Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Mono-Motronic BIAŁYSTOK 2005
Spis treści: 1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO... 2 2. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO... 3 3. UKŁAD MONO-MOTRONIC... 4 3.1. Układ Mono-Jetronic... 5 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA... 9 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW... 10 6. WYMAGANIA BHP... 10 7. WYBRANE SCHEMATY INSTALACJI... 10 8. LITERATURA... 15 1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest poznanie zasady działania oraz diagnostyki układów zapłonowo-wtryskowych na przykładzie układu Mono-Motronic firmy Bosch. W ramach ćwiczenia poznawana jest aparatura pomiarowa przydatna do diagnostyki instalacji zapłonowo-wtryskowych w celu nabycia umiejętności prawidłowego jej wykorzystania w praktyce. Zakres ćwiczenia obejmuje: diagnozowanie uszkodzenia instalacji zapłonowej z wykorzystaniem specjalizowanych przyrządów pomiarowych, pomiary oscyloskopem cyfrowym prądu ładowania uzwojenia pierwotnego cewki zapłonowej przy róŝnych prędkościach obrotowych, obserwacja za pomocą oscyloskopu cyfrowego sygnału z czujnika Halla przy róŝnych prędkościach obrotowych, obserwacja sygnałów sterujących wtryskiwaczem, badanie wpływu sygnałów z poszczególnych czujników na parametry sygnałów wyjściowych układu sterującego, pomiary poboru prądu z akumulatora przez instalację zapłonowa i wtryskową, pomiary z wykorzystaniem sondy prądowej lub miernika cęgowego. Szczegółowy zakres ćwiczenia ustala prowadzący. 2
2. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO Stanowisko laboratoryjne zbudowane jest na płycie o wymiarach 144-210cm na której jest zamontowana instalacja zapłonowo-wtryskowa oraz oświetleniowa pochodzące prawie w całości z samochodu osobowego Audi 80 B4 (silnik 2.0, 66kW, typ: ABT). Widok makiety laboratoryjnej jest przedstawiony na ilustracji 1. Rys. 1. Makieta laboratoryjna Do badania dostępne są następujące elementy układu Mono-Motronic: zespół wtryskiwacza i przepustnicy (wtryskiwacz, czujnik temperatury zasysanego powietrza, czujnik połoŝenia przepustnicy, nastawnik przepustnicy), pompa paliwa (umieszczona poza makietą), cewka zapłonowa, aparat zapłonowy z rozdzielaczem wysokiego napięcia i z czujnikiem Halla, 3
świece zapłonowe i przewody wysokiego napięcia, skrzynka bezpiecznikowo - przekaźnikowa oraz specjalny przekaźnik świateł kierunkowych ze sterowaniem elektronicznym, wyłącznik zapłonu, zespół przełączników z kolumny kierowniczej, tablica wskaźników, zespół przełączników z deski rozdzielczej, mikroprocesorowy układ sterowania instalacją, zestaw czujników (czujniki temperatury, sonda lambda, czujnik ciśnienia oleju, czujnik poziomu paliwa, czujnik poziomu rezerwowego), akumulator (50Ah, 12V), 3. UKŁAD MONO-MOTRONIC Układ Mono-Motronic stanowi połączenie układu Mono-Jetronic (wyposaŝonego w dodatkowe funkcje) z układem zapłonowym sterowanym elektronicznie. Jest to zintegrowany układ wtryskowo - zapłonowy. W celu obliczenia chwili zapłonu, dawki wtryskiwanego paliwa i chwili początku wtrysku, konieczne jest ustalenie punktu pracy silnika za pomocą wielu czujników. Ustalenie warunków pracy silnika jest istotne zarówno z punktu widzenia układu zapłonowego jak i układu wtryskowego, w związku z tym wykorzystuje się jeden wspólny zestaw czujników. Ponadto, w celu optymalizacji sterowania, oba układy mogą oddziaływać na siebie. układ regulacji zintegrowanego układu zapłonowo-wtryskowego określa się potocznie mianem Motronic, chociaŝ jest to nazwa rozwiązania firmy Bosch. W róŝnych odmianach układów Motronic wbudowane są róŝne dodatkowe funkcje słuŝące jak najbardziej zoptymalizowanemu sterowaniu i regulacji silnika. Dodatkowe realizowane funkcje: regulacja lambda, regulacja biegu jałowego, zmiana długości przewodu dolotowego, przestawianie faz rozrządu, sterowanie recyrkulacją spalin, regulacja ciśnienia doładowania, regeneracja pochłaniacza oparów benzyny itp. 4
