Rodzaje wtrysku Disel, Diagnostyka disla i nie tylko
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
WYDZIAŁ MECHANICZNY POLITECHNIKI GDA
Ń
SKIEJ
KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPR
Ęś
AREK
Kierownik katedry: prof. dr hab. in
Ŝ
. Andrzej Balcerski, prof. zw. PG
LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAP
Ę
DÓW SPALINOWYCH
Dr in
Ŝ
. Ryszard Mosakowski
Ć
wiczenie 4
BADANIE ELEMENTÓW UKŁADU ZASILANIA SILNIKÓW ZS
1. Wst
ę
p
W silniku ZS, w przeciwieństwie do silnika ZI, paliwo nie jest wcześniej wymieszane z powietrzem.
Wtrysk paliwa następuje bowiem bezpośrednio do komory spalania pod koniec suwu spręŜania. Aparatura wtry-
skowa musi więc dokładnie odmierzać dawki wtryskiwanego paliwa i wtryskiwać je w odpowiednim momencie
w stosunku do GMP tłoka. Aby zapewnić dobre wymieszanie paliwa z powietrzem w krótkim okresie, wtryski-
wane paliwo powinno posiadać wysoką energię kinetyczną.
2. Układ zasilania silnika z klasyczna pomp
ą
wtryskow
ą
Typowy układ zasilania silnika ZS z klasyczną (rzędową) pompą wtryskową przedstawia rys.1. Pompa
zasilająca 2 zasysa paliwo ze zbiornika 1 i tłoczy je do filtru 4, w którym jest zainstalowany zawór przelewowy
5a. Zawór przelewowy o ciśnieniu otwarcia 0,08-0,13 MPa zaczyna działać w chwili wystąpienia w filtrze zbyt
duŜych oporów przepływu. Wówczas paliwo wraca do zbiornika. Towarzyszy temu nagły spadek mocy silnika,
co oznacza potrzebę wymiany
wkładu filtra. Z filtru paliwo jest
dostarczane do pompy wtry-
skowej 6 do kanału biegnącego
wzdłuŜ pompy i łączącego się
za pomocą otworków z cylin-
derkami poszczególnych sekcji
tłoczących. Na końcu kanału
znajduje się zawór przelewowy
5b umoŜliwiający odpływ nad-
miaru paliwa, wraz z pęcherza-
mi gazu, do zbiornika. Zada-
niem paliwa krąŜącego w tym
układzie (niskiego ciśnienia)
jest równieŜ chłodzenie pompy.
Z pompy wtryskowej przewo-
dami wysokiego ciśnienia pali-
wo jest dostarczane do wtryski-
waczy 10 i dalej za pośrednic-
twem rozpylaczy do komór
spalania poszczególnych cylin-
drów. Przecieki paliwa przez
nieszczelności w układzie roz-
pylacz-obudowa są odprowa-
dzane do zbiornika. W skład
układu zasilania wchodzi po-
nadto regulator prędkości obrotowej 8 z dźwignią sterującą 9, ogranicznik maksymalnego przemieszczenia li-
stwy zębatej 7 oraz przestawiacz wtrysku 12. W celu umoŜliwienia odpowietrzenia układu zasilania pompę zasi-
lająca wyposaŜa się w pompkę ręczną 3. W poszczególnych zastosowaniach aparatura paliwowa moŜe być
pozbawiona niektórych elementów (np. pompy zasilającej w silnikach ciągnikowych) lub uzupełniona o inne
(korektor ciśnieniowy lub atmosferyczny).
Bardziej nowoczesne rzędowe pompy wtryskowe, zamiast regulatora
mechanicznego (odśrodkowego) osiadają regulator elektroniczny, a takŜe elektroniczne sterowanie listwą zębatą
z siłownikiem elektromagnetycznym jako elementem wykonawczym w układzie sterowania.
