111Equation Chapter 1 Section 1

MEHATRONIKA MOTORA I VOZILA

Sistem ubrizgavanja „pumpa-brizgač“ BOSCH EDC

Asistent : Mr Dragan Taranović

Student : Darijo Dujaković

Br.indeksa: 12

Banja Luka, 2013god.

MAŠINSKI FAKULTET

BANJA LUKA

UBRIZGAVANJE GORIVA KOD DIESELOVOG MOTORA

UVOD

Priprema gorive smješe u najvećoj mjeri utiče na potrošnju goriva, emisiju štetnih mаtеrija uizduvnim gasovima i na buku sagorijevanja Dieselovog motora. Na pripremu gorive smješe imaveliki uticaj uređaj za ubrizgavanje goriva čiji su glavni sastavni dijelovi:

• viskopritisna pumpa za ubrizgavanje goriva,• visokopritisni cjevovodi i• brizgaljke.Više značajnih veličina utiče na pripremu gorive smješe i na tok sagorijevanja u motoru. To su:• početak dobave i početak ubrizgavanja• trajanje i tok ubrizgavanja (“zakon ubrizgavanja”)• pritisak ubrizgavanja• smjer i broj mlazeva goriva• višak vazduha i njegovo vrtloženje u cilindru.

Da bi mogao obavljati svoje zadaće, uređaj za ubrizgavanje je opremljen sa dva regulatorakoji mogu biti mehanički ili elektronički. To su:• regulator predubrizgavanja ili regulator početka ubrizgavanja:uzima u obzir zakašnjenje ubrizgavanja i zakašnjenje paljenja,• regulator brzine obrtanja motora:štiti motor od brzinskog preopterećenja, a ako je sverežimski tada i održavanamještenu brzinu obrtanja.Pored toga, uređaj za ubrizgavanje mora omogućiti i upravljanje snagom motora, odnosnonjenu regulaciju. I ovi uređaji mogu biti mehanički ili elektronički.

UREĐAJI ZA UBRIZGAVANJE GORIVA

Tokom zadnje dekade dvadesetoga stoljeća Dieselov motor sa direktnim ubrizgavanjem i uautomobilskoj je industriji preuzeo vodstvo, zahvaljujući nižoj potrošnji goriva od motora skomorom, i tako se još jednom potvrdio kao najekonomičnija toplotna mašina uopšte.Istovremeno s ovim prodorom, pod pritiskom sve strožih propisa o dozvoljenoj štetnoj emisijiizduvavanja, uvedeni su elektronički sistemi regulacije ubrizgavanja goriva i rada cjelokupnogmotora poznati pod skraćenim nazivom EDC (engl. Electronic Diesel Control). Kod njih su čisto mehanički upravljački uređaji i pojedini sklopovi zamijenjeni mehatroničkim regulatorima pri čemu su u svojim osnovnim oblicima zadržane postojeće mehaničke pumpe za ubrizgavanje. Konačno se 1997. godine kao rezultat visokog stepena razvoja na mnogim tehničkim područima pojavio na motorima sa direktnim ubrizgavanjem tada novi sistem za ubrizgavanje goriva Common Rail. Treba napomenuti da novi uređaji za ubrizgavanje omogućuju znatno nižu potrošnju goriva idaleko nižu štetnu emisiju ali su i za red veličine osjetljiviji na čistoću goriva. I najmanjekoličine vode i taloga u gorivu pogubne su za pumpe novih motora sa direktnim ubrizgavanjem,dok bi u starima, sa komorom, prošle ne opaženo i bez ikakvih posljedica.

1

UREĐAJ COMMON RAIL

Ovaj se uređaj još naziva i uređajem za ubrizgavanje sa rezervoarom goriva pod visokimpritiskom .Zbog toga što je pritisak cijelo vrijeme ubrizgavanja gotovo stalan (konstantan), naziva se i ubrizgavanjem sa stalnim pritiskom. Sama ideja i nije posve nova. Prve izvedbe s elektroničkom regulacijom bile su na sporohodnim brodskim motorima MAN B&W još 1979. g. Glavna prepreka primjeni kod mnogo bržih automobilskih motora bila je ta što tada još nisu postojali dovoljno brzi elektromagnetski ventili za ubrizgavanje. Primjerice ako ubrizgavanje goriva traje 20°KV tada to kod četverotaktnog motora pri brzini obrtanja od 4000 min-1 traje svega 0.8 ms. To zahtijeva veliku brzinu zatvaranja i otvaranja ventila za ubrizgavanje, kao i veliku pouzdanost i izdržljivost. Npr. tokom 100 000 km, uz prosječnu brzinu vožnje od 40 km/h i prosječnu brzinu obrtanja motora od 2000 min-1, te ako se gorivo ubrizgava samo dvaput usvakom radnom ciklusu, ventil mora obaviti 300 miliona otvaranja i isto toliko zatvaranja. Sve je to zahtijevalo silan napor u procesu razvoja ovih uređaja. Izvedbu prikazanu na slikama, poznatu pod nazivom Common Rail zajednički su razvili Daimler-Benz, Bosch i Fiat a u serijskoj se proizvodnji pojavila 1997. godine. (Danas ove uređaje proizvodi i Delphi.) Uređaj se sastoji od visokopritisne klipne pumpe koja dobavlja gorivo zajedničkimrezervoarom pod visokim pritiskom (Common Rail). Iz rezervoara se gorivo cijevima odvodi doelektromagnetskih ventila za ubrizgavanje koje otvara i zatvara elektronički upravljački uređaj. Poseban brzi regulator održava pritisak u visokopritisnom rezervoaru za vrijemeubrizgavanja praktično konstatnim (npr. kod nazivne vrijednosti od 1300 bar pritisak za vrijemeubrizgavanja varira za manje od 20 bar). Najveći pritisak ubrizgavanja iznosi kod:

1. Common Rail 1 (1997.) 1350 bar,2. Common Rail 2 (2000.) 1600 bar,3. Common Rail 3 (2003.), piezo-ventili, višestruko glavno ubrizgavanje 1800 bar,4. Common Rail 4 (~2007.) > 2200 bar,

U odnosu na druge sisteme ubrizgavanja Common Rail ima ove osnovne prednosti:

1. Ubrizgavanje se vrši elektromagnetskim ventilima pa je izbor početka, kraja itrajanja ubrizgavanja potpuno slobodan i nije ograničen geometrijskimoblikom brijega kao u pumpi sa mehaničkim ubrizgavanjem.