3.1. Układ Mono-Jetronic Układ Mono-Jetronic jest jednopunktowym układem wtryskowym stosowanym w mniejszych silnikach. Wykorzystuje się jeden wtryskiwacz umieszczony nad przepustnica w zespole wtryskowym. Elementy składowe układu Mono-Jetronic sa przedstawione na rysunku 2. Rysunek 2. Elementy składowe układu Mono-Jetronic 1-zbiornik paliwa, 2-elektryczna pompa paliwa, 3-filtr paliwa, 4-regulator ciśnienia paliwa, 5-wtryskiwacz, 6-czujnik temperatury powietrza zasysanego, 7-urządzenie sterujące, 8-regulator biegu jałowego, 9-czujnik połoŝenia przepustnicy, zawór regulacyjny przepływu par paliwa, 11-pojemnik z węglem aktywnym, 12-sonda lambda, 13-czujnik temperatury silnika, 14-rozdzielacz zapłonu z czujnikiem Halla, 15-akumulator, 16- wyłącznik zapłonu, 17-przekaźnik główny W związku z niewielkim zuŝyciem paliwa przez małe silniki i mniejszym ciśnieniem w układzie (ok. 100kPa [1]), pompa paliwa nie musi osiągać duŝych wydajności. Najczęściej jest ona umieszczana bezpośrednio w zbiorniku paliwa, tworząc z czujnikiem poziomu paliwa 5
jeden zespół. Wydajność pompy zaleŝy od jej prędkości obrotowej, która to jest zaleŝna od napięcia w instalacji elektrycznej. Po opuszczeniu pompy paliwo dostaje się do filtra i dalej do zespołu wtryskowego. Nadmiar paliwa powraca do zbiornika przez regulator ciśnienia. Regulator ma za zadanie utrzymywanie stałej róŝnicy ciśnienia w układzie względem ciśnienia otoczenia. Wtryskiwacz paliwa jest umieszczony nad przepustnicą. Wtryskiwacz umieszczono tak, aby strumień zasysanego powietrza ułatwiał wymieszanie. Stosowane są róŝne co do budowy wtryskiwacze, które mają jednak identyczną zasadę działania. Prąd płynący przez uzwojenie elektromagnesu powoduje powstanie pola magnetycznego, które unosi rdzeń cewki zakończony igłą zaworu (moŝe być w formie kulistej). Znajdujące się pod odpowiednim ciśnieniem paliwo przedostaje się do kolektora dolotowego. Po wyłączeniu pradu, spręŝyna powrotna zamyka zawór wtryskiwacza. PoniewaŜ w układzie panuje względnie niskie ciśnienie paliwa, nie jest potrzebne bardzo silne pole magnetyczne jak i mocna spręŝyna zamykająca zawór. Czas reakcji wtryskiwacza jest dzięki temu krótszy. Jest to konieczne, aby wtryskiwacz mógł pracować z duŝą częstotliwością (gdyŝ obsługuje wszystkie cylindry). Budowa przykładowa wtryskiwacza z układu Mono-Jetronic jest przedstawiona na rysunku 4. Rysunek 3. Obwód zasilania paliwem w układzie Bosch Mono-Jetronic 1-zbiornik paliwa, 2-elektryczna pompa paliwa, 3-filtr paliwa, 4-regulator ciśnienia, 5-wtryskiwacz, 6- przepustnica 6
Rysunek 4. Wtryskiwacz paliwa z końcówką stoŝkową 1-złącze elektryczne, 2-odpływ paliwa, 3-dopływ paliwa, 4-uzwojenie elektromagnesu, 5-rdzeń elektromagnesu, 6-igła zaworu, 7-dysza Najistotniejszą cechą układu Mono-Jetronic oprócz występowania tylko jednego wtryskiwacza, jest fakt, Ŝe nie jest mierzona ilość (masa) zasysanego powietrza, lecz jest ona obliczana na podstawie kąta uchylenia przepustnicy (α) i prędkości obrotowej silnika (n). Stąd jest uŝywana nazwa sterowanie α/n. Przy określonym stopniu otwarcia przepustnicy i określonej prędkości obrotowej moŝe być zassana określona ilość (masa) powietrza. Oczywiście