3. Klasyczna pompa wtryskowa
Budowa pompy i opis jej elementów pokazano na rys.2. Tłok pompy 5, stanowiący wraz z cylinderkiem 4
zespół tłoczący, napędzany jest krzywką 15 wału pompy 14 za pośrednictwem popychacza rolkowego 13, za-
2
opatrzonego w śrubę 12 z przeciwnakrętką, które słuŜą do regulacji początku tłoczenia paliwa przez poszczegól-
ne sekcje w sposób niezaleŜny. Na cylinderku jest osadzona obrotowo tuleja regulacyjna 8 połączona kinema-
tycznie ze stopką tłoczka 9. Wycięcie poosiowe w tulei regulacyjnej, w które wchodzi stopka tłoczka, umoŜliwia
z jednej strony na swobodny ruch postępowo zwrotny tłoczka z drugiej zaś jego obracanie, poprzez obrót tulei
regulacyjnej, za pomocą listwy zębatej 7, która współpracuje z wieńcem zębatym zaciśniętym na tulei regulacyj-
nej. Cylinderek od góry jest zamknięty zaworkiem tłocznym 2 słuŜącym do okresowego odcinania połączenia z
przewodem wysokiego ciśnienia 1. W górnej części cylinderka znajdują się otwory promieniowe, z których
jeden łączy jego przestrzeń z kanałem zasilającym a drugi z kanałem upustowym. Główka tłoczka posiada dwie
krawędzie sterujące górną naciętą prosto i dolną naciętą skośnie. Tłoczenie paliwa teoretycznie rozpoczyna się w
momencie gdy górna krawędź tłoczka przysłoni otworek zasilający i trwa do chwili odsłonięcia otworka upu-
stowego przez dolną krawędź sterującą. Wówczas zamyka się zaworek tłoczny 2, a paliwo, przy dalszym ruchu
tłoczka do góry, jest przetłaczane poprzez pionowy rowek w główce tłoczka do kanału upustowego. Ruch ssaw-
ny tłoczka jest wymuszany spręŜyną 10. Tak więc wielkość dawki paliwa podawanej do wtryskiwacza zaleŜy od
odległości pomiędzy górną a dolną krawędzią sterującą tłoczka w płaszczyźnie otworka upustowego. Poprzez
obrót tłoczka zmienia się długość tworzącej a w związku z tym równieŜ wielkość toczonej dawki paliwa. Zasadę
działania regulacji dawki paliwa wyjaśnia rys. 3
Rys. 2. Budowa i zasada działania klasycznej pompy wtryskowej PE: 1 – przewód wtryskowy, 2 – zawór tłoczący, 3 – komora zasilania,
4 – cylinderek, 5 – tłoczek, 6 – wieniec zębaty, 7 – listwa zębata, 8 – tuleja regulacyjna, 9 – skrzydełko tłoka, 10 spręŜyna popychacza, 11 –
talerzyk spręŜyny, 12 -śruba popychacza z nakrętką kontrującą, 13 – popychacz, 14 – wałek krzywkowy, 15 – krzywka, 16 – pompa zasila-
jąca
4. Wtryskiwacze
Typowy wtryskiwacz pokazany na rys.4 składa się z obsady i zabudowanego w niej rozpylacza. Główną
część obsady stanowi korpus 1, wykonany z ulepszanej cieplnie stali, utwardzanej i docieranej na powierzchni
czołowej stykającej się z rozpylaczem 11. W korpusie, w pobliŜu krawędzi, wykonany jest otwór doprowadzają-
cy paliwo z wkręconego z boku króćca 2 z filtrem szczelinowym 3. W środkowym otworze korpusu mieści się
drąŜek 4, stykający się u dołu z iglicą rozpylacza, a w górnej części zakończony miseczką, na której opiera się
spręŜyna wtryskiwacza 5, napięta wstępnie śrubą 7. Nacisk spręŜyny, a w związku z tym ciśnienie otwarcia
wtryskiwacza, mogą być regulowane przez obracanie śruby 6 dociskającej górną miseczkę spręŜyny. Przez środ-
kowy otwór korpusu wtryskiwacza przepływa ku górze olej napędowy przesączający się przez luz pomiędzy
iglicą a korpusem rozpylacza. Przecieki oleju są odprowadzane połączeniem niskiego ciśnienia zamocowanym
na kołpaku 8. Połączenie składa się ze śruby drąŜonej 9, łącznika obrotowego 10 i dwóch uszczelek. Od dołu
3
rozpylacz jest przymocowany do czoła obsady za pomocą nakrętki 12. Inny typ wtryskiwacza firmy Bosch po-
kazano na rys.5. Charakteryzuje się on mniejszą masą elementów ruchomych dzięki umieszczeniu spręŜyny
wtryskiwacza bliŜej rozpylacza. Ciśnienie otwarcia rozpylacza jest realizowane za pomocą podkładek regulacyj-
nych 5.
5. Układy wtrysku z pompami jednosekcyjnymi sterowanymi elektronicznie
Pompy wtryskowe tego typu pracują według podobnej zasady jak
pompowtryskiwacze. KaŜdy cylinder silnika posiada oddzielną pompę wtry-
skową połączoną krótkim przewodem 3 z wtryskiwaczem 2 (rys. 6). Po-
szczególne pompy napędzane są indywidualnie od wału rozrządu silnika 6.
