HUBERT KUSZEWSKI, KAZIMIERZ LEJDA, ADAM USTRZYCKI * DETERMINANTY DOKŁADNOŚCI DAWKOWANIA PALIWA W SYSTEMIE ZASOBNIKOWEGO UKŁADU ZASILANIA COMMON RAIL DETERMINANTS OF THE FUEL DOSAGE ACCURACY IN A DISPENSER SUPPLY SYSTEM COMMON RAIL Streszczenie Abstract W artykule omówiono wybrane zagadnienia związane z dokładnością dawkowania paliwa w układach zasilania typu Common Rail. Przedstawiono wyniki badań wpływu wybranych parametrów układu wtryskowego, tj. temperatury paliwa w układzie, ciśnienia oraz wielofazowości wtrysku na wielkość dawki paliwa. Słowa kluczowe: silnik wysokoprężny, dawkowanie paliwa, układ Common Rail In the paper selected problems connected with the precision of fuel dosing in Common Rail systems have been discussed. Investigation results of the influence of selected injection system parameters, i.e. fuel temperature, fuel pressure and multi-injection timing on fuel dose have been presented. Keywords: Diesel engine, fuel dosing, Common Rail system * Dr inż. Hubert Kuszewski, dr hab. inż. Kazimierz Lejda, prof. PRz, dr inż. Adam Ustrzycki, Zakład Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych, Wydział Budowy Maszyn, Politechnika Rzeszowska.
162 1. Wstęp Prowadzone w ostatnich latach badania dotyczące silników wysokoprężnych jednoznacznie wskazują, że bezpośredni wtrysk paliwa w stosunku do systemów spalania wykorzystujących dzielone komory spalania pozwala na istotne ograniczenie jednostkowego zużycia paliwa. Stosowanie bezpośredniego wtrysku paliwa w silnikach ZS spowodowało jednocześnie intensywny rozwój układów wtryskowych, które w rezultacie są coraz bardziej zaawansowane konstrukcyjnie i technologicznie, i co się z tym wiąże, pozwalają na znaczne ograniczenie hałasu emitowanego przez silniki wysokoprężne oraz na znaczące ograniczenie zawartości szkodliwych składników w spalinach. Szczególnie perspektywicznym, ze względów ekologicznych i aplikacyjnych, jest wysokociśnieniowy, zasobnikowy układ wtryskowy, który przy obecnym stanie rozwoju elektroniki pozwala na precyzyjne sterowanie procesem dawkowania paliwa [1]. Należy jednak mieć na uwadze, że zachodzące podczas procesu dawkowania paliwa zjawiska w tego typu systemach wtryskowych sprawiają, że dokładność dawkowania paliwa jest determinowana koniecznością uwzględnienia w algorytmach sterowania procesem wtrysku wielu czynników. Poznanie wpływu parametrów pracy zasobnikowego układu wtryskowego na proces dawkowania paliwa jest istotne także ze względu na zagadnienia związane z diagnozowaniem układów zasilania tego typu. W niniejszym artykule przedstawiono parametry związane z funkcjonowaniem systemu wtryskowego typu Common Rail determinujące dokładność procesu dawkowania paliwa, przy czym przez proces ten rozumie się wartość dawki paliwa oraz początek wtrysku. W tym zakresie przeprowadzono liczne badania stanowiskowe. Zwrócono uwagę na różnicę pomiędzy rzeczywistym początkiem wtrysku a początkiem określanym na podstawie sygnałów sterujących pracą wtryskiwacza, oddziaływanie temperatury paliwa, ciśnienia w szynie, częstotliwości pracy wtryskiwacza. Uwzględniono rodzaj sygnału sterującego pracą wtryskiwacza. Zasygnalizowano także zagadnienie dokładności wielkości dawki paliwa przy jej podziale w obrębie jednego cyklu pracy silnika. 2. Stanowisko pomiarowe i zakres badań Głównymi elementami stanowiska pomiarowego wykorzystanego w badaniach są: stół probierczy Bosch EPS 815 wraz z zespołem pomiaru dawki paliwa Bosch KMA 822 z wymiennikiem ciepła, komora wizualizacyjna, która podczas obserwacji strugi paliwa jest całkowicie wypełniona paliwem oraz szyna wysokiego ciśnienia. Schemat stanowiska przedstawiono na rys. 1. Badania realizowano dla dwóch wtryskiwaczy firmy Bosch, które różnią się głównie wydatkiem wtryskiwanego paliwa. Pierwszy wtryskiwacz, oznaczony fabrycznie CRI 0445 1 002, przeznaczony jest do samochodu marki Fiat model Brava 1,9 JTD (dalej określany jako wtryskiwacz Fiat), drugi, o oznaczeniu CRI 0445 1 189, przeznaczony jest do samochodu dostawczego Mercedes Sprinter (dalej określany jako wtryskiwacz Mercedes). Realizacja pomiarów dla wtryskiwaczy różniących się parametrami konstrukcyjnymi pozwala na wstępne formułowanie wniosków odnośnie wpływu parametrów konstrukcyjnych wtryskiwacza na rzeczywisty kąt początku wtrysku.
