Moduł 5 Budowa, zasada działania i diagnozowanie układów elektronicznego sterowania pracą silników ZS

Moduł 5 Budowa, zasada działania i diagnozowanie układów elektronicznego sterowania pracą silników ZS 1. Wstęp 2. Sterowanie silnikiem wysokoprężnym 3. Współczesne układy wtryskowe silników ZS 4. Diagnostyka układów zasilania silników ZS 5. Ocena stany technicznego silnika ZS na podatnie zadymienia spalin 6. Bibliografia 1

1. Wstęp Układy wtryskowe silników z zapłonem samoczynnym można podzielić: ze względu na konstrukcje silnika są to układy z wtryskiem do komory wirowej i z wtryskiem bezpośrednio do komory silnika; ze względu na rodzaj zastosowania urządzenia tłoczącego paliwo są to układy z pompami tłoczkowymi, pompami rozdzielaczowymi, pompowtryskiwaczami, wysokociśnieniowymi promieniowymi pompami współpracującymi z zasobnikiem ciśnienia (układ Common Rail). Układ zasilania silników ZS pełni następujące zadania: odmierza dawkę paliwa jednakową dla wszystkich cylindrów, wtryskuje paliwo, gdy w cylindrze panuje odpowiednie ciśnienie, wtryskuje strumienie paliwa pod wymaganym ciśnieniem. Elektronizacja układów jest związana z dążeniem do wzrostu sprawności silników wysokoprężnych i osiągnięcia odpowiedniej czystości spalin. Sterownik zbiera informacje o stanie silnika i warunkach jego pracy, przekazuje je do jednostki sterującej. Następnie informacje są analizowane i stanowią podstawę do przygotowania sygnałów wysyłanych do urządzeń wykonawczych. 2. Sterowanie silnikiem wysokoprężnym Elektronizacja układu sterowania silnika wysokoprężnego rozpoczęła się od zastąpienia mechanicznego regulatora prędkości obrotowej regulatorem elektronicznym oraz mechanicznego/hydraulicznego przestawiacza kąta wtrysku przestawiaczem elektronicznym. We współczesnych układach decydujące zdanie oraz zarządzanie efektywnością pracy silnika realizuje mikroprocesorowy sterownik silnika. Współpracuje on z urządzeniami wykonawczymi i czujnikami. Sterowanie silnikiem wysokoprężnym można podzielić na następujące bloki funkcyjne: czujniki i nadajniki wartości znamionowej określają warunki pracy silnika i wartości znamionowe. Ich zadaniem jest również przetwarzanie wielkości fizycznych na sygnały elektryczne; sterownik; elementy wykonawcze przetwarzają elektryczne sygnały wyjściowe sterownika w wielkości mechaniczne. Sterownik silnika odbiera sygnały dotyczące: kąta obrotu wału korbowego, prędkości obrotowej wału rozrządu, ciśnienia paliwa w zasobniku wysokiego ciśnienia, ciśnienia doładowania, temperatury powietrza w kolektorze dolotowym, cieczy chłodzącej, masy powietrza dopływającego do silnika, prędkości jazdy itp. Sterownik przetwarza sygnały zewnętrzne czujników. Sygnały doprowadzone do sterownika mogą być: 2

analogowe przykładami są temperatura cieczy chłodzącej, masa zasysanego powietrza, ciśnienie w przewodzie dolotowym. Sterownik przetwarza te sygnały na sygnały cyfrowe; cyfrowe np. sygnał z czujnika prędkości obrotowej wału korbowego; impulsowe sygnały z czujników indukcyjnych, niosą informacje o liczbie obrotów. Przetwarzane są w specjalnym układzie znajdującym się wewnątrz sterownika. Mikroprocesory na podstawie zawartych w pamięci sterownika danych wyjściowych i charakterystyk obliczają odpowiednie czasy i momenty wtrysku. Następnie wartości te są dostosowane do stanu pracy silnika. Sterownik ma zapisane w pamięci następujące informacje i charakterystyki: mapę wtrysku w zależności od położenia pedału przyspieszenia; mapę wtrysku w zależności od ciśnienia doładowania; mapę wtrysku w zależności od stopnia recyrkulacji spalin; mapę wtrysku w zależności od emisji spalin; mapę wtrysku w zależności od ciśnienia paliwa w obwodzie wysokiego ciśnienia; krzywą pełnego obciążenia. Urządzenie sterujące wysyła także do magistrali CAN sygnały niezbędne do sterowania innymi układami występującymi w pojeździe samochodowym. Posiada również funkcję samodiagnozy. Schemat funkcjonalny układu elektronicznego sterowania pracą silnika o zapłonie samoczynnym zobrazowano na Rys. 5.1. Rys. 5.1 Schemat funkcjonalny układu z zapłonem samoczynnym sterowanego elektronicznie Źródło: Pacholski K, Elektryczne i elektroniczne wyposażenie pojazdów samochodowych, cz.2. Wyposażenie elektroniczne, WKŁ, Warszawa, 2013, 188 3

