Zasilanie wtryskowe paliwem lekkim 1 Zasilanie wtryskowe paliwem lekkim Układy zasilania sterowane elektronicznie zastąpiły stosowane wcześniej układy sterowane mechanicznie lub sterowane częściowo elektronicznie. Układy sterowane elektronicznie wpływają na podniesienie osiągów silników oraz, co jest bardzo ważne ze względu na ekologię, powodują spadek zużycia paliwa, a tym samym zmniejszenie emisji związków toksycznych w spalinach. Przepisy międzynarodowe dotyczące dopuszczalnej emisji spalin są coraz ostrzejsze, co spowodowane jest pogonią przepisów europejskich za przepisami amerykańskimi. W układach sterowanych elektronicznie zmniejszenie emisji toksycznych związków w spalinach realizowane jest poprzez dobór optymalnej dawki paliwa przy zmieniających się warunkach pracy tzn. zmiennym obciążeniu i prędkości obrotowej. Elektroniczny układ sterowania zapłonem wymaga do właściwego spełniania swej funkcji dużej liczby czujników i elementów wykonawczych - siłowników. Czujniki wykorzystywane są do zbierania informacji o praktycznie każdym zjawisku w silniku. Przesyłając dane do modułu sterującego EEC (zwanego dalej modułem EEC), powodują odpowiednią reakcję tegoż na wartości wejściowe. EEC generuje odpowiednie sygnały wyjściowe (sygnały napięciowe) sterujące pracą siłowników. W układach sterowanych elektronicznie do głównych cech konstrukcyjnych i funkcjonalnych należą: wtrysk paliwa sterowany elektronicznie; pomiar masowy lub objętościowy zużywanego przez silnik ; sterowanie elektroniczne zapłonem w oparciu o tabele dawek paliwa zapisane w układach EEPROM; kompensację dawki paliwa w zależności od temperatury lub gęstości (układy EECV / SFI) zasysanego przez silnik ; kompensację dawki paliwa w zależności od stopnia naładowania akumulatora (napięcie zasilania wtryskiwaczy); regulacja prędkości obrotowej silnika na biegu jałowym; odcinanie dopływu paliwa w trakcie hamowania silnikiem; awaryjny tryb pracy modułu - LOS; regulacja kąta wyprzedzenia zapłonu w zależności od liczby oktanowej użytego paliwa; kontrola poziomu emisji związków szkodliwych w spalinach; informacja o aktualnym zużyciu paliwa (o ile występuje komputer pokładowy). Układ sterowania zapłonem przedstawia rysunek 1. Ponieważ w trakcie optymalizacji dawki paliwa dużą rolę odgrywa ilość dostarczanego do silnika, jego ilość oraz temperatura są kontrolowane przez szereg czujników. Ilość zasysanego przez silnik zależy od położenia przepustnicy. Dalej zassane powietrze przepływa przez filtr, komorę zbiorczą dolotową i kolektor zbiorczy. Przechodząc przez głowicę zassane powietrze ulega podgrzaniu. We wszystkich etapach przepływu przez silnik dokonywane są pomiary jego temperatury i ciśnienia. Informacje te dalej przesyłane są do modułu kontrolnego EEC. Gdy powietrze przepływa przez zawór ssący, elektromagnetycznie sterowany wtryskiwacz dokonuje wtrysku zoptymalizowanej dawki paliwa pod niewielkim ciśnieniem. Paliwo w zetknięciu z gorącym powietrzem ulega odparowaniu, a zawirowanie sprzyja wytworzeniu mieszanki homogenicznej. Wtryskiwana dawka paliwa odmierzana jest na podstawie danych przesyłanych do modułu EEC, a ten z kolei steruje czasem otwarcia zaworu elektromagnetycznego wtryskiwacza. Pozwala to na stałą korekcję dawki paliwa w celu uzyskania optymalnego składu mieszanki palnej. Pomiar ilości odbywa się na podstawie sygnałów pochodzących z czujnika temperatury zassanego, czujnika ciśnienia w kolektorze dolotowym oraz czujnika
Zasilanie wtryskowe paliwem lekkim 2 prędkości obrotowej silnika. Pomiar prędkości obrotowej silnika wynika z faktu, iż dawka paliwa obliczana jest na każdy suw tłoka. EEC IV / V TBI / MFI / SFI Pomiar przepływu Zasilanie Mieszanka Spalanie Wydech Rysunek 1. Schemat układu zapłonowego sterowanego elektronicznie Paliwo zasysane jest ze zbiornika paliwa za pomocą elektrycznej pompy paliwa, przepływa następnie przez filtr dokładnego oczyszczania do szyny paliwowej, w której regulator ciśnienia utrzymuje stałe nadciśnienie względem ciśnienia wytwarzanego przez pompę. Ten sam zawór pozwala na odpływ nadmiaru paliwa do zbiornika przez przewód zwrotny. Z szyny paliwowej paliwo