu w spalinach opuszczających reaktor jest sygnałem, który informuje o wyczerpaniu pojemności absorpcyjnej reaktora. Realizowana w tej sytuacji procedura regeneracji polega na chwilowym wzbogaceniu mieszanki, co prowadzi do zwiększenia stężenia zawartych w spalinach węglowodorów, tlenku węgla i wodoru. Obecność tych związków sprawia, że możliwa jest konwersja zgromadzonych w reaktorze tlenków azotu. Produktami zachodzących reakcji są: azot cząstkowy, dwutlenek węgla i woda, są to substancje nietoksyczne. Działanie systemu oczyszczania spalin wymaga zastosowania przynajmniej dwóch czujników składu spalin. Przed reaktorem umieszczony jest czujnik tlenu włączony w obwód regulacji składu mieszanki - sterowania pracą silnika, czujnik umieszczony zaś za reaktorem umożliwia wykorzystywany w celach diagnostycznych pomiar stężenia tlenu oraz pomiar stężenia tlenków azotu. Czujnik zamontowany za reaktorem to w tym przypadku tak zwany czujnik dwukomorowy, którego budowę przedstawiono schematycznie na rysunku Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 6

76 Temat: Budowa i działanie sondy lambda Rys.7. Schemat budowy i zasady działania dwukomorowego czujnika stężenia tlenków azotu w spalinach. 1- przysłona, 2- druga przysłona, 3- elektrolit stały, 4- elektrody i obwód elektryczny odfiltrowania tlenu, 5- obwód pomiaru natężenia prądu dysocjacji. Opuszczające reaktor spaliny, zawierające między innymi cząsteczki tlenu i tlenków azotu docierają do czujnika dwukomorowego i przenikają przez przysłonę 1 do pierwszej komory pomiarowej. Funkcja tej komory polega na oczyszczeniu spalin z tlenu, gdyż obecność tlenu zakłóca pomiar stężenia tlenków azotu. Napięcie przyłożone na elektrodach pierwszej komory powoduje jonizacje tlenu, powstałe jony są usuwane na zewnątrz, przez stanowiące elektrolit stały, zbudowane z dwutlenku cyrkonu ścianki komory. Niezawierające tlenu spaliny przedostają się następnie z komory pierwszej przez przysłonę 2 do drugiej komory. W drugiej komorze dochodzi do rozpadu cząsteczek tlenków azotu na cząsteczki tlenu i azotu. Procesowi dysocjacji rozpadu cząsteczki towarzyszy przepływ prądu elektrycznego, jego natężenie jest miarą stężenia tlenków azotu. Czynnik działający według opisanego schematu pozwala na pomiar stężenie tlenków azotu w spalinach z dokładnością równą około 100 ppm. 2.5 Oznaczenia przewodów stosowanych w czujnikach tlenu W zależności od rodzaju czujnika tlenu posiada on od jednego (najprostsze czujniki cyrkonowe), poprzez cyrkonowe czujniki z elementem grzejnym dwu lub trzy przewodowe, pięcioprzewodowe tytanowe czujniki tlenu do sześciu przewodów (czujki tlenków azotu oraz tytanowe z dwoma obwodami pomiarowymi). Do przeprowadzenia prawidłowego badania czujnika tlenu konieczna jest znajomość jego rodzaju poprzez ilość posiadanych przewodów jak również określenie przewodów sygnałowych, które opisane są odpowiednimi kolorami w zależności od producenta czujnika, co obrazuje tabela 1. Obecnie największymi producentami czujników tlenu zarówno do pierwszego montażu w silniku jak również zamienników są Bosch GmbH, NGK/NTK, Delphi oraz Magneti Mirelli. Tab.1. Oznaczenia przewodów w złączach czujników tlenu. Typ czujnika Liczba przewodów Kolor przewodu Połączenie 1 Czarny Sygnał Czujnik Czarny Sygnał nieogrzewany 2 Szary Masa 3 Czarny Sygnał 2 x Białły Ogrzewanie Czujnik ogrzewany Czarny Sygnał 4 2 x Biały Szary Ogrzewanie Masa Czujnik Czerwony Ogrzewanie plus rezystancyjny na Biały Ogrzewanie minus Typ I, 4 bazie dwutlenku Czarny Sygnał minus tytanu NGK Żółty Sygnał plus Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 7

77 Temat: Budowa i działanie sondy lambda Czujnik szerokopasmowy Bosch 5 6 Czerwony 2 x Biały Czarny Żółty Czarny Zielony Szary Biały Żółty Czerwony Sygnał prądowy Ogrzewanie minus Sygnał minus Sygnał plus Napięcie referencyjne minus Sygnał minus Ogrzewanie plus Ogrzewanie minus Napięcie referencyjne plus Sygnał plus Większość producentów ujednolica kolorystykę oraz ilość przewodów czujników tlenu, co pozwala na prawidłowe ich rozróżnienie oraz gwarantuje w miarę poprawny dobór (w przypadku braku właściwego według producenta zamiennika), co przedstawia tabela 2: Tab.2. Oznaczenia sond lambda dla określonych typów pojazdów. Typ sondy Rysunek Oznaczenie wyprowadzeń Rysunek Cyrkonowa 1- przewodowa kolory standard Bosch Czarny- sygnał 0,1-0,9V Cyrkonowa 2- przewodowa kolory standard Bosch Cyrkonowa 3- przewodowa kolory standard Bosch Cyrkonowa 4- przewodowa kolory standard Bosch Cyrkonowa 4- przewodowa kolory standard Toyota Cyrkonowa 4- przewodowa kolory standard Honda Cyrkonowa 4- przewodowa kolory standard Delco Tytanowa 3- przewodowa -12mm Czarny- sygnał 0,1-0,9V Biały (Szary)- masa Czarny- sygnał 0,1-0,9V Biały- grzałka Biały- grzałka Czarny- sygnał 0,1-0,9V Szary- masa Biały- grzałka Biały- grzałka Niebieski- sygnał 0,1-0,9V Biały- masa Czarny- grzałka Czarny- grzałka Biały- sygnał 0,1-0,9V Zielony- masa Czarny- grzałka Czarny- grzałka Fiolet- sygnał 0,1-0,9V Beżowy- masa Brąz- grzałka Brąz- grzałka Czarny- sygnał wyjście Czerwony- (+) grzałka; sygnał wejście Biały- (-) grzałka Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 8