W silnikach z zapłonem samoczynnym stosuje się elektroniczne układy sterowania odpowiadające za wtrysk paliwa. Dawka paliwa jest określana na podstawie położenia pedału przyspieszenia, obciążenia silnika, emisji spalin oraz sygnałów z innych czujników. Czujniki stosowane w układzie zasilania silnika o zapłonie samoczynnym oraz ich rozmieszczenie w pojeździe przedstawiono na rys. 5.2. Rys. 5.2 Rozmieszczenie głównych podzespołów układu wtryskowego na przykładzie samochodu Opel 1 czujnik temperatury powietrza dolotowego, 2 przepływomierz powietrza, 3 czujnik ciśnienia doładowania, 4 czujnik prędkości obrotowej silnika, 5 czujnik temperatury cieczy chłodzącej, 6 elektropneumatyczny przetwornik ciśnienia, 7 komputer pokładowy ECM, 8 czujnik położenia pedału przyspieszenia, 9, 10 elektrozawory regulacji zawirowania powietrza, 12 pompa wtryskowa Źródło: Wtrysk bezpośredni w silnikach diesla, Instalator Polski, str.15 Czujnik położenia pedału przyspieszenia (czujnik obrotowy, potencjometryczny) przekazuje do urządzenia sterującego informacje o położeniu pedału. Położenie jest rozpoznawane na podstawie spadku napięcia (podczas poruszania pedał zmienia rezystancję). W przypadku braku sygnału z czujnika pompa wtryskowa utrzymuje prędkość obrotową silnika 1200 1500 obr/min. Czujnik indukcyjny mierzy prędkość obrotową silnika. Sygnał z czujnika jest niezbędny do ograniczenia wartości prędkości obrotowej biegu jałowego, do regulacji prędkości biegu jałowego oraz do identyfikacji szarpania i nierównomiernej pracy silnika. W razie braku sygnału z czujnika urządzenie sterujące w trybie awaryjnym do ustalenia prędkości obrotowej może wykorzystać sygnał czujnika początku wtrysku. Czujnik początku wtrysku (wzniosu igły rozpylacza) sygnalizuje początek wtrysku paliwa do cylindrów. Urządzenie sterujące porównuje sygnał z zapisanymi w pamięci wartościami zależnymi od ilości paliwa, prędkości obrotowej, temperatury cieczy chłodzącej i ciśnienia powietrza. W przypadku różnicy porównywanych wartości nastawy pompy są zmieniane w sposób umożliwiający korektę odbiegającej wartości. W przypadku braku sygnału nie może być przeprowadzona regulacja wtrysku. Wiąże się to 4

ze spadkiem momentu obrotowego i nieprawidłowościami w spalaniu paliwa. Sygnał czujnika sprawdza się na podstawie współczynnika trwania impulsu. Do określenia ilości wtryskiwanego paliwa i początku wtrysku służy czujnik ciśnienia powietrza. W silnikach turbodoładowanych czujnik ten spełnia również rolę czujnika doładowania, informując sterownik o konieczności zmiany nastaw zaworu regulacji ciśnienia. Brak sygnału z czujnika uniemożliwia regulowanie ciśnienia. Powoduje to zmniejszenie momentu obrotowego. Czujnik można sprawdzić poprzez pomiar rezystancji. Sygnały wyjściowe z czujników temperatury cieczy chłodzącej i paliwa regulują początek wtrysku oraz ilość wtryskiwanego paliwa. Czujnik paliwa jest czujnikiem o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC). Pomiar paliwa odbywa się w przewodzie przelewowym wtryskiwaczy. Od temperatury paliwa zależy sterowanie zaworami dozowania paliwa, ciśnienie w zasobniku paliwa, dawka paliwa. Wszystkie te czujniki sprawdza się poprzez pomiar rezystancji. Urządzenie sterujące otrzymuje informacje o nastawionej dawce paliwa z następujących czujników w przypadku rozdzielaczowej pompy z czujnika położenia pierścienia przelewowego, pompy rzędowej z czujnika przesunięcia listwy regulacyjnej. Sygnał z tych czujników umożliwia sterownikowi ustawienie odpowiednio obliczonej dawki paliwa. Dla sygnałów z tych czujników nie ma wartości zastępczej, ani trybu awaryjnego. Brak sygnału powoduje unieruchomienie silnika. Diagnozowanie jest możliwe tylko przy pomocy testera diagnostycznego. W większości produkowanych pojazdów do pomiaru prędkości jazdy stosuje się hallotronowe czujniki. Czujnik ten zmienia prędkość obrotową na ciąg unipolarnych impulsów prądowych. Sygnał prędkości jazdy jest konieczny do zwiększenia wartości prędkości biegu jałowego do wartości, która zniweluje szarpanie pojazdem przy małej prędkości jazdy lub przy małej prędkości obrotowej. Do głównych nastawników realizujących sygnał sterownika zalicza się: zawór elektromagnetyczny wysokiego ciśnienia; elektromagnetyczny nastawnik dawki paliwa; elektromagnetyczny nastawnik początku wtrysku tłoczenia; zawór elektromagnetyczny przestawiacza wtrysku; wtryskiwacze; nastawnik ciśnienia doładowania; zawór regulacji ciśnienia lub dozownik paliwa; zawór recyrkulacji spalin; nastawnik przepustnicy; świece żarowe; sprzęgło wentylatora układu chłodzenia; nastawnik regulacji zmiennej geometrii układu dolotowego. Bardzo istotnymi elementami wykonawczymi są wtryskiwacze. Poprzez wtryskiwanie paliwa do komory spalania silnika z zapłonem samoczynnym wtryskiwacze wywierają wpływ na spalanie, co za tym idzie na moc silnika, poziom emisji spalin oraz na hałas. W układach wtryskowych z zapłonem samoczynnym stosuje się wtryskiwacze mechaniczno-hydrauliczne, w układach Common Rail stosuje się wtryskiwacze elektromagnetyczne i piezoelektryczne. Wtrysk paliwa odbywa się w następujący sposób: wtryskiwacz jest otwierany siłą ciśnienia paliwa, a zamykany siłą sprężyny. Podstawowym podzespołem wtryskiwacza jest rozpylacz. Zabudowę wtryskiwacza w silniku przedstawiono na rys. 5.3. 5