nie uwzględniona jest wówczas gęstość zasysanego powietrza która jest zaleŝna np. od wysokości nad poziomem morza i od temperatury, co wpływa na błąd obliczeń. Obliczanie ilości zassanego powietrza opiera się o dane (przechowywane w pamięci sterownika) zebrane na drodze eksperymentalnej w fazie testowania i projektowania danej jednostki napędowej. Kąt uchylenia przepustnicy potrzebny do obliczeń jest rozpoznawany na podstawie zmiany sygnału z czujnika potencjometrycznego połoŝenia przepustnicy. Potencjometr ten ma dwie bieŝnie rezystancyjne o róŝnych charakterystykach. Jedna dla dolnego zakresu obciąŝenia (kąt otwarcia 0-24 o ), w którym niewielkie zmiany kąta otwarcia przepustnicy powodują duŝe zmiany w ilości zasysanego powietrza. Druga bieŝnia jest przeznaczona dla górnego zakresu obciąŝenia (kąty otwarcia 18-90 o ). Zamknięcie przepustnicy i pełne otwarcie są rozpoznawane takŝe przez analizę sygnału z czujnika połoŝenia przepustnicy - nie występują 7
dodatkowe styczniki pełnego otwarcia i zamknięcia przepustnicy stosowane w starszych konstrukcjach. Obie bieŝnie czujnika potencjometrycznego mogą być sprawdzone przez pomiar rezystancji. W trakcie otwierania przepustnicy, rezystancja powinna się zmieniać płynnie. WaŜny jest dobry styk bieŝni ze ślizgaczem, ochrona czujnika przed wilgocią i zanieczyszczeniami. Dokładnego sprawdzenia bieŝni moŝna dokonać wykorzystując oscyloskop i generator sygnału testowego. UWAGA: PołoŜenie potencjometru względem przepustnicy jest ściśle określone. Przy ewentualnej wymianie potencjometru naleŝy ściśle przestrzegać wskazówek montaŝowych producenta. W najnowszych konstrukcjach po wymianie potencjometru lub zespołu przepustnicy naleŝy dokonać adaptacji za pomocą specjalnego oprogramowania serwisowego. W przypadku wykrycia uszkodzenia potencjometru czujnika połoŝenia przepustnicy, sterownik układu ustali czas wtrysku do określonej prędkości obrotowej - sterowanie nie będzie optymalne, sterownik wejdzie w tryb awaryjny. Pomiar temperatury silnika Temperatura silnika w układzie Mono-Jetronic jest mierzona za pomocą rezystora NTC (o ujemnym współczynniku temperaturowym (ang. negative temperature coefficient) wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji). Pomiar temperatury zasysanego powietrza Do pomiaru temperatury zasysanego powietrza równieŝ zastosowano rezystor NTC. Jest on umieszczony w zespole wtryskowym na wtryskiwaczu. Pomiar napięcia Wartość napięcia jest brana pod uwagę przy obliczaniu czasu wtrysku Na podstawie sygnału z sondy lambda jest przeprowadzana korekcja i regulacja wtórna czasu wtrysku. Za pomocą nastawnika przepustnicy (zamiast nastawnika termicznego stosowanego we wcześniejszych rozwiązaniach) urządzenie sterujące stabilizuje prace silnika na biegu jałowym na podstawie róŝnych dodatkowych sygnałów np. z układu klimatyzacji, czy automatycznej skrzynki przekładniowej. 8
NajwaŜniejszym sygnałem wyjściowym urządzenia sterującego jest sygnał sterujący wtryskiwacz. Istotny jest czas trwania impulsów sterujących który się zmienia podczas regulacji PWM. Obliczony czas wtrysku wynika z otrzymanych sygnałów wejściowych i zaprogramowanych funkcji takich jak: wzbogacanie mieszanki podczas rozruchu zimnego silnika, wzbogacanie mieszanki przy pełnym obciąŝeniu lub w fazie gwałtownego przyspieszania, odcinanie paliwa podczas hamowania silnikiem, ograniczanie prędkości obrotowej. Przeprowadzana jest takŝe korekcja składu mieszanki w zaleŝności od temperatury zasysanego powietrza. 