78 Tytanowa 3- przewodowa -18mm Tytanowa 4- przewodowa -18mm Cyrkonowo-irydowa 6-przewodowa SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH Temat: Budowa i działanie sondy lambda Czarny- sygnał wyjście (0-1V;0-5V) Czerwony- (+) grzałka; sygnał wejście Biały- (-) grzałka Czarny- sygnał wyjście (0-5V) Czerwony- (+) grzałka Biały- (-) grzałka Żółty- sygnał wejście Żółty- (-) grzałka, Niebieski- (+) grzałka, Biały- sygnał prądowy?- oporność kompensacji, Szary- Napięcie celi Vs, Czarny- napięcie odniesienia 1-przewodowe cyrkonowe (mocowane: kołnierz, rozstaw otworów w kołnierzu, gwint, wielkość główki sondy (Bosch, NTK vs. Delco), 2-przewodowe cyrkonowe (mocowane: kołnierz, rozstaw otworów w kołnierzu, gwint (uwaga wielkość główki Bosch, NTK vs. Delco), 3-przewodowe cyrkonowe(mocowane: kołnierz, rozstaw otworów w kołnierzu, gwint (uwaga wielkość główki Bosch, NTK vs. Delco), tytanowe (gwint 12 lub 18)), 4-przewodowe cyrkonowe (mocowane: kołnierz, rozstaw otworów w kołnierzu, gwint (uwaga wielkość główki Bosch, NTK vs. Delco, umocowanie masy, zakres pracy- normalna, OBD (napięcie odniesienia 0,7-4,5V), oporność grzałki, uboga mieszanka (4typy- np. Denso- Toyota CarinaE), tytanowe (napięcie pracy1v,5v)), 5-przewodowe- brak informacji, 6-przewodowe- brak informacji, [ Rys.7. Szczegółowe oznaczenia zamiennika sondy lambda renault Traffic V. Producenci czujników tlenu proponują również zamienniki dla danego typu silnika o innych oznaczeniach przewodów niż zamontowane oryginalnie w danym pojeździe. Podawane są również rodzaje wtyków połączeniowych oraz oznaczenia pinów w złączu. Przykładowo dla samochodu renault Traffic V o oznaczeniu silnika DB4, rysunek 24 przedstawia oznaczenie gwintu montażowego, opis pinów oraz rodzaj wtyczki połączeniowej. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 9

79 Temat: Budowa i działanie sondy lambda 3. BUDOWA STANOWISKA Przyrząd do badania sprawności czujników tlenu CZ1 pojazdu składa się z czterech głównych elementów. Zamkniętej w zwięzłej obudowie testera-mikrokontrolera, która umożliwia odczyt sygnałów pochodzących z badanych czujników, wyświetlanie na wyświetlaczu wartości napięć i szybkość zmian sygnałów z zbadanego czujnika oraz rejestrację sygnałów wejściowych. Posiada również linijkę kolorowych diód LED, która służy do poglądowego wskazania pracy badanego czujnika. Z obudowy wyprowadzone są: - dwa przyciski umożliwiające obsługę funkcji mikrokontrolera i wyświetlacza, - złącze DB9 umożliwiające podłączenie czujnika tlenu do badania INPUT, - gniazdo umożliwiające podłączenie zasilania prądu stałego 12 V, - złącze RS232 umożliwiające podłączenie do komputera OUTPUT Rys.8. Widok ogólny testera do badania czujników tlenu CZ1. 1- obudowa, 2- wyświetlacz, 3- linijka diód, 4- dioda sygnalizacji zasilania, 5- przyciski funkcyjne, Tester CZ1 posiada również uniwersalny przewód zakończony zaciskami szczypcowymi, służący do podłączania urządzenia do akumulatora. Zawiera również układ przejściowy, pozwalający na podłączenie urządzenia do istniejącej instalacji elektrycznej badanego pojazdu. Wyposażony jest również w uniwersalny kabel komunikacyjny RS232, umożliwiający bezpośrednie podłączenie testera do komputera. 4. ZASADY BHP Wykonanie pomiarów i przeprowadzanie badań związane jest z niebezpieczeństwem powstania wypadków. W celu zminimalizowania możliwości powstania wypadku studenci i pracownicy są zobowiązani są do przestrzegania ogólnych zasad BHP oraz do przestrzegania przepisów porządkowych i organizacyjnych obowiązujących w laboratorium pojazdów. Podczas wykonywanie badania z wykorzystaniem pojazdu należy przestrzegać następujących zasad: Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 10

80 Temat: Budowa i działanie sondy lambda - studenci mogą prowadzić pojazd tylko za zgodą i pod bacznym nadzorem prowadzącego zajęcia, - studenci przygotowują stanowisko do badań i zgłaszają prowadzącemu gotowość do przeprowadzenia badań. Przystąpienie do prób możliwe jest tylko po ówczesnym sprawdzeniu przez prowadzącego prawidłowości przygotowania stanowiska, - studenci przeprowadzają wszystkie czynności samodzielnie. Uruchamiać i wyłączać pojazd studenci mogą tylko po wyraźnym poleceniu prowadzącego, - podłączenia urządzenia należy do dokonywać na unieruchomionym silniku, co zapobiega ewentualnym wygenerowaniu napięć sygnałów elektrycznych. - przed przeprowadzeniem badania należy skontrolować wzrokowo jakość przewodów testera oraz instalacji elektrycznej pojazdu, w przypadku uszkodzenia jakichkolwiek przewodów nie należy rozpoczynać badania do chwili ich naprawy. 5. PRZEBIEG ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO 1. W badanym aucie z wyłączonym zapłonem na kolektorze wylotowym odnaleźć złącze końcówki czujnika tlenu W samochodzie renault Traffic 2,0 znajduje się ono w środkowej części tylnej ściany komory silnika); 2. Określić na podstawie ilości przewodów elektrycznych oraz ich kolorów typ oraz rodzaj czujnika tlenu (za pomocą dostępnych tabeli); 3. Rozłączyć wtyk testowanego czujnika tlenu od gniazda układu elektrycznego pojazdu i podłączyć go do przejściówki podłączonej do układu testera CZ1. W gniazdo instalacji elektrycznej pojazdu umieścić wtyk przejściowy z urządzenia pomiarowego. 4. Połączyć kabel przejściowy do gniazda testera CZ1 oznaczonego symbolem IMPUT; 5. Podłączyć wtyk uniwersalny przewód do gniazda prądowego testera CZ1, drugi koniec wyposażony w zaciski szczypcowe zacisnąć na klemach akumulatora pojazdu; czerwony z oznaczeniem + do bieguna dodatniego, czarny z oznaczeniem - do bieguna ujemnego; 6. Zweryfikować, czy wyświetlana jest wartość napięcia 0 oraz czy nie świeci jakakolwiek z diód. W przypadku innych wskazań odczekać do momentu spadku napięcia do 0. Wciskać przycisk funkcyjny 1, znajdujący się na bocznej ścianie testera do momentu wyboru odpowiedniego rodzaju badanego czujnika tlenu. Po wciśnięciu przycisku 1 na wyświetlaczu pojawia się napis: Sonda waskopasm., w drugiej linii wyświetlane są wartości napięć pochodzących z badanego czujnika tlenu. Dzięki temu podprogramowi możliwe jest wykonywanie pomiaru pracy czujnika tlenu wąskopasmowego. Po kolejnym wciśnięciu przycisku 1 na wyświetlaczu pojawia się napis Sonda szer.pasm, w drugiej linii wyświetlanie są wartości napięć pochodzących z badanego szerokopasmowego czujnika tlenu. Dzięki temu podprogramowi możliwe jest wykonywanie pomiaru pracy czujnika tlenu szerokopasmowego. 7. Przekręcić stacyjkę i uruchomić auto. Odczekać do uzyskania temperatury ustalonej pracy silnika; 8. Odczytać na wyświetlaczu wartości wskazań przebiegów napięć pochodzących z badanego czujnika oraz prędkość zmian wskazań impulsów badanego czujnika. 9. Zaobserwować ilość zapalających się diód na linijce wskaźnikowej oraz płynność zmiany ilości świecących diód; 10. Przekręcić kluczyk stacyjki i wyłączyć silnik badanego pojazdu; 11. Odłączyć zaciski szczypcowe od zasilania akumulatora, odłączyć wtyk uniwersalnego przewodu od gniazda prądowego testera CZ1; 12. Odłączyć kabel przejściowy od gniazda testera CZ1 oznaczonego symbolem IMPUT; 13. Odczekać do ostygnięcia silnika do temperatury bezpiecznej przez poparzeniem; 14. Rozłączyć wtyk testowanego czujnika tlenu od przejściówki podłączonej do układu testera CZ1 i podłączyć ją do gniazda instalacji elektrycznej pojazdu. 15. Do komunikacji z komputerem wykorzystywany jest kabel STK300. Podłączyć kabel STK300 do portu Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 11