163 28 29 22 21 19 27 15 17 18 16 11 12 13 14 3 26 5 6 7 2 8 9 4 1 23 24 25 Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego: 1 stół probierczy Bosch EPS 815, 2 szyna wysokiego ciśnienia, 3 zespół pomiaru dawki paliwa Bosch KMA 822 z wymiennikiem ciepła, 4 moduł sterowania pompą wysokiego ciśnienia, 5, 15 piezokwarcowe czujniki ciśnienia AVL QL21D, 6 czujnik ciśnienia w szynie, 7 zespół regulatorów ciśnienia w szynie, 8 czujnik temperatury paliwa, 9 pompa wysokiego ciśnienia Bosch CR/CP1S3/L70/ 1V 445 0 343 02, czujnik położenia i prędkości obrotowej wałka pompy, 11 sterownik lampy stroboskopowej Tech Time 3300 S, 12 lampa stroboskopowa, 13 fotoelement, 14 komora wizualizacyjna, 16 badany wtryskiwacz, 17 złącze pomiaru napięcia sterującego wtryskiwaczem, 18 czujnik prądu wtryskiwacza PA 55, 19 mikroprocesorowy sterownik wtryskiwacza,, 21 wzmacniacze ładunku, 22 wzmacniacz napięcia, 23 komputer z oprogramowaniem sterującym pracą wtryskiwacza, 24 komputer z oprogramowaniem do sterowania stołu probierczego i zespołu pomiaru dawki, 25 komputer z kartą pomiarową do rejestracji przebiegów szybkozmiennych, 26, 27 czujniki temperatury, 28, 29 termometry EMT 1 Fig. 1. Scheme of test stand: 1 test bench Bosch EPS 815, 2 rail of high pressure, 3 set of fuel dose measurement Bosch KMA 822 with heat exchanger, 4 control module of high pressure pump, 5, 15 piezoquartz pressure sensors, AVL QL21D, 6 rail pressure sensor, 7 rail pressure regulators, 8 fuel temperature sensor, 9 high pressure pump Bosch CR/CP1S3/L70/ 1V 445 0 343 02, position and rotational speed sensor of pump shaft, 11 controler of stroboscopic tube Tech Time 3300 S, 12 stroboscopic tube, 13 photoelement, 14 visualization chamber, 16 tested injector, 17 measurement connector of injector control voltage, 18 injector current sensor PA 55, 19 microprocessor controller of injector,, 21 charge amplifiers AVL 3057 A01, 22 voltage amplifier, 23 computer with control software of injector, 24 computer with software for test bench controlling and for measuring of fuel dose, 25 computer with data acquisition devices for high speed courses recording, 26, 27 temperature sensors, 28, 29 termometers EMT 1
164 Parametry, które określano w funkcji kąta obrotu wałka pompy wysokociśnieniowej to: ciśnienie paliwa w przewodzie wtryskowym przed wtryskiwaczem i za szyną paliwa, napięcie sterujące wtryskiwaczem oraz prąd płynący przez cewkę wtryskiwacza. Rejestrowano także impuls napięciowy z fotoelementu odpowiadający rzeczywistemu początkowi wtrysku paliwa. Za rzeczywisty początek wtrysku paliwa przyjęto chwilę, w której długość strugi paliwa wynosiła 1 mm. Początek wypływu paliwa z rozpylacza obserwowano z wykorzystaniem urządzenia stroboskopowego, które pozwalało również na precyzyjne określenie chwili występowania rzeczywistego początku wtrysku paliwa względem punktu odniesienia i charakterystycznych punktów na rejestrowanych przebiegach szybkozmiennych. Punktem odniesienia był impuls napięciowy generowany przez czujnik położenia wałka pompy wysokociśnieniowej. Impuls ten był jednocześnie używany jako trigger w układzie pomiarowym [4, 5]. Jednym z celów badań było określenie wielkości dawki paliwa w zależności od wybranych parametrów pracy układu wtryskowego. Precyzyjny pomiar objętości dawki paliwa zapewniał system pomiarowy. Ponieważ o wskaźnikach roboczych i ekologicznych silnika stanowi nie objętość, lecz masa wtryskiwanego do