2. Pritisak ubrizgavanja je konstantan od početka do kraja ubrizgavanja.

Iako pumpa-brizgaljka ubrizgava gorivo pod najvećim pritiskom od 2100 bar, aCommon Rail kod 1600 bar, prosječni pritisak za vrijeme ubrizgavanja veći je kodCommon Raila. U stvarnosti se pritisak za vrijeme ubrizgavanja mijenja ali su te promjene zbog brze regulacije vrlo male i zanemarive u odnosu na druge sisteme ubrizgavnja. Npr. kod nazivnog pritiska od 1300 bar oscilacije pritiska iznose ± 20 bar.

2

3. U jednom radnom ciklusu motora gorivo se može ubrizgavati nekoliko puta.

To je od velike prednosti jer omogućuje dobro regulirano predubrizgavanje koje jevažno za smanjenje buke sagorevanja. Takođe omogućuje naknadno ubrizgavanje upritisak ekspanzije i izduvavanja, nužno za rad uređaja za smanjivanje štetne emisije(čestica i NOx).

4. Visokopritisna pumpa ne treba biti sinhronizovana sa koljenastim vratilom motora.

Time pogon pumpe i njezin smještaj postaju jednostavnijima.

Slika 1.0. Uređaj za ubrizgavanje goriva sa rezervoarom pod pritiskom - Common-Rail.Crveno – gorivo pod visokimpritiskom, žuto – gorivo pod niskim pritiskom. Oznake: ECU –elektronički upravljački uređaj; F0 – predfiltar; F – filtar; P – dobavna pumpa goriva; S –rezervoar goriva; Senzori ( davači ): nKV –brzina obrtanja motora, αBV –položaj bregastog vratila, pT –pritisak nabijanja vazduha u turbopunjaču, tZ – temperatura vazduha, tM – temperatura motora.

3

Senzor pritiska u rezervoaru

Rrezervoar goriva pod visokim pritiskom ( Rail )

Regulator pritiska

Elektromagnetni ventil za ubrzgavanje (injectori)

Visoko pritisna pumpa

Slika 1.1 Pritisak goriva za vrijeme ubrizgavanja je kod Common Raila cijelo vrijeme stalan (const.)

4

Ugao zakreta KV° Ugao zakreta KV°

SISTEM UBRIZGAVANJA PUMPA-BRIZGAČ BOSCH EDC

Elektronska šema upravljanja radom UIS ( Unit Injector System ) –sistema

Slika 1.2 Uređaj za ubrizgavanje goriva pumpa-brizgaljka BOSCH EDC 15P. A –Napajanje gorivom (niskopritisni dio): 1 – rezervoar goriva, 2 – filtar goriva, 3 – dobavna pumpa goriva, 4 –regulator pritiska goriva, 5 – hladnjak goriva. B – visokopritisni dio: 6- pumpa –brizgaljka. C – Elektronička regulacija motora EDC: 7 – senzor temperature goriva, 8-EUJ, 9 – Senzor položaja papučice snage(pedale gasa), 10 – senzor brzine vožnje, 11 – prekidač kočnice, 12 – senzor temperature vazduha, 13 –senzor brzine obrtanja bregastoga vratila, 14 – senzortemperature usisavanoga vazduha, 15 – senzor pritiska u usisnoj grani, 16 – leptir za gašenje motora, 17 –mjerač protoka vazduha, 18 – senzor temperature rashladne tečnosti motora, 19 – davač položajakoljenastoga vratila. D – periferija ( ostala oprema za vozilo ): 20 – instrument tabla, 21- regulator zagrijavanja za hladni start motora, 22 – grejač, 23 – prekidač spojke, 24 – ručica na volanu za programiranje tempomata (regulatora brzine vožnje), 25 – kompresor klimauređaja, 26 – komande klima uređaja, 27 – kontak-brava na volanu, 28 – dijagnostički priključak, 29 – akumulator, 30 – turbopunjač, 31 – hladnjak recirkuliranih izduvnih gasova (EGR), 32 – ventil za upravljanje EGR uređajem,

5

33 – ventil za upravljanje pritiskom gasne turbine (waste-gate), 34 – vakuum-pumpa, 35 – motor.CAN – (Controler Area Network) – serijska magistrala u voziluElektronički regulacijski uređaj – EDC

Elektronički regulacijski uređaj EDC uzima u obzir čitav niz radnih parametara motora amože se kombinovati sa bilo kojom pumpom za ubrizgavanje. EDC upravlja radomcjelokupnog motora. Ukoliko je na vozilo ugrađen neki od sistema za poboljšanje prijanjanjaTCS (Traction Control System) ili dinamičke stabilnosti vozila ESP (Electronic StabilityProgram), ili kod teških teretnih vozila sistem za regulaciju oslanjanja ECAS (ElectronicallyControlled Air Suspension), tada je EDC hijerarhijski podređen ovim sistemima. Osim vrlotačne regulacije količine ubrizgavanoga goriva, EDC može osiguravati i sigurnost pogonamotora. U slučaju otkazivanja pojedinih funkcija (npr. kod neispravnosti senzora), ili kodpojave kvara koji ugrožava sigurnost, sistem se prebacuje u sigurnosni način rada sasmanjenom snagom motora koja je dovoljna da vozilo dođe do servisne radionice.

