Měření parametrů vstřikování Common Rail Diplomová práce

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Měření parametrů vstřikování Common Rail Diplomová práce Vedoucí diplomové práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D. Vypracoval: Ing. Martin Špaček Brno 2010

2 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Měření parametrů vstřikování Common Rail jsem vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MU v Brně. V Brně dne... podpis diplomanta...

3 Poděkování Děkuji tímto vedoucímu diplomové práce Ing. Jiřímu Čuperovi Ph.D za odborné vedení, cenné rady a připomínky ke zpracování tématu diplomové práce. Dále mu také děkuji za odborné vedení praktického měření. Děkuji také rodičům za podporu při studiu Mendelovy univerzity v Brně.

4 Annotation The aim of the theses is create methodology of reading preseure pulsation and measure pressure in Rail during loading at the cylindrical dynamometer on car BMW 320d, making use of fuel injection Common Rail II. generation, which predicate about characteristic of car and its engine status. On cylindrical test room were measuring different characteristic, but I used to only some of them, for example: engine power, torsion moment, pressure in fuel system. All of these characteristic are always depending on another measuring characteristic, mainly speed of engine. Measured data were compare with data from producer. All the measure was on cylindrical test room in UT and AD Mendel University in Brno. Key words: measuring, engine power, fuel system, torsion moment, Common Rail Anotace: Cílem práce je vytvořit metodiku snímání tlakových pulsů a provést měření tlaku v tlakovém zásobníku při zatěžování na válcovém dynamometru na vozidle BMW 320d, využívající vstřikování paliva Common Rail II. generace, které vypovídají o charakteristice daného vozidla a jeho stavu motoru. Na válcové zkušebně byly naměřeny různé parametry, ale zpracovával jsem jen některé, jsou to: Výkon, Otáčky motoru, kroutící moment, tlak paliva.všechny tyto parametry jsou vždy závislé na jiném měřeném parametru, převážně se jedná o závislost na otáčkách motoru. Naměřené parametry ze zkušebny, byly srovnány s parametry, které udává výrobce. Měření proběhlo na vozidlové zkušebně ÚT a AD Mendelovy univerzity v Brně. Klíčová slova: měření, výkon, palivová soustava, kroutící moment, Common Rail

5 1. Úvod Cíl práce Palivová soustava vznětového motoru Palivové soustavy se stejným počtem vstřikovacích jednotek jako je počet válců motoru Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem Samostatné vstřikovací jednotky Palivová soustava motoru s rotačním vstřikovacím čerpadlem Rotační vstřikovací čerpadlo s axiálním pístem Rotační vstřikovací čerpadlo s radiálními písty Nové palivové soustavy s elektronickou regulací Sdružené vstřikovací jednotky PDE Sdružený vstřikovací systém PLD Vstřikovací systém s tlakovým zásobníkem Common Rail Vstřikovače Standardní vstřikovač Dvoupružinový vstřikovač se snímačem pohybu jehly Vstřikovač s elektromagnetickým ventilem Vstřikovací trysky Způsoby vstřikování Konvenční vstřikování Vstřikování u systému s tlakovým zásobníkem Servis a údržba palivových systémů vznětových motorů Vozidlová zkušebna ústavu techniky a automobilové dopravy na Mendelově univerzitě v Brně Vozidlová zkušebna pro osobní automobily Dynamometr 4VDM E120-D Emisní systémová analýza Bosch ESA Použité přístroje Vozidlový dynamometr 4VDM E120-D Softwarové prostředí pro měření Metodika měření Příprava měřícího stanoviště Příprava softwarového prostředí v programu LabVIEW Měření teplot Kalibrace rychloměru a tachometru Snímání otáček Měření dynamických zkoušek Snímání tlakových pulsů v tlakovém zásobníku Naměření a vyhodnocení parametrů Naměřené parametry ze zkušebny Závěr Seznam použité literatury Seznam obrázků Seznam tabulek Seznam příloh:... 62

6 1. Úvod V dnešní době je osobní automobil pro většinu populace nepostradatelnou součástí života. Na zemi zbývá v součastné době ropy maximálně na několik desetiletí, podle mezinárodní společnosti EIA, byla pro rok 2009 průměrná spotřeba 95,3 milionu barelu za den. Vzhledem ke stále vzrůstajícím cenám pohonných hmot je v dnešní době trendem používání úsporných motorů při zachování co nejlepších parametrů. Ke zlepšování parametrů je účinným prostředkem přeplňování motorů turbodmychadly. S přibývajícími nároky na dopravu se kladou vysoké požadavky na palivovou soustavu. Užitím přeplňování se zvyšuje výkon motoru při zachování a někdy i snížení spotřeby paliva. Další možností pro zlepšení parametrů je zvyšování objemové účinnosti přidáním výfukových a sacích ventilů na válec, tím se docílí dokonalejšího a rychlejšího rozvíření nasávaného vzduchu, ve spalovacím prostoru. Dnešní směr v oblasti palivových soustav vznětových motorů určují hlavně sdružené vstřikovací jednotky a vstřikovací systémy Common Rail, které zajišťují motorům nízké emise. V těchto systémech dochází k velmi jemnému rozprášení paliva ve spalovacím prostoru, při tlaku až 250 MPa a tím je dosaženo efektivního spalování směsi. Systémy využívají velmi přesných elektromagnetických vstřikovačů. Naproti tomu je ještě dnes stále dost strojů se vznětovými motory, kde je použito klasické řadové vstřikovací čerpadlo. Pro zdokonalení vstávajících a vytvoření nových motorů mají nemalý význam vozidlové zkušebny. Podle výsledných parametrů se určují ekonomicko-technické ukazatele, a shoda s požadavky předpisů a norem. Přístroje umožňují provádět vyšetřování parametrů motorových vozidel v laboratorních i provozních podmínkách. Já jsem se ve své diplomové práci zaměřil převážně na palivovou soustavu vznětových motorů a to hlavně na vstřikovací systémy Common Rail. 1

7 2. Cíl práce Cílem práce je vytvořit metodiku snímání tlakových pulsů a provést měření tlaku v tlakovém zásobníku při zatěžování na válcovém dynamometru na vozidle BMW 320d, využívající vstřikování paliva Common Rail II. generace, které vypovídají o charakteristice daného vozidla a jeho stavu motoru. Všechny tyto parametry jsou vždy závislé na jiném měřeném parametru, převážně se jedná o závislost na otáčkách motoru. Měření proběhlo na vozidlové zkušebně ÚT a AD MU v Brně, pod vedením Ing. Jiřího Čupery Ph.D. Tabulka 1 - Podmínky měření teplota [ C ] 27 tlak [ kpa ] 97,5 Vlhkost [ % ] 44 2

8 3. Palivová soustava vznětového motoru Palivová soustava musí zajistit dodávku stejného množství paliva do všech válců ve stanoveném okamžiku a množství. Dodávka paliva musí odpovídat požadovanému průběhu točivého momentu motoru a její regulace musí být plynulá a snadná. Palivo musí být do válce dodávané s velkou přesností a v některých případech i v několika samostatných vstřikovacích. Pro dokonalé rozprášení se u motorů s přímým vstřikem používají vysoké tlaky (až 250MPa). Na funkci palivové soustavy závisí průběh spalování ve válci a tedy i dosahované parametry a ekonomika práce motoru. Palivový systém vznětového motoru je tvořen nízkotlakou a vysokotlakou části. Nízkotlaká část zajišťuje dopravu paliva z nádrže přes čistič k vysokotlaké části. Kromě dopravy paliva zajišťuje z pravidla také chlazení vstřikovacího čerpadla. Vysokotlaká část zajišťuje vytvoření vysokého tlaku paliva, jeho dopravu ke vstřikovačům a dávkování paliva přes trysku do spalovacího prostoru. (Ždánský 2003) 3