Rys. 5.3 Zabudowa wtryskiwacza w silniku ZS 1-doprowadzenie paliwa, 2-obsada wtryskiwacza, 3-przelew paliwa, 4-rozpylacz, 5-podkłaka uszczelniająca, 6-komora spalania silnika, 7-głowica silnika, 8-nakrętka mocująca wtryskiwacz, 9-sprężyna dociskowa, 10-kanał ciśnieniowy, 11-filtr Źródło: Zając P., Silniki pojazdów samochodowych, cz. 2. Układy zasilania, chłodzenia, smarowania, dolotowe i wylotowe, WKŁ, Warszawa, 2010, 153 Ze względu na przebieg wtrysku wtryskiwacze dzielimy na jednosprężynowe i dwusprężynowe. Zasadę działania wtryskiwacza jedosprężynowego przedstawiono na rys. 5.4a. Paliwo doprowadzane do wtryskiwacza, przez filtr szczelinowy kanałami w obsadzie i korpusie rozpylacza, dopływa do komory ciśnieniowej. Ciśnienie paliwa wytwarza siłę nacisku na powierzchnię odsadzenia. Od góry na rozpylacz naciska sprężyna. Ciśnienie paliwa zależy od ugięcia wstępnego sprężyny. Gdy wysokie ciśnienie paliwa pokona opór sprężyny iglica rozpylacza zostanie podniesiona do góry, a paliwo zostanie wtryśnięte do komory. We wtryskiwaczu dwusprężynowym (Rys. 5.4b) są umieszczone szeregowo dwie sprężyny, jedna nad drugą. W pierwszej fazie wtrysku na igłę rozpylacza działa tylko jedna sprężyna. Ustala ona wstępne ciśnienie otwarcia. Druga sprężyna opiera się o tulejkę zderzaka. Przy skokach większych od wstępnego, następuje uniesienie tulejki, wówczas na igłę rozpylacza działają obie sprężyny. Wzrost ciśnienia w komorze ciśnieniowej powoduje wykonanie przez igłę pełnego skoku. Prowadzi to do wtryśnięcia pełnej dawki paliwa. Dwustopniowy wtrysk paliwa zapewnia zmniejszenie hałasu. Mała dawka paliwa doprowadzona do komory spalania w pierwszej fazie, inicjując samozapłon, wpływa na mniejsze przyrosty ciśnienia podczas spalania. 6

Rys. 5.4. Budowa wtryskiwacza a) jednosprężynowego 1-filtr szczelinowy, 2- kanał dopływowy, 3- czop naciskowy, 4- wkładka, 5- nakrętka mocująca rozpylacz, 6-korpus rozpylacza, 7-kołki ustalające, 8-spręzyna, 9-podkładka regulacyjna, 10-kanał odprowadzenia przecieków, 11-króciec odprowadzenia przeciek ów, 12-obsada wtryskiwacza, 13-złącze gwintowe, 14-stożek uszczelniający b) dwusprężynowego 1-obsada wtryskiwacza, 2,9 podkładki, 3-pierwsza sprężyna, 4- sworzeń naciskowy, 5- podkładka prowadząca, 6-druga sprężyna, 7- popychacz, 8-taleszyk sprężyny, 10-wkładka, 11-tulejka oporowa zderzaka, 12-iglica rozpylacza, 13-nakrętka mocująca rozpylacz, 14-korpus rozpylacza Źródło: Zając P., Silniki pojazdów samochodowych, cz. 2. Układy zasilania, chłodzenia, smarowania, dolotowe i wylotowe, WKŁ, Warszawa, 2010 7

Parametrem, decydującym o możliwości uruchomienia zimnego silnika, jest czas żarzenia świec żarowych. Zadaniem świecy żarowej jest wspomaganie urządzenia rozruchowego silnika z zapłonem samoczynnym, umożliwiając uruchomienie zimnego silnika. Dodatkowo świece żarowe, wydzielając ciepło podczas pracy, zmniejszają emisję zanieczyszczeń. Budowę świecy żarowej przedstawiono na rys 5.5. Sterowanie odbywa się przy pomocy urządzenia sterującego, które wysyła sygnał masy do przekaźnika świec żarowych, umożliwiając doprowadzenie prądu do instalacji elektrycznej świecy żarowej. Rys. 5.5. Budowa świecy żarowej 1-spirala grzewcza, 2-wypełnienie izolacyjne, 3-spirala regulacyjna, 4-gwint,5-nakretka okrągła, 6-gwint łączący, 7-korpus metalowy, 8-elektroda metalowa, 9-elemnt żarzący Źródło: Zając P., Silniki pojazdów samochodowych, cz. 2. Układy zasilania, chłodzenia, smarowania, dolotowe i wylotowe, WKŁ, Warszawa, 2010, 200 3. Współczesne układu wtryskowe silników ZS Ze względu na budowę obwodu wysokiego ciśnienia, wyróżniamy następujące rodzaje układów wtryskowych: z rzędową pompą wtryskową, z rozdzielaczową pompą wtryskową, z pompowtryskiwaczami, z indywidualnymi zespołami wtryskowymi, zasobnikowe układy wtryskowe. Elektronicznie regulowany wtrysk paliwa w systemie z rozdzielaczową pompą wtryskową Pompa wtryskowa napędzana jest łańcuchem, pasem zębatym lub kołami zębatymi w sposób odpowiadający prędkości obrotowej wałka rozrządu i ruchowi tłoków. Zadaniem pompy wtryskowej jest regulowanie dawki paliwa, pracy silnika, przepustnicy, początku wtrysku. Pompa wtryskowa steruje pracą obwodu niskociśnieniowego oraz obwodu wysokociśnieniowego. W obwodzie niskociśnieniowym pompa wtryskowa zintegrowana jest z pompą łopatkową, która zasila paliwem pompę wysokiego ciśnienia. W obwodzie wysokociśnieniowym pompa wtryskowa dostarcza paliwo do dysz wtryskowych. Po wtrysku paliwa następuje obniżenie ciśnienia w obwodzie za pomocą równoprężnch zaworów redukcyjnych. 8