pod stałym ciśnieniem dostarczane jest do wtryskiwaczy. Mieszanka paliwo-powietrzna wytwarzana jest w kolektorze dolotowym (tam znajduje się wylot wtryskiwacza) oraz w samym cylindrze (gdzie mieszanka tworzy się na skutek zawirowania). Za pomocą równolegle uruchamianych przez moduł EEC wtryskiwaczy paliwo wtryskiwane jest w dwóch dawkach, tzw. wtrysk nieciągły: pierwsza dawka na zamknięty zawór dolotowy i druga dawka na otwierający się zawór dolotowych. Całkowita dawka paliwa ustalana jest przez moduł EEC z zachowaniem składu stechiometrycznego - 14,7 kg /1 kg paliwa przy ciśnieniu 1013 hpa i temperaturze 0 C. Wielkość dawki paliwa regulowana jest poprzez długość czasu otwarcia wtryskiwacza ze względu na stałą wartość różnicy ciśnień w kolektorze dolotowym i w szynie paliwowej. Czas otwarcia wtryskiwacza regulowany jest przez moduł EEC na podstawie danych pochodzących z następujących czujników: - czujnik położenia przepustnicy (TP); - czujnik prędkości pojazdu (VSS);
Zasilanie wtryskowe paliwem lekkim 3 - czujnik temperatury cieczy chłodzącej (ECT); - czujnik prędkości obrotowej silnika; - sonda lambda (HO2S); - czujnik ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym (MAP); - czujnia temperatury zassanego (IAT). Ponieważ w kanale dolotowym nie panują idealne warunki przepływu (pulsacje ciśnienia oraz zmiany gęstości ), a co za tym idzie sygnał wyjściowy z czujnika położenia przepustnicy nie generuje sygnału proporcjonalnego do rzeczywistej ilości przepływającego, moduł EEC kompensuje te wahania przy pomocy tablic współczynników korekcyjnych uzależnionych od temperatury zasysanego oraz jego ciśnienia bezwzględnego. Oprócz korekcji parametrów zasysanego przez silnik przeprowadzana jest także korekcja wahań napięcia akumulatora, co ma bezpośredni wpływ na cykl pracy wtryskiwaczy. Mierzone parametry Czujniki Element wykonawczy Zasilanie Przepływ MAP Zbiornik paliwa Obroty silnika Hallotron Pompa paliwa Położenie przepustnicy TP Filtr silnika ECT zasysanego IAT Wtryskiwacz Prędkość pojazdu Poziom tlenu w spalinach VSS HO2S SILNIK Regulator ciśnienia Napięcie akumulatora EEC Sygnał rozruchu Rysunek 2. Schemat układu sterowania wielopunktowego wtrysku paliwa
Zasilanie wtryskowe paliwem lekkim 4 W trakcie rozruchu zimnego silnika w układach bez kompensacji składu mieszanki, występują trudności z jej palnością. Aby ułatwić rozruch zimnego silnika konieczna jest korekta składu mieszanki paliwowo-powietrznej oraz kąta wyprzedzenia zapłonu. Należy jednak wziąć pod uwagę trudności związane z dokonaniem pomiaru ilości przepływającego (wynika to z faktu znacznych wahań prędkości obrotowej podczas rozruchu zimnego silnika). Moduł EEC generuje zastępczy sygnał stałego obciążenia. Sygnał ten zmienia się w zależności od temperatury silnika. Moduł EEC reguluje czas otwarcia wtryskiwaczy, a tym samym ilość podawanego paliwa na podstawie sygnałów z czujników temperatury silnika, prędkości obrotowej silnika oraz ilości obrotów wykonanych przez silnik od chwili rozruchu. Aby dawka paliwa była stale dostosowywana do warunków pracy silnika, jest ona zmniejszana po osiągnięciu przez silnik określonego stanu: wykonanie określonej liczby obrotów od momentu rozruchu lub po przekroczeniu określonej prędkości obrotowej w powiązaniu z zadaną temperaturą silnika. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika zmniejsza się ilość zasysanego na jeden suw tłoka, a tym samym skraca się czas otwarcia wtryskiwaczy. Mierzone parametry Czujniki Element wykonawczy Zasilanie Przepływ MAP Zbiornik paliwa Obroty silnika Hallotron Pompa paliwa Położenie przepustnicy TP Filtr silnika ECT zasysanego IAT Wtryskiwacz Napięcie akumulatora Sygnał rozruchu EEC SILNIK Regulator ciśnienia Rysunek 3. Schemat korekcji składu mieszanki przy rozruchu zimnego silnika Rozruch silnika w niskich temperaturach, nawet silnika nagrzanego, wymaga kompensacji składu mieszanki ze względu na niedostateczne parametry mieszanki palnej. W tym wypadku bogatsza mieszanka zapewnia uzyskanie większego momentu obrotowego przez silnik, co zapewnia lepszą charakterystykę obrotów silnika oraz niższe zużycie paliwa.