9 Základní rozdělení palivových soustav 3.1. Palivové soustavy se stejným počtem vstřikovacích jednotek jako je počet válců motoru Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem K hlavním částem této palivové soustavy (obr.1) patří: Zařízení pro dopravu a čištění paliva (nízkotlaký okruh): palivová nádrž (1) se sítkem nízkotlaké palivové potrubí dopravní (podávací) palivové čerpadlo (2) jemný čistič paliva (3) Vstřikovací zařízení (vysokotlaký okruh): řadové vstřikovací čerpadlo (4) vysokotlaké palivové potrubí vstřikovače (7) Princip činnosti Dopravní podávací čerpadlo (2) nasává palivo z nádrže (1) a vytlačuje jej přes čistič paliva (3) do vstřikovacího čerpadla (4). V sacím potrubí dopravního čerpadla je podtlak 20 kpa až 150 kpa. Vstřikovací čerpadlo (4) dodává palivo vysokotlakým potrubím do vstřikovací trysky upevněné ve vstřikovači (7). Ve vysokotlakém potrubí je tlak 25 MPa až 120 Mpa, případně i více a je závislý zejména na druhu motoru a způsobu vstřikování. Palivo, které zbývá po regulaci ve vstřikovacím čerpadle (4) a palivo, které proniká vlivem netěsností do horní části vstřikovače (7), se vrací zpětným potrubím (8) do nádrže. (Ždánský 2003) 4

10 Obr. 1- Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem Samostatné vstřikovací jednotky Jsou umístěné většinou na bloku motoru (klikové skříni) a poháněné vačkovým hřídelem ventilového rozvodu motoru. Tento druh palivových soustav je rozšířen zejména u vznětových motorů s větším zdvihovým objemem (nákladní automobily, lokomotivy, lodní motory). Vstřikovací tlak se pohybuje až do 150 MPa měřeno na výstupu z čerpadla. Toto uspořádání se v české literatuře označuje jako čerpadlo s cizím pohonem (PC) na rozdíl od řadových čerpadel s vlastním pohonem, tj. samostatným vačkovým hřídelem (PV, PP). (Ždánský 2003) 3.2. Palivová soustava motoru s rotačním vstřikovacím čerpadlem Pro dopravu paliva v nízkotlaké větvi jsou použita zpravidla dvě čerpadla. Jedno zubové s elektrickým pohonem a druhé lopatkové, které je součástí vstřikovacího čerpadla zajišťují elektronické řídící jednotky. Ostatní části nízkotlaké větve palivové soustavy jsou obdobné konstrukce jako u systémů s řadovým čerpadlem. Na rozdíl od řadových čerpadel mají rotační vstřikovací čerpadla pouze jeden výtlačný element pro všechny válce a pomocí rozdělovače je palivo rozdělováno k jednotlivým vstřikovačům. U součastných vznětových motorů se používají dva typy rotačních vstřikovacích čerpadel s axiálním pístem a s radiálními písty. (Bauer 2006) 5

11 Rotační vstřikovací čerpadlo s axiálním pístem Dopravu paliva do skříně vstřikovacího čerpadla zajišťuje nejčastěji rotační lopatkové čerpadlo, které je součástí vstřikovacího čerpadla. Centrálně uložený rotační píst vstřikovacího čerpadla, který se otáčí spolu s vačkovým kotoučem, vytváří tlak a rozděluje palivo k jednotlivým válcům. Během jedné otáčky hřídele pohonu vykoná píst tolik zdvihů, kolika válcům motoru musí dodat palivo. Vačkový hřídel se odvaluje po prstenci kladek, čímž zajišťuje jak rotaci, tak i zdvih pístu. Rozváděcí drážky a kanálky v pístu a ve válci čerpadla zajišťují při rotaci pístu přivedení tlakového paliva přes rozdělovací hlavu a vysokotlaké potrubí k jednotlivým válcům motoru. U rotačních čerpadel s mechanickým odstředivým a elektronickým regulátorem otáček je dodávka paliva nastavována pomocí regulačního šoupátka na pístu ovládaném regulátorem otáček. Šoupátkem se nastavuje konec dodávky. Počátek dodávky čerpadla lze nastavit pootočením prstence s kladkami přesuvníkem vstřiku. U čerpadla s axiálním pístem ovládaného elektromagnetickým ventilem dávkuje elektronicky řízený vysokotlaký elektromagnetický ventil vstřikovanou dávku místo regulačního šoupátka. Řídící a regulační signály jsou zpracovány ve dvou elektronických řídících jednotkách (řídící jednotka čerpadla a motoru). (Bauer 2006) Rotační vstřikovací čerpadlo s radiálními písty Dopravní nízkotlaké lopatkové čerpadlo, které je součástí vstřikovacího čerpadla, dodává palivo z nádrže. Místo axiální vačky u vstřikovacích čerpadel s axiálním pístem přebírá vytváření vysokého tlaku čerpadlo s radiálními písty. Čerpadlo je tvořeno vačkovým prstencem a dvěma až čtyřmi radiálními písty. Při otáčení rotoru s písty ve vačkovém prstenci posouvají vačky písty proti sobě. Palivo je z prostoru nad písty vytlačováno přes rotační rozvaděč s řídící drážkou, kterým je přiváděno přes vysokotlaké potrubí k jednotlivým vstřikovačům. Vysokotlaký elektromagnetický ventil, spojený s vysokotlakým prostorem nad pístem čerpadla, dávkuje vstřikované množství. Počátek dodávky se přestavuje pootočením vačkového kroužku prostřednictvím přesuvnému vstřiku. Řídicí a regulační signály pro nastavení vstřikovacího množství paliva vytváří řídící jednotku čerpadla a motoru. (Bauer 2006) 6

12 3.3. Nové palivové soustavy s elektronickou regulací Rozvoj elektroniky umožňuje lepší využití již dříve známých systémů a vytváří předpoklady pro vznik netradičních palivových soustav. Vedle již zmiňovaných řadových a rotačních vstřikovacích čerpadel s elektronickou regulací sem patří: Sdružené vstřikovací jednotky PDE Sdružený vstřikovací systém je systém s časově řízenými jednotlivými vstřikovacími čerpadly, které jsou ovládány vačkovým hřídelem motoru. Tímto vstřikovacím systémem se vytváří vstřikovací tlak až 205 MPa. Vysoký tlak paliva zajišťuje optimální rozprášení paliva, čímž vzrůstá výkon a točivý moment a součastně se zmenšují emise výfukových plynů a spotřeba paliva. Sdružený vstřikovací systém (též nazývá čerpadlo-tryska), je umístěn hlavě válců. Sdružený vstřikovač slučuje do jednoho dílu: vstřikovací čerpadlo řídící jednotku vstřikovací trysky Každý válec je vybaven jedním sdruženým vstřikovačem. Sdružené vstřikovače vytvářejí vysoký tlak potřebný k vstříknutí paliva do spalovacího motoru.tím odpadne původní vstřikovací vedení a vstřikovací čerpadlo, což se projevuje na vlastnosti vstřikování (minimalizace kolísání tlaku). Řídící jednotka motoru řídí sdružené vstřikovače tak, že palivo je vstřikováno do spalovacího prostoru se správným množstvím a ve správném okamžiku. Sdružené vstřikovače jsou poháněny vačkovým hřídelem. Vačkový hřídel má k pohonu sdružených vstřikovač přídavné vačky. Ovládání zajišťuje kladkové vahadlo. Vstřikovací vačka má strmý náběžný bok a plochý úběžný bok. Strmý bok způsobuje, že píst čerpadla je tlačen vysokou rychlostí dolů a tím rychle vznikne vysoký vstřikovací tlak. Plochý úběžný bok nechá píst čerpadla pomalu přejít zpět nahoru do výchozí polohy. Tak může palivo odtékat bez bublinek do vysokotlakého prostoru sdruženého vstřikovače. 7

13 Sdružený vstřikovací systém čerpadlo-tryska může pracovat s předvstřikováním. Toto předběžné vstřikování však neřídí řídící jednotka nýbrž funguje čistě na mechanicko-hydraulicky přes tlumící jednotku v sdruženém vstřikovači. Zpětný tok do sdružené vstřikovače má následující úkoly: chlazení vstřikovače odvádění prosáklého paliva na pístu čerpadla odloučení parcích bublinek a přívodu paliva Sdružené vstřikovače mají vlastní jištění, aby v případě vadné funkce nedošlo k nekontrolovatelnému vstřikování. Pokud zůstane elektromagnetický ventil otevřen, nemůže dojít ke vstřikování, protože palivo je přes přívod paliva tlačeno zpět a tím se nemůže zvýšit tlak. Je-li elektromagnetický ventil stále uzavřen nemůže palivo proudit do vysokotlakého prostoru. V tomto případě může dojít maximálně jednomu vstřikování Sdružený vstřikovací systém PLD Nazývaný také systém čerpadlo-vedení-tryska pracuje na stejném principu jako systém čerpadlo-tryska. Na rozdíl od systému čerpadlo-tryska je těleso vstřikovače propojeno s jednotkou vstřikovacího čerpadla krátkým vysokotlakým potrubím. Také tento systém má jednu samostatnou vstřikovací jednotku pro každý válec motoru. Vstřikovací čerpadlo je namontováno na bloku motoru a je poháněno vačkou na vačkovém hřídeli rozvodu. Také u sdruženého vstřikovacího systému jsou doba a počátek vstřiku regulovaný elektronicky, pomocí rychle spínaného vysokotlakého elektromagnetického ventilu. U starších konstrukcí motorů s uvedeným vstřikovacím systémem je jednotka vstřikovacího čerpadla stejné konstrukce jako u řadových čerpadel s regulací natáčením pístů pomocí regulační tyče ovládané regulátorem. Základní nastavení stejné dodávky paliva na všech válcích motoru se pak dosáhne pootočením válce každého čerpadla přímo na motoru. Rovnoměrnost dodávky paliva se kontroluje nepřímo měřením teploty spalin ve výfukových kanálech jednotlivých válců. 8