Rys. 5.6. System wtrysku paliwa z rozdzielaczową pompą paliwa Źródło: Potrykus J., Poradnik Techniki Samochodowej, REA, Warszawa, 2010, 267 9

Rys. 5.7. Schemat przepływu sygnałów w układzie z rzędową pompą wtryskową 1- czujnik położenia pedału przyspieszenia, 2- czujnik położenia ZZ i prędkości obrotowej wału korbowego, 3- czujnik położenia wałka rozrządu, 4- czujnik ciśnienia doładowania, 5-czujnik temperatury silnika, 6-czujnik prędkości jazdy, 7-włącznik tempomatu, 8- wielostopniowy ogranicznik prędkości maksymalnej, 9- wielostopniowy ogranicznik dawkowania i prędkości obrotowej, 10-przełącznik regulacji/ograniczenia prędkości jazdy, 11-włącznik dla regulacji prędkości pośrednich, 12- włącznik świateł hamowania, 13- czujnik hamowania silnikiem, 14-czujnik położenia sprzęgła, 15-włącznik drzwiowy, 16- stacyjka, 17- wtryskiwacz z czujnikiem położenia igły, 18- sterownik, 19-pompa wtryskowa, 20-nastawnik ciśnienia doładowania, 21- sterownik hamowania silnikiem, 22- sterowanie kanałem by-pass układu chłodzenia powietrza doładowanego, 23- dodatkowe stopnie końcowe, 24-lampka kontrola Tempomatu, 25-lampka kontrolna silnika, 26-interfejs diagnostyczny ISO, 27- wyjścia sygnałów PWM, 28- interfejs sieci CAN Źródło: Dmowski R., Rozpoznawanie układów wtryskowych, Kompendium Praktycznej Wiedzy Warsztatowej, Poradnik Serwisowy, Warszawa, Instalator Polski, Warszawa 2/2007, 34 10

Układy wtryskowe z pompowtryskiwaczami W przedstawianych układach wtryskowych pompa i wtryskiwacz stanowią jeden element pompowtryskiwacz. Działanie pompowtryskiwacza zilustrowano na rys. 5.8. W działaniu zespołu można wyodrębnić następujące stany: skok ssania; skok wstępny; skok tłoczenia połączony z procesem wtrysku paliwa; skok resztkowy. Pracą pompowtryskiwacza przy pomocy zaworu elektromagnetycznego steruje sterownik silnika. Niezależnie od dostarczonych sygnałów wejściowych, urządzenie sterujące włącza zawór elektromagnetyczny. Zawór elektromagnetyczny ma dwa stany pracy: otwarty brak prądu sterowania, pompa tłoczy paliwo do przewodów przelewowych; zamknięty otrzymanie sygnału prądowego zamyka zawór, paliwo tłoczy się do wtryskiwaczy. Uszkodzenie zaworu uniemożliwia wtrysk paliwa. W przypadku, gdy zawór pozostaje cały czas otwarty nie występuje oddzielenie komory wysokiego ciśnienia od obwodu niskiego ciśnienia, paliwo ciągle przepływa do obwodu niskiego ciśnienia, a jego ciśnienie nie wzrasta. W przypadku, gdy zawór jest stale zamknięty paliwo nie przepływa do komory wstępnego ciśnienia i nie może jej napełnić. 11

Rys. 5.8. Działanie pompowtryskiwacza a-skok ssania, b-skok wstępny, c-skok tłoczenia, d-skok resztkowy, 1-krzywka napędowa, 2- tłoczek, 3-spręzyna powrotna, 4-przestrzeń wysokiego ciśnienia, 5-iglica zaworu elektromagnetycznego, 6-przestrzeń zaworu elektromagnetycznego, 7-kanał dopływu, 8-kanał przelewowy, 9-cewka napędowa iglicy zaworu, 10-gniazdo zaworu elektromagnetycznego, 11-iglica rozpylacza, h M- wznios iglicy zaworu elektromagnetycznego, h N- wznios iglicy rozpylacza, I s- prąd cewki zaworu elektromagnetycznego, p e-ciśnienie wtrysk Źródło: Pacholski K., Elektryczne i elektroniczne wyposażenie pojazdów samochodowych, cz. 2, Wyposażenie elektroniczne, WKŁ, Warszawa 2013, 201 12

Rys. 5.9. Elementy układu wtryskowego z promieniową rozdzielaczową pompą wtryskową 1-zbiornik paliwa, 2- filtr paliwa, 3- pompa wtryskowa, 4-sterownik pompy, 5- elektromagnetyczny zawór wysokiego ciśnienia, 6-zawór elektromagnetyczny przestawiacza wtrysku, 7-przestawiacz wtrysku, 8-urządzenie sterujące silnika, 9-wtryskiwacz z czujnikiem wzniosu igły rozpylacza, 10-sztabkowa świeca żarowa, 11-sterownik czasu żarzenia, 12-czujnik temperatury cieczy chłodzącej, 13-czujnik prędkości obrotowej wału korbowego, 14-czujnik temperatury powietrza doładowywanego, 15-masowy przepływomierz powietrza, 16-czujnik ciśnienia doładowania, 17-turbosprężarka, 18-nastawnik recyrkulacji spalin, 19-nastawnik ciśnienia doładowania, 20-pompa podciśnienia, 21-akumulator, 22-zestaw wskaźników zużycia paliwa, 23-czujnik położenia pedału przyspieszenia, 24-stycznik pedału sprzęgła, 25-stycznik pedału hamulca, 26-czujnik prędkości jazdy, 27-nastawnik regulatora prędkości jazdy, 28- wyłącznik sprężarki klimatyzacji, 29-lampka kontrolna ze złączem diagnostycznym Źródło: Herner A., Riehl H.J., Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych, Warszawa, WKŁ, 2003, 275 Rys. 5.10. Schemat układu wtryskowego z indywidualnymi zespołami wtryskowymi 1-wtryskiwacz paliwa, 2- krótki przewód wtryskowy, 3-komora spalani silnika, 4-zawór elektromagnetyczny wysokiego ciśnienia, 5-indywidualna pompa wtryskowa, 6-wałek rozrządu Źródło: Zając P., Silniki pojazdów samochodowych, cz. 2, Układy zasilania, chłodzenia, smarowania, dolotowe i wylotowe, WKŁ, Warszawa, 2010, 170 13