81 Temat: Budowa i działanie sondy lambda RS232 komputera, drugi koniec podłączyć do gniazda testera oznaczonego symbolem OUTPUT ; 16. Uruchomić program do rejestracji i graficznego przedstawienia wyników. Odczytać i zapisać uzyskane dane z testera czujników tlenu CZ Uzyskane wyniki umieścić w protokole pomiarowym. Rys.9. Charakterystyka przebiegu sygnałów dwustanowej sondy lambda U = f(λ). 6. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW Sprawozdanie powinno zawierać: - stronę tytułową, - protokół pomiarowy, - wykres przebiegu sygnałów dwustanowej sondy lambda U = f(λ), - wnioski końcowe, LITERATURA 1. Gajek A., Juda Z. (2008), Czujniki, Warszawa; 2. Herner A., Riehl H, (2009), Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych, Warszawa; 3. Kasedorf J. (2004), Układy wtryskowe benzyny, Warszawa; 4. Konopiński M. (1987), Elektronika w technice motoryzacyjnej, Warszawa; 5. Merkisz J., Mazurek S. (2002), Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych, Warszawa; 6. Ocioszyński J. (1999), Zespoły elektryczne i elektroniczne w samochodach, Warszawa; 7. Oswald W. (2007), Elektronische einstellungen im Mercedes-Benz persnonenwagen, Berlin; PROTOKÓŁ POMIAROWY Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 12

82 Białystok, dn WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe PROTOKÓŁ POMIAROWY Ćwiczenie nr: Budowa i działanie sondy lambda Badanie na zimnym pojeździe. L.p. Typ badania Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3 1 Wartość min. napięcia czujnika Uλ. 2 Wartość max. napięcia czujnika Uλ. 3 Częstotliwość zmian napięć t. 4 Płynność zmian wyświetlania diód. Badanie na zimnym pojeździe. L.p. Typ badania Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3 1 Wartość min. napięcia czujnika Uλ. 2 Wartość max. napięcia czujnika Uλ. 3 Częstotliwość zmian napięć t. 4 Płynność zmian wyświetlania diód.

83 WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Wyznaczanie charakterystyk statycznych automatycznego regulatora siły hamowania Numer ćwiczenia: SAP - 9 Laboratorium z przedmiotu: SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH Kod: Białystok 2013

84 Temat: Wyznaczanie charakterystyk statycznych automatycznego regulatora siły hamowania SPIS TREŚCI 1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA WPROWADZENIE METODYKA POMIARÓW Sprawdzenie wiedzy ogólnej Zapoznanie się z budową stanowiska Opis stanowiska laboratoryjnego do badań automatycznego regulatora siły hamowania Przebieg pomiarów Wyznaczanie charakterystyk statycznych automatycznego regulatora siły hamowania WYMAGANIA BHP SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA LITERATURA PROTOKÓŁ POMIAROWY Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 2

85 Temat: Wyznaczanie charakterystyk statycznych automatycznego regulatora siły hamowania 1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, zasadą działania, zastosowaniem oraz metodyką badań charakterystyk statycznych elementów układu pneumatycznego. Ćwiczenie obejmuje wykonanie pomiarów, wyznaczenie charakterystyk statycznych elementów stosowanych w pneumatycznych układach hamulcowych oraz ich identyfikację. 2. WPROWADZENIE Układy hamulcowe pojazdów były w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat systematycznie udoskonalane. Przez długie lata pojazdy były projektowane bez możliwości regulacji siły hamowania. Zapewniało to dobry rozkład sił tylko dla stanu pełnego załadowania. Powodowało to względnie szybkie blokowanie kół osi tylnej w stanie pustym. Powstawały także kompromisowe projekty rozkładu sił hamowania między pełnym i pustym pojazdem. Przy załadowanym pojeździe następowało wcześniejsze blokowanie kół osi przedniej, natomiast koła osi tylnej blokowały się dla stanu pustego. Ręczny regulator siły hamowania, stosowany w pojazdach do końca lat 60., zapewniał zróżnicowanie sił hamowania kół osi tylnej. Wada tego rozwiązania była konieczność regulowania zaworu przez kierowcę, który musiał ocenić stopień załadowania pojazdu. Znaczący postęp w rozwoju pneumatycznych układów hamulcowych stanowiło wprowadzenie automatycznych regulatorów siły hamowania. Siła hamowania osi tylnej zmieniana jest za pomocą regulatora w zależności od obciążenia, na podstawie oceny ugięcia zawieszenia lub ciśnienia w miechach (dla zawieszenia pneumatyczncgo). Za pomocą regulatora, zarówno dla stanu pustego jak i pełnego, osiada się wysokie wykorzystanie istniejącej przyczepności, a przez to duże opóźnienie pojazdu przy równoczesnym zmniejszeniu skłonności do blokowaniu kół w czasie hamowania. Automatyczny regulator siły hamowania nie jest jednak urządzeniem całkowicie zapobiegającym blokowaniu kół w czasie hamowania. Kolejnym istotnym elementem pneumatycznego układu hamulcowego jest zawór hamulcowy, stosowany między innymi w ciągnikach rolniczych. Zawór ten służy do uruchamiania hamulców pneumatycznych przyczepy. Sterowany jest za pomocą lewego pedału hamulca i dżwigni hamulca ręcznego. Pojęcia podstawowe : człon część składowa URA (układu regulacji automatycznej), wydzielona w sposób umowny w celu wyznaczenia zależności, które wywierają wpływ na zachowanie się układu. Ze względu na jednokierunkowy przebieg sygnałów w układach regulacji automatycznej, w każdym członie istnieje doprowadzenie sygnału wejściowego x, czyli tzw. wejście, i odprowadzenie sygnału wyjściowego y, czyli tzw. wyjście. Zależnie od liczby wejść i wyjść, czyli tzw. torów oddziaływania, rozróżnia się człony jednotorowe (rys.1 a) i wielotorowe (rys.1 b). Rys.1 Podstawowe człony Przy rozpatrywaniu członu bierze się ponadto pod uwagę: a) charakter operacji matematycznej, w wyniku której sygnał wejściowy zostaje przekształcony na sygnał wyjściowy; b) charakterystyki członów; c) funkcje spełniane przez człon w układzie regulacji automatycznej, charakterystyka (członu) zależność między sygnałem wyjściowym i wejściowym członu układu automatycznej regulacji wyznaczona w określonych warunkach. Rozróżnia się charakterystykę członów w stanach ustalonych i nieustalonych, zwane odpowiednio charakterystykami statystycznymi i dynamicznymi. A więc, pod pojęciem charakterystyki statycznej należy rozumieć zależność sygnału wyjściowego od sygnału wejściowego w warunkach równowagi układu (proces ustalony). Charakterystyką dynamiczną (czasową) nazywamy natomiast zmianę w czasie sygnału wyjściowego przy zadanej zmianie w czasie sygnału wejściowego. Poszczególnym punktom charakterystyki statycznej (rys. 2 a, b) odpowiadają wartości sygnału wejściowego x i wyjściowego y, wyznaczone w stanach ustalonych. Oznacza to, że po każdorazowej zmianie wartości Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 3