14 Vstřikovací systém s tlakovým zásobníkem Common Rail U vstřikovacího systému Common Rail je odděleno vytváření tlaku a vstřikování paliva. Princip činnosti je zřejmý z (obr. 2). Vstřikovací tlak je vytvářen vysokotlakým čerpadlem nezávisle na otáčkách motoru a na vstřikované dávce. Palivo pro vstřikování je připraveno ve vysokotlakém zásobníku (Railu). Vstřikovaná dávka je určena řidičem (polohou pedálu), okamžik vstřiku a vstřikovací tlak jsou vypočteny z polí hodnot uložených v elektronické řídicí jednotce. Vstřikování je realizováno vstřikovačem na každém válci prostřednictvím elektromagneticky řízeného ventilu. Obr. 2- Princip činnosti vstřikovacího systému Common Rail Vstřikovací systém s tlakovým zásobníkem nabízí větší flexibilitu při řešení vstřikování než konvenční vačkou poháněné systémy: široký rozsah použití (od motorů pro osobní automobily až po motory s výkonem 300 kw na válec), vysoký vstřikovací tlak (až 250 MPa), proměnný předvstřik, možnost rozdělení dávky na úvodní, hlavní a následný vstřik, přizpůsobení vstřikovacího tlaku provoznímu stavu motoru. Hlavní části palivového systému Common Rail (obr. 3) jsou podávací čerpadlo, palivový filtr, vysokotlaké čerpadlo, vysokotlaké potrubí, tlakový akumulátor, vstřikovače a řídicí jednotka. Podávací čerpadlo může být např. zubové, lamelové a další s mechanickým nebo elektrický pohonem, které neustále nasává palivo z nádrže a přes filtr ho dopravuje do vysokotlakého čerpadla. Vysokotlaké čerpadlo nevytlačuje 9

15 palivo přímo ke vstřikovačům nýbrž do tlakového akumulátoru, kde je udržován stejný paliva. Proto musí čerpadlo stále pracovat. Nejčastěji se jedná o radiální čerpadlo se třemi písty, které vykonávají stále stejný zdvih a jsou mazány palivem. Jeho umístění je na bloku motoru stejně jako u konvečních čerpadel. Zdvih pístů čerpadla je odvozen od excentricky uložené váčky. Nad každým pístem je talířový sací ventilek, který se otevírá podle tlakových poměrů paliva nad a pod ním. Obr. 3- Schéma vstřikovacího systému s tlakovým zásobníkem Common Rail 1-Elektrické podávací čerpadlo, 2-Zubové čerpadlo, 3-Vysokotlaké čerpadlo, 4-Dávkovací jednotka, 5-Rail, 6-Čidlo tlaku v railu, 7-Ventil regulace tlaku, 8-Injektor, 9-Snímač pedálu akcelerace, 10-Čidlo otáček/ref. Značky, 11-Čidlo polohy vačky, 12-ŘJ EDC 15 C Pístem je palivo vytlačováno přes kuličkový ventil do regulátoru tlaku a odtud do tlakového akumulátoru. Při nízkých otáčkách, kdy není tak velká spotřeba paliva, je zbytečné, aby čerpadlo podávalo plný dopravní výkon. Proto se používá odpojení jednoho až dvou elementů čerpadla. Odpojení je zajištěno otevřením sacího ventilu pomocí elektromagnetu. Ventil zůstává otevřený i při výtlaku, což zajistí snížení příkonu pohonu čerpadla a současně snížení zahřívání paliva při průtoku do přepadu. Pohon čerpadla je odvozen od pohonu rozvodu motoru. Tlak paliva ve vysokotlakém zásobníku je nastavován a udržován regulačním ventilem v závislosti na zatížení 10

16 motoru. Vysokotlaký zásobník akumuluje palivo dopravované od čerpadla a současně tlumí kmitání tlaku vzniklé dopravou a vstřikováním. Velikost udržovaného tlaku se pohybuje mezi 40 až 250 MPa. Na zásobník (obr. 3) jsou napojena vysokotlaká potrubí k jednotlivým vstřikovačům, snímač tlaku a pojistný ventil s přepadovým potrubím. Vstřikovače jsou elektromagneticky ovládány z řídicí jednotky, která rozhoduje o množství a okamžiku vstřik paliva. Komunikace mezi řídicí jednotkou Common Railu a ostatními řídicími jednotkami probíhá prostřednictvím digitální sběrnice CAN-Bus využívané také k diagnostice. (Bauer 2006) Části systému Common Rail - Vysokotlaká část Vysokotlaké čerpadlo Tvoří, rozhraní mezi nízko a vysokotlakou částí. Jeho úkolem je vždy dodávat dostatek paliva ve všech provozních stavech po celou dobu životnosti vozidla. Do toho se počítá i příprava rezervy paliva, která je nutná pro rychlý start motoru a prudký nárůst tlaku. Vysokotlaké čerpadlo vytváří trvale systémový tlak pro vysokotlaký zásobník (rail). Palivo je stlačováno třemi radiálně uspořádanými písty čerpadla, které jsou vzájemně přesazeny o 120, čerpadlo klade nižší požadavky na náhon čerpadla než rotační vstřikovací čerpadla. Odpojovací ventil elementu slouží k odpojení elementu při nižší potřebě výkonu, element nedodává plynule, nýbrž s dopravní přestávkou. Možné převody jsou 1:2 a 2:3, vztaženo na klikovou hřídel. (Issenburg 1999) Obr. 4- Příčný řez vysokotlakým čerpadlem Common Rail 11

17 Snímač tlaku v zásobníku Tlak snímá snímač tlaku umístěný na railu a ovládá regulační ventil umístěný na railu, nebo přímo na vysokotlakém čerpadle. Výstupní napětí U 5,00 V 4,80 V 4,65 V 4,50 V 0,50 V 0,30 V 0,20 V 10 MPa 180 MPa Tlak Obr. 5- Snímač tlaku v zásobníku 1- Elektrická přípojka (konektor), 2- Vyhodnocovací obvod, 3- Ocelová membrána s tenzometrickými rezistory, 4- Tlaková přípojka, 5- upevňovací závit Výstupní hodnoty snímače tlaku jsou uváděny pomocí napětí, na jednotky tlaku se musí přepočítat pomocí přiloženého grafu. Hodnoty předepsané výrobcem: Při zapnutém zapalování: 0,4.0,6 V Při poloze volnoběhu: 1,0.1,5 V Při poloze plného zatížení: 2,5.4,5 V 12

18 Regulační ventil tlaku Úlohou regulačního ventilu tlaku je nastavovat a držet tlak v Railu v závislosti na zatížení motoru. Má dva regulační okruhy: Pomalejší elektrický regulační okruh pro nastavení proměnné střední hodnoty tlaku v railu a rychlejší mechanicko hydraulický regulační okruh, který vyrovnává vysokofrekvenční tlakové kmitání. (Issenburg 1999) Obr. 6 Regulační tlakový ventil (DRV) Vyrovnání dodávky vstřikovače (IMA) Aby se dále zlepšila vysoká přesnost vstřikovacího systému, používá se u systému Common Rail nová funkce vyrovnání (přizpůsobení) dodávky vstřikovače (Injektormengenabgleich (IMA)). Jedná se o softwarovou funkci pro zvýšení přesnosti odměřování dodávky. Pro vyrovnání dodávky IMA je během výroby vstřikovače získáno mnoho naměřených dat, která jsou ve formě datové matrice kódu uvedena na vstřikovači. Tyto hodnoty jsou při výrobě vozidla přeneseny do řídicí jednotky vozidla. Během provozu motoru jsou tyto hodnoty používány pro kompenzaci odchylek odměřování a spínání. Na konci výrobní linky jsou tyto EDC - vyrovnávací hodnoty namontovaných vstřikovačů a jejich přiřazení k válcům naprogramovány do řídicí jednotky motoru.také při výměně vstřikovačů v servisu jsou vyrovnávací hodnoty (kódy) nově zadány do řídicí jednotky motoru. 13