Zasilanie wtryskowe paliwem lekkim 5 Oprócz korekty składu mieszanki podczas rozruchu zimnego silnika wymagana jest także korekta przy rozruchu silnika w niskich temperaturach. Dokonując korekty w takich warunkach kompensowany jest niedostatek dawki paliwa, której część ze względu na niską temperaturę silnika skrapla się na ściankach cylindra (zuboża to mieszankę oraz zmywa film olejowy ze ścianek cylindra). Bogatsza mieszanka umożliwia osiągnięcie przez silnik wyższego momentu obrotowego, a tym samym pracę bardziej równomierną pracę silnika na biegu jałowym przy niskiej temperaturze silnika. Korekcja taka uzależniona jest od temperatury cieczy chłodzącej, a tym samym temperatury silnika. W trakcie gwałtownego naciśnięcia na pedał przyspieszania silnik zostaje krótkotrwale zadławiony na skutek nagłego zubożenia mieszanki. Moduł EEC ma za zadanie zapewnić płynne przejście silnika do nowych warunków pracy. Moduł rejestruje sygnał z czujnika położenia przepustnicy oraz stopień zmiany obciążenia silnika i na podstawie tych danych dokonuje korekty dawki paliwa, dostosowując ją do warunków pracy silnika. Podczas pracy silnika pod pełnym obciążeniem rozwijana jest maksymalna moc. Osiągnięcie jej przez silnik związane jest ze wzbogaceniem mieszanki w porównaniu ze składem mieszanki do pracy przy częściowym obciążeniu. Także wartość kąta wyprzedzenia zapłonu ustawiona jest na wartość zapewniającą uzyskanie maksymalnego momentu obrotowego. Moduł EEC posiada zaprogramowane mapy stopnia wzbogacenia mieszanki czyli odpowiednie czasy otwarcia wtryskiwaczy. Dane do tego typu korekcji moduł pobiera z czujnika położenia przepustnicy. Korekcja ta jest ściśle powiązana z prędkością obrotową silnika, by zapewnione zostało osiągnięcie maksymalnego momentu obrotowego przy zastrzeżeniu, by nie dopuścić do spalania stukowego w całym dostępnym zakresie prędkości obrotowej silnika. Regulacja obrotów biegu jałowego musi być zapewniona w każdych warunkach pracy silnika, tak przy zimnym silniku, włączonych odbiornikach prądu, jak i przy działającej klimatyzacji, włączeniu biegu przez przekładnię automatyczną czy działaniu układu wspomagania układu kierowniczego. Moduł EEC musi zapewnić właściwą (stałą) dla prawidłowej pracy silnika wartość prędkości obrotowej. Realizowane jest to poprzez zmianę kąta wyprzedzenia zapłonu (mniejsze obciążenie silnika) bądź przez regulację dawki paliwa (większe obciążenia silnika). Przy spadku prędkości na biegu jałowym moduł powoduje zwiększenie kąta wyprzedzenia zapłonu, przy uwzględnieniu danych z czujników oraz danych z HO2S (określenie skuteczności spalania oraz składu spalin). Regulacja kąta wyprzedzenia zapłonu powoduje stabilizację prędkości obrotowej przez zwiększenie momentu obrotowego. W czasie regulacji prędkości obrotowej na biegu jałowym moduł EEC steruje pracą zaworu regulacji prędkości biegu jałowego IAC. Przepływ regulowany jest za pośrednictwem zmiennego przelotu zaworu regulacji biegu jałowego. Powietrze obchodząc przepustnicę powoduje korektę czasu otwarcia wtryskiwaczy, co także wpływa na stabilizację obrotów biegu jałowego. Dla zapewnienia bezpieczeństwa kierowcy i silnika moduł EEC ogranicza maksymalną prędkość obrotową silnika do wartości zaprogramowanej. W razie przekroczenia przez silnik maksymalnej dozwolonej prędkości obrotowej moduł EEC tłumi impulsy układu wtryskowego i zapłonowego do chwili, aż prędkość obrotowa osiągnie wartość poniżej maksymalnej dozwolonej wartości prędkości obrotowej. Moduł EEC odpowiedzialny jest również za odcięcie dopływu paliwa w trakcie hamowania silnikiem. Ma to na celu nie dopuszczenie do nadmiernej koncentracji niespalonego paliwa w cylindrze oraz w układzie wylotowym, co grozi zmyciem warstwy smarującej gładź cylindra oraz zalepieniem katalizatora. Moduł EEC odcina dopływ paliwa w zależności od sygnałów dopływających do niego z czujnika temperatury silnika, czujnika położenia przepustnicy oraz czujnika prędkości obrotowej wału korbowego (jeżeli obroty silnika są większe niż 2000 obr/min).