86 Temat: Wyznaczanie charakterystyk statycznych automatycznego regulatora siły hamowania x należy wstrzymać wyznaczenie (np. odczytanie) wartości y do chwili ustabilizowania się jej na nowym poziomie. Częściej spotykane człony o charakterystykach nieliniowych (np. wg rys.2 b) można wykorzystać do otrzymania dogodniejszych charakterystyk liniowych, np. przez wydzielenie krótkiego odcinka charakterystyki (rys 2. b, szczegół A) i zastosowanie wzmacniaczy, zapewniających dostatecznie duże różnice między skrajnymi wartościami sygnałów. Rys. 2 Podstawowe charakterystyki Charakterystyki dynamiczne służą analizie procesów przejściowych w układzie, na przykład, szybkości działania układu, rodzaju układu. Charakterystyki statyczne pozwalają ocenić procesy ustalone w układzie, na przykład, nachylenie charakterystyki, pętlę histerezy, początkową strefę nieczułości, krzywiznę. Statyczne i dynamiczne charakterystyki mogą być przedstawione w formie równań matematycznych, wykresów i tablic. Na rysunku 3 przedstawiono przykłady prostszych charakterystyk. Rys. 3 Wykres przykładowych prostszych charakterystyk: a), charakterystyka statyczna zaworu nadążnego prostego działania, b), charakterystyka statyczna zaworu nadążnego inwersyjnego działania, c), charakterystyka dynamiczna prostego obwodu. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 4

87 Temat: Wyznaczanie charakterystyk statycznych automatycznego regulatora siły hamowania Na przedstawionych charakterystykach (rys. 3) oznaczono: x - sygnał wejściowy, na przykład ciśnienie na wejściu zaworu hamulcowego lub przemieszczenie tłoczyska zaworu (patrz schemat stanowiska), y - sygnał wyjściowy- ciśnienie na wyjściu zaworu, t - czas. Rys. 4 Przykładowa charakterystyka zaworu przekaźnikowego Zawór jest nadążnym, jeśli zmiana sygnału na wyjściu y jest wprost proporcjonalna do zmiany sygnału na wejściu x. Taki zawór posiada ujemne sprzężenie zwrotne. Charakterystyka statyczna może być rosnącą zgodnie z rys. 3 a (zawór prostego działania), lub malejącą zgodnie z rys. 3 b (zawór odwrotnego działania). Zawory z dodatnim sprzężeniem zwrotnym mają chakterystykę przekaźnikową (rys. 4). Zauważmy, że automatyczne regulatory ciśnienia powietrza w zbiorniku samochodu (lub ciśnienia cieczy w hydroakumulatorze) mają charakterystykę przekaźnikową. Te regulatory posiadają dodatnie sprzężenie zwrotne. histereza zjawisko polegające na tym, że badany element ma niejednoznaczną charakterystykę statyczną. Istnieją obszary, w których każdej wartości sygnału wejściowego odpowiadają dwie wartości sygnału wyjściowego. Dla określenia sygnału wyjściowego, oprócz znajomości wartości sygnału wejściowego, potrzebna jest jeszcze znajomość znaku pochodnej, czyli kierunku zmian tego sygnału histereza pomiarowa różnica wskazań przyrządu pomiarowego dla tej samej wartości wielkości mierzonej przy osiągnięciu tej wielkości raz w kierunku wskazań wzrastających, drugi raz w kierunku wskazań malejących. zawór regulacyjny urządzenie służące do nastawiania odpowiedniego natężenia przepływu płynu w przewodach oraz wytwarzania oporu dla jego przepływu. Zmianę oporu przepływu uzyskuje się przez zmianę swobodnej powierzchni przepływu zaworu, co realizowane jest przez zmianę położenia grzybka (wrzeciona). Zawór regulacyjny z siłownikiem spełnia rolę urządzenia wykonawczego (nastawczego), Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych zaworów: zawór regulacyjny o grzybkach szklankowych (rys.5a), stożkowych (rys.5 b) i płaskich (rys.5c). Przez odpowiednie ukształtowanie grzybka stożkowego lub szklankowego można uzyskać charakterystykę otwarcia liniową lub stałoprocentową. Grzybek płaski pozwala na uzyskanie liniowej charakterystyki otwarcia. regulator urządzenie dołączane do obiektu w celu realizacji regulacji automatycznej jego wielkości wyjściowej (wielkości regulowanej). Stanowi on zasadniczy element sprzężenia zwrotnego występującego w układzie regulacji. Podstawowe zadanie regulatora polega zatem na kształtowaniu sygnałów sterujących w zależności od sygnałów uchybu. Wyniki doświadczalnych badań charakterystyk statycznych mają najczęściej postać wykresów (rzadziej tablic ze współrzędnymi punktów pomiarowych), które niekiedy mogą być wykorzystywane bezpośrednio do projektowania układów automatyki, ale w większości przypadków stanowią podstawę wyznaczenia Rys. 5 Zawór regulacyjny: a)o grzybkach szklankowych, b)o grzybkach stożkowych, c) o grzybkach płaskich odpowiedniego opisu matematycznego, który dopiero umożliwia zastosowanie metod analitycznych. Pomiary charakterystyk statycznych wymagają prostej aparatury pomiarowej. Minimalne potrzebne wyposażenie stanowią mierniki sygnałów wejściowych i wyjściowych, znaczne skrócenie czasu badań można uzy- Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 5

88 Temat: Wyznaczanie charakterystyk statycznych automatycznego regulatora siły hamowania skać dysponując odpowiednimi przetwornikami pomiarowymi i rejestratorem x-y. Pomiary powinny być przeprowadzone w całym mogącym wchodzić w grę zakresie zmian wielkości wejściowych i wyjściowych. co jednak jest możliwe zwykle tylko dla obiektów wyłączonych okresowo z normalnej eksploatacji (w warunkach ruchowych zmuszeni jesteśmy zwykle ograniczyć się do niewielkiego odcinka charakterystyki w pobliżu nominalnych warunków pracy). W przypadku obiektów o jednym wejściu x i jednym wyjściu y wynikiem pomiaru jest charakterystyka y = f(x) Gdy wielkości wejściowych jest więcej, otrzymujemy rodzinę charakterystyk statycznych y =f(x k), przy czym pozostałe wielkości wejściowe, odgrywają wówczas role parametrów. Jeżeli zmierzone charakterystyki są krzywoliniowe, można je linearyzować w otoczeniu nominalnego punktu pracy. Automatyczny regulator siły hamowania dla zawieszenia mechanicznego Automatyczny regulator siły hamowania stosuje się w pneumatycznych układach hamulcowych pojazdów samochodowych i przyczep. Jego zadaniem jest samoczynne regulowanie siły hamowania w zależności od obciążenia pojazdu Przykładem bardzo rozpowszechnionego automatycznego regulatora siły hamowania, stosowanego przede wszystkim w obwodzie kół tylnych samochodów ciężarowych, jest regulator produkowany w POLMO Praszka. Regulator jest sterowany zależnie od obciążenia osi, której siłę hamowania reguluje. Jest to realizowane w sposób mechaniczny przez zamocowanie obudowy regulatora do ramy (masy resorowanej pojazdu) i końcówki dźwigni sterującej, poprzez łącznik sprężysty, do osi (obudowy tylnego mostu). Rys. 6 Przykładowy regulator siły hamowania POLMO Praszka Rys. 7. Ugięcie zawieszenia dla: a) pojazdu nieobciążonego; b) pojazdu obciążonego Rys. 8. Charakterystyka automatycznego regulatora siły hamowania dla różnych kątów położenia dźwigni: p1 - ciśnienie przy przyłączu wejściowym; p2 - ciśnienie przy przyłączu wyjściowym; ir - stopień ograniczenia ciśnienia w siłownikach Zależnie od obciążenia i ugięcia resorów, dźwignia sterująca zmienia swoje położenia kątowe od pozycji bez obciążenia" do obciążenie całkowite (rys. 7). Charakterystyka tego regulatora, pokazana na rysunku 8 nazywana jest charakterystyką promieniową. Dla określonego (częściowego lub maksymalnego} obciążenia Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 6