cylindra paliwa, dlatego określono charakterystykę temperaturową gęstości wykorzystanego w badaniach paliwa. Paliwo wykorzystane w badaniach nie jest paliwem przeznaczonym do zasilania silników, lecz jest przyporządkowane do systemu pomiarowego zastosowanego w stole probierczym Bosch EPS 815. Określanie gęstości umożliwiało przeliczenie dawki Q wtr z jednostki objętości na jednostkę masy. W czasie badań kontrolowana była temperatura wtryskiwanego paliwa. Badania realizowano dla trzech wartości temperatury wtryskiwanego paliwa t pal : 45, 60 i 75 C. Gęstość paliwa ρ pal dla tych wartości temperatur wynosiła odpowiednio: 0,813, 0,800 i 0,787 g/cm 3. Parametrami pracy układu wtryskowego, które podlegały zmianom w celu określenia wpływu na wielkość dawki paliwa, były: czas otwarcia wtryskiwacza t w, ciśnienie paliwa w zasobniku p oraz częstotliwość pracy wtryskiwacza zmieniająca się wraz z prędkością obrotową wałka pompy wysokiego ciśnienia n. Wartości parametrów pracy układu wtryskowego zostały umieszczone w podpisach odpowiednich rysunków prezentujących omawiane wyniki badań. 3. Wyniki badań Na rysunku 2 przedstawiono określony na podstawie przebiegu sygnału z fotoelementu oświetlanego lampą stroboskopową rzeczywisty kąt początku wtrysku paliwa. Mniejszy kąt początku wtrysku dla wtryskiwacza Fiat wskazuje na szybszą reakcję tego wtryskiwacza. O ile różnica pomiędzy kątami początku wtrysku badanych wtryskiwaczy powiększa się wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, to różnica opóźnień czasowych utrzymuje się na stałym poziomie. Kąt początku wtrysku dla obu wtryskiwaczy zmniejsza się wraz ze wzrostem ciśnienia, co oznacza, że szybkość ich reakcji rośnie w podobny sposób. Na rysunku 3 wskazano natomiast na opóźnienie kątowe pomiędzy rzeczywistym początkiem wtrysku paliwa określonym na podstawie sygnału generowanego przez fotoelement, a początkiem określonym za pomocą urządzenia stroboskopowego. Jak widać, największe różnice w wartościach obu kątów występują dla obu badanych wtryskiwaczy dla czasu wtrysku t w = 1 ms.
Kąt Kąt początku wtrysku, α p p [deg] Kąt Kąt początku wtrysku, α p [deg] pomiar pomiar za za pomocą fotoelementu, fotoelementu; czas wtrysku tw=1 t w = ms 1 ms 18 16 14 12 Fiat Mercedes 400 600 800 00 10 1400 1600 1800 00 Prędkość Prędkość obrotowa, n [obr./min] n [obr/min] pomiar za za pomocą fotoelementu, fotoelementu; czas wtrysku tw=3 t w = ms 3 ms 18 16 14 12 400 600 800 00 10 1400 1600 1800 00 Prędkość Prędkość obrotowa, n [obr./min] n [obr/min] Kąt początku Kąt wtrysku, α p α [deg] [deg] p Kąt Kąt początku wtrysku, α p α [deg] [deg] p pomiar pomiar za za pomocą fotoelementu, fotoelementu; czas wtrysku tw=1 t w = ms 1 ms Fiat 18 Mercedes 16 14 12 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Ciśnienie Ciśnienie w szynie, w szynie, p [MPa] p [MPa] pomiar za za pomocą fotoelementu, fotoelementu; czas wtrysku tw=3 t w = ms 3 ms 18 16 14 12 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Ciśnienie Ciśnienie w szynie, w szynie, p [MPa] p [MPa] 165 Rys. 2. Kąt początku wtrysku określony na podstawie przebiegu sygnału z fotoelementu oświetlanego lampą stroboskopową dla czasów otwarcia wtryskiwacza t w = 1 ms i t w = 3 ms, różnych prędkości obrotowych pompy i różnych ciśnień paliwa w szynie [4] Fig. 2. Angle of injection start obtained on the basis of signal course from photoelement lighted by stroboscopic tube, measurements for opening duration of