Slika 1.3 Šema jedne od prvih izvedbi EDC-uređaja za napajanje Dieselovog motora sarednom pumpe za ubrizgavanje. Oznake: (1) rezervoar goriva, (2) dobavna pumpa sa ručnom pumpom za odzračivanje vodova goriva, (3) filtar goriva, (4) redna pumpa za ubrizgavanje, (5) električni uređaj za zaustavljanje motora (ELAB), (6) davač temperature goriva, (7) davač pomaka regulacijske poluge u pumpi (zakreće pumpne elemente), (8) izvršni član sa linearnim magnetom (pomiče regulacijsku polugu), (9) davač brzine obrtanja motora, (10) brizgaljka, (11) davač temperature rashladne tečnosti, (12) davač pomaka papučice snage, (13) prekidač pedale spojnice, (14) ručica za programiranje na volanu, (15) lampica upozorenja i priključak za dijagnostički uređaj, (16) davač brzine vožnje, (17) elektronički

6

upravljački uređaj (računalo), (18) davač temperature vazduha, (19) davač pritiska nabijenog zraka, (20) turbopunjač, (21) akumulator, (22) prekidač za uključivanje grijača za hladni start motora.

SISTEMI DAVAČA ( SENZORI )

ELEKTRONSKA UPRAVLJAČKA JEDINICA

Elektronska upravljačka jedinica je procesni računar koji upravlja radom sistema ubrizgavanja. Ona prima ulazne signale od sistema davača, obrađuje ih i na bazi rezultata formira izlazne signale koji djeluju na izvršne organe-aktuatore. Kod savremenih sistema je najčešće objedinjeno upravljanje kompletnim radnim procesom, tako da ista EUJ upravlja i radom sistema paljenja.U tome slučaju su izvršni organi i indukcioni kalemovi ( bombina ) za paljenje ventili za recikliranje izduvnih gasova ( EGR ),itd. Funkcionalno gledano ,EUJ se može podjeliti u tri osnovna dijela (stepena): ulazni stepen,mikroračunar (centralni stepen ) i izlazni stepen. Ulazni stepen služi za prijem i preliminarnu obradu ulaznih signala koji dolaze sa pojedinih davača. Mikroračunar je digitalni računar koji vrši obradu podataka. Izlazni stepen služi za vezu izvršnim organima-aktuatorima (npr. Brizgači,pumpe…).

7

Slika1.4 Blok dijagram upravljanja sistemomUIS

DAVAČI OPTEREĆENJA MOTORA

Opterećenje motora se može pratiti preko protoka usisnog vazduha, preko depresije u usisnom vodu motora ( ili apsolutnog pritiska u usisnom vodu ) ili preko prigušnog leptira.

Mehanički protokomjer vazduha

Princip rada ovakvog protokomjera prikazan je na slici 1.6 . Pod dejstvom struje vazduha koji protiče kroz cev protokomera nastaju aerodinamičke sile koje zaokreću mjernu klapnu (2), čemu se suprostavlja kalibrisana opruga ( otuda i naziv “ lebdeća klapna ). Ugao zaokretanja klapne α je proporcionalan zapreminskom protoku vazduha i on se pretvara u merni signal pomoću preciznog mernog reostata ( potenciometra ). Kompezaciona klapna (4), koja je čvrsto spojena sa mernom klapnom, i prigušna zapremina (5) ,služi da priguši eventualno oscilatorno kretanje merne klapne koje može nastati kao posledica nestacionarnosti procesa usisavanja i povratnih strujanja. Kako je za odmjeravanje ubrizgane količine goriva potreban maseni protok vazduha neophodno je izvršiti temperatursku korekciju,za šta služi davač temperature usisnog vazduha (6). Mane ovog mehaničkog protokomjera su njegove relativno velike dimenzije kao i slabija dinamika odziva pri naglim promjenama opterećenja motora.

Slika 1.6 Mehanički protokomjer sa “lebdećom klapnom“’(merna klapna) 1.Zavrtanj za podešavanje sastava smeše pri praznom hodu, 2.Merna klapna, 3. Granicnik, 4.Kompenzaciona klapna, 5.Prigušna komora, 6. Davač temperature vazduha

8

Protokomjer vazduha sa vrelom elementom

U novije vreme se za merenje protoka usisnog vazduha sve masovnije primjenjuje protokomeri na bazi anemometrije sa vrelim elementom ( vlakna ili filmom ). Princip rada anemometra sa vrelim vlaknom koji služi za mjerenje brzine strujanja vazduha baziran je na činjenici da je intezitet prelaza toplote sa zagrejanog vlakna na okolni vazduh (intezitet hlađenja vlakna) proporcionalan brzini strujanja vazduha. Merno vlakno, koje može biti mikronske debljine i minijaturnih dimenzija zagrejava se električnom strujom, a hladi strujom vazduha. Ako se električna veza ostvari tako da je merno vlakno jedan od otpornika mernog mosta,onda s obzirom da električna otpornost vlakna zavisi od njegove temperature,pri svakoj promjeni temperature dolazi do narušavanja ravnoteže mjernog mosta.Intezitet struje zagrijavanja vlakna,koji je potreban da bi se održala konstantna razlika temperature između vlakana i vazduha ( pa time i ravnoteža mosta ) je,dakle,proporcionalna brzini strujanja vazduha. Protokomjer na bazi anemometrije sa vrelim elementom se postavlja ispred prigušnog leptira.