Zasobnikowy układ Common Rail Układ Common Rail to system bezpośredniego wtrysku paliwa w silnikach wysokoprężnych. Paliwo, znajdujące się pod wysokim ciśnieniem, jest zmagazynowane we wspólnym przewodzie rozdzielczym, zwanym zasobnikiem paliwa, połączonym z wtryskiwaczami przewodami wtryskowymi. W układzie Common Rail ciśnienie wtrysku jest wytwarzane niezależnie od prędkości obrotowej i dawki paliwa. Rys. 5.11. przedstawia omawiany układ. Rys. 5.11. Elementy układu Common Rail w silniku ośmio-cylindrowym 1-pompa wysokiego ciśnienia, 2-zawór regulacyjny wysokiego ciśnienia, 3-zasobnik paliwa wysokiego ciśnienia 4- czujnik ciśnienia paliwa, 5-wtryskiwacz, 6-rozdzielacz, 7-zawór bimetalowy, 8-czujnik ciśnienia w obwodzie zasilania, 9-filtr paliwa, 10-dodoatkowa pompa zasilająca, 11- chłodnica paliwa, 12-zawór odpowietrzający z dławikiem, 13-zbiornik paliwa z pompą zasilającą, 14-czujnik położenia pedału przyspieszenia, 15-czujnik położenia i prędkości obrotowej wału korbowego, 16-czujnik temperatury cieczy chłodzącej, 17-czujnik prędkości obrotowej wałka rozrządu, 18-czujnik ciśnienia powietrza doładowanego, 19-masowy przepływomierz powietrza, 20-turbosprężarka, 21- dwa elektropneumatyczne przetworniki ciśnienia dla układu recyrkulacji spalin, 22-sterowanie turbosprężarki, 23-rozdzielacz podciśnienia Źródło: Herner A., Riehl H. J., Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych, Warszawa, WKŁ, 2003, 277 Silniki Common Rail charakteryzują się: lepszym spalaniem paliwa, wysoką sprawnością termodynamiczną, mniejszym wydzielaniem ciepła, mniejszym hałasem, mniejszą emisją spalin łatwością uzyskania wysokich parametrów użytkowych (moc, moment obrotowy). 14

Układ sterowania silnika z wtryskiem Common Rail tworzą dwa obwody paliwowe: obwód niskiego i wysokiego ciśnienia. Ciśnienie wytwarza pompa wtrysku napędzana poprzez łańcuch lub pasek rozrządu. Wartość ciśnienia jest dobierana przez urządzenie sterujące odpowiednio do warunków pracy silnika. Paliwo jest magazynowane pod wysokim ciśnieniem w zasobniku. Zasilanie dysz wtryskowych przejmuje szyna paliwowa. Cechą charakterystyczną układu jest dostosowanie ciśnienia wtrysku oraz dawek paliwa dostarczanych do cylindrów do pracy silnika. Układ Common Rail umożliwia podawanie dawki paliwa w pięciu, sześciu fazach wtrysku na jeden cykl pracy. Urządzenie sterujące między innymi reguluje wielkość wtrysku, reguluje ciśnienie w szynie paliwowej, blokuje uruchomienie silnika, tłumi nierównomierną pracę silnika. Właściwe działanie układu Common Rail jest uzależnione od ciśnienia oleju w zasobniku ciśnienia. Sterownik reguluje ciśnienie w zasobniku poprzez regulator ciśnienia. Budowę zaworu regulacyjnego ciśnienia przedstawia Rys. 5.12. Zawór regulacyjny jest elektromagnetycznym zaworem kulkowym. Włączenie zaworu następuje poprzez dociśnięcie kotwicy przez sprężynę. Zawór zostaje zamknięty, połączenie między obwodami wysokiego i niskiego ciśnienia zostaje odcięte, ciśnienie w zasobniku paliwa wzrasta. Siła sprężyny umożliwia utrzymanie w zasobniku ciśnienia 10 MPa. Po uruchomieniu silnika sterownik zasila uzwojenie elektromagnesu w taki sposób, aby w zasobniku utrzymane było ciśnienie na stałym poziomie. Rys. 5.12. Zawór regulacyjny ciśnienia Źródło: Pacholski K., Elektryczne i elektroniczne wyposażenie pojazdów samochodowych, cz. 2, Wyposażenie elektryczne, Warszawa, WKŁ, 2013 15