89 Temat: Wyznaczanie charakterystyk statycznych automatycznego regulatora siły hamowania stosunek ciśnienia w przyłączu wejściowym 1 regulatora ciśnienia w obwodzie kół przednich, do ciśnienia zredukowanego w przyłączu wyjściowym 2 (ciśnienia w obwodzie kół tylnych) jest ustalony. Ciśnienie jest zredukowane proporcjonalnie do zmniejszenia obciążenia kół tylnych (zmniejszenia ugięcia resorów) W Regulaminie 13 EKG zawarte jest wymaganie, aby w pojeździe umieszczona była w widocznym miejscu informacja, pozwalająca na właściwe ustawienie sterownika regulatora i sprawdzanie ustawienia podczas eksploatacji. Automatyczny regulator siły hamowania (rys. 9) montuje się na ramie pojazdu lub przyczepy, a jego dźwignic 8 łączy się za pośrednictwem cięgna z łącznikiem sprężystym przymocowanym do osi pojazdu lub przyczepy. W stanie nicobciążonym odległość między osią a regulatorem jest największa i wówczas dźwignia 8 znajduje się w dolnym skrajnym położeniu. W miarę wzrostu obciążeniu pojazdu odległość ta maleje, a dźwignia 8 przemieszcza się do góry unosząc za pośrednictwem sworznia kulowego 10, wspierający się na nim popychacz 4. Sprężone powietrze dopływające z głównego zaworu hamulcowego lub zaworu uruchamiającego hamulce przyczepy, dostaje się przez przyłącze 1 do komory A, przesuwając w dół tłok 5. oraz równocześnie przez rurkę 11 dochodzi do komory pod tłokiem 9 odciążając sworzeń kulowy 10. Zawór 1, dociskany sprężyna 2, przesuwając się wraz z tłokiem 5, opiera się o popychacz 4 i przemieszcza go w dół, aż do zetknięcia ze sworzniem kulowym 10. Zależnie od tego, jak jest ustawiony sworzeń 10. podniesienie zaworu l, a tym samym otwarcie przelotu 3, nastąpi przy większym lub mniejszym przesunięciu w dół tłoka 5. Odpowiednio do tego przesunięcia membrana 6 na większej lub mniejszej swej części odrywa się od żeber wkładki 12, a układa na żebrach 7 tłoka 5. To powoduje, że po otwarciu zaworu 3 i przepływie powietrza do komory B (a tym samym i do przyłącza 2) nastąpi zrównoważenie sił działających na tłok 5 przy mniejszym lub większym ciśnieniu w tej komorze (zależnie od wielkości powierzchni części membrany opierającej się na wkładce 12). Przy dalszym minimalnym wzroście ciśnienia w komorze B, tłok 5 podniesie się do góry, powodując zamknięcie zaworu l. W przyłączu 2 ustali się więc ciśnienie wynikające z wielkości ciśnienia doprowadzonego do przyłącza 1 oraz z położenia sworznia kulowego l 0, a tym samym i obciążenia pojazdu lub przyczepy. Rys. 9. Automatyczny regulator siły hamowania; a) widok zewnętrzny; b) schemat budowy; 1 - zawór, 2 - sprężyna; 3 - przelot; 4 - popychacz; 5 - tłok; 6 - membrana; 7- żebra tłoka 5, 8 - dźwignia;9- tłok; 10 - sworzeń kulowy: 11 - rurka; 12 - wkładka z żebrami wewnętrznymi W pojeździe (przyczepie) w pełni obciążonym ciśnienie nie jest ograniczane przez regulator. Natomiast, gdy pojazd jest częściowo załadowany lub nieobciążony, ciśnienie podlega odpowiednio mniejszej lub większej redukcji. Podczas od-hamowania, tj. przy spadku ciśnienia w przyłączu 1 powietrze znajdujące się w si- Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 7

90 Temat: Wyznaczanie charakterystyk statycznych automatycznego regulatora siły hamowania łownikach hamulcowych przesuwa tłok 5 w górne położenie i następnie uchodzi przez wnętrze popychacza 4 oraz odpowietrzenie 3 do atmosfery. Tab. 1 Dane techniczne : 3. METODYKA POMIARÓW Zajęcia laboratoryjne powinny przebiegać zgodnie z podaną niżej kolejnością. Zmiana kolejności wykonywania poszczególnych zadań możliwa jest tylko po ustaleniu tego z prowadzącym zajęcia Sprawdzenie wiedzy ogólnej Warunkiem przystąpienia do zajęć jest wykazanie się wiedzą teoretyczną z zakresu tematu zajęć laboratoryjnych. Sprawdzenie wiadomości z zakresu tematu wykonywanego ćwiczenia odbędzie się na podstawie zaliczenia pisemnego po zakończeniu bloku tematycznego Zapoznanie się z budową stanowiska Opis stanowiska laboratoryjnego do badań automatycznego regulatora siły hamowania Rys. 10 Schemat stanowiska do badań automatycznego regulatora siły hamowania: 1-sprężarka, 2-regulator ciśnienia LPR-1/4-10, 3,4,9-zawór odcinający kulowy, 5,8-zbiornik powietrza, 7-automatyczny regulator siły hamowania, 6,10-manometr, 11,14- przetwornik ciśnienia P15 RVA1/10B, 12-komputer EMC, 13-rejestrator MC 201A Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 8