Początek tłoczenia paliwa i czas trwania wtrysku są sterowane elektronicznie
zaworem elektromagnetycznym szybkiego działania 4. Podczas ruchu po-
czątkowego tłoczka 5 pompy ku górze, wywołanemu krzywką 6, następuje
wytłaczanie paliwa z cylinderka przez otwarty zawór 4 do zbiornika paliwa.
Tłoczenie paliwa rozpoczyna się w momencie gdy elektroniczna jednostka
sterująca zamknie zawór 4. Wówczas gwałtownie rośnie ciśnienie w cylin-
derku pompy, które przenosi się do wtryskiwacza. Osiągnięcie odpowiednie-
go poziomu ciśnienia we wtryskiwaczu powoduje podniesienie iglicy rozpy-
lacza 1 i rozpoczęcie wtrysku paliwa.
Zastosowanie pojedynczych (jednosekcyjnych) pomp wtryskowych,
zwłaszcza w duŜych silnikach spalinowych, umoŜliwia ich połączenie krót-
kimi przewodami z wtryskiwaczami i ułatwia zabudowę wtryskiwacza i
pompy na silniku.
4
6. Akumulacyjny układ wtrysku paliwa (Common rail)
6.1. Schemat układu i zasada działania
W celu zmniejszenia zuŜycia paliwa i emisji hałasu silnika i związków toksycznych w spalinach naleŜy
dobierać optymalne wartości ciśnienia, początku i zakończenia wtrysku dla kaŜdego stanu pracy silnika, a takŜe
najkorzystniejszy sposób prze-
biegu dawkowania paliwa.
Takie wymagania są w stanie
spełnić tylko elektronicznie
sterowane systemy wtrysku, do
których naleŜą układy
common
rail
. Schemat takiego układu
jest pokazany na rys.7. Elek-
tryczna pompa zasilająca 3
(występująca tylko w samocho-
dach osobowych i lekkich po-
jazdach uŜytkowych), wraz z
filtrem wstępnego oczyszczania
2, zanurzona w zbiorniku pali-
wa 1, tłoczy paliwo przewodem
niskiego ciśnienia 5, poprzez
filtr z odstojnikiem wody 4, do
pompy wysokiego ciśnienia 6.
Nadmiar paliwa wraca przewo-
dem 13 do zbiornika, poprzez
zawór przelewowy (nie jest
pokazany na rysunku). Wyso-
kociśnieniowa pompa tłokowa,
z zaworem wyłączającym sek-
cję tłoczącą 7, wytwarzająca
ciśnienie do 180MPa, tłoczy
paliwo przewodem wysokoci-
śnieniowym 9 do akumulatora
paliwa 10 (
common rail
), który
stanowi grubościenna rura o odpowiednio dobranej pojemności, w celu tłumienia pulsacji ciśnienia powstałych
w wyniku cyklicznego tłoczenia i poboru paliwa. Przewodami wysokiego ciśnienia 14, paliwo płynie następnie
przez ogranicznik przepływu 12, do sterowanych elektrycznie ze sterownika 16 wtryskiwaczy 15. Nadmiar pali-
wa w części wysokiego ciśnienia wraca do zbiornika przewodami 13. Maksymalne ciśnienie paliwa w akumula-
torze ogranicza zawór redukcyjny 17. Ciśnienie paliwa we akumulatorze jest regulowane zaworem regulacyjnym
8 montowanym na pompie wysokociśnieniowej lub na akumulatorze paliwa. Zaworem regulacyjnym steruje
sterownik 16 wykorzystując sygnał ciśnienia z czujnika 11.
Sygnały wejściowe do sterownika, poza ciśnieniem paliwa,
obejmują prędkość obrotową silnika, połoŜenie wału rozrządu, prze-
mieszczenie pedału gazu, ciśnienie ładowania, temperaturę powietrza i
temperaturę cieczy chłodzącej silnik. Na rys.7 brak jest świecy Ŝaro-
wej stosowanej w układach
common rail
przy temperaturach poniŜej 0
0
C. Bardziej złoŜone układy akumulacyjne wykorzystują dodatkowo
sygnały prędkości pojazdu, temperatury spalin, szerokopasmowej
sondy lambda oraz czujnika ciśnienia róŜnicowego (w celu określenia
zapełnienia reaktora katalitycznego i/lub filtru cząstek stałych). Do-
datkowe sygnały sterujące generowane przez sterownik, oprócz steru-
jących wtryskiwaczami, regulatorem ciśnienia oraz wyłączaniem sek-
cji tłoczących pompy wysokociśnieniowej, mogą obejmować takŜe
m.in. ciśnienie turbospręŜarki, EGR etc.