Rys. 5.13. Zasada działania wtryskiwacza elektromagnetycznego a) wtryskiwacz zamknięty b) wtryskiwacza c) zamykanie wtryskiwacza 1-złacze przelewu paliwa, 2-cewka elektromagnesu, 3-sprężyna, 4-kotwica, 5-kulka zaworu, 6- komora sterująca zaworu, 7-sprężynaa rozpylacza, 8-odsadzenie rozpylacza, 9-objętość komory rozpylacza, 10-kanalik wtryskowy, 11-sprężyna zaworu elektromagnetycznego, 12-dławik odpływu, 13-złącze dopływu paliwa wysokiego ciśnienia, 14-dławik dopływu, 15-tłoczek sterujący, 16-iglica rozpylacza Źródło: Zając P., Silniki pojazdów samochodowych, cz. 2. Układy zasilania, chłodzenia, smarowania, dolotowe i wylotowe, WKŁ, Warszawa, 2010, 200 Jak już wspomniano, w silnikach o zapłonie samoczynnym z układem wtryskowym Common Rail, stosuje się wtryskiwacze elektromagnetyczne albo piezoelektryczne. Gdy w zasobniku jest odpowiednia ilość paliwa pod odpowiednim ciśnieniem, wówczas następuje wtrysk paliwa wykonywany przez wtryskiwacze. Na podstawie sygnałów z czujnika położenia i prędkości obrotowej, czujnika prędkości obrotowej wałka rozrządu, czujnika temperatury cieczy chłodzącej, powietrza doładowywanego, oleju silnika i paliwa, masowego przepływomierza powietrza, czujnika ciśnienia doładowania, czujnika ciśnienia paliwa w zasobniku, czujników do kontroli ilości paliwa zasilającego pompę wysokiego ciśnienia, sygnałów regulacji prędkości jazdy urządzenie sterujące oblicza początek wtrysku i dawkę paliwa oraz zasila prądem zawory elektromagnetyczne wtryskiwaczy. Urządzenie sterujące wysyła sygnały, umożliwiające regulację ciśnienia w zasobniku, określające czas pracy świec żarowych, do magistrali CAN itd. 16

4. Diagnostyka układów zasilania silników ZS Rys. 5.14. Schemat diagnostyczny układu zasilania silników wysokoprężnych Układ zasilania silnika wysokoprężnego zbiornik paliwa filtry paliwa zasilająca pompa paliwa filtry powietrza pompa wtryskowa wtryskiwacze wycieki paliwa opory przepływu ciśnienie hałas, drgania rozruch silnika, zużycie paliwa, moc silnika, stan cieplny silnika, wahania prędkości obrotowej, hałaśliwa praca, dymienie silnika przebieg zmian ciśnienia w przewodach wysokiego ciśnienia jakość rozpylenia paliwa, ciśnienie wtrysku, wycieki paliwa rozruch silnika, zużycie paliwa, moc silnika, stan cieplny silnika, wahania prędkości obrotowej, hałaśliwa praca, dymienie silnika Źródło: Kubiak. P., Zalewski M., Pracownia diagnostyki pojazdów samochodowych, WKŁ, Warszawa 2012, 107 Badanie wtryskiwacza Diagnostyka wtryskiwaczy obejmuje ocenę następujących parametrów: ciśnienia otwarcia gniazda rozpylacza poprzez naciśnięcie dźwigni próbnika następuje zwiększenie się ciśnienia w próbniku. Podczas wykonywania tej czynności należy obserwować manometr, gdyż ciśnienie, przy którym zaobserwowany zostanie wzrost ciśnienia lub jego spadek oraz wypływ paliwa z wtryskiwacza, będzie ciśnieniem otwarcia wtryskiwacza. Otrzymaną wartość ciśnienia należy porównać z wartością podaną przez producenta. W przypadku różnicy pomiędzy wartościami konieczna jest regulacja poprzez podkładkę regulacyjną (zwiększenie grubości podkładki powoduje zmianę wartości ciśnienia) lub śrubę regulacyjną, która zmienia nacisk wstępny sprężyny; szczelność gniazda rozpylacza polega na obserwacji kropli odrywających się od rozpylacza. Kropla ta dla ciśnienia niższego o 2 MPa od ciśnienia otwarcia wtryskiwacza powinna oderwać się w czasie 10s; 17

szczelność wewnętrzną rozpylacza miarą jest czas spadku ciśnienia od założonej górnej wartości, do wartości dolnej. Spadek ten jest spowodowany przeciekaniem paliwa. Czas spadku ciśnienia określa producent (najczęściej jest nie krótszy niż 4 s). dźwięk pracy rozpylacza chrypienie rozpylacza wiąże się z tym, że iglica rozpylacza porusza się szybko ruchem posuwisto-zwrotnym; jakość rozpylenia, położenie strugi paliwa niedopuszczalne jest występowanie oddzielnych kropel, ciągłe strumienie. Paliwo powinno wypływać z rozpylacza w postaci mgiełki. Diagnostyka pomp wtryskowych sterowanych elektronicznie Do diagnostyki pomp stosuje się stoły probiercze. Diagnostyka osiowych rozdzielaczowych pomp wtryskowych obejmuje sprawdzenie działania sterownika pompy, jej zespołów mechanicznych, zaworu przestawiacza wtrysku i zaworu elektromagnetycznego STOP. Badanie obejmuje pomiar położeń zaworu przestawiacza wtrysku, pomiar dawki paliwa dokonywany w określonych warunkach pracy pompy, pomiar i porównanie wartości otrzymanych napięć. Diagnostyka rzędowej pompy wtryskowej obejmuje badanie: początku tłoczenia paliwa, położenia listwy regulacyjnej, dawki paliwa dla różnych obciążeń, sygnałów generowanych przez czujnik prędkości obrotowej, elektromagnetycznego zaworu STOP. Badanie obejmuje pomiar napięcia zasilającego, prędkości obrotowej, wielkości i rozrzutu dawek pomiędzy sekcjami, ciśnienie zasilania, skok wstępny tłoczków oraz wysunięcie listwy regulacyjnej. Diagnostyka pompowtryskiwacza Diagnostyka pompowtryskiwacza polega na: sprawdzeniu ciśnienia zasilania w układzie paliwowym pomiar wykonuje się poprzez podłączenie manometru do pompy i uruchomienie silnika. Ciśnienie na wyjściu z pompy powinno być zbliżone do następujących wartości na biegu jałowym 0,15 MPa, przy prędkości obrotowej 1500 obr/min 0,5 MPa, przy prędkości obrotowej 4000 MPa 0,75 MPa. sprawdzeniu zaworu elektromagnetycznego badanie polega na odczytaniu z urządzenia testującego wartości stanu pracy pompowtryskiwacza podczas wciskania pedału przyspieszenia, aż do osiągnięcia 3000 obr/min. Otrzymaną wartość należy porównać z wartościami określonymi przez producenta; sprawdzeniu sterowania zaworu elektromagnetycznego przeprowadza się przy pomocy cęgów prądowych, które należy podłączyć do przewodu zasilającego zawór pompowtryskiwacza. Wartość maksymalna prądu prawidłowo pracującego pompowtryskiwacza wynosi ok. 20 A, a jego przebieg jest podobny do przebiegu przedstawionego na Rys. 5.15. Rezystancja prawidłowo pracującego pompowtryskiwacza powinna wynosić ok. 0,5 Ω; mechanicznym ustawieniu rozrządu badanie to obejmuje kontrolę wzajemnego położenia wałka korbowego i wałka rozrządu; sprawdzeniu odstępu między tłoczkiem sekcji tłoczącej a dnem komory wysokiego ciśnienia ( Rys. 5.16.); porównaniu ilościowego dawkowania paliwa badanie wykonywane podczas próby drogowej lub pod obciążeniem na hamowni podwoziowej. Dawka paliwa, przy prędkości obrotowej silnika 3800 obr/min pracującego pod obciążeniem, powinna wynosić ok. 45 mg/skok. Odchyłek powyżej 1,5 mg/skok dla każdego 18