91 Temat: Wyznaczanie charakterystyk statycznych automatycznego regulatora siły hamowania W skład stanowiska wchodzi sprężarka (1) generująca sprężonepowietrze o ciśnieniu do 0,8 Mpa. Za sprężarką zainstalowany jest regulator ciśnienia (2). Za regulatorem ciśnienia umieszczone są dwa zawory Odcinające (3,4) (służące do opróżniania zbiorników powietrza z pominięciem regulatora ciśnienia). W dal szej kolejności- zbiornik sprężonego powietrza (5) spełniający rolę akumulatora ciśnienia, badany element automatyczny regulator siły hamowania oraz kolejny zbiornik (8), speniający rolę akumulatora ciśnienia. Za zbiornikiem (8) jest zawór odcinający (9), stanowiący zakończenie przewodu. Zbiorniki powietrza (5,8) połączone są z manometrami (6,10) wskazyjącymi ciśnienie na wejściu i wyjściu badanego regulatora siły hamowania (7).Niezależnie od manometrów na zbiornikach powietrza umieszczone są przetworniki ciśnienia p/v (14,11) (przetwarzające ciśnienie na napięcie elektryczne. Otrzymywane napięcia rejestrowane są przez rejestrator (13), a następnie zapisywane w postaci plików binarnych na komputerze EMC. Do rejestracji danych pomiarowych zastosowano oprogramowanie standardowe rejestratora MC 201A, do numerycznej identyfikacji parametrów urżyto napisanego w Delphi programu komputerowego. Poszczególne elementy układu pneumatycznego połączone są elastycznymi przewodami (typu PEKLAN) Przebieg pomiarów Większość zaworów hamulcowych posiada charakterystyki statyczne liniowe (rys.11 ). Każdy element tej charakterystyki można przedstawić w postaci równania : p2 = Ai * p1 + Bi. Współczynniki A i B można określić identyfikując zarejestrowane przebiegi pomiarów. Rys.11 Przykładowa charakterystyka statyczna Wyznaczanie charakterystyk statycznych automatycznego regulatora siły hamowania Kolejność wykonywanych czynności: - przygotować stanowisko badawcze do pomiarów, - wykonać pomiar wstępny niezbędny do zerowania przetworników ciśnienia, przy panującym we wszystkich objętościach ciśnieniu atmosferycznym (zamknięty zawór (3), otwarte zawory (4,9) ), zapisać zbiór, - zamknąć zawory (4,9), - ustawić regulator ciśnienia (2) na wartość 0,6 MPa, - ustawić dżwignię regulatora siły hamowania (7) w położenie nieobciążony, - uchylić zawór (3), w celu uzyskania powolnego przepływu powietrza, - wykonać pomiar próbny w celu ustalenia liczby punktów pomiarowych i stałej próbkowania, - wykonywać wielokrotnie pomiary ciśnień p1 i p2, zapisując kolejne pliki z wynikami w komputerze, do momentu, gdy wskazania manometrów (6,10) przestaną wzrastać, Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 9

92 Temat: Wyznaczanie charakterystyk statycznych automatycznego regulatora siły hamowania - taka sama procedura obowiązuje przy ruchu powrotnym (przy powolnym zmniejszaniu ciśnienia w obwodzie), przy czym należy zamknąć zawór (3) i uchylić zawór (4), - powtórzyć wyżej opisane pomiary dla kilku kolejnych położeń dżwigni regulatora siły hamowania (7), łącznie z położeniem w pełni obciążony - przygotować plik tekstowy (startowy) o nazwie pomiary.txt., - dokonać identyfikacji parametrów(ai, Bi ) charakterystyki statycznej uruchamiając program o nazwie stat.exe. - opracować w arkuszu kalkulacyjnym wyniki badań, 4. WYMAGANIA BHP Osoby biorące udział w ćwiczeniach obowiązane są: przestrzegać przepisy i zasady bezpieczeństwa i higieny pracy, zgodnie z regulaminem prac na laboratorium, wykonywać pomiary i badania w sposób zgodny z przepisami zasadami bezpieczeństwa i higieny pracy oraz stosować się do wydawanych w tym zakresie poleceń i wskazówek prowadzących zajęcia,. dbać należyty stan maszyn, urządzeń, narzędzi i sprzętu oraz o porządek i ład w miejscu pracy, stosować środki ochrony osobistej, niezwłocznie zawiadomić przełożonego o zauważonym w laboratorium wypadku albo zagrożeniu życia lub zdrowia ludzkiego oraz ostrzec inne osoby znajdujące się w laboratorium o grożącym niebezpieczeństwie, współdziałać z prowadzącymi w wypełnianiu obowiązków dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy. 5. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA Sprawozdanie studenckie winno zawierać: stronę tytułową cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego schemat stanowiska tablice i wykresy uzyskanych wyników oraz ich analizę wypełniony protokół pomiarowy wnioski 6. LITERATURA 1. Katalog wyrobów POL - MOT Praszka S.A. 1996r. 2. Dimitrij M. Łomako, Tomasz L. Stańczyk, Jarosław Grzyb : Pneumatyczne układy hamulcowe w pojazdach samochodowych Kielce : Politechnika Świętokrzyska, Andrejew A., Mietluk M., i inni: Gidropniewmoawtomatika i gidropriwod mobilnych maszyn. Mińsk 1998r. 4. Siemieniako F., Gawrysiak M.: Automatyka i robotyka. Warszawa 1996r. 5. Mietluk M.: Hydraulika i pneumatyka w pojazdach samochodowych. Konspekt wykładów. Politechnika Białostocka 1999r. PROTOKÓŁ POMIAROWY Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 10

93 Białystok, dn WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe PROTOKÓŁ POMIAROWY Ćwiczenie nr: Wyznaczanie charakterystyk statycznych zaworów i regulatorów pneumatycznych Nr pom p \ F Identyfikowane parametry A 1 B 1 B 2 A 3 B data wykonania ćwiczenia podpis prowadzącego

94 WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: pojazdy samochodowe Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Budowa i zasada działania automatycznych skrzyń biegów Numer ćwiczenia: SAP - 11/12 Laboratorium z przedmiotu: SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH Kod: Białystok 2013

95 Temat Budowa i zasada działania automatycznych skrzyń biegów SPIS TREŚCI Białystok Spis treści CEL I ZAKRES ĆWICZENIA WPROWADZENIE Budowa automatycznych skrzyń biegów Przekładnia hydrokinetyczna Sprzęgło blokujące przekładni hydrokinetycznej Pompa oleju Przekładnia planetarna Szeregi planetarne Przełączanie przekładni planetarnej Hamulce Sprzęgła Mechaniczna blokada parkowania Hydrauliczne urządzenie sterujące Automatyczna skrzynia biegów A Stanowisko laboratoryjne Schemat funkcjonalny urządzenia diagnostycznego Obsługa systemu diagnostycznego opracowanie I ANALIZA WYNIKÓW POMIARÓW Zarejestrowane przebiegi Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego wymagania BHP LITERATURA PROTOKÓŁ POMIAROWY Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 2

96 Temat Budowa i zasada działania automatycznych skrzyń biegów 1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie studentów z budową i zasadą działania automatycznych skrzyń biegów. 2. WPROWADZENIE Duże natężenie ruchu, korki uliczne, ograniczenia prędkości zmuszają kierowców do coraz częstszej zmiany biegów. Utrudnienia te w znacznym stopniu eliminuje automatyczna skrzynia biegów. Ułatwia ona ruszania z miejsca, a program zmiany biegów skutecznie wspierają kierowcę w prowadzeniu pojazdu. Z uwagi na bardziej komfortowe prowadzenie pojazdów kierowcy coraz częściej przekonują się do aut wyposażonych w skrzynię automatyczną. Szacuje się, iż na dzień dzisiejszy w Polsce aut wyposażonych właśnie w takie skrzynie jest około 10%. 3. BUDOWA AUTOMATYCZNYCH SKRZYŃ BIEGÓW Automatyczne skrzynie biegów to mechanizmy samoczynnie dobierające odpowiednie przełożenie podczas rozpędzania i zwalniania pojazdu. Podział automatycznych skrzyń biegów został przedstawiony na rysunku 1. Skrzynki automatyczne mają trzy istotne zalety w stosunku do mechanicznych skrzyń biegów: brak konieczności zmiany biegów oraz wciskania pedału sprzęgła umożliwia kierowcy lepszą koncentrację na drodze, automatyczne dobieranie odpowiednich przełożeń, przez co na kołach napędowych zawsze przenoszony jest odpowiedni moment obrotowy, zmiana przełożeń następuje prawie bezstopniowo dzięki przekładni hydrokinetycznej. Rys. 1. Podział automatycznych skrzyń przekładniowych (na podstawie Bosch (2005)) Charakterystyka automatycznych skrzyń biegów: Zautomatyzowane stopniowe skrzynki biegów (AST - Automated Shift Transmissions) odznaczają się ułatwioną obsługą oraz większą sprawnością. Do mechanicznych skrzynek sterowanych ręcznie wbudowano dodatkowe elementy wykonawcze dokonujące zmiany biegów za pomocą układu pneumatycznego, hydraulicznego lub elektrycznego. W dwusprzęgłowych skrzynkach biegów (DSG Direct Shift Gearbox) nie występuje przerwa w przekazywaniu momentu jak to ma miejsce w skrzynkach AST. Samochody wyposażone w skrzynki DSG zużywają mniej paliwa niż auta z zautomatyzowanymi stopniowymi skrzyniami biegów. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 3