19 Obr. 7 IMA (Vyrovnání dodávky vstřikovače) 1- Konektor 2- Datum výroby 3- kód pro servis (7- místný pro EURO4, 6- místný pro EURO3) Vysokotlaký zásobník Má za úkol akumulovat palivo pod vysokým tlakem. Přitom má zásobním objemem tlumit tlakové kmitání vzniklé dopravou čerpadlem a vstřikováním. Tlak je sám při odběru většího množství paliva udržován na konstantní hodnotě. Tím je zajištěno, že při otevření vstřikovače zůstane vstřikovací tlak konstantní. Na zásobníku je namontován snímač tlaku, který měří aktuální tlak v railu a poskytuje řídící jednotce napěťový signál odpovídající přilehlému tlaku. Tlakový pojistný ventil omezuje tlak v railu tím, že při příliš vysokém zatížení uvolní odpadový otvor. Omezovač průtoku zamezuje nepravděpodobnému případu trvalého vstřikování jednoho vstřikovače. Při překročení maximálního odběrového množství z railu uzavírá přívod ke vstřikovači, kterého se to týká. (Issenburg 1999) Obr. 8 - Vysokotlaký zásobník Common Rail 14

20 Vstřikovač Počátek vstřiku a vstřikované množství jsou nastaveny elektricky ovládaným vstřikovačem. Ten nahrazuje vstřikovač tradičních vstřikovacích zařízení vznětových motorů. Vstřikovače Common Rail jsou vhodné pro zástavbu do motorů s přímým vstřikem bez podstatných změn hlavy válců. Palivo je vedeno od vysokotlaké přípojky (4) přes přívodní kanál (10) k trysce, stejně jako přes přívodní škrtící trysku (7) do prostoru ovládacího ventilu (8). Ten je propojen přes odtokovou škrtící trysku (6), která může být otevřena magnetickým ventilem, se zpětným vedením paliva (1). A - vstřikovač zavřený B - vstřikovač otevřený 1. - hrdlo přelivu paliva 2. - elektrická spojka 3. - magnetická cívka 4. - spoj přívodu paliva vysokého tlaku ze zásobníku 5. - kulka kotvy ventilu 6. - odtoková tlumivka 7. - přívodová tlumivka 8. - řídící komora ventilu 9. - řídící píst ventilu kanál přívodu paliva do rozprašovače jehla rozprašovače Obr. 9 - elektromagnetický vstřikovač V uzavřeném stavu převládne hydraulická síla na ovládací píst (9) nad silou na tlakový kužel jehly trysky (11). Proto je jehla trysky tlačena do své ho sedla a uzavírá vysokotlaký kanál k spalovacímu prostoru. Při aktivování magnetického ventilu je otevřena odtoková škrtící tryska. Tím klesá síla na ovládací píst. Jakmile hydraulická 15

21 síla je menší než ta na tlakovém kuželu jehly trysky, otevře se jehla trysky. (Issenbur, 1999) Srovnání jednotlivých evolučních verzí systému Common-Rail Common Rail 1. generace První generace systému CR pracuje na principu hlavního vstřiku paliva pod vysokým tlakem, který dosahuje 140 až 160 MPa. Hlavnímu vstřiku předchází předstřik zanedbatelného množství paliva, které pohřeje spalovací prostor a umožňuje dosáhnout nižší spotřeby paliva. Jenže tato varianta neposkytovala dostatečně rychlou odezvu na elektrický impuls a neumožňovala tak více vstřiků během jednoho cyklu. Common Rail 2. generace Druhá generace pracuje na stejném principu, avšak s vyššími vstřikovacími tlaky 180 až 200 MPa. Navíc druhá generace používá ještě třetí fázi, tzv. dovstřik, která stanovuje konečné množství vstříknutého paliva pro jeden spalovací cyklus ve válci. To přineslo určité zlepšení a přesnější dávkování. Common Rail 3. generace Třetí generace systému s Piezo-Inline inovativní technikou a tlakem v systému 160 až 200 MPa. Díky piezoelementu trvá proces otevření a uzavření vstřikovací trysky přibližně jednu desetitisícinu vteřiny. Během jednoho cyklu tak lze vstříknout palivo pět a víckrát. Třetí generace umožňuje jemněji rozprášit palivo ve spalovacím prostoru, čím se zlepšuje jeho spalování a přináší nižší emise výfukových plynů a vyšší výkon při nižší spotřebě. 16

22 Common Rail 4. generace Čtvrtá generace systému CR, využívá hydraulicky zesilující vstřikovač paliva nafty. Tento vstřikovač pracuje s převodovým pístem, který zesiluje systémový tlak panující v liště a umožňuje dosáhnout vstřikovacích tlaků až do 250MPa. Tato technika u osobních vozů otevírá možnost pracovat v samotném řídícím systému se zjevně nižším tlakem, který je snadněji ovladatelný, a požadovaný maximální tlak vytvářet teprve až ve vstřikovači. Přičemž požadovaný konstrukční prostor u vstřikovače odpovídá velikosti vstřikovače druhé generace. Tato inovace přinesla především šetrnější postup spalování s méně patrnými teplotními špičkami a příslušně redukovanou tvorbou kysličníku dusíku. K zlepšení dochází také u přípravy směsi, čímž se redukuje vznik částic. Čtvrtá generace CR umožňuje vícenásobný vstřik, a tím je možné řídit regeneraci filtrů částic. 17

23 3.4. Vstřikovače Vstřikovače jsou koncovou částí palivové soustavy vznětových motorů. U palivové soustavy se vstřikovacím čerpadlem je palivo dopravováno pře výtlačný ventil a vysokotlaké potrubí do tělesa vstřikovače. Délka vysokotlakého potrubí k jednotlivým válcům musí být stejná. Tím se zajistí stejné podmínky (časový průběh tlakových vln v potrubí) pro dopravu paliva k jednotlivým vstřikovačům. (Ždánský 2003) Obr Vstřikovač standardní 1-závit pro vysokotlaké potrubí, 2-štěrbinový čistič 3-tlačný čep, 4-seřizovací šroub, 5-pojistná matice, 6-krycí matice, 7-průtočný šroub, 8-odpadní potrubí, 9-vstřikovací tryska, 10-převlečná matice, 11-těsnění Standardní vstřikovač Používá se u motorů se vstřikovacím čerpadlem. Hlavní části vstřikovače (obr. 7) tvoří těleso, pružina, tlačný čep, tryska, přívodní kanál paliva a odpad paliva. Vstřikovací tryska je částí vstřikovače, která rozprašuje palivo ve spalovacím prostoru. Pomocí seřizovacího šroubu (4) se mění předpětí pružiny umístěné v tělese vstřikovače, která přes čep (3) tlačí jehlu vstřikovací trysky (9) do sedla. Tím se nastavuje vstřikovací tlak paliva. Vstřikovač je namontován do otvoru v hlavě válce a vstřikovací tryska ústí do spalovacího prostoru. (Ždánský 2003) 18

24 Dvoupružinový vstřikovač se snímačem pohybu jehly Dvoupružinové vstřikovače používané u motorů s řadovými nebo rotačními čerpadly jsou dalším vývojovým stadiem standardních vstřikovačů. Slouží k redukci hluku vzniklého při spalování. Ve vstřikovači jsou za sebou umístěny dvě pružiny. Při otevírání trysky působí na jehlu pouze jedna pružina, která určuje otevírací tlak. Druhá pružina se opírá o dorazové pouzdro, které omezuje úvodní zdvih jehly. (Ždánský 2003) Pro zajištění optimálního provozu vznětového motoru je důležitou veličinou počátek vstřiku. Jeho snímání u motorů s elektronickým řízením umožňuje přestavování vstřiku podle zatížení a otáček v uzavřeném regulačním okruhu. K tomu slouží vstřikovač se snímačem pohybu jehly. Snímač je tvořen cívkou, do níž se při otevření trysky zasouvá magnetický čep. Pohyb jehly indukuje v cívce magnetický tok. Signál ze snímače se přímo zpracovává vyhodnocovacím obvodem v řídicí jednotce. Překročení určitého prahového napětí slouží vyhodnocovacímu obvodu jako signál pro počátek vstřiku. Na motoru je zpravidla použit jeden vstřikovač se snímačem, jehož údaje slouží pro nastavení vstřiku. (Ždánský 2003) Vstřikovač s elektromagnetickým ventilem Rail. Popsáno v kapitole Vstřikovací systém s tlakovým zásobníkem Common 19