Protokomer sa vrelim vlaknom-baziran je na prethodno opisanom principu, s tim što je vrelo vlakno postavljeno u mernoj cevi tako da reaguje na srednju brzinu strujanja. Na slici 1.7a prikazani su merni elementi protokomera sa vrelim vlaknom a na slici 1.7b električna veza mernog mosta. Vrelo vlakno od platine ,debljine≈70μm i otpornosti RH razapeto je u mernoj cevi (senzorskom prstenu). Ispred je postavljen davač temperature otpornosti RK kako bi se obezbedio podatak za kompezacjiu na bazi temperature vazduha.Vrelo vlakno i davač temperature deluju kao otpornici osjetljivi na promjenu temperature u okviru Vinstonovog mernog mosta. Struja potrebna za održavanje konstantne razlike temperature između vrelog vlakna i vazduha proizvodi na mernom otporniku otpornost RM naponski signal UM proporcionalan masenom protoku vazduha.a) b)

Slika 1.7a Komponente protokomjera sa vrelim vlaknom:1-Davač temperature vazduha,2-Senzorski prsten sa vrelim vlaknom,3-Precizni merni otpornik

9

RH

RK

RM UM

QM

Slika 1.7b Električna veza mernog mosta kod anemometra sa vrelim vlaknom; RH-otpornik vrelog vlakna, RK-kompezacioni otpornik (merenje temperature vazduha), RM-merni otpornik, R1, R2- podesivi otpornici, UM-merni protok, QM-maseni protok vazduha.

S obzirom na malu debljinu vrelog vlakna ono mora biti zaštićeno od mehaničkog dejstva čestica nečistoća u vazduhu,zbog čega se sa obe strane merne cevi postavlja zaštitni (najčešće keramički) zaklon. Isto tako,na preciznost merenja bi moglo bitno uticati nanošenje prljavštine na vlakno,zbog čega se ono pri svakom gašenju motora kratkotrajno zagreava do temperature “samočišćenja” (1000-1050°C), na kojoj prljavština sagoreva i isparava.

Davač depresije u usisnoj cevi motora

Davač apsolutnog pritiska (ili depresije) koji vlada u usisnoj grani motora često se naziva MAP-senzor (Manifold Absolute Pressure).Ovaj davač je kod nekih sistema izveden kao posebna celina, a može biti i integrisan sa EUJ.

Slika 1.8 Senzorski element na bazi piezo-otpornosti;1- Piezo-otporni element,2-Membrana, 3- Komora referentnog pritiska,4-Keramički noseća pločica Na slici 1.8 prikazan je sam senzorski element na bazi piezo-otpornosti.Tanka membrana zvonastog oblika (2) prekriva zapreminu sa referentnim pritiskom (3) ,koji deluje sa jedne strane membrane .Sa druge strane membrane djeluje merni pritisak (iz usisnog kolektora motora),tako da se membrana deformiše pod dejstvom razlike pritiska. U membranu je ugrađeno nekoliko kvarcnih piezo otpornika ,čija otpornost varira u zavisnosti od mehaničkog opterećenja kome su izloženi. Ovi otpornici su deo mernog mosta tako da svaka promjene njihove otpornosti usled deformacije membrane dovodi do neravnoteže mosta. Na taj način je napon mosta proporcionalan razlici pritiska u mernoj i referentnoj komori . Ako se davač pritiska samostalno koristi za detekciju opterećenja,neophodni su i podaci o broju obrtaja motora i temperaturi vazduha ,kako bi se odredio maseni protok vazduha.

10

43

2

1

Davač pritiska

Slika 1.8 Prikaz mjesta na kome se nalazi davač pritiska tj. u ovom slučaju montira se na Rail

Davač ugla leptira

Davač ugla leptira vrši pretvaranje ugla

zakretanja prigušnog leptira u naponski mjerni signal. Na slici 1.9 prikazana je konstrukcija davača ugla leptira sa dva trakasta otpornika .U suštini oni predstavljaju promjenljive otpornike (reostat),kružnog oblika, u sklopu sa klizačem koji se okreće sa osovinom leptira i tako menja tačku dodira sa otpornikom.U cilju povećanja preciznosti mjerenja ne primjenjuje se prosto električno kolo sa promjenljivom otpornošću, već je reostat povezan kao grana mernog mosta čija se ravnoteža narušava usled promjene otpornosti. Ukoliko se signal otvora leptira koristi pri regulaciji samo kao sekundarni signal opterećenja, npr. za detekciju karakterističnih režima rada kao što su : prazan hod, puno opterećenje,režim kočenja motorom,odnosno, kada u sistemu postoji i protokomjer vazduha,nije potrebna izuzetna preciznost mjerenja. Međutim,ukoliko se otvor leptira koristi kao primarni signal opterećenja, što je ređi slučaj,zahteva se visoka preciznost mjerenja,tako da se koriste dva klizna potenciometra (za dva opsega mjerenja ugla otvora leptira).Za odeređivanje masenog protoka vazduha potrebni su i podaci o broju obrtaja motora i temperature usisnog vazduha. Signal MAP senzora ili otvora leptira se može koristiti kao mera opterećenja samo u kombinaciji sa signalom broja obrtaja motora i vazduha ,pri čemu je veza između mernih veličina (apsolutnog pritiska u usisnoj cijevi ,odnosno, ugla otvora leptira) i protoka vazduha vrlo složena.