97 Temat Budowa i zasada działania automatycznych skrzyń biegów W stopniowych automatycznych skrzynkach biegów zmiana przełożeń jest realizowana wraz ze zmianą prędkości pojazdu i obciążenia silnika. Skrzynie te wyposażone są zazwyczaj w przekładnie hydrokinetyczną umożliwiającą ruszanie pojazdem z miejsca (Bosch (2005)). Główną różnicą bezstopniowych automatycznych skrzyń biegów w stosunku do pozostały grup jest brak ustawialnych przełożeń (w przypadku klasycznych skrzyń automatycznych jest ich od 3 do 8). Ciągła zmiana przełożenia jest realizowana metodami hydraulicznymi lub za pomocą przekładniami o zmiennym przełożeniu (np. z pasem i kołami skośnymi) (Micknass (2005)). Stopniowe automatyczne skrzynki biegów składają się głównie z trzech podzespołów: hydraulicznego przeniesienia mocy, mechanicznego szeregu planetarnego z odpowiednią liczbą biegów, automatycznej zmiany biegów oraz hydraulicznego bądź elektronicznego sterowania (Micknass (2005)). 3.1 Przekładnia hydrokinetyczna Przekładnia hydrokinetyczna (Rys. 2) jest skonstruowana w taki sposób, że zapewnia zmienne przełożenie pomiędzy pompą a turbiną. Uzyskuje się to za pomocą specjalnie ukształtowanych łopatek pompy i turbiny. Przekładnia hydrokinetyczna składa się z trzech elementów: wirnika pompy, wirnika turbiny, wirnika kierownicy. Wirnik kierownicy, który umieszczony jest pomiędzy pompą i turbiną powoduje zmianę kierunku strumienia przepływającego oleju. Jest on połączony z obudową automatycznej skrzynki biegów za pomocą sprzęgła jednokierunkowego. Zadaniem sprzęgła jednokierunkowego jest utrzymywanie sztywnego połączenia wirnika z obudową dopóki kierunek strumienia oleju w kierownicy jest zmieniany. Rys. 2. Przekładnia hydrokinetyczna: 1 - wirnik pompy, 2 - wirnik kierownicy, 3 - wirnik turbiny (Micknass (2005)) Moment obrotowy na wyjściu przekładni jest wzmacniany w ten sposób, że na wirnik turbiny działa suma momentów wirnika pompy i kierownicy dając moment wyjściowy. Największe wzmocnienie momentu odbywa się w chwili ruszania pojazdu z miejsca wirnik pompy obraca się, wirnik turbiny pozostaje jeszcze nieruchomy. Towarzyszy temu największa zmiana kierunku przepływającego strumienia oleju. Sytuacja ta przedstawiona została na rysunku 3. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 4

98 Temat Budowa i zasada działania automatycznych skrzyń biegów Rys. 3. Maksymalne wzmocnienie momentu obrotowego (Micknass (2005)) Zmiana kierunku strumienia oleju staje się coraz mniejsza w miarę zwiększania prędkości obrotowej wirnika turbiny. Moment obrotowy na wirniku turbiny zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem momentu reakcyjnego kierownicy (Rys. 4). Zmiana kierunku strumienia oleju w kierownicy nie następuje przy stosunku prędkości obrotowych wirników pompy i turbiny około 1:0,88. Wzmocnienie momentu obrotowego jest równe zero, przekładnia pracuje więc jak zwykłe sprzęgło hydrokinetyczne (Rys. 5) (Micknass (2005)). Rys. 4. Zmniejszanie się momentu obrotowego turbiny (Micknass (2005)) Rys. 5. Brak wzmacniania momentu obrotowego (Micknass (2005)) Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 5

99 Temat Budowa i zasada działania automatycznych skrzyń biegów 3.2 Sprzęgło blokujące przekładni hydrokinetycznej Konieczność zastosowania sprzęgła blokującego (Rys. 6) w przekładni hydrokinetycznej wymusiły coraz to bardziej rygorystyczne wymagania w zakresie oszczędzania paliwa i niższej emisji szkodliwych związków spalin. Starano się w ten sposób wyeliminować straty mocy, które powoduje poślizg przekładni hydrokinetycznej oraz zmniejszyć nagrzewanie oleju przekładniowego. Sprzęgło blokujące za pomocą tarczy ciernej łączy wirnik pompy z wirnikiem turbiny. Zespół sprzęgła blokującego przekładni hydrokinetycznej składa się z tłoka przesuwnego oraz tarczy ciernej. Dociśnięcie tarczy ciernej do wewnętrznej powierzchni obudowy i sprzęgnięcie pompy z zespołem turbiny odbywa się za pomocą ruchu tłoka w kierunku obudowy pompy (Micknass (2005)). Rys. 6. Rysunek przedstawiający przekładnię hydrokinetyczną ze sprzągłem blokującym: 1 - obudowa przekładni, 2 - wirnik pompy, 3 - wirnik kierownicy, 4 - okładzina cierna sprzęgła blokującego, 5 - wirnik turbiny, 6 - obudowa skrzynki biegów (Micknass (2005)) 3.3 Pompa oleju Pompa oleju (Rys. 7) jest najczęściej wykonywana jako mimośrodowa pompa zębata o zazębieniu wewnętrznym z sierpową wkładką. Napędzana jest przeważnie bezpośrednio przez przekładnię hydrokinetyczną. Wydatek pompy wzrasta wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika. Olej pobierany jest przez pompę z misy olejowej skrzynki poprzez filtr oleju, a następnie tłoczony jest do bloku hydraulicznego. Rys. 7. Pompa oleju automatycznej skrzyni biegów (Micknass (2005)) Zadania pompy oleju: wytwarzanie ciśnienia dla hydraulicznego urządzenia sterującego, wytwarzanie ciśnienia oleju dla przekładni hydrokinetycznej w celu uniknięcia kawitacji, przepłukiwanie przekładni w celu obniżenia jej temperatury, dostarczenie oleju pod odpowiednim ciśnieniem do elementów hydraulicznego sterowania (Micknass (2005)). Do zasilania pompy i elementów sterującowykonawczych automatycznej skrzyni biegów stosuje się specjalny olej przekładniowy ATF (Automatic Transmission Fluid), spełnia on następujące funkcje: dla przekładni hydrokinetycznej jest cieczą roboczą i chłodzącą, umożliwia włączenie sprzęgła blokującego w przekładni hydrokinetycznej, smaruje koła zębate, włącza tłoki robocze sprzęgieł i hamulców, jest cieczą roboczą w zespole elektrozaworów służącym do sterowania (Micknass (2005)). Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 6