25 3.5. Vstřikovací trysky U motorů s přímým vstřikem paliva se používají otvorové vstřikovací trysky. Otvorové trysky se podle počtu otvorů dělí na jedno a víceotvorové. U současných traktorových motorů se používají víceotvorové trysky, které mají pod těsnicím kuželem a sedlem kanálek, do něhož ústí vstřikovací otvory. Ty svírají vrcholový úhel, pod kterým je palivo rozprašováno do spalovacího prostoru. Vrcholový úhel, počet otvorů, jejich průměr a rozmístění závisí na tvaru spalovacího prostoru. Počet otvorů bývá 1-12, s průměrem 0,05 až 0,2 mm a vrcholovým úhlem kužele Zdvih jehly je 0,2 0,8 mm a je omezený dorazem. Obr Otvorová vstřikovací tryska 1-polohovací otvor, 2-těleso trysky, 3-jehla, 4-přívodní kanál paliva, 5-tlaková komora, 6-těsnící kužel, 7-výstřikové otvory, δ-vrcholový úhel vstřikovacího kužele Tryska vstřikovače (obr. 8) je otevíraná hydraulicky tlakem paliva. Palivo přiváděné od vstřikovacího čerpadla pod vysokým tlakem protéká tlakovým kanálkem (4) k trysce. Zvednutí jehly (3) a otevření přítoku tlakového paliva k otvorům trysky (7) je zajištěno prostřednictvím hydraulického tlaku, který působí na kuželovou plochu mezikruží jehly proti předpětí pružiny umístěné v tělese vstřikovače. Palivo proudí kolem kužele jehly (6) a je vstřikováno do válce. Při poklesu tlaku paliva pružina zatlačí jehlu do sedla, čímž ji utěsní. Palivo, které prosákne kolem jehly (3) je z tělesa vstřikovače odváděno přepadem zpět do nádrže. Hodnoty vstřikovacích tlaků se u motorů s přímým vstřikem pohybují v rozmezí MPa. 20

26 3.6. Způsoby vstřikování Konvenční vstřikování U konvenčních vstřikovacích systémů s řadovými a rotačními vstřikovacími čerpadly (bez ovládání elektromagnetickým vysokotlakým ventilem) je palivo vstřikováno výlučně jako hlavní vstřik bez úvodní nebo následné vstřikované dávky. Tvoření tlaku a příprava vstřikované dávky jsou spojeny s vačkou a pístem. (Bauer a kol. 2006) To má následující důsledky pro proces vstřikování: vstřikovací tlak roste s rostoucími otáčkami a vstřikovanou dávkou, během vstřikování vzrůstá tlak, ale ke konci klesá na zavírací tlak trysky. Následkem toho jsou: malá množství vstřikovaná nižšími tlaky, špičkový vstřikovací tlak je více než dvojnásobek středního vstřikovacího tlaku, průběh vstřiku se blíží tvarem trojúhelníků, jak je požadováno pro příznivé spalování (obr. 9) Pro zatížení dílů čerpadla a jeho pohonu je rozhodující špičkový vstřikovací tlak. Ten je u konvečních vstřikovacích systémů měřítkem pro kvalitu tvorby směsi ve spalovacím prostoru. (Bauer a kol. 2006) Obr Průběh vstřiku u konvenčního vstřikování a u vstřikovacího systému Common Rail p m -střední vstřikovací tlak, p s -špičkový vstřikovací tlak, p R -tlak v zásobníku 21

27 Vstřikování u systému s tlakovým zásobníkem Pro ideální postup vstřikování jsou dodatečně přidány ke konvečnímu postupu ještě následující požadavky: vstřikovací tlak a množství mají být v každém provozním bodu stanoveny navzájem nezávisle, vstřikovaná dávka má být na začátku vstřiku co nejmenší (během průtahu vznícení mezi začátkem vstřiku a začátkem hoření). Tyto požadavky jsou u systému s tlakovým zásobníkem realizovány úvodním a hlavním vstřikem. Za proces vstřikování odpovídají především: elektromagnetickými ventily ovládané vstřikovače, tlakový zásobník, vysokotlaké čerpadlo, elektronická řídicí jednotka, snímače provozních hodnot motoru. Tlak v zásobníku je vytvářen nezávisle na otáčkách motoru. Vstřikovaná dávka je při daném tlaku úměrná době sepnutí elektromagnetického ventilu a nezávislá na otáčkách motoru a čerpadla (časově řízené vstřikování). Úvodní vstřik může být před horní úvratí až 90. Při úvodním vstřiku je dodáváno do válce malé množství paliva (1 až 4 mm), které způsobí tzv. předkondicování spalovacího prostoru (ve spalovacím prostoru se zvýší teplota a tlak). To vede ke snížení hluku spalování, spotřeby paliva a v mnoha případech také emisí. Hlavním vstřikem je dodávána energie pro práce odevzdávanou motorem. Ta odpovídá průběhu točivého momentu motoru. U systému vstřikování s tlakovým zásobníkem zůstává velikost vstřikovacího tlaku během celého vstřiku téměř nezaměněná. (Issenburg 1999) 22

28 Úvodní vstřik Při počátku vstřiku úvodního vstřiku, dříve než 40 klikového hřídele před HÚ, může palivo zasáhnout horní plochu pístu a stěnu válce a vést k nepřípustnému ředění mazacího oleje. Při úvodním vstřiku je dodáno malé množství paliva (1 4 mm3) do válce a způsobí předkondicionování spalovacího prostoru. To může zlepšit účinnost spalování a dosáhnout následující efekty: kompresní tlak bude předběžnou reakcí příp. částečným hořením lehce zvýšen průtah vznícení hlavního vstřiku zkrácen nárůst spalovacího tlaku a spalovací tlak sníženy (měkčí spalování) Tyto efekty snižují hluk spalování, spotřebu paliva a v mnoha případech emise. U průběhu tlaku bez úvodního vstřiku stoupá tlak v oblasti před HÚ pouze mírně podle komprese, se začátkem hoření ale velmi strmě a vykazuje ostrou špičku. To výrazně přispívá k hluku od spalování vznětového motoru. (Issenburg 1999) Obr Zdvih jehly trysky a průběh tlaku bez úvodního vstřiku U průběhu tlaku s úvodním vstřikem dosahuje tlak v oblasti před HÚ o něco vyššího tlaku a nárůst spalovacího tlaku proběhne s nižší strmostí. Úvodní vstřik přispívá pouze nepřímo prostřednictvím zkrácení průtahu vznícení k nárůstu točivého momentu motoru. Podle počátku vstřiku hlavního vstřiku a odstupu mezi hlavním a úvodním vstřikem se může měrná spotřeba snižovat, nebo zvyšovat. (Issenburg, 1999) 23

29 Hlavní vstřik Hlavním vstřikem je dodávána energie pro práci odevzdávanou motorem. Ta v podstatě odpovídá průběhu točivého momentu. U systému Common Rail, zůstává velikost vstřikovacího tlaku během celého průběhu vstřiku téměř nezměněná. (Issenburg, 1999) Následný vstřik Na rozdíl od úvodního a hlavního vstřiku palivo neshoří, ale odpaří se vlivem zbytkového tepla do výfukových plynů. Tato směs paliva a výfukových plynů je vedena při výfukovém taktu přes výfukový ventil do výfukového potrubí. Vlivem recirkulace výfukových plynů je ovšem část paliva přivedena opět ke spalování a působí jako velmi časný úvodní vstřik. Palivo ve výfuku působí jako vhodný NOx- katalyzátor, jako redukční prostředek oxidů dusíku. Pozdní následný vstřik vede k ředění motorového oleje palivem. (Issenburg, 1999) 24