11

Davač pritiska

Rail

Slika 1.9 Potenciometarski senzor položaja leptira motora sa dve otporne trake; 1- osovina leptira; 2 i 3- otporne trake; 4-nosač sa kliznim kontaktima potenciometra,5- električni priključak;

Davač broja obrtaja i položaja koljenastog vratila ( Indukcioni davač )

Kod modernih sistema je potrebno vrlo precizno meriti broj obrtaja motora i ugaoni položaj koljenastog vratila,pa se danas najčešće primjenjuju indukcioni davači u kombinaciji sa zupčanikom postavljenim na koljenasto vratilo motora. Ovakav indukcioni davač prikazan je na Slici 2.0a . Sam indukcioni kalem se sastoji od permanentnog magneta (1) i jezgra od mekog gvožđa oko koga se nalazi namotaj žice (3). Davač je postavljen na nepokretnom delu motora na vrlo malom rastojanju od zubaca specialnog zupčanika (6). Zupci su izrađeni od feromagnetnog materijala,tako da pri njihovom približavanju i udaljavanju od jezgra davača dolazi do promjene magnetnog fluksa koji izaziva indukciju napona u namotaju. Indukovani napon je utoliko veći ukoliko je veća brzina približavanja zupca jezgru ,tj. ukoliko je veći broj obrtaja motora. Pri naspramnom položaju ( kada počinje udaljavanje zupca od jezgra ) dolazi do nagle promjene polariteta. Ovako indukovani naizmjenični napon ima približno sinusoidalni karakter a njegova amplituda jako zavisi od broja obrtaja (sa porastom broja obrtaja raste brzina promene magnetnog fluksa). Danas se obično koriste zupčanici sa 60 zuba,koji nakon obrade signala daje ugaonu podelu od 3° KV (kolenastog vratila),pošto se mogu razmatrati obe ivice ,početak i kraj određenog četvrtastog signala. Kako je ,posebno za regulaciju ugla pretpaljenja,potrebna finija ugaona podela,vremenski interval se može deliti ,najčešće sa 4 što daje ugaone intervale od 0,75°KV. Kao referentni signal mahom se koristi jedna povećana dužina međuzublja,odnosno,dva zuba su izvađena,tako da u stvari zupčanik ima 58 zuba,pri čemu je položaj povećanog međuzublja fiksan i poznat u odnosu na referentni (prvi ) cilindar motora.Računar prepoznaje ovu poziciju upoređujući neprekidno dužinu vremenskog intervala između

12

signala i kada utvrdi povećanu dužinu u odnosu na prethodni i naredni signal datu poziciju razmatra kao referentnu i od nje počinje odbrojavanje.Broj obrtaja motora se lako određuje na osnovu vremenskog intervala između signala,odnosno,on je obrnuto proporcionalan dužini vremenskog intervala između signala.

a) b)

Promena magnetskog fluksa , koji obuhvata namotaj, proizvodi elektromotornu silu

Promena magnetskog fluksa , koji obuhvata namotaj, proizvodi elektromotornu silu

Prema tome, ovo je merni davač generatorskog tipa. Brzina relativnog kretanja namotaja i magneta može biti linearna ili ugaona. Kod ugaonog kretanja indukovana elektromotorna sila je

Davač detonacije

U cilju postizanja visoke ekonomičnosti i snage moderni motori rade sa vrlo visokim stepenim sabijanja, blizu graničnih vrijednosti za pojavu detonacije. Upravljanje radnim procesom motora mora biti vrlo precizno kako bi se izbjegla opasnost od ovog vrlo štetnog sagorevanja. Zbog toga je poslednjih godina razvijen tzv. „davač detonacije“ tj. davač koji upravljačkom sistemu pruža informacije o eventualnoj pojavi detonantnog sagorevanja u nekom od cilindara i omogućava da se izmenom regualcionih parametara detonacija eliminiše. Ove oscilacije izazivaju vribraciju čitavog bloka motora i mogu se detektovati preko davača vibracija seizmičkog tipa koji je prikazan na slici 2.1. Davač je pričvršćen na blok motora i sastoji se od dve mase-osnovna (2) koja je čvrsto spojena sa blokom motora i seizmička (1), između kojih je postavljen piezoelektrični keramički element (3), čija se električna otpornost menja sa promenom mehaničkog naprezanja kome je izložen.

13

Slika 2.0a Indukcioni davač ; 1- permanentni magnet; 2- feromagnetna osovinica(jezgro od mekog gvožđa ); 3- indukcioni kalem; 4- vazdušni zazor; 5- feromagnetni ozubljeni disk (zupčanik); 6- referentna oznaka; Slika 2.0b Indukovani signal

Pri karakterističnim visoko frekventnim vibracijama koje su posledica detonacije, piezoelektrični element je izložen oscilatornom naprezanju koje se pretvara u signal. Po pravili se 4-cilindrični motori opremaju jednim davačem detonacije.

Senzor temperature NTC

NTC( Negative Temperature Coefficient ) termistori izrađuju se od metalnih oksida hroma, kobalta, bakra, gvožđa, magnezijuma i nikla. Otpor NTC termistora smanjuje se povećanjem temperature približno:

gde je β koeficijent termistora, a RT0 otpor termistora pri temperaturi T0.

Linearizacija karakteristike može da se postigne analognim sklopovima ili digitalno pomoću mikroprocesora. NTC otpornik se koristi za mjerenje temperature usisnog vazduha i temperature motora. Na bazi ovih temperatira se određuje gustina usisnog vazduha i aktivira obogaćenje smeše prilikom hladnog starta i u toku zagreavanja motora.

14

Slika 2.1 Pijezoelektrični akcelerometar- senzor detonativnog sagorevanja motora, Bosch:1- seizmički element, 2- kućište, 3- pijezokeramički element, 4- zavrtanj, 5- kontakt,6- električni priključak, 7- blok motora,

Slika 2.2 Karakteristika NTC senzora

PUMPA VISOKOG PRITISKA ZA GORIVO

Pumpa visokog pritiska za ubrizgavanje goriva je uređaj za ubrizgavanje goriva a nalazi se samo kod dizel motora zbog drugačijeg procesa koji se odvija u cilindru motora. Naime ,kod dizel motora ne postoje svjećice koje iniciraju paljenje gorive smjese već se pri kraju takta sabijanja kada pritisak vazduha u cilindru dostigne određeni pritisak i određenu temperature, u cilindar ubrizgava gorivo pod visokim pritiskom pri čemu dolazi do njegovog samozapaljenja usljed visokog pritiska i temperature sabijenog vazduha koji se nalazi u cilindru.