6.2. Wtryskiwacze elektrohydrauliczne
W przeciwieństwie do układów zasilania z klasyczną pompą
wtryskową, w których otwieranie wtryskiwacza odbywa się automa-
tycznie ciśnieniem paliwa, w układach akumulacyjnych początkiem,
5
przebiegiem i zakończeniem wtrysku paliwa, a takŜe ciśnieniem wtrysku steruje elektroniczna jednostka sterują-
ca poprzez podawanie odpowiedniego sygnału sterującego zasilaniem elektromagnesu wtryskiwacza elektrohy-
draulicznego przedstawionego na rys. 8.
Paliwo z akumulatora paliwa dopływa pod wysokim ciśnieniem nie
tylko do dolnej części rozpylacza, ale takŜe poprzez dyszę dławiącą do przestrzeni bezpośrednio nad rozpyla-
czem. Dzięki temu iglica jest dociskana do gniazda nie tylko
za pomocą spręŜyny, ale takŜe w wyniku działania ciśnienia
paliwa na jej powierzchnię przekroju poprzecznego. Prze-
strzeń nad iglicą połączona jest z odpływem paliwa za po-
mocą zaworka kulowego sterowanego elektromagnesem.
Podanie napięcia na cewkę elektromagnesu powoduje spa-
dek ciśnienia w komorze sterującej, dzięki temu siła ciśnie-
nia paliwa pokonuje siłę w spręŜynie wtryskiwacza powo-
dując jego otwarcie. Przerwanie zasilania elektrycznego
cewki elektromagnesu powoduje zamknięcie wtryskiwacza,
a tym samym zakończenie wtrysku paliwa. Sterowanie
elektroniczne parametrami wtrysku paliwa umoŜliwia optymalny dobór ich wartości dla kaŜdego stanu pracy
silnika, co w połączeniu z lepszym rozdrobnieniem paliwa, dzięki wysokim ciśnieniom wtrysku, prowadzi do
zmniejszenia jednostkowego zuŜycia paliwa. W celu obniŜenia hałasu generowanego w drugiej fazie procesu
spalania, wtryśnięcie głównej dawki paliwa jest poprzedzone jedną lub dwiema małymi dawkami paliwa, tzw.
dawkami pilotującymi (rys.9). Podobnie, w celu dopalenia cząstek sadzy, następuje wtryśnięcie małej dawki
paliwa po zakończeniu wtrysku dawki zasadniczej (wczesny dotrysk paliwa), czyli jeszcze w czasie trwania
procesu spalania. W przypadku zastosowania niektórych typów reaktora katalitycznego stosuje się drugi dotrysk
po dawce zasadniczej podczas suwu wylotu do 20
o
OWK po DMP w celu umoŜliwienia redukcji tlenków azotu.
Późny dotrysk moŜe być takŜe zastosowany w celu podwyŜszenia temperatury spalin dla regeneracji filtru czą-
stek stałych.
Na rys. 10 został przedstawiony wtryskiwacz firmy Bosch stosowany w systemach akumulacyjnych wtry-
sku paliwa III generacji
m.in. w silnikach firmy
Renault i Nissan. Elek-
tromagnes, stanowiący
element wykonawczy
wkładu sterowania wtry-
skiwacza II generacji,
został zastąpiony zespo-
łem kilkuset płytek pie-
zoelektrycznych sterują-
cych zaworkiem umoŜ-
liwiającym łączenie
komory sterującej iglicy
rozpylacza z odpływem
paliwa. Zastąpienie elek-
tromagnesu zespołem
płytek piezoelektrycz-
nych skróciło 3-krotnie
czas otwarcia wtryskiwa-
cza. Podanie napięcia do
elektrod oddzielających
płytki piezokwarcowe
powoduje otwarcie za-
woru sterującego i połą-
czenie komory sterującej
z odpływem. Spada ci-
śnienie paliwa w komo-
rze sterującej, a związku
z tym siła ciśnienia pali-
wa dociskająca iglicę
rozpylacza do gniazda.
Dzięki temu ciśnienie
paliwa w studzience rozpylacza działające na jego iglicę pokonuje napięcie spręŜyny wtryskiwacza, powodując
otwarcie wtryskiwacza.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]