cylindra sugeruje mechaniczne uszkodzenie silnika bądź usterki w układzie hydraulicznym układu wtryskowego. Rys. 5.15. Przebieg prądowy sygnału z zaworu elektromagnetycznego pompowtryskiwacza A- prąd przyciągania, B - sygnał początku wtrysku, C-prąd podtrzymania, D-sygnał zakończenia wtrysku. Źródło: Zając P., Silniki pojazdów samochodowych, cz. 2. Układy zasilania, chłodzenia, smarowania, dolotowe i wylotowe, WKŁ, Warszawa, 2010, 169 Rys. 5.16. Odstęp między tłoczkiem sekcji tłoczącej i dnem komory wysokiego ciśnienia 1-śruba regulacyjna, 2-tłoczek, 3-badany odstęp, 4-komora wysokiego ciśnienia Źródło: Zając P., Silniki pojazdów samochodowych, cz. 2. Układy zasilania, chłodzenia, smarowania, dolotowe i wylotowe, WKŁ, Warszawa, 2010, 168 19

Tabela 5.1. Typowe usterki układów sterujących wtryskiem paliwa silników wysokoprężnych i przyczyny ich wystąpienia Objawy Przyczyny wystąpienia - uszkodzone świece żarowe bądź układ sterujący pracą świec żarowych - uszkodzony przekaźnik świec żarowych Problemy z uruchomieniem zimnego silnika - uszkodzony czujnik prędkości obrotowej - uszkodzony przestawiacz wtrysku pompy wtryskowej - brak paliwa - zapowietrzony układ zasilania - uszkodzone wtryskiwacze Problem z uruchomieniem ciepłego silnika - zatkanie osadnika lub filtru pompy zasilania - nieprawidłowa dawka paliwa - zatkanie filtru paliwa Problemy z uruchomieniem silnika niezależnie od jego temperatury Nie można zatrzymać pracy silnika Nierównomierna praca silnika na biegu jałowym Emisja czarnego dymu Nadmierne zużycie paliwa Zbyt duża prędkość obrotowa biegu jałowego Za mała prędkość obrotowa biegu jałowego - niesprawny sterownik silnika - niesprawny czujnik temperatury paliwa - zapowietrzony układ zasilania - niesprawny przestawiacz wtrysku - uszkodzony elektromagnetyczny nastawnik dawki lub sterownik pompy - niesprawny czujnik prędkości obrotowej silnika - niesprawny włącznik zapłonu (stacyjka) - niesprawny czujnik położenia pedału przyspieszenia - niesprawny czujnik temperatury cieczy chłodzącej - niesprawny czujnik temperatury paliwa - niesprawny czujnik położenia wału korbowego - niesprawny czujnik prędkości obrotowej silnika - niesprawna pompa wtryskowa - niesprawne wtryskiwacze - niesprawny układ rozrządu - uszkodzony przepływomierz powietrza - niesprawny filtr paliwa - niesprawny przestawiacz wtrysku - niesprawny czujnik temperatury cieczy chłodzącej - niesprawne wtryskiwacze - niesprawny regulator ciśnienia w zasobniku paliwa - niesprawny czujnik ciśnienia w zasobniku paliwa - nieszczelny układ zasilania - uszkodzony czujnik prędkości jazdy - uszkodzony czujnik położenia pedału przyspieszenia - uszkodzony czujnik obrotowej pompy wtryskowej - uszkodzony czujnik temperatury cieczy chło- 20