30 3.7. Servis a údržba palivových systémů vznětových motorů Hlavní zásady při používání moderních vznětových vstřikovacích systémů Předpokladem pro bezporuchový provoz moderních vstřikovacích systémů vznětových motorů je použití palivového filtru, který je speciálně přizpůsoben požadavkům vstřikovací soustavy. Vzhledem k razantnímu vývoji dieselové technologie jsou na filtraci paliva, předtím než se dostane do systému vstřikování, kladeny stále větší nároky. Zatímco před třiceti lety se při seřizování u vstřikovacích systémů s řadovým čerpadlem měřilo s tolerancí 0,1 mm (100 µm), dnes se pohybujeme u nejnovějších CR vstřikovacích systémů u některých součástí s tolerancemi v tisícině milimetru (1 µm). Vstřikovací systémy mají dnes i daleko větší životnost. Některá nákladní vozidla najedou bez závady na vstřikovacím systému přes 1 milion km a po celou dobu musí být zajištěna kvalitní filtrace paliva. Důležitým kritériem pro bezporuchový provoz je proto i dodržování termínu výměny palivového filtru. Prvním předpokladem, aby nedošlo k poškození vstřikovací soustavy, je vyvarovat se natankování nekvalitní nafty. Palivo může být kontaminováno organickými či anorganickými částicemi nebo vodou při výrobě, dopravě, skladování, tankování nebo přes odvětrání palivové nádrže. Moderní vstřikovací systémy vyžadují velkou účinnost filtrace (přibližně devadesáti procentní) drobných částic o velikosti od 3 µm do 5 µm. Právě drobné nečistoty v palivu (3 µm - 10 µm) způsobují opotřebení součástí moderních vstřikovacích soustav. Nejenom u vstřikovačů dochází vlivem abrazivních nečistot k opotřebení a tím ke změně optimální vstřikované dávky paliva, ale dochází tímto i k opotřebení dalších komponentů vstřikovací soustavy, u CR systémů je to vysokotlaké čerpadlo. Také voda obsažená v palivu, jak ve vázané formě (emulze) či nevázané formě (kondenzovaná voda vlivem teploty), může způsobit poškození komponentů vstřikovacího systému na základě koroze nebo vlivem nedostatečných mazacích schopností paliva. Nedostatečně přefiltrované palivo může vést až ke zničení komponentů vstřikovací soustavy. 25

31 Provoz na bionaftu Provoz vznětových motorů na bionaftu může způsobit problémy. A to zvláště v případě, že kvalita paliva neodpovídá normě EN Zkušební odběry v SRN ukázaly, že kvalita nabízené bionafty velmi kolísá. Riziko výpadků a poškození způsobených bionaftou je ovlivňováno a zvyšováno některými podmínkami provozu vozidla, např. dlouhá odstavení, vysoké teploty atd. Oxidační stabilita bionafty je na rozdíl od nafty výrazně nižší. Tato oxidační stabilita je rozhodujícím parametrem pro rezervu stárnutí. Pokud je tato rezerva vyčerpána, může důsledkem stárnutí bionafty docházet k následujícím problémům: - Degradace elastomerových těsnění úniky, netěsnosti - Ucpávání filtrů - Usazeniny ve vstřikovacím čerpadle - Ucpané, zakarbonované trysky - Koroze - Růst bakterií - Snížení životnosti dalších komponentů palivové soustavy K nasazení vstřikovacích systémů do provozu dochází prostřednictvím výrobců vozidel/motorů. Tito výrobci zajišťují odpovídajícími zkouškami spolehlivost provozu v očekávaných provozních podmínkách. Proto povolení pro provoz na bionaftu vydávají také přímo výrobci vozů/motorů. Zařízení vstřikování paliva Common Rail je navrženo pro použití motorové nafty dle normy EN590 podle této normy palivo může obsahovat až 5% FAME (= mastné kyseliny methyl ester = bionafty 1. generace) v dobré kvalitě (podle evropské normy EN14214). Nedoporučuje se používat vyšší podíl příměsí, nebo příměsi jiných biogenních paliv z důvodu neslučitelnosti materiálů a výskytu stárnutí výrobků příměsí nonesterifikovaných rostlinných olejů, které může způsobit vážné poškození vstřikovacích zařízení. 26

32 Příklady poškození vstřikovačů Common Rail Projev závady Nízký výkon Černý kouř Vzhled závady Zbytky spalování na vnějším povrchu vstřikovače Jednostranný otisk na těsnění Možné příčiny Chybná montáž vstřikovače (jednostranně utažen nebo přetažen) Chybějící těsnění Příliš malý utahovací moment při montáži Projev závady Nízký výkon Problémy při volnoběhu (chvění) Hluk od spalování (klepání) Vzhled závady Teplotní přetížení Zbytky spalování na vrcholu trysky (zakarbonovaný) Možné příčiny Tuning Nevhodné nebo nepovolené přísady v palivu Motorový olej v sání Zředěný olej Biodiesel 27

33 Projev závady Špatný start Nízký výkon Nepravidelný chod motoru Vzhled závady Usazeniny ve vnitřním prostoru vstřikovače Váznoucí píst ventilu nebo jehla trysky Možné příčiny Voda v palivu Špatné palivo Nedostatečná filtrace, nevhodná kvalita filtru, případně překročena doba výměny filtru Projev závady Nízký výkon Problémy při startu Problémy při volnoběhu (chvění) Motor za chodu zhasíná Příliš vysoké vratné množství paliva Vzhled závady Erosivní opotřebení sedla řídicího ventilu vstřikovače Možné příčiny špatné, abrasivní palivo (částice) špatná, nedostatečná filtrace 28

34 Projev závady Tvrdý hluk od spalování (klepání) Problémy při staru Vzhled závady Ocelové částice případně špony HDtěsnění ve vnitřním prostoru vstřikovače Možné příčiny Odstřižené špony z H- těsnění (chyba montáže) Ocelové částice nedodržení čistoty při montáži, příp. poškození podávacího nebo vysokotlakého čerpadla Obr. 14, 15, 16, 17, 18 Příklady poškození vstřikovačů Common Rail Čistota při práci se systémy vznětových motorů Palivová soustava musí být uzavřená. Provede se vizuální kontrolu zaměřená na netěsnosti a poškození palivové soustavy. Při zahájení práce na palivové soustavě musí být motor suchý a čistý. Vyčistit motor a motorový prostor. Při čištění tryskající párou se musí elektrické součásti a jejich konektory zakrýt pomocí krytů. Tryskající pára nesmí být mířena přímo na elektrické součásti. Vysoušení stlačeným vzduchem je přípustné jen při uzavřené palivové soustavě Oblasti motorového prostoru, ze kterých by se mohly uvolňovat částečky nečistoty (např. sklopená kabina), zakrýt novou a čistou zakrývací fólií. Pracoviště by mělo být před zahájením práce vyčištěno a mělo by být pokud možno bez prachu. Je třeba zabránit pohybům vzduchu, při kterých dochází k víření prachu způsobenému o broušením a svářením o opravami brzd 29

35 o startování motorů o provozem topných a ventilačních zařízení o provozem válcové zkušebny brzd a stanice pro měření výkonu. Práce na palivové soustavě se provádí pouze v čistém pracovním oděvu. K čištění palivové soustavy se smí používat pouze čisticí ubrousky neuvolňující vlákna. Před zahájením práce se očistí nástroje a pracovní prostředky. Smí se používat jen nástroje, které nevykazují poškození (popraskané chromování). Práce na demontovaných komponentách by se měla provádět pouze na pracovišti, které je k tomu vybaveno. Při práci na otevřené palivové soustavě se musí dodržovat následující opatření: K čištění se nesmí používat použitá čisticí a zkušební tekutina Použití stlačeného vzduchu k čištění je nepřípustné. Uvolněné částečky nečistoty jako kousky odprýskaného laku a izolačního materiálu se odstraní vhodným odsávacím zařízením (průmyslový vysavač). Při demontáži a montáži komponent se nesmí používat materiály jako kusy látky, kartón nebo dřevo, protože mohou uvolňovat částečky a vlákna Po demontáži se ihned uzavřou otvory komponent čistými a vhodnými uzavíracími krytkami. Uzavírací krytky pro jednotlivé komponenty palivové soustavy je třeba objednat s pomocí seznamu náhradních dílů v ESI[tronic]. K dispozici by měla být stále zásoba uzavíracích krytek. Uzavírací krytky se musí skladovat v bezprašném a před nečistotou chráněném prostředí v originálním obalu a po jednom použití je zlikvidovat! Následně se součásti pečlivě uloží v čistém a uzavřeném kontejneru. Nové díly se smí vyjmout z originálního obalu teprve bezprostředně před použitím. V případě zasílání demontovaných dílů se použijí vždy originální obal nového dílu. 30