injector t w = 1 ms and t w = 3 ms, different rotational speeds and different rail pressure [4] Opóźnienie kątowe, Δα [deg] Δα [deg] Opóźnienie kątowe, Δα Δα [deg] [deg] -0.5-1 -1.5 pomiar lampą stroboskopową; czas czas wtrysku t w tw=1 = 1 ms Fiat Mercedes -2 400 600 800 00 10 1400 1600 1800 00 Prędkość Prędkość obrotowa, n [obr./min] n [obr/min] pomiar lampą stroboskopową; czas czas wtrysku t w tw=3 = 3 ms -0.5-1 -1.5-2 400 600 800 00 10 1400 1600 1800 00 Prędkość Prędkość obrotowa, n [obr./min] n [obr/min] Opóźnienie kątowe, Δα [deg] Δα [deg] Opóźnienie kątowe, Δα Δα [deg] [deg] -0.5-1 -1.5 pomiar lampą stroboskopową; czas czas wtrysku t w tw=1 = 1 ms Fiat Mercedes -2 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Ciśnienie Ciśnienie w szynie, w szynie, p [MPa] p [MPa] pomiar lampą stroboskopową; czas czas wtrysku t w tw=3 = 1 ms -0.5-1 -1.5-2 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Ciśnienie Ciśnienie w szynie, w szynie, p [MPa] p [MPa] Rys. 3. Opóźnienie kątowe pomiędzy rzeczywistym początkiem wtrysku paliwa a początkiem określonym za pomocą urządzenia stroboskopowego dla czasów otwarcia wtryskiwacza t w = 1 ms i t w = 3 ms, różnych prędkości obrotowych pompy i różnych ciśnień paliwa w szynie [4] Fig. 3. Angle delay between a real fuel injection beginning and beginning obtained with the help of stroboscopic device, measurements for opening duration of injector t w = 1 ms and t w = 3 ms, different rotational speeds and different rail pressure [4]
166 wtryskiwacz Mercedes - CRI 0445 1 189 2 40 Q wtr [mm 3 wtr /wtrysk] Qwtr Q wtr [mm 3 /wtrysk] 0 98 96 t wtr t wtr = 3000 μs p rail p rail = 60 MPa Q prz [mm 3 /wtrysk] 36 32 28 Qprz Q [mm 3 /wtrysk] 94 24 0 400 600 800 00 10 1400 1600 1800 00 n p [obr/min] [MPa] Rys. 4. Wpływ prędkości obrotowej pompy wysokiego ciśnienia na wielkość dawki i przelewu paliwa (t wtr = 3000 μs, p rail = 60 MPa, wtryskiwacz Mercedes) [3] Fig. 4. The influence of rotational speed of high presure pump on fuel dose and fuel overflow (t wtr = 3000 μs, p rail = 60 MPa, injector Mercedes) [3] wtryskiwacz Mercedes - CRI 0445 1 189 1 30 Qwtr Q [mm 3 /wtrysk] 1 0 90 80 t wtr t wtr = 3000 μs nn p p = = 00 00 obr./min obr/min Q [mm 3 wtr /wtrysk] Q [mm 3 prz /wtrysk] 28 26 24 Qprz Q [mm 3 /wtrysk] 70 22 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 n p n[obr./min] p [obr/min] Rys. 5. Wpływ ciśnienia paliwa w zasobniku na wielkość dawki i przelewu paliwa (t wtr = 3000 μs, n p = 00 obr./min, wtryskiwacz Mercedes) [3] Fig. 5. The influence of rail pressure on fuel dose and fuel overflow (t wtr = 3000 μs, n p = 00 rpm, injector Mercedes) [3] Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono, odpowiednio, wpływ prędkości obrotowej pompy wysokiego ciśnienia (co w tym przypadku odpowiadało wpływowi częstotliwości pracy wtryskiwacza) i ciśnienia w zasobniku na objętość dawki paliwa i dodatkowo objętość przelewu paliwa przez wtryskiwacz odniesione do pojedynczego wtrysku. W obu przypadkach, czas otwarcia wtryskiwacza pozostawał taki sam i wynosił t wtr = 3000 μs. Jak wynika z rys. 4, przy ustalonym ciśnieniu paliwa w zasobniku i czasie otwarcia wtryskiwacza, przy zwiększaniu częstotliwości pracy wtryskiwacza Mercedes, dawka paliwa ulega znacznemu zmniejszaniu i występują przy wyższej częstotliwości pracy jej znaczne wahania. Zjawisk takich nie zaobserwowano natomiast dla pracującego w tych samych warunkach wtryskiwacza Fiat (rys. 6).