15

5

67

Pritisak ubrizgavanja je rastao tokom razvoja ove vrste motora te je danas dostigao vrijednost preko 1200 bar.

Slika 2.3 Poprečni presjek trosekcijske pumpe visokog pritiska

Osnovni dijelovi pumpe visokog pritiska :

1.Potisni ventil2. Usisni ventil3. Niski pritisak (žuta)4. Visoki pritisak (crvena)

5. Ekscentar 6. Klip 7. Vratilo

Slika 2.5 Pumpa visokog pritiska

BRIZGAČI SA ELEKTROMAGNETNIM OTVARANJEM

Otvaranje i zatvaranje brizgaljke (slika 2.5) vrši se pomoću elektromagnetskogregulacijskog ventila. Pokretni dio ventila, koji je ujedno kotva elektromagneta, ima vrlo malumasu tako da je za njegovo pomicanje dovoljna vrlo mala sila. Kotva elektromagnetapritisnuta je sa gornje strane tvrđom oprugom a sa donje je podupreta mekšom. U zatvorenomstanju kroz elektromagnet (3) ne teče nikakva struja a rezultirajuća sila opruga dovoljna je da

16

drži kuglasti ventil (5) zatvorenim jer visoki pritisak djeluje na kuglicu na vrlo maloj površini. Zbog toga što je kuglasti ventil zatvoren, igla mlaznice pritisnuta je na sjedište silom pritiskagoriva koja djeluje u upravljačkom volumenu (8) na gornju stranu upravljačkoga klipa (9) isilom opruge smještene sa gornje strane igle. Time se silama suprotstavlja sila pritiskagoriva na donju stranu igle. Zahvaljujući malim poprečnim presjecima izloženim pritisku gorivai malim dimenzijama zaptivnih površina, iglu u zatvorenom stanju drži vrlo mala rezultirajućasila. Otvaranje ventila započinje tako što elektronička upravljačka jedinica (ECU) propustistruju u elektromagnet (3) koji privuče kotvu i tako otvori kuglasti ventil (5). Pritisak u upravljačkoj zapremini (8) naglo opadne, pa sila pritiska goriva sa donje strane podigne iglu mlaznice i gorivo se ubrizgava u cilindar. U otvorenom stanju kotva je privučena vrlo blizu elektromagnetu pa je za njeno držanje sada dovoljna znatno manja struja od relativno velikog početnog impulsa potrebnog za povlačenje udaljene kotve. Kad se prekine struja, rezultirajuća sila opruga pritisne kotvu prema dole i zatvori kuglasti ventil. Treba uočiti da se za zatvaranje mlaznice opet koristi sila pritiska goriva pa je dovoljna vrlo mala sila u opruzi igle jer ona treba nadvaladati samo razliku sila pritiska goriva sa donje i gornje strane. Zahvaljujući tome dimenzije brizgaljke su vrlo male pa je ona idealna za motore sa 4 ventila po cilindru jer se može provući između ventila tako da se gorivo ubrizgava na idealnom mjestu u sredini cilindra. Protok goriva kroz brizgaljku mora biti znatno veći od količine potrebne za ubrizgavanje jerse veliki dio goriva koristi za upravljanje kretanjem upravljačkoga klipa (9), odnosno iglemlaznice (11). Velika brzina otvaranja i zatvaranja mlaznice za ubrizgavanje omogućena je time štoelektromagnetski regulacijski ventil ima vrlo malu masu pokretnog dijela koja prevaljujevrlo mali put pa je za to dovoljna mala privlačna sila, mase svih pokretnih dijelova ubrizgaljci su vrlo male, kuglicu regulacijskog ventila pritiska goriva pritišće na vrlo maloj površni a na iglu djeluje rezultirajuća sila pritiska goriva na gornjoj i donjoj strani.

17

b) Brizgač u fazi ubrizgavanjaa) Brizgač zatvoren

Slika 2.5 Ventil za ubrizgavanje goriva u zatvorenom položaju (lijevo) i otvorenom (desno). Oznake: 1 – povrat goriva, 2 – električni priključak, 3 – regulacijski član (elektromagnetski ventil), 4 – dovod goriva pod visokim pritiskom iz Raila, 5 – kuglasti ventil, 6– izlazna prigušnica, 7 – ulazna prigušnica, 8 – upravljačka zapremina (komora), 9 – upravljački klip, 10– dovodni kanal prema mlaznici, 11 – igla mlaznice

18

Slika 2.6 Lijevo: Mapa pritiska ubrizgavanja goriva. Desno: Komponente uređaja Common-Rail ugrađene na motor zauzimaju vrlo malo mjesta: visokopritisna pumpa (PVT), filtar goriva(F), rezervoar goriva pod visokim pritiskom (Rail), elektromagnetski ventili za ubrizgavanje(injectori, I) spojeni visokopritisnim cijevima (V) na rezervoar dok se niskopritisna (N) odvodi višak goriva

19

PUMPA- BRIZGALJKA

Pumpa-brizgaljka ima u istom kućištu pumpni element i brizgaljku. Na taj je način naminimum svedena dužina visokopritisnog cjevovoda pa je i znatno manji uticaj oscilacijapritiska u njemu na količinu ubrizgavanog goriva a i zakašnjenje ubrizgavanja je znatno manje. Ideju i prve skice pumpe-brizgaljke razradio je u svojoj patentnoj prijavi 1905. godine Rudolf Diesel. Današnje pumpe-brizgaljke rade sa predubrizgavanjem goriva a za regulacijuubrizgavanja i rada cijelokupnog motora koristi se elektronički sistem EDC.