36 Obr. 19 Postup při demontáži palivových systémů Testování vstřikovačů systému Common Rail Pomocí běžné zkoušečky trysek ani pomocí jejího speciálního provedení, zkoušku provést nelze. Pro testování vstřikovačů u systému Common Rail (CR) se používá zcela odlišný postup, u kterého musíme mít k dispozici diagnostický tester, např. některý z nových přístrojů BOSCH řady KTS. V nabídce testovacích kroků pro diagnostiku systému CR se objevily tři nové kroky. Je to test komprese, porovnání volnoběžných otáček a porovnání dávky paliva na jednotlivých vstřikovačích. Test komprese. U tohoto kroku se zjišťuje, jaký je mechanický stav motoru. Test by se měl provádět na zahřátém motoru.tester odstaví dodávku paliva do systému a po startování, zhruba 6 až 10 sekund, se na obrazovce objeví výsledek, ze kterého se dá velmi přesně posoudit mechanický stav motoru. Maximální povolená tolerance pro tento test je rozdíl 5 otáček. Porovnání volnoběžných otáček. Při tomto testovacím kroku je vyřazena z činnosti regulace rovnoměrnosti chodu motoru a po dobu cca 5 sekund se sledují otáčky jednotlivých válců. Tento test vypovídá za předpokladu dobrého mechanického stavu motoru o kvalitě vstřikování a 31

37 spalování jednotlivých válců. Rozdílné otáčky jednotlivých válců jsou způsobeny různým přínosem jednotlivých válců na vytváření točivého momentu. Maximální tolerance je opět 5 otáček. Porovnání dodávky paliva. V tomto zkušebním kroku tester zobrazuje korekce dodávky paliva pro jednotlivé válce. Korekce zvyšuje nebo snižuje základní vstřikovanou dodávku, tak aby byl zajištěn klidný chod motoru při volnoběhu. V případě, že je korekce dodávky paliva vyšší než např. ±2 mg /zdvih, je příslušný vstřikovač vadný, přicpaný nebo přidřený a je nutné vždy první vstřikovač s nejvyšší korekcí vyměnit. Vysoká korekce dodávky dalšího vstřikovače v pořadí zapalování může být způsobena snahou řídicí jednotky o zklidnění chodu motoru. Přepad není v pořádku Obr Měření přepadových množství z jednotlivých injektorů Množství přepadu v pořádku Maximální přípustná odchylka mezi dvěma přepady smí být do 3 dílků při maximálním naplnění některé z baněk. Při překročení tolerance 3 dílků, je třeba vyměnit injektor s největším průtokem. 32

38 4. Vozidlová zkušebna ústavu techniky a automobilové dopravy na Mendelově univerzitě v Brně Vozidlová zkušebna Ústavu techniky a automobilové dopravy sestává z: vozidlového dynamometru emisní analýzy včetně NO x zařízení pro měření spotřeby 8 čidel tlaku a 8 senzorů teploty (tlak i teplota před a za turbem) Data se zapisují až ze 140 kanálů v reálném čase na PC. Protokol z měření je ukládán v HTML a všechny údaje je možno samozřejmě exportovat do tabulkového procesoru k další analýze. ( Vozidlová zkušebna pro osobní automobily K měření výkonu spalovacího motoru vozidla bez nutnosti demontáže na zkušebnu motorů slouží válcový vozidlový dynamometr. Jeho činnost lze zjednodušeně popsat následovně. Spalovací motor přenáší výkon na hnací kola vozidla, ta třením roztáčí zkušební válce dynamometru. K válci je připojeno zařízení (z principu maření energie existují vířivé, hydraulické či elektrické brzdy), které klade otáčejícímu se kolu brzdný odpor a umožňuje regulaci jeho velikosti. Tento brzdný moment vyvolává reakční moment stejné velikosti ale s opačným smyslem a jelikož válce jsou spojeny s rotorem brzdného zařízení a poháněny koly vozidla, přenáší se reakční moment přes stator na siloměrné zařízení tenzometr. Měřením velikosti reakčního momentu lze určit obvodové hnací síly na kolech vozidla a při znalosti rychlosti otáčení je možné vypočítat výkon. ( 33

39 Obr Vozidlová zkušebna pro osobní automobily Dynamometr 4VDM E120-D Konstrukční řešení vychází z tuhých základních rámů, na kterých jsou umístěny ložiska válců o průměru 1,2 m, stojin a základních rámů s elektrickými dynamometry. Tyto rámy se stojinami tvoří základní bloky jednotlivých os. Blok přední osy je umístěn pevně, blok zadní osy posuvně v rozmezí požadovaného rozvoru, společně s přední osou vozidlového dynamometru VDU E120 - T. Spojení levého a pravého válce zajišťuje elektricky ovládaná frikční spojka. Rozpojení pravého a levého válce umožňuje dynamické měření brzdných sil z vysokých rychlostí. Propojení válcových jednotek s dynamometry typu SDS je provedeno pomocí ozubených řemenů. Každý válec je vybaven pneumaticky ovládanými brzdami pro umožnění najetí vozidla a bezpečnostní zabrzdění. Dále je každá válcová jednotka 34

40 vybavena pneumaticky ovládaným nájezdovým a středícím zařízením a měřícími rolnami s odsouvatelným krytem. Obě osy jsou umístěny na konstrukci z ocelových profilů upevněné na základním rámu, který je zalit betonem na dně montážní jámy. Na základním rámu jsou rovněž uchyceny podpěry pevného a posuvného krytí vozidlového dynamometru. V podlaze okolo montážní jámy jsou zality kotvící drážky pro upevnění úvazků vozidla. Celá plocha okolo vozidlového dynamometru je v rovině podlahy překryta ocelovými krycími plechy. Přívod chladícího vzduchu do montážní jámy je vyústěn pod jednotlivými osami uprostřed (v zapuštěném kanálu). Před zkoušeným vozidlem je umístěn ventilátor náporového chlazení s usměrňovací hubicí, připojený pohyblivým přívodem do zásuvky spínané přes ovládací klávesnici z kabiny vozidla. ( Obr dynamometr pro osobní automobily 4VDM-E120D 35

41 Dále se dělí na tyto části: Pevná část - přední monoválce pro osobní vozidla Posuvná část - zadní monoválce pro osobní vozidla Pojezdové profily a pohon pojezdu Posuvné a pevné podlahy a kryty Upevňovací zařízení a bezpečnostní zábrany. Pevná a posuvná část pro osobní vozidla se dělí na: Rám Válce se spojkou, hnacími řemeny a brzdou Dynamometry s ventilací Snímací rolny Ustavovací zařízení Velmi důležitou součástí zkušebny je také vzduchotechnika a spalinové hospodářství. Podtlak v místnosti lze regulovat od 5 do 300 Pa, přičemž vyměněné množství vzduchu činí až m 3 /h. U výfukových plynů lze regulovat množství ručně či v závislosti na odebíraném výkonu motoru a to až do m 3.h -1. Prováděné zkoušky na dynamometru Zkoušky hnacího ústrojí: v = konstantní - standardní způsob měření otáčkových charakteristik motorů vozidel F = konstantní - standardní způsob měření zatěžovacích charakteristik motorů vozidel Vnější rychlostní - standardní způsob měření vnějších otáčkových charakteristik motorů vozidel v regulaci v = konstantní 36

42 Simulace vozovky (roadload)- simulace jízdy, např. jízda po okruhu, je možno libovolně měnit stoupání, profil vozovky aj. Akcelerační zkouška - zkouška pro měření vnější rychlostní charakteristiky. Jízdní testy - vychází z předchozí, ale je doplněna funkcemi pro jízdu podle předem předepsané charakteristiky v čase. Zkoušky brzdové soustavy: Pomaluběžné zkoušky - zkoušení brzdové soustavy dle metodiky platné pro STK, doplněná o možnost měření brždění obou náprav současně. Rychloběžné zkoušky - obdoba předešlé zkoušky s tím rozdílem, že zkušební rychlost může být výrazně vyšší (až 200 km/h) než u pomaluběžných, zkoušku lze provést staticky i dynamicky. ABS II- Vyhodnocení reálného chování ABS. Kalibrační testy: Určení pasivních ztrát pro zkoušky brzd - slouží k určení pasivních ztrát nezávisle pro, každé kola. Určení pasivních ztrát pro zkoušky výkonu - slouží k určení pasivních ztrát pouze hnaných náprav. Doplňkové zkoušky: Zkouška rychloměru a tachometru - ověřuje přesnost měření rychloměru a tachometru vozidla. Zkouška otáčkoměru - slouží k ověření přesnosti měření vozidlového otáčkoměru a zjištění dynamického poloměru pneumatik při akceleraci. Zkouška náhonu 4x4 - při akceleraci a deceleraci ověřuje chování viskózních spojek a diferenciálů. ( 37