167 wtryskiwacz Fiat - CRI 0445 1 002 1 44 115 Q [mm 3 wtr /wtrysk] Q prz [mm 3 prz /wtrysk] 40 Qwtr Q wtr [mm 3 /wtrysk] 1 5 0 t wtr t wtr = 3000 μs p rail p rail = 60 MPa 36 32 28 24 Qprz Q [mm 3 /wtrysk] 95 0 400 600 800 00 10 1400 1600 1800 00 n p [obr/min] [obr./min] Rys. 6. Wpływ ciśnienia paliwa w zasobniku na wielkość dawki i przelewu paliwa (t wtr = 3000 μs, n p = 00 obr./min, wtryskiwacz Fiat) [3] Fig. 6. The influence of rail pressure on fuel dose and fuel overflow (t wtr = 3000 μs, n p = 00 rpm, injector Fiat) [3] Na rysunku 7 przedstawiono zależność masowej dawki paliwa Q wtr od temperatury wtryskiwanego paliwa t pal dla trzech różnych temperatur oleju probierczego znajdującego się w zbiorniku (t wyj wynoszących 30, 45 i 54ºC). Temperatury te były wartościami nastawczymi kontrolowanymi przez automatykę stołu probierczego z dokładnością ±0,5ºC. Wartość 30ºC była minimalną wartością możliwą do nastawy, natomiast wartość 54ºC była maksymalną wartością, jaka w tych warunkach otoczenia (od 24,0 do 26,3ºC) była możliwa do osiągnięcia przez system grzewczy stołu probierczego. Jak wynika z rys. 7, dawka paliwa zmieniała się od 14,29 mg/wtrysk do 12,15 mg/wtrysk. Dla najniższej temperatury oleju w zbiorniku maksymalna temperatura wtryskiwanego oleju wynosiła 39,0ºC, dla temperatury 45 ºC było to 48,0ºC, natomiast dla najwyższej temperatury oleju w zbiorniku temperatura ta wynosiła 60,0ºC. Odpowiednie temperatury uzyskiwane na przelewie wynosiły: 37,0, 45,2 oraz 55,8ºC. We wszystkich przypadkach temperatura przelewu była niższa od temperatury oleju wypływającego z wtryskiwacza. Oznacza to, że istotny udział w podgrzewaniu się paliwa ma sam wtryskiwacz. Zmiana dawki paliwa w tych warunkach pracy wyniosła ponad 15% przy osiąganej różnicy temperatur wtrysku wynoszącej 32ºC. Przy wyższym ciśnieniu w szynie, wynoszącym 60 MPa, dawka paliwa również zmniejsza się w funkcji temperatury, przy czym zmiany temperatur w tym wypadku są większe (rys. 8). Dla czasu wtrysku t wtr = 1 ms maksymalna temperatura wtryskiwanego paliwa osiąga wartość 76,0ºC dla temperatury wyjściowej oleju w zbiorniku wynoszącej 54 C. Przy niższych temperaturach wyjściowych oleju probierczego maksymalne temperatury wtryskiwanego oleju są, oczywiście, niższe i wynoszą dla temperatur wyjściowych oleju 30 i 45 ºC odpowiednio 58,0 i 64,0ºC. Temperatura oleju na przelewie była dla tych końcowych punktów również niższa i wynosiła w pierwszym przypadku 66,2 C oraz odpowiednio 49,4 i 56,4ºC. W zakresie temperatur od 32ºC do 76 C dawka paliwa zmniejszyła się z 24,98 mg/wtrysk do 23,66 mg/wtrysk, co oznacza spadek o 5,3%. Jak widać, wzrost ciśnienia powoduje zmniejszanie się wielkości spadku dawki oleju przy wzroście temperatury, nie tylko co do wartości względnej, ale również bezwzględnej, pomimo większej różnicy temperatur.