Brak mocy silnika Za duża wartość maksymalna prędkości obrotowej silnika WTRYSKIWACZE Przeciekanie rozpylacza Niewłaściwe ciśnienie otwarcia wtryskiwaczy Za niskie ciśnienie otwarcia Za mały skok tłoczka w pompowtryskiwaczach Zniekształcony strumień paliwa Nadmierny przeciek paliwa POMPY WTRYSKOWE Zacinający się trzpień sterujący Niewystarczająca ilość paliwa na jeden suw Pompa nie podaje paliwa UKŁAD ZASILANIA Wycieki paliwa Nieodpowiednia, za mała ilość paliwa Zanieczyszczenie paliwa i powietrza dzącej - czujnik temperatury paliwa - uszkodzony przestawiacz wtrysku - uszkodzony czujnik temperatury cieczy chłodzącej -uszkodzony czujnik położenia wału korbowego - uszkodzony czujnik położenia pedału przyspieszenia - uszkodzona turbosprężarka - uszkodzony czujnik ciśnienia doładowania - uszkodzony czujnik temperatury paliwa - uszkodzony czujnik - niesprawny przestawiacz wtrysku - niesprawny czujnik położenia pedału przyspieszenia - osad na igle rozpylacza, zapieczenie - zatkany rozpylacz - pęknięta sprężyna wtryskiwacza -pęknięta lub słaba sprężyna tłoczka - nieodpowiedni luz pomiędzy dźwignią a popychaczem - różnie dokręcone nakrętki - zanieczyszczony rozpylacz - zniszczona igła - luźna iglica rozpylacza - za luźna nakrętka mocująca -ciało obce - uszkodzona, zanieczyszczona zębatka sterująca - zablokowany tłoczek pompy - zawór odcinający nieszczelny - przecieki na złączach wysokiego ciśnienia - nieszczelny korek powietrzny - zatkany przewód filtrujący - nieszczelny zbiornik - nieszczelne przewody paliwowe - nieszczelne zawory - zużyte sprężyny tłoczka - niesprawna pompa zasilająca - zapowietrzony układ - zatkane filtry - nieodpowiednie paliwo Źródło: Żółtowski B., Diagnozowanie silnika wysokoprężnego, Instytut Technologii Eksploatacji, Radom, 1995; Kubiak. P., Zalewski M., Pracownia diagnostyki pojazdów samochodowych, WKŁ, Warszawa, 2012 21

5. Ocena stanu technicznego silnika o zapłonie samoczynnym na podstawie zadymienia spalin Zabarwienie spalin jest widocznym dowodem wadliwego procesu spalania. Przeprowadzając ocenę barwy spalin oraz stopnia ich zaczernienia, można w przybliżeniu określić przyczynę ich występowania (rodzaj uszkodzenia, stopień zużycia itp.). Tabela 5.2. Ocena zabarwienia spalin Kolor zadymienia Biały dym Niebieski dym Czarne spaliny Przyczyna - ciecz chłodząca w cylindrze - bardzo duże opóźnienie wtrysku - krople w spalinach - za duży poziom oleju w komorze korbowej - zużycie pierścieni tłokowych - duże opóźnienie wytrysku - mały kąt wyprzedzenia wtrysku - za duża dawka paliwa dostarczona przez pompę wtryskową - występowanie sadzy w spalinach - niewłaściwe rozpylenie paliwa - nieprawidłowe ustawienie rozrządu - niewłaściwy luz zaworów - zanieczyszczenie filtra powietrza - niesprawność układu doładowania - nadmierne zużycie gładzi cylindrów i pierścieni tłokowych Źródło: Kubiak. P., Zalewski M., Pracownia diagnostyki pojazdów samochodowych, WKŁ, Warszawa, 2012, 111 Intensywność dymienia silnika ZS określana jest na podstawie pomiaru stopnia pochłaniania światła przez warstwę spalin za pomocą dymomierza absorpcyjnego. Podczas pomiaru przepływ spalin przez komorę pomiarową powoduje zmianę prądu płynące w fotoelemencie (można to zaobserwować na odpowiednio wyskalowanym mierniku elektrycznym). Zasada działania dymomierza absorpcyjnego opiera się absorpcji promieniowania widzialnego przez zanieczyszczenia widziane w cząstkach stałych występujących w spalinach. Dymomierz bada następujące wielkości: stopień pochłaniania światła (stopień zadymienia spalin) N określany w skali Hartridge a 0 100%. Wielkość ta zależy od stosunku natężenia strumienia światła wejściowego oraz natężenia strumienia światła po przejściu przez spaliny; współczynnik pochłaniania światła k określany w skali logarytmicznej 0 - (m - 1 ). Zadymienie spalin nie może przekraczać: Dla silników ZS wolnossących k=2,5 m -1 i 66 % HRT Dla silników ZS z turbo k=3 m -1 i 72 % HRT. 22

Pomiar zadymienia należy przeprowadzić wówczas, gdy silnik zostanie nagrzany do normalnej temperatury pracy. W celu oczyszczenia układu z sadzy przed umieszczeniem w rurze wylotowej sondy pomiarowej silnik powinien pracować co najmniej minutę. Następnie sondę pomiarową umieszcza się w rurze wylotowej na głębokość ok. trzech średnic rury. Początkowo utrzymuje się prędkość biegu jałowego, a następne wciska się pedał przyspieszenia do oporu, w celu uzyskania maksymalnej dawki paliwa. Badanie należy powtórzyć trzy razy z 15-sekundowymi przerwami. 23

Bibliografia: 1. Herner A., H.J. Reihl H. J.: Elektronika i elektrotechnika w pojazdach samochodowych, WKŁ 2007. 2. Kubiak P., Zalewski M.: Pracownia diagnostyki pojazdów samochodowych, WKŁ 2012. 3. Dąbrowski M., Kowalczyk S., Trawiński G.: Pracowania diagnostyki pojazdów samochodowych, WSiP Warszawa 2011. 4. Pacholski K.: Elektryczne i elektroniczne wyposażenie pojazdów samochodowych, cz.1 Wyposażenie elektryczne i elektromechaniczne, WKŁ 2011. 24