Slika 2.7 Pumpa-brizgaljka (lijevo) i šema cijelog uređaja (desno).

Rad pumpe prikazan je na Slici 2.8.

Usisavanje (a). Gorivo ulazi dovodnim niskopritisnim kanalom (7) u pumpu, puni prostor magnetskog ventila (5) i visokopritisni cilindar (4). Predpodizaj (b). Potiskivan brijegom (1), klip (2) putuje prema dole. Magnetski ventil je otvoren i gorivo izlazi niskopritisnim povratnim vodom iz pumpe. Ubrizgavanje (c). Elektronički upravljački uređaj u određenom trenutku propusti struju u elektromagnet (9) pa se ventil (10) zatvori ( to je tačka elektroničkog ubrizgavanja ). Daljim kretanjem klipa pritisak goriva se povećava te kod približno 300 bar savlada silu opruge i podigne iglu mlaznice. Započinje ubrizgavanje goriva u cilindar (tačka stvarnog ubrizgavanja). Daljim kretanjem klipa pritisak ubrizgavanja uslijed velike količine dobave stalno

20

raste. Analizom struje magneta upravljačko računalo određuje razliku između ovih tačaka i uzima je u obzir već u sljedećem radnom ciklusu. Preostali podizaj (d). Nakon isključivanja elektromagneta ventil (10) se naglo otvara i ubrizgavanje se prekida.

Slika 2.8 Faze rada pumpe-brizgaljke: a – usisavanje, b – predpodizaj, c – dobava, d – preostalipodizaj. Dijelovi: 1 – pogonski brijeg, 2 – klip pumpe, 3 – povratna opruga, 4 – visokopritisnicilindar, 5 – igla magnetskog ventila, 6 – prostor magnetskog ventila, 7 – dovod goriva, 8 –povrat goriva, 9 – zavojnica elektromagneta, 10 – sjedište magnetskog ventila, 11 – iglamlaznice.Rad pumpe-brizgaljke sa predubizgavanjem prikazan je na Slici 2.9

Mirovanje (a). Igla mlaznice (7) i klip akumulatora (3) miruju na svojim sjedištima, magnetski ventil je otvoren i ne može doći do povećanja pritiska. Početak predubrizgavanja (b). Magnetski ventil se zatvorio, počinje porast pritiska. Kad se dostigne pritisak otvaranja, igla mlaznice se podiže i počinje predubrizgavanje. U ovoj je fazi podizaj igle ograničen hidrauličkim prigušivačem. Kraj predubrizgavanja (c). Kod daljeg porasta pritiska podiže se klip akumulatora sa svoga sjedišta i te se uspostavlja veza između visokopritisnog cilindra (2) i prostora akumulatora (4).Uslijed toga u visokopritisnom dijelu opadne pritisak a poraste i pritisak opruge (5) na iglu mlaznice (7) te se ona zatvori. Predubrizgavanje je prestalo. Razmak između predubrizgavanja i

21

glavnog ubrizgavanja zavisi o podizanju klipa akumulatora. Glavno ubrizgavanje (d).Nastavkom kretanja klipa pumpe (1) pritiska u visokopritisnom cilindru i dalje raste. Kad sedostigne sada povećani pritisak otvaranja mlaznice, počinje glavno ubrizgavanje. Tokomubrizgavanja pritisak raste do vrijednosti od 2050 bar. Otvaranjem magnetskog ventilaubrizgavanje u potpunosti naglo prestaje.

Slika 2.9 Faze rada pumpe-brizgaljke s predubrizgavanjem: a – mirovanje, b – početakpredubrizgavanja, c – kraj predubrizgavanja, d – glavno ubrizgavanje. Dijelovi: 1– klippumpe, 2 – visokopritisni cilindar, 3 – klip akumulatora, 4 – prostor akumulatora, 5 – pritisnaopruga, 6- prostor opruge, 7 – igla mlaznice.

22

Slika 3.0 Radni parametri pumpe-brizgaljke prikazane na slici 2.8 (lijevo) i na slici 2.9 (desno)

TURBOKOMPRESOR ( TURBO PUNJAČ )

Pravi proboj turbokompresora u automobilskoj industriji postignut je 1978. uvođenjem prvog diesel motora sa turbokompresorom kod Mercedesovog modela 300SD. Pratio ga je VW Golf turbodiesel iz 1981. godine. Uz pomoć turbokompresora, mogla je da se poveća efikasnost putničkih automobila sa diesel motorom, i da se postignu gotovo iste performanse kao kod benzinskih aplikacija uz značajno smanjenu emisiju štetnih izduvnih gasova. Danas se već ne može zamisliti motor sa unutrašnjim sagorevanjem bez turbokompresora. Ekspanzija turbokompresora nije stala već ide napred sa primenom više turbina za jedan motor tj. BITURBO, potom korišćenje hibridnih turbopunjača sa ciljem da se potrošnja goriva svede na minimum, gdje bi paralelno došlo do manje izduvnih gasova pa bi se smanjilo zagađenje životne sredine.

Turbo punjači su jedan od nekoliko sistema za dodatno unošenje vazduha u motor tj.

23

Ugao zaokreta KV Ugao zaokreta KV

Pritisak ubrizgavanja

Podizaj igle mlaznice

Podizaj igle mlaznice

Podizaj magnetskog ventila

Put klipa akumulatora

Pritisak ubrizgavanja

Struja elektromagneta

one kompresuju (smanjuju zapreminu) vazduh koji ulazi u motor. Prednost smanjivanja zapremine vazduha koji ulazi u motor kroz usisnu granu je da dozvoljava motoru da ima više vazduha u cilindru, a samim tim više goriva treba da bi se napravila odgovarajuća smeša. Samim time, dobija se više snage iz svake eksplozije unutar svakog cilindra motora. Motor sa turbo punjačem po definiciji proizvodi više snage od motora koji nema turbo punjač, a to značajno poboljšava odnos snaga / težina motora.