43 Emisní systémová analýza Bosch ESA Přístroje Bosch ESA (Emisní Systémová Analýza) je zařízení vyvinuté zejména pro pracoviště zabývající se měřením emisí. Současně také umožňuje diagnostiku a základní seřízení motoru. ESA je modulárně řešený systém, jehož funkce je možné podle potřeb postupně rozšiřovat. Měřit lze i motory poháněné alternativními palivy (LPG, CNG, metanol) s tím, že součinitel lambda je vypočítán podle zvoleného druhu paliva. ESA kromě plynných emisí, případně kouřivosti, zajišťuje nejen potřebné měření otáček a teploty oleje, ale umožňuje provádět i jednoduché funkce motortesteru. Dokáže změřit předstih a dynamický předvstřik pomocí stroboskopické lampy nebo snímače HÚ, úhel sepnutí má možnost zobrazit i signály (např. napětí lambda sondy, doba vstřiku) a nabízí i funkci multimetru. Součástí softwaru ESA je databanka předepsaných hodnot některých vozidel a databanka zákazníků. Databanku předepsaných hodnot ostatních vozidel lze doplnit jako zvláštní výbavu. Tiskne protokoly o měření emisí se všemi náležitostmi, automaticky čísluje protokoly, hlídá platnost osvědčení techniků, zajišťuje vedení evidence kontrolních nálepek, osvědčení a vypracovává pravidelná hlášení. Emisní systémová analýza je určena nejen pro úřední měření emisí, ale také pro diagnostiku a základní seřízení motoru. ( Obr Emisní systémová analýza Bosch ESA

44 4.2. Použité přístroje Vozidlový dynamometr 4VDM E120-D Tabulka 2 - Technické údaje vozidlového dynamometru 4VDM E120-D Max. zkušební rychlost [km.h -1 ] 200 Max. výkon na nápravu [kw] 240 Max. hmotnost na nápravu [kg] 2000 Průměr válců [m] 1,2 Šířka válců [mm] 600 Mezera mezi válci [mm] 900 Povrch válců zdrsnění RAA 1,6 Setrvačná hmotnost válců (každá náprava) [kg] 1130 Min. rozvor [mm] 2000 Max. rozvor [mm] 3500 Zatížitelnost krytí v místě jízdy [kg] 2000 v místě chůze [kg] 500 Tlakový vzduch [bar] min. 4 Rozsah měření rychlosti [km.h -1 ] Rozsah měření sil [kn] 4x ± 5 Přesnost měření rychlosti [km.h -1 ] ± 0,01 Přesnost měření sil [%] ± 0,25 Přesnost regulace rychlosti [%] ± 0,1 Přesnost regulace síly [%] ± 0,5 39

45 Softwarové prostředí pro měření Řízení jak válcového, tak i vířivého dynamometru zkušebny MU a ukládání naměřených údajů ze všech použitých snímačů zajišťuje řídící počítač se serverem dat. Činnost a předávání dat mezi serverem a řídícím PC je synchronizována. Spojení řídícího PC a dalších zařízení s nadřízeným serverem je realizováno lokální sítí. Při komunikaci dochází k předávání konfiguračních dat ze serveru do řídícího počítače a ke zpětnému ukládání naměřených dat z řídícího PC do serveru. Po síti dochází také k předávání průběžných informací o stavu a aktuálních hodnotách jednotlivých měřících kanálů. Tato komunikace slouží pro vzájemnou synchronizaci činnosti a k předávání aktuálních údajů z důležitých měřících kanálů. Vlastní program je napsán ve vývojovém prostředí LabView. Tento program umožňuje také sběr dat z distribuovaného systému Fieldpoint, který obsahuje přídavná měření a v současnosti s dalším průmyslovým počítačem přebírá data ze sběrnice CAN vozidla a umožňuje zpracování dalších dat. (Bauer a kol.,2006 ) Šasi měřicí ústředny umožňuje zapojení až osmi modulů. K počítači je připojena přes rozhraní USB 2.0. NI cdaq 9172 Obr Měřící ústředna cdaq schéma Schéma měřicí ústředny cdaq 9172 (1 vypínač napájení ústředny, stavové indikátory, konektor napájení, 4 připojení pro USB 2.0, 5 volné sloty pro moduly, 8 moduly, 7 zemění) 40

46 Tabulka 3 - Specifikace měřící ústředny cdaq 9172 Analogové vstupy Analogové výstupy Digitální vstupy Čítače Vstupní FIFO 2047 vzorků Vzorkování 3,2 MS/s Časové rozlišení 50 ns Přesnost časování 50 ppm z časování Maximální počet kanálů Závislý na použitých modulech Počet kanálů hardwarově 16 Počet kanálů nečasovaných Závislý na použitých modulech Maximální čas vzorkování 1,6 MS/s (multikanál) Časové rozlišení 50 ns Přesnost časování 50 ppm z časování Výstupní FIFO 8191 vzorků Vstupní FIFO 2047 vzorků Výstupní FIFO 2047 vzorků Digitální vstupy (slot 1až4)8 MHz Digitální výstupy (slot 1až4)8 MHz Počet 2 Velikost 32 bitů Interní hodiny 80 MHz, 20 MHz, 100 khz Přesnost časování 50 ppm z časování 41

47 NI 9205 analogové vstupy napětí (+-10V), 16 bit, 250 ks/s o Vstupní rozsahy: ± 10 V, ±5V, ±1V, ±0,2V o Vstupní impedance: >10 GΏ (kapacita 100pF) o Absolutní přesnost: 6,23 µv z 10V Programové prostředí bylo napsáno ve vývojovém prostředí LabVIEW a skládá se z následujících částí, resp.rutin. 42

48 5. Metodika měření Měřené vozidlo Měřený automobil BMW 320d využívá palivového systému Common Rail 2. generace. Tabulka 4 - Technické údaje automobilu Technické údaje o vozidle BMW 320 d Značka BMW Druh Osobní poháněná náprava Zadní stav tachometru [ km ] hmotnost [ kg ] 1505 rozvor náprav [ cm ] 276 Pneumatiky 205/5 R 16 Typ Vznětový Zdvihový objem [ dm 3 ] 1,995 výkon motoru [ kw ] 110 vrtání x zdvih [ mm ] 84,0 x 90,0 počet válců / ventilů 4/4 točivý moment [ N.m ] při [ ot./min ] 340/2000 Obr. 25 BMW 320d 43

49 5.1. Příprava měřícího stanoviště Pro měření parametrů motoru byl použit automobil BMW 320d. Před zahájením vlastního měření je nutné nastavení pracovních válců vozidlového dynamometru na požadovaný rozvor zkoušeného vozidla. Dále zkontrolovat, zda jsou na hnacích kolech použity předepsané pneumatiky a zkontrolovat upevnění vyvažovacích závaží. Tlak v pneumatikách má být na horní mezi stanovené výrobcem vozidla. Po usazení vozidla na válce je nutno provést zajištění vozidla. Vozidlo se zafixuje pomocí konstrukce k podlaze zkušebny. Ta je vybavena pryžovými dorazy, které doléhají na nárazník a umožňují vozidlu maření nadměrných dynamických sil. Před spuštěním motoru se musí na výfuk nasadit odsávací zařízení. Obr Ustavení vozidla na měřícím stanovišti Pak následovala instalace vzduchotechniky, která při zkouškách nahrazovala náporové chlazení, jako při jízdě vozidla. Dále byl do motorového prostoru instalován snímač teploty nasávaného vzduchu a otáček motoru. 44

50 5.2. Příprava softwarového prostředí v programu LabVIEW Byla navržena s uživatelským komfortem a přehledností, mimo vlastního monitorování a nastavení je možné také zaznamenávat průběh v rozsahu až 50 ks/s. Obr Ukázka nastavení řídícího programu V horní části jsou zobrazeny indikátory aktuálních hodnot napětí v tlakovém zásobníku, které jsou dále automaticky převedeny na tlak, dále jsou tam tlačítka pro vypnutí/zapnutí měření a záznam. Ve spodní oblasti se zobrazují hodnoty v grafu. 45