Zasilanie wtryskowe paliwem lekkim 6 Mierzone parametry Czujniki Element wykonawczy Zasilanie Przepływ MAP Zbiornik paliwa Obroty silnika Hallotron Pompa paliwa Położenie przeoustnicy TP Filtr silnika ECT zasysanego IAT Wtryskiwacz Prędkość pojazdu Zwiększenie dawki i obrotów silnika VSS Złącze diagnostyczne SILNIK Regulator ciśnienia Włącznik klimatyzacji IAC Sygnalizator N/D przekładni Napięcie akumulatora EEC Pamięć KAM Moduł E-DIS Moduł TFI Rysunek 4. Schemat regulacji prędkości obrotowej silnika na biegu jałowym Podczas wyłączenia funkcji odmierzania dawki paliwa następuje zwłoka, ponieważ w ciągu kilku cykli spalania następuje korekta normalnej wartości kąta wyprzedzenia zapłonu. W następstwie tego pojawia się delikatny efekt hamowania. Z chwilą gdy prędkość obrotowa spada poniżej pewnej zaprogramowanej wartości (w granicach 1100 1600 obr/min w zależności od położenia przepustnicy) masa paliwa przeznaczonego do wtrysku jest ustawiana na ostatnio zarejestrowaną wartość zgodnie z funkcją czasu.
Zasilanie wtryskowe paliwem lekkim 7 Komputerowy układ sterujący składa się z układu I/O, mikroprocesora (CPU), pamięci stałej (ROM), pamięci o dostępie swobodnym (RAM), pamięci bez podtrzymywania (KAM) oraz magistrali transmisji danych. Sygnały odebrane z czujników, po przetworzeniu w odpowiednich układach, przekazywane są magistralą danych do mikroprocesora. Ten dokonuje porównania otrzymanych danych z danymi zaprogramowanymi w mapach wartości oraz przetwarza za pomocą programów przeliczeniowych na zoptymalizowane sygnały wyjściowe. Mapy wartości oraz programy przeliczeniowe przechowywane są w pamięci typu ROM. Dane te zapisywane są w tej pamięci w fazie produkcji modułu EEC. Pamięć RAM, w odróżnieniu od pamięci ROM, pozwala na zapis danych. Zapisywane w niej dane są sygnałami pochodzącymi od czujników i pozostają w niej do chwili wywołania ich przez mikroprocesor lub ich uaktualnienia oraz dane pochodzące z przeliczeń mikroprocesora do chwili pobrania ich do kolejnych przeliczeń. Pamięć ta ulega skasowaniu w chwili wyłączenia zapłonu. Pamięć KAM (tzw. pamięć adaptacyjna) jest częścią pamięci RAM, wymagająca jednak nieustannego zasilania. Pamięć ta ulega skasowaniu z chwilą odłączenia akumulatora. Przechowywane w niej są dane ciśnienia atmosferycznego oraz odchylenia danych dla poszczególnych podzespołów. EEC IV BUS we I/O CPU ROM RAM KAM I/O wy I/O we Rysunek 5. Schemat komputerowego układu sterującego Elementy układu jednopunktowego wtrysku paliwa przedstawia rysunek 6, natomiast rysunek 7 przedstawia zespół wtryskiwacza jednopunktowego (TBI). Elementy układu wielopunktowego wtrysku paliwa przedstawia rysunek 8. W układzie tym, w odróżnieniu od wkładu jednopunktowego wtrysku, wtrysk paliwa odbywa się do poszczególnych kanałów dolotowych nad zawór (rysunek 9). W przypadku układu MPI wtrysk odbywa się równocześnie do wszystkich kanałów dolotowych, bez względu na występujący w danym cylindrze suw. W układach SPI wtrysk odbywa się sekwencyjnie, tylko do tych kanałów, które doprowadzają mieszankę do cylindrów, w których ma nastąpić suw ssania. Zapobiega to powstawaniu zapasów paliwa w kanale oraz pozwala na bardziej ekonomiczną pracę silnika.