100 3.4 Przekładnia planetarna SYSTEMY AUTOMATYZACJI W POJAZDACH Temat Budowa i zasada działania automatycznych skrzyń biegów Rys. 8. Prosta przekładnia planetarna: 1 koło słoneczne, 2 satelity, 3 koło pierścieniowe, S jarzmo satelitów (Micknass (2005)) Głównym elementem automatycznej skrzyni biegów jest zespół przekładni planetarnych. Posiadają one niewielkie wymiary oraz korzystny układ symetryczny rozstawienia kół satelitów. Przekładnia planetarna (Rys. 8) składa się z koła słonecznego z uzębieniem zewnętrznym, koła koronowego z uzębieniem wewnętrznym oraz kosza z kołami satelitarnymi - zazębione są one zarówno z kołem słonecznym, jak i kołem koronowym (Micknass (2005)). Zalety przekładni planetarnych: zwarta budowa w wyniku czego moc przenoszona przez przekładnię planetarną na jednostkę masy jest bardzo duża, duże wartości przełożeń, rozdział mocy i momentu na wiele satelitów (Micknass (2005)). 3.5 Szeregi planetarne Połączone konstrukcyjnie ze sobą proste przekładnie planetarne nazywamy szeregiem planetarnym. Dzięki różnym sposobom wzajemnego łączenia ze sobą przekładni planetarnych uzyskuje się wiele teoretycznych możliwości przełożeń. Szereg planetarny Simsona Rys. 9. Szereg planetarny Simsona: z1, z4 koła słoneczne, z2, z5 koła satelitów, z3, z6 koła koronowe (Micknass (2005)) Cechą charakterystyczną szeregu Simsona (Rys. 9) jest to, że ma dwa wzajemnie połączone zespoły satelitów (z3, z6) z takimi samymi kołami słonecznymi (z1, z4), kołami satelitów oraz kołami pierścieniowymi. Koła słoneczne mają zwiększoną szerokość, co umożliwia pracę z dwoma zespołami satelitów oraz upraszcza znacznie budowę szeregu. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 7

101 Temat Budowa i zasada działania automatycznych skrzyń biegów Szereg planetarny Ravigneaux Szereg planetarny Ravigneaux (Rys. 10) stosuje się często w wielobiegowych przekładniach planetarnych. Przekładnia taka składa się z kół słonecznych (1, 2) jednego koła pierścieniowego (3) oraz wspólnego jarzma dla obu zestawów satelitów (4). Rys. 10. Szereg planetarny Ravigneaux: 1, 2 koła słoneczne, 3 koło koronowe, 4 jarzmo satelitów (Micknass (2005)) 3.6 Przełączanie przekładni planetarnej Podczas normalnej pracy przekładni planetarnej w automatycznej skrzyni biegów jedne z jej elementów są zatrzymywane, a inne z kolei sprzęgane z wałkiem turbiny. Zatrzymywanie odpowiednich członów przekładni planetarnej odbywa się za pomocą hamulców, natomiast przenoszenie mocy poprzez włączanie sprzęgieł wielopłytkowych. Sprzęgła i hamulce w automatycznej skrzyni biegów odpowiadają za zmianę przełożeń. Ich sterowanie w odpowiedniej sekwencji odbywa się za pomocą ciśnienia oleju (Micknass (2005)). 3.7 Hamulce W automatycznych skrzyniach biegów stosuje się hamulce taśmowe lub wielotarczowe. W przypadku hamulców taśmowych (Rys. 11), hamowanie odbywa się za pomocą taśmy owiniętej wokół bębna. Taśmy są wyłożone materiałem ciernym po stronie stykającej się z bębnem. Rys. 11. Budowa hamulca taśmowego: 1 taśma hamująca, 2- sprężyna amortyzująca, 3 duży tłok, 4 mały tłok, 5 regulacja taśmy, 6 popychacz, 7 wlot oleju pod ciśnieniem przy zwalnianiu hamulca, 9 wlot oleju pod ciśnieniem przy zaciąganiu hamulca (Micknass (2005)) Rys. 12. Elementy składowe hamulca wielotarczowego: 1 jarzmo, 2 pierścień o uzębieniu zewnętrznym, 3 pierścienie cierne (Micknass (2005)) We współczesnych konstrukcjach automatycznych skrzyń biegów przeważnie stosowane są hamulce wielotarczowe (Rys. 12). Zasada ich działania polega na tym, że w stalowym jarzmie umieszczone są pierścienie stalowe o zazębieniu zewnętrznym, natomiast pierścienie o zazębieniu wewnętrznym są pośrednio połączone z przekładnią planetarną. Stalowe jarzmo jest bezpośrednio połączone z obudową skrzyni biegów. Zaletą hamulców wielotarczowych w stosunku do taśmowych jest to, że przenoszą znacznie większe momenty obrotowe (Micknass (2005)). Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 8

102 Temat Budowa i zasada działania automatycznych skrzyń biegów 3.8 Sprzęgła Zadaniami sprzęgieł są: łączenie/rozłączanie wałka turbiny z określonym elementem przekładni, przenoszenie mocy z jednego elementu na inny element szeregu planetarnego. Sprzęgło wielopłytkowe Sprzęgła wielopłytkowe są konstrukcyjnie identyczne jak hamulce wielotarczowe. Sterowanie sprzęgłami odbywa się za pomocą zespołu tłok-cylinder pokazanego na rysunku 13. Wyłączanie sprzęgła następuje dzięki sprężynom talerzowym, bądź też zespołom sprężyn śrubowych rozmieszczonych na obwodzie (Micknass (2005)). 3.9 Mechaniczna blokada parkowania Blokada parkingowa (Rys. 14) jest mechanizmem składającym się z koła parkingowego znajdującego się na wałku głównym skrzyni oraz bolca parkingowego. Zabezpiecza auto przed stoczeniem się na postoju - pełni funkcję hamulca bezpieczeństwa. Rys. 13. Przekrój sprzęgła wielopłytkowego: 1 dopływ oleju, 2 pierścień cierny, 3 pierścień o uzębieniu wewnętrznym, 4 jarzmo, 5 sprężyna amortyzująca (Bosch (2005)) Rys. 14. Podstawowe elementy hamulca postojowego (Bosch (2005)) Uruchomienie mechanizmu blokady następuje po ustawieniu dźwigni wyboru biegów w pozycji P. Powoduje to wprowadzenie zapadki blokady w występy koła parkingowego, które uniemożliwiają załączenie blokady parkingowej przy prędkości jazdy wyższej niż 5-8 km/h (Micknass (2005)) Hydrauliczne urządzenie sterujące Rys. 15. Widok bloku elektrozaworów skrzyni A604 (Chrysler A604 (1990)) Hydrauliczne urządzenie sterujące ma za zadanie dokonywać regulacji i rozdziału ciśnienia do odpowiednich portów sterujących sprzęgłami i hamulcami. Kompletny układ sterowania składa się z bloku elektrozaworów (Rys. 15) oraz bloku hydraulicznego (Rys. 16). Blok hydrauliczny jest odlewem aluminiowym, znajdują się w nim zawory suwakowe. Na rysunku 16 wskazany został zawór temperaturowy, którego zadaniem jest kierowanie oleju do chłodnicy, dzięki czemu możliwe jest utrzymywanie jego optymalnej temperatury. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 9