168 Dawka Dawka paliwa, paliwa, Qwtr [mg/wytrysk] Q wtr [mg/wtrysk] 14.5 14.0 13.5 13.0 12.5 12.0 np n = 00 obr./min, p=00 obr/min, prail p = 35 Mpa, rai l=35 MPa, twtr t = 1 ms wtr=1 ms twyj=30 = 30 C o C twyj=45 = 45 C o C t wyj =54 o twyj = 54 C C 25 30 35 40 45 50 55 60 Temperatura wtryskiwanego paliwa, paliwa, t [ o t pal C] [ C] Rys. 7. Zależność dawki paliwa Q wtr od temperatury wtryskiwanego paliwa t pal dla różnej temperatury wyjściowej paliwa w zbiorniku t wyj i w stałych warunkach pracy układu (prędkość obrotowa pompy n p = 00 obr./min, ciśnienie w szynie p rail = 35 MPa, czas wtrysku t wtr = 1 ms) [6] Fig. 7. The influence of temperature of injected fuel dose Q wtr on fuel dose at different starting temperature in fuel tank and constant conditions of work parameters of injection system (rotational speed n p = 00 rpm, rail pressure p rail = 35 MPa, injection duration t wtr = 1 ms) [6] Pewien wpływ na dawkowanie paliwa wywiera sposób sterowania pracą wtryskiwacza. Szczególnie istotny jest tu przebieg sygnału prądowego, który w sterownikach układów CR jest modulowany. W niektórych urządzeniach do diagnozowania wtryskiwaczy CRI stosuje się jednak sygnał bez modulacji prądu sterującego. Na rysunku 9 widać, że masowa dawka paliwa, także objętościowa (pomiary prowadzono przy ustalonej temperaturze wtryskiwanego paliwa, w związku z czym gęstość paliwa nie ulegała zmianie dla wszystkich analizowanych prędkości obrotowych pompy) była większa w przypadku zastosowania sterowania pracą wtryskiwacza bez modulacji prądu. Sterowanie pracą wtryskiwacza bez modulacji prądu nie zmienia charakteru zmian wielkości dawki przy wzroście częstotliwości pracy wtryskiwacza. Również przy takim sposobie sterowania pracą wtryskiwacza CRI masowa dawka paliwa nie ulega zmianie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej pompy wysokiego ciśnienia (rys. 9). W przeprowadzonych dodatkowo badaniach silnikowych ujawnił się wpływ wzajemnego położenia dawek przy wtrysku wielofazowym. Badania na silniku badawczym wyposażonym w układ Common Rail prowadzono z zastosowaniem wtrysku wielofazowego w celu określenia wpływu wzajemnego położenia kątowego poszczególnych części dawki na parametry ekologiczne silnika. Stosowano podział dawki na trzy części: dawkę pilotującą, przedwtrysk i dawkę zasadniczą. Zmiana wzajemnego położenia kątowego poszczególnych części dawek, przy zachowaniu takiego samego sumarycznego czasu wtrysku i prędkości obrotowej, powodowała kilkuprocentowe (ok. 5%) zmiany w godzinowym zużyciu paliwa, a przy stosunkowo małych dawkach rozrzut ten wynosił nawet do %. Przyczyn tych różnic należy upatrywać w zmianach ciśnienia paliwa we wtryskiwaczu, które przy różnych sposobach wysterowania wtryskiwacza kształtują się odmiennie. Na rysunku przedstawiono przebiegi ciśnień dla dwóch różnych wzajemnych położeń kątowych poszczególnych części dawki, zdefiniowanych kątami ich wyprzedzenia w stosunku do GMP.