Zasilanie wtryskowe paliwem lekkim 8 Rysunek 6. Układ sterowania praca silnika EEC IV/TBI 1 - elektryczna pompa paliwa; 2 - filtr paliwa; 3 - przekaźnik pompy paliwa; 4 - regulator ciśnienia paliwa; 5 - zbiornik par paliwa; 6 - zawór spustu para paliwa; 7 - akumulator; 8 - moduł sterujący układu zapłonowego; 9 - cewka zapłonowa; 10 - czujnik temperatury zassanego ; 11 - wtryskiwacz; 12 - silnik krokowy regulacji położenia przepustnicy; 13 - czujnik zamknięcia przepustnicy; 14 - czujnik położenia przepustnicy; 15 - czujnik ciśnienia bezwzględnego; 16 - filtr ; 17 - czujnik temperatury cieczy chłodzącej; 18 - czujnik położenia wału korbowego; 19 - sonda lambda; 20 - rezystor układu wtryskowego (jednopunktowego); 21 - przekaźnik zasilania modułu; 22 - złącze diagnostyczne; 23 - złącze testu własnego; 24 - przełącznik położenia naturalnego (skrzynia automatyczna); 25 - czujnik prędkości pojazdu; 26 - przekaźnik układu dodatkowego ; 27 - włącznik zapłonu; 28 - moduł sterujący EEC IV; 29 - układ zabezpieczenia przez kradzieżą Rysunek 7. Zespół wtryskiwacza jednopunktowego 1 - zespół wtryskiwacza jednopunktowego; 2 - wtryskiwacz; 3 - regulator ciśnienia paliwa; 4 - czujnik temperatury zassanego ; 5 - silnik krokowy regulacji położenia przepustnicy; 6 - czujnik położenia przepustnicy
Zasilanie wtryskowe paliwem lekkim 9 Rysunek 8. Układ sterowania praca silnika EEC IV / EEC V 1 - moduł EEC; 2 - elektryczna pompa paliwa; 3 - wyłącznik bezwładnościowy odcinający dopływ paliwa; 4 - przekaźnik pompy paliwa; 5 - czujnik ciśnienia bezwzględnego; 6 - filtr paliwa; 7 - zawór regulacji prędkości biegu jałowego; 8 - filtr ; 9 - regulator ciśnienia; 10 - szyna paliwowa; 11 - czujnik położenia przepustnicy; 12 - czujnik temperatury zassanego ; 13 - cewka zapłonowa; 14 - wtryskiwacz; 15 - zbiornik par paliwa; 16 - zawór spustu par paliwa; 17 - moduł zapłonowy; 18 - czujnik położenia wału korbowego; 19 - czujnik ciśnienia oleju; 20 - sonda lambda nr 2; 21 - sonda lambda nr 1; 22 - akumulator; 23 - katalizator; 24 - przekaźnik zasilania; 25 - włącznik zapłonu; 26 - czujnik temperatury cieczy chłodzącej; 27 - złącze testu własnego; 28 - włącznik klimatyzacji; 29 - złącze diagnostyczne; 30 - zwiększenie dawki na biegu jałowym; 31 - czujnik włączenia wspomagania układu kierowniczego Rysunek 9. Sposób tworzenia mieszanki palnej w układzie wielopunktowego wtrysku paliwa 1 - kolektor dolotowy; 2 - przepustnica; 3 - strumień ; 4 - otwór dolotowy ; 5 - gniazdo zaworu; 6 - obszar między wtryskiwaczem a zaworem dolotowym, w którym wytwarzane jest zawirowanie