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia naleŝy zapoznać się z instrukcją i z budową oraz zasadą działania układu Mono-Motronic Przy pomocy oscyloskopu cyfrowego i sądy prądowej zaobserwować prąd ładowania uzwojenia pierwotnego cewki zapłonowej przy róŝnych prędkościach obrotowych, Określić na podstawie sygnału z sondy prądowej prędkość obrotową silnika, Oszacować prąd maksymalny ładowania cewki oraz czas ładowania. Sporządzić tabelę z informacją na temat czasu ładowania oraz prądu maksymalnego ładowania cewki zapłonowej w zaleŝności od prędkości obrotowej wyraŝonej w obr./min. zaobserwować sygnał z czujnika Halla przy róŝnych prędkościach obrotowych, zdjąć kopułkę rozdzielacza zapłonu i zapoznać się z budową przesłony czujnika Halla oraz rozdzielacza zapłonu, wpływając na sygnały wyjściowe z poszczególnych czujników zaobserwować reakcję układu sterowania, określić maksymalną prędkość obrotową silnika, przy której układ zapłonowy pracuje prawidłowo na bazie sygnału z sondy prądowej mierzącej prąd ładowania cewki zapłonowej, zbadać układ zapłonowy przy wykorzystaniu specjalizowanego monitora wysokiego napięcia, określić na której świecy występuje najwyŝsza energia wyładowania, przy pomocy testera wtryskiwaczy przetestować wtryskiwacz w zespole wtryskowym, zmierzyć rezystancję uzwojenia wtryskiwacza, zmierzyć prąd pobierany przez instalacje zapłonową. 9
Zmierzyć współczynnik tętnień napięcia ładowania przy tych samych prędkościach obrotowych oraz określić sprawność regulatora napięcia, Zmierzyć napięcie akumulatora przy odłączonych wszystkich odbiornikach oraz przy niepracującym silniku, Zmierzyć napięcie akumulatora przy włączonych światłach mijania, długich oraz w miarę moŝliwości przy załączonych dodatkowych odbiornikach. Na podstawie zmierzonych spadków napięć policzyć rezystancje wewnętrzną. Policzyć teoretyczny czas pracy układu zapłonowego przy zasilaniu z akumulatora (bez ładowania). 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW Sprawozdanie powinno zawierać schematy układów pomiarowych i wyniki pomiarów. NaleŜy zanotować symbole oznaczeń wszystkich urządzeń pomiarowych oraz badanych elementów wykorzystywanych w trakcie ćwiczenia. Wyniki pomiarów naleŝy przedstawić w formie tablic oraz wykresów. W sprawozdaniu powinien się znaleźć dokładny opis wykonywanych w trakcie laboratorium czynności związanych z realizacją poszczególnych zadań. Wszelkie wyniki eksperymentalne naleŝy skomentować. Opracowane sprawozdanie powinno być złoŝone w terminie nie przekraczającym 2 tygodni. 6. WYMAGANIA BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z obowiązującą w laboratorium instrukcją BHP oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych. 7. WYBRANE SCHEMATY INSTALACJI (Wszystkie schematy oraz oznaczenia z uwagi na ich duŝą ilość i ograniczoną objętość instrukcji są dostępne w laboratorium) 10
Schemat 1. Akumulator, rozrusznik, wentylator, podgrzewacz kolektora ssącego 11
Schemat2. Pompa paliwa, układ wtryskowy paliwa, sterownik Mono-Motronic 12
Schemat 3. Sonda lambda, elektrozawór filtra węglowego, czujnik połoŝenia przepustnicy 13
Schemat 4. Czujnik Halla, cewka zapłonowa, rozdzielacz zapłonu, świece zapłonowe 14
Schemat 5. Zestaw wskaźników, układ kontroli ciśnienia oleju, samodiagnostyki, kontroli 8. LITERATURA temperatury płynu chłodzącego [L1]. Herner A. Riehl H.J.: Elektrotechnika i Elektronika w pojazdach samochodowych, WKŁ, 2004r. [L2]. Dziubiński M.: Elektroniczne układy pojazdów samochodowych, Lublin 2003 [L3]. Herner A.: Elektronika w samochodzie. WKŁ, Warszawa 2001 [L4]. Trzeciak K.: Diagnostyka samochodów osobowych, WKŁ 2003 15