Dawka paliwa, Dawka paliwa, Q wtr [mg/wtrysk] Qwtr [mg/wytrysk] 25.2 24.8 24.4 24.0 23.6 23.2 np n p = =00 obr./min, obr/min, prail p rail = =60 Mpa, MPa, twtr t wtr = =1 1 ms twyj=30 o twyj = 30 C C twyj=45 = 45 C o C t wyj =54 o twyj = 54 C C 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Temperatura wtryskiwanego paliwa, t t [ o pal [ C] 169 Rys. 8. Zależność dawki paliwa Q wtr od temperatury wtryskiwanego paliwa t pal dla różnej temperatury wyjściowej paliwa w zbiorniku t wyj i w stałych warunkach pracy układu (prędkość obrotowa pompy n p = 00 obr./min, ciśnienie w szynie p rail = 60 MPa, czas wtrysku t wtr = 1 ms) [6] Fig. 8. The influence of temperature of injected fuel dose Q wtr on fuel dose at different starting temperature in fuel tank and constant conditions of work parameters of injection system (rotational speed n p = 00 rpm, rail pressure p rail = 60 MPa, injection duration t wtr = 1 ms) [6] 30 25 p rail = 60 Mpa, MPa, t wtr t wtr = 1,00 1.00 ms tt pal C, ρ pal 0.800 pail = 60 C, p pal = 0,800 g/cm 3 sterowanie z modulacją prądu sterowanie bez modulacji prądu Qwtr Q [g/00 wt r [g/00 wtrysków] 15 5 0 400 600 800 00 10 1400 1600 1800 00 n p [obr./min] n p [obr/min] Rys. 9. Wpływ prędkości obrotowej pompy wysokiego ciśnienia n p na masę wtryskiwanej dawki Q wtr dla różnych sposobów sterowania pracą wtryskiwacza przy stałym ciśnieniu w szynie p rail = 60 MPa, czasie otwarcia wtryskiwacza t wtr = 1 ms oraz temperaturze wtryskiwanego paliwa t pal = 60 C [2] Fig. 9. The influence of rotational speed of high pressure pump n p on injected fuel mass at different way of injector control at constant rail preesure p rail = 60 MPa, injection duration t wtr = 1 ms and fuel temperature t pal = 60 C [2]
170 7 n n=1600 = obr./min, obr/min, p rail = rail =1 Mpa, MPa, t wtr t = wtr =2,3 ms ms p wtr (α wp =88 o, =34 o, wg =19 o wtr (α wp = 88, α wpr = 34, α wg = 19 ) ) U s (α wp =88 o, =34 o, =19 o s s (α wp = 88, α wpr = 34, α wg = 19 ) ) pp wtr (α wp =63 o, =34 o, = o wtr (α wp = 63, α wpr = 34, α wg = ) ) UU s (α wp =63 o, wpr =34 o, = o s (α wp = 63, α wpr = 34, α wg = ) ) 6 8 pwtr p wtr [MPa] [MPa] 5 4 6 4 Us U [V] s [V] 3 2 2 0 240 270 300 330 360 390 4 Kąt obrotu wałka pompy, α [deg] Rys.. Przebiegi ciśnień w przewodzie przed wtryskiwaczem p wtr dla dwóch różnych sposobów wysterowania wtryskiwacza przy tym samym sumarycznym czasie wtrysku (prędkość obrotowa silnika n = 1600 obr./min, ciśnienie w szynie p rail = 1 MPa, czas otwarcia wtryskiwacza t wtr = 2,3 ms) Rys.. Courses of pressure in high-pressure pipe p wtr for different steering ways of injector and identical global injection time (rotational engine speed n = 1600 rpm, rail pressure p rail = 1 MPa, injection duration t wtr = 2,3 ms) W pierwszym przypadku dawka pilotująca była wtryskiwana 88º (α wp ), dawka przedwtrysku 34º (α wpr ), a dawka zasadnicza 19º (α wg ) przed GMP. W drugim przypadku dawka przedwtrysku była wtryskiwana jak poprzednio, natomiast mniejsze były kąty dawki pilotującej i zasadniczej (odpowiednio: 63º i º przed GMP). W wyniku tego odstęp pomiędzy dawką przedwtrysku i dawką zasadniczą został zwiększony i początek wtrysku zasadniczego rozpoczynał się w momencie opadania fali ciśnienia. W efekcie wtrysk zasadniczy realizowany był przy mniejszych ciśnieniach, co powodowało spadek sumarycznej dawki i mniejsze zużycie paliwa, które wynosiło dla tego przypadku 3,8 kg/h. Wartość godzinowego zużycia paliwa dla pierwszego sposobu sterowania wynosiła 4,2 kg/h. W odniesieniu do średniej wartości (z 8 pomiarów) godzinowego zużycia paliwa wynoszącej 4,0 kg/h dla wartości sumarycznego czasu wtrysku 2,3 ms odchylenia w tych punktach pomiarowych wynosiły ±5%. Należy podkreślić, że przedstawione przebiegi ciśnienia mierzono przed wtryskiwaczem, natomiast przebiegi w samym wtryskiwaczu mogą być jeszcze bardziej niekorzystne. W przypadku krótszych czasów wysterowania wtryskiwacza (1,4 ms), i co za tym idzie, mniejszych dawek, zjawiska te powodowały różnice w dawkowaniu dochodzące nawet do %.