Slika 3.1 Turbokompresor Da bi turbo punjači postigli odgovarajuću kompresiju, turbo punjač koristi izduvne gasove motora da bi zavrteo svoju turbinu koja opet ubrzava unos vazduha. Turbina turbo punjača se obično vrti od 100 do 150 hiljada obrtaja u minuti, a kako je direktno povezana na izduvnu granu motora temperature na kojima turbina radi su veoma visoke.

Osnove

Najlakši način da dobijete više snage iz motora je da povećate količinu vazduha i goriva koje motor može da sagori. Jedan od načina je da se poveća zapremina bilo povećanjem zapremine cilindara ili dodavanjem cilindara. Ako taj način nije moguć ili isplativ, turbo punjač je jednostavnije i kompaktnije rešenje.Turbo punjači omogućavaju motoru da sagori više goriva i vazduha tako što u postojeću zapreminu motora sabijanjem ubacuje više goriva i vazduha. Mera za sabijenost je u barima (metrički sistem) ili psi (kolonijalni sistem – funte po kvadratnom inču).1bar = 14,503 psi tj. 1psi = 0.068947 bar. Tipičan pritisak turbina je obično oko 6-8 psi tj. oko 0,5 bar što znači da se u motor ubacuje 50% više vazduha (1 bar je normalan pritisak, a kada dodate 0,5 bar pritiska pomoću turba dobijate 1,5 bar tj. 50% povecanja pritiska). Za očekivati je da će i snaga skočiti za 50%, međutim sistem nije 100% efikasan tako da su povećanja snage u okviru 30 – 40% u zavisnosti od konstrukcije. Deo neefikasnosti potiče od toga što vazduh koji pokreće turbinu nije „besplatan“, tj. vazduh koji turbina pozajmljuje iz izduvne grane motora ima svoju cenu. Cena je da motor mora da uloži više energije da izbaci vazduh obzirom da na izlazu postoji otpor okretanja turbine koji taj izdvuni gas mora da savlada.

Način funkcionisanja turbo punjača

Turbo punjač je pričvršćen na izduvnu granu motora, a ti izduvni gasovi okreću turbinu. Turbina je osovinom povezana sa kompresorom koji se nalazi između filtera za vazduh i usisne grane motora i taj kompresor sabija vazduh koji se ubacuje u cilindre. Izduv iz cilindara prolazi preko lopatica turbine koje okreću samu turbinu i što više vazduha prolazi kroz lopatice, to se turbina brže okreće. Sa druge strane osovine na koju je prikačena turbina nalazi se kompresor koji pumpa vazduh u cilindre. Kompresor je tzv. Centrifugalna pumpa – uvlači vazduh u centru svojih lopatica i gura ga dalje kako se okreće. Da bi izdržala 150 000 rotacija u minuti osovina turbine mora biti pričvršćena veoma pažljivo. Većina ležaja bi pri ovoj brzini okretanja verovatno eksplodirala pa tako turbo punjači koriste fluid (ulje) koje je u veoma tankom sloju između lagera i osovine i pomoću koga se kuglagerima po kojima se osovina kreće samim tim smanjuje trenje, a istovremeno hladi osovinu i druge delove turbo punjača.

24

1. Usisavanje svežeg vazduha u kompresor2. Izduvavanje komprimovanog vazduha3. Interkuler – hladnjak komprimovanog vazduha 4. Usisni ventil 5. Izduvni ventil6. Ulaz izduvnog gasa u kućište turbine 7. Izlaz izduvnog gasa

Slika 3.2 Sistem rada turbokompresora

ZAKLJUČAK

Iz izlaganog teksta zaključujem da Sistem ubrizgavanja pumpa-brizgač ima manju dužina visokopritisnog cjevovoda, pa je i znatno manji uticaj oscilacija pritiska u njemu na količinu ubrizgavanog goriva a i zakašnjenje ubrizgavanja je znatno manje u odnosu na sistem Common rail. U oba sistema ubrizgavanje se vrši elektromagnetskim ventilima pa je izbor početka, kraja i trajanja ubrizgavanja potpuno slobodano. Kod Sistem ubrizgavanja pumpa-brizgač sve slabosti su skoncentrisane na brizgač.Oba uređaja imaju konstantan pritisak ubrizgavanja iako pumpa-brizgač ima veći pritisak ubrizgavanja od Common raila, prosječan pritisak ubrizgavanja je veći kod Common raila.Iako su veliki pritisci ubrizgavanja veoma povoljni za čisto sagorevanje, oni imaju i negativneposljedice po ljudsko zdravlje. Naime, zbog vrlo dobrog raspršivanja kapljice goriva su jako

25

sitne pa su jako sitne i čestice čađi u izduvnim gasovima motora. Kod udisanja te se mikročestice uvlače duboko u pluća i tamo ostaju, izazivajući kancerogena i druga oboljenja.

Literatura

26

[1]- OPREMA MOTORA , Mašinski fakultet Beograd, Miroljub V.Tomić,godine 2005[2]- Ubrizgavanje goriva kod Dieselovog motora, Mahalec, Lulić, Kozarac: Motori s unutarnjim izgaranjem, godine 2005[3]-Common Rail Diesel Fuel Systems , presented by Tony Kitchen (AK Training) [4]- Diesel-Einspritzsysteme Unit Injector System / Unit Pump System, Bosch, Technische Unterrichtung, 1999, Nr. 1 987 722 056, ISBN 3-934584-17-9.[5]- MEHATRONIKA MVM ( Skripta ), mr Dragan Taranović, Kragujevac 2004

27