4. Podsumowanie 171 Podsumowując, należy stwierdzić, że wielkość dawki w zasobnikowym układzie wtryskowym typu Common Rail jest uwarunkowana nie tylko czasem otwarcia wtryskiwacza, ciśnieniem w szynie, prędkością obrotową czy napięciem w układzie, które są sterowane lub monitorowane przez system, ale także innymi czynnikami, których wartości powinny być uwzględniane w celu zwiększenia dokładności sterowania dawką. Do takich czynników należą m.in. temperatura paliwa i wielofazowość wtrysku. Jak widać z przedstawionych wyników badań, wraz ze wzrostem temperatury dawka paliwa podawanego przez sterowany elektronicznie wtryskiwacz zasobnikowego układu wtryskowego zmniejsza się. Zmiany te mogą dochodzić nawet do 15%, szczególnie dla krótkich czasów otwarcia i małych ciśnień w układzie. Zastosowanie chłodnicy paliwa pozwala uzyskać stabilizację warunków pracy pompy wysokociśnieniowej, jednakże nie jest to wystarczające, gdyż pracujący wtryskiwacz powoduje dodatkowe podgrzewanie się paliwa, a należy tu jeszcze uwzględnić nagrzewanie się samego wtryskiwacza od procesów cieplnych zachodzących w cylindrze, co również powoduje wzrost temperatury wtryskiwanego paliwa. Oznacza to, że w strategiach sterowania powinny być uwzględnione dodatkowe zmiany temperatury paliwa, która powinna być mierzona i to najlepiej w samym wtryskiwaczu. Również zastosowanie wtrysku wielofazowego może skutkować zmianami w dawkowaniu na skutek zmian w przebiegu fali ciśnienia. Zjawisko to jest szczególnie widoczne przy długich przewodach wtryskowych, jednakże nawet przy stosunkowo krótkich przewodach należałoby je uwzględniać w algorytmach sterujących. Dalszy wzrost wymagań ekologicznych, niezależnie od stosowanych charakterystyk wtrysku (ilości wtrysków i ich położenia kątowego), będzie wymagał coraz większej dokładności dawkowania, co z pewnością będzie determinowało również uwzględnienia w strategiach sterownika, przy określaniu czasu wtrysku, zmian temperatury paliwa we wtryskiwaczu i zjawisk falowych występujących w układzie. Literatura [1] L e j d a K., Selected problems of fuel supply in high-speed Diesel engines, Publishing House Meta, Lvov 04, 225. [2] Kuszewski H., Lejda K., Ustrzycki A., Wpływ parametrów pracy zasobnikowego układu wtryskowego na proces dawkowania paliwa, Materiały XVIII Konferencji Międzynarodowej nt. Metody Obliczeniowe i Badawcze w Rozwoju Pojazdów Samochodowych i Maszyn Roboczych Samojezdnych, Zarządzanie i Marketing w Motoryzacji, SAKON 07, Rzeszów 07. [3] Kuszewski H., Ustrzycki A., Badania procesu dawkowania paliwa w zasobnikowym układzie wtryskowym, Науково-технічний збирник No. 14, 07, Вісник/ Національного транспортного університету, Київ 07. [4] Kuszewski H., Ustrzycki A., Wpływ parametrów pracy zasobnikowego układu wtryskowego na rzeczywisty początek wtrysku paliwa, Polskie Towarzystwo Naukowe Silników Spalinowych, Silniki Spalinowe, Mixture Formation, Ignition & Combustion, 07-SC2, 07.
172 [5] Ustrzycki A., Kuszewski H., Badania początku wtrysku paliwa w układzie wtryskowym typu Common Rail, Materiały XVII Konferencji Międzynarodowej nt. Metody Obliczeniowe i Badawcze w Rozwoju Pojazdów Samochodowych i Maszyn Roboczych Samojezdnych, Zarządzanie i Marketing w Motoryzacji, SAKON 06, Rzeszów 06. [6] Ustrzycki A., Kuszewski H., Wpływ temperatury wtryskiwanego paliwa na wielkość dawki w zasobnikowym układzie wtryskowym typu Common Rail, Materiały XVIII Konferencji Międzynarodowej nt. Metody Obliczeniowe i Badawcze w Rozwoju Pojazdów Samochodowych i Maszyn Roboczych Samojezdnych, Zarządzanie i Marketing w Motoryzacji, SAKON 07, Rzeszów 07.